МАТРИЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ СУРЬМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРОПИТКОЙ Российский патент 2000 года по МПК C22C12/00 C22C49/02 

Изобретение относится к области металлургии и получения армированных композиционных материалов и отливок и может быть использовано для получения пропиткой композиционных материалов, имеющих армирующий углеграфитовый каркас, которые работают в агрессивных средах в качестве торцевых уплотнителей, подшипников скольжения, направляющих и т.п. деталей.

Известен матричный сплав на основе сурьмы, применяемый для получения композиционных материалов (далее КМ) пропиткой и имеющий следующий химический состав (мас. %): Sb - 85, Zn - 10, Ti - 5 (см. Костиков В.И., Варенков А.Н. Взаимодействие металлических расплавов с углеродными материалами. - М.: Металлургия, 1981, 184 с.). Указанный состав сплава обладает пониженной, по сравнению с чистой сурьмой, испаряемостью при вакуумировании перед пропиткой, но его испаряемость все же достаточно высока.

К недостаткам этого сплава можно также отнести его невысокую проникающую способность по отношению к углеграфитовому каркасу и низкую прочность, что не позволяет получить КМ с высокой прочностью.

Известен также матричный сплав для получения КМ пропиткой углеграфитового каркаса, состоящий из 70 мас.% Sb и 30 мас.% Sn (см. патент Великобритании N 1234634, заявл. 09.06.71). Этот сплав обеспечивает весьма малую испаряемость при пропитке, хорошую коррозионную стойкость, но обладает невысокой проникающий способностью по отношению к углеграфитовому каркасу. Последнее обстоятельство, несмотря на сравнительно высокую прочность матричного сплава, не позволяет получать КМ высокого качества.

Наиболее близким к предлагаемому сплаву по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе сурьмы для получения КМ, имеющий следующий химический состав (мас. %): Sn - 12,0-20,0; Cr - 0,40-9,0; Sb - остальное (N 2055926 патент России, приор. 1994, М.кл. C 22 C 1/09).

Матричный сплав указанного состава обладает более высокой прочностью и проникающей способностью по отношению к углеграфитовому каркасу, чем сплавы, рассмотренные выше, однако для получения КМ более высокого качества необходимо повышение прочности сцепления между пропитывающим сплавом и армирующим каркасом, а также проникающей способности матричного сплава.

Задачей данного изобретения является повышение прочности сцепления (связи) между пропитывающим сплавом и армирующим каркасом, а также увеличение проникающей способности матричного сплава. При изготовлении КМ любым способом необходимо выполнить два условия: создать физический контакт компонентов по всей поверхности раздела и осуществить степень физико-химического взаимодействия компонентов, обуславливающую требуемый уровень монолитизации КМ (прочность связи компонентов) при минимальном ухудшении свойства пропитывающего сплава и углеграфитового каркаса.

Техническим результатом данного изобретения является повышение качества композиционного материала.

Технический результат достигается тем, что в матричный сплав для получения КМ пропиткой армирующего углеграфитового каркаса, содержащий сурьму и олово, дополнительно введен цирконий при следующем соотношении компонентов (мас.%): Sn - 11,0-20,0; Zr - 0,1- 6,5; Sb - остальное
Существенным отличительным признаком предлагаемого сплава является наличие в нем циркония в количестве 0,1-6,5 мас.% и снижение интервала содержания олова 11,0-20,0 мас.% с сохранением низкого уровня испаряемости сплава в рабочем диапазоне температур пропитки.

Изменение содержания олова в сплаве определено увеличением коррозионной стойкости матричного сплава на основе сурьмы с гарантированной испаряемостью в диапазоне температур до 750^oC включительно, а также уменьшением стоимости сплава.

Введение в состав сплава циркония в указанном диапазоне концентраций приводит к существенному повышению прочности матричного сплава вследствие увеличения его работы адгезии, что связано с проникающей способностью и снижения краевого угла смачивания сплава, характеризуемой глубиной затекания последнего в искусственные капилляры, выполненные в углеграфите.

Введение в состав сплава менее 0,1 мас.% циркония приводит к снижению его проникающей способности и, вероятно, недостаточно для повышения прочности сцепления между матричным сплавом и армирующим каркасом.

Введение в состав сплава более 6,5 мас.% циркония нецелесообразно ввиду отсутствия влияния на проникающую способность сплава и, соответственно, нет увеличения плотности КМ, а есть повышение стоимости сплава.

Введение в состав сплава олова в количестве менее 11,0 мас.% приводит к заметному повышению испарения сурьмы.

Введение в состав сплава олова в количестве, превышающем 20,0%, не рационально ввиду отсутствия влияния на снижение испарения сурьмы и связано со снижением проникающей способности сплава.

Предлагаемый сплав обеспечивает практическое отсутствие испарения и более высокую прочность КМ, чем известные сплавы.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники,
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Примеры конкретного изготовления
Пример 1. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Sn - 10,0; Zr - 0,05; Sb - остальное).

Приготовление сплава производится следующим образом: в расплав сурьмы, перегретый до 950^oC, добавляют при непрерывном перемешивании, мелкими порциями, гранулированное олово. При снижении подвижности расплава производится его промежуточный нагрев до температуры 950^oC, затем добавляется очередная порция олова до достижения заданной концентрации. После этого на зеркало расплава в тигле в течение 60-120 с подают аргон и одновременно добавляют требуемое количество циркония небольшими порциями, фракции размером 0,5х2х3 мм, перемешают непрерывно до выравнивания концентрации и разливают в формы. Если необходимо, производят промежуточный нагрев до 950^oC и повторяют последовательность операций, связанных с вводом циркония.

Изготовление КМ производилось пропиткой каркаса из углеграфита марки АГ-1500 матричным сплавом под давлением 12,0 МПа при температуре 750^oC и выдержке под давлением 20 минут.

В качестве технологических характеристик сплава исследовались его прочность, коррозионная стойкость, проникающая способность по отношению к углеграфитовому каркасу, испаряемость.

В качестве технологических характеристик КМ определялись прочность и плотность.

Прочность сплава и КМ на сжатие определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм при настройке разрывной машины на максимальную нагрузку 10000 кГс.

Коррозионная стойкость сплава проверялась по изменению веса цилиндрического образца сплава диаметром 4 мм, высотой 12±0,3 мм после пребывания в агрессивной среде в течение 1200 часов. В качестве агрессивных сред применялись 10% растворы кислот: соляной, серной, азотной, 0,4% едкого калия, 5% хлористого натрия.

Проникающая способность сплава по отношению к углеграфитовому каркасу определялась по глубине затекания справа в отверстие диаметром 0,45 мм, выполненное в дне плоскодонного сверления в углеграфитовом каркасе. Время изотермической выдержки сплава в плоскодонном сверлении при температуре 70^oC составляло 20 мин, постоянство металлостатического давления на дно плоскодонного сверления обеспечивалось заливкой сплава в указанное сверление заподлицо с поверхностью каркаса и постоянством размеров плоскодонного сверления во всех опытах: диаметр 10±0,1 мм, глубина 5±0,1 мм.

В дне каждого плоскодонного сверления выполнялись три отверстия диаметром 0,45 мм и проникающая способность определялась как среднее значение глубины затекания из трех опытов. Испытания проводились а атмосфере аргона.

Испаряемость определялась по потере веса навески сплава, равной 9 г, нагреваемой в трубчатой печи при температуре 800^oC в течение 20 минут в токе аргона, удаляющего пары сплава при атмосферном давлении.

Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор. При этом объем последних в пропитываемом образце определялся предварительно заполнением заранее взвешенного образца с водой с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды.

Указанный сплав и КМ на его основе в условиях испытаний показали: потерю веса от испарения 1,28%, глубину затекания в капилляр - 0,19 мм, изменение веса в кислотах: соляной - 0,087%, серной - 0,170%, азотной - 0,191%, едком калии - 0,041%, хлористом натрии - 0,035%. Прочность матричного сплава составила 143 МПа. Плотность КМ составила 44,8%, его прочность - 140,7 МПа.

Пример 2. Сплав с содержанием ингредиентов (мac.%: Sn - 11,0; Zr - 0,1; Sb - остальное).

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Потеря веса от испарения - 0,28%, глубина затекания - 0,87 мм, изменение веса в серной - 0,003%, в соляной - 0,043%, в азотной - 0,007%, в едком калии - 0,035%, в хлористом натрии - 0,020%, прочность сплава составила 198 МПа. Плотность КМ составили 47,7%, его прочность - 147,8 МПа.

Пример 3. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.% Sn - 15,5%, Zr - 3,5%, Sb - остальное).

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Потеря веса от испарения - 0,21%, глубина затекания 1,92 мм, изменение веса в соляной кислоте - 0,003%, в серной - 0,030, в азотной - 0,007%, в едком калии - 0,021%, в хлористом натрии - 0,016%, прочность сплава составила 210 МПа. Плотность КМ составила 61,5%, его прочность - 162,2 МПа.

Пример 4. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Sn - 20,0; Zr - 6,5; Sb - остальное).

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Потеря веса от испарения - 0,19%, глубина затекания 1,72 мм, изменение веса в соляной кислоте - 0,003%, в серной - 0,031%, в азотной - 0,007%, в едком калии - 0,022%, в хлористом натрии - 0,010%, прочность сплава составила 227 МПа. Плотность КМ составила 58,7%, его прочность - 160,8 МПа.

Пример 5. Сплав с содержанием ингредиентов (мac.%: Sn - 23,0; Zr - 7,0; Sb - остальное).

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Потеря веса от испарения - 0,18%, глубина затекания 1,37 мм, изменение веса в соляной кислоте - 0,005%, в серной - 0,036%, в азотной - 0,008%, в едком калии - 0,024%, в хлористом натрии - 0,023%, прочность сплава составила 235 МПа. Плотность КМ составила 52,4%, его прочность - 156,8 МПа.

Примеры на варьирование составом сплава, обосновывающие влияние содержания олова на технологические характеристики сплава и KM, приведены в таблице.

В сравнении со сплавом-прототипом (патент N 2055926) предлагаемый сплав обеспечивает большую прочность и плотность КМ при небольшом увеличении коррозионной стойкости и отсутствии испаряемости в интервале температур до 750^oC включительно.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в качестве матричных сплавов для получения композиционных материалов пропиткой без нанесения барьерных слоев;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию промышленная применимость" по действующему законодательству.

Матричный сплав на основе сурьмы для получения композиционных материалов пропиткой углеграфитного каркаса содержит следующие компоненты, мас.%: олово 11,0 - 22,0, цирконий 0,1 - 6,3, сурьма - остальное. Сплав указанного состава обладает повышенной прочностью сцепления с армирующим элементом, а также большей проникающей способностью, что обусловливает повышение качества композиционного материала. 1 табл.

Матричный сплав на основе сурьмы для получения композиционных материалов пропиткой углеграфитного каркаса, содержащий олово, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Олово - 11,0 - 22,0
Цирконий - 0,1 - 6,3
Сурьма - Остальное