Состав композиционного материала на основе алюминиевого сплава
COMPOSITION OF COMPOSITE MATERIAL BASED ON ALUMINUM ALLOY

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминиевого сплава, к которым предъявляются промышленные требования по повышенной прочности, жаропрочности, а также стойкости против абразивного износа и образования различных трещин.
Известен состав алюминиевого сплава АК21М2,5Н2,5 (ГОСТ 1583-93 Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия). Применяется для производства поршней дизельных двигателей, к которым предъявляются повышенные требования по жаропрочности и линейному расширению.
Однако детали, полученные на его основе не обладают высокой стойкостью против абразивного износа.
Известен патент на изобретение «Способ получения легированного порошка на основе алюминия» (RU 2113941, опубл. 09.07.1997). Согласно известному способу получают легированный порошок на основе алюминия с содержанием карбида кремния до 30%. Из легированного порошка получают материал, характеризующийся микротвердостью металлической матрицы в интервале 2300-3000 Мпа, увеличенным средним размером частиц и обладающим улучшенной свариваемостью.
Однако данный сплав является дорогостоящим из-за входящего в состав карбид кремния.
Известен патент РФ №2659514 (приоритет 17.08.2017) «ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫЙ СПЛАВ» данное изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении фасонных отливок различными методами литья, в частности дисков автомобильных колес методом литья под низким давлением. Литейный алюминиево-кремниевый сплав содержит, мас. %: кремний 10,5-11,5, стронций 0,02-0,08, магний 0,05-0,15, марганец 0,3-0,5, железо 0,3-0,5, алюминий и примеси - остальное, и имеет структуру, состоящую из первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора и модифицированной алюминиево-кремниевой эвтектики, в состав которой входит стронцийсодержащая фаза, при этом не менее 90% всего количества железа входит в состав алюминиево-кремниевой эвтектики в виде фазы Al15(Fe,Mn)3Si2.
Однако детали, полученные на его основе не обладают высокой стойкостью против * абразивного износа.
Известен патент РФ №2171307 (приоритет 22.02.2000) «КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ АНТИФРИКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕННОЙ СМАЗКИ». Данное изобретение относится к созданию антифрикционных материалов для машиностроения, работающих в тяжелонагруженных узлах трения скольжения в условиях ограниченной смазки. Предлагается литой композиционный материал на основе промышленных литейных алюминиевых сплавов (типа силуминов), содержащий дискретные наполнители двух видов: высокотвердые, высокомодульные керамические частицы карбидов, нитридов, оксидов с размером не более 20 мкм и частицы графита фракционного состава 40-160 мкм, объемная доля керамического наполнителя от 2,5 до 5,0 об. %. При этом обеспечивается снижение коэффициента трения в условиях сухого трения, высокое сопротивление износу, несущая способность. Объемная доля керамического наполнителя от 2,5 до 5 об. %, графитового наполнителя от 1,5 до 3 об. %.
Однако детали, полученные на его основе не обладают высокой стойкостью против абразивного износа вследствие того что доля керамического наполнителя не более 5%.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является изобретение «Способ получения композиционного материала из алюминиевого сплава (его вариант) и композиционный материал» (патент RU 2202643, опубл. 26.09.2001). Состав известного композиционного материала на основе алюминиевого сплава содержит различную объемную долю оксида алюминия от 10 до 25 об. % и алюминиевый сплав. В качестве алюминиевого сплава используют сплав AК12M2MгH(Al-12%Si-1,2%Mg-2%Cu-1%Ni-1%Fe-0,5%Mn). Известный состав характеризуется длительной твердостью НВ1350 не менее 160 МПа.
Однако в данном составе используется в качестве матрицы АК12М2МгН, с повышенным содержанием легирующих элементов, что увеличивает стоимость сплава.
Технический результат заключается в получении детали из заявленного состава с высокой конструктивной прочностью по всему сечению изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что композиционный материал на основе алюминиевого сплава содержит оксид алюминия, а также кремний, марганец, никель, медь, магний, цинк при следующем содержании компонентов, мас. %:
Алюминий 66,0-75,8
Оксид алюминия 13-20%, размер частиц не менее 30 мкм
Кремний 9,6-10,4
Медь 0,7-1,2
Марганец до 0,2
Никель до 1
Магний 0,2-1
Цинк до 0,2.
Вышеуказанные и иные аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном его описании.
Кремний в составе композиционного материала на основе алюминия повышает его жидкотекучесть и снижает линейную усадку, в результате чего у сплавов на основе алюминия, содержащих кремний, хорошие литейные свойства. Было обнаружено, что содержание кремния в пределах от 9,6 до 10,4 мас. % делает предлагаемый состав сплава пригодным для изготовления различных деталей.
Состав легирующих добавок, уменьшен по сравнению с аналогом, однако это не сказывается на ухудшении механических и служебных свойств предлагаемой композиции.
Соотношение компонентов в предлагаемой композиции подобрано экспериментальным путем и является оптимальным, что позволяет получить технический результат соответствующий поставленной задаче.
Введение в предлагаемый состав композиционного материала на основе алюминиевого сплава одновременно всех компонентов в предложенных количествах позволяет получить композиционный материал, обладающий меньшую стоимость по сравнению с аналогами, при сохранении комплекса механических и служебных свойств.
Заявляемый композиционный материал готовят следующим образом.
Расплав алюминия продувают кислород-азотной смесью содержащей не менее 30% кислорода. При этом за счет взаимодействия алюминия с кислородом образуется оксид алюминия. При достижении заданного содержания оксида алюминия производится внесение других легирующих элементов.
Осуществление изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Расплав алюминия продували газовой смесью содержащей кислород 80% азот 20%. При достижении 15% содержания оксида алюминия производили внесение кремния 10%, марганца 0,2%, никеля 0,5%, меди 0,7%, магния 0,2%, цинка 0,1%. Разливку осуществляли в кокиль. В результате предел прочности превысил 240 МПа.
Пример 2.
Расплав алюминия продували газовой смесью содержащей кислород 70% азот 30%. При достижении 20% содержания оксида алюминия производили внесение кремния 10%, марганца 0,2%, никеля 0,5%, меди 1,2%, магния 1,0%, цинка 0,1%. Разливку осуществляли в кокиль. В результате предел прочности превысил 240 МПа.
Предлагаемый состав композиционного материала на основе алюминиевого сплава является эффективным, обладающим высокими механическими и служебными свойствами в сочетании с низкой стоимостью.