Способ изготовления композиционного материала и промежуточная прокладка для его осуществления

 

Изобретение относится к композиционным материалам, в частности для изготовления различных конструкций теплообменников. Предложен способ изготовления композиционного материала, включающий установку между металлическими пластинами промежуточной прокладки, сборку пакета и диффузионное соединение пластин друг с другом через промежуточную прокладку посредством их нагрева и приложения к ним давления в течение определенного времени, при этом соединение пластин осуществляют при давлении от 0,2 МПа до P0,2 при температуре соединения, не превышающей температуру разрушения пакета в течение времени образования связи в композиционном материале. Промежуточная прокладка содержит оксиды свинца, бора, цинка, меди, кремния, висмута, сурьмы и магния, при этом в нее дополнительно введены оксиды алюминия. Техническим результатом изобретения является повышение прочности композиционного материала при снижении его теплопроводимости. Приведены примеры соединения пластин из алюминиевого сплава АД1 и соединения пластин из меди М1. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к композиционным материалам, в частности, к способам их изготовления и к материалам прокладок для его изготовления. Композиционные материалы, полученные предлагаемым способом, предназначены для изготовления различных конструкций теплообменников.

Известен способ изготовления матричного теплообменника, включающий установку между металлическими пластинами промежуточной прокладки из легкоплавкого стекла и диффузионное соединение пластин друг с другом через эту промежуточную прокладку посредством их предварительного нагрева, давления и сварки (Патент RU N 2009031, кл. В 23 К 20/00, 1992).

Недостатком известного способа является то, что герметичность каналов теплообменника нарушается раньше, чем происходит падение его прочности при термоциклировании. Это связано с образованием в зоне соединения температурных напряжений предельной величины, вследствие неоднородности ее по составу.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления композиционного материала, включающий установку между металлическими пластинами промежуточной прокладки, сборку пакета и диффузионное соединение пластин друг с другом через промежуточную прокладку посредством их нагрева и приложения к ним давления в течение определенного времени (Патент RU N 2032511, кл. В 23 К 20/16, 1992).

В результате реализации этого способа изготавливают композиционный материал (алюминий - стекло) с различной теплопроводностью в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Именно за счет этого эффекта повышается тепловая эффективность теплообменных аппаратов, изготовленных из такого материала. Причем чем ниже теплопроводность композиционного материала, тем выше эффективность теплообменного аппарата.

Недостатком этого способа является невозможность создания композиционного материала с достаточной прочностью при высоких значениях давления, создаваемого в процессе диффузионного соединения. Это приводит к уменьшению слоя стекла между пластинами, а следовательно, к повышению эффективной теплопроводности материала и тем самым снижается эффективность теплообменников из него изготовленных.

Известен способ диффузионной сварки металлических пластин, в котором в качестве промежуточной прокладки используют прокладку, содержащую оксиды свинца, бора, цинка, меди, кремния, висмута, сурьмы и магния, при следующем соотношении компонентов, мас.%: PbO - 65,5 - 74,0 B2O3 - 10,0 - 14,5 ZnO - 5,0 - 10,0 CuO - 6,0- 10,0 SiО2 - 2,5 - 6,0 Sb2O3 - 0,5 - 3,0 Bi2O3 - 1,0 - 3,0 MgO - 0,5 - 1,0 Известная промежуточная прокладка является наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой (Патент RU N 2032511, кл. В 23 К 20/16, 1992).

В результате анализа состава материала промежуточной прокладки и проведения исследований зоны соединения КМ необходимо отметить, что этот состав не позволяет обеспечить прочное соединение композиционного материала, т.к. зона соединения материала (в данном случае алюминия) со стеклом неоднородна по структуре и по составу. В зоне соединения также образуются участки твердого раствора оксида алюминия в оксидах стекла, что приводит к расслаиванию композиционного материала.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности композиционного материала при снижении его теплопроводимости.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается созданием способа изготовления композиционного материала, включающего установку между металлическими пластинами промежуточной прокладки, сборку пакета и диффузионное соединение пластин друг с другом через промежуточную прокладку посредством их нагрева и приложения к ним давления в течение определенного времени, в котором согласно изобретению, соединение пластин осуществляют при давлении от 0,2 МПа до P0,2 при температуре соединения, не превышающей температуру разрушения пакета в течение времени образования связи в композиционном материале.

Изобретение также характеризуется тем, что в промежуточную прокладку, содержащую оксиды свинца, бора, цинка, меди, кремния, висмута, сурьмы и магния, согласно изобретению, дополнительно введены оксиды алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
PbO - 65,5 - 74,0
B2O3 - 10,0 - 14,5
ZnO - 5,0 - 10,0
CuO - 5,0 - 12,0
SiO2 - 1,0 - 5,0
Sb2O3 - 1,0 - 5,0
Al2O3 - 1,0 - 5,0
Bi2O3 - 1,0 - 3,0
MgO - 0,5 - 1,0
Предлагаемый состав материала промежуточной прокладки позволяет уменьшить возникновение расслаивающих трещин в композиционном материале. Это обусловлено тем, что решающее влияние на прочность материала оказывает образование дисперсий меди, так как дисперсии меди тормозят распространение трещины в контактной зоне
Образование атомов меди происходит по реакции Cu+e ---> Cu. Необходимые для этой реакции электроны в зоне соединения поставляет чистый алюминий. Повышение степени разрушения оксидной пленки за счет увеличения давления в процессе диффузионного соединения композиционного материала приводит к увеличению количества выделившихся из стекла дисперсий меди.

Роль Sb2O3 в стекле также сводится к передаче ионам меди электронов, превращающих их в атомы, которые в процессе диффузионного соединения композиционного материала образуют дисперсии. Таким образом, увеличение содержания Sb2O3 в стекле позволит добиться повышение прочности композиционного материала при меньших сварочных давлениях, т.е. получить композиционный материал с меньшей теплопроводностью и достаточной прочностью.

По этой же причине увеличение содержания Sb2O3 позволяет также снизить нижний предел интервала варьирования CuO. Однако максимальное содержание оксида меди в стекле не должно превышать 12 мас.%, так как в противном случае имеет место кристаллизация стекла уже при его выработке.

При изменении интервала варьирования SiO2 исходили из соображений замены одного оксида стеклообразователя на другой - Al2O3.

Способ изготовления композиционного материала осуществляют следующим образом.

Пластины материала, например алюминия марки АД1, обезжиривают в ацетоне. Далее на пластины наносят равномерный слой (нанесение слоя может осуществляться методом электростатического напыления) промежуточной прокладки толщиной 10-15 мкм.

В качестве промежуточной прокладки используют материал, содержащий оксиды свинца, бора, цинка, меди, кремния, висмута, сурьмы, магния, алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
PbO - 65,5 - 74,0
B2O3 - 10,0 -14,5
ZnO - 5,0 - 10,0
CuO - 5,0 - 12,0
SiO2 - 1,0 - 5,0
Sb2O3 - 1,0 - 5,0
Al2О3 - 1,0 - 5,0
Bi2O3 - 1,0 - 3,0
MgO - 10,5 - 1,0
Собранный пакет помещают, например, в установку диффузионной сварки, прикладывают к нему давление, значение которого находится от 0,2 МПа до P0,2, где P0,2 - предел текучести материала пакета при температуре сварки.

Параметры давления в предлагаемом способе выбраны следующим образом:
- давление менее 0,2 МПа не обеспечивает смачивание металлических пластин оксидным раствором по всей площади их прилегания;
- давление более предела текучести при температуре диффузионного соединения приведет к пластической деформации соединяемых пластин, что отрицательно повлияет на эффективность теплообменного аппарата, изготовленного из этого композиционного материала.

Соединение элементов композиционного материала осуществляют при температуре, не превышающей температуры разупрочнения пакета в течение времени образования связи в композиционном материале, например в течение 5 - 40 минут.

Температура диффузионного соединения не должна превышать температуру разупрочнения пакета, т. к. это приведет к деформации пластин, что снижает эффективность теплообменника.

Выбор времени ведения процесса диффузионного соединения определяют полнотой протекания процесса.

Если время ведения процесса больше необходимого, то процесс становится более энергоемким, т.е. не экономичным.

Если время будет менее необходимого, то не образуется соединения с достаточной прочностью.

Затем пакет охлаждают до комнатной температуры вместе с камерой.

Готовые образцы были подвергнуты механическим испытаниям на растяжение на разрывной машине FHZ - 100 со скоростью 1 мм/мин, а также измеряли теплопроводность композиционного материала () на приборе ИТ- - 400.

Результаты испытаний композиционных материалов приведены в таблицах 1,2.

В таблице 1 - значения показателей для композиционного материала, полученных в результате использования прототипа и материала промежуточной прокладки - прототипа.

В таблице 2 - значения показателей испытаний для композиционного материала, полученного предлагаемым способом при использовании заявленной промежуточной прокладки.

Если в качестве материала металлических пластин в композиционном материале использовать медь, например, М1, то предлагаемый способ изготовления композиционного материала позволяет снизить теплопроводность материала в 1,5 раза и повысить прочность в 1,6 раза.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ и промежуточная прокладка, используемая для его осуществления, обеспечивают повышение прочности композиционного материала при снижении его теплопроводности. Это позволяет создавать более эффективные и надежные конструкции теплообменных аппаратово


Формула изобретения

1. Способ изготовления композиционного материала, включающий установку между металлическими пластинами промежуточной прокладки, сборку пакета и диффузионное соединение пластин друг с другом через промежуточную прокладку посредством их нагрева и приложения к ним давления в течение определенного времени, отличающийся тем, что соединение пластин осуществляют при давлении от 0,2 МПа до P0,2 при температуре соединения, не превышающей температуру разрушения пакета в течение времени образования связи в композиционном материале.

2. Промежуточная прокладка, содержащая оксиды свинца, бора, цинка, меди, кремния, висмута, сурьмы и магния, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены оксиды алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
PbO - 65,5 - 74,0
B2O3 - 10,0 - 14,5
ZnO - 5,0 - 10,0
CuO - 5,0 - 12,0
SiO2 - 1,0 - 5,0
Sb2O3 - 1,0 - 5,0
Al2O3 - 1,0 - 5,0
Bi2O3 - 1,0 - 3,0
MgO - 0,5 - 1,0

РИСУНКИ

Рисунок 1

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.08.2004        БИ: 24/2004




 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области диффузионной сварки и может быть использовано при создании приборов регистрации ионизирующих излучений
Изобретение относится к области химического машиностроения и может быть использовано для диффузионной сварки деталей из никеля, железа и кобальта при температурах гораздо ниже температур плавления указанных металлов

Изобретение относится к способам соединения труб из разнородных материалов и может быть использовано при соединении труб, выполненных из материалов, которые не могут быть соединены между собой при помощи сварки или соединительных элементов, в частности в энегргитическом и химической машиностроении

Изобретение относится к диффузионной сварке разнородных материалов, в частности к сварке молибдена со сплавами на основе никеля, железа или кобальта, и может быть использовано в авиационной и других отраслях промышленности

Изобретение относится к технологии диффузионной сварки и может быть использовано при изготовлении высокоэффективных компактных теплообменных аппаратов, например, матричных, для различных областей машиностроения и теплоэнергетики

Изобретение относится к сварке в твердой фазе, может найти применение при изготовлении элементов ГТД, работающих в условиях высоких статических и усталостных нагрузок

Изобретение относится к сварке давлением преимущественно деталей с отличающейся формой поперечного сечения и может быть использовано в разных областях машиностроения

Изобретение относится к области диффузионной сварки деталей через проволочные промежуточные прослойки и может быть использовано в технологии точного приборостроения, где одним из основных технических требований является высокая прецизионность сварных узлов, что во многом обеспечивается наилучшими условиями деформирования именно проволочных прослоек, требующих относительно меньших температур и давлений сварки по сравнению с прослойками других конфигураций (фольги, порошки и т.д.)

Изобретение относится к сварке давлением в твердой фазе и может быть использовано для изготовления прецизионных узлов, состоящих из разнородных материалов, во многих отраслях промышленности, в частности в точном машиностроении и приборостроении

Изобретение относится к технологии сборки деталей и узлов, в частности при соединении трубчатых деталей из разнородных материалов, и может быть использовано в различных областях техники
Изобретение относится к сварке, а именно к способам соединения тугоплавких металлов методом диффузионной сварки и может быть использовано, в частности, для обеспечения непрерывного технологического цикла в промышленном производстве тугоплавких металлов для сращивания, например, прутков тугоплавкого металла различного сечения после пластической деформации (ротационной ковки)

Изобретение относится к способам соединения разнородных металлов и может найти применение в производстве сборочных единиц изделий, используемых в приборостроении, в авиации, космической и ракетной технике, транспорте, связи, электронике, электротехнике и других областях
Изобретение относится к диффузионной сварке встык коротких толстостенных труб из разнородных сталей
Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления плоских биметаллических заготовок широкого размерного сортамента по толщине и соотношению толщин слоев
Изобретение относится к диффузионной сварке деталей из металлов и сплавов под давлением и нагреве через промежуточный слой
Наверх