Гомогенизация материала, полученного электроконтактным уплотнением порошковой бронзы

УДК 621.762

ГОМОГЕНИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛА, ПОЛУЧЕННОГО ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ ПОРОШКОВОЙ БРОНЗЫ

© 2010 г. Т.А. Литвинова*, А.А. Мецлер*, С.Н. Егоров*, Ю.Ю. Медведев*, С.А. Горшков **

Волгодонский институт

Южно-Российский государственный технический университет

Institute of South-Russian (branch) State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Volgodonsk

"South-Russian State Technical University

Дана оценка степени завершённости гомогенизации при электроконтактном уплотнении (ЭКУ) порошковой бронзы. Рассчитана скорость диффузии при различных условиях воздействия на получаемый материал. Выявлена превалирующая роль пластической деформации в интенсификации диффузионных процессов и формировании качественного сращивания на межчастичной поверхности при электроконтактном уплотнении порошковой бронзы.

Ключевые слова: гомогенизация; интенсификация; диффузия; пластическая деформация; равновесная структура.

The estimation of degree of completeness of homogenization is given at electric-contact consolidation (ECC) of powder bronze. Speed of diffusion is calculated under various conditions of influence on the obtained material. The prevailing role of plastic deformation in the intensification of diffusion processes and the formation of qualitative merging on the interparticle surface is revealed at electric-contact consolidation of powder bronze.

Keywords: homogenization; intensification; diffusion; plastic deformation; equilibrium structure.

Интенсивность диффузионных процессов, а также степень термомеханического воздействия играют существенную роль при производстве и термической обработке порошковых материалов, так как их механические и эксплуатационные свойства зависят от степени взаимного растворения компонентов, пластической деформации металла, кинетики протекания восстановительных процессов, формирования межчастичных связей [1].

В настоящей работе проведён анализ интенсивности диффузионных процессов, протекающих при электроконтактном уплотнении порошковой бронзы.

Исследование проводили на образцах, полученных при электроконтактном уплотнении порошка бронзы марки БрОФ 8-0,3 и отличающихся структурой и механизмом уплотнения [2].

В неоднородных по концентрации порошковых системах характер распределения компонентов в любом направлении приблизительно одинаковый [3]. Исходя из этого, коэффициент диффузии для порошковой бронзы, обладающей исходной дендритной структурой, можно рассчитать по следующей формуле:

_ 4а

, ч _ 4а .na 2/ix

(х, t) = сА н——sin—cos-exp

2nx

(

b

b

4n2 DAtЛ b2

где Ь - среднее расстояние между осями дендритов первого порядка; а - среднее расстояние между осями дендритов второго порядка; сА - средняя концентра-

ция олова в сплаве; сА - средняя объёмная концентрация олова в сплаве.

Для оценки степени завершённости гомогенизации при электроконтактном уплотнении порошковой бронзы был проведён оже-спектральный анализ распределения олова в объёме сформированного материала (рис. 1).

Образцы с дендритным строением отличались высокой неравномерностью распределения легирующего элемента (рис. 1 а). Материал, обладающий равновесной структурой, характеризовался выравниванием химического состава (рис. 1 б).

Таким образом, анализируя результаты оже-спектрального анализа можно сделать вывод, что при электроконтактном уплотнении порошковой бронзы в условиях действия твердофазного механизма уплотнения, при котором исходная дендритная структура трансформируется в равновесную, выравнивание химического состава происходит в полной мере. Экспериментально установлено, что интенсивное перераспределение олова в порошковой бронзе осуществляется уже за 10 с. Результаты расчёта значения коэффициента диффузии при электроконтактном уплотнении представлены в таблице.

Для сравнительного анализа полученных данных был проведён гомогенизирующий отжиг и горячее деформирование образцов из порошковой бронзы, полученных электроконтактным уплотнением и обладающих дендритным строением. Отжиг проводили в

2

А

течение одного и двух часов при температуре 600 °С. Горячее деформирование образцов осуществляли после 5-минутной выдержки в печи при той же температуре. Характерные микроструктуры материала после термодеформационного воздействия и спекания представлены на рис. 2 и 3 соответственно.

Можно отметить, что у горячедеформированных образцов границы новых зёрен волнистые (рис. 2 в), форма зёрен не совсем правильная (рис. 2 б), а у образцов, подверженных гомогенизирующему отжигу, границы зёрен практически ровные, их форма близка к правильному многограннику (рис. 3 а, б).

Условия проведения гомогенизации Тип структуры

дендритная

Электроконтактное уплотнение Коэффициент диффузии, см /с 6,7-10-7

Отжиг 10-9

Рис. 1. Распределение легирующего компонента в материале, полученном при электроконтактном уплотнении порошковой бронзы: а - с дендритной структурой; б - с равновесной структурой

Скорость диффузии при различных условиях воздействия на порошковую бронзу

Условия проведения гомогенизации

Электроконтактное уплотнение

Отжиг

Коэффициент диффузии, см /с

Тип структуры

дендритная

6 7-10-

10-

х200 а

х500

Анализируя микроструктуры полученного материала, можно сделать вывод, что выравнивание химического состава порошковой бронзы произошло во всех образцах. Ярко выраженной литой структуры нет нигде, хотя слабый рельеф еще сохранился в горяче-деформированном материале (рис. 2 а).

Внутри сетки старых, довольно грубых межчастичных границ во всех образцах образовались намного более мелкие зёрна с тонкими границами - произошла рекристаллизация литой структуры с образованием равноосных зёрен (рис. 2 б).

х500

Рис. 3. Микроструктура порошковой бронзы после спекания при выдержке: а, б - 2 ч; в - 1 ч

Волнистые границы присущи менее равновесной структуре, так как она более характерна для горяче-деформированного металла. В процессе рекристалли-

а

зации структура стремится к минимальной энергии, к уменьшению общей длины, и, как следствие, к выпрямлению границ зёрен. Увеличение времени выдержки этому как раз и способствует.

Во всех образцах наблюдается рост новых зёрен через межчастичные границы (рис. 2 г, рис. 3 б, в).

На горячедеформированных образцах при косом освещении внутри зёрен видны следы деформации -полосы скольжения (рис. 2 г).

Таким образом, по результатам проведенных исследований, для завершения диффузионного перераспределения олова при гомогенизирующем отжиге порошковой бронзы необходимо 1 - 2 ч выдержки в печи при температуре спекания 600 °С. Скорость диффузии в условиях печного нагрева на порядок меньше (табл. 1), что свидетельствует об ускорении диффузионных процессов при электроконтактном уплотнении.

Конечно, говоря о сокращении времени процесса с нескольких часов (традиционный процесс спекания) до десятков секунд, следует ожидать увеличение коэффициента диффузии на несколько порядков.

На наш взгляд, по всей видимости, повышение коэффициента диффузии связано с тем, что, как правило, комбинированные процессы обработки порошков, сочетающие приложение нагрузки и пропускание электрического тока, проводят в присутствии довольно значительного количества жидкой фазы. В настоящей

Поступила в редакцию

работе процесс осуществляли преимущественно в твердой фазе, поэтому повышение коэффициента диффузии обусловлено, главным образом, пластической деформацией материала частиц, тем не менее её влияние на коэффициент диффузии не столь ощутимо, как присутствие большого количества жидкой фазы.

Сравнивая условия проведения гомогенизации порошкового материала можно сделать вывод, что превалирующая роль в интенсификации диффузионных процессов и формировании качественного сращивания на межчастичной поверхности при электроконтактном уплотнении порошковой бронзы принадлежит пластической деформации. Степень её воздействия зависит от технологических параметров рассматриваемого процесса, при варьировании которыми можно получать материал с различной структурой и требуемыми механическими и физическими свойствами.

Литература

1. Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение. М.,

1991. 205 с.

2. Мецлер А.А. Формирование структуры порошковой брон-

зы при электропластическом уплотнении // Металлург. 2007. № 5. С. 66 - 67.

3. Гасанов Б.Г. Взаимная диффузия и гомогенизация в порошковых сплавах: монография / Юж.-Рос. гос. техн. унт. Новочеркасск, 2002. 113 с.

12 февраля 2010 г.

Литвинова Татьяна Анатольевна - ассистент, кафедра «Технология машиностроения», Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Мецлер Андрей Альбертович - канд. техн. наук, старший преподаватель, кафедра «Технология машиностроения», Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8918-541-511.

Егоров Сергей Николаевич - д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Технология машиностроения», Волго-донский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8918-552-4778.

Медведев Юрий Юрьевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8928-162-63-50.

Горшков Станислав Алексеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Инженерная и компьютерная графика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Litvinova Tatyana Anatolyevna - assistant, department «Technology of Machine Building», Institute of South-Russian (branch) State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Metsler Andrey Albertovich - Candidate of Technical Sciences, senior lector, department «Technology of Machine Building», Institute of South-Russian (branch) State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8918-541-511.

Yegorov Sergey Nikolayevich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Technology of Machine Building», Institute of South-Russian (branch) State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8918-5524778.

Medvedev Yuri Yuryevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Machine building» Institute of South-Russian (branch) State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 928-162-63-50.

Gorshkov Stanislav Alekseyevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Engineering and Computer Graphics» South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).