CC BY
51
УДК 621.891
ВЛИЯНИЕ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ФАЗЫ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ОЛОВЯНИСТОЙ БРОНЗЫ
© 2012 М.Н. Сафонова1, П.П. Тарасов1, А.С. Сыромятникова2, А.А. Федотов1
1 Северо-Восточный федеральный университет им. М.К.Аммосова, Якутск 2 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск
Поступила в редакцию 23.03.2012
Работа посвящена проблеме разработки и эксплуатации абразивных инструментов - определению структуры композитных материалов с наполнителями из порошков сверхтвердых материалов.
Ключевые слова: твердость, плотность, оловянистая бронза, алмазный инструмент
В настоящее время большой интерес вызывает изучение наноструктурированных материалов, среди которых особое место занимают кластеры углерода. В Институте сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины разработан ряд технологических процессов получения из продукта детонационного синтеза фирмы «Алит» нескольких марок синтетических алмазов детонационного синтеза (ДНА) различного функционального назначения [1]. Разнообразие принципиально новых свойств этих материалов позволяет использовать их для качественно новых приложений в различных отраслях промышленности, в том числе и при разработке алмазных инструментов. Одним из перспективных направлений решения данной задачи является, по мнению авторов, применение ДНА для получения металлической матричной композиции буровых коронок, содержащей в своем составе нанодисперсные алмазы в качестве дисперсно-упрочняющих частиц малого размера [2]. Серийно выпускаемые промышленностью буровые коронки изготавливаются с матрицами, состоящими, в основном, из спеченного порошка карбида вольфрама [3]. Несмотря на значительное их количество, отличающееся составом и областями применения, перспективным является поиск новых составов матриц, обеспечивающих высокую износостойкость коронок и повышающих производительность буровых коронок и алмазных инструментов. Одним из таких направлений является применение нанодисперсных добавок в качестве дисперсноупрочняющих частиц малого
Сафонова Мария Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов. Email: [email protected]
Тарасов Петр Петрович, заведующий лабораторией физики твердого тела
Сыромятникова Айталина Степановна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник. E-mail: [email protected]
Федотов Андрей Андреевич, заведующий лабораторией сопротивления материалов. E-mail: fe-
dot_andrey@mail. ru
размера. Введение небольшого количества таких добавок позволяет улучшить механические и эксплуатационные свойства материалов. В то же время механизмы влияния на структуру и свойства композитных материалов ультрадисперсных добавок требуют дальнейшего их изучения.
Цель работы: исследование влияния добавок алмазных порошков на физико-механические свойства порошкового сплава.
Объекты исследования. При проведении подобных исследований целесообразно применение методов порошковой металлургии. Метал-локомпозитные материалы, получаемые методами порошковой металлургии, нашли широкое применение в качестве конструкционных, антифрикционных, абразивных и т.д. В частности, использованная в работе оловянистая бронза используется в качестве стандартной связки алмазного инструмента.
В работе использовались стандартная связка оловянистой бронзы М1 (20% олова, 80% меди) и три вида алмазных порошков с размерами 3/2 мкм, 7/5 мкм и -40 мкм (рис. 1). Смеси из порошков приготовлялись с помощью смесителя типа «пьяная бочка», смешивание производилось в течении 2 часов с добавлением стальных шариков в количестве 1/3 от объема порошка. Для предотвращения расслоения компонентов в смесь добавлялся раствор глицерина в спирте количеством около 0,1 г на 25 г смеси. Предварительно порошки подвергали просушиванию в вакуумной сушилке СНВС 4,5.4,54/ЗИ1 по режиму: 1,5 часа при 120-140°С в условиях форвакуума, обеспечиваемого насосом пластинчато-роторного типа. Компактирование порошковых смесей проводилось в стальных жестких пресс-формах с помощью пресса ИП-500 по схеме с плавающей матрицей, когда прессование производится при неподвижном нижнем пуансоне и плавающей матрице, подвешенной на пружинах или гидроцилиндрах. Плавающая матрица начинает двигаться самопроизвольно с того момента, когда возникающая сила трения порошка о стенки матрицы преодолеет сопротивление предварительной нагрузки пружины.
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 14, №1(2), 2012
Рис. 1. Образцы оловянистой бронзы с добавлением алмазных порошков
Экспериментальная часть. Физико-механические свойства спрессованных и спечённых образцов определяли, руководствуясь соответствующими нормативными документами и ГОСТами. Так, плотность р находили путём обмера образцов микрометром МК 0-25 мм по ГОСТ 6507-78. Взвешивание осуществлялось на лабораторных электронных весах четвертого класса ВЛТЭ-500. Остаточная пористость определялась через фактическую и теоретическую плотности по формуле:
П = (1 - р/рт)*100%,
где рт - теоретическая (расчётная) плотность беспористого материала, р - фактическая плотность исследуемого образца. Теоретическую плотность находили по формуле:
Рт= 100/(С/р+С/рД
где С1 и С2 - концентрации алюминия и хрома в порошковой смеси, р1 и р2 - соответственно их плотности.
Относительное изменение объема вычислялось по формуле:
ЛУ/Уо = (Ук-Уо)/Уа *100%,
где У0 и Ук - объем прессовки до и после спекания.
В случае потери или искажения правильной геометрической формы применялся метод гидростатического взвешивания. Объем образцов вычислялся по формуле
У=(т!-Ш2) /рж ,
где У - объем прессовки, т2 - масса на воздухе, т2 - масса в воде, рж - плотность жидкости.
Спекание образцов осуществлялось в вакууме 0,1*10-3 Па. Для этой цели использовалась установка - печь СНВЭ, состоящая из рабочей камеры, куда нагружается партия образцов, трех насосов, постепенное включение которых обеспечивает достаточно высокий вакуум и системы
вентилей. Совместное спекание обеспечивало постоянство условий процесса для данной партии образцов. Температура спекания варьировалась от 550°С до 600°С. Ниже 550°С образцы не спекаются, а при 600°С и выше происходит искажение формы. Опытным путем определили, что оптимальной температурой является 575°С. Продолжительность спекания составляла от 15 до 60 мин. С целью определения пористости спеченные образцы также подвергались взвешиванию на электронных весах и измерению линейных размеров. Расчет пористости производился по той же формуле, что и сырых образцов. При искажении правильной геометрической формы образцов применялся метод гидростатического взвешивания. В работе исследованы образцы из порошкового сплава М1 с добавками 1, 2, 3 весовых % алмазного порошка.
Таблица 1. Исследуемые образцы
№ Образец № Образец
1 М1 16 М1+2% АП 7/5
2 М1 17 М1+2% АП 7/5
3 М1 18 М1+2% АП 7/5
4 М1+1% АП 3/2 19 М1+3% АП 7/5
5 М1+1% АП 3/2 20 М1+3% АП 7/5
6 М1+1% АП 3/2 21 М1+3% АП 7/5
7 М1+2% АП 3/2 22 М1+1% АП -40
8 М1+2% АП 3/2 23 М1+1% АП -40
9 М1+2% АП 3/2 24 М1+1% АП -40
10 М1+3% АП 3/2 25 М1+2% АП -40
11 М1+3% АП 3/2 26 М1+2% АП -40
12 М1+3% АП 3/2 27 М1+2% АП -40
13 М1+1% АП 7/5 28 М1+3% АП -40
14 М1+1% АП 7/5 29 М1+3% АП -40
15 М1+1% АП 7/5 30 М1+3% АП -40
Выбор в качестве добавки алмазного микропорошка обусловлен тем, что из проведенных ранее исследований в Институте сверхтвердых материалов НАН Украины известно, что добавление наноалмаза в сплав повышает физико-механические свойства сплава. Для выявления характера повышения физико-механических свойств порошковых тел с алмазными порошками, в зависимости от содержания добавки и температуры спекания были проведены соответствующие эксперименты. Как видно из графика (рис. 2) с увеличением содержания алмазного порошка происходит уменьшение конечной пористости спеченных образцов. Необходимо отметить резкое ее уменьшение у образцов с добавкой по сравнению с образцами, не содержащими микропорошки алмаза (с 42% до 30%). Минимальная конечная пористость наблюдается у образцов с добавкой микропорошка размерности 3/2 мкм. Это можно объяснить высокими аб-
сорбционными характеристиками алмазного микропорошка. Порошковый брикет состоит из огромного количества частиц, покрытых окисной пленкой, абсорбированных газов, паров, следов органических веществ (смазки и т.д.), попавших на разных стадиях технологической цепочки начиная от получения порошков и заканчивая формованием и спеканием. При этом данное свойство микропорошков зависит от их удельной поверхности, т.е. от дисперсности микропорошка. Более высокое значение конечной пористости при размерности добавки микропорошка 7/5 по сравнению с порошком размерности -40 можно объяснить наличием в последней марке более мелких частиц алмаза.
Зависимость конечной пористости от содержания алмазного порошка
45
20 J---
0 12 3
СодержанмеАП. %
Рис. 2. Зависимость конечной пористости от содержания алмазного порошка
Измерение твердости производилось на приборе FR-3e фирмы ^со согласно стандартной
методике. Индентор-шарик диаметром 3,174 мм, нагрузка 588,4 Н (60 кг) по шкале НКН. Максимальная твердость достигается при введении в состав сплава микропорошка размерности 40 мкм. Это можно объяснить упрочнением структуры за счет наличия крупных (около 40 мкм) частиц алмаза и уплотняющим действием более мелких частиц путем поглощения выделяющихся при спекании газов.
Выводы: введение в состав шихты алмазного микропорошка приводит к более равномерному распределению компонентов сплава по объему прессовки. Использование мелкодисперсных алмазных частиц в небольшом количестве в виде добавок в образцы металлической матрицы положительно влияет на качество получаемых композиционных материалов. В результате повышается их плотность и твердость, уменьшается пористость материала, что позволяет прогнозировать улучшение эксплуатационных показателей работы алмазного инструмента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Новиков, Н.В. Наноалмазы статического и детонационного синтеза и перспектива их применения / Н.В. Новиков, Г.П. Богатырева // Сверхтвердые материалы. 2008. № 2. С. 3-12.
2. Долматов, В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза. Получение, свойства, применение. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. 344 с.
3. Зыбинский, П.В. Сверхтвердые материалы в геологоразведочном бурении: Монография / П.В. Зыбинский, Р.К. Богданов, А.П. Закора, А.М. Исонкин. -Донецк: Норд-Пресс, 2007. 244 с.
INFLUENCE OF STRENGTHENING PHASE ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF STANNOUS BRONZE
© 2012 M.N. Safonova1, P.P. Tarasov1, A.S. Syromyatnikova2, A.A. Fedotov1
1 Northeast Federal University named after M.K. Ammosov, Yakutsk 2 Institute of Physical and Technical Problems of the North named after V.P. Larionov
SB RAS, Yakutsk
The work is devoted to problem of development and exploitation of abrasive tools - to definition the structure of composite materials with fillings from powders of superfirm materials.
Key words: hardness, density, stannous bronze, diamond tool
Mariya Safonova, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Materials Resistance. E-mail: marisafon_2006@mail. ru
Petr Tarasov, Chief of the Laboratory of Solid Body Physics Aytalina Syromyatnikova, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Research Fellow. E-mail: [email protected] Andrey Fedotov, Chief of the Laboratory of Materials Resistance. E-mail: fedot_andrey@mail. ru
