Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки Российский патент 2019 года по МПК B22F3/26 C22C1/08 B60L5/00 

Описание патента на изобретение RU2688482C1

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах.

Известен способ получения композиционного материала пропиткой с одновременным химическим воздействием. Заготовку устанавливают на специальной графитовой платформе, прогревают над поверхностью расплава кремния или сплавом на основе кремния и меди, имеющим температуру 1700-1800°С, затем постепенно, со скоростью не более 10 см/мин опускают заготовку в ванну с расплавом. Тем самым осуществляя пропитку однонаправленным потоком расплава, распространяющимся фронтом по всему сечению заготовки (патент РФ №2276631 МПК С04В 35/52, опубл. 02.08.2004).

Недостатком данного способа является отсутствие в процессе пропитки стадии вакуумирования как сплава, так и заготовки, вследствие чего различные загрязнения в порах углеграфитовой заготовки препятствуют их заполнению матричным сплавом, а так же отсутствие вакуумирования негативно сказывается на расплаве матричного сплава, который окисляется, взаимодействуя с воздухом, снижая качество композиционного материала.

Известен способ получения композиционного материала пропиткой пористой заготовки металлом, при котором армирующий пористый каркас предварительно нагревают, затем заливают его матричным сплавом, проводят вакуумную дегазацию и пропитывают под воздействии избыточного давления 15±3 МПа на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости при нагреве (патент РФ №1759932, МПК С22С 1/09, B22 F3/26, опубл. 07.09.92).

Недостатком этого способа при его использовании для получения КМ пропиткой является ограничение номенклатуры металлов для использования их в качестве матричного сплава, только свинец или его сплавы.

Наиболее близким является способ изготовления композиционных материалов, включающий погружение пористой заготовки в расплав матричного сплава алюминия, вакуумную дегазацию и воздействие избыточным давлением на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус сплава алюминия (патент РФ №2571295, МПК B22F 3/26, опубл. 20.12.2015).

Недостатком этого способа является большие потери затраты времени на нагрев оснастки и ее охлаждения для проведения дегазации камеры для пропитки.

Задача - разработка способа максимального заполнения пор в углеграфитовой заготовке при пропитке ее матричным сплавом.

Техническим результатом изобретения является повышение качества композиционных материалов (КМ).

Технический результат достигается в способе повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки, включающем вакуумную дегазацию пористой заготовки, ее пропитку расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия, при этом дегазацию проводят до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава, а перед пропиткой пористую заготовку покрывают двухслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего медного и наружного кадмиевого слоев.

Сущность изобретения заключается в разделении технологии на более простые этапы: разделение операций вакуумной дегазации углеграфитовой заготовки и пропитки, нанесение перед пропиткой на заготовку двухслойного гальванического покрытия, состоящего из внутреннего медного и наружного кадмиевого слоев, что способствует лучшему смачиванию углеграфитового каркаса, увеличивает проницаемость его пор и, соответственно, повышает качество композиционных материалов (КМ), а также позволяет повысить производительность процесса (за счет сокращения времени на получение КМ).

Перед нанесением гальваническим способом слоя меди проводится вакуумная дегазация углеграфитового каркаса в медном электролите, вследствие чего происходит частичное заполнение пор медным электролитом, после чего на углеграфитовый каркас наносят гальваническим способом медный слой, который образуется и в порах заполненных медным электролитом, затем, гальванически наносится наружное кадмиевое покрытие, что позволяет получить легирующие действие нанесенных особо чистых металлов на межфазной границе углеграфитовый каркас/пропитывающий сплав. Это позволяет снизить величину краевого угла смачивания.

Погружение пористой заготовки, с нанесенным на нее двухслойным гальваническим покрытием, в расплав матричного сплава алюминия находящегося в камере для пропитки, выполненную из титана марки ВТ-1 ведет к лучшей заполняемости пор матричным сплавом.

Пластиковые емкости для нанесения гальванических покрытий наполняют:

- для нанесения медного покрытия - сернокислым электролитом меднения, состоящим из медного купороса, дистиллированной воды, серной кислоты;

- для нанесения кадмиевого покрытия - кадмиевым кислым электролитом, состоящим из сернокислого кадмия, борной кислоты и коллоидов.

После нанесения гальванических покрытий углеграфитовый каркас помещается в устройство для пропитки.

При этом камера для пропитки, в которую помещают углеграфитовый каркас с нанесенным на него двухслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего медного и внешнего кадмиевого слоев, позволяет осуществлять пропитку пористой заготовки при нагреве под действием избыточного давления матричного сплава алюминия, получаемого за счет термического расширения алюминия при увеличении объема сплава в замкнутом объеме устройства для пропитки.

Определение температуры ликвидус с перегревом не менее чем в 100°С позволяет учесть величину нагрева обеспечивает создание требуемого давления пропитки, что позволяет получить КМ высокого качества с высокой степенью заполнения объема открытых пор пористой заготовки матричным сплавом.

Использование в качестве матричного расплава - сплава алюминия, а в качестве пористого тела углеграфитовой заготовки позволяет получать композиционные материалы, широко применяемые в машиностроении для изготовления токосъемников, вставок пантографов, электрических щеток, уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения.

На фиг. 1 показана гальваническая камера, на фиг. 2 показано устройство для пропитки углеграфитовой заготовки.

Гальваническая камера состоит из пластиковой емкости 1 с электролитом 2 и анодами 3, купола 4, герметично закрывающего емкость 1. В емкости 1 помещена углеграфитовая заготовка 5. В куполе 4 выполнено отверстие 6, которое соединено с вакуумным насосом.

Камера для пропитки 7 углеграфитовой заготовки 5 выполнена из титана ВТ-1. На дне камеры для пропитки размещена углеграфитовая заготовка 5 с нанесенным двухслойным гальваническим покрытием 8. Камера 7 заполнена расплавом матричного сплава алюминия 9. Камера для пропитки 7 герметично закрывается крышкой 10 с пробкой 11.

Пример

По предложенному способу был получен КМ углеграфит - сплав алюминия с использованием углеграфита марки АГ-1500 имеющего открытую пористость 15%. Образец углеграфита был выполнен в виде куба со стороной 30 мм. Таким образом, объем углеграфитового каркаса составлял 900 мм3, объем пор в каркасе составлял 135 мм3

При осуществлении способа углеграфитовую заготовку 5 закрепленную медной проволокой погружают в емкость 1 наполненную медным электролитом 2, состоящим из 200 г/л сернокислой меди, 70 г/л серной кислоты и 10-15 мл спирта, температура электролита 20-25°С. Затем емкость 1 накрывают герметичным куполом 4, после чего через отверстие 6 в куполе проводят вакуумную дегазацию в течение 5-7 минут. Далее в емкость 1 погружают два медных анода 3 соединенных между собой медной проволокой, после чего аноды 3 и углеграфитовая заготовка 5 подключаются к источнику постоянного тока, положительный заряд к анодам, а отрицательный к углеграфитовой заготовке 5, сила тока устанавливается 1.5 А с выдержкой в 40-60 мин. После нанесения на углеграфитовый каркас медного покрытия, наносится слой кадмия. Для этого используется емкость, аналогичная емкости 1, наполненная предварительно нагретым до 20-30°С кадмиевым электролитом 2, состоящим из 60 - 65 г/л сернокислого кадмия, 30 - 35 г/л сернокислого аммония, 25 - 30 сернокислого алюминия и 0,6 г/л столярный клей или желатин и установленными в ней анодами 3 из электролитического чистого кадмия соединенными между собой медной проволокой. Затем сила тока устанавливается на 2 А с выдержкой 60 минут. Подключение к источнику постоянного тока аналогично ванне меднения. Процесс дегазации повторно не проводится.

Далее углеграфитовую заготовку 5 с нанесенным двухслойным гальваническим покрытием 8, состоящим из внутреннего медного и наружного кадмиевого слоев, промывают в воде, сушат и помещают в емкость для пропитки матричным сплавом алюминия.

При осуществлении способа в камеру для пропитки 7 помещают углеграфитовую заготовку 5, нагревают до температуры 400°С и заполняют камеру 7 расплавом алюминия 9. Закрывают камеру 7 крышкой 10 нагревают до температуры 700°С. Затем крышку 10 притирают пробкой 11, предварительно нагретой до 1000-1050°С и шплинтуют ее.

После этого камеру для пропитки 7 углеграфитовой заготовки 5 нагревают не менее чем на 100°С выше температуры ликвидус расплава матричного сплава алюминия с изотермической выдержкой 20 мин при достижении указанной температуры и расчетного давления. За счет разницы коэффициентов термического расширения камеры 7 и расплава матричного сплава алюминия 9, создается оптимальное давление пропитки.

Пропитка производилась при давлении 3-5 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева камеры для пропитки, равной 1000-1050°С.

По окончании пропитки, удаляют пробку 11, сливают третью часть расплава матричного сплава алюминия 9, отворачивают крышку 10, сливают оставшийся расплав, извлекают полученный КМ и производят его охлаждение с кристаллизацией расплава матричного сплава алюминия 9 в порах.

Полученный КМ испытывался на прочность при сжатии, степень заполнения открытых пор (плотность пропитки) оценивалась по удельному весу КМ до и после пропитки, структура КМ оценивалась по результатам металлографических исследований. Результаты испытаний приведены в таблице.

Таким образом, повышение проницаемости пор углеграфитовой заготовки при котором перед пропиткой расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве не менее чем на 100°С выше температуры ликвидус сплава алюминия осуществляют вакуумную дегазацию пористой заготовки и покрывают ее двухслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего медного и наружного кадмиевого слоев до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава, обеспечивает повышение качества композиционных материалов (КМ).

Похожие патенты RU2688482C1

название год авторы номер документа
Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки 2018
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
RU2688479C1
Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки 2018
  • Гулевский Виктор Александрович
RU2688535C1
Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки 2018
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
  • Шлейн Илья Павлович
  • Мельников Никита Геннадьевич
RU2688471C1
Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки 2018
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
RU2688793C1
Способ получения углеграфитового композиционного материала 2020
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
RU2751869C1
Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки 2018
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
  • Барабанов Сергей Владимирович
  • Афанасьев Валерий Анатольевич
RU2688560C1
Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки 2018
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
  • Самеди Талех Фазиль Оглы
  • Мудров Владислав Владимирович
RU2688484C1
Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки 2018
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
RU2688489C1
Способ получения углеграфитового композиционного материала 2020
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
RU2751867C1
Способ получения углеграфитового композиционного материала 2020
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
RU2751865C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 688 482 C1

Реферат патента 2019 года Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки

Изобретение относится к получению углеграфитового композиционного материала. Способ включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки, ее пропитку расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия. Дегазацию проводят до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава, а перед пропиткой пористую заготовку покрывают двухслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего медного и наружного кадмиевого слоев. Обеспечивается повышение качества композиционного материала. 2 ил., 1 табл., 1 пр.

Формула изобретения RU 2 688 482 C1

Способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки, ее пропитку расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия, отличающийся тем, что дегазацию проводят до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава, а перед пропиткой пористую заготовку покрывают двухслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего медного и наружного кадмиевого слоев.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2688482C1

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2014
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Головинов Павел Станиславович
  • Кидалов Николай Алексеевич
  • Антипов Валерий Иванович
  • Колмаков Алексей Георгиевич
  • Виноградов Леонид Викторович
RU2571295C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2013
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Власов Сергей Эдуардович
  • Кидалов Николай Алексеевич
  • Антипов Валерий Иванович
  • Колмаков Алексей Георгиевич
  • Виноградов Леонид Викторович
RU2539528C1
Способ изготовления композиционных материалов 1990
  • Бусалаев Игорь Давидович
  • Соловьев Игорь Александрович
  • Рубенчик Юлий Израилович
  • Гулевский Виктор Александрович
SU1759932A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДКАРБИДОКРЕМНИЕВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2004
  • Подкопаев Сергей Александрович
  • Свиридов Александр Афанасьевич
  • Тюменцев Василий Александрович
RU2276631C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 1996
  • Калин Б.А.
  • Федотов В.Т.
  • Григорьев А.Е.
  • Плющев А.Н.
  • Севрюков О.Н.
  • Скуратов Л.А.
RU2124418C1
Способ получения композиционного материала с металлической матрицей 1990
  • Роберт Кэмпбелл Кантнер
  • Станислав Антолин
  • Ратнеш Кумар Двиведи
SU1831413A3
US 6699410 B2, 02.03.2004.

RU 2 688 482 C1

Авторы

Гулевский Виктор Александрович

Мирошкин Николай Юрьевич

Шлейн Илья Павлович

Мельников Никита Геннадьевич

Даты

2019-05-21Публикация

2018-01-16Подача