RU2688557C1 - Method for increasing permeability of pores of graphite workpiece - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to composite materials with porous carcass impregnation having high wear resistance, antifriction properties and resistance to aggressive media. Method of producing coal-graphite composite material includes vacuum degassing of porous coal-graphite billet, its impregnation in impregnation chamber by molten matrix alloy under effect of excessive pressure due to thermal expansion of lead melt in pressure chamber at heating by 100 °C above the liquidus temperature of the matrix alloy simultaneously with the lead melt, wherein the matrix alloy is an antimony alloy, degassing is carried out before immersing the porous workpiece into the melt of the matrix alloy, and before impregnation porous workpiece is coated with galvanic coating consisting of copper layer.EFFECT: technical result is improved quality of composite materials by increasing permeability of pores of graphite billet.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 износостойкость, 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 skeleton, having high wear resistance, 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 impurities in the pores of the carbon-graphite billet prevent them from being filled with the matrix alloy, and the absence of vacuuming adversely affects the melt of the matrix alloy, which oxidizes while interacting with air, reducing the quality 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, находящегося в камере для пропитки, вакуумную дегазацию в расплаве, нагрев на 100°С 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, С22С 1/04, опубл. 20.01.2015).The closest is a method of manufacturing composite materials, including immersion of a porous billet in a molten matrix aluminum alloy in the impregnation chamber, vacuum degassing in the melt, heating 100 ° C above the liquidus temperature of the aluminum alloy simultaneously with the lead melt , and the effect of excessive pressure on the workpiece due to thermal expansion of the melt in a closed volume of the tank for impregnation (RF patent №2539528, IPC B22F 3/26, С22С 1/04, publ. 01.20.2015).

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 в камере пропитки расплавом матричного сплава под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава одновременно с расплавом свинца, отличающийся тем, что в качестве матричного сплава используют сплав сурьмы, дегазацию проводят до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава, а перед пропиткой пористую заготовку покрывают гальваническим покрытием, состоящим из медного слоя.The technical result is achieved in the method of increasing the permeability of the pores of a carbon-graphite billet, including vacuum degassing a porous billet, impregnating it in an impregnation chamber with molten matrix alloy under the influence of overpressure due to thermal expansion of lead melt in a pressure chamber when heated 100 ° C above the liquidus temperature of the matrix alloy with lead melt, characterized in that antimony alloy is used as a matrix alloy, degassing is carried out before the porous billet is immersed into the melt of the matrix alloy, and before impregnation the porous billet is coated with an electroplated coating consisting of a copper layer.

Сущность изобретения заключается в разделении технологии на более простые этапы: разделение операций вакуумной дегазации углеграфитовой заготовки и пропитки, нанесение перед пропиткой на заготовку гальванического покрытия, состоящего из медного слоя, 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 of a galvanic coating consisting of a copper layer before impregnation on the blank, which contributes to better wetting of the carbon-graphitic framework, increases the permeability of its pores and, accordingly, improves the quality composite materials (KM), and also allows you to improve the performance of the process (by reducing the time to receive KM).

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, что позволяет получить легирующие действие нанесенного особо чистого металла на межфазную границу углеграфитовый каркас/пропитывающий сплав. Это позволяет снизить величину краевого угла смачивания поверхностного натяжения.Before electroplating the 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 the copper electrolyte, after which the copper layer is electroplated onto the carbon-graphite carcass, which is also formed in the pores filled with copper electrolyte, which makes it possible to obtain an alloying effect highly pure metal on the interphase boundary of the carbon-graphite frame / impregnating alloy. This allows to reduce the magnitude of the wetting angle of the surface tension.

Погружение пористой заготовки с нанесенным на нее гальваническим покрытием в расплав матричного сплава сурьмы, находящегося в камере для пропитки ведет к лучшей заполняемости пор матричным сплавом.Immersion of a porous preform with an electroplated coating deposited on it into the melt of the matrix alloy of antimony in the impregnation chamber leads to a better filling of the pores with the 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 with copper sulfate electrolyte consisting of copper sulfate, distilled water, sulfuric acid;

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

При этом верхняя камера для пропитки снабжена разделительной мембраной, на которую устанавливается углеграфитовый каркас с нанесенным на него медным гальваническим покрытием. После установки углеграфитового каркаса (заготовки) камера для пропитки заполняется сплавом сурьмы. Нижняя камера для создания давления предварительно заполнена расплавом свинца и позволяет осуществлять пропитку пористой заготовки при нагреве, под действием избыточного давления матричного сплава сурьмы и получаемого за счет дополнительного термического расширения свинца, через металлическую мембрану при увеличении объема свинца в замкнутом объеме устройства для пропитки.At the same time, the upper impregnation chamber is equipped with a separation membrane on which a carbon-graphite frame is installed with a copper electroplated coating applied on it. After installing the carbon frame (blank), the impregnation chamber is filled with antimony alloy. The lower pressure chamber is pre-filled with lead melt and allows impregnation of a porous billet during heating, under the action of an overpressure of a matrix antimony alloy and obtained through additional thermal expansion of lead through a metal membrane with an increase in lead volume in a closed impregnation device.

Определение температуры ликвидус с перегревом 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 сурьмы.Determination of the liquidus temperature with overheating at 100 ° C allows to take into account the amount of heating, ensures the creation of the required impregnation pressure, which allows to obtain high quality CM with a high degree of filling the volume of open pores of the porous billet with antimony matrix alloy.

Использование в качестве матричного расплава - сплава сурьмы, а в качестве пористого тела углеграфитовой заготовки позволяет получать композиционные материалы, широко применяемые в машиностроении для изготовления направляющих, работающих в растворах кислот, щелочи, в морской воде, в виде уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения.The use of an antimony 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 guides working in solutions of acids, alkali, in sea water, in the form of 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.

Устройство для пропитки углеграфитовой заготовки 5 состоит из двух камер: камеры для пропитки 7 и камеры для создания давления 8. Между камерами 7 и 8 установлена металлическая мембрана 9. В верхней камере для пропитки 7 размещена углеграфитовая заготовка 5 с нанесенным гальваническим покрытием 10. Камера для пропитки 7 заполнена расплавом матричного сплава сурьмы 11. Нижняя камера для создания давления 8 заполнена расплавом свинца 12. Устройство для пропитки герметично закрывается крышкой 13 с пробкой 14.A device for impregnating a carbon-graphite blank 5 consists of two chambers: a chamber for impregnation 7 and a chamber for creating pressure 8. A metal membrane 9 is installed between chambers 7 and 8. In the upper chamber for impregnation 7 there is a carbon-graphite blank 5 coated with a galvanized coating 10. The chamber for impregnation 7 is filled with molten matrix alloy of antimony 11. The lower chamber for creating pressure 8 is filled with lead melt 12. The impregnator is sealed with a cap 13 with a plug 14.

ПримерExample

По предложенному способу был получен КМ углеграфит - сплав сурьмы 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. В качестве сплава использовался матричный сплав на основе сурьмы согласно патента на изобретение RU2 526 356 (МПК С22С 12/00, С22С 47/12, опубл. 20.08.2014 г. Бюд. №23).According to the proposed method, KM carbon-graphite was obtained - an antimony alloy using an AG-1500 carbon graphite having 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 . As an alloy, a matrix alloy based on antimony was used according to patent for invention RU2 526 356 (IPC С22С 12/00, С22С 47/12, published on August 20, 2014, Byud. No. 23).

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.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 DC source, a positive charge to the anodes, and negative to a carbon-graphite billet 5, the current is set to 1.5 A with a holding time in 40-60 minutes

Далее углеграфитовая заготовка 5 с нанесенным медным гальваническим покрытием 10, промывают в воде, сушат и помещают в емкость для пропитки матричным сплавом сурьмы.Next, carbon-graphite billet 5 coated with copper plating 10, washed in water, dried and placed in a container for impregnation with a matrix alloy of antimony.

При осуществлении способа устройство для пропитки углеграфитовой заготовки 5, выполненное из двух камер 7 и 8 нагревают до температуры 400°С и заполняют камеру 8 расплавом свинца 12. Устанавливают металлическую мембрану 9 между камер и скручивают их так, чтобы мембрана 9 герметизировала соединение. Затем, в камере 7 размещают углеграфитовую заготовку 5 с нанесенным гальваническим покрытием 10, закрывают камеру 7 крышкой 13. В камеру 7 заливают расплав матричного сплава сурьмы 11, полностью покрывая им пористую заготовку 5, затем крышку 13 притирают пробкой 14, предварительно нагретой до 900°С и шплинтуют ее.In the process, a device for impregnating a carbon-graphite blank 5 made of two chambers 7 and 8 is heated to a temperature of 400 ° C and the chamber 8 is filled with lead melt 12. A metal membrane 9 is installed between the chambers and twisted so that the membrane 9 seals the joint. Then, a carbon-graphite blank 5 with an electroplated coating 10 is placed in the chamber 7, the chamber 7 is covered with a cover 13. A melt of the antimony matrix alloy 11 is poured into the chamber 7, completely covering the porous blank 5 with it, then the cover 13 is rubbed with a stopper 14 preheated to 900 ° With and splint it.

После этого устройство для пропитки углеграфитовой заготовки 5 нагревают на 100°С выше температуры ликвидус расплава матричного сплава сурьмы с изотермической выдержкой 20 мин при достижении указанной температуры и расчетного давления. За счет разницы коэффициентов термического расширения емкости и расплава матричного сплава сурьмы 11, а также за счет разницы, коэффициентов термического расширения расплава свинца 12 внутри камеры 8 и расплава матричного сплава сурьмы 11, при котором увеличивается объем камеры 7, создается оптимальное давление пропитки.After this, the device for impregnating the carbon-graphite blank 5 is heated to 100 ° C above the liquidus temperature of the melt of the matrix antimony alloy with an isothermal holding time of 20 minutes at the specified temperature and design pressure. Due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the capacity and melt of the matrix alloy of antimony 11, as well as due to the difference, the coefficients of thermal expansion of the lead melt 12 inside the chamber 8 and the melt of the matrix alloy of antimony 11, which increases the volume of the chamber 7, creates an optimal impregnation pressure.

Пропитка производилась при давлении 3-5 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева емкости для пропитки, равной 920-950°С.The impregnation was carried out at a pressure of 3-5 MPa, which was ensured by the heating temperature of the impregnation tank equal to 920-950 ° C.

По окончании пропитки, удаляют пробку 14, сливают третью часть расплава матричного сплава сурьмы 11, отворачивают крышку 13, извлекают полученный КМ и производят его охлаждение с кристаллизацией расплава матричного сплава сурьмы 11 в порах.At the end of the impregnation, remove the plug 14, drain the third part of the melt of the matrix alloy of antimony 11, unscrew the lid 13, remove the resulting CM and cool it with crystallization of the melt of the matrix alloy of antimony 11 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.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.

Результаты испытаний приведены в таблице.The test results are shown in the table.

Таким образом, способ повышения проницаемости пор углеграфитовой заготовки, включающий вакуумную дегазацию пористой заготовки до ее погружения в расплав матричного сплава, перед пропиткой пористую заготовку покрывают медным гальваническим покрытием, и пропитку в камере пропитки расплавом матричного сплава сурьмы под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава одновременно с расплавом свинца, обеспечивает повышение качества композиционных материалов (КМ).Thus, a method for increasing the pore permeability of a carbon-graphite billet, including vacuum degassing a porous billet before it is immersed in the matrix alloy, prior to impregnation, the porous billet is coated with a copper electroplated coating, and impregnated the antimony matrix alloy under the influence of overpressure due to thermal melt expansion lead in the pressure chamber when heated to 100 ° C above the liquidus temperature of the matrix alloy simultaneously with the lead melt, provides increased s quality of composite materials (KM).

Claims (1)

Способ получения углеграфитового композиционного материала, включающий вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки, ее пропитку в камере пропитки расплавом матричного сплава под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава одновременно с расплавом свинца, отличающийся тем, что в качестве матричного сплава используют сплав сурьмы, дегазацию проводят до погружения пористой заготовки в расплав матричного сплава, а перед пропиткой пористую заготовку покрывают гальваническим покрытием, состоящим из медного слоя.The method of obtaining carbon-graphite composite material, including vacuum degassing of porous carbon-graphite billet, its impregnation in the impregnation chamber of the matrix alloy melt under the influence of overpressure due to thermal expansion of the lead melt in the pressure chamber when heated to 100 ° C above the liquidus temperature of the matrix alloy simultaneously with the lead melt, characterized in that antimony alloy is used as the matrix alloy, degassing is carried out before the porous billet is immersed in the matrix melt melt, and before impregnation, the porous billet is coated with an electroplated coating consisting of a copper layer.

Images