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.Α., Загребин А.Н., Мухин Ю.Α., 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.
Известен способ изготовления композиционного материла методом безгазостатной пропитки на основе термического расширения в котором описано устройство для пропитки пористого тела металлом, состоящее из емкости для пропитки и крышки, причем крышка имеет газоотводную трубку для вакуумирования расплава матричного сплава и пористого каркаса из графита (см. пат. РФ №1759932, МПК C22C 1/09, B22F 3/26. опубл. 07.09.92 г. - прототип).
Недостатком этого устройства является невозможность создания необходимого давления пропитки для матричных сплавов меди, сурьмы, алюминия и т.д., поскольку у указанных элементов недостаточный коэффициент объемного расширения при нагревании от температуры плавления и выше. Как следствие ограничение номенклатуры сплавов и выпускаемых композитов на их основе.
Техническим результатом заявляемого устройства является расширение его функциональных возможностей за счет увеличения номенклатуры расплавов, используемых в качестве матричных (меди, или сурьмы, или алюминия).
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для изготовления композиционного материала, состоящего из емкости, крышки, газоотводной трубки для вакуумной дегазации армирующего пористого каркаса, находящегося под слоем матричного расплава, при этом емкость выполнена из двух камер, между которыми установлен мультипликатор, при этом верхняя камера для пропитки снабжена крышкой, на которой жестко установлено запорное устройство в виде стояка с усеченным конусом, внешняя поверхность которого выполнена в виде шестигранника, при чем в нижней части стояка установлена газоотводная трубка в виде иглы для удержания пористого каркаса под слоем матричного расплава меди, или сурьмы, или алюминия, а нижняя камера для создания давления заполнена расплавом свинца, причем объем ее составляет максимум от объема емкости, а дно камеры снабжено дополнительной крышкой с запорным устройством, идентичными находящимся над камерой для пропитки.
При чем каждое запорное устройство снабжено пробкой для герметизации соответствующих камер.
Установка на верхней камере для пропитки крышки с жестко установленным запорным устройством в виде стояка с усеченным конусом, внешняя поверхность которого выполнена в виде шестигранника, при чем в нижней части стояка установлена газоотводная трубка в виде иглы для удержания пористого каркаса под слоем матричного расплава позволяет создавать оптимальное давление для пропитки и использовать несколько вариантов матричных расплавов и их оптимальное количество.
Заполнение нижней камеры для создания давления расплавом свинца позволяет создавать оптимальное давление. За счет разницы коэффициентов термического расширения верхней камеры для пропитки и матричного расплава и за счет разницы коэффициентов термического расширения расплава свинца и нижней камеры для создания давления, за счет чего при нагреве увеличивается объем расплава свинца и повышается давление с помощью мультипликатора в верхней камере для пропитки, потому что коэффициент термического расширения расплава свинца в 2-2,5 раза больше, чем у материала емкости, и в 1,5-2 раза больше, чем у матричных расплавов меди, или сурьмы, или алюминия, при этом заявленной разницы объемов достаточно для оптимальной пропитки открытых пор пористого каркаса из углеграфита, и кроме того позволяет использовать различные варианты матричных расплавов с сохранением высоких эксплуатационных характеристик по электропроводности, механической прочности, коррозионной стойкости и т.д.
Установка мультипликатора между верхней камерой для пропитки и нижней камерой для создания давления позволяет ему свободно перемещаться в цилиндре при повышенных температурах, не заклинивая. Это позволяет сохранять высокие эксплуатационные характеристики и максимальное заполнение открытых пор углеграфитового каркаса при использовании матричных расплавов меди, или сурьмы, или алюминия.
Выполнение запорного устройства в виде стояка с усеченным конусом, с внешней поверхностью, выполненной в виде шестигранника, позволяет затягивать крышку по резьбе для герметизации устройства, что обеспечивает создание необходимого давления для различных высокотемпературных вариантов матричных расплавов меди, или сурьмы, или алюминия.
Выполнение газоотводной трубки в виде иглы позволяет удерживать пористый каркас из углеграфита под слоем матричного расплава.
На фиг.1 изображен главный вид устройства для изготовления композиционного материала с установленной газоотводной трубкой, на фиг.2 - тоже с установленной пробкой для герметизации емкости.
Устройство состоит из емкости, выполненной из двух камер: верхней камеры для пропитки 1 и нижней камеры для создания давления 2 (фиг.1, 2), изготовленных из стали 45, соединенных резьбовым соединением 3, между камерами установлен мультипликатор 4, выполненный из стали 45. Верхняя камера для пропитки 1 содержит армирующий пористый каркас 5 из углеграфита, так же заполнена матричным расплавом 6 меди, или сурьмы, или алюминия. Нижняя камера для создания давления 2 заполнена расплавом свинца 7, при этом объем нижней камеры для создания давления 2 составляет максимум от объема емкости, что необходимо для создания расчетного давления пропитки и заполнения до оптимального значения открытых пор пористого каркаса 5 одним из указанных матричных расплавов 6.
При этом верхняя камера для пропитки 1 снабжена крышкой 8, соединенной с верхней камерой для пропитки 1 с помощью резьбового соединения 9, на крышке 8 жестко установлено запорное устройство 10 в виде стояка 11 с усеченным конусом, внешняя поверхность которого выполнена в виде шестигранника 12. При чем в нижней части стояка 11 установлена газоотводная трубка 13 в виде иглы, выполненная из стали 45, для вакуумной дегазации армирующего пористого каркаса 5 и удержания его под слоем матричного расплава 6. На крышке 8 установлено запорное устройство 10 в виде стояка 11, который позволяет спокойно заполнить верхнюю камеру для пропитки 1 матричным расплавом 6 с одновременным удалением воздуха, находящегося в верхней камере для пропитки 1 после вакуумирования над расплавом.
Дно нижней камеры для создания давления 2 снабжено дополнительной крышкой 14 с запорным устройством 15, идентичными находящимся над верхней камерой для пропитки 1. Нижняя камера для создания давления 2 соединяется с крышкой 14 с помощью резьбового соединения 16, при чем запорное устройство 15 выполнено в виде стояка 17 с усеченным конусом, внешняя поверхность которого выполнена в виде шестигранника 18, при этом внутренняя сторона крышки 14 уходит к центру с уклоном, что позволяет при заполнении нижней камеры для создания давления 2 расплавом свинца 7 последнему вытеснять воздух в стояк 17.
Каждое запорное устройство 10, 15 снабжено пробкой 19, 20 для герметизации соответствующих камер: верхней камеры для пропитки 1 и нижней камеры для создания давления 2.
В стояк 11 устанавливается притертая пробка 19 для герметизации верхней камеры для пропитки 1, при этом пробка 19 выполнена конической, как и посадочное гнездо стояка 11 для того, чтобы при заполнении стояка 11 расплавом исключить попадание внутрь верхней камеры для пропитки 1 воздуха. В стояк 17 устанавливается притертая пробка 20 для герметизации нижней камеры для создания давления 2.
Устройство для изготовления композиционного материала работает следующим образом: верхнюю камеру для пропитки 1 (фиг.1, 2) соединяют с нижней камерой для создания давления 2 (фиг.1, 2) с помощью резьбового соединения 3, при этом устанавливая мультипликатор 4 в цилиндр верхней камеры для пропитки 1 (фиг.1, 2).
Нижнюю камеру для создания давления 2 (фиг.1, 2) закрывают крышкой 14 с помощью резьбового соединения 16, через стояк 17 заливают в нижнюю камеру для создания давления 2 расплав свинца 7 до верхнего края стояка 17, притирают предварительно нагретую до 700-800°С пробку 20 и шплинтуют ее.
В верхнюю камеру для пропитки 1 (фиг.1, 2) устанавливают пористый каркас 5 из углеграфита, затем закрывают камеру для пропитки 1 (фиг.1, 2) крышкой 8 с помощью резьбового соединения 9, через стояк 11 заливают в верхнюю камеру для пропитки 1 (фиг.1, 2) матричный расплав 6, затем в стояк 11 устанавливают газоотводную трубку 13, фиксируя шплинтом-скобой, производят вакуумную дегазацию углеграфитового 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 13, доливают матричный расплав 6 в верхнюю камеру для пропитки 1 до нижнего края стояка 11, притирают предварительно нагретую до 700-800°C пробку 19 и шплинтуют ее.
Пробки 19, 20 для герметизации верхней камеры для пропитки 1 и нижней камеры для создания давления 2 соответственно выполнены коническими, как и посадочные гнезда стояков 11, 17, таким образом, чтобы при заполнении соответствующих камер расплавами, в момент их усадки исключить попадание внутрь верхней камеры для пропитки 1 и нижней камеры для создания давления 2 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 с изотермической выдержкой при достижении расчетного давления. В верхней камере для пропитки 1 создается оптимальное давление для пропитки за счет разницы коэффициентов термического расширения верхней камеры для пропитки 1 и матричного расплава 6 и за счет разницы коэффициентов термического расширения расплава свинца 7 внутри нижней камеры для создания давления 2, при котором увеличивается объем расплава свинца 7 и создается давление, которое передается в верхнюю камеру для пропитки 1 с помощью мультипликатора 4. Таким образом, пропитка имеет две стадии: на первой происходит частичное заполнение открытых пор пористого каркаса 5 из углеграфита за счет положительной разницы коэффициентов термического расширения матричного расплава 6 по отношению к верхней камере для пропитки 1, а на второй создается необходимое давление для пропитки за счет термического расширения расплава свинца 7 в нижней камере для создания давления 2, потому что коэффициент термического расширения свинца в 2-2,5 раза больше, чем у материала нижней камеры для создания давления 2. Затем удаляют пробку 19, сливают третью часть матричного расплава 6, отворачивают крышку 8, извлекают полученный КМ и производят его охлаждение с кристаллизацией матричного расплава 6 в порах.
Таким образом, как показали экспериментальные исследования, устройство обеспечивает дополнительное давление в емкости для изготовления композиционного материала и позволяет увеличить процент заполнения пор в углеграфитовом пористом каркасе 5, а также расширить номенклатуру получаемых изделий из композитов за счет увеличения вариантов использования различных матричных расплавов 6. Например, при использовании матричных расплавов 6 меди для композитов электротехнического назначения, таких как: токосъемники, вставки пантографов, щетки и т.д. При использовании матричных расплавов 6 сурьмы для торцевых уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения, направляющих и других изделий, работающих в коррозионной среде. При использовании матричных расплавов 6 алюминия для композиционных материалов, область использования которых очень разнообразна и включает не только выше перечисленные, но и детали аэрокосмического назначения.