СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕГРАФИТОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПРОПИТКОЙ СПЛАВОМ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2023 года по МПК B22F3/26 C22C1/10 

Изобретение относится к области металлургии и получения композиционных материалов и отливок. Может быть использовано для получения пропиткой безгазостатным способом композиционных материалов (КМ), имеющих пористый углеграфитовый каркас, в качестве композиционных материалов с повышенными антифрикционными свойствами, а также материалов электротехнического назначения, щеток, вставок пантографов, токосъемников.

Известен способ пропитки пористого тела металлом, при котором пористое тело предварительно нагревают, устанавливают в специальную форму, в которой находятся отверстия, через которые осуществляют впрыск предварительно нагретого матричного расплава с помощью машин для литья под давлением. Давление впрыска 20 МПа, выдержка около 3 сек (патент US 6699410, МПК B22D 9/00, опубл. 02.03.2004).

Недостатком этого способа являются изготовление специальных форм для каждой уникальной заготовки, высокая себестоимость изделия, при этом пористое тело покрыто коркой металла с литником, что потребует дополнительной механической обработки.

Известен способ пропитки пористой заготовки алюминием, 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 RU 2571295, МПК B22F3/26, опубл. 20.12.2015).

Недостатком способа являются большие затраты времени на нагрев оснастки и ее охлаждение для проведения дегазации камеры для пропитки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в расплаве сплава алюминия, нагрев и воздействие избыточным давлением на заготовку за счет термического расширения расплава сплава алюминия в замкнутом объеме герметизированного устройства для пропитки при нагреве сплава алюминия выше температуры ликвидус, при котором вакуумную дегазацию пористой заготовки в расплаве сплава алюминия ведут в отдельной емкости, установленной на вибростоле с обеспечением вибровакуумирования заготовки в течение 7-8 минут, перед пропиткой заготовку в остывшем до 550°С сплаве алюминия помещают на закристаллизовавшуюся в результате остывания поверхность сплава алюминия, предварительно залитого в устройство для пропитки при температуре расплава алюминия 700°С на 2/3 объема устройства, после чего через отверстие в установленной крышке полностью заполняют устройство для пропитки расплавом сплава алюминия, нагретым до 700°С, а пропитку заготовки осуществляют за счет фазового перехода сплава алюминия из твердого состояния в жидкое при нагреве устройства для пропитки до температуры на 173°С выше температуры ликвидус алюминия и последующей изотермической выдержке при той же температуре в течение 20 минут для обеспечения термического расширения расплава сплава алюминия (патент RU 2725529, МПК B22F3/26, C22C1/08, B60L5/00, опубл. 02.07.2020).

Недостатком способа является недостаточная пропитка углеграфитового каркаса, необходимая при получении КМ жидкофазной пропиткой.

Задачей данного изобретения является разработка способа получения углеграфитового композиционного материала пропиткой сплавом на основе алюминия обеспечивающего лучшую пропитку углеграфита, повышающую качество композиционного материала.

Техническим результатом данного изобретения является повышенная пропитка углеграфитового каркаса и, соответственно, повышение прочности композиционного материала.

Технический результат достигается в способе получения углеграфитового композиционного материала пропиткой сплавом на основе алюминия, включающем вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в расплаве сплава алюминия в отдельной емкости, установленной на вибростоле с обеспечением вибровакуумирования заготовки в течение 7-8 минут, размещение заготовки на закристаллизовавшейся в результате остывания поверхности сплава алюминия, предварительно залитого в устройство для пропитки, заполнение устройства для пропитки расплавом сплава алюминия и пропитку заготовки за счет фазового перехода сплава алюминия из твердого состояния в жидкое при нагреве устройства для пропитки и последующей изотермической выдержке при той же температуре в течение 20 минут, при этом вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки проводят в расплаве сплава алюминия с добавлением цинка, размещают заготовку на закристаллизовавшейся поверхности сплава алюминия с добавлением магния и меди, заполнение устройства для пропитки ведут ранее полученным расплавом сплава алюминия с добавлением цинка, нагретым до 750°С, а пропитку заготовки ведут при температуре 850°С, при следующем составе матричного сплава на основе алюминия, мас.%:

Цинк 10,0-22,0 Магний 8,3-22,0 Медь 0,5-6,0 Алюминий Остальное

Вакуумная дегазация пористой заготовки осуществляется в расплаве сплава алюминия с цинком в отдельной емкости (алундовом тигле), установленной на вибростоле с обеспечением вибровакуумирования заготовки в течение 7-8 минут.

В устройстве для пропитки размещают магний, защищенный алюминиевой фольгой и медь, заливают их расплавом алюминия. После остывания расплава сплава алюминия с магнием и медью, на закристаллизовавшуюся в результате остывания поверхность устанавливают заготовку в остывшем до 500°С сплаве алюминия с цинком (в объеме которого производилось вибровакуумирование). Устройство заполняют расплавом алюминия с цинком из алундового тигля и помещают в нагревательную печь, где осуществляется переход матричного сплава из твердого состояния в жидкое с увеличением объема в устройстве. Осуществляется воздействие избыточным давлением на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости и пропитка пористой заготовки.

Используют емкость для пропитки из материала с минимальным коэффициентом термического расширения, для обеспечения необходимого давления пропитки (с коэффициентом термического расширения, в 3 раза превышающем коэффициент термического расширения материала емкости) на погруженную в расплав матричного сплава пористую заготовку.

В итоге в качестве матричного сплава используют сплав алюминия с заявленным содержанием цинка, магния и меди, расплав которого в процессе пропитки нагревают до 850°С. Нагрев до 850°C позволяет учесть величину нагрева, необходимую для компенсации объема открытых пор армирующего каркаса за счет термического расширения матричного расплава, и обеспечивает создание требуемого давления пропитки, что позволяет получить композиционный материал (КМ) высокого качества с высокой степенью заполнения объема открытых пор пористой заготовки матричным расплавом. В качестве пористой заготовки используют углеграфит.

Использование сплава алюминия с заявленным содержанием цинка, магния и меди - легирующих металлов, значительно улучшает его проникающую способность по отношению к углеграфитовому каркасу, за счет снижения поверхностного натяжения сплава алюминия, снижения его краевого угла смачивания, а также за счет повышения работы адгезии на межфазной границе и увеличения коэффициента термического расширения сплава. Осуществляется влияние на физический контакт по всей поверхности раздела фаз, то есть улучшается прочность сцепления данного сплава с углеграфитовым каркасом.

Уменьшение количества легирующих компонентов не оказывает значительного эффекта на “пропитывающие” свойства сплава, в частности, на минимальное увеличение коэффициента термического расширения, поэтому является нецелесообразным. Увеличение количества легирующих компонентов приводит к увеличению степени образования интерметаллидных фаз в сплаве, ввиду большого количества элементов в мас.%, что пагубно воздействует на его свойства.

Заявленный состав сплава на основе алюминия обеспечивает существенное повышение прочности матричного сплава вследствие увеличения его коррозионной стойкости и высокой стойкости к окислению, обеспечивает более высокую прочность, и заполняемость открытых пор углеграфита, чем известные сплавы.

Способ осуществляется следующим образом.

Для приготовления КМ изготавливались образцы сечением 15×15 мм и длиной 30 мм, которые пропитывались безгазостатным способом полученным сплавом при температуре 850°C и давлении 2,3-2,4 МПа.

На вибростол устанавливается тигель заполненный расплавом алюминия и цинка (в состав расплава входит половина всего используемого по рецептуре сплава алюминия и все количество цинка), внутри которого расположена пористая заготовка. Для герметизации тигель накрывается герметичным вакуумным колоколом, выполненным из стекла, и установка подключается к вакуумному насосу. Вибровакуумирование заготовки из углеграфита в расплаве Al-Zn-сплава проводят в течение 7-8 минут, при температуре на 700°С.

После проведения вибровакуумирования заготовку извлекают из тигля и дают остыть до 500°С.

В устройстве для пропитки (технологическая оснастка из ВТ1-0) размещают магний, защищенный алюминиевой фольгой и медь (все количество магния и меди, используемое по рецептуре сплава). Металлы заливают оставшейся частью расплава алюминия (температурой 750°С) (вторая половина всего используемого по рецептуре сплава алюминия). Дают полученному сплаву остыть до образования закристаллизовавшейся поверхности, на которую помещают остывшую до 500°С заготовку и заливают содержимым тигля (расплав Al-Zn-сплава), нагретым до 750°C.

Далее устройство для пропитки помещают в печь и, по достижении расплавом матричного сплава температуры 850°C, выдерживают указанную температуру в течение 20 минут. После этого КМ извлекают из расплава и охлаждают на воздухе.

После пропитки из образцов изготавливали шлифы и исследовали их на цифровом микроскопе OlympusBX61 при различных увеличениях.

Примеры конкретных составов сплава приведены в таблице 1.

Данные по результатам исследований технологических характеристик сплава и КМ представлены в таблице 2.

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

Для определения поверхностного натяжения сплавов изготавливались углеграфитовые подложки, на которые помещались навески сплава. Подложки с навесками помещались в алундовую лодочку и затем в кварцевую трубку для нагрева в печи. После по контуру капли рассчитывали поверхностное натяжение методом Дарси.

Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор. Объем открытых пор определялся на образцах, предварительно пропитанных водой, с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды.

Твердость матричного сплава определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм на прессе Бринелля.

Таблица 1

Состав сплава, мас.% Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 Пример 5 Пример 6 Пример 7 Al-12 мас.% Si (АК12) Алюминий 81,2 73,0 68,5 63,0 58,0 54,5 50,0 86,3 Цинк 10,0 13,5 15,5 17,5 20,0 21,0 22,0 0,3 Медь 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0,6 Магний 8,3 12,5 14,0 16,5 18,0 19,5 22,0 0,1 Марганец - - - - - - - 0,5 Титан - - - - - - - 12 Берилий - - - - - - - 0,1 Сурьма - - - - - - - 0,1

Таблица 2

Параметр АК12 (гост 1583-93) Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 Пример 5 Пример 6 Пример 7 Характеристика сплавов Поверхностное натяжение при 800°C, Н/м*10^-3 730 893 872 851 849 836 825 821 Коэффициент термического расширения, α* 10^-6 °C^-1 21.1 24,6 24,7 25,0 25,2 25,8 25,9 25,93 Твердость HB, МПа 50 165 174 181 189 192 195 199 Характеристика композиционных материалов Температура пропитки, °C 850 850 850 850 850 850 850 850 Плотность, кг/м³ 2,12·10³ 2,14·10³ 2,15·10³ 2,16·10³ 2,18·10³ 2,19·10³ 2,22·10³ 2,22·10³ Прочность на сжатие, МПа 187 184 185 189 191 194 195 198

Удельная электрическая проводимость матричных сплавов определялась на цилиндрических образцах диаметром 22 мм и высотой 5 мм вихретоковым методом на приборе «Вихрь-АМ» по ГОСТ 27333-87 после предварительной подготовки образцов по ГОСТ 193-79.

Коэффициент термического расширения сплава определяли по ГОСТ 16817-71. Металлический расплав заливался в полость формы, где фиксировалось его расширение с помощью высокочувствительного индикатора ИЧ с делением шкалы 0,01 мм.

Таким образом, способ получения углеграфитового композиционного материала пропиткой сплавом на основе алюминия, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в расплаве сплава алюминия с добавлением цинка в отдельной емкости, установленной на вибростоле с обеспечением вибровакуумирования заготовки в течение 7-8 минут, размещение заготовки на закристаллизовавшейся в результате остывания поверхности сплава алюминия с добавлением магния и меди, предварительно залитого в устройство для пропитки, заполнение устройства для пропитки ранее полученным расплавом сплава алюминия с добавлением цинка, нагретым до 750°С и пропитку заготовки при температуре 850°С за счет фазового перехода сплава алюминия из твердого состояния в жидкое при нагреве устройства для пропитки и последующей изотермической выдержке при той же температуре в течение 20 минут, при заявленном составе матричного сплава, обеспечивает повышение пропитки углеграфитового каркаса и, соответственно, повышение прочности композиционного материала.

Изобретение относится к области металлургии и получения композиционных материалов и отливок. Способ получения углеграфитового композиционного материала пропиткой сплавом на основе алюминия включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в расплаве сплава алюминия с добавлением цинка в отдельной емкости, установленной на вибростоле с обеспечением вибровакуумирования заготовки, размещение заготовки на закристаллизовавшейся поверхности сплава алюминия с добавлением магния и меди, предварительно залитого в устройство для пропитки, заполнение устройства для пропитки ранее полученным расплавом сплава алюминия с добавлением цинка и пропитку заготовки при температуре 850°С, при этом получаемый матричный сплав для пропитки углеграфитового каркаса имеет следующий состав, мас.%: цинк 10,0-22,0, магний 8,3-22,0, медь 0,5-6,0, алюминий – остальное. Изобретение направлено на повышение прочности композиционного материала за счет улучшения пропитки углеграфитового каркаса. 7 пр., 2 табл.

Способ получения углеграфитового композиционного материала пропиткой сплавом на основе алюминия, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в расплаве сплава алюминия в отдельной емкости, установленной на вибростоле с обеспечением вибровакуумирования заготовки в течение 7-8 минут, размещение заготовки на закристаллизовавшейся в результате остывания поверхности сплава алюминия, предварительно залитого в устройство для пропитки, заполнение устройства для пропитки расплавом сплава алюминия и пропитку заготовки за счет фазового перехода сплава алюминия из твердого состояния в жидкое при нагреве устройства для пропитки и последующей изотермической выдержке при той же температуре в течение 20 минут, отличающийся тем, что вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки проводят в расплаве сплава алюминия с добавлением цинка, размещают заготовку на закристаллизовавшейся поверхности сплава алюминия с добавлением магния и меди, заполнение устройства для пропитки ведут ранее полученным расплавом сплава алюминия с добавлением цинка, нагретым до 750°С, а пропитку заготовки ведут при температуре 850°С, при следующем составе матричного сплава на основе алюминия, мас.%:

Цинк 10,0-22,0 Магний 8,3- 2,0 Медь 0,5-6,0 Алюминий Остальное