Способ получения углеграфитового композиционного материала Российский патент 2021 года по МПК B22F3/26 C04B35/83 

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 воздействием 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. 07.09.1992).

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 медного гальванического 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 № 2688525, МПК C22C 47/08, B22F 3/26, опубл. 21.05.2019).

Недостатком этого способа является использование высоких температур при пропитке (1050°С), для растворения медного гальванического покрытия.

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 медь-содержащего гальванического покрытия, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки, заполнение камеры расплавом матричного сплава и пропитку заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия, 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 алюминия 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 соосаждению с образованием покрытия с заданным соотношением меди и олова (соотношение меди и олова задается качественным и количественным составом электролита и условиями электролиза). Перед гальваническим соосаждением проводится вакуумная дегазация углеграфитового каркаса в электролите, вследствие чего происходит частичное заполнение пор электролитом, после чего на углеграфитовый каркас наносят гальваническим способом слой меди и олова, который образуется и в порах, заполненных 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, алюминиевый сплав 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 алюминия, находящегося в камере для пропитки, ведет к лучшей заполняемости пор матричным сплавом.

Нанесение гальванического покрытия из 80% меди и 20% олова осуществляется в пластиковой емкости, которую наполняют сульфатным электролитом, 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 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.

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 бронзовой проволокой, погружают в емкость гальванической камеры, наполненную сульфатным электролитом (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 0,6А/дм² с выдержкой в 50 мин. После нанесения на углеграфитовый каркас покрытия из 80% меди и 20% олова, углеграфитовую заготовку с нанесенным гальваническим покрытием 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

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 алюминия на 15-20°С, и пропитку 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 получаемых композиционных материалов (КМ).

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению путем пропитки пористого каркаса композиционных материалов, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах. Пористую углеграфитовую заготовку помещают в раствор электролита и проводят вакуумную дегазацию. После чего наносят гальваническое покрытие, состоящее из 80 мас.% меди и 20 мас.% олова. 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. Размещают углеграфитовую заготовку с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки, на 2/3 заполненной расплавом матричного сплава алюминия температурой ниже температуры ликвидус сплава алюминия на 15-20°С. Заполняют камеру расплавом матричного сплава и осуществляют пропитку заготовки под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия. Обеспечивается повышение качества композиционного материала. 1 табл.

Способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на пористую заготовку слоя медь-содержащего гальванического покрытия, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки, заполнение камеры расплавом матричного сплава и пропитку заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия, 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 мас.% меди и 20 мас.% олова, а углеграфитовую заготовку помещают в камеру для пропитки, на 2/3 заполненную расплавом матричного сплава температурой ниже температуры ликвидус сплава алюминия на 15-20°С.