Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки

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, 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 изготовления композиционных материалов, включающий погружение пористой заготовки в расплав матричного сплава алюминия, находящегося в камере для пропитки, вакуумную дегазацию в расплаве, нагрев на 100°С выше температуры ликвидус сплава алюминия одновременно с расплавом свинца, находящимся в камере для создания давления, и воздействие избыточным давлением на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости для пропитки (патент РФ №2539528, МПК B22F 3/26, С22С 1/04, опубл. 20.01.2015).

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 в камере пропитки расплавом матричного сплава под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава одновременно с расплавом свинца, при этом в качестве матричного сплава используют медно-фосфористый сплав, 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 внешнее 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 и поверхностного натяжения.

Погружение пористой заготовки с нанесенным на нее гальваническим покрытием в расплав матричного медно-фосфористого сплава, находящегося в камере для пропитки 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 верхняя камера для пропитки устройства снабжена разделительной мембраной, на которую устанавливается углеграфитовый каркас с нанесенным на него двухслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего медного и внешнего кадмиевого слоев. После установки углеграфитового каркаса (заготовки) камера для пропитки заполняется медно-фосфористым сплавом. Нижняя камера для создания давления предварительно заполнена расплавом свинца и позволяет осуществлять пропитку пористой заготовки при нагреве, под действием избыточного давления медно-фосфористого матричного сплава и получаемого за счет дополнительного термического расширения свинца, через металлическую мембрану при увеличении объема свинца в замкнутом объеме устройства для пропитки.

Определение температуры ликвидус с перегревом 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 медно-фосфористым матричным сплавом меди.

Использование в качестве матричного расплава - медно-фосфористого сплава, 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.

Устройство для пропитки углеграфитовой заготовки 5 состоит из двух камер: камеры для пропитки 7 и камеры для создания давления 8. Между камерами 7 и 8 установлена металлическая мембрана 9. В верхней камере для пропитки 7 размещена углеграфитовая заготовка 5 с нанесенным гальваническим покрытием 10. Камера для пропитки 7 заполнена расплавом медно-фосфористого матричного сплава 11. Нижняя камера для создания давления 8 заполнена расплавом свинца 12. Устройство для пропитки герметично закрывается крышкой 13 с пробкой 14.

Пример

По предложенному способу был получен КМ углеграфит - медно-фосфористый сплав 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. В качестве медно-фосфористого сплава использовался матричный сплав на основе меди согласно патента на изобретение RU 2430983 (МПК С22С 9/00, С22С 1/04, опубл. 10.10.2011).

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. 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 аллюминия и 0,6 г/л столярный клей или желатин и установленными в ней анодами 3 из электролитического чистого кадмия соединенными между собой медной проволокой. Подключение к источнику постоянного тока аналогично ванне меднения.

Далее углеграфитовая заготовка 5 с нанесенным двухслойным гальваническим покрытием 10, состоящим из внутреннего медного и наружного кадмиевого слоев, промывают в воде, сушат и помещают в емкость для пропитки матричным сплавом меди.

При осуществлении способа устройство для пропитки углеграфитовой заготовки 5, выполненное из двух камер 7 и 8 нагревают до температуры 400°С и заполняют камеру 8 расплавом свинца 12. Устанавливают металлическую мембрану 9 между камер и скручивают их так, чтобы мембрана 9 герметизировала соединение. Затем, в камере 7 размещают углеграфитовую заготовку 5 с нанесенным гальваническим покрытием 10, закрывают камеру 7 крышкой 13. В камеру 7 заливают расплав медно-фосфористого матричного сплава 11, полностью покрывая им пористую заготовку 5, затем крышку 13 притирают пробкой 14, предварительно нагретой до 900°С и шплинтуют ее.

После этого устройство для пропитки углеграфитовой заготовки 5 нагревают на 100°С выше температуры ликвидус расплава медно-фосфористого матричного сплава с изотермической выдержкой 20 мин при достижении указанной температуры и расчетного давления. За счет разницы коэффициентов термического расширения емкости и расплава медно-фосфористого матричного сплава 11, а также за счет разницы, коэффициентов термического расширения расплава свинца 12 внутри камеры 8 и расплава медно-фосфористого матричного сплава 11, при котором увеличивается объем камеры 7, создается оптимальное давление пропитки.

Пропитка производилась при давлении 3-5 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева емкости для пропитки, равной 950-980°С.

По окончании пропитки, удаляют пробку 14, сливают третью часть расплава медно-фосфористого матричного сплава 11, отворачивают крышку 13, извлекают полученный КМ и производят его охлаждение с кристаллизацией расплава медно-фосфористого матричного сплава 11 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, способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки, включающий вакуумную дегазацию пористой заготовки до ее погружения в расплав матричного сплава, перед пропиткой пористую заготовку покрывают двухслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего медного, и наружного никелевого слоев, и пропитку в камере пропитки расплавом медно-фосфористого матричного сплава под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава одновременно с расплавом свинца, обеспечивает повышение качества композиционных материалов (КМ).