матричный сплав на основе сурьмы для получения композиционных материалов пропиткой

Формула изобретения

МАТРИЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ СУРЬМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРОПИТКОЙ углеграфитового каркаса, содержащий олово, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит хром при следующем соотношении компонентов сплава, мас.%:

Олово - 12,0 - 20,0

Хром - 0,4 - 9,0

Сурьма - остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии и получения армированных композиционных материалов и отливок и может быть использовано для получения пропиткой композиционных материалов, имеющих армирующий углеграфитовый каркас, которые работают в агрессивных средах в качестве торцовых уплотнителей, подшипников скольжения, направляющих и т.п. деталей.

Известен матричный сплав на основе сурьмы, применяемый для получения композиционных материалов (КМ) пропиткой и имеющий следующий химический состав (мас. ): Sb 85; Zn 10; Ti 5 (Костиков В.И. Варенко А.Н. Взаимодействие металлических расплавов с углеродными материалами. М. Металлургия, 1981, с. 184). Указанный состав сплава обладает пониженной, по сравнению с чистой сурьмой испаряемостью при вакуумировании перед пропиткой, но его испаряемость все же достаточно высока. К недостаткам этого сплава можно также отнести его невысокую проникающую способность по отношению к углеграфитовому каркасу и низкую прочность, что не позволяет получить КМ с высокой прочностью.

Известен также матричный слав для получения КМ пропиткой углеграфитового каркаса, состоящий из Sb 70 мас. и Sn 30 мас. [1] Этот сплав обеспечивает весьма малую испаряемость при пpопитке, хорошую коррозионную стойкость, но обладает невысокой проникающей способностью по отношению к углеграфитовому каркасу. Последнее обстоятельство, несмотря на сравнительно высокую прочность матричного сплава, не позволяет получать КМ высокого качества.

Наиболее близким к предлагаемому сплаву по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе сурьмы для получения КМ, имеющий следующий химический состав, мас. Sn 15,0.25,0; Ga -0,15.0,60; Sb остальное. [2]

Матричный сплав указанного состава обладает более высокой прочностью и проникающей способностью по отношению к углеграфитовому каркасу, чем сплавы, рассмотренные выше, однако для получения КМ более высокого качества необходимо повышение прочности сцепления меду пропитывающим сплавом и армирующим каркасом, а также проникающей способности матричного сплава.

Задачей данного изобретения является повышение прочности сцепления (связи) между пропитывающим сплавом и армирующим каркасом, а также увеличение проникающей способности матричного сплава. При изготовлении КМ любым способом необходимо выполнить два условия: создать физический контакт компонентов по всей поверхности раздела и осуществить степень физико-химического взаимодействия компонентов, обуславливающую требуемый уровень монолитизации КМ (прочность связи компонентов) при минимальном ухудшении свойства пропитывающего сплава и углеграфитового каркаса.

Техническим результатов данного изобретения является повышение качества композиционного материала.

Технический результат достигается тем, что в матричный сплав для получения КМ пропиткой армирующего углеграфитового каркаса, содержащий сурьму и олово, дополнительно введен хром при следующем соотношении компонентов, мас, Sn 12,0.20,0; Cr 0,4.9,0; Sb остальное.

Существенным отличительным признаком предлагаемого сплава является наличие в нем хрома в количестве 0,4.9,0 мас. и снижение интервала содержания олова 12,0.20,0 мас. с сохранением низкого уровня испаряемости сплава в рабочем диапазоне температур пропитки.

Изменение содержания олова в сплаве определено увеличением коррозионной стойкости матричного сплава на основе сурьмы с гарантированной испаряемостью в диапазоне температур до 750^оС включительно, а также уменьшением стоимости сплава.

Введение в состав сплава хрома в указанном диапазоне концентраций приводит к существенному повышению прочности матричного сплава вследствие увеличения его работы адгезии, что связано с проникающей способностью и снижением краевого угла смачивания сплава, характеризуемой глубиной затекания последнего в искусственные капилляры, выполненные в углеграфите.

Введение в состав сплава менее 0,4 мас. хрома приводит к снижению его проникающей способности и, вероятно, недостаточно для повышения прочности сцепления между матричным сплавом и армирующим каркасом.

Введение в состав сплава более 9,0 мас. хрома нецелесообразно ввиду отсутствия влияния на проникающую способность сплава и, соответственно, нет увеличения плотности КМ, а есть повышение стоимости сплава.

Введение в состав сплава олова в количестве менее 12,0 мас. приводит к заметному повышению испарения сурьмы.

Введение в состав сплава олова в количестве, превышающем 20,0 мас. не рационально ввиду отсутствия влияния на снижение испарения сурьмы и связано со снижением проникающей способности сплава.

Предлагаемый сплав обеспечивает практическое отсутствие испарения и более высокую прочность КМ, чем известные сплавы.

П р и м е р 1. Сплав с содержанием ингредиентов, мас. Sn 11,0; Cr 0,30; Sb остальное.

Приготовление сплава производится следующим образом: в расплав сурьмы, перегретый до 950^оС, добавляют при непрерывном перемешивании, мелкими порциями, гранулированное олово. При снижении подвижности расплава производится его промежуточный нагрев до температуры 950^оС, затем добавляется очередная порция олова до достижения заданной концентрации. После этого на зеркало расплава в тигле в течение 60.120 с подают аргон и одновременно добавляют требуемое количество хрома небольшими порциями, фракции размером 0,5 х 3 х 5 мм, перемешивают непрерывно до выравнивания концентрации и разливают в формы. Если необходимо, производят промежуточный нагрев до 950^оС и повторяют последовательность операций; связанных с вводом хрома.

Изготовление КМ производилось пропиткой каркаса из углеграфита марки АГ-1500 матричным сплавом под давлением 12,0 МПа при температуре 750^оС и выдержке под давлением 20 минут.

В качестве технологических характеристик сплава исследовались его прочность, коррозионная стойкость, проникающая способность по отношению к углеграфитовому каркасу, испаряемость.

В качестве технологических характеристик КМ определялись прочность и плотность.

Прочность сплава и КМ на сжатие определялась на цилиндрических образцах диаметром 200,2 мм и высотой 20 мм при настройке разрывной машины на максимальную нагрузку 10000 кГс.

Коррозионная стойкость сплава проверялась по изменению веса цилиндрического образца сплава диаметром 4 мм, высотой 120,3 мм после пребывания в агрессивной среде в течение 1200 ч. В качестве агрессивных сред применялись 10% растворы кислот: соляной, серной, азотной; 0,4% едкого кали; 5% хлористого натрия.

Проникающая способность сплава по отношению к углеграфитовому каркасу определялась по глубине затекания сплава в отверстие диаметром 0,45 мм, выполненное в дне плоскодонного сверления в углеграфитом каркасе. Время изотермической выдержки сплава в плоском сверлении при температуре 750^оС составляло 20 мин, постоянство металлостатического давления на дно плоскодонного сверления обеспечивалось заливкой сплава в указанное сверление заподлицо с поверхностью каркаса и постоянство размеров плоскодонного сверления во всех опытах: диаметр 100,1 мм, глубина 50,1 мм.

В дне каждого плоскодонного сверления выполнялись три отверстия диаметром 0,45 мм и проникающая способность определялась как среднее значение глубины затекания из трех опытов. Испытания проводились в атмосфере аргона.

Испаряемость определялась по потере веса навески сплава, равной 9 г, нагреваемой в трубчатой печи при температуре 800^оС в течение 20 мин в токе аргона, удаляющего пары сплава при атмосферном давлении.

Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор. При этом объем последних в пропитываемом образце определялся предварительно заполнением заранее взвешенного образца с водой с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды.

Указанный сплав и КМ на его основе в условиях испытаний показали: потерю веса от испарения 11,29% глубину затекания в капилляр 0,17 мм, изменение веса в кислотах: соляной 0,092% серной 0,179% азотной 0,195% едком кали 0,041% хлористом натрии 0,038% Прочность матричного сплава составила 141 МПа. Плотность КМ составила 44,3 его прочность 140,1 МПа.

П р и м е р 2. Сплав с содержанием ингредиентов, мас. Sn 12,0; Cr 0,4; Sb остальное.

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Потеря веса от испарения 0,31% глубина затекания 0,82 мм; изменение веса в серной 0,003% в соляной 0,044% а азотной 0,007% в едком кали 0,037% в хлористом натрии 0,023% прочность сплава составила 196 МПа. Плотность КМ составила 47,5% его прочность 147,6 МПа.

П р и м е р 3. Сплав с содержанием ингредиентов, мас. Sn 16,0% Cr 4,5% Sb остальное.

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогично примеру 1.

Потеря веса от испарения 0,24% глубина затекания 1,79 мм; изменение веса в соляной кислоте 0,003% в серной 0,032% в азотной 0,007% в едком кали 0,024% в хлористом натрии 0,018% прочность сплава составила 207 МПа. Плотность КМ составила 61,3% его прочность 161,5 МПа.

П р и м е р 4. Сплав с содержанием ингредиентов, мас. Sn 20,0; Cr 9,0; Sb остальное.

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Потеря веса от испарения 0,20% глубина затекания 1,63 мм, изменение веса в соляной кислоте 0,003% в серной 0,031% азотной 0,007% в едком кали 0,022% в хлористом натрии 0,009% прочность сплава составила 224 МПа. Плотность КМ составила 58,4% его прочность 160,3 МПа.

П р и м е р 5. Сплав с содержанием ингредиентов, мас. Sn 25,0; Cr 9,5; Sb остальное.

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Потеря веса от испарения 0,18% глубина затекания 1,30 мм, изменение веса в соляной кислоте 0,005% в серной 0,037% в азотной 0,008% в едком кали 0,027% в хлористом натрии 0,025% прочность сплава составила 230 МПа. Плотность КМ составила 52,3% его прочность 156,2 МПа.

Примеры на варьирование составом сплава, обосновывающие влияние содержания олова на технологические характеристики сплава и КМ, приведены в таблице.

В сравнении со сплавом-прототипом (авт.св. N 1773942) предлагаемый сплав обеспечивает большую прочность и плотность КМ при небольшом увеличении коррозионной стойкости и отсутствии испаряемости в интервале температур до 750^оС включительно.