Способ получения углеграфитового композиционного материала
METHOD OF PRODUCING CARBON-GRAPHITE COMPOSITE MATERIAL

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 C04B35/52, 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 давления15±3 МПа на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости при нагреве (патент РФ №1759932, МПК C22C1/09, B22F3/26, 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.
Известен 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°C 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 B22F3/26, C22C1/04, опубл. 20.01.2015).
Наиболее близким является способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой заготовки до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава, нанесение на пористую заготовку двухслойного гальванического покрытия, состоящего из внутреннего медного и наружного никелевого слоев, ее пропитку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия (патент RU № 2688772, МПК С22С47/08, B22F3/26, опубл. 22.05.2019).
Недостатком этого способа является затраты времени на нанесение медного покрытия (1.5-2 часа), в следствии не растворения/расплавления медного гальванического покрытия из-за низкой температуры расплава свинца, на отдельных участках образца поры не достаточно или совсем не заполнялись матричным сплавом.
Задача – разработка способа максимального заполнения пор в углеграфитовой заготовке при пропитке ее матричным сплавом.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности и качества композиционных материалов (КМ).
Технический результат достигается в способе получения углеграфитового композиционного материала, включающем вакуумную дегазацию пористой заготовки в растворе электролита, покрытие пористой заготовки гальваническим никелевым покрытием, ее пропитку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава сплава свинца при нагреве, при этом вакуумную дегазацию пористой заготовки ведут в растворе никелевого электролита, гальваническое никелевое покрытие наносят на углеграфитовый каркас заготовки, а затем заготовку подвергают алитированию в расплаве алюминиевого сплава, при этом пропитку ведут при нагреве на 200°C выше температуры рекристаллизации сплава алюминия.
Сущность изобретения заключается в разделении технологии на более простые этапы: разделение операций вакуумной дегазации углеграфитовой заготовки и пропитки, нанесение перед пропиткой на заготовку слоя гальванического никелевого покрытия, что способствует лучшему смачиванию углеграфитового каркаса, увеличивает проницаемость его пор и, соответственно, повышает качество композиционных материалов (КМ).
Последующее алитирование обеспечивает запечатывание пор после дегазации и нанесения никелевого покрытия, что закрывает доступ газу (кислороду, азоту) и пыли в поры углеграфита с нанесенным гальваническим никелевым покрытием, и позволяет заготавливать углеграфит в виде «полуфабриката», который легко складировать и хранить, и при необходимости проводить пропитку заданного количества заготовок не затрачивая время на удаление из пор загрязнений и воздуха и сушку, а при последующей пропитке никелевое покрытие растворяется в расплаве алюминия и это позволяет добиться концентрированного легирования особо чистым металлом на границе взаимодействия углеграфит – сплав алюминия, что в свою очередь позволяет заполнить часть пор сплавом алюминия, который проталкивается расплавом матричного сплава свинца.
Таким образом, проведение дегазации до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава и последующие покрытие заготовки гальваническим никелевым покрытием и алитирование в расплаве сплава алюминия позволяют повысить производительность процесса (за счет сокращения времени на получение КМ).
Способ осуществляется следующим образом. Перед нанесением гальванического никелевого слоя проводится вакуумная дегазация углеграфитового каркаса в никелевом электролите, вследствие чего происходит частичное заполнение пор никелевым электролитом, после чего на углеграфитовый каркас наносят гальваническим способом никелевый слой, который образуется и в порах заполненных электролитом. Затем, пористый образец с никелевым покрытием алитируют в расплаве сплава алюминия АК12 (ГОСТ 1583-93).
Пластиковую емкость для нанесения никелевого покрытия наполняют сульфатным электролитом никелирования, состоящим из: сульфата никеля, сульфата натрия, сульфата магния, сухой борной кислоты, дистиллированной воды.
Для алитирования используется тигель заполненный расплавом сплава алюминия АК12 (ГОСТ 1583-93), в который помещается углеграфитовая заготовка.
После алитирования углеграфитовый каркас помещается в устройство для пропитки или складируется для отсроченной пропитки.
Устройство для пропитки заполняется расплавом свинца, что позволяет осуществлять пропитку пористой заготовки при нагреве под действием избыточного давления сплава свинца, получаемого за счет термического расширения свинца при увеличении объема свинца в замкнутом объеме устройства для пропитки.
Подготовленный углеграфитовый каркас помещают в камеру для пропитки, после чего камера для пропитки заполняется расплавом свинца. В процессе пропитки нанесенный на поверхность заготовки посредством алитирования алюминиевый сплав продавливается вглубь пор за счет создаваемого давления и достижения температуры рекристаллизации алюминия. В результате этого происходит максимальное заполнение пор углеграфитовой заготовки.
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 выполнено из титана ВТ1-0 и состоит из камеры для пропитки 7. На дне камеры для пропитки размещена углеграфитовая заготовка 5, с алитированным слоем 8. Камера заполнена расплавом свинца 9. Устройство для пропитки герметично закрывается пробкой 10, вставленной в крышку 11.
Пример
3
3
По предложенному способу был получен КМ углеграфит - сплав свинца 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 мм, объем пор в каркасе составлял 135 мм.
При осуществлении способа пористую заготовку погружают в емкость, наполненную никелевым электролитом, состоящим из 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты. Затем емкость накрывают вакуумным куполом, после чего через отверстие в куполе проводят вакуумную дегазацию в течение 5-7 минут. Далее в емкость погружают два никелевых анода соединенных между собой, после чего аноды и углеграфитовая заготовка подключаются к источнику постоянного тока. После нанесения слоя никеля пористую заготовку промывают в проточной воде, сушат, и затем алитируют. Пористую заготовку помещают в тигель с расплавом алюминия АК12 (ГОСТ 1583-93), затем тигель с заготовкой устанавливают в печь, температура которой 800°С. По истечению 15-20 минут тигель удаляют из печи и извлекают из него заготовку. После чего пористая заготовка пропитывалась сплавом свинца.
При осуществлении способа в устройство для пропитки углеграфитовой заготовки, размещают углеграфитовую заготовку с нанесенным покрытием и алитированным слоем в камере и нагревают устройство для пропитки до температуры 400°С и заполняют камеру расплавом свинца полностью покрывая им углеграфитовую заготовку. Закрывают камеру крышкой, затем крышку притирают пробкой, предварительно нагретой до 350°С и шплинтуют её.
После этого устройство для пропитки углеграфитовой заготовки нагревают на 200°С выше температуры начала рекристаллизации алюминия (алитированный слой) с изотермической выдержкой 20 мин при достижении указанной температуры и расчетного давления. За счёт разницы коэффициентов термического расширения ёмкости выполненной из титана и расплава свинца, создаётся оптимальное давление пропитки.
Пропитка производилась при давлении 3 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева емкости для пропитки. По окончании пропитки, удаляют пробку, сливают третью часть расплава свинца, отворачивают крышку, извлекают полученный КМ и производят его охлаждение с кристаллизацией расплава матричного сплава свинца 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.
Таблица
Композиционный материал углеграфит
Температура заливки (начало пропитки), С
Температура в конце пропитки, С
Давление пропитки, МПа
Время выдержки давления, мин.
Степень заполнения открытых пор, %
Прочность КМ на сжатие, МПа
Результаты металлографических исследований
По предлагаемому способу
400
650
3
20
94±3
183±3
Не заполнены некоторые микроскопические поры
По прототипу
400
550
5
20
92±3
181±3
Не заполнены некоторые крупные и мелкие поры
Таким образом, способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой заготовки в растворе никелевого электролита, покрытие пористой заготовки гальваническим никелевым покрытием, алитирование в расплаве алюминиевого сплава и пропитку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава сплава свинца при нагреве на 200°C выше температуры рекристаллизации сплава алюминия, обеспечивает повышение производительности и качества композиционных материалов (КМ).