КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2023 года по МПК C22C49/06 C22C111/00 

Изобретение относиться к металлургии, а именно к получению литейного композиционного материала на основе алюминия и его сплавов, упрочненного армирующими металлическими волокнами, и может быть использовано в машиностроении, при создании конструкций и оборудования в качестве конструкционных материалов с повышенными технологическими и эксплуатационными свойствами.

Известен композиционный материал, включающий матрицу из алюминия, магния или их сплавов и упрочнителя, выполненного в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытые пленкой аморфного углерода (патент RU 2374355, МПК С22С 49/14, опубл.27.11.2009).

Недостатком известного композиционного материала является сложность в его получении, поскольку для повышения механических свойств композиционного материала, нановолокна необходимо дополнительно покрывать пленкой аморфного углерода, что влечет за собой повышение стоимости конечного изделия.

Известен композиционный материал на основе алюминия или алюминиевого сплава, содержащий матрицу из алюминиевого сплава и упрочнитель, выполненный в виде конгломерата дискретных волокон оксида алюминия (патент RU 2755353, МПК С22С 49/06, опубл. 15.09.2021).

Недостатком известного композиционного материала является используемый упрочнитель, выполненный в виде конгломерата дискретных волокон оксида алюминия, транспортируемых порошков меди в матрицу из алюминия или алюминиевого сплава, создающей композицию упрочнения различной формы и размеров. Это влияет на технологические и эксплуатационные свойства изделия.

Наиболее близким по технической сущности является композиционный материал на основе алюминиевого сплава с армирующими волокнами, включающий матрицу из алюминиевого сплава Al-Mg-Si и упрочнитель в виде армирующих волокон длиной 2-5 мм в количестве до 25 об.%, выполненных из алюминиевого сплава того же состава, что и матрица, или из титанового сплава и полученных методом высокоскоростного затвердевания расплава (патент RU 2538245, МПК С22С49/06, опубл. 10.01.2015).

Недостатком композиционного материала является неравномерное расположение армирующих волокон малой длины, что способствует неравномерному проявлению прочностных свойств композиционным материалом. Это не обеспечивает идентичности свойств всех деталей, изготовленных из разных частей данного материала.

Задачей данного изобретения является разработка облегченного композиционного материла, обладающего высокими прочностными свойствами во всем объеме.

Техническим результатом является облегченный композиционный материал, обладающий повышенными прочностными характеристиками.

Технический результат достигается тем, что в композиционном материале на основе алюминиевого сплава с армирующими волокнами, включающем матрицу из алюминиевого сплава и упрочнитель, выполненный в виде армирующих волокон, матрица выполнена из алюминиевого сплава АК7, а армирующие волокна выполнены из медной проволоки с длинной ограниченной размером композиционного материала, и уложенные вдоль материала на равных расстояниях друг от друга, при этом на волокна нанизаны вплотную друг к другу полые медные сферы диаметром 4 мм, а расстояние между армирующими волокнами соответствует 1-2 диаметрам полых медных сфер.

Армирующие волокна предназначены для упрочнения материала и образуют дополнительный металлический каркас в теле отливки, который позволяет значительно повысить ее прочностные показатели и облегчить композиционный материал (КМ). Насаженные на медные волокна медные полые сферы обеспечивают снижение массы изделия, за счет образования полостей в теле отливки, при этом выполнение волокон и сфер из меди предотвращает их расплавление при контакте с расплавом алюминия АК7 в процессе заливки формы металлом при производстве КМ. Кроме этого, хорошая смачиваемость и адгезия медной поверхности позволяет сплаву АК7 максимально заполнять пустоты между гранулами и волокнами, что в свою очередь уменьшает (или полностью исключает) дополнительную (неконтролируемую) пористость в композиционном материале и уменьшает возможность «выкрашивания» полых медных сфер в процессе эксплуатации изделия.

Для получения композиционного материала использовали полые медные сферы одинакового диаметра 4 мм, вплотную нанизанные на медное армирующее волокно (например, проволоку) сечением 0,5 мм.

Армирующие волокна с нанизанными полыми медными сферами заданной длины, соответствующей длине композиционного материала, размещаются, и фиксируются на установленных в нижней полуформе песчано-глинистой литейной формы формирующих пластинах на заданном расстоянии. Расположение волокон с насаженными металлическими полыми сферами осуществляют вдоль композиционного материала. Затем на нижнюю полуформу монтируется верхняя полуформа. В литейную форму в сборе производится заливка расплавом алюминия марки АК7 при температуре сплава 780°C с последующей выбивкой полученной отливки из формы, после застывания металла и получения из полученного композиционного материала требуемого изделия.

Полученный композиционный материал испытывали на прочность при, растяжении и изгибе, плотность композиционного материала определяли гидростатическим методом. Результаты испытаний приведены в таблице. Для сравнения в тех же условиях эксперимента испытывали отливку из алюминия АК7 (без использования упрочняющих волокон) и КМ с использованием упрочняющих волокон без полых медных сфер.

Таблица Композиционный материал Расстояние между армирующими волокнами, мм Плотность, кг/м³ Прочность КМ при растяжении, МПа Прочность КМ при изгибе, МПа По предлагаемому изобретению: с использованием упрочняющих волокон с нанизанными полыми медными сферами 4 2038 203 219 8 2118 192 201 С использованием упрочняющих волокон без полых медных сфер - 2946 256 324 Без использования упрочняющих волокон - 2652 147 205

По результатам испытаний было установлено, что композиционный материал, полученный с применением упрочняющих волокон с нанизанными вплотную полыми металлическими сферами, показал самую низкую плотность при среднем повышении прочностных характеристик.

Использование упрочняющих волокон обеспечивает самые высокие прочностные характеристики, но при этом происходит значительное утяжеление композиционного материала.

Таким образом, композиционный материал на основе алюминиевого сплава с армирующими волокнами, включающий матрицу из алюминиевого сплава АК7 и упрочнитель, выполненный в виде армирующих волокон, из медной проволоки сечением 0,5 мм и длинной ограниченной размером композиционного материала, уложенных вдоль материала на равных расстояниях друг от друга, в котором на волокна нанизаны вплотную друг к другу полые медные сферы диаметром 4 мм, а расстояние между армирующими волокнами соответствует 1-2 диаметрам полых медных сфер, является облегченным композиционным материалом, обладающим повышенными прочностными характеристиками.

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению литейного композиционного материала на основе алюминиевого сплава, упрочненного армирующими металлическими волокнами, и может быть использовано при создании конструкций и оборудования в качестве конструкционных материалов с повышенными технологическими и эксплуатационными свойствами. Композиционный материал на основе алюминиевого сплава с армирующими волокнами включает матрицу из алюминиевого сплава АК7 и упрочнитель, выполненный в виде армирующих волокон. Волокна выполнены из медной проволоки с длиной, ограниченной размером композиционного материала, и уложенные вдоль материала на равных расстояниях друг от друга, при этом на волокна нанизаны вплотную друг к другу полые медные сферы диаметром 4 мм, а расстояние между армирующими волокнами соответствует 1-2 диаметрам полых медных сфер. Композиционный материал имеет высокие прочностные характеристики. 1 табл.

Композиционный материал на основе алюминиевого сплава с армирующими волокнами, включающий матрицу из алюминиевого сплава и упрочнитель, выполненный в виде армирующих волокон, отличающийся тем, что матрица выполнена из алюминиевого сплава АК7, а армирующие волокна выполнены из медной проволоки с длиной, ограниченной размером композиционного материала, и уложенные вдоль материала на равных расстояниях друг от друга, при этом на волокна нанизаны вплотную друг к другу полые медные сферы диаметром 4 мм, а расстояние между армирующими волокнами соответствует 1-2 диаметрам полых медных сфер.