ЛИТОЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
CAST COMPOSITE MATERIAL ON BASIS OF ALUMINIUM AND METHOD OF ITS RECEIVING

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава для изготовления деталей, работающих в условиях трения.
Известен способ получения композиционного материала (патент РФ №2202643, оп. 2003.04.20), включающий:
а) высокоэнергетическую механическую обработку стружки металла матричного состава с частицами оксида алюминия размером 8-12 мкм в количестве 10-25 об.%,
б) холодное двустороннее прессование полученной смеси до получения 80% относительной плотности;
в) горячую пропитку расплавом алюминия спрессованных брикетов.
Недостатками предложенного изобретения является большая длительность процесса, большие энергозатраты и применение сложного дорогостоящего оборудования, что отражается на себестоимости конечного продукта.
Известен также способ получения сплава на основе алюминия (патент РФ №2177047, оп. 2001.12.20), который получают механическим замешиванием ультратонких тугоплавких частиц с размером 0,001-01 мкм в расплав в количестве 1-15% по массе. Предлагаемый способ механического замешивания практически трудно осуществить по причине агломерации частиц и резкого повышения вязкости и потери жидкотекучести расплава, к тому же способ не обеспечивает равномерного распределения частиц в матрице и, следовательно, стабильного уровня свойств ЛКМ.
В качестве прототипа был выбран композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения (патент РФ №2136774, оп. 1999.09.10), включающий механическое замешивание дискретных частиц керамики со средним размером 28 мкм в алюминиевый расплав, последующее введение лигатуры, содержащей Ti, Zr, V, Hf, для получения общего содержания частиц и интерметаллидных фаз до 30 об.%, а также последующее дисперсионное твердение матричного сплава с выделением упрочняющих фаз в количестве 7-10 об.%. Однако такой способ сложен в техническом исполнении, поскольку процесс трехстадийный. Размер включений интерметаллидных фаз может оказаться излишне большим. Кроме того, во время перемешивания происходит интенсивное насыщение расплава атмосферными газами, замешивание в расплав окислов и плен.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание ЛКМ на основе алюминиевого сплава с высоким уровнем износостойкости и заданными трибологическими свойствами, а также способа его получения, отличающегося низкой себестоимостью.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что предлагаемый ЛКМ на основе алюминиевых сплавов содержит высокопрочные армирующие дискретные керамические частицы карбида кремния (SiC): для получения ЛКМ антифрикционного назначения, мас.%: 3-5% карбид кремния (SiC), остальное - алюминиевый сплав (Al + 3% Mg); для получения ЛКМ фрикционного назначения, мас.%: 15-19% карбид кремния (SiC), остальное - алюминиевый сплав (Al + 3% Mg).
Предлагаемый способ получения ЛКМ состоит в механическом перемешивании порошкового материала, содержащего в качестве матричного компонента алюминиевый сплав (Al + 3% Mg, зернистость - до 200 мкр), а в качестве армирующего - дискретные керамические частицы карбида кремния (SiC, зернистость - 30-50 мкр) и последующем брикетировании полученного порошкового материала под давлением 28-35 МПа. Содержание армирующих дискретных керамических частиц в прессуемом порошковом материале может достигать, мас.% 75%, при дальнейшем увеличении концентрации наблюдается хрупкость брикетов. Полученные брикеты вводят в расплав алюминиевого сплава, где происходит их равномерное распределение по всему объему сплава за счет диффузионных процессов.
Механическое перемешивание порошков осуществляют в размольно-смесительной установке, благодаря чему происходит сухое измельчение крупных частиц металла и внедрение в него упрочняющих частиц керамической фазы. Полученную смесь прессуют в брикеты под давлением 28-35 МПа, достаточным для необходимой прочности и остаточной пористости брикетов 30-40%. Затем брикет вводят в расплав алюминиевого сплава Al + 3% Mg при температуре 850±10°С и выдерживают при данной температуре 20-30 мин для протекания процессов распределения керамических частиц по объему сплава. При нагреве расплава ниже 850±10°С не обеспечивается полное протекание процессов распределения армирующих частиц, а более высокие могут вести к деградации керамической фазы. Благодаря механической обработке порошковой смеси из матричного и керамического компонентов достигается наиболее равномерное распределение керамических частиц в матрице и лучшие механические свойства ЛКМ.
Установленные пределы содержания карбида кремния (3-5% и 15-19%) в получаемом расплаве позволяют варьировать свойства ЛКМ, подбирая оптимальные для конкретных условий. Количество вводимых в расплав брикетов определяют расчетным путем для достижения заданной концентрации армирующего компонента (SiC) в расплаве.
По вышеизложенной технологии были изготовлены образцы и испытаны в условиях сухого трения и трения со смазкой, параметры испытуемых материалов приведены в таблице.
Таким образом, предлагаемый ЛКМ отличается от известных композиционных материалов лучшим комплексом свойств.
Параметры ЛКМ на основе алюминиевых сплавов при испытаниях на трение в паре со сталью
Al + 3% Mg + мас.% SiC
HRB
Микротвердость
Напряжения первого рода (линия 420°)
σ<sub>c</sub>
Износ (сухое трение 0,8 МПа в паре со сталью, 23580 м), г
Тампература в зоне трения в период статического трения, °С
Значение коэффициента трения (f<sub>тр</sub>)
до ТО
после ТО
без смазки
со смазкой
2,5
32,5
1120-1540
73±7
167±3
-
0,0920
30
0,13
0,04
5
37
1170-1970
73±7
172±17
16
0,0748
60
0,145
0,05
15
42
3010-3510
-
-
23
0,0400
90
2
1,1