способ получения композиционного материала

Формула изобретения

Способ получения композиционного материала на основе алюминиевого сплава, упрочненного карбидом титана, включающий введение в расплав алюминийсодержащей матрицы упрочняющих частиц, отличающийся тем, что процесс ведут путем подачи смеси тетрахлорида титана и тетрахлорида углерода в молярном соотношении 1:1 на поверхность расплава матрицы из алюминиевого сплава, содержащего 40-60% магния, при непрерывном перемешивании и по окончании процесса восстановления полученный продукт выдерживают в вакууме при температуре 650-750^oC до получения материала, содержащего 5-8% магния.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к получению новых материалов, характеризующихся повышенными прочностными свойствами. В настоящее время разрабатываются новые композиционные материалы на металлической основе, упрочненные тугоплавкими частицами. Такие соединения выдерживают большие нагрузки, тепловое и коррозионное воздействие, при этом они соединяют в себе улучшенные свойства по сравнению со многими известными преимуществами исходных металлов. Однако успешное использование ряда композиционных материалов (матрица - алюминий, упрочняющая фаза - карбид титана) сдерживается плохой смачиваемостью карбида алюминием.

Известны способы получения композиционных материалов на основе легких металлов. Например, шихту, содержащую титан, алюминий, железо и карбид титана, воспламеняют, в результате протекающих процессов образуется тонкодисперсный карбид титана, равномерно расположенный в матрице [1]. Согласно [2] алюминиевый порошок (крупностью менее 45 мкм шихтуют с дисперсным карбидом титана и спекают в вакууме. Более перспективной представляется литейная технология благодаря своей простоте и экономичности по сравнению с технологией порошковой металлургии.

Согласно прототипу в расплав матрицы вводят порошок карбида титана при механическом перемешивании при 400 об./мин при 750^oC [3].

Недостатком способа-прототипа является необходимость создания дополнительного дорогостоящего передела производства дисперсной упрочняющей фазы, при этом поверхность упрочняющей фазы содержит примеси, пассивна и поэтому получаемые изделия недостаточно прочные. Кроме того, карбид титана плохо смачивается алюминием, что приводит к получению неоднородных композитов и снижению служебных характеристик.

Цель предлагаемого способа заключается в получении композита с однородной структурой, увеличении механической прочности изделия и в удешевлении производства.

Поставленная цель достигается путем подачи смеси хлоридов титана в молярном соотношении 1:1 на поверхность алюминиевого сплава при его непрерывном перемешивании, при этом смесь хлоридов подают на поверхность сплава, содержащего 40 - 60% магния, и по окончании процесса восстановления полученный продукт выдерживают в вакууме при температуре 650 - 750^oC до получения материала, содержащего 5 - 8% магния.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. При подаче смеси хлоридов титана и углерода на поверхность перемешиваемого расплавленного алюмо-магниевого сплава образуется дисперсный карбид титана во всем объеме реакционного пространства в результате процессов восстановления хлоридов магнием. Частицы карбида титана имеют свободную от примесей (в том числе и оксидов) поверхность и обладают повышенной активностью. В свою очередь матрица (алюмо-магниевый сплав) также очищается от примесей и повышает свою реакционноспособность. Таким образом поверхности раздела фаз композита - матрицы (алюмо-магниевый сплав) и упрочняющие частицы (карбид титана) являются "чистыми", т.е. не содержат примесей и обладают повышенной активностью, в конечном итоге синтезируется композиционный материал с высокими технологическими свойствами. При этом образует гомогенный композит. Осуществление процесса прямого синтеза композиционного материала на основе чистого алюминия приведет к получению неоднородного материала в связи с тем, что алюминий плохо смачивает карбид титана.

Выбор параметров процесса обусловлен следующим. Применение исходного сплава, содержащего 40 - 60% магния, позволяет активно осуществить процесс магниетермического восстановления смеси хлоридов титана и углерода до карбида титана. В случае содержания магния менее 40% процесс идет медленно, давление в реакторе возрастает, карбид титана образуется нестехиометрическокго состава; при концентрации магния более 60% возникают сложности при удалении избыточного магния и получении алюминиевых сплавов, содержащих необходимое количество магния.

Осуществление отгонки магния в вакууме при температуре ниже 650^oC - процесс малопроизводительный, при температуре 750^oC возможно нарушение однородности распределения карбида в композите.

Получение композиционного материала на основе алюминия, содержащего более 8% и менее 5% магния, приведет к ухудшению технологических характеристик композита.

Пример. Лабораторная установка состояла из шахтной электропечи, герметичного реактора, стакана и системы подачи смеси хлоридов TiCl₄ и CCl₄. Сплав алюминия и магния (40 - 60% магния) загружали в стакан и монтировали аппарат. После разогрева до 700^oC включали мешалку и подавали смесь хлоридов. Температуру поддерживали в интервале 800 - 850^oC. По окончании подачи необходимого количества реагентов при работающей мешалке снижали температуру, вынимали мешалку. Полученный материал нагревали в вакууме при температуре 650 - 750^oC с целью отгонки избыточного магния и получения продукта с 7 - 10% магния. Полученный продукт анализировали и проводили механические испытания. Основные результаты приведены в таблице.

Полученные данные свидетельствуют о том, что осуществление данного способа позволяет получить композит на основе алюминия с однородным распределением карбида титана и улучшить механические свойства. Экономический эффект достигается за счет исключения передела производства армирующих частиц (карбида титана). Исключение прямого применения дисперсных частиц карбида также улучшает условия труда и технику безопасности.

Источники информации

1. Патент Великобритании. Способ получения композитов. N 2274467, 26.01.1993. РЖМ, 1885, 6Г51П.

2. Получение и свойства композитов на основе алюминиевых сплавов, упроченных частицами карбида титана. J. Mater. Sci. Left. 1994. 13 N 13, 963. РЖМ, 1995. 12Е97.

3. А. В.Панфилов и др. Исследование влияния технологических факторов на получение литейных композиционных материалов с дисперсными тугоплавкими частицами. В книге: Совершенствование процессов формообразования в литейном производстве. Комсомольск-на-Амуре. Политехнический институт. 1994, c. 9 - 16. Цит. по РЖМ, 1994, 11И323.