СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СПЛАВА АЛЮМИНИЙ-МАГНИЙ С СОДЕРЖАНИЕМ НАНОДИСПЕРСНОГО ОКСИДА ЦИРКОНИЯ
PRODUCTION METHOD OF COMPOSITE MATERIAL BASED ON ALUMINIUM-MAGNESIUM ALLOY WITH CONTENT OF NANODISPERSE ZIRCONIUM OXIDE

Изобретение относится к производству композиционных материалов, в частности к их упрочнению нанодисперсными частицами.
Известен способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием Mg [Патент 2380453 Российская Федерация, МПК C22F 1/047 (2006.01); C22C 21/06 (2006.01). Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием Mg 10% /, Анисимов О.В, Костиков В.И. и др.; заявитель НИТУ МИСиС, патентообладатель Анисимов О.В. - №2008114166/02; заявл. 15.04.2008; опубл. 27.01.2010]. В основу данного изобретения положена задача создания способа производства конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния до 15,5%, включающего получение слитка, термообработку, прокат, который обеспечил бы повышение прочности, пластичности проката и повысил бы технологичность получения листового материала. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении физических характеристик материала на основе алюминия с содержанием магния около 15% за счет перевода литейного сплава в конструкционный и получение материала с прочностью выше, чем у материала с содержанием магния до 10%. Кристаллизацию слабо перегретого расплава производят во вращающемся кристаллизаторе при коэффициенте гравитации, равном 180-250, времени жизни расплава, равном 12-15 с/кг, и скорости охлаждения не выше 5°C/с. Величина перегрева расплава вместе со скоростью охлаждения должна обеспечить завершение процессов кристаллизации в силовом поле центрифуги до начала кристаллизации расплава в обычных условиях.
Данное изобретение имеет несколько отличий и недостатков:
1. Кристаллизацию расплава проводят во вращающемся кристаллизаторе при коэффициенте гравитации, равном 180-250;
2. Время жизни расплава составляет 12-15 с/кг;
3. Скорость охлаждения не выше 5°C/с;
4. Слиток подвергают термообработке и прокатке.
Однако данный способ по совокупности сходных признаков: использование сплава алюминий-магний, силовых полей центрифуги, близкие значения коэффициента гравитации, принят за прототип.
2
Целью предлагаемого изобретения является равномерное распределение нанодисперсных частиц ZrO по сечению композиционного материала на основе сплава Al-Mg. В связи с этим был использован метод центробежного литья. В результате центрифугирования композиционного расплава получаются градиентные композиционные материалы. Такие композиты отличаются наличием пространственно неоднородных структур, благодаря которым приобретают новые свойства. Поверхностные слои с повышенной концентрацией армирующей фазы различной природы и состава организуются за счет направленного перемещения дисперсных частиц в жидкометаллической суспензии. Твердые дисперсные частицы, имеющие плотность большую, чем матричный алюминиевый сплав, перемещаются к наружной стенке изложницы, а менее плотные - к оси вращения, во внутреннюю часть отливки.
Матричный сплав - АМг6 - получен сплавлением в открытом индукторе в керамическом тигле чистых алюминия и магния при соотношениях, вес.%: алюминий 94, магний 6. Температура расплава составила 700°C.
2
2
3
2
В качестве упрочняющих добавок использовали нанодисперсный порошок ZrO (2% YO, ост. - ZrO, размер частиц 10-20 нм).
Кристаллизацию расплава проводят в поле центрифуги, при коэффициенте гравитации, равном 150-200 g, при времени жизни расплава, равном 8-10 сек/кг, и скорости охлаждения 450°C\сек. Кристаллизующийся материал при вращении испытывает переменные в радиальном направлении нагрузки в зависимости от складывающегося коэффициента гравитации. Обороты ротора задавались такими, что при радиусе 75 мм давали значения коэффициента гравитации, равным 200, 175, 150 g.
Испытания установки проводились в диапазоне скоростей вращения от 1300 до 1600 об/мин.
Коэффициент гравитации рассчитывается по следующей формуле:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>μ</mi><mi>V</mi><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><mfrac><mi>R</mi><mi>g</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3
где µ - плотность расплава, г/см;
3
2
V - объем материала, см, ω - угловая скорость, рад/с;
R - радиус, м;
2
g - ускорение свободного падения, g=9,8 м/с.
Уравнение, связывающее коэффициент гравитации и давление, имеет следующий вид:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>h</mi></mrow><mi>μ</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3
где µ - плотность расплава, г/см;
h - глубина, м;
0
R(t), R(t) - радиус внешний и внутренний, м;
n - число оборотов, об/мин.
В таблице представлены значения используемых коэффициентов гравитации и соответствующие им давления. Максимальный коэффициент гравитации соответствует скорости вращения ротора в 1500 об/мин.
Значения коэффициентов гравитации
Коэффициент гравитации
Давление в расплаве
атм
МПа
К<sub>150</sub>
150-200
20
К<sub>175</sub>
175-253
25,3
К<sub>200</sub>
303
30
Введение порошка-наполнителя в расплав можно осуществлять, используя различные методы, в том числе метод порошковой металлургии.
Пример
2
Был выбран метод введения частиц в алюминиевый расплав в виде предварительно подготовленной порошковой лигатуры (алюминиевая пудра ГОСТ 5494-95 и оксид циркония в соотношениях, вес.%: 1:3 соответственно), что исключает риск попадания в расплав вредных примесей, возможный при введении легирующих добавок в виде механической смеси порошков. Таким образом, за счет исключения воздействия примесей повышаются физические и технологические свойства готовых изделий. Оптимальная масса брикетов составила 1-2 г. Приготовление брикетов осуществляется прессованием механической смеси порошков в стальной пресс-форме. Оптимальное давление прессования составляет 1,5-2 т/см.
Для обеспечения полного растворения брикетов их вводили в расплав АМг6, перегретый на 40-50°C выше температуры плавления, и выдерживали 10-15 минут перед заливкой в ротор с изложницей, закрепленной в центрифуге для равномерного распределения упрочняющих добавок.
Затем расплав заливали в крутящийся ротор с изложницей. Испытания установки проводились в диапазоне скоростей вращения от 1300 до 1600 об/мин. Время центрифугирования составляло 2 минуту. После полной остановки ротора отливку извлекали и охлаждали в воде со скоростью охлаждения 450°C\сек до комнатной температуры.