КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится 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, при этом матрица выполнена из алюминиевого сплава АК7, а армирующие волокна выполнены из медной проволоки сечением 0,5 мм с нанизанными вплотную друг к другу полыми медными сферами, при этом одна половина волокон выполнена с полыми медными сферами диаметром 2 мм, а вторая половина волокон - с полыми медными сферами диаметром 6 мм, длина армирующих волокон ограничена размером композиционного материала, а укладка армирующих волокон со сферами разного диаметра осуществлена в шахматном порядке.
Армирующие волокна предназначены для упрочнения материала и образуют дополнительный металлический каркас в теле отливки, который позволяет значительно облегчить композиционный материал (КМ) при повышении его прочностных показателей. 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.
Выполнение одной половины армирующих волокон с полыми медными сферами диаметром 2 мм, а второй половины волокон - с полыми медными сферами диаметром 6 мм, и укладка армирующих волокон со сферами разного диаметра в шахматном порядке обеспечивает их более плотную упаковку, а значит уменьшение плотности КМ.
Для получения композиционного материала использовали полые медные сферы диаметром 2 мм и 6 мм. Сферы одного диаметра вплотную нанизаны на медное армирующее волокно (например, проволоку) сечением 0,5 мм с образованием группы волокон со сферами малого диаметра и группы волокон со сферами большого диаметра.
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. Расположение волокон со сферами малого диаметра и волокон со сферами большого диаметра осуществляют вдоль композиционного материала, в шахматном порядке. Затем на нижнюю полуформу монтируется верхняя полуформа. В литейную форму в сборе производится заливка расплавом алюминия марки АК7 при температуре сплава 780 °С 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
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Прочность КМ при растяжении, МПа
Прочность КМ при изгибе, МПа
По предлагаемому изобретению: с использованием упрочняющих волокон с нанизанными полыми медными сферами двух размеров
1826
204
220
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 с нанизанными вплотную друг к другу полыми медными сферами, в котором одна половина волокон выполнена с полыми медными сферами диаметром 2 мм, а вторая половина волокон - с полыми медными сферами диаметром 6 мм, длина армирующих волокон ограничена размером композиционного материала, а укладка армирующих волокон со сферами разного диаметра осуществлена в шахматном порядке., является облегченным композиционным материалом, обладающим повышенными прочностными характеристиками.