CC BY
20
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
удк 621.763 В. И. ГУРДИН
Омский государственный технический университет
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БОРСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ
ЖИДКОФАЗНЫМ СПЕКАНИЕМ_
Приведены результаты исследований процессов спекания пористой железной матрицы, пропитанной борсодержащими сплавами эвтектического состава на основе железа, никеля, кобальта.
3
1
Спекание — это процесс, во время которого происходит удаление адсорбированных паров и газов, восстановление и диссоциация окисных пленок, диффузионное перемещение атомов, исправление дефектов кристаллической решетки металлических порошков, рекристаллизация, перенос металла через газовую фазу и др. [1, 2, 3]. Особый интерес в науке о спекании представляет изучение природы движущих сил процессов жидкофазного спекания порошковых тел, т.к. объяснение явлений, лежащих в основе жидкофазного спекания, позволит эффективно управлять этим процессом [1,4]. По мнению авторов работ [5-8], движущей силой уплотнения пористого порошкового тела, спекаемого в присутствии жидкой
фазы, является уменьшение поверхностной энергии, которая может составлять 1-10 Дж/моль.
Пористое тело из смеси порошков, способных к взаимодействию друг с другом, наряду с избыточной свободной энергией, обусловленной развитой поверхностью составляющих его дисперсных частиц, обладает избыточной энергией, связанной с возможностью образования определенной структуры сплава. Поэтому при спекании смеси порошков должны протекать два процесса — изменение объема порошкового тела и формирование спеченного сплава.
Химические реакции в системе осуществляются за счет уменьшения энергосодержания системы, которое составляет от 10 до 1 ООО Дж/моль, т.е. на два
200
160 время нагрева, мин
Рис. 1. Дериватограмма процесса пропитки железной прессовки железо бори дным сплавом эвтектического состава: Т, ДТА - кривые нагрева образцов; Т\ ДТА - кривые охлаждения.
а) б)
Рис. 2. Микроструктуражелезоборидного сплава эвтектического состава: а) - х 13000; б) - х 500.
Таблица 1
Результаты дифференциально-термического анализа процесса пропитки пористой железной прессовки различными сплавами и механические свойства композиций
Состав пропитывающего сплава (нер.), кДж/гмоль а0Р МПа
Ре + 3,8 % В 0,49 240-260
№ + 4,0 % В 3,1 360-380
Со + 4,0 % В 4,3 400-420
порядка больше, чем движущая сила уплотнения. Следовательно, течение химических реакций оказывает существенное влияние на процесс уплотнения порошковых тел.
В работе приведены результаты исследований процессов спекания пористой железной матрицы, пропитанной борсодержащими сплавами эвтектического состава на основе железа, никеля, кобальта.
Особый интерес представляют физико-химические явления, происходящие в процессе пропитки пористых прессовок вышеуказанными сплавами: взаимодействие между жидкой фазой — пропитывающим сплавом и пористой прессовкой, взаимная диффузия элементов пропитывающего сплава и пористой матрицы, образование химических соединений на границе раздела фаз и т.д.
Для изучения этих явлений использовали дерива-тограф со скоростью нагрева 7,5 "С/мин, которая автоматически поддерживалась постоянной. Для экспериментов готовили прессовки образцов, помещаемые в кварцевые тигли. В качестве эталонного образца использовали корунд, прокаленный до 1500 "С. Термографическому анализу подвергали образцы каждого состава в среде остроосушенного аргона.
Проведенные исследования показали, что при получении композиционных материалов методом пропитки и жидкофазного спекания имеет место сложное энергетическое взаимодействие между пропитывающим сплавом и пористой металлической прессовкой, проходящие в два этапа:
а) плавление пропитывающего сплава, сопровождающееся поглощением теплоты;
б) проникновение пропитывающего сплава под действием капиллярных сил в пористую матрицу, приводящее к сокращению площади поверхности, разделяющей частицы порошка в прессовке, сопровождающееся выделением теплоты.
Исследования показали, что процесс пропитки (проникновение жидкой фазы в твердую пористую матрицу) начинается сразу после появления первых капель жидкой фазы в брикете питателя и заканчивается почти одновременно с полным расплавлением пропитывающего сплава. На рис. 1 показано изменение теплосодержания железной прессовки в результате пропитки ее железоборидным сплавом эвтектического состава.
При создании композиционных материалов методом жидкофазного спекания большое значение имеет величина ША(нер.) — неравновесной составляющей адгезии, характеризующейся энергией химического взаимодействия контактирующих фаз и определяемую как изменение энтальпии системы в процессе пропитки и жидкофазного спекания. Как показали результаты экспериментов (табл. 1), прочность композиционных материалов тем выше, чем больше величина \Л^Д (нер.).
Металлографические и электронно-микроскопические исследования структуры сплавов показали существенное измельчение структурных составляющих сплавов, находящихся в порах прессовки (рис. 2а) по сравнению с образцами сплавов, полученных методом плавления в кварцевых тиглях при тех же условиях (рис. 26).
На основании исследований сделан вывод: при пропитке и жидкофазном спекании пропитывающий сплав и пористая матрица имеют одинаковую температуру, и на границе раздела фаз (поверхности поры металлической прессовки и пропитывающего спла-
ва) отсутствует переохлаждение, поэтому зарождение центров кристаллизации будет обусловлено состоянием подложки — поверхности порошинок матричного материала, образующих пористую прессовку (геометрией и теплофизическими свойствами). Эти условия приводят к формированию тонкодиф-ф еренцироваванной структуры эвтектического сплава в порах прессовки и поныш ению механических свойств композиционного материала, полученного ж идкоф азным спеканием.
Библиографический список
1. ГегузинЯ.Е. Физика спекания. М : Наука, 1967.-360 с.
2. Савицкий А.П. Жидкофазное спекание систем со взаимодействующими компонентами. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991.-184 с.
3. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы / Под ред. В. Шотта. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1983.520 с.
4. Дьяченко И.М. Эффективность развития порошковой металлургии. М: Металлургия, 1979.-52 с.
5. German R.H. Liquid phase sintering. N.Y.: London: Plenum Press, 1985.-240p.
6. Горюнов Ю.В., РаудЭ.А., Сумм Б.Д. Влияние физико-химических процессов на кинетику растекания. // Адг езия расплавов. Киев: Наук, думка, 1974.С. 11-15.
7. Найдич Ю.В. Контактные явления в металлических расплавах. Киев: Наук, думка, 1972,-196 с.
8. СкороходВ.В., Солонин С.М. Фиэихо-металлургические основы спекания порошков. М.: Металлургия, 1984,-162 с.
ГУРДИН Виктор Иванович, кандидаттехнических наук, доцент, заведующий кафедрой «Машины и технология литейного производства».
УДК 621 763.004.12 в в СЕДЕЛЬНИКОВ
В. И. ГУРДИН
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Приведены результаты исследований механических свойств композиционного материала при различных температурах испытаний. Установлено влияние легирования пропитывающего сплава элементом армирующего волокна на прочность связи на границе раздела «волокно-матрица», определяющую механические свойства композиции.
Одним из решающих факторов, определяющих прочностные свойства волокнистой композиции, является прочность связи на границе раздела «волокно-матрица», которая зависит не только от физических свойств компонентов, но и от условий получения и эксплуатации композиции. Получение композиций методом пропитки расплавами определенного химического состава создает наиболее благоприятные ус-
ловия для достижения прочного сцепления между компонентами.
В процессе получения армированных материалов методом пропитки пористой железной прессовки с помещенными в нее армирующими проволоками неизбежно взаимодействие между составляющими композиции: матрицей, пропитывающими сплавами и проволокой. Поэтому время существования жидкой фа-
