способ получения композиционного материала на основе магниевой матрицы

Формула изобретения

Способ получения композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной карбидом кремния, включающий приготовление смеси магниевой матрицы с керамическим упрочнителем, формирование брикета из этой смеси и последующее его экструдирование, отличающийся тем, что в качестве магниевой матрицы используют стружку магния или его сплава, а в качестве керамического упрочнителя - порошок карбида кремния дисперсностью 1-10 мкм, перед формированием брикета полученную смесь подвергают механическому легированию в среде инертного газа при температуре, не превышающей 100°С в течение не менее 30 ч, формирование брикета осуществляют прессованием при температуре 250-300°С и давлении 40-50 МПа, а экструдирование проводят при температуре 250-300°С и давлении 50-60 МПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к способу получения металлических композиционных материалов с матрицей из магния или его сплавов, армированной тугоплавкими наполнителями, в частности карбидом кремния, для применения в качестве конструкционного материала деталей двигателя и корпуса вертолета, колесных дисков в автомобильной промышленности, рулевых тяг в авиационной промышленности и т.д.

Современное развитие техники выдвигает на первый план задачу получения металлических композиционных материалов (МКМ), сочетающих в себе низкий удельный вес с высокими прочностными характеристиками.

Известен способ получения дисперсионно-упрочненного композиционного материала с матрицей на основе магния, армированной частицами карбида кремния, согласно которому частицы SiC нагревают в окислительной атмосфере для образования на их поверхности слоя SiO₂ и добавляют в расплав магния или магниевого сплава с последующим его литьем и кристаллизацией (заявка Японии № 2003183748).

Недостатком данного способа является невысокий выход годного, т.к. при кристаллизации матричного металла в объеме формы образуется усадочная пористость за счет уменьшения объема металла, что создает опасность возникновения трещин от воздействия внешних факторов. Кроме того, в процессе окисления порошков SiC на поверхности могут появляться различные включения, что также ведет к снижению выхода годного и прочности композиционного материала. Недостатком этого способа также является большое количество технологических операций, приводящих к значительному увеличению энергозатрат и стоимости композиционного материала.

Известен способ получения композиционного материала на основе магниевой матрицы, в котором расплавленный металл, содержащий в качестве упрочнителя мелкие частицы B, SiC, C, льют на вращающийся диск для охлаждения и подвергают сверхбыстрому охлаждению при скорости 10³-10⁵°C/сек с получением мелкого порошка, затем мелкий порошок компактируют в желаемую форму и спекают при температуре 550-640°C (патент Японии № 2129322).

Недостатком данного способа является сложный технологический процесс получения композиционного материала, требующий значительных энергозатрат и времени обработки, приводящий к увеличению стоимости конечного продукта. Кроме того, необходимо использовать дорогостоящее технологическое оборудование, необходимое для получения качественного продукта.

За прототип принят способ получения композиционного материала на основе металлической матрицы, содержащей карбид кремния в качестве керамического упрочнителя. Карбид кремния берут в форме нитевидных кристаллов (усов). В качестве матрицы может быть выбран металл из группы, содержащей алюминий, магний, титан, свинец, цинк, олово, железо, никель, медь или их сплавы, а также стекло, керамика или пластмасса. Способ включает приготовление смеси порошка матричного материала и керамического упрочнителя, формирование брикета из этой смеси при комнатной температуре и экструдирование полученного брикета с последующим отжигом (патент США № 4463058).

Недостатком этого способа является высокая стоимость нитевидных кристаллов карбида кремния. Кроме того, в данном способе в процессе термической обработки экструдированных заготовок, например отжига, возникают такие дефекты, как расслоение, образование газовых пузырей и др., из-за присутствия водорода и других газов, содержащихся в оксидных пленках порошков матричного металла и упрочнителя, что не позволяет получать композиционный материал с высокими механическими свойствами и высоким выходом годного.

Технической задачей данного изобретения является изыскание простого способа получения недорогого металлического композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной частицами карбида кремния с низким удельным весом, улучшенными механическими характеристиками и высоким выходом годного.

Для достижения поставленной задачи предложен способ получения металлического композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной карбидом кремния, включающий приготовление смеси магниевой матрицы и керамического упрочнителя, формирование брикета из этой смеси и последующее экструдирование, отличающийся тем, что в качестве магниевой матрицы используют стружку магния или его сплава, а в качестве керамического упрочнителя - порошок карбида кремния дисперсностью 1-10 мкм, приготовленную смесь подвергают механическому легированию в среде инертного газа при температуре, не превышающей 100°C, в течение не менее 30 ч, формирование брикета осуществляют прессованием при температуре 250-300°C и давлении 40-50 МПа, а экструдирование - при температуре 250-300°C и давлении 50-60 МПа.

Применение в предъявленном способе стружки вместо порошка матричного материала и порошка карбида кремния дисперсностью 1-10 мкм в качестве армирующего наполнителя приводит к увеличению физико-механических свойств. Кроме того, использование стружки вместо порошка матричного материала значительно увеличивает спектр применения матричного сплава, снижает пожаро- и взрывоопасность по сравнению с порошками магния, а также стоимость конечного продукта. Механическое легирование и последующая деформация (прессование и экструзия) в предложенных режимах также обеспечивают получение металлического композиционного материала с заданными свойствами.

Предложенный способ позволяет получать композиционный материал с заданным объемным содержанием и равномерным распределением армирующего упрочнителя в объеме матрицы, с бездефектной структурой, высокими физико-механическими характеристиками и высоким выходом годного.

Примеры осуществления

Пример 1

Брали 3000 г смеси, состоящей из 2490 г стружки магниевого сплава МА 2-1 и 510 г порошка карбида кремния дисперсностью частиц 10 мкм. Смесь подвергли механическому легированию в вибромельнице с энергонапряженностью 0,02 кВт/л в течение 60 часов в среде технического аргона при температуре не более 100°C.

Полученные в результате обработки композиционные гранулы размером 0,5-2 мм брикетировали на гидравлическом прессе при температуре 250°C и давлении 40 МПа. Полученные брикеты экструдировали на пруток при температуре 250°C и давлении истечения 50 МПа. Полученный композиционный материал содержал 90% сплава МА 2-1 и 10% SiC.

Пример 2

Брали 3000 г смеси, состоящей из 2490 г стружки магниевого сплава МА 15 и 510 г порошка карбида кремния дисперсностью частиц 1 мкм. Смесь подвергли механическому легированию в вибромельнице с энергонапряженностью 0,02 кВт/л в течение 30 часов в среде технического аргона при температуре не более 100°C. Полученные в результате обработки композиционные гранулы размером 0,5-2 мм брикетировали на гидравлическом прессе при температуре 300°C и давлении 50 МПа. Полученные брикеты экструдировали на пруток при температуре 300°C и давлении истечения 60 МПа. Полученный композиционный материал содержал 90% сплава МА 15 и 10% SiC.

Пример 3

Брали 3000 г смеси, состоящей из 1980 г стружки магниевого сплава МА 15 и 1020 г порошка карбида кремния с размером частиц 10 мкм. Смесь подвергли механическому легированию в вибромельнице с энергонапряженностью 0,02 кВт/л в течение 40 часов в среде технического аргона при температуре не более 100°C. Полученные в результате обработки композиционные гранулы размером 0,5-2 мм брикетировали на гидравлическом прессе при температуре 300°C и давлении 50 МПа. Полученные брикеты экструдировали на пруток при температуре 300°C и давлении истечения 60 МПа. Полученный композиционный материал содержал 80% сплава МА 15 и 20% SiC.

Пример 4 (по прототипу)

Взяли 1000 г порошковой смеси, состоящей из 800 г порошка сплава магния и 200 г нитевидных кристаллов карбида кремния. Смесь подвергали перемешиванию. Сформированный из нее брикет подвергали прессованию, экструдированию и отжигу. Готовый материал содержал 90% сплава МА 15 и 10% SiC.

В таблице приведены механические свойства композиционного материала, полученного по предлагаемому способу и способу прототипу.

	в, МПа	, %	E, ГПа	Выход годного, %
Пример 1	180	7,5	56,6	90
Пример 2	251	7	51	90
Пример 3	170	8	46	85
Пример 4 по прототипу	140	6	45	75

Как видно из таблицы, предложенный способ позволяет получить композиционный материал на основе магниевой матрицы, армированной частицами карбида с улучшенными механическими свойствами, высоким выходом годного и без применения специального дорогостоящего оборудования.

Таким образом, применение предлагаемого способа обеспечивает получение металлического композиционного материала, который может быть использован в качестве конструкционного материала для деталей с повышенным ресурсом и надежностью в авиационной промышленности, автомобилестроении и других отраслях техники.