Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

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°C, 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 г.).

Недостатком данного способа является отсутствие в процессе пропитки стадии вакуумирования как сплава, так и заготовки, вследствие чего расплав окисляется, взаимодействуя с воздухом, снижая качество композиционного материала.

Известен также способ получения композиционного материала на основе металлической матрицы и неметаллического волокна, включающий приготовление преформы из неметаллического волокна, уплотнение полученной преформы и ее пропитку расплавом матричного металла, отличающийся тем, что преформу помещают в пресс-форму с перфорированным дном, уплотняют с одновременным удалением воды через перфорированное дно, фиксируют, сушат, заливают матричным металлом и пропитывают матричным металлом под давлением (см. пат. РФ №2392090, МПК B22D 19/14, С22С 47/00, опубл. 20.06.2010).

Недостатком этого способа являются ограниченность номенклатуры матричных сплавов, которые можно применять при данном способе изготовления, и высокая себестоимость композиционных материалов (КМ) за счет высокой стоимости оборудования и оснастки для пропитки.

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 (см. пат. США № US 6699410 В2, кл. B22D 19/00, 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.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и достигаемому эффекту является способ пропитки 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 (см. пат. РФ №1759932, МПК С22С 1/09, B22F 3/26. Бусалаев И.Д., Соловьев И.А., Рубенчик Ю.И., Гулевский В.А. Способ изготовления композиционных материалов, опубл. 07.09.92 г.).

Недостатком этого способа при его использовании для получения КМ пропиткой являются ограничение номенклатуры металлов для использования их в качестве матричного сплава.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей пропитки за счет увеличения номенклатуры сплавов, используемых в качестве матричных для получаемых новых композитов, при сохранении высокого качества композиционных материалов. Указанный технический результат достигается погружением пористой заготовки в расплав матричного сплава, вакуумной дегазацией, нагревом и воздействием избыточным давлением на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости, в качестве расплава матричного сплава используют расплав свинца, а при нагреве дополнительно проводят пропитку заготовки, последующее охлаждение и кристаллизацию, при этом используют емкость из материала с минимальным коэффициентом термического расширения, для обеспечения необходимого давления пропитки пористой заготовки, которую погружают в находящийся в емкости расплав матричного сплава, с коэффициентом термического расширения, в 2,5 раза превышающим коэффициент термического расширения материала емкости, в качестве которого используют алюминий, или медь, или сурьму, и нагревают на 100°C выше температуры ликвидус сплава алюминия или меди, или сурьмы соответственно.

При этом в качестве пористой заготовки используют углеграфит, керамику.

Погружение пористой заготовки в расплав матричного сплава алюминия, находящегося в емкости для пропитки, позволяет произвести заполнение открытых пор в две стадии, на первой стадии во время вакуумирования емкости для пропитки происходит частичное заполнение пор заготовки и дегазация расплава матричного сплава алюминия, на второй стадии осуществляется пропитка за счет положительной разницы коэффициента объемного расширения матричного расплава алюминия по отношению к материалу пористой заготовки и материалу емкости.

Нагрев на 100°C выше температуры ликвидус сплава алюминия 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 КМ высокого качества с высокой степенью заполнения объема открытых пор пористой заготовки матричным расплавом.

Использование в качестве матричного расплава сплава алюминия, а в качестве пористого тела углеграфита или керамики позволяет получать композиционные материалы, широко применяемые в машиностроении для изготовления токосъемников, вставок пантографов, электрических щеток, уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения, область использования которых очень разнообразна и включает не только вышеперечисленные изделия, но и детали аэрокосмического назначения.

Схема осуществления способа представлена на фиг. 1, где изображена емкость для изготовления композиционного материала с пробкой для герметизации.

Емкость для пропитки 1 изготавливается из титана ВТ-1. Верхняя часть емкости для пропитки содержит пористую заготовку 2 из углеграфита, заполнена расплавом матричного сплава алюминия 3, и при этом снабжена противовсплывным приспособлением 4. Нижняя часть емкости для пропитки используется для создания давления и также заполнена расплавом алюминия 3, причем объем ее составляет максимум от объема емкости, что необходимо для создания расчетного давления пропитки и заполнения до оптимального значения открытых пор пористой заготовки 2 расплавом матричного сплава алюминия 3. Емкость для пропитки герметично закрывается крышкой 5 с пробкой 6.

При осуществлении способа емкость, выполненную из ВТ-1, нагревают до температуры 400°C и заполняют расплавом алюминия 3, затем размещают пористую заготовку 2 и приспособление 4, предотвращающее всплытие пористой заготовки 2 из углеграфита, закрывают емкость 1 крышкой 5, нагревают до температуры 700°C, через стояк заливают в емкость 1 расплав матричного сплава алюминия 3, полностью покрывая им пористую заготовку, при этом оставляя воздушную прослойку до крышки 5, затем производят вакуумную дегазацию пористой заготовки 2 в течение 15-20 мин, созданием вакуума над слоем расплава матричного сплава алюминия 3, поддерживая температуру последнего на 30-200°C выше его температуры ликвидус, затем доливают расплав матричного сплава алюминия 3 в емкость 1 до верхнего края стояка, притирают предварительно нагретую до 950°C пробку 6 и шплинтуют ее. После этого нагревают емкость на 100°C 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 1 и расплава матричного сплава алюминия 3 создается оптимальное давление пропитки [Новикова, С.И. Тепловое расширение твердых тел / С.И. Новикова. - Москва: Наука, 1974. - 289 с.]. Затем удаляют пробку 6, сливают третью часть расплава матричного сплава алюминия 3, отворачивают крышку 5, извлекают полученный КМ и производят его охлаждение с кристаллизацией расплава матричного сплава алюминия 3 в порах.

Таким образом, пропитка имеет две стадии: на первой происходит частичное заполнение открытых пор пористой заготовки 2 из углеграфита за счет вакуумирования емкости для пропитки и дегазации расплава матричного сплава алюминия, а на второй создается необходимое давление для пропитки за счет положительной разницы коэффициентов термического расширения расплава матричного сплава алюминия 3 по отношению к материалу емкости 1, потому что коэффициент термического расширения алюминия в 2-3 раза больше, чем у материала емкости, например из стали нержавеющей (ферритной), титана, молибдена, циркония.

Пример 1. 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. Емкость для пропитки была выполнена в виде толстостенного стакана из титана ВТ-1, емкость имеет герметично закрываемую крышку. Нагревали емкость до температуры 700°C, заполняли емкость для пропитки на две трети расплавом алюминия устанавливали углеграфит, накрывали его противовсплывным приспособлением, после чего емкость для пропитки закрывали крышкой и вновь нагревали до 700°C. Одновременно в тигле расплавляли расплав матричного сплава алюминия, нагревая его до температуры 750°C. Затем расплав матричного сплава алюминия заливали в емкость для пропитки таким образом, чтобы перегородка противовсплывного приспособления находилась ниже верхнего уровня расплава матричного сплава алюминия, трубкой и вакуумировали до давления 5×10^-4 мм рт.ст. с выдержкой 15-20 мин при 700°C. При этом происходила вакуумная дегазация углеграфитового каркаса и расплава матричного сплава алюминия. Затем доливали расплав матричного сплава алюминия с температурой 950°C до верхнего края стояка с появлением на этом обрезе выпуклого мениска расплава матричного сплава алюминия, герметично притирали предварительно нагретую до 950°C пробку, шплинтовали ее с удалением избытка расплава матричного сплава алюминия. Далее нагревали емкость до требуемой температуры, на 100°C выше температуры ликвидус расплава матричного сплава алюминия, обеспечивая заполнение открытых пор каркаса расплавом матричного сплава алюминия за счет повышения давления в емкости при термическом расширении расплава алюминия.

По техническим данным оптимальным давлением при пропитке пористого углеграфитового каркаса указанного типа расплавом матричного сплава алюминия является 12±3 МПа.

Определение температуры нагрева расплава матричного сплава алюминия, позволяющего получить давление пропитки, равное 9 МПа и находящееся на нижнем пределе оптимального диапазона. При этом температуру начала «пропитки» принимали равной 700°C, для емкости которой создается давление. Нагрев емкости при пропитке производили в шахтной печи сопротивления. Изотермическая выдержка при 750°C составляла 20 мин, после чего КМ извлекался из расплава и охлаждался на воздухе.

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.

Пример 2. По предложенному способу был получен КМ, аналогичный описанному в примере 1.

Пропитка производилась при давлении 12 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева расплава матричного сплава алюминия и емкости для пропитки, равной 760°C.

Результаты испытаний КМ приведены в таблице.

Пример 3. По предложенному способу был получен КМ, аналогичный описанному в примере 1.

Пропитка производилась при давлении 15 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева емкости для пропитки, равной 770°C.

Результаты испытаний КМ приведены в таблице.

В сравнении с получением КМ по способу-прототипу (пат. РФ №1759932, МПК С22С 1/09, B22F 3/26. Бусалаев И.Д., Соловьев И.А., Рубенчик Ю.И., Гулевский В.А. Способ изготовления композиционных материалов, опубл. 07.09.92 г.), предлагаемый способ, как показали экспериментальные исследования, и создаваемое при этом дополнительное давление в емкости для изготовления композиционного материала позволяет увеличить процент заполнения пор в пористом каркасе, а также расширить функциональные возможности пропитки за счет увеличения номенклатуры сплавов, используемых в качестве матричных для получаемых новых композитов, при сохранении высокого качества композиционных материалов.