УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к области металлургии, а именно к устройствам для получения композиционных материалов (КМ).
Известны устройства для изготовления композиционных материалов методами компрессионного литья и автоклавной пропитки.
Устройство для изготовления композиционного материала методом компрессионного литья, включает пресс - форму в которой прессование осуществляется холодным плунжером, что обеспечивает образование затвердевшей корочки расплава в зазоре плунжер - стакан и, следовательно, возможного создания высоких давлений в расплаве 100 МПа (Борисов Г.П. Давление в управлении литейными процессами. - Киев: Наукова Думка, 1988). Однако данное устройство не обеспечивает высоких эксплуатационных характеристик из-за характерных дефектов, возникающих в результате приложения высоких давлений к углеграфитовому каркасу и сложности переналадки оборудования для расширения номенклатуры сплавов используемых в качестве матричных, поскольку требуется новая пресс-форма.
Устройство для изготовления композиционного материала методом автоклавной пропитки с помощью автоклава состоящего из прочного герметичного корпуса с размещенной внутри печью, механизмом перемещения, клапанов подачи давления инертного газа и вакуумирования, а снаружи электронного блока управления, вакуумного насоса, компрессора требующих отдельного помещения с контролируемыми внешними условиями (Тучинский Л.И. Композиционные материалы получаемые методом пропитки. - М.: Металлургия, 1986.), требует жесткой фиксации параметров технологического режима. Однако использование дорогостоящего автоклавного оборудования приводит к увеличению себестоимости производимых КМ, а сложная переналадка приводит к ограничению номенклатуры сплавов используемых в качестве матричных.
Наиболее надежным и доступным при изготовлении композиционных материалов является безгазостатное устройство, принцип действия которого основан на термическом расширении матричного сплава в замкнутом объеме емкости для создания давления (Гулевский В.А., Загребин А.Н., Мухин Ю.А., Пожарский А.В. Применение давления для получения литых композиционных материалов методом пропитки // Заготовительные производства в машиностроении, 2010. - №6. - С. 3-8.).
К недостаткам данного устройства можно отнести избыточный вес емкости для пропитки в случае больших габаритов пористой заготовки, а также сложности с нагревательным оборудованием в котором необходимо осуществлять нагрев.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для изготовления композиционного материала, состоящее из емкости, крышки, газоотводной трубки для вакуумной дегазации армирующего пористого каркаса, находящегося под слоем матричного расплава (Патент RU №135556, МПК B22F 3/26, опубл. 20.12.2013 г.). Недостатком этого устройства является зависимость объема открытой пористости пропитываемого каркаса из углеграфита от геометрических размеров камеры для пропитки и создаваемого при этом, необходимого давления инфильтрации для матричных сплавов олова, цинка, серебра и т.д., поскольку у указанных элементов невысокий коэффициент объемного расширения при нагревании от температуры плавления и выше. Как следствие ограничение номенклатуры сплавов и выпускаемых композитов на их основе.
Техническим результатом устройства является расширение его функциональных возможностей за счет увеличения номенклатуры сплавов используемых в качестве матричных (олово или цинк, или серебро и т.д.).
Указанный технический результат достигается тем, что устройстве для изготовления композиционного материала, состоящего из емкости, крышки, газоотводной трубки для вакуумной дегазации армирующего пористого каркаса, находящегося под слоем матричного расплава, емкость выполнена из двух камер, камеры для пропитки и камеры для создания давления, причем камера для пропитки снабжена противовсплывным приспособлением, выполненным в виде перфорированной трубы с перегородкой, расположенной выше поперечной оси, для удержания пористого каркаса под слоем матричного расплава с возможностью его вертикального перемещения, и крышкой, на которой жестко установлено запорное устройство в виде стояка с усеченным конусом, внешняя поверхность которого выполнена в виде шестигранника, при этом в нижней части стояка установлена газоотводная трубка, где в камере для создания давления установлена горизонтальная нитиноловая пружина жестко соединенная с одной стороны с металлическим поршнем, а с другой стороны со стенкой камеры на которой закреплен ограничитель хода.
Причем камера для создания давления дополнительно имеет с противоположных сторон входной и выходной патрубки, выполненные в виде втулок.
Установка нитиноловой пружины в камере для создания давления дает возможность реализовать давление в камере для пропитки до 400 МПа, за счет того, что пружина выполненная из нитинола имеет способность восстанавливать форму при охлаждении.
Установка металлического поршня между камерой для пропитки и камерой для создания давления, позволяет передавать максимальное давление от камеры для создания давления в камеру для пропитки углеграфитового каркаса, а ограничитель хода предотвращает сверхупругую деформацию пружины.
Установка в камере для создания давления с противоположных сторон входного и выходного патрубков, выполненных в виде втулок, позволяет подвести воду для охлаждения нитиноловой пружины.
На фиг. 1 изображен главный вид устройства для изготовления композиционного материала в исходном положении с установленной газоотводной трубкой, на фиг. 2 - тоже, в рабочем положении с установленной пробкой для герметизации емкости, на фиг. 3 изображено противовсплывное приспособление, на фиг. 4 изображен вид сверху на противосплывное приспособление.
Устройство состоит из емкости, состоящей из камеры для пропитки 1 и камеры для создания давления 2 (фиг. 1, 2), изготовленных из стали 45, соединенных резьбовым соединением 3, в паз между камерами установлен металлический поршень 4, выполненный из стали 40Х. Камера для пропитки 1 содержит армирующий пористый каркас 5 из углеграфита, так же заполнена матричным расплавом 6 олова, или цинка, или серебра, снабжена противовсплывным приспособлением 7, выполненным в виде перфорированной трубы 8 (фиг. 3, 4) с перегородкой 9, расположенной выше поперечной оси, для удержания пористого каркаса 5 под слоем матричного расплава 6 с возможностью его вертикального перемещения таким образом, что перегородка 9 находится ниже верхнего уровня матричного расплава 6, это обеспечивает строго вертикальное положение армирующего пористого каркаса 5 из углеграфита (фиг. 1, 2) и удерживает его от всплытия.
Камера для пропитки 1 соединяется с крышкой 10 с помощью резьбового соединения 11, причем на крышке 10 жестко установлено запорное устройство 12 в виде стояка 13 с усеченным конусом, внешняя поверхность которого выполнена в виде шестигранника 14, при этом внутренняя сторона крышки 10 уходит к центру с уклоном, что позволяет при заполнении верхней камеры для пропитки 1 матричного расплава 6 последнему вытеснять воздух в стояк 13. При этом в нижней части стояка 13 установлена газоотводная трубка 15 для вакуумной дегазации армирующего пористого каркаса 5 находящегося под слоем матричного расплава 6. На крышке 10 установлено запорное устройство 12 в виде стояка 13, который позволяет спокойно заполнить камеру для пропитки 1 расплавом матричного расплава 6 с одновременным удалением воздуха находящегося в камере для пропитки 1 после вакуумирования над расплавом.
Камера для создания давления 2 состоит из горизонтальной нитиноловой пружины 16 жестко соединенной с одной стороны с металлическим поршнем, а с другой стороны со стенкой камеры на которой закреплен ограничитель хода 17. Камера для создания давления 2 имеет с противоположных сторон входной 18 и выходной 19 патрубки, выполненные в виде втулок, для охлаждения нитиноловой пружины водой.
Запорное устройство 13 снабжено пробкой 20 для герметизации камеры для пропитки 1. В стояк 14 устанавливается притертая пробка 20 для герметизации камеры для пропитки 1, при этом пробка 20 выполнена конической, как и посадочное гнездо стояка 14, для того, чтобы при заполнении стояка 14 расплавом исключить попадание внутрь камеры для пропитки 1 воздуха.
Устройство для изготовления композиционного материала работает следующим образом. Камеру для пропитки 1 (фиг. 1, 2) соединяют с камерой для создания давления 2 (фиг. 1, 2) с помощью резьбового соединения 3, при этом между камерами устанавливают металлический поршень 4, в камеру для пропитки 1 (фиг. 1, 2) устанавливают пористый каркас 5, затем противовсплывное приспособление 7, предотвращающее всплытие пористого каркаса 5, закрывают камеру для пропитки 1 крышкой 10 с помощью резьбового соединения 11 и через патрубки 18 и 19 подают воду в камеру для создания давления 2 для предотвращения нагрева нитиноловой пружины 16, а через стояк 13 заливают в камеру для пропитки 1 матричного расплава 6, затем в стояк 13 устанавливают газоотводную трубку 15, фиксируя шплинтом-скобой 21, производят вакуумную дегазацию пористого каркаса 5 в течении 15-20 мин. созданием вакуума над слоем матричного расплава 6 поддерживая температуру последнего на 70-100°C выше его температуры ликвидус, затем извлекают газоотводную трубку 15, доливают матричный расплав 6 в камеру для пропитки 1 до нижнего края стояка 13, притирают предварительно нагретую до 700-800°C пробку 20 и шплинтуют ее, и после этого прекращают подачу воды через патрубки 18 и 19 в камеру для создания давления 2 в результате чего нитиноловая пружина 16 нагревается и начинается расжиматься, создавая давление на металлический поршень 4, а тот в свою очередь в камере для пропитки 1.
Пробка 20 для герметизации камеры для пропитки 1 выполнена конической, как и посадочное гнездо стояка 13, таким образом, чтобы при заполнении камеры для пропитки расплавами в момент их усадки исключить попадание внутрь верхней камеры для пропитки 1 воздуха, при этом отсутствие сложных элементов крепления и более высокие возможные рабочие температуры устройства позволяют использовать различные варианты матричных расплавов 6 долго и надежно.
Затем производят нагрев емкости выше температуры ликвидус матричного расплава 6, с изотермической выдержкой при достижении расчетного давления. При заливке сплава в камеру для пропитки 1 происходит нагрев емкости 1, а позже и нитиноловой пружины 16, которая достигая температуры 80°C начинает разжиматься, толкая металлический поршень 4 и создавая при этом давлении в камере для пропитки 1. Нитиноловая пружина 16 в зависимости от размеров пористого каркаса 5 и размеров камеры для пропитки 1 способна достичь деформации растяжения до 8-10% при этом развивая усилие при восстановлении формы до 400-600 МПа, поэтому важно установить ограничитель хода 17 в камеру для создания давления 2, чтобы предотвратить деформацию невозврата формы.
Затем удаляют пробку 20, сливают третью часть матричного расплава 6, отворачивают крышку 10, извлекают полученный КМ и производят его охлаждение с кристаллизацией матричного расплава 6 в порах.
Таким образом, как показали экспериментальные исследования, устройство обеспечивает необходимое давление пропитки в емкости для изготовления композиционного материала и позволяет увеличить процент заполнения пор в пористом каркасе 5, а также расширить номенклатуру получаемых изделий из композитов за счет увеличения номенклатуры использования различных матричных расплавов 6. Например, при использовании матричных расплавов 6 серебра для композитов электротехнического назначения, таких как: токосъемники, вставки пантографов, щетки и т.д. При использовании матричных расплавов 6 цинка и олова для торцевых уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения, направляющих и других изделий, работающих в коррозионной среде.