Порошковые материалы, упрочняемые пропиткой борсодержащими сплавами и жидкофазным спеканием

УДК 621.074

ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, УПРОЧНЯЕМЫЕ ПРОПИТКОЙ БОРСОДЕРЖАЩИМИ СПЛАВАМИ И ЖИДКОФАЗНЫМ СПЕКАНИЕМ

В. И. Гурдин, В. В. Седельников, В. В. Евстифеев, А. Н. Чебоксаров

Аннотация. Приведены результаты получения композиционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами пропиткой пористой железной матрицы при жидкофазном спекании борсодержащими сплавами эвтектического состава на основе железа, никеля, кобальта, хрома, молибдена.

Ключевые слова: спеченная металлическая порошковая матрица, композиционные материалы, пропитывающие борсодержащие сплавы, легирование.

Введение

Создание новых машин и приборов требует новых материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Особая роль отводится энерго- и ресурсосберегающим технологиям, в частности методам порошковой металлургии, которые могут обеспечивать требуемые свойства за счет соединения различных компонентов композиционных материалов (КМ), обладающих разными физико-

механическими свойствами.

Повышение конкурентоспособности продукции автомобилестроения требует создания новых материалов, обладающих высоким уровнем механических свойств. Композиционные материалы, полученные методом пропитки (проникновение жидкой фазы в твердую пористую матрицу) сплавами определенного химического состава и последующего жидкофазного спекания, могут обеспечить высокие эксплуатационные свойства изделий.

Основная часть

Наиболее широко применяются КМ из спеченных металлических порошков. Повышение плотности и механических свойств изделий из спеченных порошковых КМ достигается за счет применения высоких давлений уплотнения, легирования матрицы КМ, прессования с применением специальных способов получения материалов и изделий (горячее статическое и динамическое прессование, повторное прессование и т.д.). Однако эти методы повышают энергоемкость процессов, а значительная часть получаемых материалов и изделий характеризуется большей или меньшей остаточной пористостью. Увеличение плотности прессовки может быть достигнуто инфильтрацией предварительно спеченного каркаса более легкоплавким компонентом (пропитывающим сплавом).

Важную роль в решении этой задачи играют КМ со спеченной металлической порошковой матрицей, имеющие высокое сопротивле-

ние усталостному разрушению. При жидкофазном спекании создаются условия для сближения поверхностей частиц пропитывающего сплава с частицами металлической матрицы на достаточно малые расстояния и образования химической связи между этими фазами.

Совершенство гетерогенной структуры материалов, определяющее термомеханическую стабильность КМ, может быть достигнуто за счет совмещения процессов пропитки и легирования компонентов КМ при жидкофазном спекании. Поэтому проблема создания КМ на основе спеченной железной матрицы, имеющих высокие механические и теплофизические свойства, является актуальной и представляется важной в теоретическом и практическом отношениях.

Одно из возможных решений указанной проблемы базируется на применении в качестве пропитывающих материалов борсодержащих сплавов эвтектического состава на основе железа, никеля и кобальта, обладающих высокой жидкотекучестью, низким поверхностным натяжением и высоким уровнем физико-механических свойств, что позволяет разрабатывать технологии их получения методом пропитки борсодержащими сплавами эвтектического состава и последующего жидкофазного спекания на основе структурноэнергетического подхода к определению состава и технологических режимов, обеспечивающих получение гетерогенной структуры с высокими механическими и теплофизическими свойствами.

Использование в качестве пропитывающих материалов новых эвтектических борсодержащих сплавов на основе железа, кобальта, никеля и ферробора (ФБ) требует определения температуры плавления сплавов, температуры образования и разложения различных химических соединений в присутствии железа, кобальта и никеля, так как эти данные

либо вообще отсутствуют, либо носят противоречивый характер [1, 2].

В данной работе эти характеристики пропитывающих материалов определялись дифференциально-термическим анализом (ДТА) на дериватографе типа ОД-103 Венгерского оптического завода.

Эксперименты показали, что в интервале температур плавления эвтектических сплавов происходит резкое изменение энтальпии. Экстремальный минимум соответствует поглощенной теплоте плавления пропитывающих сплавов, то есть изменению энтальпии системы при переходе из твердого состояния в жидкое.

Особый интерес представляют физикохимические явления, происходящие в процессе пропитки пористых прессовок эвтектическими сплавами: взаимодействие между жидкой фазой (простывающим сплавом) и твердой пористой прессовкой; взаимная диффузия элементов пропитывающего сплава и пористой матрицы и т.д.

ДТА процесса получения композиционных материалов методом пропитки железной матрицы борсодержащими пропитывающими сплавами эвтектического состава на основе железа, кобальта, никеля и последующего жидкофазного спекания показал, что в системе «пропитывающий сплав - пористая железная прессовка» при определенных температу-

рах развивается термодинамический процесс, включающий:

- плавление пропитывающего сплава (фазовый переход), сопровождающееся резким изменением энтальпии системы (WA), которое соответствует поглощенной теплоте плавления пропитывающего сплава, т.е. изменению энтальпии системы при переходе из твердого в жидкое состояние;

- проникновение пропитывающего сплава в поры железной матрицы под действием капиллярных сил, сопровождающееся выделением тепла.

Исследования показали, что процесс пропитки начинается сразу после появления первых капель жидкой фазы в брикете питателя и заканчивается почти одновременно с полным расплавлением пропитывающего сплава.

В таблице 1 представлены результаты экспериментов. Видно, что прочность композиционных материалов тем выше, чем больше величина WA. Это дает основание полагать, что при пропитке железной прессовки материалами составов Ni + 4 % В и Со + 4 % В идет энергичное смачивание жидкой фазой твердого каркаса; активнее протекает взаимодействие этих двух фаз с образованием промежуточных соединений, что приводит к повышению работы адгезии.

Таблица 1 - Результаты ДТА процесса пропитки и свойства композиций

Пропитывающий сплав материал матрицы Wa, кДж/ моль aB, МПа

Ni + 4% В 3,1 36Q...38Q

Fe - 1QQ %

Со + 4% В 4,3 4QQ...42Q

Fe - 1QQ%

Fe + 14 % ФБ 2Q 2,15 28Q...3QQ

Fe - 1QQ %

Fe + 3,8 % В Q,49 24Q...26Q

Fe - 1QQ%

При легировании сплавов молибденом, вольфрамом, ниобием и другими элементами изменяется и температура их плавления.

При изыскании менее дефицитных борсодержащих материалов и разработке сплавов для пропитки железных прессовок с целью повышения их физико-механических свойств

использовался ферробор марок ФБ 20, ФБ 17, ФБ 12, ФБ 6.

Свойства образцов, изготовленных из прессовок, полученных методом пропитки пористой железной матрицы сплавами системы Fe - ФБ 20 представлены в таблице 2.

Таблица 2 - КМ, полученные пропиткой железной матрицы сплавами системы Fe - ФБ 20

Состав пропитывающего материала ав, МПа б, % Линейная усадка, %

Fe + 10 % ФБ 20 260...280 1,2...1,8 ,З 0,

Fe + 14 % ФБ 20 270...280 1,8...2,0 1,2...1,З

Fe + 18 % ФБ 20 280...290 1,9...2,2 1,1...1,4

Fe + 22% ФБ 20 250...270 2,0...2,2 1,1...1,4

Примечание: давление прессования -

500 МПа, температура спекания -(1190...1200) °С, время жидкофазного спекания - 15 мин., отношение массы пропитывающего сплава к массе матрицы - 0,22.

Выводы

Исследования показали (таблица 3), что по механическим свойствам полученные материалы не уступают материалу, содержащему бор, но по стоимости в 25-30 раз дешевле, что является определяющим фактором в перспективности их применения [3].

Таблица 3 - Свойства полученных композиционных материалов

Композиционный материал: питатель / матрица ав, МПа б, %

Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Ni З40 10,8

Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Cr 440 2

Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Mo 600 2,З

Fe + 14 % ФБ20 / Fe + 6 % Mn + 0,2 % С 700 1,8

Примечание: давление прессования образцов - 500 МПа; температура спекания -1190°С; среда спекания - вакуум не выше 0,01 Па; время жидкофазного спекания 15 мин.

Библиографический список

1. Бор: его соединения и сплавы [Текст] / Г. В. Самсонов [и др.] - Киев: Изд-во АН УССР, 1960. -590 с.

2. Криштал М. А. Структура и некоторые свойства сплавов железа с бором [Текст] / М. А. Криштал, А. Н. Свободов. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1969. - №9. - С. 7-10.

3. Сплав на основе железа [Текст]: а.с. № 587172 СССР: МКИ2 С22 С38/00, С22 С33/02, В22 РЗ/26 / А. К. Машков, В. И. Гурдин В. И., Е. П. Поляков [и др.]; заявитель и патентообладатель Омский политехнический институт. - № 2367638/22-2; за-явл. 26.05.76; опубл. 05.01.78, бюл. №1. - 2 с.

POWDER MATERIALS, HARDENING IMPREGNATION OF BORON-CONTAINING ALLOYS AND LIQUID-PHASE SINTERING

V. I. Gurdin, V. V. Sedelnikov,

V. V. Evstifeev, A. N. Cheboksarov

The results of composite materials with high performance metal matrix impregnated porous boron-containing alloys of eutectic composition based on iron, nickel, cobalt, chromium, molybdenum in liquid-phase sintering. Bibl. 3.

Гурдин Виктор Иванович - докт. техн. наук, профессор кафедры «Эксплуатация и ремонт автомобилей» Сибирской государственной автомо-бильно- дорожной академии. Основное направление научных исследований: получение композиционных материалов с применением нанотехнологий. Имеет более 150 опубликованных работ.

Седельников Владимир Васильевич - канд. техн. наук, ведущий инженер ЦГУП газодвигателестрое-ния «Салют». Основное направление научных исследований - повышение механических и эксплуатаци-

онных свойств металлов применением модифицирования. Имеет более 40 опубликованных работ.

Евстифеев Владислав Викторович - докт. техн. наук, профессор кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - теоретические методы анализа процессов обработки металлов давлением и порошковой металлургии, имитационное и натурное моделирование технологий. Имеет более 230 опубликованных работ.

Чебоксаров Алексей Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Эксплуатация и ремонт автомобилей» Сибирской государственной авто-мобильно - дорожной академии. Основное направление научных исследований - совершенствование технических средств диагностирования двигателей силовых установок и гидроагрегатов дорожностроительных машин. Имеет 10 опубликованных работ.

УДК 625.8+681.5

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫГЛАЖИВАЮЩЕЙ

ПЛИТЫ АСФАЛЬТОУКЛАДЧИКА

В. А. Палеев, А. В. Лисовский

Аннотация. В данной статье приводится анализ чувствительного элемента, применяемой в машиностроении, в частности асфальтоукладчике, гидромеханической системы стабилизации выглаживающей плиты. Предлагается принципиальная схема данной системы, отражающая все компоненты, необходимые для математического расчёта описания чувствительного элемента. На основе полученных данных определяются рабочие параметры, необходимые для более совершенной работы асфальтоукладчика.

Ключевые слова! система, анализ, машина, датчик, маятник.

На точность укладочных работ, кроме эксплуатационных свойств асфальтоукладчика большое влияние оказывает система управления рабочего органа, с помощью, которой поддерживается требуемое положение выглаживающей плиты асфальтоукладчика относительно горизонтальной плоскости. В настоящее время в СССР и за рубежом разработан и используется в практике дорожного строительства ряд электрогидравлических устройств, предназначенных для стабилизации выглаживающей плиты асфальтоукладчика. Широкое применение электрогидравлических систем стабилизации сдерживается необходимостью организации специальных станций по ремонту и обслуживанию таких систем, а также необходимостью по готовки достаточного количества специалистов, способных квалифицированно проводить обслуживание и ремонт электрогидравлических систем стабилизации.

В связи с этим представляет интерес разработка более простых и более дешевых гидромеханических систем стабилизации, в которых чувствительный элемент (маятник или щуп) непосредственно, или через рычажный механизм перемещает переключающий элемент гидравлического распределительного устройства, управляющего положением выглаживающей плиты. Подобное устройство разработано, выпускается серийно и широко рекламируется фирмой США CMY Corporation, выпускающей высокопроизводительную дорожную технику.

Гидромеханическая система стабилизации выглаживающей плиты асфальтоукладчика, основанная на принципе механической связи между маятником и золотником гидравлического распределителя разработана в СибАДИ.

Основные компоненты гидромеханической системы стабилизации представлены на расчётной схеме