СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ALUMINIUM-BASED ALLOYS FOR OBTAINING COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области металлургии и получения композиционных материалов и отливок. Может быть использовано для получения пропиткой безгазостатным способом композиционных материалов (КМ), имеющих пористый углеграфитовый каркас, в качестве композиционных материалов с повышенными антифрикционными свойствами, а также материалов электротехнического назначения, щеток, вставок пантографов, токосъемников.
Известны сплавы на основе алюминия [Патент RU №2570264, МПК С22С 21/00, опубл. 10.12.2015; Патент RU №2458171, МПК С22С 21/04, опубл. 10.08.2012; Патент RU №2385358, МПК С22С 21/04, опубл. 27.03.2010], в которых подбор легирующих компонентов для обеспечения химического состава данных сплавов предполагает значительное снижение коэффициента термического расширения (КТР) сплава.
Недостатком данных сплавов является недостаточная проникающая способность сплава и, как следствие, невысокая степень заполнения пор углеграфитового каркаса сплавом.
Известен матричный сплав на основе алюминия для получения композиционных материалов (КМ) методом пропитки и изготовления деталей, работающих в агрессивных средах. Сплав имеет следующий химический состав (масс. %): кремний 11,0-13,0; никель 0,5-3,0; хром 0,5-2,0; свинец 0,1-1,5; ванадий 0,01-0,30; алюминий - остальное [Патент RU №2555737, МПК С22С 21/02, С22С 49/06, С22С 101/10, опубл. 10.07.2015]. Данный термостойкий сплав на основе алюминия предназначен для получения композитов методом безгазостатной пропитки пористых материалов. Сплав отличается тем, что имеет большое содержание кремния и обладает высокими литейными свойствами.
Технический результат достигается в способе получения сплава на основе алюминия для изготовления композиционных материалов с углеграфитовым каркасом, включающем расплавление алюминия и введение в расплав цинка, никеля и хрома, при этом цинк, никель и хром вводят в расплав в виде предварительно подготовленной комплексной легирующей добавки в массовом отношении алюминий:комплексная легирующая добавка равном 11,7-12,7:2-3 при следующем соотношении легирующих компонентов в комплексной добавке, масс. %: цинк 87,8-95,6; никель 3,7-7,3; хром 0,7-4,9.
Сущность изобретения заключается в использовании легирующих металлов в виде комплексной добавки, которая готовится предварительно из цинка, никеля и хрома в заявленных процентных соотношениях.
Ввод легирующих добавок в виде комплексной добавки обеспечивает лучшее усвоение элементов основой сплава для обеспечения заданного химического состава, и, как следствие, увеличение проникающей способности сплава и повышения качества готового КМ.
Кроме этого, комплексная легирующая добавка отвечает вопросам безопасности производства сплава (пироэффект при вводе цинка на высоких температурах).
Введение в состав сплава комплексной легирующей добавки в заявленных отношениях к алюминиевой основе значительно улучшает его проникающую способность по отношению к углеграфитовому каркасу за счет снижения поверхностного натяжения сплава алюминия, снижения его краевого угла смачивания, а также за счет повышения работы адгезии на межфазной границе и увеличения коэффициента термического расширения сплава, также позволяет осуществлять влияние на физический контакт по всей поверхности раздела фаз, то есть улучшить прочность сцепления данного сплава с углеграфитовым каркасом.
Введение в состав сплава комплексной легирующей добавки в количестве, меньшем по отношению к алюминию, чем заявлено, не оказывает значительного эффекта на "пропитывающие" свойства сплава, и, в частности, на минимальное увеличение коэффициента термического расширения, поэтому является нецелесообразным.
Введение в состав сплава комплексной легирующей добавки в количестве, большем по отношению к алюминию, чем заявлено, приводит к увеличению степени образования интерметаллидных фаз в сплаве ввиду большого количества примесей, что пагубно воздействует на его свойства. А также вынуждает использовать в большем количестве дорогостоящие легирующие элементы (никель, хром) для увеличения прочности сцепления сплава с углеграфитовым каркасом.
Введение в состав сплава алюминия комплексной легирующей добавки с массовым отношением 11,7-12,7:2-3 соответственно приводит к существенному повышению прочности матричного сплава вследствие увеличения его коррозионной стойкости и высокой стойкости к окислению.
Предлагаемый сплав обеспечивает более высокую прочность и заполняемость открытых пор углеграфита, чем известные сплавы.
Примеры конкретных составов сплава приведены в таблице 1.
ПРИМЕР приготовления сплава на основе алюминия для получения композиционных материалов (по примеру 2).
Одновременно с расплавлением 260 г алюминия А97 (ГОСТ 11069-2001) до температуры 950°С в печи в первом герметичном устройстве во втором герметичном устройстве (меньшего объема) готовят комплексную легирующую добавку.
Для этого в герметичное устройство меньшего объема, нагретое до 400°С (внутренний объем устройства рассчитан на 45 г по цинку), заливают 40 г расплавленного цинка, затем туда же добавляют 3,35 г нихромовой лигатуры Х20Н80 (ГОСТ 8803-89), с содержанием хрома 20 масс. %, никеля 80 масс. %), фракции 1×1×1 мм.
Герметичное устройство меньшего объема представляет собой емкость, выполненную из Стали 45, состоящую из стакана, крышки, пробки типа усеченный конус и клина, внутренняя поверхность которой позволяет заливать металл таким образом, чтобы он сам вытеснял воздух из устройства. Внешняя сторона крышки позволяет ее герметично закрывать (после заливки металла) без доступа воздуха. Внутренний объем устройства через литейную воронку связан с атмосферой. Воронка после заливки металла герметизируется конусной металлической пробкой из Стали 45 и расклинивается через отверстия в крышке и пробке.
После герметизации устройство устанавливается в печь при температуре 950°С на 60 мин. Через час готовая комплексная легирующая добавка, состоящая из цинка, никеля и хрома, после снижения температуры до 480°С и снятия клина и пробки переливается в первую герметичную емкость с алюминием А97 (ГОСТ 11069-2001). Далее, после герметизации, эта емкость ставится в печь при температуре 950°С на 60 мин.
ПРИМЕР приготовления композиционных материалов (КМ).
Для приготовления КМ изготавливались углеграфитовые образцы сечением 15×15 мм и длиной 30 мм, которые пропитывались безгазостатным способом полученным сплавом при температуре 800°С и давлении 15 МПа.
После пропитки из образцов изготавливали шлифы и исследовали их на цифровом микроскопе OlympusBX61 при различных увеличениях.
В качестве технологических характеристик сплава исследовались его плотность, твердость, прочность на сжатие, поверхностное натяжение, коэффициент термического расширения, удельная электрическая проводимость.
В качестве технологических характеристик КМ исследовалась прочность на сжатие и плотность.
Прочность сплава и КМ на сжатие определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм при настройке разрывной машины на нагрузку 10000 Н.
Для определения поверхностного натяжения сплавов изготавливались углеграфитовые подложки, на которые помещались навески сплава. Подложки с навесками помещались в алундовую лодочку и затем в кварцевую трубку для нагрева в печи. После по контуру капли рассчитывали поверхностное натяжение методом Дарси.
Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор. Объем открытых пор определялся на образцах, предварительно пропитанных водой, с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды.
Твердость матричного сплава определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм на прессе Бринелля.
Удельная электрическая проводимость матричных сплавов определялась на цилиндрических образцах диаметром 22 мм и высотой 5 мм вихретоковым методом на приборе «Вихрь-АМ» по ГОСТ 27333-87 после предварительной подготовки образцов по ГОСТ 193-79.
Коэффициент термического расширения сплава определяли по ГОСТ 16817-71. Металлический расплав заливался в полость формы, где фиксировалось его расширение с помощью высокочувствительного индикатора ИЧ с делением шкалы 0,01 мм.
Результаты исследований свойств сплавов и полученных КМ приведены в таблице 2.
Таким образом, сплав на основе алюминия для получения композиционных материалов, содержащий комплексную легирующую добавку из цинка, никеля и хрома в массовом отношении алюминий : комплексная легирующая добавка равном 11,7-12,7:2-3, при заявленном соотношении легирующих компонентов в комплексной добавке обладает повышенной проникающей способностью, прочностью сцепления (связи) между сплавом и армирующим каркасом и, соответственно, способствует повышению качества композиционного материала.