RU2688489C1

RU2688489C1 - Method for increasing permeability of pores of a carbon-graphite workpiece

Info

Publication number: RU2688489C1
Application number: RU2018101539A
Authority: RU
Inventors: Виктор Александрович Гулевский; Николай Юрьевич Мирошкин
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2019-05-21

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to production of carbon-graphite composite material. Method includes vacuum degassing of porous carbon-graphite workpiece, its impregnation with melt of matrix aluminum alloy under action of excessive pressure due to thermal expansion of melt at heating above temperature of liquidus of aluminum alloy. Degassing is performed before immersion of porous workpiece into melt of matrix alloy, and before impregnation porous workpiece is covered with two-layer galvanic coating consisting of internal copper and outer chromium layers.EFFECT: higher quality of composite material.1 cl, 2 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the creation of composite materials by impregnation of a porous frame, having a high electrical conductivity, antifriction properties, resistance in aggressive environments.

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 С04В 35/52, опубл. 02.08.2004).A method of obtaining a composite material by impregnation with simultaneous chemical exposure. The workpiece is installed on a special graphite platform, heated over the surface of the silicon melt or an alloy based on silicon and copper, having a temperature of 1700-1800 ° C, then gradually, with a speed of not more than 10 cm / min, lower the workpiece into the bath with the melt. Thus, carrying out the impregnation of the unidirectional flow of the melt, spreading the front over the entire cross section of the workpiece (RF patent №2276631 IPC SW 35/52, publ. 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 так же отсутствие вакуумирования негативно сказывается на расплаве матричного сплава, который окисляется, взаимодействуя с воздухом, снижая качество композиционного материала.The disadvantage of this method is the absence in the impregnation process of the stage of evacuation of both the alloy and the billet, as a result of which various contaminants in the pores of the carbon-graphite billet prevent them from being filled with a matrix alloy, as well as the absence of evacuation negatively affects the melt of the matrix alloy, which oxidizes, interacting with air, reducing the quality of the composite material.

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 воздействии 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).A method of obtaining a composite material by impregnation of a porous billet with metal, in which the reinforcing porous frame is preheated, then it is poured with a matrix alloy, vacuum degassing is carried out and impregnated under the effect of overpressure 15 ± 3 MPa on the workpiece due to thermal expansion of the melt in a closed volume of the vessel during heating (RF patent №1759932, IPC С22С 1/09, B22F 3/26, publ. 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.The disadvantage of this method when it is used to obtain KM impregnation is to limit the range of metals for use as a matrix alloy, only lead or its alloys.

Наиболее близким является способ изготовления композиционных материалов, включающий погружение пористой заготовки в расплав матричного сплава алюминия, вакуумную дегазацию и воздействие избыточным давлением на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус сплава алюминия (патент РФ №2571295, МПК B22F 3/26, опубл. 20.12.2015).The closest is a method of manufacturing composite materials, including immersion of a porous billet in a melt of matrix aluminum alloy, vacuum degassing and the effect of excessive pressure on the workpiece due to thermal expansion of the melt in a closed volume of the container when heated to 100 ° C above the aluminum alloy liquidus temperature (RF Patent No. 2571295, IPC B22F 3/26, published on 12/20/2015).

Недостатком этого способа является большие потери затраты времени на нагрев оснастки и ее охлаждения для проведения дегазации камеры для пропитки.The disadvantage of this method is the large loss of time spent on heating the equipment and its cooling to conduct the degassing of the impregnation chamber.

Задача - разработка способа максимального заполнения пор в углеграфитовой заготовке при пропитке ее матричным сплавом.The task is to develop a method for maximally filling pores in a carbon-graphite billet when it is impregnated with a matrix alloy.

Техническим результатом изобретения является повышение качества композиционных материалов (КМ).The technical result of the invention is to improve the quality of composite materials (KM).

Технический результат достигается в способе повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки, включающем вакуумную дегазацию пористой заготовки, ее пропитку расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия, при этом дегазацию проводят до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава, а перед пропиткой пористую заготовку покрывают двухслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего медного и наружного хромового слоев.The technical result is achieved in a method for increasing the pore permeability of a carbon-graphite billet, including vacuum degassing a porous billet, impregnating it with a melt of a matrix aluminum alloy under the influence of overpressure due to thermal expansion of the melt when heated above the liquidus temperature of an aluminum alloy, degassing is carried out before the porous billet is immersed in the melt matrix alloy, and before impregnation the porous billet is coated with a two-layer electroplated coating consisting of an internal single and outer chrome layers.

Сущность изобретения заключается в разделении 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 хромового слоев, что способствует лучшему смачиванию углеграфитового каркаса, увеличивает проницаемость его пор и, соответственно, повышает качество композиционных материалов (КМ), а также позволяет повысить производительность процесса (за счет сокращения времени на получение КМ).The invention consists in dividing the technology into simpler steps: separation of the operations of vacuum degassing of a carbon-graphite blank and impregnation, application before impregnation of a two-layer electroplating coating consisting of internal copper and outer chromium layers, which contributes to a better wetting of the carbon-graphitic framework, increases its permeability , accordingly, improves the quality of composite materials (KM), and also improves the productivity of the process (due to reduced time to get a CM).

Перед нанесением гальваническим способом слоя меди проводится вакуумная дегазация углеграфитового каркаса в медном электролите, вследствие чего происходит частичное заполнение пор медным электролитом, после чего на углеграфитовый каркас наносят гальваническим способом медный слой, который образуется и в порах заполненных медным электролитом, затем, гальванически наносится внешнее хромовое покрытие, что позволяет получить легирующие действие нанесенных особо чистых металлов на межфазной границе углеграфитовый каркас/пропитывающий сплав. Это позволяет снизить величину краевого угла смачивания.Before electroplating a copper layer, vacuum degassing of the carbon-graphite carcass is carried out in the copper electrolyte, as a result of which the pores are partially filled with copper electrolyte, after which a copper layer is electroplated onto the carbon-graphite carcass. the coating, which allows to obtain the alloying effect of the deposited highly pure metals at the interphase boundary of the carbon-graphite carcass / impregnating th alloy. This allows you to reduce the magnitude of the wetting angle.

Погружение пористой заготовки, с нанесенным на нее двухслойным гальваническим покрытием, в расплав матричного сплава алюминия находящегося в камере для пропитки, выполненную из титана марки ВТ-1 ведет к лучшей заполняемости пор матричным сплавом.Immersion of a porous billet, coated with a two-layer electroplated coating, into a melt of matrix aluminum alloy located in an impregnation chamber made of titanium of the BT-1 grade leads to a better filling of the pores with a matrix alloy.

Пластиковые емкости для нанесения гальванических покрытий наполняют:Plastic tanks for electroplating fill:

- для нанесения медного покрытия - сернокислым электролитом меднения, состоящим из медного купороса, дистиллированной воды, серной кислоты;- for the application of copper coating - copper plating sulfate electrolyte, consisting of copper sulfate, distilled water, sulfuric acid;

- для нанесения хромового покрытия - электролитом хромирования, состоящим из хромового ангидрида и серной кислоты.- for the application of chrome plating - chrome plating electrolyte consisting of chromic anhydride and sulfuric acid.

После нанесения гальванических покрытий углеграфитовый каркас помещается в устройство для пропитки.After electroplating, the carbon-graphite frame is placed in the impregnator.

При этом камера для пропитки, в которую помещают углеграфитовый каркас с нанесенным на него двухслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего медного и внешнего хромового слоев, позволяет осуществлять пропитку пористой заготовки при нагреве под действием избыточного давления матричного сплава алюминия, получаемого за счет термического расширения алюминия при увеличении объема сплава в замкнутом объеме устройства для пропитки.At the same time, the impregnation chamber, in which the carbon-graphite frame is placed with a double-layer electroplated coating on it consisting of an internal copper and an outer chrome layer, allows the porous preform to be impregnated by heating under the action of an overpressure of aluminum matrix alloy obtained by thermal expansion of aluminum at increasing the volume of the alloy in a closed volume of the device for impregnation.

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.Determining the liquidus temperature with overheating of not less than 100 ° C allows to take into account the amount of heating ensures the creation of the required impregnation pressure, which allows you to get high quality CM with a high degree of filling the volume of open pores of the porous billet with a matrix alloy.

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.The use of an aluminum alloy as a matrix melt, and a carbon-graphite billet as a porous body, allows to obtain composite materials widely used in mechanical engineering for the manufacture of current collectors, pantograph inserts, electric brushes, seals, sliding bearing inserts.

На фиг. 1 показана гальваническая камера, на фиг. 2 показано устройство для пропитки углеграфитовой заготовки.FIG. 1 shows a galvanic chamber; FIG. 2 shows a device for impregnating a carbon-graphite blank.

Гальваническая камера состоит из пластиковой емкости 1 с электролитом 2 и анодами 3, купола 4, герметично закрывающего емкость 1. В емкости 1 помещена углеграфитовая заготовка 5. В куполе 4 выполнено отверстие 6, которое соединено с вакуумным насосом.The galvanic chamber consists of a plastic container 1 with electrolyte 2 and anodes 3, a dome 4, hermetically closing the container 1. A carbon-graphite blank 5 is placed in the container 1. In the dome 4 a hole 6 is made, which is connected to a vacuum pump.

Камера для пропитки 7 углеграфитовой заготовки 5 выполнена из титана ВТ-1. На дне камеры для пропитки размещена углеграфитовая заготовка 5 с нанесенным трехслойным гальваническим покрытием 8. Камера 7 заполнена расплавом матричного сплава алюминия 9. Камера для пропитки 7 герметично закрывается крышкой 10 с пробкой 11.The chamber for impregnation of 7 carbon blanks 5 is made of titanium VT-1. At the bottom of the impregnation chamber there is a carbon-graphite blank 5 coated with a three-layer electroplated coating 8. The chamber 7 is filled with a melt of matrix aluminum alloy 9. The impregnation chamber 7 is sealed with a cover 10 with a stopper 11.

ПримерExample

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 According to the proposed method was obtained KM carbon-graphite - an aluminum alloy using carbon-graphite brand AG-1500 with an open porosity of 15%. The carbon graph sample was made in the form of a cube with a side of 30 mm. Thus, the volume of the carbon frame was 900 mm ³ , the pore volume in the frame was 135 mm ³

При осуществлении способа углеграфитовую заготовку 5 закрепленную медной проволокой погружают в емкость 1 наполненную медным электролитом 2, состоящим из 200 г/л сернокислой меди, 70 г/л серной кислоты и 10-15 мл спирта, температура электролита 20-25°С. Затем емкость 1 накрывают герметичным куполом 4, после чего через отверстие 6 в куполе проводят вакуумную дегазацию в течение 5-7 минут. Далее в емкость 1 погружают два медных анода 3 соединенных между собой медной проволокой, после чего аноды 3 и углеграфитовая заготовка 5 подключаются к источнику постоянного тока, положительный заряд к анодам, а отрицательный к углеграфитовой заготовке 5, сила тока устанавливается 1.5 А с выдержкой в 40-60 мин. После нанесения на углеграфитовый каркас медного покрытия, наносится слой хрома. Для этого используется емкость, аналогичная емкости 1, наполненная предварительно нагретым до 50-55°С хромовым электролитом 2, состоящим из 250 г/л хромового ангидрида, 1,5 г/л и установленными в ней анодами 3 из сплава свинца и сурьмы соединенными между собой медной проволокой. Подключение к источнику постоянного тока аналогично ванне меднения.In the process of implementation, a carbon-graphite billet 5 fixed with copper wire is immersed in a container 1 filled with copper electrolyte 2 consisting of 200 g / l of copper sulphate, 70 g / l of sulfuric acid and 10-15 ml of alcohol, the electrolyte temperature is 20-25 ° C. Then the tank 1 is covered with a hermetic dome 4, after which vacuum degassing is conducted through the opening 6 in the dome for 5-7 minutes. Next, two copper anodes 3 interconnected by copper wire are immersed in capacity 1, after which the anodes 3 and the carbon-graphite billet 5 are connected to a direct current source, a positive charge to the anodes, and negative to a carbon-graphite billet 5, the current is set at 1.5 A with a hold time of 40 -60 min After applying a copper coating on the carbon-graphite frame, a layer of chromium is applied. For this purpose, a container similar to container 1 is used, filled with a chromic electrolyte 2 preheated to 50-55 ° C, consisting of 250 g / l of chromic anhydride, 1.5 g / l and anodes 3 installed in it made of an alloy of lead and antimony connected between a copper wire. Connecting to a DC source is similar to a copper bath.

Чтобы избежать травления слоя меди в хромовом электролите силу тока устанавливают на 2-3 А, после чего углеграфитовый образец с нанесенным медным покрытием погружают в хромовый электролит, сила тока устанавливается на 13-15 А с выдержкой 5-7 минут. Процесс дегазации повторно не проводится.To avoid etching the copper layer in the chromic electrolyte, the current is set to 2-3 A, after which the carbon-graphite sample with the applied copper coating is immersed in the chrome electrolyte, the current is set to 13-15 A with an exposure time of 5-7 minutes. The degassing process is not repeated.

Далее углеграфитовую заготовку 5 с нанесенным двухслойным гальваническим покрытием 8, состоящим из внутреннего медного и наружного хромового слоев, промывают в воде, сушат и помещают в емкость для пропитки матричным сплавом алюминия.Next, the carbon-graphite blank 5 with a deposited two-layer electroplated coating 8 consisting of the inner copper and outer chrome layers is washed in water, dried and placed in a container for impregnation with a matrix aluminum alloy.

При осуществлении способа в камеру для пропитки 7 помещают углеграфитовую заготовку 5, нагревают до температуры 400°С и заполняют камеру 7 расплавом алюминия 9. Закрывают камеру 7 крышкой 10 нагревают до температуры 700-800°С. Затем крышку 10 притирают пробкой 11, предварительно нагретой до 1000-1050°С и шплинтуют ее.When carrying out the process, a carbon-graphite billet 5 is placed in the impregnation chamber 7, heated to a temperature of 400 ° C, and the chamber 7 is filled with aluminum melt 9. The chamber 7 is closed with a lid 10 heated to a temperature of 700-800 ° C. Then the lid 10 is rubbed with a stopper 11, preheated to 1000-1050 ° C and splintered.

После этого камеру для пропитки 7 углеграфитовой заготовки 5 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 камеры 7 и расплава матричного сплава алюминия 9, создается оптимальное давление пропитки.After that, the impregnation chamber 7 of the carbon-graphite blank 5 is heated not less than 100 ° C above the liquidus melt temperature of the matrix aluminum alloy with an isothermal holding time of 20 minutes when the specified temperature and design pressure are reached. Due to the difference of the coefficients of thermal expansion of the chamber 7 and the melt of the matrix aluminum alloy 9, an optimum impregnation pressure is created.

Пропитка производилась при давлении 3-5 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева камеры для пропитки, равной 1000-1050°С.Impregnation was carried out at a pressure of 3-5 MPa, which was provided by the heating temperature of the impregnation chamber, equal to 1000-1050 ° C.

По окончании пропитки, удаляют пробку 11, сливают третью часть расплава матричного сплава алюминия 9, отворачивают крышку 10, сливают оставшийся расплав, извлекают полученный КМ и производят его охлаждение с кристаллизацией расплава матричного сплава алюминия 9 в порах.At the end of the impregnation, remove the plug 11, drain the third part of the melt of the matrix aluminum alloy 9, unscrew the cover 10, drain the remaining melt, extract the resulting CM and cool it with crystallization of the melt of the matrix aluminum alloy 9 in the pores.

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.The resulting CM was tested for compressive strength, the degree of filling of open pores (density of impregnation) was evaluated by the specific gravity of CM, before and after impregnation, the structure of CM was evaluated by the results of metallographic studies. The test results are shown in the table.

Таким образом, повышение проницаемости пор углеграфитовой заготовки при котором перед пропиткой расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве не менее чем на 100°С выше температуры ликвидус сплава алюминия осуществляют вакуумную дегазацию пористой заготовки и покрывают ее двухслойным гальваническим покрытием, состоящим из внутреннего медного и наружного хромового слоев до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава, обеспечивает повышение качества композиционных материалов (КМ).Thus, increasing the permeability of the pores of a carbon-graphite billet in which, prior to impregnating the matrix aluminum alloy with a melt, under the influence of overpressure due to thermal expansion of the melt when heated to not less than 100 ° C above the liquidus temperature of the aluminum alloy, vacuum degassing of the porous billet consisting of the inner copper and outer chrome layers before the porous billet is immersed in the matrix alloy melt, provides higher the quality of composite materials (KM).

Claims

The method of obtaining carbon-graphite composite material, including vacuum degassing of porous carbon-graphite billet, its impregnation with a melt of matrix aluminum alloy under the influence of overpressure due to thermal expansion of the melt during heating above the liquidus temperature of an aluminum alloy, characterized in that degassing is carried out before the porous billet is immersed in the melt of the alloy matrix , and before impregnation, the porous billet is coated with a double-layer electroplated coating consisting of internal copper and outer chrome layers.