PL217093B1 - Composite material with casting aluminum alloys matrix and method for producing thereof - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest materiał kompozytowy o osnowie odlewniczych stopów aluminium oraz sposób jego wytwarzania, mający zastosowanie zwłaszcza w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym.The subject of the invention is a composite material with a matrix of cast aluminum alloys and a method of its production, applicable especially in the aviation and automotive industries.

Materiały kompozytowe o osnowie metali lekkich wytworzone na drodze infiltracji porowatej ceramiki na bazie mulitu, dzięki dobrym własnościom mechanicznym i stosunkowo małej gęstości są szeroko stosowane w wielu gałęziach przemysłu. Zagadnienie to przedstawione jest m.in. w opisach CN1483845 (A), CN101734935 (A), IT1226511 (B).Composite materials with a light metal matrix, produced by infiltration of porous ceramics based on mullite, thanks to their good mechanical properties and relatively low density, are widely used in many industries. This issue is presented i.a. in CN1483845 (A), CN101734935 (A), IT1226511 (B).

Stwierdzono nieoczekiwanie, że wzmocnienie materiałów kompozytowych może stanowić szkielet ceramiczny na bazie mulitu wytworzony przez spiekanie nanorurek haloizytowych. Nanorurki pozyskane z haloizytu, będącego minerałem ilastym pochodzenia wulkanicznego z grupy kaolinitu, który charakteryzuje się dużą porowatością oraz dużą powierzchnią właściwą, ze względu na swoje wymiary pozwolą na uzyskanie nanostrukturalnego materiału kompozytowego.It has surprisingly been found that the reinforcement of the composite materials can be a mullite-based ceramic skeleton made by sintering halloysite nanotubes. Nanotubes obtained from halloysite, which is a clay mineral of volcanic origin from the kaolinite group, which is characterized by high porosity and a large specific surface, due to its dimensions, will allow to obtain a nanostructured composite material.

Materiał kompozytowy według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera fazę wzmacniającą w postaci nanometrycznego mulitu powstałego w wyniku spiekania nanorurek haloizytowych w udziale objętościowym, korzystnie w zakresie od 20-50%.The composite material according to the invention is characterized in that it contains a reinforcing phase in the form of nano-sized mullite resulting from sintering of halloysite nanotubes in a volume fraction, preferably in the range from 20-50%.

Sposób według wynalazku polega na tym, że proszek zawierający nanorurki haloizytowe poddaje się mechanicznemu mieszaniu w młynie kulowym w zawiesinie alkoholu, a następnie prasowaniu korzystnie pod ciśnieniem z zakresu od 50 do 140 MPa i spiekaniu korzystnie w temperaturze z zakresu 1300-1700°C, po czym tak otrzymany porowaty szkielet mulitowy infiltruje się ciśnieniowo odlewniczym stopem aluminium korzystnie w temperaturze z zakresu od 600 do 800°C pod ciśnieniem od 60 do 100 MPa.The method according to the invention consists in that the powder containing halloysite nanotubes is subjected to mechanical mixing in a ball mill in an alcohol suspension, and then pressing, preferably under a pressure in the range of 50 to 140 MPa, and sintering preferably at a temperature in the range of 1300-1700 ° C, after the thus obtained porous mullite skeleton is infiltrated by pressure with the casting aluminum alloy, preferably at a temperature ranging from 600 to 800 ° C under a pressure of 60 to 100 MPa.

W innym rozwiązaniu sposób według wynalazku polega na tym, że proszek zawierający nanorurki haloizytowe oraz dodane w celu zwiększenia porowatości włókna węglowe, poddaje się mechanicznemu mieszaniu w młynie kulowym w zawiesinie alkoholu, po czym tak przygotowana mieszanina proszków jest prasowana korzystnie pod ciśnieniem z zakresu od 100 do 300 MPa i spiekana korzystnie w temperaturze z zakresu 1300-1700°C, z przystankiem izotermicznym w temperaturze z zakresu 750-850°C przy nagrzewaniu, umożliwiającym pełną degradację włókien węglowych, a przez co zwiększenie porowatości. Następnie tak otrzymany porowaty szkielet mulitowy infiltruje się ciśnieniowo odlewniczym stopem aluminium korzystnie w temperaturze z zakresu od 600 do 800°C pod ciśnieniem od 60 do 100 MPa.In another solution, the method according to the invention consists in that the powder containing halloysite nanotubes and carbon fibers added to increase the porosity is subjected to mechanical mixing in a ball mill in an alcohol suspension, and then the powder mixture prepared in this way is pressed under a pressure in the range of 100 to 300 MPa and sintered, preferably at a temperature in the range of 1300-1700 ° C, with an isothermal stop at a temperature in the range of 750-850 ° C upon heating, allowing the full degradation of the carbon fibers, thereby increasing the porosity. The thus obtained porous mullite skeleton is then pressure infiltrated with the aluminum casting alloy, preferably at a temperature ranging from 600 to 800 ° C and a pressure of 60 to 100 MPa.

Zaproponowany materiał kompozytowy według wynalazku charakteryzuje możliwość dokładnego odwzorowania kształtu co jest zgodne z najnowszymi kierunkami rozwoju technologii wytwarzania gotowych elementów lub elementów wymagających jedynie obróbki wykończającej tj. (ang. near net shape). Kompozyt ten charakteryzuje się fazami wzmacniającymi występującymi lokalnie lub w całej jego objętości oraz wysoką jakością powierzchni. Materiały te mogą na szeroką skalę znaleźć zastosowanie na bloki i tłoki silników spalinowych, komory spalania oraz pierścienie tłokowe.The proposed composite material according to the invention is characterized by the ability to accurately reproduce the shape, which is in line with the latest trends in the development of technology for the production of ready-made elements or elements requiring only finishing, i.e. near net shape. This composite is characterized by local or full-body reinforcement phases and a high surface quality. These materials can be widely used for blocks and pistons of combustion engines, combustion chambers and piston rings.

P r z y k ł a d IP r z k ł a d I

Proszek zawierający nanorurki haloizytowe poddaje się mechanicznemu mieszaniu w młynie kulowym w zawiesinie alkoholu przez 10 minut, a następnie tak przygotowana mieszanina proszków jest prasowana korzystnie pod ciśnieniem 100 MPa i spiekana korzystnie w temperaturze 1400°C przez 2 godziny. Następnie tak otrzymany porowaty szkielet mullitowy poddaje się infiltracji ciśnieniowej stopem EN AC AlSi9 korzystnie w temperaturze 700°C pod ciśnieniem 60 MPa.The powder containing halloysite nanotubes is subjected to mechanical mixing in a ball mill in an alcohol suspension for 10 minutes, and then the powder mixture prepared in this way is pressed, preferably at a pressure of 100 MPa, and sintered, preferably at a temperature of 1400 ° C, for 2 hours. Subsequently, the thus obtained porous mullite skeleton is subjected to pressure infiltration with the EN AC AlSi9 alloy, preferably at a temperature of 700 ° C and a pressure of 60 MPa.

P r z y k ł a d IIP r z x l a d II

Proszek zawierający nanorurki haloizytowe oraz dodane w celu zwiększenia porowatości włókna węglowe w proporcjach 30/70 objętościowo poddaje się mechanicznemu mieszaniu w młynie kulowym w zawiesinie alkoholu przez 5 minut, a następnie tak przygotowana mieszanina proszków jest prasowana korzystnie pod ciśnieniem 100 MPa i spiekana korzystnie w temperaturze 1500°C, z przystankiem izotermicznym przy nagrzewaniu w temperaturze 800°Ć, umożliwiającym pełną degradację włókien węglowych. Następnie tak otrzymany porowaty szkielet mulitowy poddaje się infiltracji ciśnieniowej stopem EN AC AlSi12 korzystnie w temperaturze 800°C pod ciśnieniem 100 MPa.The powder containing halloysite nanotubes and carbon fibers added in order to increase the porosity in the proportions 30/70 by volume are mechanically mixed in a ball mill in the alcohol suspension for 5 minutes, and then the powder mixture prepared in this way is pressed, preferably at a pressure of 100 MPa and sintered, preferably at a temperature of 1500 ° C, with an isothermal stop when heated at 800 ° C, allowing full degradation of carbon fibers. Subsequently, the thus obtained porous mullite skeleton is subjected to pressure infiltration with the EN AC AlSi12 alloy, preferably at a temperature of 800 ° C and a pressure of 100 MPa.

PL 217 093 B1PL 217 093 B1

Claims (3)

1. Materiał kompozytowy o osnowie odlewniczych stopów aluminium, zawierający fazę wzmacniającą w postaci mulitu, znamienny tym, że faza wzmacniająca ma postać nanometrycznego mulitu powstałego z spiekania nanorurek haloizytowych korzystnie o udziale objętościowym fazy wzmacniającej w zakresie od 20 do 50%.CLAIMS 1. A composite material with a matrix of aluminum casting alloys, containing a reinforcing phase in the form of mullite, characterized in that the reinforcing phase is in the form of nanometric mullite resulting from the sintering of halloysite nanotubes, preferably with a volume fraction of the reinforcing phase in the range from 20 to 50%. 2. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego na osnowie odlewniczych stopów aluminium przy użyciu metalurgii proszków i infiltracji ciśnieniowej, znamienny tym, że proszek zawierający nanorurki haloizytowe, poddaje się mechanicznemu mieszaniu w młynie kulowym w zawiesinie alkoholu, a następnie prasowaniu korzystnie pod ciśnieniem od 50 do 150 MPa i spiekaniu korzystnie w temperaturze 1300-1700°C, po czym tak otrzymany porowaty szkielet mullitowy infiltruje się ciśnieniowo odlewniczym stopem aluminium korzystnie w temperaturze od 600 do 800°C pod ciśnieniem od 60 do 100 MPa.A method of producing a composite material based on casting aluminum alloys using powder metallurgy and pressure infiltration, characterized in that the powder containing halloysite nanotubes is mechanically mixed in a ball mill in an alcohol suspension, and then pressed, preferably under a pressure of 50 to 150 MPa and sintering preferably at a temperature of 1300-1700 ° C, whereafter the porous mullite skeleton thus obtained is pressure infiltrated with the aluminum casting alloy preferably at a temperature of 600 to 800 ° C and a pressure of 60 to 100 MPa. 3. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego na osnowie odlewniczych stopów aluminium przy użyciu metalurgii proszków i infiltracji ciśnieniowej, znamienny tym, że proszek zawierający nanorurki haloizytowe oraz dodane w celu zwiększenia porowatości włókna węglowe, poddaje się mechanicznemu mieszaniu w młynie kulowym w zawiesinie alkoholu, po czym tak przygotowana mieszanina proszków jest prasowana korzystnie pod ciśnieniem od 100 do 300 MPa i spiekana korzystnie w temperaturze 1300-1700°C, po czym tak otrzymany porowaty szkielet mullitowy infiltruje się ciśnieniowo odlewniczym stopem aluminium korzystnie w temperaturze od 600 do 800°C pod ciśnieniem od 60 do 100 MPa.3. A method of producing a composite material on a matrix of casting aluminum alloys using powder metallurgy and pressure infiltration, characterized in that the powder containing halloysite nanotubes and carbon fibers added to increase the porosity, is subjected to mechanical mixing in a ball mill in an alcohol suspension, and then yes the prepared powder mixture is pressed preferably at a pressure of 100 to 300 MPa and sintered, preferably at a temperature of 1300-1700 ° C, after which the porous mullite skeleton thus obtained is infiltrated by pressure with a casting aluminum alloy, preferably at a temperature of 600 to 800 ° C and a pressure of 60 up to 100 MPa.