Способ получения углеграфитового композиционного материала

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения углеграфитового композиционного материала, пропитанного расплавом матричного сплава алюминия. Проводят вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в течение 5-7 мин. Наносят на нее гальваническое покрытие, выполненное из последовательно нанесенных внутреннего никелевого, промежуточного цинкового и наружного медного слоев. Заполняют камеру для пропитки расплавом матричного сплава алюминия. Размещают углеграфитовую заготовку с нанесенным гальваническим покрытием в заполненной камере для пропитки и осуществляют пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве не менее чем на 100^оС выше температуры ликвидус расплава матричного сплава алюминия. Вакуумную дегазацию проводят в водном растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния и 20 г/л сухой борной кислоты. Заполнение упомянутой камеры расплавом матричного сплава алюминия осуществляют на 2/3 и выдерживают при температуре на 15-20°С ниже температуры ликвидус матричного сплава алюминия. Обеспечивается повышение качества композиционных материалов. 1 табл.

 

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 С04В35/52, 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 также 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 воздействием избыточного давления 15±3 МПа на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости при нагреве (патент РФ №1759932, МПК С22С 1/09, B22F 3/26, 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.

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 цинкового покрытия, ее пропитку расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия (патент РФ № 2688484, МПК B22F 3/26, C22C 1/08, B60L 5/00, опубл. 21.05.2019).

Недостатком этого способа является необходимость пропитки при высоких значениях температуры и давления и образующийся пироэффект при соприкосновении внешнего цинкового покрытия с расплавленным металлом

Задача - разработка способа максимального заполнения пор в углеграфитовой заготовке при пропитке ее матричным сплавом.

Техническим результатом изобретения является повышение качества композиционных материалов (КМ).

Технический результат достигается в способе получения углеграфитового композиционного материала, пропитанного расплавом матричного сплава алюминия, включающем вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в течение 5-7 мин, нанесение на нее гальванического покрытия, содержащего медный и цинковый слои, заполнение камеры для пропитки расплавом матричного сплава алюминия, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в заполненной камере для пропитки и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве не менее чем на 100^оС выше температуры ликвидус расплава матричного сплава алюминия, при этом гальваническое покрытие содержит дополнительный никелевый слой и выполнено из последовательно нанесенных внутреннего никелевого, промежуточного цинкового и наружного медного слоев, вакуумную дегазацию проводят в водном растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, а заполнение упомянутой камеры расплавом матричного сплава алюминия осуществляют на 2/3 и выдерживают при температуре на 15-20°С ниже температуры ликвидус матричного сплава алюминия.

Разделение технологии на более простые этапы: разделение операций вакуумной дегазации углеграфитовой заготовки и пропитки, нанесение перед пропиткой на заготовку трехслойного гальванического покрытия, состоящего из внутреннего никелевого, среднего цинкового и наружного медного слоев, способствует лучшему смачиванию углеграфитового каркаса, увеличивает проницаемость его пор и, соответственно, повышает качество композиционных материалов (КМ).

Перед нанесением гальваническим способом слоя никеля проводится вакуумная дегазация углеграфитового каркаса в никелевом электролите, вследствие чего происходит частичное заполнение пор электролитом, после чего на углеграфитовый каркас наносят гальваническим способом никелевый слой, который образуется и в порах заполненных электролитом, затем, гальванически наносится цинковое покрытие и наружное медное покрытие, что позволяет сохранить легирующий слой цинка при соприкосновении расплавленного металла и углеграфитового каркаса с гальваническими покрытием, в результате чего алюминиевый матричный сплав проникший в поры углеграфита максимально усваивает легирующие компоненты.

За счет расплавления среднего слоя цинка и размягчения гальванического покрытия в целом обеспечивается снижение температуры пропитки, повышается коэффициент теплового и термического расширения, сплав продвигается внутри поры за счет своей работы расширения в поре. Происходит более эффективное взаимодействия за меньшее время алюминиевого сплава и особо чистых металлов, на межфазной границе каркас/пропитка, позволяя снизить величину краевого угла смачивания.

Пропитка пористой заготовки, с нанесенным на нее трехслойным гальваническим покрытием, в расплаве матричного сплава алюминия, находящегося в камере для пропитки, выполненной из титана марки ВТ1-0 ведет к лучшей заполняемости пор матричным сплавом.

Нанесение гальванических покрытий осуществляется в пластиковых емкостях, которые соответственно наполняют:

- для нанесения никелевого покрытия - сульфатным электролитом никелирования, состоящим из сульфата никеля, сульфата натрия, сульфата магния, сухой борной кислоты;

- для нанесения цинкового покрытия - сульфатным электролитом, состоящим из оксида цинка и щелочи;

- для нанесения медного покрытия - цианистым электролитом меднения, состоящим из цианистой меди, цианистого натрия (свободного).

После нанесения гальванических покрытий углеграфитовый каркас помещается в устройство для пропитки. При этом камера для пропитки, в которую помещают углеграфитовый каркас с нанесенным на него трехслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего никелевого, среднего цинкового и наружного медного слоев, позволяет осуществлять пропитку пористой заготовки при нагреве под действием избыточного давления матричного сплава алюминия, получаемого за счет теплового и термического расширения алюминия при увеличении объема сплава в замкнутом объеме устройства для пропитки.

Определение температуры ликвидус с перегревом не менее чем в 100°С позволяет учесть величину нагрева обеспечивает создание требуемого давления пропитки, что позволяет получить КМ высокого качества с высокой степенью заполнения объема открытых пор пористой заготовки матричным сплавом.

Использование в качестве матричного расплава - сплава алюминия, а в качестве пористого тела углеграфитовой заготовки позволяет получать композиционные материалы, широко применяемые в машиностроении для изготовления токосъемников, вставок пантографов, электрических щеток, уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

По предложенному способу был получен КМ углеграфит - сплав алюминия 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 мм³, объем пор в каркасе составлял 135 мм³.

Углеграфитовую заготовку, закрепленную проволокой, погружают в емкость гальванической камеры, наполненную никелевым электролитом (водный раствор), 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 герметичным куполом, после чего через отверстие в куполе проводят вакуумную дегазацию в течение 5-7 минут с помощью вакуумного насоса. Далее в емкость погружают два никелевых анода, соединенных между собой медной проволокой, после чего аноды и углеграфитовая заготовка подключаются к источнику постоянного тока, положительный заряд к анодам, а отрицательный к углеграфитовой заготовке, сила тока устанавливается 2 А/дм² с выдержкой в 40-60 мин.

После нанесения никелевого слоя покрытия углеграфитовый каркас промывается в горячей воде и наносится слой цинка. Для этого емкость гальванической камеры наполняют щелочным цинковым электролитом (водный раствор), состоящим из 10 г/л оксида цинка, 100 г/л гидроксида натрия. В гальваническую ванну погружается углеграфитовая заготовка, закрепленная на низкоуглеродистую проволоку. Затем в гальваническую ванну устанавливают аноды, выполненные из цинка соединенные между собой проволокой из низкоуглеродистой стали. Подключение к источнику постоянного тока аналогично ванне никелирования. Сила тока устанавливается на 2-3 А/дм² с выдержкой в течении 40 минут. Процесс дегазации повторно не проводится.

После нанесения цинкового слоя покрытия углеграфитовый каркас промывают горячей водой, и наносят медное покрытие. Для этого емкость гальванической камеры наполняют цианистым электролитом меднения (водный раствор), состоящим из 50-70 г/л цианистой меди (NaCu(CN)₂), 10-25 г/л цианистого натрия (свободного). В ванну устанавливаются медные аноды. Сила тока устанавливается на 0.5 А/дм² с выдержкой в 30 минут при температуре электролита 20-30 °С.

После нанесения на углеграфитовый каркас гальванического покрытия, углеграфитовую заготовку промывают в воде и сушат.

Камера для пропитки углеграфитовой заготовки выполнена из титана ВТ1-0. Камеру для пропитки нагревают до температуры 400°С и на 2/3 заполняют расплавом алюминия. Выдерживают расплав алюминия до достижения им температуры ниже температуры ликвидус сплава алюминия на 15-20° С. В камеру для пропитки на закристаллизовавшуюся (в результате остывания) поверхность сплава помещают углеграфитовую заготовку с нанесенным гальваническим покрытием. Затем в камеру для пропитки доливают расплав алюминия, полностью покрывая им пористую заготовку. Камеру закрывают крышкой, доливают расплав матричного сплава до конического заливного отверстия в крышке, притирают пробкой, предварительно нагретой до 700° С, и шплинтуют ее.

После герметизации камеру для пропитки углеграфитовой заготовки нагревают не менее чем на 100°С выше температуры ликвидус расплава матричного сплава алюминия с изотермической выдержкой 20 мин при достижении указанной температуры и расчетного давления.

За счет разницы коэффициентов термического расширения емкости и расплава матричного сплава алюминия, а также за счет разницы, коэффициентов теплового (при расплавлении алюминия) расширения алюминия, при котором увеличивается объем расплава в камере, создается оптимальное давление пропитки.

Пропитка производилась при давлении 3 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева камеры для пропитки, равной 750°С. По окончании пропитки полученный КМ извлекают и производят его охлаждение с кристаллизацией расплава матричного сплава алюминия 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	Температура начала пропитки, С	Температура в конце пропитки, С	Давление пропитки, МПа	Время выдержки давления, мин.	Степень заполнения открытых пор, %	Прочность КМ при сжатии, МПа	Результаты металлографических исследований
По предлагаемому способу	520	750	3	20	92±2	182±2	Заполнение микроскопических пор максимальное
По способу прототипа	680	1050	5	20	81±2	167±2	Заполнение микроскопических пор не полное, присутствуют небольшие не заполненные участки

Таким образом, способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, нанесение на нее гальванического покрытия из внутреннего никелевого, промежуточного цинкового и наружного медного слоев, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки на 2/3 заполненную расплавом матричного сплава температурой ниже температуры ликвидус сплава алюминия на 15-20° С и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет теплового и термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия, обеспечивает повышение качества композиционных материалов (КМ).

Способ получения углеграфитового композиционного материала, пропитанного расплавом матричного сплава алюминия, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в течение 5-7 мин, нанесение на нее гальванического покрытия, содержащего медный и цинковый слои, заполнение камеры для пропитки расплавом матричного сплава алюминия, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в заполненной камере для пропитки и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве не менее чем на 100^оС выше температуры ликвидус расплава матричного сплава алюминия, отличающийся тем, что гальваническое покрытие содержит дополнительный никелевый слой и выполнено из последовательно нанесенных внутреннего никелевого, промежуточного цинкового и наружного медного слоев, вакуумную дегазацию проводят в водном растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, а заполнение упомянутой камеры расплавом матричного сплава алюминия осуществляют на 2/3 и выдерживают при температуре на 15-20°С ниже температуры ликвидус матричного сплава алюминия.