Способ получения углеграфитового композиционного материала Российский патент 2021 года по МПК B22F3/26 

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 С04В35/52, 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 воздействием 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, 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 заготовки до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава, нанесение на пористую заготовку двухслойного гальванического покрытия состоящего из внутреннего медного и наружного цинкового покрытия, ее пропитку расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия (патент РФ № 2688484, МПК B22F 3/26, C22C 1/08, B60L 5/00, опубл. 21.05.2019).

Недостатком этого способа является необходимость пропитки при высоких значениях температуры и давления и образующийся пироэффект при соприкосновении внешнего цинкового покрытия с расплавленным металлом

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, пропитанного расплавом матричного сплава алюминия, включающем вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в течение 5-7 мин, нанесение на нее гальванического покрытия, содержащего медный и цинковый слои, заполнение камеры для пропитки расплавом матричного сплава алюминия, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в заполненной камере для пропитки и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве не менее чем на 100^оС выше температуры ликвидус расплава матричного сплава алюминия, при этом гальваническое покрытие содержит дополнительный никелевый слой и выполнено из последовательно нанесенных внутреннего никелевого, промежуточного цинкового и наружного медного слоев, вакуумную дегазацию проводят в водном растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, а заполнение упомянутой камеры расплавом матричного сплава алюминия осуществляют на 2/3 и выдерживают при температуре на 15-20°С ниже температуры ликвидус матричного сплава алюминия.

Разделение технологии на более простые этапы: разделение операций вакуумной дегазации углеграфитовой заготовки и пропитки, нанесение перед пропиткой на заготовку трехслойного гальванического покрытия, состоящего из внутреннего никелевого, среднего цинкового и наружного медного слоев, способствует лучшему смачиванию углеграфитового каркаса, увеличивает проницаемость его пор и, соответственно, повышает качество композиционных материалов (КМ).

Перед нанесением гальваническим способом слоя никеля проводится вакуумная дегазация углеграфитового каркаса в никелевом электролите, вследствие чего происходит частичное заполнение пор электролитом, после чего на углеграфитовый каркас наносят гальваническим способом никелевый слой, который образуется и в порах заполненных электролитом, затем, гальванически наносится цинковое покрытие и наружное медное покрытие, что позволяет сохранить легирующий слой цинка при соприкосновении расплавленного металла и углеграфитового каркаса с гальваническими покрытием, в результате чего алюминиевый матричный сплав проникший в поры углеграфита максимально усваивает легирующие компоненты.

За счет расплавления среднего слоя цинка и размягчения гальванического покрытия в целом обеспечивается снижение температуры пропитки, повышается коэффициент теплового и термического расширения, сплав продвигается внутри поры за счет своей работы расширения в поре. Происходит более эффективное взаимодействия за меньшее время алюминиевого сплава и особо чистых металлов, на межфазной границе каркас/пропитка, позволяя снизить величину краевого угла смачивания.

Пропитка пористой заготовки, с нанесенным на нее трехслойным гальваническим покрытием, в расплаве матричного сплава алюминия, находящегося в камере для пропитки, выполненной из титана марки ВТ1-0 ведет к лучшей заполняемости пор матричным сплавом.

Нанесение гальванических покрытий осуществляется в пластиковых емкостях, которые соответственно наполняют:

- для нанесения никелевого покрытия - сульфатным электролитом никелирования, состоящим из сульфата никеля, сульфата натрия, сульфата магния, сухой борной кислоты;

- для нанесения цинкового покрытия - сульфатным электролитом, состоящим из оксида цинка и щелочи;

- для нанесения медного покрытия - цианистым электролитом меднения, состоящим из цианистой меди, цианистого натрия (свободного).

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 трехслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего никелевого, среднего цинкового и наружного медного слоев, позволяет осуществлять пропитку пористой заготовки при нагреве под действием избыточного давления матричного сплава алюминия, получаемого за счет теплового и 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.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

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.

Углеграфитовую заготовку, закрепленную проволокой, погружают в емкость гальванической камеры, наполненную никелевым электролитом (водный раствор), состоящим из 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты. 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 никелевых анода, соединенных между собой медной проволокой, после чего аноды и углеграфитовая заготовка подключаются к источнику постоянного тока, положительный заряд к анодам, а отрицательный к углеграфитовой заготовке, сила тока устанавливается 2 А/дм² с выдержкой в 40-60 мин.

После нанесения никелевого слоя покрытия углеграфитовый каркас промывается в горячей воде и наносится слой цинка. Для этого емкость гальванической камеры наполняют щелочным цинковым электролитом (водный раствор), состоящим из 10 г/л оксида цинка, 100 г/л гидроксида натрия. В гальваническую ванну погружается углеграфитовая заготовка, закрепленная на низкоуглеродистую проволоку. Затем в гальваническую ванну устанавливают аноды, выполненные из цинка соединенные между собой проволокой из низкоуглеродистой стали. Подключение к источнику постоянного тока аналогично ванне никелирования. Сила тока устанавливается на 2-3 А/дм² с выдержкой в течении 40 минут. Процесс дегазации повторно не проводится.

После нанесения цинкового слоя покрытия углеграфитовый каркас промывают горячей водой, и наносят медное покрытие. Для этого емкость гальванической камеры наполняют цианистым электролитом меднения (водный раствор), состоящим из 50-70 г/л цианистой меди (NaCu(CN)₂), 10-25 г/л цианистого натрия (свободного). В ванну устанавливаются медные аноды. Сила тока устанавливается на 0.5 А/дм² с выдержкой в 30 минут при температуре электролита 20-30 °С.

После нанесения на углеграфитовый каркас гальванического покрытия, углеграфитовую заготовку промывают в воде и сушат.

Камера для пропитки углеграфитовой заготовки выполнена из титана ВТ1-0. Камеру для пропитки нагревают до температуры 400°С и на 2/3 заполняют расплавом алюминия. Выдерживают расплав алюминия до достижения им температуры ниже температуры ликвидус сплава алюминия на 15-20° С. В камеру для пропитки на закристаллизовавшуюся (в результате остывания) поверхность сплава помещают углеграфитовую заготовку с нанесенным гальваническим покрытием. Затем в камеру для пропитки доливают расплав алюминия, полностью покрывая им пористую заготовку. Камеру закрывают крышкой, доливают расплав матричного сплава до конического заливного отверстия в крышке, притирают пробкой, предварительно нагретой до 700° С, и шплинтуют ее.

После герметизации камеру для пропитки углеграфитовой заготовки 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 емкости и расплава матричного сплава алюминия, а также за счет разницы, коэффициентов теплового (при расплавлении алюминия) расширения алюминия, 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 750°С. По окончании пропитки полученный КМ извлекают и производят его охлаждение с кристаллизацией расплава матричного сплава алюминия 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 520 750 3 20 92±2 182±2 Заполнение микроскопических пор максимальное По способу прототипа 680 1050 5 20 81±2 167±2 Заполнение микроскопических пор не полное, присутствуют небольшие не заполненные участки

Таким образом, способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, нанесение на нее гальванического покрытия из внутреннего никелевого, промежуточного цинкового и наружного медного слоев, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки на 2/3 заполненную расплавом матричного сплава температурой ниже температуры ликвидус сплава алюминия на 15-20° С и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет теплового и термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия, обеспечивает повышение качества композиционных материалов (КМ).

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения углеграфитового композиционного материала, пропитанного расплавом матричного сплава алюминия. Проводят вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в течение 5-7 мин. Наносят на нее гальваническое покрытие, выполненное из последовательно нанесенных внутреннего никелевого, промежуточного цинкового и наружного медного слоев. Заполняют камеру для пропитки расплавом матричного сплава алюминия. Размещают углеграфитовую заготовку с нанесенным гальваническим покрытием в заполненной камере для пропитки и осуществляют пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве не менее чем на 100^оС выше температуры ликвидус расплава матричного сплава алюминия. Вакуумную дегазацию проводят в водном растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния и 20 г/л сухой борной кислоты. Заполнение упомянутой камеры расплавом матричного сплава алюминия осуществляют на 2/3 и выдерживают при температуре на 15-20°С ниже температуры ликвидус матричного сплава алюминия. Обеспечивается повышение качества композиционных материалов. 1 табл.

Способ получения углеграфитового композиционного материала, пропитанного расплавом матричного сплава алюминия, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в течение 5-7 мин, нанесение на нее гальванического покрытия, содержащего медный и цинковый слои, заполнение камеры для пропитки расплавом матричного сплава алюминия, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в заполненной камере для пропитки и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве не менее чем на 100^оС выше температуры ликвидус расплава матричного сплава алюминия, отличающийся тем, что гальваническое покрытие содержит дополнительный никелевый слой и выполнено из последовательно нанесенных внутреннего никелевого, промежуточного цинкового и наружного медного слоев, вакуумную дегазацию проводят в водном растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, а заполнение упомянутой камеры расплавом матричного сплава алюминия осуществляют на 2/3 и выдерживают при температуре на 15-20°С ниже температуры ликвидус матричного сплава алюминия.