Способ получения углеграфитового композиционного материала Российский патент 2021 года по МПК B22F3/26 C22C47/12 C22C49/02 C22C49/14 C22C101/10 C25D5/10 

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 C04B 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 также 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 C22C 1/09, B22F 3/26, 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 получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на нее медьсодержащего гальванического покрытия и пропитку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца (патент РФ № 2688522, МПК B22F 3/26, C22C 47/08, B60L 5/00, опубл. 21.05.2019).

Недостатком этого способа является необходимость пропитки при высоких значениях температуры и давления.

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 получения углеграфитового композиционного материала, включающем вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на пористую заготовку слоя медьсодержащего гальванического покрытия, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки, заполнение камеры расплавом матричного сплава и пропитку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет теплового и термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца, при этом в качестве раствора электролита используют состав, содержащий 40 г/л сернокислой меди, 40 г/л сернокислого олова, 8 г/л фенола, 70 г/л серной кислоты, 0,0005 г/л тиомочевины и наносят гальваническое покрытие, состоящее из 80% меди и 20% олова, а углеграфитовую заготовку помещают в камеру для пропитки, на 2/3 заполненную расплавом матричного сплава температурой ниже температуры ликвидус сплава свинца на 15-20°С.

Разделение технологии на более простые этапы: разделение операций вакуумной дегазации углеграфитовой заготовки и пропитки, нанесение перед пропиткой на заготовку гальванического покрытия, содержащего 80 масс.% меди и 20 масс.% олова, способствует снижению температуры пропитки, лучшему смачиванию углеграфитового каркаса, увеличивает проницаемость его пор и, соответственно, повышает качество композиционных материалов (КМ).

Одновременный электролиз меди и олова из раствора электролита приводит к их совместному гальваническому осаждению - гальваническому бронзированию пористой заготовки с образованием бронзового покрытия с заданным соотношением меди и олова (соотношение меди и олова задается качественным и количественным составом электролита и условиями электролиза). Перед гальваническим бронзированием проводится вакуумная дегазация углеграфитового каркаса в электролите, вследствие чего происходит частичное заполнение пор электролитом, после чего на углеграфитовый каркас наносят гальваническим способом слой бронзового покрытия, который образуется и в порах, заполненных медным электролитом. Данный способ позволяет получить легирующие действие нанесенных особо чистых металлов на межфазной границе углеграфитовый каркас/пропитывающий сплав и снизить величину краевого угла смачивания.

Содержание в гальваническом покрытии 20 масс.% олова упрощает технологию пропитки, позволяя получать композиты при более низких температурах, а также способствует увеличению твердости КМ, так как за счет снижения температуры размягчения гальванического покрытия, сплав свинца продавливает и уплотняет его глубже в поры углеграфитового каркаса. Увеличение содержания олова покрытии свыше 20 масс.% заметно повышает хрупкость КМ после пропитки.

Пропитка пористой заготовки, с нанесенным на нее гальваническим покрытием, в расплаве матричного сплава свинца, находящегося в камере для пропитки, ведет к лучшей заполняемости пор матричным сплавом.

Нанесение бронзового гальванического покрытия осуществляется в пластиковой емкости, которую наполняют сульфатным электролитом бронзирования, содержащим сернокислую медь, сернокислое олово, фенол, серную кислоту, тиомочевину.

После нанесения гальванического покрытия углеграфитовый каркас помещается в устройство для пропитки. При этом камера для пропитки, в которую помещают углеграфитовый каркас с нанесенным на него слоем гальванического покрытия, позволяет осуществлять пропитку пористой заготовки при нагреве под действием избыточного давления матричного сплава свинца, получаемого за счет термического расширения свинца при увеличении объема сплава в замкнутом объеме устройства для пропитки.

Определение температуры ликвидус с перегревом 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 свинца, а в качестве пористого тела углеграфитовой заготовки позволяет получать композиционные материалы, широко применяемые в машиностроении для изготовления направляющих, уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения.

По предложенному способу был получен КМ углеграфит - сплав свинца 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.

Углеграфитовую заготовку, закрепленную бронзовой проволокой погружают в емкость гальванической камеры, наполненную сульфатным электролитом бронзирования (водный раствор), в состав которого входит 40 г/л сернокислой меди, 40 г/л сернокислого олова, 8 г/л фенола, 70 г/л серной кислоты, 0,0005 г/л тиомочевины. Затем емкость накрывают герметичным куполом, после чего через отверстие в куполе проводят вакуумную дегазацию в течение 5-7 минут с помощью вакуумного насоса. Далее в емкость погружают два медных анода соединенных между собой медной проволокой, и углеграфитовая заготовка подключаются к источнику постоянного тока, положительный заряд к анодам, а отрицательный к углеграфитовой заготовке. Температура электролита при электролизе 20°С, плотность тока 0,6 А/дм² с выдержкой в 50 мин. После нанесения на углеграфитовый каркас бронзового покрытия, углеграфитовую заготовку с нанесенным гальваническим покрытием промывают в воде, сушат и помещают в камеру для пропитки матричным сплавом свинца. Далее углеграфитовую заготовку с гальваническим покрытием промывают в воде и сушат.

Камера для пропитки углеграфитовой заготовки выполнена из титана ВТ1-0. Камеру для пропитки нагревают до температуры 150°С и на 2/3 заполняют расплавом сплава свинца. Выдерживают расплав свинца до достижения им температуры ниже температуры ликвидус сплава свинца на 15-20°С. В камеру для пропитки на закристаллизовавшуюся (в результате остывания) поверхность помещают углеграфитовую заготовку с нанесенным гальваническим покрытием. Затем в камеру для пропитки доливают расплав свинца, полностью покрывая им пористую заготовку. Камеру закрывают крышкой, доливают расплав матричного сплава до конического заливного отверстия в крышке, притирают пробкой, предварительно нагретой до 500°С, и шплинтуют ее.

После герметизации камеру для пропитки углеграфитовой заготовки нагревают не менее чем на 100°С выше температуры ликвидус расплава матричного сплава свинца с изотермической выдержкой 20 мин при достижении указанной температуры и расчетного давления.

За счет разницы коэффициентов термического расширения емкости и расплава матричного сплава свинца, а также за счет разницы, коэффициентов теплового (при расплавлении свинца) расширения свинца, при котором увеличивается объем расплава в камере, создается оптимальное давление пропитки.

Пропитка производилась при давлении 3 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева камеры для пропитки, равной 450°С. По окончании пропитки полученный КМ извлекают и производят его охлаждение с кристаллизацией расплава матричного сплава свинца 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.

Таблица

Композиционный материал Температура начала пропитки, °С Температура в конце пропитки, °С Давление пропитки, МПа Время выдержки давления, мин. Степень заполнения открытых пор, % Прочность КМ при сжатии, МПа Результаты металлографических исследований По предлагаемому способу 150 450 3 20 97±3 189±3 Заполнение микроскопических пор максимальное По способу прототипа 400 550 5 20 91±3 180±3 Заполнение микроскопических пор не полное, присутствуют небольшие незаполненные участки

Таким образом, способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, содержащего 40 г/л сернокислой меди, 40 г/л сернокислого олова, 8 г/л фенола, 70 г/л серной кислоты, 0,0005 г/л тиомочевины, нанесение на пористую заготовку слоя гальванического покрытия, состоящего из 80% меди и 20% олова, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки, на 2/3 заполненной расплавом матричного сплава температурой ниже температуры ликвидус сплава свинца на 15-20°С и пропитку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет теплового и термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца, обеспечивает повышение качества получаемых композиционных материалов (КМ).

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой углеграфитового пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах. Cпособ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, содержащего 40 г/л сернокислой меди, 40 г/л сернокислого олова, 8 г/л фенола, 70 г/л серной кислоты, 0,0005 г/л тиомочевины, нанесение на пористую заготовку слоя гальванического покрытия, состоящего из 80% меди и 20% олова, размещение заготовки с покрытием в камере для пропитки, на 2/3 заполненной расплавом сплава свинца, пропитку под воздействием избыточного давления за счет теплового и термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца. Техническим результатом изобретения является повышение качества композиционных материалов за счет максимального заполнения пор углеграфитового каркаса. 1 табл., 1 пр.

Способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на пористую заготовку слоя медьсодержащего гальванического покрытия, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки, заполнение камеры расплавом матричного сплава и пропитку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца, отличающийся тем, что в качестве раствора электролита используют состав, содержащий 40 г/л сернокислой меди, 40 г/л сернокислого олова, 8 г/л фенола, 70 г/л серной кислоты, 0,0005 г/л тиомочевины, и наносят гальваническое покрытие, состоящее из 80% меди и 20% олова, а углеграфитовую заготовку помещают в камеру для пропитки, на 2/3 заполненную расплавом матричного сплава температурой ниже температуры ликвидус сплава свинца на 15-20°С.