Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ условий формирования структуры и свойств композиционных материалов на основе железа, стали и псевдосплавов с неметаллическими присадками 8
1.1. Практика получения композиций и спеченных материалов на основе железа, их свойства и использование 8
1.2. Анализ состояния теории и практики использования предварительного терморафинирования и химико-термической обработки порошковых композиций 13
1.3. Структура и свойства порошковых материалов в зависимости от характеристик исходных композиций. Модели взаимосвязи состава, структуры и свойств порошковых материалов 17
1.4. Цель работы и задачи исследований 31
2. Методика проведения экспериментальных работ и обработки опытных данных 33
2.1. Исходные материалы 33
2.2. Методика получения микрокомпозитов системы
2.2.1. Обоснование выбора приемов химико-термической обработки (сульфидирования) железного порошка, как матричной основы композиционных материалов 35
2.2.2. Оборудование для химико-термической обработки порошка в вибрирующем слое 36
2.3. Оборудование и методика проведения триботехнических испытаний 41
2.4. Построение математических моделей зависимостей технологических свойств композиций от концентрации добавок легирующих элементов 45
2.4.1. Разработка плана и проведение эксперимента. Постановка задачи и условия исследований 47
2.4.2 Планирование обобщенных экспериментов 51
2.4.3. Описание используемых функций пакета MathCAD 53
2.5. Методы изучения механических и эксплуатационных характеристик 55
3. Теоретические предпосылки для разработки метода химико-термической обработки железных порошков, обеспечивающего требуемые функциональные свойства микрокомпозитов 57
3.1. Состояние вопроса и постановка задачи 57
3.2. Диффузионно-химические аспекты, физическое и математическое моделирование условий формирования структуры и свойств при химико-термической обработке дисперсных материалов 59
3.3. Обобщенная модель системы «газ - частица порошка» для описания и диагностики процесса поверхностного насыщения 71
3.4. Экспериментальное исследование процесса осаждения серы на железный порошок 75
3.4.1. Предварительный анализ условий образования железо-серных микрокомпозитов 75
3.4.2. Особенности технологических приемов насыщения серой железного порошка путем химико-термической обработки в вибрирующем слое 79
3.4.3. Кинетика процесса сульфидирования железного порошка в вибрирующем слое 81
4. Исследование структуры и свойств железо-серных микрокомпозитов и спеченных материалов на их основе 85
4.1. Химический состав железо-серных микрокомпозитов 86
4.2. Исследование структуры, морфологии поверхности и физических свойств микрокомпозитов «железо-сера» 87
4.3.Структура и технологические свойства микрокомпозитов, сырых брикетов и спечённых материалов 96
4.3.1.Анализ взаимосвязи качества исходных железных порошков, формируемого состава микрокомпозитов «железо-сера» по диаграмме «состав-уплотняемость» 104
4.4. Исследование механических свойств спеченных материалов 108
4.5. Анализ триботехнических характеристик 112
4.6. Обрабатываемость резанием спеченных железо-серных материалов 116
4.7. Алгоритм создания эффективных композиционных материалов наоснове железо-серных микрокомпозитов, получаемых ХТО ВС 119
4.8. Выводы по главе 120
5. Технологическое оборудование и промышленные испытания химико-термической обработки микрокомпозитов и антифрикционных материалов 122
5.1. Проектирование и изготовление пилотной и опытно-промышленной установки получения микрокомпозитов химико-термической обработкой в вибрирующем слое 122
5.2. Практика химико-термический обработки (сульфидирования) порошков и получения микрокомпозитов и спеченных антифрикционных изделий 127
6. Заключение, общие выводы и рекомендации 135
7. Литература 140
8. Приложения
- Анализ состояния теории и практики использования предварительного терморафинирования и химико-термической обработки порошковых композиций
- Методика получения микрокомпозитов системы
и композиционных материалов на их основе - Диффузионно-химические аспекты, физическое и математическое моделирование условий формирования структуры и свойств при химико-термической обработке дисперсных материалов
- Исследование структуры, морфологии поверхности и физических свойств микрокомпозитов «железо-сера»
Введение к работе
Создание и эффективное использование новых, в том числе, модифицируемых материалов, технологических приемов их получения и управления функциональными свойствами - неизменно актуально, поскольку обусловлено требованием материального производства вне зависимости от экономической ситуации. Повышенный интерес исследователей и практиков к этой проблематике, важность которой неизменно подтверждается формированием соответствующих государственных научно-технических программ и заданий [1-3], вполне оправдан по причине несомненных экономических преимуществ применения таких материалов. Выигрышными примерами прогрессивных материалов настоящего периода развития науки и техники являются металлокомпозиты и металлопластики, градиентные, полиструктурные, слоистые и т.п. конструкции, среди которых значимое место занимают композиционные порошковые материалы для машиностроения - антифрикционные, конструкционные, электротехнические, изностойкие, каркасные, фильтровые и др. [2,4].
Материаловедение и технология композиционных порошковых материалов - сравнительно молодая отрасль науки и техники, находящаяся в состоянии активного развития и быстрого подъема. Ее преимущества: возможность создания разнообразных композиций материалов, экономичность и высокая технологичность производства (малоотходность - коэффициент использования материала до 99%, ресурсосбережение, сокращение себестоимости изделия, по сравнению с другими видами обработки материалов), возможность получения материалов с особыми функциональными свойствами - самосмазывающиеся антифрикционные, износостойкие, градиентные по структуре и составу и др.) [5-14]. В первую очередь, этим объяснимы непрерывно происходящие процессы расширения номенклатуры изделий, получаемых по технологии композитов, и совершенствования их свойств.
Значимым позитивным фактором, расширяющим перечень достоинств технологии композиционных порошковых использования относительно «дешевых» источников сырья для изготовления изделий с приемлемыми потребительскими характеристиками. К таким источникам сырья могут быть отнесены низкосортные металлические порошки общего применения, качество которых может быть улучшено пластифицированием, легированием, поверхностным насыщением в ходе их переработки в изделия.
В связи с созданием объектов новой техники, узлы трения которых должны работать в специфических эксплуатационных условиях, при высоких скоростях и нагрузках, агрессивных средах и т.п., естественно, непрерывно изменяются и конкретизируются требования к материалам узлов трения - подшипникам, тормозам, передаточным устройствам, уплотнениям и пр. Наряду с этим, общий технический прогресс, связанный с повышением скоростей и нагрузок существующих машин и механизмов, также требует переоснащения их узлов трения новыми, более прочными и износостойкими материалами. Технология же композиционных материалов, открывает неограниченные возможности для создания материалов, обеспечивающих надежную работу узлов трения в самых разнообразных условиях, позволив создавать «индивидуальный» материал для конкретного объекта. Таким образом, объективно созданы предпосылки обеспечения срока службы узла трения равного сроку службы механизма в целом [15-19].
Дальнейшие успехи в создании новых антифрикционных материалов и обеспечении оптимальных условий их эксплуатации зависят от достаточно четкого понимания условий трения и изнашивания в зависимости от их состава (композиционности) и достигнутых химических и физико-технологических характеристик - микрофазной структуры на поверхности и в объеме материала, плотности, пористости, несущей способности, прирабатываемости, а также прочности, пластичности, износостойкости и т.п.
Антифрикционные спеченные материалы общемашиностроительного назначения на основе железных и стальных порошков нашли широкое применение в различных узлах машин и механизмов, работающих в условиях ограни ченной смазки или ее полного отсутствия [13, 14, 17, 18, 20] Такие условия эксплуатации характерны не только для ряда открытых узлов, например зерноуборочного комбайна (коленвал соломотряса, привод элеватора подачи зерна в бункер и др.), но также и для ряда аппаратов пищевого производства, где в качестве естественной смазки выступает сама пищевая среда (вода, молоко, растворы) и применение традиционной консистентной или жидкой смазки проблематично. Введение в состав композиционного порошкового материала антифрикционных присадок - графита, дисульфида молибдена, серы, фосфора и т. п. сухих смазок - позволяет расширить области практического использования этих материалов для разнообразных условий эксплуатации [13-21].
Одним из эффективных средств против заедания является сульфидиро-вание, при котором повышению износостойкости способствует возникновение тонкой сульфидной пленки на поверхности трения [14, 20-22]. Однако, несмотря на достаточно длительный период применения этих порошковых материалов [21,22], методы их получения и формирования благоприятных микро- и макроструктуры для разных условий эксплуатации, резерв их функциональных свойств далеко не исчерпаны, а потому представляет определенный интерес рассмотреть влияние сульфидирования на свойства готовых антифрикционных материалов и изделий на основе серийных железных порошков. При этом одним из направлений оптимизации свойств таких материалов может стать анализ известного противоречия, состоящего: - в необходимости количественного роста вводимой в состав материала серы для улучшения собственно триботехнических характеристик; - в необходимости строгого контроля формирования сульфидных микрогетерогенных структур в виде пленки или сетки (непрерывной, локальной), переизбыток которых разупрочняет матричную структуру и снижает несущую способность материала; на разрешение которого и направлены выполненные исследования.
Работа выполнена на кафедре «Технология конструкционных материалов» и отделе «Износостойких покрытий и порошковой металлургии» Донского государственного технического университета (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону) в соответствии с планами НИР по выполнению заданий ряда научно-технических программ, таких как: «Малотоннажная технология» (1992-1994 г.г.), «Транс-ферные технологии» (1995-1997 г.г.) и др. А в настоящий период - в соответствии с подпрограммой «Новые материалы» научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы в области приоритетных направлений науки и техники» по разделу «Функциональные порошковые материалы» (проект 202.05.01.026) за 2001-2004 г.г.; отдельные исследования структуры и физико-технологических свойств материалов выполнены в специализированных лабораториях кафедры «Физического и прикладного материаловедения» ДГТУ, а также Институте физики твердого тела РАН (п. Черноголовка, Московской обл.), Центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) ОАО «Ростсельмаш», г. Ростов-на-Дону.
Анализ состояния теории и практики использования предварительного терморафинирования и химико-термической обработки порошковых композиций
Известные преимущества технологии порошковых компонентов, состоящие в возможности целенаправленного, технологически доступного регулирования состава и структуры композиционных спеченных материалов, в частности антифрикционных для узлов трения машин и механизмов, позволяют с большим успехом реализовать их на практике, находя все новые технологические приемы производства. Развитие процесса создания новых и модифицирования традиционных спеченных антифрикционных материалов основывается на следующих основных принципах: а) обеспечение образования в процессе эксплуатации на рабочих по верхностях в результате износа, аморфизации и механохимического легирова ния рабочих разделительных слоев, обладающих необходимым комплексом свойств прочности, деформативности, антисхватывания и антизадирности, ма лой работой трения. Решение этой задачи обеспечивается введением в исходный состав антифрикционных материалов легирующих элементов и присадок, которые в процессе изготовления материала и его работы обеспечивают появление структуры рабочего слоя с необходимыми свойствами; б) рациональный выбор состава и «конструкции» материала, обеспечи вающий оптимальное гетерогенное строение, состоящее в сочетании твердых прочных элементов структуры, принимающих на себя нагрузку, с пластичной, деформативной матрицей, удерживающей эти прочные включения и перерас пределяющей нагрузку равномерно в теле подшипника. Эта задача решается созданием материалов матрично-наполненного или армированного типа, путем объединения каркаса из частей твердых соединений (или микрофаз) с пластичной основой, играющей роль матрицы. В этом случае используют методы пропитки расплавами или градиентного спекания, а также армирование малопрочного антифрикционного материала более прочным каркасом [17, 18,30,31].
Создание станков и машин, работающих в условиях больших скоростей, температур и давлений, предъявляет высокие требования к деталям узлов трения. В ряде случаев применение жидких смазывающих веществ теряет смысл, так как они при высоких удельных давлениях и температурах на поверхностях трения либо вытесняются, либо выгорают, не защищая их от усиленного износа и схватывания. Для этой цели применяют твердые неорганические вещества, играющие роль сухой или твердой смазки. К их числу относят графит, нитрид бора, сульфиды, селениды, теллуриды, хлориды, фториды, йодиды металлов, а также металлы с низкой температурой плавления, окислы, полиокислы и различные соли (фосфаты, сульфаты, карбонаты и др.). Применение того или иного вещества определяется материалом сопряженных поверхностей, условиями их трения, физико-механическими и химическими свойствами веществ, их термической стабильностью по отношению к окружающей среде, взаимодействием с материалами пары трения [14, 18, 20, 21]. Необходимость применения самосмазывающихся подшипников с твердыми смазывающими материалами и компонентами вызвана также и технологическими соображениями эксплуатации. Например, в пищевой, легкой и приборостроительной промышленности должно быть исключено загрязнение выпускаемой продукции (пищи, текстиля, точных механизмов) смазочными маслами и консистентными смазками [17, 32].
С другой стороны, применяемые подшипниковые цветные сплавы (латуни, баббиты, бронзы) имеют большую стоимость и в ряде случаев не отвечают современным требованиям. Поэтому замена их менее дефицитными и более износостойкими спеченными материалами - задача первостепенной важности [3, 20].
Определенный интерес, как компоненты новых антифрикционных материалов, представляют сера и ее соединения. Первые сведения о применении серы как составляющей спеченных композиционных материалов относятся к 1953 г., когда было предложено пропитывать поры спеченного каркаса из же лезного порошка серой погружением изделия в ее расплав. Введение сульфидов металлов непосредственно в композиционный материал началось в 1957-1960 г.г. С этой целью применялись сернистое железо, марганец, а затем сернистые цинк, медь и свинец [20, 22].
В первых работах по использованию серы в качестве твердой смазки она вводилась в поры путем пропитки пористого каркаса ее расплавом при 140-160 С. В результате последующего отжига при температуре около 400 С избыток серы выгорал и образовывались сульфиды железа. Основным недостатком этого метода независимо от температуры последующего отжига является поступление в поры материала большого количества серы, которая взаимодействует с основой с образованием большого по объему количества сульфидных включений. Известно, что объем элементарной ячейки железа составляет примерно 23,54 А (куб.), а образующегося сульфида железа - 71,2 А, т.е. в три раза больше. И здесь очевидно, что чем меньше плотность пропитываемого серой материала, тем больше серы и сульфидов содержится в его составе и тем значительнее снижаются прочность и пластические свойства пористого железа. Поэтому наиболее эффективным методом сульфидирования следует считать введение серы в исходную шихту или порошок, что позволяет добавлять заданное количество серы и осуществлять равномерное распределение ее в объеме всего материала. Возможно также введение серы предварительной обработкой железного порошка в среде, содержащей сероводород [20, 22].
Отличительной особенностью сульфидированного железографита является введение в материал на железной основе с 1-3 % графита до 1 % серы или 1-4 % сульфидов цинка, меди или олова, либо раздельное введение тех или иных металлов и серы, которые в процессе спекания образуют соответствующие сульфиды. Железографитовые антифрикционные материалы, содержащие 0,5-0,8% графита и 15-30 % пор, могут работать при нагрузках до 30-50 кгс/см при скоростях трения 1,0-2,0 м/с. В таких условиях они с успехом заменяют подшипниковые материалы на основе бронз и баббитов. При этом достигается существенная экономия.
Железографитовые материалы имеющие в составе сернистый цинк (до 4,0 %), а также материалы, содержащие медь, олово, серу или сульфиды, могут работать при давлениях до 100-200 кгс/см и скоростях трения до 5-9 м/с в условиях ограниченной подачи смазки. Улучшение комплекса физико-механических и антифрикционных свойств достигается одновременным легированием и сульфидированием материалов пар трения, что осуществляется введением сульфида металла одного или совместно с другими элементами, оказывающими легирующее действие [20].
Методика получения микрокомпозитов системы и композиционных материалов на их основе
. Технология химико-термической обработки в вибрирующем слое (ХТО ВС) и оригинальное оборудование для её реализации разработанны в лаборатории порошковой металлургии Донского Государственного Технического Университета [60-66]. Суть метода состоит в наложении на порошок-основу (в данном случае, железный), помещенный в нагретый контейнер (реактор), низкочастотных вибраций (частота 25-33 Гц, амплитуда колебаний 0,5-5 мм), переводящих стационарный, неподвижный слой в его псевдокипящее состояние - вибрирующий (виброкипящий, виброфонтанирующий) слой, область действия которого определяется размерами и конфигурацией реактора. Конструктивное решение реактора обтекаемой формы (круглый, полукруглый, овальный в сечении) с ограничивающими боковыми стенками и небольшим (1-3) наклоном вдоль продольной оси обеспечивает не только активное перемешивание находящегося внутри порошка по сечению - поперечное перемещение, но и постепенное смещение всей массы загруженного порошка от одной боковой стенки реактора к другой и обратно-продольное движение. Вибрационные колебания позволяют создают высокопористую структуру (порозность) дисперсного слоя материалов, которые в других условиях трудно поддаются ожижению или вообще не ожижаются. При этом интенсивность псевдоожижения не зависит от скорости газового реагента, что делает возможным значительно уменьшить расход газа, подавать его равномерно и в количествах, необходимых только для протекания химического процесса. Высокопористая подвижная среда дисперсного материала, легко пронизывается газом-реагентом, подаваемом в реактор под небольшим давлением - 0,1 атм., и менее, и даже может периодически работать со «стоящей» (не проточной) атмосферой до её истощения, реализуя, так называемую, замкнутую систему массообмена. Все это обеспечивает уменьшение уноса твердой фазы или полностью его исключает. Равномерное распределение температуры и газа, активное перемешивание материала создают благоприятные условия для получения конечных продуктов однородных по составу и свойствам
Таким образом реализуется процесс газофазного насыщения твердого реагента (железа) в режиме гетерогенно-каталитических реакций и твердофазных превращений матричного продукта на первом этапе [60-65] и возможного диффузионного закрепления в дальнейшем [100].
Кроме того, наложение низкочастотных вибраций на реактор с порошком исключает некоторые негативные «побочные эффекты». Прежде всего исключается «внешнедиффузионое» торможение процесса ХТО ВС и полностью устраняются причины, тормозящие подвод газа-реагента к внешней поверхности индивидуальной частицы порошка, витающей в пространстве реактора. Так, применительно к сульфидированию порошкообразных материалов вибрационное псевдоожижение позволяет не только исключить неравнодоступность частиц легирующему элементу (исключить зональность, характерную для стационарного слоя), но и предотвратить такое неблагоприятное явление, сопутствующее многим процессам термообработки порошков, как их спекание в агломераты и налипание на стенки (образование настылей) с зарастанием живого сечения реактора.
Для реализации вышеизложенных принципов была разработана и изготовлена экспериментальная установка, использующая принцип порционной обработки материала с неограниченным периодом времени обработки (см. рис. 2.2, 2.3 и 2.4).
Отличие данной установки от уже существующих состоит в некотором упрощении конструкции, связанном с отсутствием необходимости немедленной загрузки порошка после обработки очередной порции. А также в том, что легирующий элемент поступает в виде газа (например, смеси Ar-S или N2-S), пронизывающего псевдокипящую массу основы. Однако циклическо-периодическое действие установки и капсульный принцип загрузки не являются препятствием повышению ее производительности, которая составляет до 10 кг/час (опытно-промышленный вариант, см. гл. 5), позволяя при сравнительно малых габаритах (занимаемая площадь 2 м ) обрабатывать до 5-6 т порошка в год, полностью удовлетворяя потребность по номенклатуре в 1 -2 деталях.
Установка состоит (см. рис. 2.2) из лабораторной электропечи СУОЛ-0,4.2,5/15-И1 (1) в которой расположен трубчатый реактор (2), выполненный из нержавеющей стали. В герметичных стенках реактора имеются два штуцера: для входа газа, несущего легирующий элемент, и для выхода газа и вытесняемого им воздуха. Реактор жестко закреплен на виброраме (3), которая через четыре регулируемые пружины (4) опирается на станину (5), установленную на резинометаллических амортизаторах (6). На виброраме расположен дебалансный вал (7), связанный через гибкую муфту (8) и клиноременную передачу (9) с электродвигателем АОЛ-21/4 (10). Регулировка амплитуды колебаний осуществляется сведением-разведением эксцентриковых дебалансов, закрепленных на валу, от расположения центра масс которых относительно оси вала и зависит амплитуда (0,5-3,0 мм). Частота колебаний устанавливается сменными шкивами (1500, 1750 и 2000 мин-1).
Диффузионно-химические аспекты, физическое и математическое моделирование условий формирования структуры и свойств при химико-термической обработке дисперсных материалов
Современные представления теории адсорбционно-диффузионно-кинетического взаимодействия металлов с газами в целом, и дисперсных материалов (порошков, гранул, окатышей) в частности, позволяют разбить весь этот сложный, многозвенный процесс на условные элементарные стадии [64, 87, 93, 94,100,107, 108,110,115,116]: 1) подвод газового потока к частице; 2) адсорбция газа на поверхности частиц; 3) диффузия адсорбированного газа через слой «не реагирующего» про дукта; 4) диссоциация адсорбированных молекул; 5) химическое взаимодействие газа и твердого компонента с образованием новых продуктов, в частности, рост поверхностного слоя; 6) диффузия продуктов реакции внутрь и наружу (на периферию) частиц; 7) десорбция газообразных продуктов реакции и их унос с поверхности.
Анализ и эмпирико-аналитическое исследование каждой из стадий позволяют выявить лимитирующие звенья процесса в целом, а целенаправленными воздействиями возможно расширение границ благоприятных технологических режимов. Для рассматриваемого процесса химико-термического насыщения из газовой фазы частиц порошка, находящегося в псевдоожиженном состоянии, возможно, например, устранить стадию (1), активировать стадии (2-4), фиксировать стадию (5) и нивелировать стадии (6, 7).
Так, оговоренные (см. гл. 2) и подразумеваемые (в частности, краткосрочность - до 0,5 ч) условия проведения термообработки дают основания остановиться на первых пяти стадиях процесса, перенеся длительные диффузионно-обменные процессы внутри элементарной частицы и между ними (при консолидации) на стадию спекания порошкового материала, где для этого будут созданы более благоприятные температурно-временные условия.
Переходя к анализу диффузионно-химических аспектов гетерофазного взаимодействия «газ - твердое тело» с указанными оговорками, сразу можем перейти к стадии (5), поскольку предыдущие не могут быть лимитирующими из-за заведомого переизбытка газовой фазы, большой удельной поверхности порошка и локализации процесса на уровне «индивидуальная частица - газ». Можно отметить следующее.
Степень плотности продукта, сквозь который идёт диффузия газа (внешний подвод газа и его перераспределение в поверхностном пористом или плотном слое), можно количественно характеризовать изменением объёма исходного (Vo) и полученного (V]) продуктов коэффициентом Пиллинга-Бедворта Л [115] (в отечественной литературе - доля изменения объёмов фаз [117]:
При А 1 защитный слой не обязательно должен образоваться (необходимо экспериментально проанализировать структуру), но при А 1, его не должно быть точно, и в нём может быть «облегченная», в сравнении с плотным слоем, например кнудсеновская диффузия (условно, коэффициент диффузии DK).
Поскольку процесс диффузии в слое-преграде неотвратимо должен идти «туда и обратно», то сразу коснёмся стадии (6) - обратной диффузии продуктов реакции. Предполагая здесь те же закономерности, что и в «прямой» диффузии, отметим возможность быстрого накопления продуктов реакции на границе фаз внутри частиц и их вырыв наружу [115] что, например, наблюдалось при интенсивном (15-20 мин) довосстановительном отжиге мелкопористого железного порошка Броварского завода в достаточно узком интервале температур обработки (750-800 С) в виброкипящем слое [118].
Заметим, что такой случай «не вреден» именно для порошкового состояния продуктов, поскольку они в дальнейшем будут формоваться и спекаться с «залечиванием» пор или образованием «рваных» кратеров, в то время как для компактных материалов может наступать нежелательное отслоение периферийной поверхности. Кроме того, в этом случае, не будет торможения процесса продуктами реакции и стадии обратной диффузии и десорбции становятся незначимыми.
Стадия (5) химического взаимодействия газа и твердого продукта, собственно «кинетическая» (называемая так в большей степени по традиции классической химии) характерна тем обстоятельством, что эта стадия во многом «наблюдаема» экспериментально и контролируема достаточно приемлемыми способами - весовым, объёмным, металлографическим и, разумеется, более тонкими методами физико-химии. Массообмен на активной поверхности может быть проанализирован на основе прямого наблюдения за состоянием исходных и получаемых продуктов начиная с анализа традиционных стехиометрических уравнений реакции, например, обмена (схематично)
Исследование структуры, морфологии поверхности и физических свойств микрокомпозитов «железо-сера»
Из многочисленных и разнообразных физических свойств металлопорошков и микрокомпозитов рассмотрим форму частиц, их размеры и распределение по крупности, пикнометрическая плотность, твердость и состояние кристаллической решетки и др. [5, 13, 57].
Форма частиц. Эта характеристика и состояние поверхности является одним из важных факторов, определяющим технологические свойства порошка, механические свойства сырых брикетов и готовых спечённых изделий.
Структура порошковых частиц после химико-термической обработки практически сохранила своё губчатое (высокопористое) строение для восстановленных порошков осколочной формы и распыленных, округлых, и развитый микрорельеф поверхности (рис. 4.3-4.5). В сечении сульфидированной частицы железа (рис. 4.2) наблюдаются отдельные и связанные поры с выходом на поверхность. Преимущественно во впадинах микрорельефа могут быть выявлены металлографически серные включения размером от 1 до 5-6 мкм, которые не искажают общей морфологической картины (рис. 4.3, 4.4). То есть пористая структура внутренних областей частиц изменяется не столь сильно, как при многочасовом рафинирующе-насыщающем отжиге стационарного слоя порошка, когда происходит залечивание не только микропор, но и сглаживание микрорельефа с образованием скорлупообразной поверхности вследствии более полного прохождения диффузионных процессов.
Собственно морфология (растровое изображение - СЭМ выполнена в Институте физики твердого тела РАН, пос. Черноголовка) показывает некоторую сглаженность микрорельефа (особенно для распыленного порошка), что благоприятно для т.н. третьего этапа прессования порошков и получения плотных (выше 7,0 г/см ) материалов [5] при наступлении проскальзывания частиц относительно друг друга и лучшей их уплотняемости (упаковки) с взаимозакреплением и обеспечением хорошей прочности сырой формовки.
Гранулометрический состав порошка. Размеры частиц и их распределение по фракциям ситовой анализ с использованием вибровстряхивателя (см. гл. 2) в сочетании с другими свойствами определяют необходимое давление прессование, усадку при спекании и пр. Результаты анализа (табл. 4.) показывают практически неизменность распределения размеров частиц, что вполне ожидаемо по причине кратковременности (15-20 мин макс.) теплового воздействия в отличие от 1,5-2-х часового отжига в стационарном слое порошка ПЖВ 2.160.24, у которого значительно увеличивается доля средних фракций из-за спекаемости мелких в прочные конгломераты (табл. 4.2). частиц. Величина удельной поверхности связывается с поверхностной энергией, что активизирует процесс спекания порошка. Традиционным является представления о том, что при термообработке в стационарном слое происходит уменьшение значения удельной поверхности за счёт сглаживания рельефа, частичного слипания (агломерации) частиц, залечивания микропор [13, 5], что и подтверждается изменением грансостава (см. табл. 4.2) и значение 8уд у порошков, отожженных в стационарном слое, падает до 300-400 см2/г против 500-550 см/г у исходных восстановленных порошков ПЖ4.160.24. После химико-термической обработки в вибрирующем слое Sya не только сохраняется, но и значительно (почти в 2 раза) увеличивается до 900-950 см2/г с изменением микрорельефа за счет «наростообразований» как это спрогнозировано при моделировании процесса осаждения (см.гл.З, рис.3.1.) Эту тенденцию подтверждает как метод измерения по газопроницаемости на приборе Товарова, так и более тонкий метод адсорбции-десорбции азота БЭТ, а также визуальное наблюдение и микрофотографии (имидж-графы, рис. 4.1-4.5) [5, 13, 137].
Пикнометрическая плотность. Пикнометрическая плотность зависит от внутричастичной пористости, дефектности кристаллической решетки, фазового состава металлической основы, наличия примесей. Для определения этой характеристики применяем обычную методику с использованием микропикно-метра объёмом 2 см , вакуумируемого в вакуумном посту ВУП-2К. В качестве пикнометрической жидкости служил метиловый спирт, керосин и олеиновая кислота [13,137].
При отжиге в процессе удаления оксидов и примесей пикнометрическая плотность закономерно повышается, но появление серных присадок и образование более легких сульфидных фаз снижает абсолютный показатель до 7,7 х 103 кг/м3. Микротвердость порошковых частиц характеризует в известной мере способность металла к деформации и имеет важное значение для оценки технологических свойств порошка, главным образом прессуемости. Пластичность порошка определяет возможность его уплотнения до требуемой пористости при определенном давлении прессования, необходимую мощность прессового оборудования, стойкость рабочего инструмента.
Уменьшение микротвердости до 90-110 в процессе химико-термической обработки (рис. 4.6) связано с процессом удаления оксидных пленок, неметаллических включений, стабилизацией структуры металла, которые в свою очередь зависит от температуры и времени термообработки. ХТО ВС при умеренных температурах 400-500С исходных железных порошков в течении 15 мин. достаточно для снятия «жесткости» частиц и позволяет снизить микротвердость практически до минимальных значений, а также образовать благоприятное сульфидное покрытие, облегчающее уплотнение при прессовании.
