Способ получения углеграфитового композиционного материала

Авторы патента:

C22C1/08 - Сплавы (кремни C06C 15/00; обработка сплавов C21D, C22F)

B22F3/1146 - Способы и устройства для изготовления заготовок или изделий из металлических порошков

Владельцы патента RU 2764776:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса. Способ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе медного электролита. Наносят на заготовку двухслойное гальваническое покрытие, содержащее внутренний медный слой. Пропитывают пористую заготовку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца. При этом наружный слой гальванического покрытия выполняют из слоя олово-висмут, состоящего из 99 мас.% олова и 1 мас.% висмута, нанесенного электролизом из электролита, содержащего 35 г/л сульфата олова, 1,5 г/л сульфата висмута, 170–180 г/л серной кислоты, 5–6 мл/л формалина, 50–60 мл/л блескообразующей добавки "ЭКОМЕТ-Л6". Техническим результатом изобретения является 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 C04B 35/52, 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 C22C 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 никелевого слоев, ее пропитку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца (патент РФ № 2688772, МПК С22С 47/08, B22F 3/26, опубл. 22.05.2019).

Недостатком этого способа является необходимость пропитки при высоких значениях температуры и давления.

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, включающем вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе медного электролита, нанесение на нее двухслойного гальванического покрытия, содержащего внутренний медный слой, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки, заполнение камеры расплавом матричного сплава и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца, при этом наружный слой гальванического покрытия выполняют из слоя олово-висмут, состоящего из 99 масс.% олова и 1 масс.% висмута, нанесенного электролизом из электролита, содержащего 35 г/л сульфата олова, 1,5 г/л сульфата висмута, 170–180 г/л серной кислоты, 5–6 мл/л формалина, 50–60 мл/л блескообразующей добавки "ЭКОМЕТ-Л6", а углеграфитовую заготовку помещают в камеру для пропитки на 2/3 заполненную расплавом матричного сплава температурой ниже температуры ликвидус сплава свинца на 15-20°С.

Разделение технологии на более простые этапы: разделение операций вакуумной дегазации углеграфитовой заготовки и пропитки, нанесение перед пропиткой на заготовку двухслойного гальванического покрытия, состоящего из внутреннего медного и наружного слоя, содержащего 99 масс.% олова и 1 масс.% висмута, способствует снижению температуры пропитки, лучшему смачиванию углеграфитового каркаса, увеличивает проницаемость его пор и, соответственно, повышает качество композиционных материалов (КМ).

Одновременный электролиз олова и висмута из раствора электролита приводит к их совместному гальваническому осаждению с образованием сплава олово-висмут на медном слое гальванического покрытия пористой заготовки, то есть с образованием оловянного покрытия с заданным содержанием висмута (соотношение олова и висмута задается качественным и количественным составом электролита и условиями электролиза). Перед нанесением гальванического покрытия проводится вакуумная дегазация углеграфитового каркаса в медном электролите, вследствие чего происходит частичное заполнение пор электролитом, после чего на углеграфитовый каркас наносят гальваническим способом слой медного покрытия (3-5 мкм), который образуется и в порах, заполненных медным электролитом. После чего наносят слой покрытия олово-висмут. Данный способ позволяет получить легирующее действие нанесенных особо чистых металлов на межфазной границе углеграфитовый каркас/пропитывающий сплав и снизить величину краевого угла смачивания и поверхностного натяжения.

Содержание в наружном слое гальванического покрытия 99 масс.% олова и 1 масс.% висмута упрощает технологию пропитки, позволяя получать композиты при более низких температурах, а также способствует увеличению твердости КМ, так как за счет снижения температуры размягчения гальванического покрытия, сплав свинца продавливает и уплотняет его глубже в поры углеграфитового каркаса. Увеличение содержания висмута в покрытии свыше 1 масс.% не оказывает качественного влияния на взаимодействие олова в с другими ингредиентами композита и повышения исследуемых параметров.

Пропитка пористой заготовки, с нанесенным на нее гальваническим покрытием, в расплаве матричного сплава свинца, находящегося в камере для пропитки, ведет к лучшей заполняемости пор матричным сплавом.

Нанесение медного гальванического слоя осуществляется в пластиковой емкости, которую наполняют сернокислым электролитом меднения, состоящим из медного купороса, дистиллированной воды, серной кислоты, спирта.

Нанесение гальванического слоя сплава олово-висмут осуществляется в пластиковой емкости, которую наполняют электролитом, состоящим из сульфата олова, сульфата висмута, серной кислоты, формалина (40%), блескообразующей добавки "ЭКОМЕТ-Л6".

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 слоем гальванического покрытия, позволяет осуществлять пропитку пористой заготовки при нагреве под действием избыточного давления матричного сплава свинца, получаемого за счет теплового и термического расширения свинца при увеличении объема сплава в замкнутом объеме устройства для пропитки.

Определение температуры ликвидус с перегревом 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 свинца, а в качестве пористого тела углеграфитовой заготовки позволяет получать композиционные материалы, широко применяемые в машиностроении для изготовления направляющих, уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения.

По предложенному способу был получен КМ углеграфит - сплав свинца 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 медной проволокой, погружают в емкость гальванической камеры, наполненную медным электролитом (водный раствор), состоящим из 200 г/л сернокислой меди, 70 г/л серной кислоты и 10-15 мл спирта, температура электролита 20-25°С. 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 медных 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 0,5 А/дм²с выдержкой в 30 мин. После нанесения на углеграфитовый каркас медного покрытия, каркас промывается в воде и наносится покрытие олово-висмут (99 масс.% олова и 1 масс.% висмута).

Углеграфитовую заготовку, закрепленную медной луженой проволокой, погружают в емкость гальванической камеры, наполненную электролитом (водный раствор), состоящим из сульфата олова — 35 г/л, сульфата висмута — 1,5 г/л, серной кислоты — 170–180 г/л, формалина (водный раствор с содержанием формалина 40 масс.%) — 5–6 мл/л, блескообразующей добавки "ЭКОМЕТ-Л6" — 50–60 мл/л, далее в емкость погружают два оловянные анода в чехлах из полипропиленовой ткани соединенных между собой медной луженой проволокой, подключение к источнику тока аналогично ванне меднения. Температура электролита при электролизе 20°С, плотность тока 1 А/дм² с выдержкой в 50 мин при постоянном перемешивании электролита. 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 150°С и на 2/3 заполняют расплавом сплава свинца. Выдерживают расплав свинца до достижения им температуры ниже температуры ликвидус сплава свинца на 15-20°С. В камеру для пропитки на закристаллизовавшуюся (в результате остывания) поверхность помещают углеграфитовую заготовку с нанесенным гальваническим покрытием. Затем в камеру для пропитки доливают расплав свинца, полностью покрывая им пористую заготовку. Камеру закрывают крышкой, доливают расплав матричного сплава до конического заливного отверстия в крышке, притирают пробкой, предварительно нагретой до 500°С, и шплинтуют ее.

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

За счет разницы коэффициентов термического расширения емкости и расплава матричного сплава свинца, а также за счет разницы, коэффициентов теплового (при расплавлении свинца) расширения свинца, 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 450°С. По окончании пропитки полученный КМ извлекают и производят его охлаждение с кристаллизацией расплава матричного сплава свинца 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	150	450	3	20	96±3	188±3	Заполнение микроскопических пор максимальное
По способу прототипа	400	550	5	20	92±3	181±3	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 медного электролита, нанесение на нее двухслойного гальванического покрытия, содержащего внутренний медный слой и наружный слой из сплава олово-висмут, состоящего из 99 масс.% олова и 1 масс.% висмута, нанесенного электролизом из электролита, содержащего 35 г/л сульфата олова, 1,5 г/л сульфата висмута, 170–180 г/л серной кислоты, 5–6 мл/л формалина, 50–60 мл/л блескообразующей добавки "ЭКОМЕТ-Л6", размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки на 2/3 заполненную расплавом матричного сплава температурой ниже температуры ликвидус сплава свинца на 15-20°С и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет теплового и термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца, обеспечивает повышение качества получаемых композиционных материалов (КМ).

Способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе медного электролита, нанесение на нее двухслойного гальванического покрытия, содержащего внутренний медный слой, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере для пропитки, заполнение камеры расплавом матричного сплава и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца, отличающийся тем, что наружный слой гальванического покрытия выполняют из сплава олово-висмут, состоящего из 99 мас.% олова и 1 мас.% висмута, нанесенного электролизом из электролита, содержащего 35 г/л сульфата олова, 1,5 г/л сульфата висмута, 170–180 г/л серной кислоты, 5–6 мл/л формалина, 50–60 мл/л блескообразующей добавки "ЭКОМЕТ-Л6", а углеграфитовую заготовку помещают в камеру для пропитки, на 2/3 заполненную расплавом матричного сплава температурой ниже температуры ликвидус сплава свинца на 15-20°С.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению изделий из химически активного порошкового материала. Может использоваться для получения материалов с радиационнозащитными или нейтроннозащитными свойствами.

Способ приготовления и подачи защитной газовой смеси для плавки магниевых сплавов // 2763844

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к плавке и литью сплавов на основе магния, и может быть использовано для получения фасонных отливок, например, корпусов различных агрегатов, используемых в аэрокосмической отрасли и в других отраслях промышленности. Способ приготовления и подачи защитной газовой смеси газа-носителя, инертного или малоактивного по отношению к расплаву, и газообразного перфторэтилизопропилкетона при плавке магниевых сплавов включает получение газовой смеси, содержащей перфторэтилизопропилкетон в количестве 0,1-10% от объема подаваемой газовой смеси, непосредственно в подводящей трубке, подающей газовую смесь к плавильному тиглю, посредством смешения газа-носителя и газообразного перфторэтилизопропилкетона, получаемого испарением его жидкой фазы, подводимой самотеком капельным способом через капиллярный ввод непосредственно в подводящую трубку, за счет конвективной передачи тепла от металла в тигле.

Способ изготовления литых заготовок из антифрикционной бронзы // 2762956

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения литых заготовок из антифрикционных оловянно-свинцовых бронз, предназначенных для диффузионной сварки со сталью для создания узлов трения средней нагрузки и скоростей скольжения. Способ изготовления литых заготовок из антифрикционной бронзы включает расплавление и непрерывное литье заготовки.

Способ модифицирования жаропрочных никельхромовых сплавов // 2762442

Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию никелевых сплавов ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений. Способ модифицирования никелевых сплавов включает введение в расплав модификатора, содержащего ультрадисперсные тугоплавкие частицы.

Алюминиевый сплав с добавками меди, лития и по меньшей мере одного щелочноземельного или редкоземельного металла и способ его получения // 2761567

Изобретение относится к алюминиевым сплавам и может быть использовано при изготовлении изделий сваркой трением с перемешиванием. Алюминиевый сплав для получения изделия сваркой трением с перемешиванием содержит, мас.%: от 1,8 до 5,6 меди, от 0,6 до 2,6 лития и по меньшей мере один элемент, выбранный из лантана до 1,5, стронция до 1,5, церия до 1,5, празеодима до 1,5, алюминий – остальное.

Способ получения цилиндрических армированных элементов для изготовления деталей моноколеса газотурбинного двигателя // 2761530

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинного двигателя. Способ получения композитных цилиндрических заготовок для изготовления моноколеса газотурбинного двигателя включает аддитивное выращивание матричного компонента композитных заготовок в виде профилированных пластин из титанового сплава с толщиной стенки от 80 до 130 мкм, сварку выращенных профилированных пластин в непрерывную ленту, намотку ленты в кольцевую полость, выполненную во внутренней части цилиндрического корпуса заготовки, изготовленного из титанового сплава, одновременную укладку в профилированные пластины армирующего компонента в виде керновых волокон карбида кремния диаметром от 100 до 145 мкм с покрытием из пироуглерода и объемной долей в композитной заготовке 25-40%, при этом на начальной и завершающей стадии намотки керновое волокно механически фиксируют с передним и задним концом непрерывной ленты, последующее капсулирование полученной композитной цилиндрической заготовки, изостатическое прессование полученной капсулы и механическую обработку.

Способ изготовления теплопроводного композиционного материала из порошков алюминия или его сплава с графеновым покрытием // 2760896

Изобретение относится к способу получения композиционного материала из порошка алюминия или его сплава. Проводят перемешивание порошка алюминия или его сплава и жидкого углеродосодержащего вещества при их нагреве до температуры разложения упомянутого углеродосодержащего вещества, составляющей 60-150°С и обеспечивающей выделение углерода и его осаждение в виде графенового покрытия на упомянутом порошке.

Стойкий к окислению жаропрочный сплав и способ его получения // 2760223

Изобретение относится к металлургии, а именно стойкому к окислению жаропрочному сплаву и способу его получения. Стойкий к окислению жаропрочный сплав содержит, мас.

Способ получения высокопористого ячеистого материала // 2759860

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу получения высокопористых ячеистых материалов. Может использоваться при производстве носителей катализаторов, фильтров, излучающих элементов радиационных горелок, элементов легких конструкций, работающих при высоких температурах в окислительных средах.

Способ получения высокопористого пенометалла // 2759459

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению высокопористых пенометаллов. Может использоваться при изготовлении сверхлегких конструкционных изделий и сандвич-панелей, а также в качестве демпфирующих элементов в системах пассивной защиты от динамических нагрузок.

Способ получения металлической ленты с бронзовым слоем с рифленой поверхностью для пропитки фторопластовой пастой // 2764531

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению листовых антифрикционных материалов на металлической подложке, и может использоваться для изготовления опор скольжения, работающих как со смазкой, так и в сухую при высоких скоростях скольжения, высоких нагрузках и температурах, со стабильно малым коэффициентом трения по мере износа рабочего слоя.