УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТОГО КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩЕГО АЛЮМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Устройство относится к области технологического оборудования для создания композиционных материалов на алюмоматричной основе для машиностроения, авиационной техники и др.
Известно устройство для получения литых композиционных материалов на основе алюминия, включающее нагревательную печь, тигель, трубопровод. (Патент РФ №2186867. «Способ и устройство для получения литых композиционных материалов на основе алюминия». Опубликовано 10.08.2002).
Устройство обеспечивает механическое замешивание в находящийся в тигле расплав дисперсного материала, подаваемого через трубку с помощью несущего газа.
Недостатком известного устройства является то, что для введения в расплав твердых частиц используется несущий газ, способный частично растворяться в расплаве, что ухудшает качество получаемого композиционного материала. Устройство сложно по конструкции, монтажу и использованию.
Известно также устройство для получения литого кремнийсодержащего алюмоматричного композиционного материала, включающее нагревательную печь, тигель для алюмоматричного расплава, шиберный затвор в его донной части, сливной металлопровод. (Патент №117439 «Установка для получения алюмоматричных композиционных расплавов и отливок из них». Опубликовано 27.06.2012).
Недостатком известного устройства является то, что в нем для транспортирования дисперсного материала - наполнителя также используется газ, способный загрязнять получаемый металломатричный композиционный материал. Кроме того, применение известного устройства усложняет технологию получения металломатричного композиционного материала.
Задача предлагаемого решения - упрощение конструкции устройства с одновременным повышением качества получаемого алюмоматричного композиционного материала, снижением трудозатрат и себестоимости его получения.
Это достигается тем, что в устройстве для получения литого кремнийсодержащего алюмоматричного композиционного материала, включающем нагревательную печь, тигель для алюмоматричного расплава, шиберный затвор в его донной части, сливной металлопровод, внутренняя полость сливного металлопровода по всей длине снабжена пустотелой вставкой из материала, реагирующего с расплавленным алюминием с образованием микрочастиц кремния, а на выходе металлопровода установлен дополнительный замыкающий шиберный затвор.
На фиг. 1 приведено заявленное устройство, на фиг. 2 - фотография структуры композиционного материала, полученного с помощью устройства.
Устройство для получения литого кремнийсодержащего алюмоматричного композиционного материала включает в себя нагревательную печь 1 заданной мощности и объема рабочей зоны, тигель 2 для алюмоматричного расплава 3 с донной частью 4, в которую вставлен шиберный затвор 5, сливной металлопровод 6. Внутренняя полость сливного металлопровода 6 по всей длине снабжена пустотелой вставкой 7 из материала, реагирующего с расплавленным алюминием с образованием микрочастиц кремния. Сливной металлопровод 6 замыкается дополнительным шиберным затвором 8.
Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом.
В тигель 2, размещенный в нагревательной печи 1 при температуре, превышающей температуру плавления алюминия, загружают в твердом виде или заливают алюминиевый расплав. Затем открывают шиберный затвор 5 для отекания расплава через пустотелую вставку 7 сливного металлопровода 6. Пустотелая вставка 7 выполнена из материала, реагирующего с расплавленным алюминием с образованием микрочастиц кремния. За время прямого контакта расплава с материалом вставки 7, регулируемого дополнительным шиберным затвором 8, происходит выделение кремния, распределяющегося в виде дисперсных микрочастиц по всему объему расплава. Дополнительный шиберный затвор 8 открывают для слива расплавленного алюмоматричного композиционного материала.
В результате прямого взаимодействия алюминиевого расплава 3 и материала вставки 7 происходит образование микрочастиц кремния, армирующих металлический расплав. Это позволяет исключить подачу дисперсного материала - наполнителя транспортирующим газом и механическое замешивание расплава с наполнителем. Тем самым исключаются загрязнение матричного расплава транспортирующим газом, необходимость применения специального оборудования для замешивания расплава и затраты энергии на соответствующий процесс.
Работа устройства была осуществлена в лабораторных условиях при температуре нагревательной печи 985 К.
В качестве материала внутренней полой вставки в металлопровод, реагирующего с расплавленным алюминием с образованием микрочастиц кремния, использовался кварц оптического качества. Длина металлопровода с внутренней полой вставкой составила от 160 до 200 мм, внутренний диаметр - от 5 до 20 мм. Время нахождения расплава в металлопроводе составило от 30 до 60 с.
После слива расплава из металлопровода в тигель для кристаллизации и охлаждения из средней части полученных слитков алюмоматричного композиционного материала вырезали образцы размером 8×8 мм, структуру и химический состав которых регистрировали с помощью растрового электронного микроскопа Quanta 200, оборудованного приставкой рентгеновского микроанализа EDAX.
Установлено, что в результате взаимодействия расплавленного алюминия с кварцем образуется композиционный алюмоматричный материал, армированный микрочастицами кремния. На фиг. 2 приведена фотография структуры полученного литого кремнийсодержащего алюмоматричного композиционного материала с включениями частиц кремния, образовавшимися в результате контакта расплавленного металла с кварцем. Стрелками отмечены отдельные частицы кремния, армирующие структуру металла. Преобладающий линейный размер частиц кремния в матрице алюминия составляет 3-5 мкм. По результатам рентгеновского микроанализа частицы содержат около 99% кремния, а их массовая доля в алюмоматричном материале достигает 29%.
Рассмотренный выше материал позволяет сделать вывод о промышленной применимости предложенного устройства для получения кремнийсодержащего алюмоматричного композиционного материала.
Предлагаемое устройство имеет простую конструкцию, обеспечивает получение композиционных алюмоматричных расплавов без газообразных включений, что повышает их качество с одновременным снижением трудозатрат и себестоимости получения.