Исследование свойств скелетных графитовых композитов, пропитанных металлическими сплавами под высоким давлением

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

В. А. Гулевский*, Ю. А. Мухин*, А. Г. Колмаков**, В. И. Антипов**, Л. В. Виноградов**
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СКЕЛЕТНЫХ ГРАФИТОВЫХ КОМПОЗИТОВ, ПРОПИТАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СПЛАВАМИ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ
*Волгоградский государственный технический университет **Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН
(e-mail: mitlp@vstu. ru)
На основании разработанной технологии, позволяющей пропитывать графитовые каркасы с пористостью 8−25%, получены скелетные композиционные материалы «графит-металлический сплав», сочетающие высокие антифрикционные свойства и химическую стойкость графита с хорошей механической прочностью и высокой электропроводностью, присущими металлам. Приводятся результаты металлографических исследований и оценки свойств полученных композиционных материалов с металлической матрицей.
Ключевые слова: композиционные материалы, пропитка, углеграфит, смачивание, высокое давление.
In virtue of the developed technology, allowing to impregnate carbon skeletons with porosity 8−25%, skeleton composites «carbon — metal alloy», combining high antifriction properties and chemical endurance of carbon with good mechanical strength and high conductivity natural to metals, were obtained. The results of the metallographic studies and properties value of the obtained composites with metal matrix are given.
Keywords: composite materials, impregnation, carbon-graphite, wetting, high pressure.
Благодаря своим уникальным свойствам уг- ния различных машин и агрегатов, работающих
леграфитовые материалы находят все более без смазки, обладают химической стойкостью,
широкое применение в технической практике. высокой теплопроводностью и другими необ-
Современные исследования этих материалов ходимыми свойствами. Плотные К М получают
ориентируются прежде всего на обеспечение путем пропитки углеграфитового каркаса жид-
свойств, требующихся при создании, например, ким металлом.
компрессоров или насосов для химически аг- В качестве уплотнительных элементов тре-
рессивных сред. К таким композиционным ма- ния широко применяются материалы, пропи-
териалам (КМ) относятся скелетные композиты танные баббитом Б83, сплавом свинца и олова
углеграфит — металл. В таких материалах обе С05. Эти материалы непроницаемы для жидко-
составляющие механически проникают друг в стей и газов, имеют необходимую прочность и
друга по способу «скелет в скелете». Они при- износостойкость при трении в жидких средах,
меняются для изготовления деталей узлов тре- однако их рабочие температуры не превышают
250 °C. Применение сурьмы в качестве пропитывающего материала позволяет получать материалы, работоспособные при температурах до 500 °C. Кроме того, известно, что оптимальными для антифрикционного применения свойствами обладают материалы, пропитанные сурьмой вследствие малой склонности последней к схватыванию при трении по стали, работоспособной в узлах трения при повышенных нагрузках и скоростях [1].
Настоящее исследование было проведено с целью определения влияния сурьмы на физикомеханические, теплофизические и антифрикционные свойства углеграфитовых материалов: специально подготовленных для пропитки заводом «Электрокарбон» (Словакия) и элементах (образцах), вырезанных из ниппелей электрометаллургических электродов фирмы «Сиг-ри» (Германия). Эти материалы до пропитки их сурьмой отличались по таким основным характерным параметрам как плотность, прочность, теплопроводность.
Углеграфитовый материал «Сигри» — гра-фитированный, крупнозернистый. Размер отдельных зерен достигает 0,1−0,17 мм. Пористость материала равномерная, общий объем пор достигает 9−12%, в том числе открытых 5−7%. Размер пор 10−90 мкм. Материал завода «Электрокарбон» — графитированный, мелкозернистый. Размер зерен 0,06−0,08 мм. Пористость материала равномерная, конфигурация пор разветвленная, сложная. Общий объем пор 2025%, в том числе открытых 10−15%, размер пор 10−50 мкм.
Пропитку материалов сурьмой проводили при температуре пропитки 700−750 °С под давлением, изменяющимся от 0 до 10 МПа по заданному режиму. Каркасы предварительно ва-куумировали, давление разряжения не менее 0,01 МПа. В результате полученные КМ имеют более высокие, чем исходные углеграфитовые каркасы до пропитки, показатели прочности и теплопроводности, меньшее удельное электросопротивление, а также исключают возможность инфильтрации агрессивной среды. Эффективность заполнения открытых пор в процессе жидкофазной пропитки углеграфитов в значительной мере обусловлена характером их пористой структуры и в том числе размерами пор.
В качестве анализируемого показателя использовали отношение площади поры на микрошлифе, занятой металлом, к общей площади поры [2]. Наиболее полно (на 85−100%) запол-
нились поры размером до 30 мкм. Количество этих пор в материале «Сигри» составляет около 30% от общего количества пор. С увеличением размеров пор степень заполнения их уменьшается с 85 до 30%. Микроанализ пористой структуры углеграфитов свидетельствует о том, что крупные поры связаны друг с другом сетью более мелких. Максимальное заполнение пор зависит от оптимальной скорости и температуры пропитки, а также от общего времени и взаимодействия углеграфитового каркаса с металлом. Глубина проникновения пропитывающего металла в каркас прямо пропорциональна корню квадратному из времени, в нашем случае эта тенденция наблюдалась в области невысокого давления 0−5 МПа, поэтому временной показатель определялся косвенными технологическими параметрами и составлял 10−15 минут. Переменный параметр, температура, в изучаемом интервале не оказывал решающего давления на прирост массы металла в углеродном материале после пропитки. Скорость заполнения свободных пор прямо зависит от величины давления. Однако верхний предел последнего наряду с повышением физико-механических свойств и снижением удельного электросопротивления материала, т. е. максимальное заполнение пор, приводит к разрушению внутренней структуры углеграфитового каркаса и неравномерному распределению металла в объеме композита.
Вид зависимости, представленный на рис. 1, характерен для всех рассмотренных углеграфитовых каркасов и матричных сплавов на основе сурьмы, меди, свинца [3−5]. На участке, а заложен интервал температур, при котором перегрев сплава соответствует давлению, не превышающему противодавление в порах углеграфитового каркаса, поэтому пропитки нет. На участке в происходит эффективное заполнение

¦ II — I '-(
0Л u 0,2 A & lt-U. 0,4 1 p -- АТ, °C
Рис. 1. Зависимость степени заполнения пор углеграфита сплавом свинца от величины его перегрева:
ЛТ = (Тг — Ti)/T2- Ti = const (400 °C)
пор углеграфита пропитывающим сплавом, вследствие создания необходимых условий для пропитки, т. е. соответствует давлению, превышающему АРУ — капиллярное давление. Однако разница величин давлений позволяет заполнить поры крупнее 30 мкм, поры в диапазоне 30−60 мкм составляют в общем объеме открытой пористости около 48%, этим и можно объяснить резкое увеличение степени заполнения (Пз) углеграфита сплавом на участке в, хотя величины давления все же недостаточно. Для комплектного заполнения углеграфита увеличивали давление. В результате на участке с осуществляется заполнение типоразмеров пор 0−30 мкм, 60−150 мкм, которые составляют в общем объеме открытой пористости 15−20% и 25−30% соответственно, что приводит к 60−70% оптимальному заполнению открытой пористости скелетных КМ с требуемыми физикомеханическими свойствами и не уступает по этому показателю основным зарубежным аналогам. На участке й отмечено заметное снижение интенсивности заполнения от соответствующего увеличения давления пропитки, которое зависит, кроме того, от типоразмеров оставшихся незаполненных пор, их распределения, разветвленности, шероховатости поверхности и т. п.
Давление для осуществления пропитки, например, свинцом создают нагревом емкости. За счет разницы коэффициентов объемного расширения материала емкости и пропитывающего сплава последний расширяется больше, чем рабочий объем емкости, но, поскольку емкость закрыта герметично, сплав в ней создает давление [5].
Давление определяли с учетом расширения пропитывающего сплава с начальным объемом (У0 + УП), где У0 — исходный объем пропитывающего сплава в емкости для пропитки при температуре начала пропитки, м3- УП — объем открытых пор в пропитывающем углеграфитовом каркасе, м3.
Таким образом, реализуемое при пропитке давление определяется по следующей формуле:
ЛаР-Рс)
Р = -
5
(1)
где р-рс — разница коэффициентов, соответственно, объемного расширения пропитывающего сплава и материала емкости для пропитки, в диапазоне температур пропитки, град-1- 5 — сжимаемость пропитывающего сплава при температуре пропитки, Па-1.
Таким образом, было установлено, что давление прямо пропорционально температуре перегрева пропитывающего сплава. При этом нужно отметить, что она была искусственно расчленена на две составляющие, т. е. А0 -расширение жидкого пропитывающего сплава с начальным объемом У0 до объема (У0 + УП) и А1 — расширение сплава с начальным объемом (У0 + УП) для создания давления (Р). Поэтому общая температура перегрева пропитывающего сплава в замкнутом объеме емкости для пропитки определяется следующей аналитической зависимостью:
У + У • р-5
п п г
Аґ = Аґ0 + Аґ1 =-
П (Р-Рс)
(2)
Следует отметить, что в последние годы при производстве композиционных материалов стали широко применяться автоклавный и компрессионный методы пропитки. Было замечено, что оба этих способа имеют ряд недостатков, затрудняющих получение композитов. Так, автоклавный метод требует использования дорогостоящего оборудования для проведения пропитки. К тому же, способ является взрывоопасным, т. к. в качестве рабочей среды применяется сжатый газ, находящийся под высоким давлением. При компрессионной пропитке возникает проблема обеспечения герметичности зазора между втулкой литейной формы и пуансоном, создающим давление до 100 МПа.
На рис. 2 показана микроструктура сплава сурьмы, легированного оловом и никелем, и пропитанного им углеграфитового каркаса.
Рис. 2. Микроструктура сплава системы сурьма-олово-никель (а) и углеграфита «Электрокарбон СО-365», пропитанного данным сплавом (б)
б
а
Однако управлять свойствами композиции можно не только изменением технологических параметров процесса пропитки, но и направленным легированием сплава с целью создания определенных свойств на границе контакта сплав-углеграфитовый каркас (смачиваемость, жидкотекучесть, проникающая способность, испаряемость), а также необходимыми изменениями свойств всего объема сплава (прочность, пластичность, усадка, коррозионная стойкость). Свойства материалов, полученных по опти-
Вывод
Пропитка матричными сплавами на основе сурьмы и меди повышает износостойкость материалов в 1,5−2,0 раза, что согласуется с данными ведущих фирм мира «Рингсдорф» (Германия), «Шунк» (Германия), «Морган» (Великобритания), «Ле Карбон» (Франция), выпускающих подобные материалы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Носовский, И. Г. Влияние газовой среды на износ металлов / И. Г. Носовский. — Киев: Техника, 1968. — 180 с.
2. О заполнении разноразмерных пор графита при жидкофазной пропитке / И. Г. Кокушкин [и др.] // Цветные металлы, 1989. — № 2. — С. 73−75.
3. Влияние легирующих элементов на смачивание уг-леграфита медными сплавами / В. А. Гулевский [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении, 2009. -№ 6. — С. 45−48.
мальной технологии с использованием углеграфитовых каркасов «Сигри» (Германия) [6], «Шунк» (Германия) [7] и «Электрокарбон» (Словакия) [8], представлены в таблице.
Полученный композиционный материал «уг-леграфит-сурьма» испытывался на установке сухого трения (в условиях сухого трения и в среде дистиллированной воды). В качестве контртела служил цилиндр из материала 12Х18Н10Т. Средний износ составил 0,12 мм за 100 часов работы при окружной скорости 5 м/с и нагрузке 5 МПа.
4. Гулевский, В. А. Матричный сплав для пропитки углеграфитового каркаса / В. А. Гулевский, Ю. А. Мухин, А. Н. Загребин // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 11(59). (Сер. «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении») / ВолгГТУ. — Волгоград, 2009. — С. 81−84.
5. Применение давления для получения литых композиционных материалов методом пропитки / В. А. Гулевский [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении, 2010. — № 6. — С. 3−8.
6. Бутырин, Г. М. Высокопористые углеродные материалы / Г. М. Бутырин. — М.: Химия, 1975. — 167 с.
7. Антифрикционные материалы на основе углерода // Проспект фирмы «Шунк» (БсИипк КоИеш1: о? йесЬпік ОшЬИ), Германия, 2006. — 22 с.
8. Швайгховер, А. Углеграфитовый материал для пропитки металлами. Отчет о научном исследовании ОМММ САН / А. Швайгховер, С. Крхо. — Братислава и ЗСЭ «Электрокарбон», Топольчани, 1987. — 41 с.
Свойства материалов до и после пропитки сурьмой и медью
Углеграфитовые каркасы
Измеряемый параметр? а 8 о Германия «Шунк», Германия «Электрокарбон», Словакия
графит графит + 8Ь графит графит + 8Ь графит + Си графит графит + Си
Плотность, кг/м3 1780 2400 1650 2300 2500 1630 2260
Прочность, МПа: при сжатии 140 210 130 250 210 115 220
при изгибе 45 60 45 80 75 38 69
Коэффициент линейного расширения при температуре 20−200 °С (10−6), 1/К 2,4 2,5 3,5 4,2 5,0 1,8 2,2
Теплопроводность, Вт/м-К 12 23 17 13 20 27 32
Удельное электросопротивление, Ом-мм2/м 20 5 — - - 18 3,7

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой