Способ изготовления композиционных материалов
METHOD OF MAKING COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения композиционных материалов, обладающих высокой электропроводностью, антифрикционными свойствами и стойкостью в агрессивных средах, которые могут использоваться в машиностроении для изготовления токосъемников, вставок пантографов, электрических щеток, уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения.
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 С04В35/52, опубл. 02.08.2004).
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 способ получения композиционного материала на основе металлической матрицы и неметаллического волокна, включающий приготовление преформы из неметаллического волокна, уплотнение полученной преформы с одновременным удалением воды через перфорированное дно в пресс-форме, ее фиксацию, сушку, заливку матричным металлом и пропитку расплавом матричного металла под давлением (патент РФ №2392090, МПК B22D19/14, С22С47/00, 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 (патент США №6699410, МПК B22D 9/00, 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 воздействием избыточного давления 15±3 МПа на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости при нагреве (патент РФ № 2571295, МПК B22F3/26, опубл. 20.12.2015).
Недостатком способа являются большие затраты времени на нагрев оснастки и ее охлаждение для проведения дегазации камеры для пропитки.
Задачей изобретения является разработка способа изготовления композиционных материалов, позволяющего эффективно использовать температуру нагрева в процессе пропитки углеграфита.
Техническим результатом изобретения является cокращение времени на получение композиционного материала, что позволяет увеличить производительность способа.
Технический результат достигается в способе изготовления композиционных материалов, включающем вакуумную дегазацию пористой заготовки в расплаве матричного сплава меди, нагрев и воздействие избыточным давлением на заготовку за счет термического расширения расплава сплава меди в замкнутом объеме герметизированного устройства для пропитки при нагреве устройства для пропитки до температуры на 100°С выше температуры ликвидус сплава меди и последующей изотермической выдержке при той же температуре в течение 20 минут для обеспечения термического расширения расплава сплава меди, при этом в качестве сплава меди используют сплав фосфористой меди, вакуумную дегазацию пористой заготовки в расплаве матричного сплава фосфористой меди ведут в отдельной емкости, установленной на вибростоле с обеспечением вибровакуумирования заготовки в течение 7-8 минут, перед пропиткой заготовку в остывшем до 600°С сплаве фосфористой меди помещают на закристаллизовавшуюся в результате остывания поверхность сплава фосфористой меди, предварительно залитого в устройство для пропитки при температуре расплава фосфористой меди 800°С на 2/3 объема устройства, после чего через отверстие в установленной крышке полностью заполняют устройство для пропитки расплавом сплава фосфористой меди, нагретым до 800°С, а пропитку заготовки осуществляют за счет фазового перехода сплава фосфористой меди из твердого состояния в жидкое.
Вакуумная дегазация пористой заготовки осуществляется в расплаве матричного сплава фосфористой меди в отдельной емкости (алундовом тигле), установленной на вибростоле с обеспечением вибровакуумирования заготовки в течение 7-8 минут. Расплав сплава фосфористой меди заливается в устройство для пропитки при температуре расплава фосфористой меди 800°С на 2/3 объема устройства. Далее, заготовку в остывшем до 600°С сплаве фосфористой меди (в объеме которого производилось вибровакуумирование) помещают на закристаллизовавшуюся в результате остывания поверхность сплава фосфористой меди в устройстве для пропитки. Устройство заполняется расплавом фосфористой меди и помещается в нагревательную печь, где осуществляется переход матричного сплава из твердого состояния в жидкое с увеличением объема в устройстве. Осуществляется воздействие избыточным давлением на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости и пропитка пористой заготовки.
Используют емкость для пропитки из материала с минимальным коэффициентом термического расширения, для обеспечения необходимого давления пропитки (с коэффициентом термического расширения, в 3 раза превышающем коэффициент термического расширения материала емкости) на погруженную в расплав матричного сплава пористую заготовку.
В качестве матричного сплава используют сплав фосфористой меди МФ-9 (ГОСТ 4515-93), расплав которого в процессе пропитки нагревают на 100°C выше температуры ликвидус сплава фосфористой меди. В качестве пористой заготовки используют углеграфит.
Погружение пористой заготовки в расплав матричного сплава фосфористой меди, находящегося в алундовом тигле, во время вибровакуумирования заготовки позволяет произвести одновременное вакуумирование и первичное (частичное) заполнение открытых пор жидким матричным сплавом. Остывший до 600°С сплав с заготовкой внутри поступает на вторичную пропитку (в устройстве для пропитки).
Вторичная пропитка осуществляется за счет перехода матричного сплава из твердого состояния в жидкое. Это позволяет получить увеличение объема фосфористой меди на 5.3% за счет фазового перехода сплава фосфористой меди из твердого состояния в жидкое при нагреве устройства для пропитки до температуры на 100°С выше температуры ликвидус фосфористой меди. Последующая изотермическая выдержка при той же температуре в течение 20 минут обеспечивает термическое расширение расплава сплава фосфористой меди.
Нагрев на 100°C выше температуры ликвидус сплава фосфористой меди 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 композиционный материал (КМ) высокого качества с высокой степенью заполнения объема открытых пор пористой заготовки матричным расплавом.
Использование в качестве матричного расплава сплава фосфористой меди, а в качестве пористого тела углеграфита позволяет получать композиционные материалы, широко применяемые в машиностроении для изготовления токосъемников, вставок пантографов, электрических щеток, уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения.
На фиг. 1 показано устройство для вибровакуумирования, на фиг. 2 показано устройство для пропитки углеграфитовой заготовки.
Устройство для вибровакуумирования состоит из вибростола 1, тигля 2, вакуумного колокола 3 герметично накрывающего тигель 2.
В тигель 2 помещена углеграфитовая заготовка 4. В вибростоле 1 выполнено отверстие 5, которое соединено с вакуумным насосом (не показан).
Устройство для пропитки изготавливается из титана ВТ1-0 и состоит из корпуса 6 и крышки 7. Устройство на 2/3 заполнено расплавом матричного сплава фосфористой меди 8 с закристаллизовавшейся (в результате остывания) поверхностью. На закристаллизовавшейся поверхности матричного сплава фосфористой меди 8 установлена пористая заготовка 9 в остывшем до 600°С сплаве фосфористой меди, прошедшая первичную пропитку при вибровакуумировании. Корпус 6 устройства для пропитки герметично закрыт крышкой 7, в которую вставлена пробка 10, зафиксированная клином 11. Оставшийся объем устройства заполнен расплавом матричного сплава.
Способ осуществляется следующим образом.
0
На вибростол устанавливается тигель заполненный расплавом матричного сплава фосфористой меди, внутри которого расположена пористая заготовка. Для герметизации тигель накрывается герметичным вакуумным колоколом выполненным из стекла и установка подключается к вакуумному насосу. Вибровакуумирование заготовки из углеграфита в расплаве сплава фосфористой меди проводят в течение 7-8 минут, при температуре на 30С выше температуры плавления выбранного матричного сплава фосфористой меди.
После проведения вибровакуумирования остывшее содержимое тигля с пористой заготовкой помещают на закристаллизовавшуюся поверхность медно-фосфористого сплава на 2/3 заполняющего устройство для пропитки. После этого достают из печи разогретую крышку и накрывают корпус устройства, полностью заполняют устройство расплавом матричного сплава фосфористой меди через отверстие в крышке (до появления сплава на поверхности конуса) и закрывают это отверстие разогретой пробкой после чего шплинтуют холодным клином.
Таблица
Композиционный материал углеграфит - медь
По предлагаемому способу при температуре заготовки
По прототипу
600°С
20°С
Температура сплава, контактирующего с заготовкой, °С
в начале пропитки
650
550
680-700
в конце пропитки
800
800
780
Давление пропитки, МПа
15
15
12
Время выдержки давления, мин.
20
20
20
Степень заполнения открытых пор, %
77±2
77±2
72±2
Прочность КМ на сжатие, МПа
48.0±2
48.0±2
44.6±2
Вакуумирование, мин.
7
7
15-20
Результаты металлографических исследований
Не заполнены некоторые микроскопические поры
Не заполнены некоторые микроскопические поры
Далее устройство для пропитки помещают в печь, температура в которой составляет 800°C, и, по достижении расплавом матричного сплава температуры на 100°С выше температуры ликвидус фосфористой меди, выдерживают указанную температуру в течение 20 минут. После этого КМ извлекают из расплава и охлаждают на воздухе.
Полученный КМ испытывался на прочность при сжатии, степень заполнения открытых пор (плотность пропитки). Степень заполнения пор оценивалась по удельному весу КМ до и после пропитки, структура КМ оценивалась по результатам металлографических исследований. Результаты испытаний КМ приведены в таблице.
Заявленный способ изготовления композиционных материалов не требует больших затрат времени на нагрев оснастки как при проведении дегазации в устройстве для пропитки и позволяет эффективно использовать температуру нагрева, вынося дегазацию на подготовительный этап обработки пористого каркаса и осуществляя вибровакуумирование с небольшим количеством пропитывающего сплава. При этом исключается многократный цикл нагрев-остывание устройства для пропитки, что позволяет сократить время на получение КМ.
Кроме этого, после процесса дегазации получается полуфабрикат – результат первичной пропитки (углеграфит в застывшем сплаве фосфористой меди ), который можно использовать для отсроченной пропитки. При этом время на однократный нагрев устройства для пропитки увеличится на 3-5 минут. В целом указанные этапы позволяют сократить время изготовления КМ на 50%, что позволяет повысить производительность процесса за счет сокращения времени на получение КМ.
Таким образом, способ изготовления композиционного материала, включающий вибровакуумирование пористой заготовки в отдельной емкости в течение 7-8 минут в расплаве матричного сплава фосфористой меди, установку заготовки перед пропиткой в остывшем до 600°С сплаве фосфористой меди на закристаллизовавшуюся в результате остывания поверхность сплава фосфористой меди, предварительно залитого в устройство для пропитки при температуре расплава фосфористой меди 800°С на 2/3 объема устройства, заполнение устройства для пропитки расплавом сплава фосфористой меди, нагретым до 800°С, нагрев и воздействие избыточным давлением на заготовку за счет фазового перехода сплава фосфористой меди из твердого состояния в жидкое, за счет термического расширения расплава сплава меди в замкнутом объеме герметизированного устройства для пропитки при нагреве устройства для пропитки до температуры на 100°С выше температуры ликвидус сплава меди и последующей изотермической выдержке при той же температуре в течение 20 минут для обеспечения термического расширения расплава сплава меди., обеспечивает cокращение времени на получение композиционного материала, что позволяет увеличить производительность способа.