Введение к работе
Актуальность темы. Научно-технический прогресс связан с созданием материалов с заранее заданными свойствами, к которым в первую очередь относятся композиционные материалы (КМ) - композиты. Все большее место при получении КМ занимает метод инфильтрации. Повышенный интерес к этому методу связан с тем, что он позволяет изготавливать композиции, получение которых друтими методами либо невозможно, либо нерационально. Основные его преимущества перед твердофазными методами состоят в возможности получения изделий сложной формы и повышенной производительности процесса.
В настоящее время в промышленности развитых стран широко используют псевдосплавы сталь-медь. У инфильтрованных .медью сталей возрастает прочность, вязкость и износостойкость. Получение таких материалов возможно в результате обоснованного выбора состава, концентрационной неоднородности и режима термической обработки материала.
Высказанные соображения обуславливают необходимость расширения возможностей технологий инфильтрации за счет создания новых способов, оптимизации.параметров ранее разработанных вариантов, дальнейшего повышения характеристик инфильтрованных материалов и изделий путем использования дополнительной обработки давлением. Особую роль в этом отношении должен играть метод, базирующийся на использовании биметаллических заготовок, представляющих собой холоднопрессованную основу из порошка железа с напрессованным на нее слоем инфильтрата. Более глубокого изучения заслуживает метод пропитки порошковых железных заготовок на ограниченную глубину.
Специальные исследования, актуальность проведения которых следует из проведенного анализа, были осуществлены на кафедре «Материаловедение и технология материалов» ЮРГТУ(НПИ). Работа была выполнена в соответствии с заданиями Межвузовской научно-технической программы «Перспективные материалы» (тема 95/17Ф); госбюджетной темы 49.94 «Фундаментальные исследования в области формирования структуры и свойств порошковых материалов, а также их деформирования при горячей обработке давлением»; программы 002 «Научные исследования высшей школы в области новых материалов» на 2000 год. раздел «Функциональные порошковые материалы» (проект 04.01.09).
Дели и задачи исследования. Целью работы является повышение качества инфильтрованных порошковых материалов (ИПМ) и эффективности технологии их получения при использовании биметаллических порошковых заготовок и инфильтрации на контролируемую глубину.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Исследовать влияние технологических факторов на процессы уплот-
нения при формовании биметаллических заготовок; спекании, совмещенном с инфильтрацией; холодной и горячей деформации; а также кинетику пропитки с контролируемой глубиной.
-
Изучить зависимости структуры, механических и эксплуатационных свойств ИПМ «железо-медь», «железо-латунь», «железо-бронза» от значений технологических факторов и осуществить их оптимизацию.
-
Исследовать качество поверхностей изделий из ИПМ на разных этапах их производства.
-
Разработать опытную технологию получения фреононепроницае-мых головок цилиндров компрессора.
Научная новизна.
1. Раскрыт механизм явлений, контролирующих процесс формования
порошковой биметаллической заготовки с напрессованным на железную
основу слоем инфильтрата:
- обнаруженное отсутствие влияния давления подпрессовки основы
Ру на её плотность после завершения холодного прессования заготовки
давлением Р2 связано с упругим последействием основы после снятия р1; представлением остаточных деформаций при уплотнении в виде чередующихся актов упрочнения, разрушения комбинаций уплотняемых частиц и повторного достижения устойчивых комбинаций на более высоком уровне прочности и плотности, что и наблюдается после засыпки слоя инфильтрата и приложения давления р^, т.е. дальнейшее уплотнение основы может происходить только при р0 > Р};
- увеличение давления уплотнения порошковой основы из-за необхо
димости преодоления потерь на внешнее трение слоя засыпанного ин
фильтрата компенсируется снижением потерь давления на поперечное пе
рераспределение частиц прессуемой биметаллической заготовки, о чем
свидетельствует прогиб межслойных разделительных прослоек, обнаружи
ваемый после извлечения биметаллических заготовок из пресс-форм.
2. На основе допущений о возможности использования правила адди
тивности при анализе сопротивления деформации частиц двухфазных сис
тем в процессе их уплотнения и эквивалентности текущей пористости этих
фаз и пористости уплотняемой системы разработаны:
- силовые и энергетические уравнения уплотнения заготовок ИПМ
при холодной и горячей обработке давлением;
- методика и расчетная формула для определения количества жидко-
фазного инфильтрата на момент горячей допрессовки заготовки ИПМ.
3. Определены константы скорости пропитки железной основы рас
плавом хромистого чугуна на контролируемую глубину, влияние на них
времени пропитки и пористости заготовки; показано, что при описании
кинетики кратковременной пропитки необходимо учитывать инкубационный период, связанный с необходимостью разрушения оксидных плёнок на смачиваемых поверхностях, установления адгезиогшых связей с расплавом и его натеканием на них.
4. Предложено гипотетическое объяснение обнаруженного при инфильтрации и обработке давлением ИПМ одновременного повышения их прочности и пластичности, основывающееся на дифференцированном вза-имнокомпенсирующем влиянии на эти свойства трех факторов: упрочнение (наклеп) металлической матрицы, приводящее к уменьшению пластичности; уплотнение материала и повышение качества межчастичных контактов.
Практическая ценность. Оптимизированы значения технологических факторов получения низкопористых и высокопрочных спеченных ИПМ: Fe-Cu, Fe-JI63, Fe-BpO10Cl,5UO, Ре-(дисперсионнотвердеющая бронза системы Cu-Sn-Ni-Mn-Fe); холодно- и горячештампованных ИПМ Fe-Cu.
Разработан способ изготовления низкопористых ИПМ при утилизации стружки цветных металлов, включающий формование двухслойной пористой порошковой заготовки путем засыпки в пресс-форму порошка подложки и его подпрессовки давлением 50 — 400 МПа с последующей засыпкой легкоплавкого материала 15 - 25 % от массы подложки и окончательного прессования, ее спекание, совмещенное с инфильтрацией, отличающийся тем, что в качестве легкоплавкого материала поверхностного слоя двухслойной заготовки используют стружковые отходы цветных сплавов на основе меди, а давление окончательного прессования двухслойной заготовки составляет 600...800 МПа
Определены параметры технологии изготовления инфильтрованных медью фреононепроницаемых материалов и изделий из них - головок цилиндра компрессора.
Реализация результатов работы. Разработанные ИПМ успешно прошли производственные испытания на ОАО «Холодмаш» (г. Черкесск).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) и на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков», г. Пенза, 2000 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в их числе 1 заявка на изобретение.
Обьем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и приложения, содержігг 189 страниц текста, 50 рисунков, 35 табліщ и список использованных источников из 102 наименований.
Автор выражает благодарность к.т.и., с.н.с. СП. Сергеснко за предоставленные программы статистических расчетов, а также за консультации її помощь при работе над диссертацией.