PL217146B1

PL217146B1 - Process for the preparation of heterophase composite on the aluminum matrix

Info

Publication number: PL217146B1
Application number: PL391006A
Authority: PL
Inventors: Józef Śleziona; Maciej Dyzia; Anna Dolata-Grosz; Jakub Wieczorek
Original assignee: Politechnika Śląska
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2014-06-30
Also published as: PL391006A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytu heterofazowego o osnowie aluminiowej z przeznaczeniem do pracy w skojarzeniu ciernym tłok-cylinder.The subject of the invention is a method for the production of a heterophasic composite with an aluminum matrix intended to work in a frictional piston-cylinder combination.

Kompozyty o osnowie stopów aluminium zbrojone cząstkami ceramicznymi SiC, Al2O3, SiO2 czy grafit, produkowane są powszechnie (np. kompozyt A359 (AISi7Mg) zbrojonego cząstkami SiC produkowany przez firmę Alcan. USA) i ze względu na swoje właściwości stosowane na elementy pracujące w warunkach tarcia, np. elementy układów hamulcowych, czy w skojarzeniu tłok-tuleja cylindrowa.Composites with a matrix of aluminum alloys reinforced with ceramic particles SiC, Al2O3, SiO2 or graphite, are commonly produced (e.g. A359 (AISi7Mg) composite reinforced with SiC particles produced by Alcan. USA) and due to their properties used for elements working in friction conditions e.g. elements of braking systems or in combination with piston and cylinder liner.

Znane są metody wytwarzania kompozytów aluminiowych w oparciu o metodę mechanicznego mieszania, w której cząstki ceramiczne wprowadzane są do ciekłego metalu w trakcie mieszania, późniejszej homogenizacji zawiesiny i kształtowania wyrobów metodami odlewniczymi. Metody te bazują na znanych sposobach rafinacji i modyfikacji stopu osnowy, tak aby uzyskać korzystne warunki zwilżania w układzie ciekły metal-ceramika. Wykorzystanie zbrojenia wielofazowego do umacniania stopów aluminium stanowi rozwiązanie materiałowe pozwalające w znacznym stopniu na rozszerzenie możliwości projektowania i zróżnicowania właściwości wyrobów, przede wszystkim mechanicznych i tribologicznych. Znane są sposoby otrzymywania kompozytów zbrojonych włóknami Al2O3 i włóknem węglowym bazujące na metodach infiltracji preform ceramicznych ciekłym metalem. Znane są również metody wytwarzania kompozytów heterofazowych, w których zbrojenie stanowią twarde cząstki ceramiczne (np. SiC. Al2O3) i węgiel szklisty, który stabilizuje współczynnik tarcia i zapobiega zużywaniu partnera tarcia (np. patent PL 197 636 B1).There are known methods of producing aluminum composites based on the method of mechanical mixing, in which ceramic particles are introduced into the liquid metal during mixing, subsequent homogenization of the suspension and shaping of products by casting methods. These methods are based on the known refining and modification of the matrix alloy in order to obtain favorable wetting conditions in the liquid metal-ceramic system. The use of multiphase reinforcement for the strengthening of aluminum alloys is a material solution that significantly extends the possibilities of designing and diversifying the properties of products, primarily mechanical and tribological. There are known methods of obtaining composites reinforced with Al2O3 and carbon fibers based on the methods of infiltrating ceramic preforms with liquid metal. There are also known methods of producing heterophasic composites, in which the reinforcement is made of hard ceramic particles (e.g. SiC. Al2O3) and glassy carbon, which stabilizes the coefficient of friction and prevents wear of the friction partner (e.g. patent PL 197 636 B1).

Dotychczas w procesie wytwarzania kompozytu heterofazowego rafinację i modyfikację prowadzi się w oddzielnych urządzeniach.So far, in the process of producing a heterophasic composite, refining and modification has been carried out in separate devices.

Sposób według wynalazku polega na tym, że proces rafinacji, modyfikacji, wytwarzania zawiesiny, homogenizacji i odgazowania prowadzi się na tym samym stanowisku, przy czym wprowadza się mieszaninę cząstek SiC o ziarnistości 20-120 μm i udziale wagowym 3% do 20% oraz węgla szklistego o ziarnistości 20-120 μm i udziale wagowym 3% do 10% w stosunku do masy stopu osnowy, homogenizuje się i odgazowuje w warunkach obniżonego ciśnienia.The method according to the invention consists in the fact that the process of refining, modification, suspension preparation, homogenization and degassing is carried out on the same station, where a mixture of SiC particles with a grain size of 20-120 μm and a weight fraction of 3% to 20% and glassy carbon are introduced with a grain size of 20-120 μm and a weight fraction of 3% to 10% in relation to the mass of the matrix alloy, homogenized and degassed under reduced pressure.

Stosuje się sferyczny węgiel szklisty lub płytkowy węgiel szklisty.Spherical glassy carbon or plate glassy carbon is used.

Sposób według wynalazku umożliwia prowadzenie procesu rafinacji i modyfikacji w jednym urządzeniu. Materiał uzyskany sposobem według wynalazku może być stosowany na elementy pracujące w skojarzeniu tłok-cylinder.The method according to the invention makes it possible to carry out the refining and modification process in one device. The material obtained by the method according to the invention can be used for elements working in conjunction with the piston-cylinder.

P r z y k ł a d 1:P r z k ł a d 1:

Proces wytwarzania zawiesiny kompozytowej realizowany jest na stanowisku składającym się z komory ciśnieniowej, w której zabudowany jest piec oporowy oraz układu mieszania z grafitowym mieszadłem, przez które możliwy jest przepływ argonu. Stanowisko wyposażone jest w układ pompy próżniowej i układ sterowania przepływem gazu. Układ mieszania ma możliwość przemieszczania się w komorze ciśnieniowej, tak aby po zakończonym procesie wytwarzania zawiesiny możliwe było jej odlewanie. Po stopieniu w warunkach obniżonego ciśnienia (-70kPa) w temperaturze 720°C stop aluminium z krzemem zawierający dodatki miedzi, magnezu poddaje się procesowi rafinacji argonem polegającym na przedmuchu gazem przepływającym przez zanurzone i obracające się z prędkością 200 obr/min. mieszadło grafitowe. Po usunięciu gromadzących się na powierzchni ciekłego metalu zanieczyszczeń skład chemiczny stopu osnowy modyfikuje się poprzez dodanie 1,5% wagowo magnezu i 0,03% strontu. Mieszając ciekły metal z prędkością 700 obr/min wprowadza się podgrzaną do temperatury 350°C mieszaninę cząstek SiC o ziarnistości 41-71 μm i udziale wagowym 7% oraz płytkowego węgla szklistego o ziarnistości 80-120 μm i udziale wagowym 3% w stosunku do masy stopu osnowy. Proces wprowadzania cząstek realizowany jest w atmosferze ochronnej argonu. Następnie zawiesina poddawana jest procesowi homogenizacji i odgazowania w warunkach obniżonego ciśnienia przez okres jednej godziny. Odgazowanie polegające na cyklicznej zmianie ciśnienia w komorze roboczej pieca w zakresie od 300 hPa do 800 hPa realizowane jest przez naprzemienne działanie pompy próżniowej i przepływ argonu przez dysze usytuowane w górnej części pieca. Po zakończeniu homogenizacji układ mieszania przesuwany jest do pozycji umożliwiającej odlewanie zawiesiny.The process of producing the composite suspension is carried out on a station consisting of a pressure chamber with a resistance furnace and a mixing system with a graphite agitator through which argon can flow. The stand is equipped with a vacuum pump system and a gas flow control system. The mixing system is able to move in the pressure chamber so that it can be poured after the suspension preparation process is finished. After melting under reduced pressure (-70kPa) at a temperature of 720 ° C, an aluminum-silicon alloy containing copper and magnesium additives is subjected to the argon refining process consisting in blowing with gas flowing through the submerged and rotating at a speed of 200 rpm. graphite stirrer. After removing the impurities accumulating on the surface of the liquid metal, the chemical composition of the matrix alloy is modified by adding 1.5% by weight of magnesium and 0.03% of strontium. While mixing the liquid metal at a speed of 700 rpm, a mixture of SiC particles with a grain size of 41-71 μm and a weight fraction of 7% and glassy lamellar carbon with a grain size of 80-120 μm and a weight fraction of 3% in relation to the mass, heated to 350 ° C, is introduced. matrix alloy. The particle introduction process is carried out under a protective argon atmosphere. Then the suspension is subjected to the process of homogenization and degassing under reduced pressure for a period of one hour. Degassing, consisting in a cyclic pressure change in the furnace's working chamber, in the range from 300 hPa to 800 hPa, is performed by alternating operation of a vacuum pump and argon flow through nozzles located in the upper part of the furnace. After homogenization is complete, the mixing system is moved to a position that allows the slurry to be poured.

P r z y k ł a d 2:P r z x l a d 2:

Proces wytwarzania zawiesiny kompozytowej realizowany jest na stanowisku składającym się z komory ciśnieniowej, w której zabudowany jest piec oporowy oraz układu mieszania z grafitowym mieszadłem, przez które możliwy jest przepływ argonu. Stanowisko wyposażone jest w układ pompy próżniowej i układ sterowania przepływem gazu. Układ mieszania ma możliwość przemieszczania sięThe process of producing the composite suspension is carried out on a station consisting of a pressure chamber with a resistance furnace and a mixing system with a graphite agitator through which argon can flow. The stand is equipped with a vacuum pump system and a gas flow control system. The mixing system is movable

PL 217 146 B1 w komorze ciśnieniowej, tak aby po zakończonym procesie wytwarzania zawiesiny możliwe było jej odlewanie. Po stopieniu w warunkach obniżonego ciśnienia (300 hPa) w temperaturze 720°C stop aluminium z krzemem zawierający dodatki miedzi, magnezu poddaje się procesowi rafinacji argonem polegającym na przedmuchu gazem przepływającym przez zanurzone i obracające się z prędkością 200 obr/min. mieszadło grafitowe. Po usunięciu gromadzących się na powierzchni ciekłego metalu zanieczyszczeń skład chemiczny stopu osnowy modyfikuje się poprzez dodanie 1,5% wagowo magnezu i 0,03% strontu. Mieszając ciekły metal z prędkością 700 obr/min wprowadza się podgrzaną do temperatury 350°C mieszaninę cząstek SiC o ziarnistości 41-71 μm i udziale wagowym 7% oraz płytkowego węgla szklistego o ziarnistości 40-80 μm i udziale wagowym 3% w stosunku do masy stopu osnowy. Proces wprowadzania cząstek realizowany jest w atmosferze ochronnej argonu. Następnie zawiesina poddawana jest procesowi homogenizacji i odgazowania w warunkach obniżonego ciśnienia przez okres jednej godziny. Odgazowanie polegające na cyklicznej zmianie ciśnienia w komorze roboczej pieca w zakresie od 300 hPa do 800 hPa realizowane jest przez naprzemienne działanie pompy próżniowej i przepływ argonu przez dysze usytuowane w górnej części pieca. Po zakończeniu homogenizacji układ mieszania przesuwany jest do pozycji umożliwiającej odlewanie zawiesiny.In a pressure chamber so that it can be poured after the slurry preparation process is complete. After melting under reduced pressure (300 hPa) at a temperature of 720 ° C, an aluminum-silicon alloy containing copper and magnesium additives is subjected to the argon refining process consisting in blowing with gas flowing through the submerged and rotating at a speed of 200 rpm. graphite stirrer. After removing the impurities accumulating on the surface of the liquid metal, the chemical composition of the matrix alloy is modified by adding 1.5% by weight of magnesium and 0.03% of strontium. While mixing the liquid metal at a speed of 700 rpm, a mixture of SiC particles with a grain size of 41-71 μm and a weight fraction of 7% and glassy lamellar carbon with a grain size of 40-80 μm and a weight fraction of 3% in relation to the mass, heated to the temperature of 350 ° C, is introduced. matrix alloy. The particle introduction process is carried out under a protective argon atmosphere. Then the suspension is subjected to the process of homogenization and degassing under reduced pressure for a period of one hour. Degassing, consisting in a cyclic pressure change in the furnace's working chamber, in the range from 300 hPa to 800 hPa, is performed by alternating operation of a vacuum pump and argon flow through nozzles located in the upper part of the furnace. After homogenization is complete, the mixing system is moved to a position that allows the slurry to be poured.

Claims

1. The method of producing a heterophasic aluminum matrix composite, consisting of a mixture of silicon carbide and glassy carbon particles, consisting in refining, modification, homogenization and degassing, characterized in that the process of refining, modification, suspension preparation, homogenization and degassing is carried out in the same the station, where a mixture of SiC particles with a grain size of 20-120 μm and a weight fraction of 3% to 20% and glassy carbon with a grain size of 20-120 μm and a weight fraction of 3% to 10% in relation to the weight of the matrix alloy is introduced, homogenized and degasses under reduced pressure.

2. The method of producing a composite according to claim 1 The process of claim 1, wherein the spherical glassy carbon is used.

3. The method of producing a composite according to claim 1 The process of claim 1, wherein the plate glassy carbon is used.