Способ получения изделий из волокнистого композиционного материала

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВОЛОКНИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА на основе алюминиевого сплава, включающий формирование конгломерата волокон, введение в него активного вещества, пропитку конгломерата расплавом матричного алюминиевого сплава под давлением, отличающийся тем, что в качестве активного вещества вводят слой металлов, обладающих по крайней мере ограниченной растворимостью в алюминиевом сплаве, составляющей не менее 0,1 мас. при этом толщину данного слоя Т определяют из соотношения

где d средний диаметр волокон;
l средняя длина волокон;
k размерный коэффициент, равный 0,3-0,5 мкм,
а нанесение слоя металлов осуществляют при формировании конгломерата волокон путем введения в исходную массу волокон металлического порошка с удельной поверхностью 4-6 м²/т в количестве 5-12% от массы волокон.

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно двигателестроению, и может быть использовано при изготовлении тяжелонагруженных деталей, работающих в условиях интенсивного износа, переменных напряжений и теплосмен, в частности поршней ДВС.
Задачи предложенного изобретения снижение давления прессования и температуры заливаемого металла, а также повышение твердости, жаропрочности и длительной твердости.
Технический результат достигается за счет того, что в известном способе, включающем формирование конгломерата волокон, введение в него активного вещества, пропитку жидким матричным металлом под давлением, в качестве активного вещества на волокна вводят слой металлов, обладающих по крайней мере ограниченной растворимостью в алюминиевом сплаве, составляющей не менее 0,1 мас. при этом толщину данного слоя Т определяют из соотношения:
T , (1) где d средний диаметр волокна,
l средняя длина волокна,
k размерный коэффициент (0,3-0,5 мкм);
причем нанесение активного слоя металлов осуществляют при формировании конгломерата волокон путем введения в исходную массу волокон металлического порошка с удельной поверхностью 4-6 м²/г в количестве 5-12% от массы волокон.
Применение данной предварительной обработки волокон элементами (Cu, Ni, Co и др), обладающими хотя бы частичной растворимостью (0,1% по массе) в матричном металле, приводит к значительному увеличению сил связи на поверхности раздела матрица волокно. Это обеспечивает повышение прочности, жаропрочности и длительной твердости. Кроме того, наличие активных слоев на поверхности волокон способствует повышению смачиваемости в системе алюминиевый сплав неорганические тугоплавкие соединения. В результате становится возможным снизить температуру заливаемого сплава и давления прессования при пропитке, что значительно удешевляет и упрощает технологию получения композиционных материалов.
Очень важной характеристикой предложенного технического решения является толщина наносимого слоя. Она должна быть такой, чтобы за время контакта жидкого металла с волокнами успевали пройти процессы растворения элемента покрытия в матричном металле, но без образования хрупких интерметаллических соединений на границе раздела матрица волокно.
По данному техническому решению толщина активного слоя определяется из соотношения (1), которое связывает диаметр и длину волокон. Увеличение толщины слоя приводит к образованию хрупких интерметаллидов на границе раздела матрица волокно, а также за счет увеличения массы волокон к существенному усложнению технологии получения конгломерата волокон. Уменьшение слоя меньше заявленной толщины приводит к снижению смачиваемости волокон расплавов, а также прочности и жаропрочности.
Очень важной характеристикой способа является определенная удельная поверхность порошка металлов и их количество. Данные параметры с одной стороны влияют на толщину активного слоя, а значит и на конечные свойства композиционного материала, а с другой определяют оптимальную технологичность процесса.
П р и м е р. В качестве примера осуществления предложенного способа приводим описание технологии получения композиционного материала на основе алюминиевого сплава АЛЗ0 с волокнами из смеси SiO₂ и Al₂O₃ в соотношении 1:1 (по массе). Средняя длина волокон l равна 1000 мкм, а толщина d=5 мкм.
В процессе приготовления жесткого конгломерата в исходную массу волокон добавляли порошок одного из металлов (Cu, Co, Ni), обладающих растворимостью в Al, с описанной выше удельной поверхностью и в заданном количестве.
После формирования конгломерата его помещали в пресс-форму и под давлением пропитывали расплавом. В таблице представлены параметры предложенного способа и механические свойства композиционного материала, полученного по данному способу. Для сравнения в таблице представлены механические свойства композиционного материала, полученного по способу-прототипу.
Из таблицы видно, что применение заявленного способа позволит существенно поднять важные для поршневых материалов механические свойства и повысить производительность процесса.
Кроме того, как показали стендовые испытания поршней из данного материала, ресурс двигателя может быть увеличен более чем в три раза, а экономия топлива на 10-15%
Использование: машиностроение. Сущность изобретения: на волокна перед пропиткой матричным металлом наносят активный слой металлов, обладающих растворимостью не менее 0,1 мас.% в матричном металле, причем толщина слоя Т определяется из соотношения T = [k(d+l)/(l-d)], где d - средний диаметр волокна, l - средняя длина волокна, k - размерный коэффициент (0,3-0,5 мкм). В качестве волокон используют, например волокна SiO₂ и Al₂O₃. Нанесение активного слоя осуществляют в ходе изготовления конгломерата волокон путем введения порошков металлов, например Cu, Co, Ni с удельной поверхностью 4-6 м²/г в количестве 5-12% от массы волокна. 1 табл.