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.
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 С22С 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 устройства является расширение его функциональных возможностей за счет увеличения номенклатуры сплавов 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, устройство снабжено противовсплывным приспособлением, выполненным в виде перфорированной трубы с перегородкой расположенной выше поперечной оси для удержания пористого каркаса под слоем матричного расплава меди, или сурьмы, или алюминия с возможностью его вертикального перемещения, на дне емкости установлен металлический сильфон заполненный расплавом свинца, причем объем сильфона составляет максимум от объема емкости, а на крышке 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.
Причем запорное устройство снабжено пробкой для герметизации емкости.
Противовсплывное приспособление, выполненно в виде перфорированной трубы с перегородкой расположенной выше поперечной оси, обеспечивает строго вертикальное положение пористого каркаса из углеграфита и его дегазацию одновременно с вакуумированием расплава матричного сплава, это позволяет сохранять высокие эксплуатационные характеристики и максимальное заполнение открытых пор углеграфитового каркаса при использовании матричных сплавов меди, или сурьмы, или алюминия.
Металлический сильфон, заполненный расплавом свинца, причем объем сильфона составляет максимум от объема емкости, что необходимо для реализации расчетного давления пропитки. За счет разницы коэффициентов термического расширения емкости и расплава матричного сплава, кроме того, за счет разницы коэффициентов термического расширения расплава свинца внутри сильфона, при котором увеличивается его объем, и расплава матричного сплава, и создается оптимальное давление пропитки, потому что коэффициент термического расширения 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 разнице объемов достаточно для оптимальной пропитки открытых пор углеграфита, и кроме того позволяет использовать различные варианты матричных сплавов с сохранением высоких эксплуатационных характеристик по электропроводности, механической прочности, коррозионной стойкости и т.д..
Запорное устройство выполненное в виде стояка с усеченным конусом, с внешней поверхностью выполненной в виде шестигранника, позволяет крышку затягивать по резьбе для герметизации устройства, что обеспечивает создание необходимого давления для различных высоко температурных вариантов матричных расплавов меди, или сурьмы, или алюминия.
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, на фиг.3 изображено противосплывное приспособление; на фиг.4 изображен вид сверху на фиг.3.
Устройство состоит из емкости 1 (фиг.1, 2) изготовленной из стали, армирующего пористого каркаса 2 из углеграфита. Емкость 1 заполнена расплавом матричного сплава меди 3, или сурьмы, или алюминия, а устройство снабжено противовсплывным приспособлением 4 выполненным в виде перфорированной трубы 5 (фиг.3, 4) с перегородкой 6 расположенной выше поперечной оси для удержания пористого каркаса 2 под слоем матричного расплава с возможностью его вертикального перемещения таким образом, что перегородка 6 находится ниже верхнего уровня расплава матричного сплава 3, это обеспечивает строго вертикальное положение армирующего пористого каркаса из углеграфита 2 (фиг.1, 2) удерживает его от всплытия. На дне емкости 1 установлен металлический сильфон 7 заполненный расплавом свинца, при этом объем сильфона 7 составляет максимум от объема емкости 1, что необходимо для создания расчетного давления пропитки и заполнения до оптимального значения открытых пор каркаса расплавом одним из указанных матричных сплавов.
Емкость 1 соединяется с крышкой 8 с помощью резьбового соединения 9 причем на крышке 8 жестко установлено запорное устройство 10 в виде стояка 11 с усеченным конусом, внешняя поверхность которого выполнена в виде шестигранника 12, при этом внутренняя сторона крышки 8 уходит к центру с уклоном, что позволяет при заполнении емкости 1 расплавом матричного сплава 3 последнему вытеснять воздух в стояк 11. При этом в нижней части стояка 11 установлена газоотводная трубка 13 для вакуумной дегазации армирующего пористого каркаса находящегося под слоем матричного расплава 3. На крышке 8 установлено запорное устройство в виде стояка 11, который позволяет спокойно заполнить емкость 1 расплавом матричного расплава 3 с одновременным удалением воздуха находящегося в емкости 1 после вакуумирования над расплавом. В стояк 11 устанавливается притертая пробка 14 для герметизации емкости 1, при этом пробка выполнена конической, как и посадочное гнездо стояка 11, для того, чтобы при заполнении стояка металлом, исключить попадание внутрь емкости 1 воздуха. Сильфон предварительно нагретый до 400°С заполняется расплавом свинца, через заливочное отверстие в торце сильфона, и герметично закрыт винтом 15.
Устройство для изготовления композиционного материала работает следующим образом, в емкость 1 (фиг.1, 2) устанавливают металлический сильфон 7, заполненный расплавом свинца через заливочное отверстие в торце сильфона, и герметично закрыт винтом 15, пористый каркас 2 из углеграфита затем противовсплывное приспособление 4 предотвращающее всплытие пористого каркаса 2 из углеграфита, закрывают емкость 1 крышкой 8 с помощью резьбового соединения 9, через стояк 11 заливают в емкость 1 расплав матричного сплава 3, затем в стояк 11 устанавливают газоотводную трубку 13 фиксируя шплинтом-скобой, производят вакуумную дегазацию углеграфитового каркаса 2 в течении 15-20 мин., созданием вакуума над слоем матричного сплава 3, поддерживая температуру последнего на 70-100°С выше его температуры ликвидус, затем извлекают газоотводную трубку 13, доливают матричный сплав 3 в емкость 1 до верхнего края стояка 11, притирают предварительно нагретую до 700-800°С пробку 14 и шплинтуют ее.
Пробка 14 для герметизации емкости 1 для пропитки выполнена конической, как и посадочное гнездо стояка, таким образом, чтобы при заполнении стояка металлом, в момент его усадки исключить попадание внутрь емкости 1 воздуха при этом, отсутствие сложных элементов крепления и более высокие возможные рабочие температуры устройства позволяют использовать различные варианты расплавов матричных сплавов 3, долго и надежно.
Затем производят нагрев емкости 1 выше температуры ликвидус, с изотермической выдержкой при достижении расчетного давления. За счет разницы коэффициентов термического расширения емкости 1 и матричного расплава 3, кроме того, за счет разницы коэффициентов термического расширения расплава свинца внутри сильфона 7, при котором увеличивается его объем, и расплава матричного сплава 3, и создается оптимальное давление пропитки. Таким образом, пропитка имеет две стадии на первой происходит частичное заполнение открытых пор каркаса 2 из углеграфита за счет положительной разницы коэффициентов термического расширения расплава матричного сплава 3 по отношению к емкости 1, а на второй создается необходимое давление для пропитки за счет термического расширения расплава свинца в сильфоне 7, потому что коэффициент термического расширения свинца в 2-2,5 раза больше чем у материала емкости 1. Затем удаляют пробку 14, сливают третью часть матричного расплава 3, отворачивают крышку 8, извлекают полученный КМ и производят его охлаждение с кристаллизацией матричного сплава 3 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 каркасе, а также расширить номенклатуру получаемых изделий из композитов за счет увеличения вариантов использования различных матричных сплавов. Например, при использовании матричных сплавов меди для композитов электротехнического назначения, таких как: токосъемники, вставки пантографов, щетки и т.д. При использовании матричных сплавов сурьмы для торцевых уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения, направляющих и других изделий, работающих в коррозионной среде. При использовании матричных сплавов алюминия для композиционных материалов область использования которых очень разнообразна и включает не только выше перечисленные, но и детали аэрокосмического назначения.