RU2788384C1 - Способ получения углеграфитового композиционного материала - Google Patents
Способ получения углеграфитового композиционного материала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2788384C1 RU2788384C1 RU2022116670A RU2022116670A RU2788384C1 RU 2788384 C1 RU2788384 C1 RU 2788384C1 RU 2022116670 A RU2022116670 A RU 2022116670A RU 2022116670 A RU2022116670 A RU 2022116670A RU 2788384 C1 RU2788384 C1 RU 2788384C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- workpiece
- aluminum alloy
- carbon
- temperature
- pores
- Prior art date
Links
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 32
- 239000010439 graphite Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 47
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 12
- ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L Copper(II) sulfate Chemical compound [Cu+2].[O-][S+2]([O-])([O-])[O-] ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 9
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910000365 copper sulfate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910000978 Pb alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims abstract description 5
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 claims abstract description 5
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims description 26
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 238000009849 vacuum degassing Methods 0.000 claims description 14
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 9
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 7
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 238000007872 degassing Methods 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 6
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области металлургии. Способ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой заготовки в перенасыщенном водном растворе сульфата меди концентрацией 650 г/л, при температуре солевого раствора 80°C. После вакуумной дегазации осуществляют сушку заготовки при 150°C до постоянной массы заготовки. Запечатывают поры углеграфита посредством окунания предварительно нагретой до 400-450°C заготовки в сплав алюминия, состоящий из 18-22 мас.% цинка, 16-20 мас.% магния, 3,5-4,5 мас.% меди, остальное алюминий, с последующим остыванием заготовки на воздухе. Пропитывают заготовку расплавом матричного сплава алюминия того же состава под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава сплава алюминия при нагреве на 300°C выше температуры рекристаллизации сплава алюминия. Уплотняют заготовку сплавом свинца в пресс-форме при температуре 600°С. Техническим результатом изобретения является повышение качества композиционного материала. 1 табл., 1 пр.
Description
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 изготовления композиционных материалов, включающий погружение пористой заготовки в расплав матричного сплава алюминия, находящегося в камере для пропитки, вакуумную дегазацию в расплаве, нагрев на 100°C выше температуры ликвидус сплава алюминия одновременно с расплавом свинца, находящимся в камере для создания давления, и воздействие избыточным давлением на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости для пропитки (патент РФ №2539528, МПК B22F 3/26, C22C 1/04, опубл. 20.01.2015).
Недостатками этого способа являются большие затраты времени на нагрев оснастки и ее охлаждение для проведения дегазации камеры для пропитки, сложность обеспечения герметичности двух камер для создания давления сплавом свинца и камеры для пропитки.
Наиболее близким является способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой заготовки в растворе никелевого электролита, нанесение гальванического никелевого покрытия, последующее запечатывание пор углеграфита в расплаве алюминия при температуре 750°С в истечение 15-20 минут, и пропитку заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава сплава алюминия при нагреве на 300°C выше температуры рекристаллизации сплава алюминия (патент RU 2725522, МПК C22C 47/08, C22C 47/12, 02.07.2020).
Недостатком этого способа является необходимость пропитки при высоких значениях температуры и давления для обеспечения растворения гальванического никелевого покрытия и полного заполнения пор матричным сплавом, большие затраты времени и энергоресурсов (электроэнергии) при нанесении гальванических покрытий, необходимость отчистки воды от загрязняющих окружающую среду компонентов электролитов.
Задача - разработка способа максимального заполнения пор в углеграфитовой заготовке при пропитке ее матричным сплавом.
Техническим результатом изобретения является упрощение способа при сохранении и повышении качества композиционного материала (КМ).
Технический результат достигается в способе получения углеграфитового композиционного материала, включающем вакуумную дегазацию пористой заготовки в водном растворе сульфатной соли, ее сушку, последующее запечатывание пор углеграфита в сплаве алюминия и пропитку заготовки расплавом матричного сплава алюминия того же состава под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава сплава алюминия при нагреве на 300°C выше температуры рекристаллизации сплава алюминия, при этом в качестве раствора сульфатной соли используют перенасыщенный раствор сульфата меди концентрацией 650 г/л, вакуумную дегазацию проводят при температуре солевого раствора 80°C, сушку заготовки после вакуумной дегазации осуществляют при 150°C до постоянной массы заготовки, а запечатывание пор углеграфита выполняют в сплаве алюминия, состоящем из 18-22 масс.% цинка, 16-20 масс.% магния, 3,5-4,5 масс.% меди, остальное алюминий, посредством окунания предварительно нагретой до 400-450°C заготовки в сплав алюминия с последующим остыванием заготовки на воздухе, причем, после пропитки заготовки сплавом алюминия, заготовку дополнительно подвергают уплотнению сплавом свинца в пресс-форме при температуре 600°С.
Сущность способа заключается в вакуумной дегазации пористой заготовки (углеграфитового каркаса) в нагретом перенасыщенном водном растворе сульфата меди, полной сушке заготовки, обеспечивающей высыхание раствора в порах заготовки и кристаллизацию в них сульфата меди, последующее запечатывание пор углеграфита, позволяющее отсрочить дальнейшую обработку заготовки на неопределенный срок с сохранением приобретенных ею в результате подготовительных работ свойств, пропитку заготовки расплавом матричного сплава алюминия по безгазостатной технологии, и последующее уплотнение (более глубоком проталкивании в поры) сплава алюминия за счет воздействия избыточного давления сплава свинца на пропитанную заготовку в пресс-форме.
Заявленный способ является простым, не требующим электролизного оборудования, он позволяет повысить производительность процесса за счет сокращения времени на его реализацию, а также способствует повышению смачивания углеграфитового каркаса алюминиевым сплавом, что приводит к увеличению заполняемости пор металлом.
Солевые кристаллы растворяются в расплаве сплава алюминия и обеспечивают концентрированное легирование на границе взаимодействия углеграфит - сплав алюминия, что в свою очередь позволяет лучше заполнить поры сплавом алюминия.
Уплотнение пропитанной заготовки в пресс-форме повышает плотность металла в порах, а также проталкивает его глубже в поры и, соответственно, повышает качество композиционных материалов (КМ).
Способ осуществляется следующим образом.
Вакуумная дегазация углеграфитового каркаса проводится в перенасыщенном водном растворе сульфата меди (концентрацией 650 г/л). Температура раствора равна 80°C. В процессе вакуумной дегазации перенасыщенный раствор проникает в поры углеграфита.
В процессе последующей сушки заготовки при 150°C происходит испарение воды, как с поверхности заготовки, так и из ее пор. При этом происходит кристаллизация оставшегося в порах сульфата меди. Достижение условия постоянной массы заготовки обеспечивает полное испарение воды.
Далее заготовку нагревают в печи до температуры 400-450°C после чего покрывают поверхность сплавом алюминия, окунанием в расплав сплава алюминия при температуре 680°C с последующим остывании заготовки на воздухе в течение 5-10 минут. Предварительный нагрев заготовки позволяет сплавом алюминия равномерно покрыть поверхность углеграфитовой заготовки.
Запечатывание пор углеграфитового каркаса закрывает доступ газам (кислород, азот и д.р) и пыли, и позволяет заготавливать углеграфит в виде «полуфабриката», с сохранением приобретенных им в результате подготовительных работ свойств: его легко складировать, хранить и при необходимости проводить пропитку заданного количества заготовок не затрачивая время на подготовительные работы. При запланированной пропитке алюминиевая поверхность заготовки растворяется в основном расплаве сплава алюминия, и позволяет эффективнее заполнить им поры.
В качестве сплава алюминия для запечатывания пор и для пропитки используют сплав, состоящий из 18-22 масс.% цинка, 16-20 масс.% магния, 3,5-4,5 масс.% меди, остальное алюминий.
Полученную заготовку пропитывают по классической безгазостатной технологии расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава сплава алюминия при нагреве на 300°C выше температуры рекристаллизации сплава алюминия.
После завершения пропитки и извлечения пропитанной заготовки из устройства для пропитки, происходит кристаллизация матричного сплава в порах, за счет остывания на воздухе. Затем осуществляют уплотнение матричного сплава в порах углеграфита, проталкивая алюминий глубже в поры с помощью расплава свинца в пресс-форме за счет создания избыточного давления 10 МПа внутри формы при температуре 600°С.
Пример
По предложенному способу был получен КМ на основе пористой заготовки из 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.
Камеру для вакуумирования углеграфитового каркаса наполняли нагретым до 80°С водным раствором сульфата меди концентрацией 650 г/л. Пористую заготовку погружали в раствор, закрывали и проводили вакуумную дегазацию в течение 10 минут. Далее углеграфитовую заготовку сушили при температуре 150°С, до постоянной массы. После сушки, углеграфитовую заготовку предварительно, в отдельной печи нагревают до 400°С и на поверхность наносят металлическое покрытие из сплава алюминия в тигле при температуре 680°С, для чего заготовку погружают в тигель со сплавом алюминия и удерживают под поверхностью сплава в течении 5-10 секунд, после чего извлекают заготовку и оставляют остывать на воздухе.
Далее заготовку помещают в устройство для пропитки и заполняют сплавом алюминия закрывают крышкой. Устройство для пропитки нагревают до 700°C с изотермической выдержкой 20 мин. По окончании пропитки, извлекают КМ и производят его охлаждение с кристаллизацией сплава алюминия в порах.
После пропитки сплавом алюминия углеграфитовую заготовку помещают в пресс-форму, нагретую до 600°С.После чего в пресс-форму заливают сплав свинца, температура которого составляет 620°С.Далее пресс-форма устанавливается на пресс и после образования корки металла на поверхности заливочного отверстия, через плунжер создают избыточное давление внутри пресс-формы и выдерживают его в течение 50 секунд. После выдержки извлекают полученный КМ из пресс-формы.
Полученный КМ испытывался на прочность при сжатии, степень заполнения открытых пор (плотность пропитки) оценивалась по удельному весу КМ до и после пропитки.
Результаты испытаний КМ приведены в таблице.
Таблица
| КМ углеграфит - сплав алюминия | Температура заливки (начало пропитки), °C | Температура в конце пропитки, °C | Давление пропитки, МПа | Время выдержки давления, мин. | Степень заполнения открытых пор, % | Прочность КМ на сжатие, МПа | Результаты металлографических исследований |
| По предлагаемому способу | 680 | 700 | 2,4 | 20 | 93 | 183 | Не заполнены некоторые микроскопические поры |
| По способу прототипа | 600 | 750 | 3 | 20 | 92 | 181 | Заполнение микроскопических пор не полное, присутствуют небольшие незаполненные участки |
Таким образом, способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой заготовки в перенасыщенном водном растворе сульфата меди концентрацией 650 г/л, при температуре солевого раствора 80°C, сушку заготовки после вакуумной дегазации осуществляют при 150°C до постоянной массы заготовки, последующее запечатывание пор углеграфита посредством окунания предварительно нагретой до 400-450°C заготовки в сплав алюминия, состоящий из 18-22 масс.% цинка, 16-20 масс.% магния, 3,5-4,5 масс.% меди, остальное алюминий, с последующим остыванием заготовки на воздухе, пропитку заготовки расплавом матричного сплава алюминия того же состава под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава сплава алюминия при нагреве на 300°C выше температуры рекристаллизации сплава алюминия, и уплотнение заготовки сплавом свинца в пресс-форме при температуре 600°С, является простым и обеспечивает сохранение и повышение качества композиционного материала (КМ).
Claims (1)
- Способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой заготовки в водном растворе сульфатной соли, ее сушку, последующее запечатывание пор углеграфита в сплаве алюминия и пропитку заготовки расплавом матричного сплава алюминия того же состава под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава сплава алюминия при нагреве на 300°C выше температуры рекристаллизации сплава алюминия, отличающийся тем, что в качестве раствора сульфатной соли используют перенасыщенный раствор сульфата меди концентрацией 650 г/л, вакуумную дегазацию проводят при температуре солевого раствора 80°C, сушку заготовки после вакуумной дегазации осуществляют при 150°C до постоянной массы заготовки, а запечатывание пор углеграфита выполняют в сплаве алюминия, состоящем из 18-22 мас.% цинка, 16-20 мас.% магния, 3,5-4,5 мас.% меди, остальное алюминий, посредством окунания предварительно нагретой до 400-450°C заготовки в сплав алюминия с последующим остыванием заготовки на воздухе, причем, после пропитки заготовки сплавом алюминия, заготовку дополнительно подвергают уплотнению сплавом свинца в пресс-форме при температуре 600°С.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2788384C1 true RU2788384C1 (ru) | 2023-01-18 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1995004841A1 (en) * | 1993-08-11 | 1995-02-16 | Alliedsignal Inc. | Method of rapidly densifying a porous structure |
| RU2571296C1 (ru) * | 2014-07-22 | 2015-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Композиционный материал, содержащий углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди |
| CN109468549A (zh) * | 2018-12-10 | 2019-03-15 | 南昌航空大学 | 一种3d编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法 |
| RU2725522C1 (ru) * | 2019-12-28 | 2020-07-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Способ получения углеграфитового композиционного материала |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1995004841A1 (en) * | 1993-08-11 | 1995-02-16 | Alliedsignal Inc. | Method of rapidly densifying a porous structure |
| RU2571296C1 (ru) * | 2014-07-22 | 2015-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Композиционный материал, содержащий углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди |
| CN109468549A (zh) * | 2018-12-10 | 2019-03-15 | 南昌航空大学 | 一种3d编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法 |
| RU2725522C1 (ru) * | 2019-12-28 | 2020-07-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Способ получения углеграфитового композиционного материала |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2688772C1 (ru) | Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки | |
| RU2788384C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2788288C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2725524C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2788383C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2788160C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2788158C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2788159C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2793591C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2788382C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2788386C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2725531C1 (ru) | Способ изготовления композиционных материалов | |
| RU2751868C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2688522C1 (ru) | Способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки | |
| RU2725522C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2725518C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2751860C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2725526C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2751862C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2740446C1 (ru) | Способ изготовления композиционных материалов | |
| RU2750072C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2751864C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2725529C1 (ru) | Способ изготовления композиционных материалов | |
| RU2751869C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала | |
| RU2749979C1 (ru) | Способ получения углеграфитового композиционного материала |