Введение к работе
Актуальность работы. Успешное развитие важнейших отраслей промыш-юнности тесным образом связано с развитием машиностроения. Поэтому больше внимание в машиностроении уделяется созданию прогрессивных технологий, позволяющих удешевить процессы получения материалов, снизить энерго-ттраты. Одной из таких технологий является порошковая металлургия, исполь-іующая, в частности, способ получения материалов путем спекания спрессован-яых изделий в присутствии жидкой фазы.
Без глубокого понимания процессов, происходящих при спекании, нельзя рассчитывать на успех при разработке новых спеченных сплавов и технологий. Проведенные в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН [Томск) исследования кладут начало новому научному направлению в изучении природы закономерностей объемных гаменений порошковых тел из взаимодействующих компонентов. В основу этих исследований заложен ряд новых представлений о взаимодействии твердой и жидкой фаз, движущих силах процесса спекания взаимодействующих компонентов и других явлениях. Новые подходы к решению проблемы позволили не только объяснить экспериментально установленные закономерности объемных и структурных изменений порошковых тел при жидкофазном спекании, но и дать их математическое описание, классифицировать спекаемые системы. В свою очередь, установление причин и механизмов изменения объема порошковых тел при спекании с участием жидкой фазы дало возможность сформулировать практически важный критерий выбора добавок, их концентраций и режимов спекания с целью управления процессом спекания сплавов. На основе этого критерия получены некоторые практически важные порошковые материалы.
В промышленно развитых странах, таких как США и Япония, активно ведутся исследования в области порошковой металлургии алюминия с целью разработки новых спеченных сплавов, совершенствования технологии изготовления
4 порошковых деталей конструкционного и антифрикционного назначения и расширения их ассортимента. Так, выпускаемый американской промышленностью алюминиевый порошок марки 1202, получаемый распылением расплава, обладает рядом важных технологических характеристик, которые позволяют использовать его для получения изделий традиционными методами порошковой металлургии. Конструкционные и антифрикционные детали из чистого алюминия не изготавливаются из-за его низких прочностных характеристик. Поэтому промышленные литые и деформированные сплавы содержат такие добавки, как медь, кремний, цинк, магний и некоторые другие, которые используются в различных сочетаниях и концентрациях. На основе порошка 1202 в США разработано несколько стандартных многокомпонентных составов, используемых промышленностью при производстве спеченных изделий. Однако эти сплавы содержат в недостаточном количестве магний, не более 0,5 %, и совсем не содержат цинк, хотя эти элементы являются важнейшими легирующими добавками в литых и деформированных промышленных сплавах. В связи с этим весьма актуальной задачей является разработка порошковых сплавов, содержащих все основные легирующие присадки, применяемые в обычной металлургии алюминиевых материалов, в том числе цинк и магний.
Магний, как и цинк, является одним из основных легирующих компонентов литых деформированных алюминиевых сплавов, используемых для их упрочнения. К сожалению, при введении в порошковые смеси на основе алюминия магний вызывает рост прессовок при спекании. Дело усугубляется тем, что процессы спекания системы Al-Mg вообще никем не изучались. Поэтому важнейшее проблемой порошковой металлургии алюминия, решенной лишь частично и е развитых странах, является применение цинка и магния в качестве легирующю добавок.
Немаловажной проблемой порошковой металлургии алюминия в Россиі является и создание смазки для его прессования, которая вначале вводится і смесь с тем, чтобы изделия не схватывались со стенками прессформы в резуль
5 тате холодной сварки при компактировании, а затем легко удалялись из матрицы путем выпрессовки.
Цель работы. Целью работы является исследование закономерностей жидкофазного спекания систем алюминий-магний, алюминий-магний с добавками меди, цинка и разработка способа изготовления спеченных пористых материалов и изделий конструкционного назначения из алюминиевых сплавов. Для достижения этой цели в работе ставились следующие задачи:
-
На основе новой концепции о природе диффузионного взаимодействия твердой и жидкой фаз с использованием известных методов исследования порошковых тел при жидкофазном спекании, включающих аналитические расчеты объемных изменений порошковых тел и их экспериментальную проверку, дилатометрию, структурный анализ, провести подробное исследование процессов спекания системы Al-Mg.
-
Учитывая, что Mg является одним из основных легирующих элементов промышленных алюминиевых сплавов, но не единственным, исследовать возможность спекания сплавов сложных систем Al-Mg-Cu и Al-Mg-Cu-Zn.
-
Разработать технологические процессы получения изделий на основе спеченных алюминиевых сплавов.
Научная новизна. Впервые в результате систематических исследований процессов жидкофазного спекания системы Al-Mg, а также формирующихся структуры и пористости спеченных сплавов показано, что вначале прессовки Al-Mg увеличиваются в объеме, а затем усаживаются, если состав смеси по фазовой диаграмме при температуре спекания попадает в область твердо-жидкого состояния. С помощью рентгеноструктурного анализа доказано, что причиной роста прессовок при спекании является диффузия атомов магния из расплава в частицы алюминия. По абсолютной величине усадка прессовок Al-Mg меньше их роста во всем интервале исследованных концентраций магния и температур спекания. Обнаруженные в спеченных сплавах у- и р-фазы, а также смесь этих фаз образуются в ходе кристаллизации расплава при охлаждении сплавов.
Практическая ценность. Разработаны способ изготовления пористых изделий на основе сплавов системы Al-Mg, который защищен авторским свидетельством № 1559556, а также технология спекания сплавов тройной системы Al-Cu-Mg и четверной Al-Cu-Mg-Zn, обладающих более высокими прочностными свойствами по сравнению с двойными сплавами. Найдены режимы термообработок спеченных трех- и 4-компонентных сплавов, заметно повышающих их прочность и твердость.
В результате проведенных исследований рекомендована к практическому использованию новая отечественная смазка для прессования порошковых смесей на основе алюминия, которая не уступает по своим свойствам известной смазке акравакс, широко используемой в США. Отработана технология изготовления конструкционной детали "заглушка" в условиях опытно-промышленного производства.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на заседаниях семинаров лабораторий порошковой металлургии ИФПМ СО РАН, СФТИ при ТГУ и кафедры по порошковой металлургии ТПУ (Томск); совместном заседании кафедр физики твердого тела и гранильного производства физического факультета Якутского госуниверситета, XYI Всесоюзной научно-технической конференции по порошковой металлургии (Свердловск, 1989); научно-технической конференции "Пластическая деформация в порошковых технологиях" (Тула, 1990); научно-техническая конференция "Пути повышения качества и надежности деталей из порошковых материалов'.' (Рубцовск, 1991); научно-технической конференции "Проблемы современных материалов и технологий. Производство наукоемкой технологии" (Пермь, 1993г.); Мировом Конгрессе по порошковой металлургии "World Congress on Powder Metallurgy & Particulate Materials " (Вашингтон^ 1996 г.); Международной конференции по порошковой металлургии "International Conference on Powder Metallurgy & Particulate Materials" (Чикаго, 1997 г.). Международной конфе-
7 ренции по порошковой металлургии "International Conference on Powder Metallurgy & Particulate Materials " (Мюнхен, 1997 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в
9 публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка цитируемой литературы и приложения, содержит 62 рисунка, 24 таблицы, библиографический список из 129 наименований, - всего 192 страниц.
