Пропитка графита алюминием под высоким давлением

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Графит широко используют в антифрикционных устройствах различного назначения. Так, например, подшипники скольжения с графитовыми втулками успешно применяют в насосах, предназначенных для работы при высоких температурах, а также в агрессивных средах. Графитовые подшипники скольжения успешно работают при скоростях, существенно превышающих допустимые величины для его металлических аналогов [1], а срок их службы как минимум в три раза дольше, чем у металлических аналогов. Основным недостатком графита при использовании в таких устройствах является его хрупкость. В тоже время, алюминиевые сплавы обладают высокой удельной прочностью, низким коэффициентом теплового расширения и хорошей коррозионной стойкостью. Однако коэффициент трения таких сплавов нестабилен, так как зависит от нагрузки, температуры и скорости скольжения.

В связи с этим представляет интерес получение металлографитного композита, состоящего из пористого графита в качестве каркаса, пропитанного алюминием или сплавом на его основе в качестве матричного металла. Пористость конструкционных графитов находится в пределах 15–30%, поэтому относительно небольшое по объему введенное количество матричного металла не должно заметно снизить антифрикционные свойства композита по сравнению с чистым графитом, но позволит существенно повысить его прочностные характеристики, что было подтверждено исследованиями различных авторов. Для получения таких композитов используют способ пропитки графита расплавами матричных металлов под высоким давлением с применением различных принципов и технических устройств для создания высоких давлений. Например, для пропитки графита алюминиевым сплавом АК12 (силумин) [2, 3] высокое давление создавали самим расплавленным матричным сплавом, заполняющим весь внутренний объем сосуда высокого давления, за счет перегрева расплава на 150°C по сравнению с температурой сосуда и разницы коэффициентов объемного термического расширения материала сосуда и расплава металла. Основным недостатком такого способа пропитки является необходимость использования неоправданно большого количества матричного металла для создания высокого давления. Это количество в десятки раз больше количества металла, необходимого для заполнения открытых пор графита, а создаваемое в этом случае давление не превышает 20 МПа. Тем не менее, полученный таким образом композит показал хорошие эксплуатационные свойства [2].

В работе [4] графит пропитывали алюминиевым сплавом в два этапа. Сначала тигель, содержащий заготовку графита и навеску сплава, помещали в автоклав, нагревали до 750°C в вакууме до тех пор, пока графит не погружался в тигель с расплавленным алюминиевым сплавом. Затем давление в автоклаве повышали до 3 МПа путем введения в него газообразного азота и выдерживали при этом давлении в течение 10 мин для пропитки углерода алюминиевым сплавом. После восстановления давления окружающей среды тигель извлекали из автоклава и вновь нагревали для извлечения пропитанного графита из тигля. Полученный композит показал степень пропитки металлом 98.7% и прочность на разрыв 217 МПа. Похожая работа [5] была посвящена пропитке биоморфных углеродных каркасов алюминием при давлении инертного газа 8.5 МПа. Указанные биоморфные углеродные каркасы получали пиролизом в вакууме различных сортов древесины при температуре 1400°С в течение 2 ч. Результаты испытаний полученных композитов показали значительное улучшение механических свойств пористого углерода, а также стабилизацию коэффициента трения и снижение скорости износа материала.

В работах по изостатической пропитке и карбонизации в технологии производства углерод-углеродных композиционных материалов [6] применяли специально разработанные способ и аппарат высокого давления для пропитки углеродных каркасов каменноугольным пеком. Схема такого аппарата типа “цилиндр–поршень” приведена на рис. 1. Отличительными особенностями аппарата является то, что цилиндр набирали из отдельных силовых колец, поставленных друг на друга, а средой, передающей давления служит сухой кварцевый песок. Для различных целей было изготовлено несколько подобных аппаратов с внутренним диаметром цилиндров от 150 до 1000 мм. Кроме того, применяя различное число силовых колец цилиндра, можно обрабатывать заготовки различной высоты. Целью настоящей работы являлось исследование применимости такого аппарата для пропитки графит сплавами на основе алюминия.

Рис. 1. Схема аппарата высокого давлении: 1 – силовые кольца цилиндра; 2 – поршни; 3 – опорные плиты; 4 – песок; 5 – токоподвод; 6 – контейнер; 7 – графит; 8 – матричный металл; 9 – нагреватель; 10 – электроизоляция

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Работу проводили с применением аппарата высокого давления с внутренним диаметром 150 мм. Для пропитки использовали заготовки графита марки ГМЗ диаметром 38 мм и высотой 20 мм и навески алюминиевого сплава Д16 массой 17 г, рассчитанные исходя из пористости выбранной марки графита 26%. При выбранных размерах образцов было достаточно использовать всего два силовых кольца высотой 22.5 мм каждое. Графит и сплав размещали в тонкостенном металлическом контейнере диаметром 40 мм с открытой верхней крышкой и нагревали в вакуумной печи до температуры 750°С, после чего выдерживали 10 мин при этой температуре. Эта операция обеспечивала расплавление всего количества металла, дегазацию и герметизацию пористого объема графитовой заготовки. После остывания контейнер герметично закрывали крышкой и помещали в аппарат высокого давления. В аппарате высокого давления контейнер с заготовкой композита вновь нагревали до температуры 750°С при атмосферном давлении, затем повышали давление в аппарате до заданной величины, выдерживали достигнутые термобарические параметры в течение 5 мин, после чего нагрев контейнера прекращали, а давление снижали до атмосферного.

Полученную заготовку композиционного материала извлекали из контейнера и обрабатывали на токарном станке для снятия с ее поверхности металла, не вошедшего в поры графита. Обработанные таким образом образцы композитов имели диаметр 35 мм и высоту 19 мм. На полученных образцах определяли некоторые свойства композитов. Обмерную плотность определяли, как отношение массы образца к его объему, пористость – расчетным путем, принимая плотность графита равной 2.2 г/см³, а прочность на сжатие как отношение разрушающего усилия к первоначальной площади поперечного сечения образца с использованием гидравлического пресса ИП-1000.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Пропитку графита сплавом алюминия проводили при значениях давления 100 и 200 МПа. На рис. 2 приведены фотографии торцевых поверхностей цилиндрических образцов исходного графита и композита, полученного при давлении пропитки 200 МПа. Изображения получены с помощью оптического микроскопа Nicon SMZ 1270 после механической обработки материалов. На рис. 2б видны вкрапления металла в поверхностные поры графита. Были определены также плотность, пористость и прочность на сжатие графита и композита, значения которых приведены в табл. 1. Прочность на сжатие композита, полученного пропиткой при давлении 200 МПа, почти в шесть раз превышает прочность исходного графита, а значение пористости такого композита (3%), по всей видимости, является величиной закрытой пористости графита ГМЗ.

Рис. 2. Изображения торцевых поверхностей цилиндрических образцов графита ГМЗ (а) и композита (б)

Таблица 1. Некоторые свойства графита и полученных композитов; в скобках указаны условия получения образцов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты свидетельствуют о применимости аппарата высокого давления, разработанного и используемого в технологии производства углерод-углеродных композиционных материалов, для пропитки графита алюминием или его сплавами, а также другими легкоплавкими металлами. Получаемый при таком подходе металлографитный композит обладает существенно более высокими прочностными характеристиками, чем исходный графит, что позволяет улучшить долговечность изготавливаемых из композита деталей и устройств.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа финансировалась за счет средств бюджета Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

Конфликт интересов. Автор данной работы заявляет, что у него нет конфликта интересов.

Об авторах

А. А. Антанович

Автор, ответственный за переписку.
Email: antanov@hppi.troitsk.ru
Россия, Троицк

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Схема аппарата высокого давлении: 1 – силовые кольца цилиндра; 2 – поршни; 3 – опорные плиты; 4 – песок; 5 – токоподвод; 6 – контейнер; 7 – графит; 8 – матричный металл; 9 – нагреватель; 10 – электроизоляция

Скачать (234KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Изображения торцевых поверхностей цилиндрических образцов графита ГМЗ (а) и композита (б)

Скачать (462KB)

Метаданные