SU1759932A1 - Способ изготовлени композиционных материалов - Google Patents

Abstract

Использование: получение композиционных материалов пропиткой пористого каркаса-основы расплавленным металлом. Сущность изобретени : заготовку погружают в расплав матричного сплава, провод т вакуумную дегазацию, нагревают, повыша  температуру расплава на величину Д t, и провод т пропитку заготовки расплавом. При этом A t Vn+VpP 5/Vo(|S ), где Vn - объем открытых пор заготовки; V0 - исходный объем расплава до нагрева; Р - давление пропитки; б - сжимаемость матричного сплава при температурах пропитки, / , - соответственно коэффициенты объемного расширени  матричного сплава и материала емкости в диапазоне температур пропитки . В качестве расплава используют расплав свинца, а в качестве заготовки - графит. 1 табл., 2 ил. СО С

Description

Изобретение относитс  к металлургии и может быть использовано при получении композиционных материалов (далее КМ) пропиткой пористого каркаса-основы расплавленным металлом.

Известен способ пропитки пористого тела металлом, при котором пористое тело предварительно нагревают и дегазируют в вакуумной печи, затем пропитывают при пониженном давлении металлом и подвергают в металлической форме воздействию избыточного давлени  до 100-200 МПа (см. пат. ФРГ № 2413977. кл. В 22 F 3/26, опубл. 01.12.77).

Недостатком этого способа  вл ютс  взрывоопасность из-за применени  сжатого газа дл  создани  избыточного давлени  и высока  себестоимость КМ за счет высокой стоимости оборудовани  дл  пропитки (стоимость газостата составл ет от 400 тыс. до 1,5-2 млн долларов).

Известен также способ получени  КМ, при котором армирующий каркас предварительно вакуумируют с одной из его сторон, а с противоположной подвергают пропитке матричным сплавом под давлением до 100 МПа, не прекраща  вакуумировани  (см. за вку Японии №62-67134, м.кл. В 21 С 23/00 за вл. 19.09.85, опубл. 26.03.87).

Недостатками этого способа  вл ютс  его взрывоопасность и высока  себестоимость получаемого КМ по указанным причинам .

Известен также способ получени  КМ, при котором армирующий каркас помещают под зеркало расплавленного матричного сплава, дегазируют созданием вакуума над матричным сплавом и ведут пропитку, создава  избыточное газовое давление над зеркалом матричного сплава (сгс. а.с. СССР № 416155, М. кл. В 22 D 29/02. за вл. 27.12.71, опубл. 04.07.74)

vj ел о

С°

te

Недостатками этого способа  вл ютс  его взрывоопасность и высока  стоимость получаемого КМ по указанным причинам.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту  вл етс  способ гор чего изостатиче- ского прессовани  порошков, при котором навеску уплотн емого порошка, наход щуюс  в герметичной оболочке, помещают в камеру, заполн емую рабочей жидкостью, затем измен ют температуру рабочей жидкости , осуществл   ее термическое расширение , в результате чего к порошку прикладываетс  всестороннее давление и он уплотн етс  (см. пат. США № 4264556, М.кл. В 22 F 3/02, за вл. 27.08.79, опубл. 28.04,81). В этом способе достигнута взры- вобезопасность процесса. Снижена также себестоимость получаемых материалов за счет снижени  стоимости оборудовани .

Недостатком этого способа при его использовании дл  получени  КМ пропиткой  вл етс  возможность получени  КМ низкого качества в св зи с тем, что не регламентируетс  температура нагрева рабочей жидкости (например, расплава матричного сплава). При недостаточно высокой температуре величина расширени  рабочей жидкости и создаваемое при этом давление недостаточны дл  обеспечени  требуемой степени заполнени  открытых пор армирующего каркаса матричным сплавом; при чрезмерно высокой-температуре нагрева величина термического расширени  расплава и создаваемое давление настолько велики, что вызывают местные разрушени  структуры армирующего каркаса (разломы стенок ме жду открытыми и закрытыми порами , по вление трещин).

Целью изобретени   вл етс  повышение качества КМ.

Дл  этого в способе изготовлени  композиционных материалов, включающем погружение пористого тела в расплав матричного сплава, вакуумную дегазацию, пропитку под действием избыточного давлени , получаемого за счет термического расширени  расплава в замкнутом объеме емкости дл  пропитки, последующие охлаждение и кристаллизацию, термическое рас- ширение расплава осуществл ют повышением температуры расплава от начала к концу пропитки па величину At, рзвVn+V0P 5 ., G

НУЮ fd-тг гДе Vn объем открытых

VQ (р-рс)

пор; V0 - исходный объем расплава в емкости дл  пропитки при температуре начала пропитки; Р-давление, требуемое дл  пропитки; д - сжимаемость матричного сплава

при температуре пропитки; / ,/Зс - соответственно коэффициенты объемного расширени  матричного сплава и. материала емкости дл  пропит ки в диапазоне температур пропитки.

При этом в качестве расплава матричного сплава используют расплав свинца, а в качестве пористого тела - графит.

Определение At по приведенной метрической зависимости позвол ет учесть величину нагрева, необходимую дл  компенсации объема открытых пор армирующего каркаса за счет термического расширени  матричного сплава, и обеспечивает создание

требуемого давлени  пропитки Р, что позвол ет получить КМ высокого качества с высокой степенью заполнени  объема открытых пор каркаса матричным сплавом. Использование в качестве расплава

матричного сплава расплава свинца, а в ка-. честве пористого тела графита позвол ет получать композиционный материал, широко примен емый в химической промышленности дл  изготовлени  подшипников

скольжени  и торцовых уплотнителей, работающих в агрессивных средах.

Схема осуществлени  способа представлена на фиг. 1 и 2.

Способ осуществл ют следующим образом .

Армирующий каркас 1 располагаетс  в емкости 2 дл  пропитки под слоем расплавленного матричного сплава 3, полностью заполн ющего рабочий объем емкости дл 

пропитки. Армирующий каркас удерживаетс  под слоем мат ричного сплава захватом 4. Емкость дл  пропитки герметично закрываетс  крышкой 5 (фиг. 1).

При осуществлении способа размещают армирующий каркас 1 в захвате 4 на дне емкости 2, нагревают емкость с каркасом 1 до температуры на 30-200°С выше температуры ликвидус матричного сплава, заливают емкость 2 расплавленным матричным сплавом 3, полностью покрыва  им армирующий каркас 1, герметично закрывают емкость 2 (фиг. 1) сменной крышкой с газоотводной трубкой (фиг. 2), производ т вакуумную дегазацию армирующего каркаса созданием

вакуума над слоем матричного сплава, поддержива  температуру последнего на 30- 200°С выше его температуры ликвидус, снимают сменную крышку (фиг. 2), доливают матричный сплав в емкость 2 до верхнего ее

обреза, герметично закрывают емкость 2

крышкой 5 (фиг. 1) и производ т нагрев этой

емкости от начала к концу пропитки на At с

изотермической выдержкой при давлении

(Р, снимают крышку 5, извлекают полученный КЛ/1 и производ т его охлаждение с кристаллизацией матричного сплава в порах,

П р и м е р 1. По предложенному способу был получен КМ графит-свинец с использованием графита марки ГЭ имеющего откры- тую пористость 18 об.%, Образец графита был выполнен в виде цилиндра диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Таким образом, объем графитового каркаса составл л 98,125 см3, обьем пор в каркасе Vn состав- л л 17,6625 см . Емкость дл  пропитки была выполнена в виде толстостенного стакана из стали 12Х18Н10Т, герметично закрываемого крышкой. Размеры стакана: внутренний диаметр 125 мм, высота внут- реннего цилиндра 250 мм, толщина стенки 20 мм.«Внутренний объем емкости дл  пропитки составл л 3066,406 см3. На дно емкости дл  пропитки в специальное удерживающее приспособление устанавли- вали графитовый каркас и нагревали емкость до 400°С. Одновременно в тигле расплавл ли свинец, нагрева  его также до 400°С. Затем расплав свинца заливали в емкость дл  пропитки до половины ее высо- ты с тем, чтобы расплав локрывал графитовый каркас, после чего емкость закрывали крышкой с газоотводной трубкой и вакууми- ровали до давлени  5 х мм рт.ст. с выдержкой 10-15 мин при 400°С. При этом происходила вакуумна  дегазаци  графитового каркаса. Затем снимали крышку с газоотводной трубкой, доливали свинец с температурой 400°С до верхнего обреза емкости дл  пропитки с по влением на этом обрезе выпуклого мениска жидкого свинца, герметично закрывали емкость сплошной крышкой с удалением избытка свинцз. и обеспечением отсутстви  в емкости газовых пузырей и нагревали емкость до требуемой температуры, обеспечива  заполнение открытых пор каркаса расплавом матричного сплава за счет повышени  давлени  в емкости при термическом расширении свинца,

По техническим данным оптимальным давлением при пропитке графитового каркаса указанного типа металлом  вл етс  МПа.

Определение величины нагрева Дг про- изводилось по приведенной математической зависимости. При этом значение Р -fie дл  свинца и стали 12Х18Н10Т вз ли из собственных экспериментов и прин ли (с точностью до 2,5%) равным 50 х 1 /град дл  интервала температур 400-600°С. Значение б дл  свинца, равное 4,25 х , вз ли из литературных данных, как среднее дл  интервала температур 450-550°С.

Объем свинца в емкости дл  пропитки при температуре начала пропитки равен разнице между внутренним объемом емкости дл  пропитки и объемом пропитываемого образца. Таким образом. V0 2968,281 см3.

Далее определ ли температуру нагрева матричного сплава, позвол ющую получить давление пропитки, равное 12 МПа и наход щеес  на нижнем пределе оптимального диапазона. При этом температуру начала пропитки принимали равной 400°С.

At

Vn + V0P б

v0(/3-AO

17.6625 + 2968,281 х 12 х 106 х 4.25 х 2968,281 х 50 х

129,2°С.

Таким образом, пропитка производилась при529°С.

Нагрев стакана при пропитке производили в шахтной печи сопротивлени . Изотермическа  выдержка при 529°С составл ла 20 мин, после чего КМ извлекалс  из расплава и охлаждалс  на воздухе.

Полученный КМ испытывалс  на прочность при сжатии, степень заполнени  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.

П ример2. По предложенному способу был получен КМ, аналогичный описанному в примере 1,

Пропитка производилась при давлении 15 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева матричного сплава и емкости дл  пропитки, равной 532°С.

Результаты испытаний КМ приведены в таблице.

ПримерЗ.По предложенному способу был получен КМ, аналогичный описанному в примере 1.

Пропитка производилась при давлении 18 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева емкости дл  пропитки, равной 535°С.

Результаты испытаний КМ приведены в таблице.

В сравнении с получением КМ по способу-прототипу (пат, США № 4264556, М.кл. В 22 F 3/02, за вл. 27.08.79, опубл. 28.04.81) предлагаемый способ позвол ет повысить качество КМ за счет точного дозировани 

величины нагрева расплава матричного сплава и получени  термического расширени  последнего, привод щего к созданию требуемого давлени  пропитки и заполнению открытых пор графитового каркаса.

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Способ изготовлени  композиционных материалов, включающий погружение пористой заготовки в расплав, вакуумную дегазацию, нагрев и воздействие избыточным давлением на заготовку за счет термического расширени  расплава в замкнутом объеме емкости, последующее охлаждение и кристаллизацию, отличающийс  тем, что, с целью повышени  качества композиционного материала, в качестве расплава используют расплав матричного сплава, а при нагреве дополнительно провод т пропитку заготовки, при этом температуру рас-

   плава повышают на величину At, рассчитываемую по формуле

   AtVn + УоР б

   VoOS-AO

   где Vn - объем открытых пор заготовки;

   Vo - исходный объем расплава до нагрева;

   Р - давление пропитки; д - сжимаемость матричного сплава при температуре пропитки

   /,/Зс - соответственно коэффициенты объемного расширени  матричного сплава и материала емкости в интервале температур пропитки.
2. 2. Способ по п. 1,отличающийс  тем, что при пропитке в качестве расплава матричного сплава используют расплав свинца, а в качестве пористой заготовки - графит,

   ,УчУУУ

   t