Получение и свойства высокопористого материала на основе порошка железа

УДК 621.762

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЫСОКОПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОРОШКА ЖЕЛЕЗА

Н.А. Руденко, аспирант, А.М. Лаптев, профессор, д.т.н., ДГМА, г. Краматорск

Аннотация. Рассмотрена технология изготовления материалов с пористостью до 60% на основе порошка железа. Для создания высокой пористости использовали порошок бикарбоната аммония. Изучены закономерности прессования порошковой смеси и спекания прессовок. Показано, что давление прессования определяет прочность и твердость высокопористого материала.

Ключевые слова: пористые материалы, порообразователь, бикарбонат аммония, прочность, твердость.

Введение

Пористые металлические материалы находят широкое применение в машиностроении, химической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности. Чаще всего для их изготовления применяют технологию порошковой металлургии, включающую прессование и спекание металлических порошков или их смесей. В некоторых случаях осуществляется спекание засыпки порошков без прессования [1]. Достигаемый при этом уровень пористости (отношение объема пор к общему объему изделия) не превышает 3040%. Вместе с тем, в последнее время появилась потребность в материалах с более высокой пористостью. Такие материалы находят применение в фильтрах, гасителях ударов и вибраций, в качестве звукопоглощающих элементов, анодов и катодов в тепловых ячейках, а также при изготовлении медицинских имплантантов [2]. Для повышения пористости исходные порошки смешивают с разрыхлителями (порообразователями), в качестве которых используют бикарбонат аммония, хлорид аммония, хлорид натрия, фторид натрия, карбамид и другие. После прессования такой смеси порообразователь удаляют из прессовок путем растворения, разложения или испарения. Затем прессовки спекают. В результате образуются поры с размерами, примерно равными размерам частиц порообразователя. Суммарный объем этих пор определяет общую пористость из-

делий. Таким образом, подбирая количество и дисперсность порообразователя, можно контролировать как уровень пористости материала, так и размер получаемых пор [3]. Необходимо отметить, что помимо искусственно созданных пор в таком материале существуют и естественные поры, представляющие собой незаполненные при прессовании и спекании пространства между частицами базовых металлических порошков [4]. Естественная пористость не оказывает, как правило, большого влияния на общую пористость высокопористых материалов, но отрицательно влияет на их прочностные характеристики и твердость. Уменьшить естественную пористость и увеличить прочность и твердость высокопористых материалов можно путем применения мелкодисперсных порошков, что приводит к росту объемной усадки при спекании, или путем увеличения давления прессования. Оба эти пути повышения прочности и твердости еще недостаточно изучены и не описаны в научной литературе.

Цель и постановка задачи

Цель настоящей работы состоит в установлении зависимости между давлением прессования, прочностными свойствами и твердостью высокопористого материала. Кроме того, в работе изучались закономерности уплотнения порошковой смеси с высоким содержанием бикарбоната аммония при ее прессова-

нии и закономерности спекания полученных прессовок.

Материал и методика экспериментов

В качестве исходных материалов использовали порошок железа, полученный распылением расплава водой (ГОСТ 9849-86), и порошок бикарбоната аммония КН4НС03 (ТУ У 6-04687873.025-95). Для получения воспроизводимых результатов оба порошка рассеивали на ситах и выделяли для последующих экспериментов фракцию 125 - 250 мкм. Приготовляли смесь, содержащую 60% порошка бикарбоната аммония и 40% порошка железа (по объему). Так как плотности железа и бикарбоната аммония существенно различаются (7,874 г/см3 и 1,586 г/см3 соответственно), то для предотвращения сегрегации этих порошков к смеси добавляли керосин в количестве 1% по массе. Смешивание осуществляли вручную в течение 5 минут отдельно для каждого образца. Однородность смеси контролировали визуально. Для исследования процесса уплотнения прессовали смеси и отдельно исходные порошки в цилиндрической матрице с отверстием диаметром 16,8 мм. Навески порошков выбирали так, чтобы высота прессовок была примерно равна их диаметру. Применялась односторонняя схема прессования [1]. Прессовали серии образцов давлением от 100 до 800 МПа с шагом 100 МПа. Фиксировали усилие выпрессовки образцов из матрицы и рассчитывали напряжение выпрессовки по формуле

где -РвЬш - усилие выпрессовки; й, к - диаметр и высота образца. Плотность полученных образцов р определяли исходя из их массы и размеров, а относительную плотность ротн находили из зависимости

ротн _ р / Ртеор ,

где ртеор - теоретическая плотность порошковой смеси, которую определяли по формуле

Ртеор =

где х - содержание бикарбоната аммония в смеси, рре - плотность железа, рМН4НС0э -

плотность бикарбоната аммония. Образцы

для испытаний на прочность при изгибе и твердость прессовали в прямоугольной матрице с размерами отверстия 55,2^10,2 мм2 в плане. Для удаления бикарбоната аммония путем его сублимации с образованием искусственных пор образцы нагревали в сушильном шкафу при 150°С в течение 30 минут. Спекание прессовок проводили при температуре 1150°С в течение 1 часа в восстановительной среде СО. Нагрев осуществляли со скоростью 7°С/мин и с выдержкой при 850°С в течение 30 минут. Образцы охлаждали сначала вместе с печью до 300°С, а затем вне рабочей зоны печи до комнатной температуры. После спекания образцы обмеряли и взвешивали. Затем рассчитывали относительную плотность спеченных прессовок. Предел прочности образцов при трехточечном изгибе находили согласно ГОСТ 25282-93. Твердость определяли на приборе Бринелля под нагрузкой 1839 Н с использованием шарика диаметром 10 мм [5].

Анализ результатов

На рис. 1 показаны кривые уплотнения для смеси порошков железа и бикарбоната аммония, исходных порошков, а также приведены значения относительной плотности, рассчитанные по правилу смесей.

Рис. 1. Кривые уплотнения порошков:  -железо;  - смесь 60%КН4НС03-40%Бе; ♦ - бикарбонат аммония;  - правило смесей

Как следует из рисунка, порошок бикарбоната аммония уплотняется значительно сильнее порошка железа под действием одинакового давления. Плотность смеси определяется уп-лотняемостью обоих компонентов и может быть приблизительно рассчитана по правилу смесей. Напряжение выпрессовки образцов из смеси значительно ниже напряжения вы-

прессовки образцов из порошка железа и близко к напряжению выпрессовки образцов из бикарбоната аммония (рис. 2). Это объясняется тем, что бикарбонат аммония в смеси играет роль смазки и уменьшает трение.

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Давление прессования, МПа

Рис. 2. Зависимость напряжения выпрессовки от давления прессования:  - порошок железа;  - смесь 60%N^HCO3-40%Fe; ♦ - порошок бикарбоната аммония

Давление прессования, МПа

Рис. 3. Влияние давления прессования на предел прочности при изгибе спеченных прессовок из смеси 60%КН4НС03-40%Бе

Давление прессования, МПа

Рис. 4. Влияние давления прессования на твердость спеченных прессовок из смеси 60%1ЧН4НС03-40%Ре

Предел прочности при изгибе и твердость спеченных образцов из смеси 60%КН4НС03-40%Бе увеличиваются примерно прямо про-

порционально росту давления прессования, (рис. 3 и рис. 4). Отметим также, что объемная усадка всех образцов при спекании составляла 1 - 2%. Результирующая пористость высокопористых образцов практически полностью определялась объемным содержанием порообразователя и составляла 60 - 64%.

Выводы

1. Смесь порошков железа и бикарбоната аммония уплотняется при одинаковых давлениях значительно больше, чем порошок железа, но меньше, чем порошок бикарбоната аммония. Уплотнение этой смеси можно оценивать по правилу смесей.

2. Наличие бикарбоната аммония в смеси существенно снижает давление выпрессовки в связи с тем, что бикарбонат аммония играет роль смазки и уменьшает трение.

3. Предел прочности при изгибе и твердость спеченных образцов из смеси 60%NH4HCO3-40%Fe увеличиваются пропорционально росту давления прессования при примерно одинаковом уровне общей пористости.

4. Представленная технология позволяет получать образцы с пористостью до 60-64%.

Литература

1. Белов С. В. Пористые металлы в машино-

строении. - М.: Машиностроение, 1981. - 247 с.

2. Витязь П.А., Капцевич В.М., Шелег В.К.

Пористые порошковые материалы и изделия из них. - Мн.: Вышэйшая школа, 1987. - 164 с.

3. Laptev A., Bram M., Buchkremer H. P., Sto-

ever D. Study of production route for titanium parts combining very high porosity and complex shape // Powder Metallurgy. -2004. - v.47. - N1. - P. 85 - 92.

4. Скороход В.В., Солонин С.М., Черны-

шев Л.И. Исследование механизма спекания высокопористых материалов в присутствии улетучивающегося порооб-разователя // Порошковая металлургия.-1974. - №11. - С. 32 - 36.

5. Золоторевский В.С. Механические свойст-

ва металлов. - М.: Металлургия, 1983. -352 с.

Рецензент: В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 14 июля 2009 г.

40

20

0