Матричный сплав на основе сурьмы для получения композиционных материалов пропиткой

 

Изобретение относится к металлургии и получению композиционных материалов скелетного типа, когда армирующий каркас из углеграфита пропитывают матричным сплавом. Техническим результатом изобретения является повышение качества композиционного материала. Сущность изобретения: матричный сплав на основе сурьмы, содержащий олово, дополнительно содержит хром при следующем соотношении компонентов, мас.%: олово - 12,0 ... 20,0; хром - 0,4 ... 9,0; сурьма остальное. 1 табл.

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.

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

РИСУНКИ

Рисунок 1