Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления стеклометаллокомпозита

Изобретение относится к способам соединения разнородных материалов, а именно, стекла и металла, с получением стеклометаллокомпозитов, и может найти применение при изготовлении панелей для различных конструкций в строительстве и других отраслях, труб, используемых в химической и нефтехимической промышленности, корпусов в судостроении, авиастроении.

На практике для изготовления композитных панелей либо композитных цилиндрических оболочек, содержащих стекло и металл, наиболее частым металлом выбора является алюминий либо его сплав, в большинстве случаев содержащий магний. Однако наличие химически устойчивой и обладающей высокой температурой плавления оксидной пленки Al₂O₃ на поверхности алюминия, а также его сплавов приводит к тому, что диффузионный слой, образующийся на границе стекла и металла в результате их взаимного проникновения под воздействием давления и температуры при формовании композита, получается неравномерным по толщине и местами является недостаточным для образования их прочного соединения. Отсутствие крепкой связи стекла и алюминия в местах недостаточной толщины диффузионного слоя приводит к ухудшению механических свойств изготавливаемого композита, в частности, к существенному уменьшению его прочности.

Известен способ изготовления композиционного изделия на основе стекла (RU 2243900, опубл. 2005.01.10), включающий заполнение расплавом стекломатериала пространства между двумя металлическими листами с последующим вдавливанием одной из металлических обшивок в размягченное стекло. Величину вдавливающего усилия сохраняют до окончания процесса формирования изделия, затем переходят к процессу охлаждения композиционного изделия. Из-за непременного наличия на поверхности металлов оксидной пленки, которая имеет, как правило, имеет более высокую температуру плавления, чем металл, известный способ не размягченное стекло. Величину вдавливающего усилия сохраняют до окончания процесса формирования изделия, затем переходят к процессу охлаждения композиционного изделия. Из-за непременного наличия на поверхности металлов оксидной пленки известный способ не обеспечивает достаточно прочного соединения стекла и алюминия, который широко используется для получения гибридных композитных материалов. Оксидная пленка Al₂O₃ имеет температуру плавления более 2000°С (температура плавления технического Аl чуть выше 600°С) и является химически устойчивой. Упомянутая оксидная пленка препятствует взаимному проникновению металла и стекла, диффузионный слой становится неравномерно распределенным, при этом адгезия между стеклянным и алюминиевым слоями при температурах стеклования стекла присутствует лишь на небольших участках поверхности раздела стекло-алюминий; таким образом, качество связи стекло-металл является неудовлетворительным, что негативно сказывается на прочностных свойствах получаемого композитного материала.

Известен способ изготовления стеклометаллокомпозита (RU 2304117, опубл. 2007.08.10), согласно которому листы стекла укладывают между листами металла, которые разогревают до температуры, обеспечивающей размягчение прилегающих поверхностей стеклянных листов, оставляя в твердом состоянии внутренний объем стекла. Пакет листов прижимают до полного прилегания его слоев по поверхностям соприкосновения и выдерживают в обжатом положении до соединения листов стекла и металла между собой и полного остывания. Известный способ не позволяет регулировать глубину прогрева стеклянного листа и обеспечить равномерный прогрев, является достаточно сложным в осуществлении, при этом связь разнородных листов получаемого композита является недостаточно прочной из-за наличия на поверхности металла оксидной термостойкой пленки, сохраняющейся при температуре размягчения стекла.

Известен (CN 101857457, опубл. 2010.10.13) способ получения материала, содержащего композитную керамическую подложку и металл, связанные переходным слоем, изготовленным из смеси порошка боросиликатного стекла, связующего в виде этилцеллюлозы и терпинеола и присадки оксида металла, осуществляемый путем плавления стекольного сырья; закалки расплавленного стекла в воде; размола в шаровой мельнице и сушки измельченного стекла для получения стекольного порошка с последующим добавлением в полученный порошок присадки оксида металла и смешиванием до получения однородной смеси. В полученную смесь вводят связующее и растирают до образования диэлектрической пасты. Переходный слой обеспечивает прочное соединение металла и керамики, однако полученный металлокерамический композит предназначен для использования в электронике и не обладает должными свойствами конструкционного материала.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления листового стеклометаллокомпозита, содержащего лист стекла, размещенный между двумя металлическими листами, имеющими коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла (RU 2567584, опубл. 2015.11.10), путем формирования в нейтральной среде с применением для соединения стекла с металлом высокой температуры. Способ включает перемещение листа стекла, предварительно разогретого до температуры, не превышающей температуру его стеклования/размягчения, в расплаве алюминия, разогретом до температуры, превышающей температуру размягчения стекла, таким образом, чтобы таким образом, чтобы на выходе из камеры температура его поверхности на 10% превышала упомянутую температуру стеклования.

Известный способ требует проведения всего процесса в атмосфере инертного газа, чтобы предотвратить опасность возникновения алюминотермической реакции при соприкосновении расплавленного алюминия с содержащим оксиды стеклом, и строгого контроля температурного режима, что связано с определенными технологическими сложностями, при этом прочностные свойства полученного композита являются недостаточно высокими из-за малой толщины и неравномерности диффузионного слоя, который образуется вблизи поверхности соприкосновения стекло-алюминий в ходе перемещения листового стекла в расплаве металла.

Задачей изобретения является создание технологичного способа получения стеклометаллокомпозита с высокими прочностными свойствами.

Технический результат способа заключается в повышении прочностных характеристик получаемого стеклометаллокомпозитного материала за счет упрочнения соединения стекла и металла на границе их соприкосновения при одновременном упрощении технологии.

Указанный технический результат достигают способом изготовления стеклометаллокомпозита для применения в изделиях плоской или цилиндрической формы, который характеризуется тем, чизделиято на подложку плоского изделия или на внутреннюю поверхность цилиндрической оболочки, изготовленных из алюминия либо его сплава, наносят слоем толщиной 0,5-2,0 мм состав в виде суспензии, содержащей, масс. %: оксид бора В₂О₃ 20-30 и жидкое натриевое стекло 70-80, оставляют на 1,0-3,0 часа при комнатной температуре, затем со скоростью 2 град/мин нагревают до 380-410°С, выдерживают при достигнутой температуре в течение 3,0-4,0 часов, после чего подложку или оболочку с нанесенным составом, не остужая, покрывают сверху расплавом силикатного стекла с температурой 1450°С, содержащего, масс. %: 62,0SiO₂ -5,5Al₂O₃ -2,6MgO -6,5СаО -13,6Na₂O -9,8 B₂O₃, охлаждают до температуры его стеклования 560-600°С, после выдержки при этой температуре в течение 3,0-4,0 часов продолжают охлаждение в течение 5,0-6,0 часов до достижения комнатной температуры, причем на внутреннюю поверхность цилиндрической оболочки указанные суспензию и расплав наносят центрифугированием.

Таким образом, согласно предлагаемому способу, для получения предлагаемого стеклометаллокомпозита на подложку выполненного из алюминия либо алюминиевого сплава изделия плоской или цилиндрической формы одним из известных приемов наносят суспензию, которая содержит порошкообразный оксид бора В₂О₃ и натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 2,5-3,0 плотностью 1,4-1,5 г/см³, при соотношении, масс. %: оксид бора 20-30, жидкое стекло 70-80. Толщина наносимого слоя 0,5-2,0 мм, при этом для предварительной подсушки нанесенного состава и лучшего сцепления с поверхностью подложки оставляют нанесенный состав при комнатной температуре в случае плоской подложки на 1,0-3,0 часа, а в том случае, когда упомянутую суспензию наносят на внутреннюю поверхность цилиндрической оболочки, используя центрифугирование, достаточно выдержки при комнатной температуре в течение одного часа, поскольку и скорость подсушки, и интенсивность взаимодействия суспензии с поверхностью алюминия возрастает многократно.

Затем по возможности медленно, не превышая скорости нагрева 2 град/мин (в течение примерно 3,0-3,5 ч), нагревают подложку с нанесенным составом от комнатной температуры до температуры 380-410°С и выдерживают при достигнутой температуре в течение 3,0-4,0 часов.

Не давая подложке с нанесенным составом остыть, наносят сверху расплавленное силикатное стекло, преимущественно состава, масс. %: 62SiO₂-5.5Al₂O₃-2,6MgO-6.5CaO-13,6Na₂O-9,8B₂O₃ при температуре 1450°С, просто заливая его на подложку в случае изготовления плоской панели либо наносят его с помощью центрифугирования в случае цилиндрического изделия. Сформированный таким образом композит охлаждают до температуры стеклования силикатного стекла (560-600°С) и выдерживают при этой температуре в течение 3-5 ч. Проводимый отжиг необходим для снятия внутреннего напряжения и предотвращения возможного появления в стекле микродефектов и опасных микротрещин.

Затем осуществляют медленное (1,0-2,0 град/мин) охлаждение до комнатной температуры, занимающее 5-6 часов.

Благодаря связывающему слою, который, с одной стороны, содержит компоненты, вступающие во взаимодействие с трудно растворимой и термостабильной пленкой оксида алюминия Al₂O₃ на поверхности алюминиевой подложки, а с другой - обладает химическим сродством с компонентами силикатного стекла, происходит взаимопроникновение контактирующих слоев стеклометаллокомпозита и образуется диффузный слой достаточной толщины, прочно связывающий металл и стекло.

Примеры конкретного осуществления способа

Пример 1

Алюминиевую пластинку размером 20×20 см и толщиной 2 мм помещают в металлическую форму и покрывают слоем суспензии, содержащей оксид бора 30%, натриевое жидкое стекло 70%, толщиной 2 мм. После выдержки на воздухе при комнатной температуре в течение 3 часов форму с обработанной подложкой помещают в муфельную печь, нагревают со скоростью 2 град/мин до температуры 410°С и выдерживают при этой температуре в течение 4 часов.

Форму извлекают из муфеля, не остужая устанавливают на строго горизонтальную поверхность. В нее заливают 500 г расплава силикатного стекла состава 62SiO₂-5,5Al₂O₃-2,6MgO-6,5CaO-13,6Na₂O-9,8B₂O₃ при температуре 1450°С.После охлаждения на воздухе до температуры 570°С форму переносят в печь, в которой установлена такая же температура, и отжигают в течение 4 часов. На завершающей стадии изготовления печь со скоростью 1 град/мин охлаждают до комнатной температуры и извлекают полученный стеклокомпозит из формы.

Пример 2

Пластинку из сплава алюминия АМг-3 (%, Аl 93,8-96,0; Mg 3,2-3,8) размером 20×20 см и толщиной 2 мм покрывают слоем суспензии толщиной 0,5 мм и выдерживают в течение 1 часа, после чего ее помещают в металлическую прямоугольную форму, которую нагревают в муфельной печи со скоростью 2 град/мин до температуры 380°С и выдерживают при этой температуре в течение 3 часов. Далее операции проводятся аналогично примеру 1.

Пример 3.

Цилиндрическую емкость с наружным диаметром 80 мм, высотой 160 мм и толщиной стенки 2 мм, изготовленную из технического алюминия, устанавливают в центрифугу, доводят скорость ее вращения до 8000 об/мин, подают на ее внутреннюю поверхность 15 г суспензии состава: оксид бора 20%, натриевое жидкое стекло 80%, и оставляют в работающем состоянии на 15 минут. Выключают центрифугу, вынимают цилиндрическую емкость и выдерживают на воздухе при комнатной температуре в течение 1 часа, после чего помещают в муфельную печь, нагревают со скоростью 2 град/мин до температуры 380°С и выдерживают при этой температуре в течение 4,0 часов. Далее емкость извлекают из муфеля, устанавливают в центрифугу, скорость вращения которой увеличивают до 5000 об/мин и заливают в нее 500 г расплава силикатного стекла состава 62SiO₂-5,5Al₂O₃-2,6MgO-6,5CaO-13,6Na₂O-9,8B₂O₃ при температуре 1450°С. Не сбрасывая скорости вращения, охлаждают емкость до температуры 570°С. При достижении этой температуры останавливают центрифугу, вынимают цилиндрическую емкость, переносят в печь, в которой установлена такая же температура и отжигают при этой температуре в течение 4 часов. На завершающей стадии изготовления печь со скоростью 2 град/мин охлаждают до комнатной температуры и вынимают из формы цилиндрическую оболочку, сформированную из стеклокомпозита.