способ изготовления стеклометаллокомпозита

Формула изобретения

1. Способ изготовления стеклометаллокомпозита, включающий формирование сборки, содержащей детали из стекломатериала и металла, при условии, что коэффициент температурного расширения у стекла ниже, чем у металла, размягчение поверхности стекломатериала, контактирующей с металлом, ее прогревом и выдержкой при температуре размягчения стекломатериала, формирование усилий, прижимающих детали из стекломатериала и металла друг к другу, и охлаждение заготовки в таком положении, отличающийся тем, что в качестве упрочняемого стекломатериала используют стеклянный стержень, который в твердом состоянии помещают в плотно обжимающий его металлический стакан, снабженный крышкой, выполненной с возможностью поступательного перемещения вдоль продольной оси стакана, затем сборку нагревают до температуры размягчения поверхности стеклянного стержня, после чего последний обжимают, для чего к крышке стакана прикладывают усилие в направлении дна стакана, по завершению чего постепенно охлаждают сборку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлический стакан выполнен двухслойным, при этом толщина стенок внутреннего стакана, непосредственно контактирующего со стеклянным стержнем, соответствует конструктивным размерам готового изделия, при этом внутренний стакан с натягом зафиксирован в полости внешнего стакана.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе охлаждения сборки до 300°С скорость охлаждения не превышает 3°С в мин, а при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры скорость охлаждения не превышает 10°С в мин.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев и охлаждение сборки проводят либо в вакууме не менее 10^-3 мм.рт. ст., либо в атмосфере инертного газа, например аргона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для использования в несущих конструкциях в строительстве, гидротехнике, судостроении, авиастроении и других отраслях промышленности, при изготовлении стержневых конструкций (валов, стержней, анкеров), работающих в условиях интенсивного воздействия агрессивных сред, а также в условиях всестороннего сжатия.

Известен способ изготовления стеклометаллокомпозита, при котором пространство между металлическими обшивками заполняют расплавом стекла. При остывании расплав переходит в пластическое состояние, при котором он припаивается к металлическим обшивкам. Дальнейшее остывание полученной композиции материалов сопровождается переходом стекломассы в стеклообразное состояние. Вследствие более высокого коэффициента температурного расширения металла в процессе стеклования стекломассы создаются механические препятствия к растрескиванию поверхности стеклянного слоя (см. RU П № 2067060, 1996 г.).

Недостатками этого способа являются необходимость использования жаростойких металлов и большие затраты энергии на расплав стекломассы.

Известен также способ изготовления стеклометаллокомпозита из листов стекла, размещенных между металлическими листами, с использованием для соединения стекла с металлом высокой температуры и давления, при условии, что коэффициент температурного расширения у стекла ниже, чем у металла (см. RU П № 2196747, 2003 г.).

Недостаток этого способа заключается в необходимости большой затраты энергии для размягчения стеклянных листов.

Известен также способ изготовления стеклометаллокомпозита, включающий формирование сборки, содержащей детали из стекломатериала и металла, при условии, что коэффициент температурного расширения у стекла ниже, чем у металла, размягчение поверхности стекломатериала, контактирующей с металлом, ее прогревом и выдержкой при температуре размягчения стекломатериала, формирование усилий, прижимающих детали из стекломатериала и металла друг к другу, и охлаждение заготовки в таком положении (см. RU П № 2304117, 2006).

Недостаток этого способа заключается в невозможности его использования для получения стеклометаллокомпозитных стержней.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение возможности получения стеклометаллокомпозитных стержней.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в надежном соединении стеклянных и металлических заготовок между собой без применения клеевых составов и исключении образования поверхностных микротрещин в стекломатериале, что придает стеклометаллокомпозиту исключительно высокую прочность и ударостойкость.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления стеклометаллокомпозита, включающий формирование сборки, содержащей детали из стекломатериала и металла, при условии, что коэффициент температурного расширения у стекла ниже, чем у металла, размягчение поверхности стекломатериала, контактирующей с металлом, ее прогревом и выдержкой при температуре размягчения стекломатериала, формирование усилий, прижимающих детали из стекломатериала и металла друг к другу, и охлаждение заготовки в таком положении, отличается тем, что в качестве упрочняемого стекломатериала используют стеклянный стержень, который в твердом состоянии помещают в плотно обжимающий его металлический стакан, снабженный крышкой, выполненной с возможностью поступательного перемещения вдоль продольной оси стакана, затем сборку нагревают до температуры размягчения поверхности стеклянного стержня, после чего последний обжимают, для чего к крышке стакана прикладывают усилие в направлении дна стакана, по завершению чего постепенно охлаждают сборку.

Кроме того, металлический стакан выполнен двуслойным, при этом толщина стенок внутреннего стакана, непосредственно контактирующего со стеклянным стержнем, соответствует конструктивным размерам готового изделия, при этом внутренний стакан с натягом зафиксирован в полости внешнего стакана.

Кроме того, в процессе охлаждения сборки до 300°С скорость охлаждения не превышает 3°С за минуту, а при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры скорость охлаждения не превышает 10°С за минуту.

Кроме того, нагрев и охлаждение сборки проводят либо в вакууме не менее 10^-3 мм рт. ст. либо в атмосфере инертного газа, например аргона.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки « в качестве упрочняемого стекломатериала используют стеклянный стержень » обеспечивают возможность формирования стеклянной сердцевины стеклометаллокомпозита.

Признаки, указывающие, что стеклянный стержень «в твердом состоянии помещают в плотно обжимающий его металлический стакан», обеспечивают возможность приложения к стержню усилий, обжимающих его боковые поверхности.

Признаки, указывающие, что металлический стакан снабжен «крышкой, выполненной с возможностью поступательного перемещения вдоль продольной оси стакана», обеспечивают возможность приложения к стержню продольных усилий, обжимающих стержень в стакане.

Признаки, указывающие, что «сборку нагревают до температуры размягчения поверхности стеклянного стержня, после чего последний обжимают, для чего к крышке стакана прикладывают усилие в направлении дна стакана», способствуют лучшему контакту стакана и стеклянного стержня перед началом охлаждения сборки (коэффициент температурного расширения у стекла ниже, чем у металла, а потому на этапе прогрева может образоваться зазор между стержнем и стаканом, который и «выбирают» обжатием).

Признаки, указывающие, что по завершению обжатия стеклянного стержня в стакане «постепенно охлаждают сборку», обеспечивают формирование усилий, прижимающих внутреннюю поверхность стакана к поверхности стержня.

Приложение усилия в направлении дна стакана, затем постепенное охлаждение сборки, оставляя сжимающее усилие, позволяют снизить подвижность дислокаций, приводящих в силовом поле к развитию трещин, вызываемых неравномерной усадкой при охлаждении. При охлаждении под давлением происходит процесс выравнивания напряжений, что практически исключает в данных условиях образование трещин.

Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают возможность преодоления противоречия, которое может быть сформулировано как «для функционирования стеклометаллокомпозита толщина стакана должна быть минимальной, но малая толщина стакана приведет к деформированию изделия при продольном его сжатии и не позволит развить достаточное усилие, поджимающее стакан к боковой поверхности стеклянного стержня».

Признаки третьего пункта формулы изобретения исключают появление высоких температурных напряжений в результате значительного градиента температур и разрушение стеклянного стержня термическими напряжениями при остывании сборки.

Признаки четвертого пункта формулы изобретения обеспечивают обезгаживание поверхностей материалов и возгонку окисных пленок, что приводит к упрочнению соединения и улучшению свойств материалов.

Изобретение поясняется чертежом, на котором в разрезе представлено схематическое изображение описываемого способа изготовления стеклометаллокомпозита.

На чертеже показаны стеклянный стержень 1, внешний металлический стакан 2, внутренний металлический стакан 3, подвижная крышка 4. Стеклянный стержень 1 изготавливают диаметром, несколько большим диаметра полости стакана 3. Внешний 2 и внутренний 3 металлические стаканы плотно соединены известным образом с натягом. При этом внутренний стакан 3 вставлен в полость внешнего стакана 2, который может не иметь дна (представляет из себя трубчатый корпус). Перед введением стержня 1 в полость внутреннего металлического стакана 3 сборку стаканов подогревают для обеспечения беспрепятственного его ввода. Крышка 4 выполнена с возможностью поступательного перемещения вдоль продольной оси стакана 3. Целесообразно перед сборкой пакета соединяемые поверхности очистить от окислов, например поверхностные окислы удаляют травлением в специальных реактивах, после травления детали тщательно промывают и сушат. Не допускают также таких дефектов металлических заготовок, как заусенцы, расслоения и другие дефекты, которые обрабатывают механическим путем.

Готовые сборки (включающие стержень 1, стаканы 2 и 3 и крышку 4) в вертикальном положении (крышками вверх) устанавливают в камеру, заполняемую инертным газом или вакуумом, затем камеру помещают в печь известной конструкции, выполненную с возможностью выдерживания заданного режима прогрева до температур порядка 1100°С. Сверху на крышке устанавливают, например, пригрузочную плиту, вес которой (в том числе за счет дополнительных пригрузов - металлических болванок) должен составить не менее 100 кПа.

Размягченный материал торцов стержня продавливается под весом пригрузочной плиты, заполняя зазоры между стержнем и внутренним стаканом, в результате чего крышка 4 глубже заходит в полость внутреннего металлического стакана 3 и материал стержня плотно прилегает к внутренней поверхности внутреннего металлического стакана 3. Тем самым обеспечивают полное устранение поверхностных и внутренних дефектов стекла и надежное соединение стекла с металлом.

Далее осуществляют изотермическую выдержку сборок в течение определенного периода времени и постепенное (медленное) остывание. В процессе охлаждения сборки до 300°С скорость охлаждения не превышает 3°С за минуту, а при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры скорость охлаждения не превышает 10°С за минуту.

Начиная со времени начала стеклования поверхностей стеклянных слоев, металлические стаканы 2 и 3 сокращаются в большей мере, чем стеклянный стержень 1, вследствие различия их коэффициентов температурного расширения. Но поскольку в стеклометаллокомпозитном стержне внешний слой стеклянного стержня 1 соединен с обращенной к нему поверхностью внутреннего стакана 3, то стекло оказывает сопротивление сокращению размеров контактирующей с ним металлической поверхностью, вызывая в ней растягивающие напряжения и стягивание своих поверхностей. В результате остывания стенки внутреннего стакана 3 оказываются растянутыми, а стеклянный стержень 1 сжат. Стягивание поверхности стеклянного стержня 1 при остывании не позволяет образовываться поверхностным микротрещинам, уплотняя ее. Для уменьшения начальных напряжений в стеклометаллокомпозите может быть произведен отжиг изделия. После остывания печь раскрывают и из нее извлекают стеклометаллокомпозитную сборку. Далее осуществляют быстрый разогрев внешнего стакана 2 и снимают его со стеклокомпозитного стержня, после чего направляют на повторное использование.

Многократное повышение прочности и ударостойкости стекла в составе композита позволяет основную долю нагрузки, которая приходится на конструкцию из стеклометаллокомпозита, распределить на стеклянный стержень и тем самым уменьшить массу металла в конструкции, изготовленной из стеклометаллокомпозита. Это позволяет получить существенный экономический эффект, так как сырье, используемое для изготовления стекла, дешевое, его запасы практически не ограничены, а энергозатраты на изготовление стеклометаллокомпозита значительно ниже энергозатрат, которые требуются для изготовления облицовки из конструкционных металлов.