способ порозаполняющей пропитки пористых заготовок и заготовка из углеродсодежащего материала, полученная этим способом

Формула изобретения

1. Способ порозаполняющей пропитки пористой заготовки из углеродного материала, включающий пропитку расплавом металла или металлического сплава предварительно изготовленной заготовки, отличающийся тем, что заготовку располагают в полости замыкаемой формы, выполненной по типу формы для инжекционного формования или формы для литья под давлением и имеющей по меньшей мере одну полость, точно соответствующую конфигурации предварительно изготовленной заготовки, замыкают форму и впрыскивают под давлением расплавленный металл или сплав в полость посредством устройства для литья под давлением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку помещают в полость формы, соответствующую конфигурации заготовки, таким образом, что заготовка прилегает к стенке полости в основном со всех сторон без зазоров.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют выполненную для литья под давлением или инжекционного формования литьевую форму, обе полуформы которой в начале процесса впрыска прижаты друг к другу так, что полость формы имеет избыточный размер по сравнению с расположенной в ней заготовкой, при этом во время или по окончании процесса впрыска полуформы полностью смыкают, в результате чего расплав, находящийся в щели между полостью формы и заготовкой, механически нагнетают в поры заготовки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают заготовку, представляющую собой подшипник скольжения или скользящий электрический контакт, в частности угольную щетку или токосъемник.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что перед помещением в форму или внутри формы заготовку нагревают до и/или во время пропитки.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что заготовку предварительно изготовляют путем смешивания углеродного материала в виде порошка или волокна со связующим, формуют прессованием, штамповкой или экструзией и подвергают термообработке для спекания, отверждения, карбонизации и/или графитизации.

7. Заготовка из углеродного материала, отличающаяся тем, что она получена способом по любому из пп.1-6.

8. Заготовка по п.7, отличающаяся тем, что она представляет собой подшипник скольжения, или угольную щетку, или контактную вставку для токосъемника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу пропитки пористых заготовок, т.е. заполнения пор заготовки средой, по меньшей мере, жидкой во время пропитки, например расплавом металла или металлического сплава. Предпочтительной, однако не исключительной областью применения изобретения является пропитка спеченных заготовок из керамики или, в частности, из углеродного материала, например графита, которые находят применение в качестве подшипников скольжения или электрических скользящих контактных элементов, таких как угольные щетки или токосъемники. Заготовка может быть пропитана самыми различными пропиточными средствами для различных целей, например маслом или смазкой для улучшения скользящих свойств, полимером для повышения механической прочности или металлом или металлическим сплавом для улучшения электропроводности.

Обычный способ пропитки пористых заготовок состоит в погружении заготовки в жидкое пропиточное средство, причем пропиточное средство всасывается в поры заготовки. Если пропиточное средство по природе не жидкое, то его применяют в виде жидкого раствора или в виде расплава. Усовершенствованием пропитки погружением является пропитка под давлением и в вакууме. При этом заготовку перед погружением в пропиточное средство подвергают воздействию вакуума для удаления из пор воздуха. После погружения заготовки на пропиточное средство воздействуют давлением для нагнетания пропиточного средства в поры заготовки. Этот обычный способ пропитки имеет, в том числе, следующие недостатки:

- пропитка, включая необходимую подготовку, например укладку заготовок слоями в пропиточный резервуар, отнимает очень много времени и длится обычно примерно 2-8 ч;

- несмотря на применение вакуума и давления трудно достичь по всему объему заготовки равномерного, т.е. однородного и полного заполнения пор;

- вслед за пропиткой требуется сложная дополнительная очистка для удаления остатков пропиточного средства с поверхности заготовки. Необходимые операции механической и/или химической очистки являются дорогостоящими, отнимают много времени и зачастую связаны со значительным загрязнением окружающей среды.

В основе изобретения лежит задача создания нового и усовершенствованного способа пропитки пористых заготовок. В частности, должен быть создан способ, с помощью которого за относительно короткое время обработки можно достичь очень однородного и полного заполнения пор и, как правило, отказаться от сложной дополнительной обработки поверхности заготовки.

Эта задача решается, согласно изобретению, неожиданным образом за счет того, что для пропитки пористых заготовок применяют технику литья под давлением полимеров или металлов. В соответствии с этим задача решается посредством способа, охарактеризованного в п.1 формулы.

Зависимые пункты формулы касаются предпочтительных дальнейших форм выполнения способа и пропитанной этим способом заготовки.

Неожиданным образом было обнаружено, что обычная машина для литья под давлением или для инжекционного формования полимеров или металлов может быть использована для того, чтобы расположенную в литьевой форме для литья под давлением или форме для инжекционного формования полимера или металла пористую заготовку пропитать жидким пропиточным средством. Было обнаружено, что при этом в течение относительно короткого времени обработки порядка примерно 1-3 мин можно достичь, в основном, полного заполнения пор пористой заготовки. Кроме того, было обнаружено, что при использовании формы, полость которой соответствует конфигурации заготовки и охватывает ее, в основном, без зазоров, на поверхности заготовки, в основном, не остается избыточного пропиточного средства и поэтому дополнительная обработка является либо излишней, либо существенно упрощается.

В способе согласно изобретению холодную или подогретую заготовку помещают в соответствующую заготовке полость разъемной, плотно замыкаемой формы (узел смыкания) машины для литья под давлением или для инжекционного формования полимеров или металлов. Узел смыкания замыкают и жидкое или доведенное до температуры разжижения пропиточное средство посредством узла впрыска или литьевого узла машины нагнетают в замкнутую форму под достаточным давлением. Давление жидкого пропиточного средства поддерживают до тех пор, пока поры заготовки не будут полностью заполнены, причем необходимый для этого отрезок времени следует выбирать эмпирически. В зависимости от вида применяемого пропиточного средства заготовка остается в форме до тех пор, пока, например, металлический расплав не затвердеет или смола не отвердится. По окончании процесса пропитки форму размыкают и пропитанную заготовку выталкивают посредством выталкивателей, после чего может начинаться новый цикл.

За счет точного изготовления полости формы в соответствии с соблюдаемой с узкими допусками размеров конфигурацией заготовки достигается то, что заготовка оказывается охваченной стенками полости формы со всех сторон, в основном, без зазоров, причем щель между заготовкой и стенками полости преимущественно заметно меньше 100 мкм и преимущественно также меньше размера пор заготовки. Этим достигается то, что нагнетаемое в полость формы пропиточное средство затекает только в поры, но не в щель между заготовкой и стенками полости формы, так что поверхность заготовки, за исключением литника, не загрязняется пропиточным средством. Таким образом, дополнительная обработка заготовки ограничена отламыванием и возможным сошлифовыванием литника.

Способ пропитки, согласно изобретению, может осуществляться также на для литья под давлением металлов или полимеров, или на машине для инжекционного формования, причем используют выполненную для литья под давлением или инжекционного формования литьевую форму, обе полуформы которой в начале процесса литья еще не прижаты друг к другу полным усилием смыкания. В этом состоянии полость формы, правда, уже плотно замкнута, однако имеет еще определенный избыточный размер по сравнению с габаритами при полностью прижатых друг к другу полуформах, или полуформы могут незначительно расходиться под давлением впрыснутого расплава. Полное сжатие полуформ происходит по окончании процесса литья или впрыска. При осуществлении способа пропитки, согласно изобретению, на выполненной для этого способа машине для литья под давлением металлов или полимеров возникает то преимущество, что в начале процесса литья или впрыска еще имеется небольшая щель между стенкой заготовки и полостью формы. В этой щели жидкое пропиточное средство может равномерно растекаться по поверхности заготовки. При окончательном замыкании полуформ эта щель исчезает, и жидкое пропиточное средство механически нагнетается в поры заготовки.

Благодаря способу, согласно изобретению, продолжительность цикла существенно снижается по сравнению с обычными способами пропитки. Как собственно процесс пропитки, так и предварительная обработка (помещение заготовки в полость формы и замыкание формы), а также дополнительная обработка (размыкание формы, извлечение заготовки и, при необходимости, удаление литника) могут быть осуществлены в очень короткое время, например 3 мин, по сравнению с обычным способом, при котором для каждой из этих трех фаз предполагается отрезок времени приблизительно 1-4 ч. Способ, согласно изобретению, можно легко автоматизировать. В зависимости от вида заготовки можно использовать также многогнездную форму с несколькими оформляющими полостями, благодаря чему время обработки дополнительно заметно сокращается. Для осуществления способа могут быть использованы, в принципе, стандартные машины для литья под давлением полимеров или металлов, принятые в технике литья под давлением полимеров или металлов.

Другое преимущество способа согласно изобретению состоит в том, что многие пропиточные средства, такие как воски, смолы и т.п., которые обычным способом удавалось перерабатывать только в виде их раствора в растворителе, могут применяться без растворителя. За счет этого способ, согласно изобретению, может быть осуществлен существенно экологичнее, чем традиционные способы пропитки. Способом, согласно изобретению, можно пропитывать заготовки с очень разной пористостью, например 2-90%. Преимущественно способ применяют для пропитки заготовок из углеродного материала, которые должны использоваться в качестве подшипников скольжения или электрических контактов скольжения в виде угольных щеток или токосъемников. Преимущественно углеродные тела изготовляют путем смешивания одного или нескольких компонентов, таких как природный графит, электрографит, пирографит, углеродное волокно, синтетическое волокно, кокс, сажа со связующим, таким как каменноугольные или нефтяные дегти и пеки, а также синтетические смолы, последующего формования посредством прессования, штамповки или экструзии и последующей, как правило, многоступенчатой термообработки в интервале от 100 до 3200С для спекания, отверждения, карбонизации и графитизации. Заготовка может быть изготовлена также путем предварительного формования углеволокнистых жгутов, матов, ткани или трикотажа, при необходимости с необходимым для стабильности формы связыванием посредством каменноугольного или нефтяного дегтя или пека или синтетической смолы, и последующей термообработки в интервале от 100 до 3200С.

В качестве пропиточных средств могут применяться:

- природные или синтетические масла, жиры или воски;

- природные или синтетические смолы, включая синтетические смолы, полученные путем модификации, например этеризации или омыления, природных смол;

- синтетические материалы, которые получены путем полимеризации, полиприсоединения или поликонденсации и которые могут быть приведены в необходимое для пропитки текучее состояние;

- все металлы или металлические сплавы;

- предварительно обработанные или необработанные пеки.

Пропиточное средство можно подавать в содержащую заготовку замкнутую форму в одном или нескольких местах подачи. Фасонные изделия, изготовленные, например, из порошкообразного углеродного материала путем прессования или экструзии и последующего спекания, имеют зачастую одно предпочтительное направление пористой структуры, причем предпочтительное направление лежит под прямым углом к направлению прессования или параллельно направлению экструзии. Для таких заготовок способ, согласно изобретению, дает возможность расположить место подачи пропиточного средства на содержащей заготовку форме так, что направление распространения пропиточного средства в полости формы или через поры заготовки, в основном, параллельно названному предпочтительному направлению. Оказалось, однако, что это, как правило, не является необходимостью, и даже у заготовок, которые, будучи обусловлены изготовлением, имеют анизотропию или предпочтительное направление пористости, пропиточное средство можно подавать в любом месте заготовки, и движение пропиточного средства в заготовке может происходить в любом направлении относительно предпочтительного направления, причем, тем не менее, пропитка становится такой же равномерной и однородной, как и у изостатически прессованных заготовок без предпочтительного направления.

Пример выполнения изобретения более подробно поясняется с помощью чертежей, на которых изображено: на фиг.1 - продольный разрез литьевой формы с помещенной в нее пористой заготовкой; на фиг.2 - разрез по линии II-II на фиг.1.

На фиг.1 предварительно изготовленная пропитываемая заготовка 1 имеет форму контактной вставки для закрепления на токосъемнике электрического рельсового транспортного средства. Заготовка 1 состоит из спеченного пористого углеродного материала. Ее изготовляют путем формообразования, например экструзии или прессования, и последующей термообработки (спекания) с очень точным соблюдением размеров. Заготовку 1 помещают затем в состоящую из двух полуформ 3, 5 литьевую форму, полость которой выполнена в точном соответствии с размерами заготовки 1. Литьевая форма имеет в нескольких, распределенных по ее длине местах литниковые каналы 7. По ним, как при обычном литье под давлением, впрыскивают нелитейный материал для формования заготовки, а жидкое пропиточное средство для заполнения пор уже находящейся в оформляющей полости пористой заготовки 1.

Машины для литья под давлением металлов с узлом смыкания и литейным узлом специалисту известны. Например, следует сослаться на Lueger, Lexicon der Technik, Band 8, ключевые слова "Druckgiessen" и "Druckgiessmaschine". Обе полуформы 3, 5 изображенной на фиг.1 и 2 литьевой формы закрепляют на зажимных плитах узла смыкания машины, после помещения заготовки 1 замыкают и нагружают усилием S смыкания. Затем через литьевой узел машины жидкое, т.е. расплавленное, пропиточное средство нагнетают по стрелке I с подходящим давлением впрыска по литниковым каналам 7 в форму, так что оно однородно заполняет поры заготовки 1. Перед помещением в форму или перед впрыском пропиточного средства заготовку 1 преимущественно подогревают до подходящей температуры.

В качестве примера пропитку (инфильтрацию) контактной вставки 1 из углеродного материала расплавленным силицидом алюминия AlSi12 осуществляют со следующими параметрами. В качестве машины для литья под давлением металлов использовали стандартную машину фирмы "Бюлер" с усилием смыкания 250 т. Заготовку, подогретую в течение 2 мин до 650С, помещали в подогретую до 250С литьевую форму и нагружали ее усилием смыкания 250 т. Расплавленное пропиточное средство (AlSi12) имело температуру 650С и нагнеталось в форму с давлением 200 бар по литниковым каналам 7. Давление нагнетания 200 бар поддерживали, в общей сложности, в течение 3 с. Затем форму размыкали и извлекали пропитанную заготовку 1. Она имела очень равномерное заполнение пор пропиточным средством и свободную от пропиточного средства поверхность. Поэтому дополнительная обработка пропитанной заготовки может ограничиваться отбиванием или сошлифовыванием литников, оставшихся в зоне литниковых каналов 7. Машину можно эксплуатировать со временем цикла около 3 мин.

Вместо машины для литья под давлением металлов можно использовать для осуществления способа, согласно изобретению, обычную машину для литья под давлением полимеров. Такая машина может быть любой известной конструкции, как они описаны в специальной литературе, например в книге "Kunststoffmasohinen- ", Hsg. F. Johannaber, Hanser-Verlag Munchen, 1992. В зависимости от характера применяемого пропиточного средства можно при определенных обстоятельствах использовать имеющийся шнековый узел пластификации и впрыска также для нагнетания жидкого пропиточного средства. В противном случае обычный шнековый узел пластификации и впрыска можно заменить простым поршневым узлом впрыска жидкого пропиточного средства.

В случае применения в способе, согласно изобретению, в качестве пропиточного средства металлического сплава, в частности алюминиевого или магниевого сплава, можно использовать для пропитки машину для литья под давлением полимеров, работающую по так называемому способу "Thixomolding". При этом используют тот факт, что определенные сплавы этих металлов в определенном температурном интервале имеют между твердой и жидкой фазами тиксотропную переходную фазу. Для литья под давлением фасонных изделий из таких сплавов известны их нагрев в шнековом узле машины до соответствующей тиксотропному состоянию температуры, причем за счет воздействия вращающегося шнека рост кристаллов ограничивается, и нагнетание металлического сплава в литьевую форму в этом тиксотропном состоянии. Таким же образом способ пропитки, согласно изобретению, можно осуществлять, когда в литьевой форме располагают пористую заготовку, которая должна быть пропитана тиксотропным металлическим сплавом.