д.т.н. Гулевский В.А.*, Терзиман О.В.*, к.т.н. Кидалов Н.А.*, к.т.н Антипов В.И.**,Колмаков А.Г.**, Виноградов Л.В.**.

*Волгоградский Государственный Технический Университет

**Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Разработка матричного сплава на основе алюминия для пропитки углеграфита

Одним из способов получения композиционных материалов является пропитка пористых неметаллических каркасов расплавами металлов. В частности, композиционные материалы системы «углеграфитовый каркас – сплавы алюминия» отличаются широкими возможностями использования этих материалов в качестве вкладышей радиальных и упорных подшипников, направляющих втулок, пластин, поршневых колец,щеток токосъемных элементов, радиальных уплотнений в различных машинах, приборах и механизмах.[1]

Целью работы является создание матричного сплава на основе алюминия для пропитки углеграфитового каркаса с требуемым комплексом в котором сочетались бы физико-химические, механические и электротехнические свойства.

Углеграфит представляет собой сложную многокомпонентную систему, основным элементом которой является углерод. Открытая пористость углеграфитового каркаса в зависимости от заданного материала находится в интервале от 10 до 25 %. Среди существующего разнообразия методов устранения или уменьшения пористости в углеродных материалах, можно выделить пропитку металлами, в частности сплавами на основе свинца, сурьмы, меди, серебра и т.д. При заполнении пор все прочностные  и эксплуатационные характеристики композиционных материалов (КМ) в среднем повышаются в 1,6 раза. [4,5]

Одним из способов получения композитов подобного рода является пропитка углеграфитовых каркасов расплавами металлов. В результате разрабатываемые КМ приобретают как свойства углеграфита (высокие антифрикционные свойства, устойчивость при высоких температурах, химическая стойкость и т.д.), так и свойства металлов (высокие механическая прочность, пластичность, электро- и теплопроводность).

Преимущество пропитки сплавами на основе алюминия: наилучшая возможность повысить прочность, твёрдость, улучшить  износостойкость материала. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, хорошими антифрикционными свойствами.

В качестве материала для пропитки был взят силумин, так как у него хорошие литейные свойства и когда металлический сплав является элементом композиционного материала, он должен обладать совокупностью свойств, необходимых для создания самого композита, таких как проникающая способность, адгезия по отношению к материалу каркаса и т.п. Растекание жидкого металла по поверхности пористого углеграфитового  материала сопровождается пропиткой его пористой основы сплавами на основе свинца в условиях смачивания поверхности твердого тела.

Разработка новых сплавов производится при использовании устройства безгазостатной пропитки, разработанного в ВолгГТУ (рис. 2). [2,3] Способ основан на использовании термического расширения пропитывающего сплава в замкнутой пропитывающей камере, при создании давления.

  а) до пропитки                           б) после пропитки

Рисунок 1 – Безгазостатное устройство для пропитки

С целью проведения эксперимента, изготавливались углеграфитовые образцы сечением 15 х 15 мм и длиной 30 мм, которые пропитывались безгазостатным способом сплавом Al-Si-Ni-Cr при температуре 800°C и давлении 15 МПа. Условно пропитку КМ можно разделить на несколько этапов, отличающихся использованием различных технологических приемов. Выделим основные стадии процесса:

1) подготовка образца к пропитке, включающая  взвешивание до и после пропитки образца  с водой, дальнейшая просушка в термошкафу, в виду остаточной влаги  образуется перегретый пар, способствующий  заполнению углеграфита сплавом, из-за дополнительного разряжения в объеме пор.

2) погружение пористого углеграфита в расплав матричного сплава, при этом заливаем каркас сплавом, так чтобы он его полностью покрыл. На этом этапе повышают температуру до 600оС с выдержкой 20-25 минут.

3) вакуумная дегазация. В закрытую емкость для пропитки вворачивается газоотводная трубка, которая соединяется с вакуумным насосом, давление разряжения 15 МПа, при  температуре600 С . На этом этапе 90% воздуха из пор удаляется.

4) нагрев устройства, при нагреве дополнительно проводят пропитку заготовки в две стадии, при этом повышают температуру расплава. На первой стадии производят пропитку углеграфита за счет разряжения от перегретого пара и вакуумирования, а на второй создается избыточное давление, за счет термического расширения расплава свинца.

5) пропитка под действием избыточного давления в емкости для пропитки. Пропитка осуществляется после вакуумирования, выкрутив газоотводную трубку, в образующуюся чашу заливают сплав до резьбы и вкручивают «горячий» 800 0С болт окончательно герметизируя объем емкости, затем нагрев с выдержкой.

6) извлечение композита, последующее его охлаждение и кристаллизация матричного расплава.

При избыточном давлении 15 МПа, удалось получить КМ со сплавом системы Al-Si-Ni-Cr  с содержанием Si 12,5 мас.%.

После безгазостатнойпропитки из образцов изготавливали шлифы и исследовали их на цифровом микроскопе Olympus BX61 при различных увеличениях (рис.2).

Рисунок 2 – Микроструктура поверхности образцов, пропитанных  матричным сплавом  алюминия (микроскоп Olimpus BX61).

Полученные результаты и теоретический выбор поверхностно-активных легирующих элементов  позволили использовать устройство безгазостатной пропитки для создания матричного сплава Al-Si-Ni-Cr при определенных технологических условиях (давлении, температуре, времени).

. Был отмечен рост прочности пропитывающего сплава в составе композита за счет изменения структуры сплава при взаимодействии с каркасом и малого поперечного сечения металлического волокна, сформировавшегося в объеме микропор каркаса.

Разработанный способ безгазостатной пропитки позволяет создать новые  матричные сплавы с необходимым комплексом свойств, получить которые в других условиях  очень сложно, при этом позволяют достигать высокой степени заполнения открытых пор углеграфитовых каркасов.

Кроме того, применение метода безгазостатной пропитки позволяет значительно снизить себестоимость композиционных материалов за счет использования оборудования из обычных конструкционных материалов. По причине невысокой стоимости оснастки, можно изготовить большое количество емкостей для пропитки с целью организации серийного или массового производства композитов.[3]

 

Литература:

1. Антифрикционные материалы на основе углерода // Проспект фирмы «Шунк» (SchunkKohlenstofftechnikGmbH), Германия, 2006. - 22 с.

2. Матричный сплав для пропитки углеграфитового каркаса / В.А. Гулевский [и др.] //   Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. – 2009. - № 11 (59).  – С. 81-84.

3. Гулевский В. А., Загребин А. Н., Мухин Ю. А., Пожарский А. В.  Применение давления для получения литых композиционных материалов методом пропитки // Заготовительные производства в машиностроении, 2010. – №6. – С. 3-8.

4. Костиков В.И., Варенков А.Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. – М.: ИнтерметИнжиринг, 2003.- 560с.

5. Продвинутая технология пропитки капиллярно-пористых тел / В.М. Задорский // Импрегнация капиллярно-пористых тел. – 2005. – С. 4-21.