МАТРИЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ СУРЬМЫ ДЛЯ ПРОПИТКИ УГЛЕГРАФИТА
STIBIUM-BASED MATRIX ALLOY FOR IMPREGNATION OF GRAPHITISED CARBON

Изобретение относится к металлургии, к получению армированных композиционных материалов методом пропитки. Используется для изготовления вкладышей подшипников скольжения, торцевых уплотнений и т.п. Материалы, полученные методом пропитки, хорошо работают в речной и морской воде, в кислороде, азоте, аргоне, керосине, бензине, углеводородах, масле, аммиаке, на воздухе.
Известен матричный сплав на основе сурьмы, применяемый для получения композиционных материалов (далее КМ) пропиткой и имеющий следующий химический состав (мас.%): Sb - 85, Zn - 10, Ti - 5 [Костиков В.И., Варенков А.Н. Взаимодействие металлических расплавов с углеродными материалами. - М.: Металлургия, 1981, 184 с.]. Указанный состав сплава обладает пониженной по сравнению с чистой сурьмой испаряемостью при вакуумировании перед пропиткой, высокой проникающей способностью, а также имеет невысокую прочность при минимальном содержании легирующих компонентов.
Известен также матричный сплав для получения КМ пропиткой углеграфитового каркаса, состоящий из 70 мас.% Sb и 30 мас.% Sn [патент GB №1234634, МПК F16C 33/02, 09.06.1971 г.]. Этот сплав обеспечивает весьма малую испаряемость при пропитке, хорошую коррозионную стойкость, но обладает невысокой проникающей способностью по отношению к углеграфитовому каркасу. Последнее обстоятельство, несмотря на сравнительно высокую прочность матричного сплава, не позволяет получать КМ высокого качества.
Наиболее близким является матричный сплав для получения КМ пропиткой углеграфитового каркаса, состоящий из (11,0-21,0) мас.% Sn, (0,5-8,5) мас.% Ni и Sb - остальное [Патент RU №2005802, МПК C22C 1/09, C22C 12/00, опубл. БИ №1, 1994 г.].
Этот сплав обеспечивает практическое отсутствие испарения и более высокую прочность КМ, чем известные сплавы, но для получения композитов высокого качества, степени взаимодействия между компонентами, при неизменных свойствах пропитывающего сплава и углеграфитового каркаса, все же недостаточно.
Задачей данного изобретения является увеличение модуля упругости и плотности матричного сплава, достижение требуемой усадки сплава, снижение испаряемости, увеличение краевого угла смачивания.
Техническим результатом данного изобретения является улучшение механических свойств, а также увеличение проникающей способности матричного сплава на основе сурьмы при минимальном содержании легирующих компонентов.
Технический результат достигается тем, что матричный сплав на основе сурьмы для пропитки углеграфита, содержащий олово и легирующие добавки, отличается тем, что в качестве легирующих добавок содержит алюминий и титан при следующем соотношении, мас.%: олово 9,0-18,0; алюминий 1,0-4; титан 1,0-2,0; сурьма - остальное.
Введение в состав сплава алюминия приводит к повышению прочности матричного сплава вследствие увеличения его пластичности, и к хорошей коррозионной стойкости, а также снижению испаряемости в интервале температур пропитки 600-750°C.
Введение в состав сплава менее 1,0 мас.% алюминия недостаточно для увеличения твердости пропитываемого материала, а также для снижения испаряемости.
Введение в состав сплава более 4 мас.% алюминия нецелесообразно ввиду отсутствия усиления влияния на проникающую способность сплава и, соответственно, на увеличение прочности КМ.
Введение в состав сплава олова в количестве менее 9,0 мас.% приводит к заметному повышению испарения сурьмы.
Введение в состав сплава олова в количестве, превышающем 18,0 мас.%, нерационально ввиду отсутствия влияния на снижение испарения сурьмы.
Введение в состав сплава олова в указанном диапазоне концентраций приводит к существенному снижению испаряемости, однако и введение в состав сплава алюминия в указанном диапазоне также снижает испаряемость сплава. В результате действия синергетического эффекта совместное влияние данных компонентов оказывает большое воздействие на снижение испаряемости, что приводит к существенной экономии средств, т.к. каждый из компонентов можно использовать в меньшем количестве.
Введение в состав сплава титана приводит к снижению краевого угла смачивания.
Введение в состав сплава менее 1,0 мас.% титана неэффективно для снижения краевого угла смачивания.
Введение в состав сплава более 2,0 мас.% титана нецелесообразно.
Совместное использование алюминия и титана дополнительно к известным эффектам воздействия на матричный сплав приводит к повышению удельной прочности сплава, сохраняет удовлетворительную пластичность, повышает жаропрочность и модуль упругости сплава.
Предлагаемое соотношение компонентов матричного сплава обеспечивает практически полное отсутствие испарения и более высокую прочность КМ по сравнению с ранее известными сплавами.
Результаты исследований приведены в таблице.
Примеры конкретного изготовления.
Пример 1. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Sn - 8,5; Al - 0,3; Ti - 0,08, Sb - остальное) (см. таблицу).
На этапе приготовления сплава расплав сурьмы перегревается до 950°C на зеркало расплава в тигле в течение 60-120 с подается аргон. Затем добавляется при непрерывном перемешивании требуемое количество титана и алюминия. Все тщательно перемешивается до выравнивания концентрации и мелкими порциями добавляется гранулированное олово.
Изготовление КМ производится пропиткой каркаса из углеграфита марки АГ-1500 матричным расплавом под давлением 5 МПа при температуре 750°C и выдержке под давлением 20 минут.
В качестве технологических характеристик сплава исследовались его прочность, коррозионная стойкость, проникающая способность по отношению к углеграфитовому каркасу, испаряемость.
В качестве технологических характеристик КМ определялись прочность и плотность.
Прочность сплава и КМ на сжатие определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм при настройке разрывной машины на максимальную нагрузку 10000 кгс.
Коррозионная стойкость сплава проверялась по изменению веса цилиндрического образца сплава диаметром 4 мм, высотой 12±0,3 мм после пребывания в агрессивной среде в течение 1200 часов. В качестве агрессивных сред применялись растворы кислот: соляной, серной, азотной, 0,4% едкого калия, 5% хлористого натрия.
Проникающая способность сплава по отношению к углеграфитовому каркасу определялась по глубине затекания сплава в отверстие диаметром 0,45 мм, выполненное в дне плоскодонного сверления в углеграфитовом каркасе. Время изотермической выдержки сплава в плоскодонном сверлении при температуре 750°C составляло 20 мин, постоянство металлостатического давления на дно плоскодонного сверления обеспечивалось заливкой сплава в указанное сверление заподлицо с поверхностью каркаса и постоянством размеров плоскодонного сверления во всех опытах: диаметр 10±0,1 мм, глубина 5±0,1 мм.
В дне каждого плоскодонного сверления выполнялись три отверстия диаметром 0,45 мм и проникающая способность определялась как среднее значение глубины затекания из трех опытов. Испытания проводились в атмосфере аргона.
Испаряемость определялась по потере веса навески сплава, равной 9 г, нагреваемой в трубчатой печи при температуре 800°C в течение 20 минут в токе аргона, удаляющего пары сплава при атмосферном давлении.
Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор. При этом объем последних в пропитываемом образце определялся предварительно заполнением заранее взвешенного образца с водой с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды.
Указанный сплав и КМ на его основе в условиях испытаний показали: потеря веса от испарения - 1,27%, глубина затекания в капилляр - 0,18 мм, изменение веса в кислотах: соляной - 0,91%, серной - 0,176%, азотной - 0,197%, едком калии - 0,041%, хлористом натрии - 0,036%. Прочность матричного сплава составила 144 МПа. Плотность КМ составила 44,6%, его прочность - 140,9 МПа.
Пример 2. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Sn - 9,0; Al - 0,5; Ti - 0,1; Sb - остальное) (см. таблицу).
Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.
Потеря веса от испарения - 1,26%, глубина затекания - 0,24 мм, изменение веса в серной кислоте - 0,164%, в соляной - 0,083%, в азотной - 0,187%, в едком калии - 0,039%, в хлористом натрии - 0,031%, прочность сплава составила 202 МПа. Плотность КМ составила 48,8%, его прочность - 149,8 МПа.
Пример 3. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Sn - 10,0; Al - 1,0; Ti - 1,0; Sb - остальное) (см. таблицу).
Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.
Потеря веса от испарения - 0,21%, глубина затекания - 1,98 мм, изменение веса в соляной кислоте - 0,003%, в серной - 0,030%, в азотной - 0,007%, в едком калии - 0,021%, в хлористом натрии - 0,016%, прочность сплава составила 225 МПа. Плотность КМ составила 65,4%, его прочность - 169,8 МПа.
Пример 4. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Sn - 18,0; Al - 4; Ti - 2,0; Sb - остальное) (см. таблицу).
Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.
Потеря веса от испарения - 0,19%, глубина затекания - 1,83 мм, изменение веса в соляной кислоте - 0,003%, в серной - 0,031%, в азотной - 0,007%, в едком калии - 0,022%, в хлористом натрии - 0,010%, прочность сплава составила 239 МПа. Плотность КМ составила 60,6%, его прочность - 165,5 МПа.
Пример 5. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Sn - 18,5, Al - 4,5, Ti - 2,5; Sb - остальное) (см. таблицу).
Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.
Потеря веса от испарения - 0,18%, глубина затекания - 1,42 мм, изменение веса в соляной кислоте - 0,006%, в серной - 0,037%, в азотной - 0,008%, в едком калии - 0,024%, в хлористом натрии - 0,023%, прочность сплава составила 245 МПа. Плотность КМ составила 56,3%, его прочность - 159,8 МПа.
Примеры на варьирование составом сплава, обосновывающие влияние содержания олова на технологические характеристики сплава и КМ, приведены в таблице.
Предлагаемый матричный сплав на основе сурьмы обеспечивает большую прочность и плотность КМ при небольшом увеличении коррозионной стойкости и отсутствии испаряемости в интервале температур до 750°C включительно.