Алюмоматричные металлокомпозиты

Измельчение  структуры  матричного  расплава,  повышение  плотности,  обеспечение более равномерного или заданного распределения армирующих частиц в объёме,  усиление адгезионного   взаимодействия   частиц   с   металломатрицей   можно   достичь   за   счёт использования    внешних    факторов:     давления,     ультразвука,     центробежных    сил, электромагнитных полей и других известных технологических приёмов.

Из   известных    на   сегодня   способов    производства    литых   алюмоматричных композиционных  расплавов  наиболее  технологичным  и  главное  экономически  доступным является  литейный  с механическим  замешиванием  дисперсного  наполнителя  в  матричный расплав  способ,  который  был  использован  при  разработке  варианта  модернизированного

технологического оборудования (см.Приложение), описание которого и чертежи представлены ниже.

 

3. Установка для получения алюмоматричных расплавов и отливок

 

Установка для получения алюмоматричных композиционных расплавов и отливок (см. Приложение) из них включает тигель с нагревательной печью, приводной вертикальный вал с импеллером – лопастным винтом на конце,  выполненный из титана с азотируемой поверхностью,  дозатор дисперсного материала-наполнителя  и транспортный трубопровод для  подачи дисперсного материала-наполнителя транспортируемым газом,  отличается тем,  что в транспортируемом трубопроводе коаксиально размещён приводной вертикальный вал лопастного винта, причём на  внешней  поверхности  приводного  вертикального  вала  по  всей  его  длине  выполнен винтовой  шнек,   который  совместно  с  транспортирующим  газом  осуществляет  подачу дисперсного  материала-наполнителя  в  тигель  с  алюмоматричным  расплавом,  а  тигель снабжён ограничительной крышкой для вращаемого алюмоматричного расплава.

Установка   снабжена   герметичной   камерой   для   заливаемых   литейных   форм, размещенной под нагреваемой печью,  а в донной части тигля выполнен шиберный затвор и расположен трубопровод подачи расплава в литейную форму.

Установка    отличается    тем,    что   глубина   погружения    лопастного   винта   в алюмоматричный расплав составляет не менее 0,75 высоты расплава в тигле. [5]

Установка  отличается  тем,  что  нижний  торец  трубопровода  подачи  дисперсного материала-наполнителя   в   среде   транспортируемого   газа   из   дозатора   расположен   на расстоянии не менее 20 мм от горизонтальной плоскости вращения импеллера. [5]

Достигаемый   технический   результат   заключается   в   повышении   равномерности распределения дисперсных  материалов-наполнителей  в  алюмоматричном  расплаве  за  счёт сочетания  механического  перемешивания  алюмоматричного  расплава  лопастным  винтом, продувкой  в  среде  транспортируемого  газа  через  толщу  алюмоматричного  материала  и предотвращения     окомкования     дисперсного     материала-наполнителя     с     помощью транспортируемого   шнека   на   приводном   вертикальном   валу   с   лопастным   винтом, пульсацией транспортируемого газа и/или реверсированием вращения лопастного винта. 

Работа установки. В  тигель 5 размещённый  в  нагревательной  печи 11 загружают  в  твёрдом  виде  или заливают  алюмоматричный  расплав.  Лопастный  винт 3, закрепленный  на  вертикальном приводном  валу 13, погружают  в  алюмоматричный  расплав  и  придают  ему  вращения  от привода 8. Одновременно  из  бункера-дозатора 6 через  транспортируемый  трубопровод 9, охватывающий  приводной  вертикальный  вал 13 со шнеком  на наружной поверхности  (на чертежах  не  показан)  и  с  помощью  транспортируемого  газа  (азот,  аргон  и  др.)  подают дисперсный материал-наполнитель.  За счёт барботажа транспортируемого газа и вращения лопастного   винта 3 частицы   дисперсного   материала-наполнителя   распределяются   в алюмоматричном  расплава  равномерно.

 

Кроме  того,  этому  способствует  предотвращение самопроизвольного  комкования  (агломерации)  дисперсного  материала-наполнителя,   что снижает его  сыпучесть,  за счёт  шнека на  приводном вертикальном валу 13 в  сочетании с пульсацией транспортируемого газа и возможностью реверсного вращения лопастного винта 3.   Координаты  конца  трубопровода 9 подводящего  дисперсный  материал-наполнитель обеспечивают его оптимальный режим раздробления и разгона. 

Газовые пузырьки транспортирующего газа барботируют в алюмоматричном расплаве и под действием центробежных сил выталкиваются на свободную поверхность параболоида вращения,  за счёт  чего происходит  рафинирование алюмоматричного  расплава  от газовых

включений    и    равномерное    распределение    дисперсного    материала-напонителя    в алюмоматричном расплаве.

Предлагаемая    установка (Приложение)   позволяет    осуществлять    получения    композиционных алюмоматричных расплавов и при применении нанодсиперсных материалов наполнителей. [4]

После    завершения    технологического    цикла    приготовления    композиционных алюмоматричных расплавов, прекращают подачу дисперсного материала-наполнителя, но не прекращают некоторое время (5-7 секунд) подачу транспортируемого газа. Далее производят его (расплава) разливку, открыв в донной части тигля 5 шиберный затвор 2, расплав подают через   сливной   металлопровод 1 в   литейную   форму   (на   чертежах   не   показана) расположенную в камере 12. [5]

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Проведенный в данной работе инновационный анализ развития литых металлокомпозитов показывает, что технологические    возможности    получения    литых    алюминиевых    сплавов традиционными технологиями сплавления компонентов,  обработки их в жидком состоянии модифицированием, термовременной обработкой и внешними физическими воздействиями и последующее затвердевание в процессе формообразования отливок в значительной степени исчерпаны. Поэтому технологический принцип  композиционных    материалов,    получивший    у    специалистов    «условное» математическое  обозначение   в   виде 1+1>2, которое  объясняется  как   увеличение  их (композитов)  положительных  физических  свойств  исходных  компонентов,  обеспечивает композиционным   материалам   достижение   синергетического   эффекта,   превышающего суммарный эффект – является решающим в дальнейшем  совершенствовании механических свойств литых материалов на алюминиевой основе.

Подтверждением этого служит тот факт, что на   современном   этапе   композиты   с металлической матрицей особенно на основе алюминия – алюмоматричные композиты получают все большее практическое применение.

      Также считается, что одним    из    перспективных   направлений    в    ближайшее    время    развития алюмоматричных   композиционных   материалов   является   направление,   использующее нанодискретные армируемые материалы.

 

                                                Приложение

Установка для получения алюмоматричных композиционных расплавов

Заявка РФ  № 2012110096 

Разработчики: Алимова  О.Т.,  Гришанова  М.С.  и  Минаев  А.А.

 

Фиг. 1 – общий вид установки;

Фиг.2 – сечение по А-А на фиг.1.

Установка включает следующие конструктивные элементы: сливной металлопровод 1, шиберный   затвор 2, лопастный   винт 3, нагревательные   элементы 4, тигель 5 для алюмоматричного  расплава,  бункер-дозатор 6 для  дисперсного  материала-наполнителя, механизм  передачи 7, привод 8, трубопровод 9 для  подачи  транспортируемым  газом дисперсного   материала-наполнителя,    ограничительная   крышка 10 для   вращаемого

алюмоматричного   расплава,   нагревательная   печь 11, камера   (герметичная) 12 для размещения   заливаемых   литейных   форм   (на   чертежах   не   показана)   и   приводной вертикальный вал 13 с возможностью реверсивного вращения лопастного винта 3.

                                         Работа установки

 

В тигель 5 размещённый в нагревательной печи 11 загружают в твёрдом виде или  заливают алюмоматричный расплав. Лопастный винт 3, закрепленный на вертикальном  приводном валу 13, погружают в алюмоматричный расплав и придают ему вращения от  привода 8. Одновременно из бункера-дозатора 6 через транспортируемый трубопровод 9, охватывающий приводной вертикальный вал 13 со шнеком на наружной поверхности (на чертежах не показан) и с помощью транспортируемого газа (азот, аргон и др.) подают  дисперсный материал-наполнитель. За счёт   барботажа транспортируемого газа и  вращения   лопастного винта 3 частицы дисперсного материала-наполнителя распределяются в алюмоматричном расплава равномерно. Кроме того, этому способствует предотвращение  самопроизвольного комкования (агломерации) дисперсного материала-наполнителя, что снижает его сыпучесть, за счёт шнека на приводном вертикальном валу 13 в сочетании с пульсацией транспортируемого газа и возможностью реверсного вращения лопастного винта

3. Координаты  конца трубопровода 9  подводящего дисперсный материал-наполнитель  обеспечивают его оптимальный режим раздробления и разгона.

 Газовые пузырьки транспортирующего газа барботируют в алюмоматричном расплаве  и под действием центробежных сил выталкиваются на свободную поверхность параболоида  вращения, за счёт чего происходит рафинирование алюмоматричного расплава от газовых   включений и равномерное распределение дисперсного материала-напонителя в  алюмоматричном расплаве.

Предлагаемая  установка позволяет осуществлять получения композиционных  алюмоматричных   расплавов и при применении нанодсиперсных материалов наполнителей. [4]

После завершения технологического цикла приготовления композиционных   алюмоматричных расплавов, прекращают подачу дисперсного материала-наполнителя, но не   прекращают некоторое время (5-7 секунд) подачу транспортируемого газа. Далее    производят  его (расплава) разливку, открыв в донной части тигля 5 шиберный затвор 2, расплав подают  через  сливной металлопровод 1 в литейную форму (на чертежах не показана)  расположенную в камере 12. [5]

В заключении отметим, что проведённый краткий анализ современного состояния и  перспектив развития литых дискретно-армированных алюмоматричных  композиционных   материалов позволяет сделать следующие выводы:

1. Технологические   возможности  получения литых алюминиевых сплавов

Традиционными технологиями сплавления компонентов, обработки их в жидком состоянии   модифицированием, термовременной обработкой и внешними физическими воздействиями и  последующее затвердевание в процессе формообразования отливок в значительной степени

исчерпаны.

2. Композиционные материалы, получившие у специалистов «условное»

математическое обозначение в виде 1+1>2, которое объясняется как увеличение их  (композитов) положительных  физических свойств исходных компонентов, обеспечивает  композиционным  материалам достижение синергетического эффекта, превышающего  суммарный эффект.

3. На современном  этапе практическое применение получили композиты с

Металлической  матрицей особенно на основе алюминия – алюмоматричные   композиты.

4. Одним из перспективных   направлений в   ближайшее   время   развития

Алюмоматричных  композиционных  материалов   является направление, использующее   нанодискретные  армируемые   материалы.

 

 

          ВЫВОДЫ

 

1. Анализ   развития   технологий   использования   алюмоматричных   композиционных расплавов  показывает,  что  наиболее  динамично  развиваются  и  внедряются  жидкофазные технологии.
2. Производство алюмоматричных сплавов  наиболее технологично и экономично так, так позволяет использовать сырье наиболее эффективно до 90-95% .
3. Предлагаемая установка для получения алюмоматричных расплавов и отливок эффективно решает проблему комкования дисперсного наполнителя при его транспортировки к матричному материалу и равномерному распределению в нем.

 

 

 

          

 

 

 

 

 

 

 

 

   Список использованной литературы

 

1.     Косников   Г.А.   и   др. (СПбГПУ)   О   перспективах   разработки   литейных наноструктурных   композиционных   алюмоматричных   сплавов.   Доклад   на   Х   съезде литейщиков РФ, Казань, 2011 год, с. 187-195

2.     Панфилов  А.В. Современное состояние и перспективы  развития литых дискретно-армированных  алюмоматричных композиционных материалов. Литейщик России №7.2008, с 23-27

3.     Ржевская  С.В.  Материаловедение.  Учебн.  Для вузов,-4-е изд., перераб.  и доп.М.: Университетская книга. Логос.-424 с., С. 69, 225, 232-234

4.     Волков Г.М.  Объёмные наноматериалы: учебное пособие – М.: КНОРУС, 2011. – 168 с., С. 140-150

5.     Алимова  О.Т.,  Гришанова  М.С.  и  Минаев  А.А.  Заявка  РФ  № 2012110096 на «Установку для получения алюмоматричных композиционных расплавов…», 2012 года.

       6. Чернышова ТА., Кобелева Л.И., Шебо П., Панфилов А.В.

Взаимодействие металлических расплавов с армирующими

наполнителями. - М.: Наука, 1993.- 272 с.