Автореферат (Исследование и создание композиций на основе порошков металлов, их оксидов и углерода для получения фасонных заготовок с заданными свойствами), страница 3

Рис. 2. Зависимость величины от при различной степени наполнения

Анализ характера зависимости от (рис. 2) показывает, что при величине объемного содержания твердой фазы в узких пределах 0,5÷0,6 существует достаточно широкая область изменения величины , в которой вязкость имеет минимальные значения, изменяясь незначительно с изменением . При выходе за указанную верхнюю границу объемного содержания твердой фазы вязкость возрастает во много раз, характер ее зависимости от резко изменяется. Для обеспечения стабильных реологических свойств композиций при формовании необходимо выдерживать объемное содержание твердой фазы в пределах 0,5÷0,6.

Наконец, окончательный переход от относительных величин к массе компонентов в единичном объеме осуществляется с помощью системы уравнений:

(3)

где и – масса и плотность связующего;

и – масса и плотность оксида;

и – масса и плотность порошка металла.

Система (3) должна удовлетворять следующему физическому равенству:

(4)

Дополняющим условием, уточняющим фазовый состав композиций, является необходимость соблюдения баланса по углероду, количество которого должно быть достаточным для восстановления оксидов и остаточного содержания в сплаве. Исходя из проведенных нами исследований, на восстановление 1 кг оксида требуется 0,169 кг углерода. Обозначая коксовое число связующего через k, устанавливаем соотношение между массой оксида и массой связующего:

(5)

Совместное решение уравнения (4) и неравенства (5) определяет величину максимальных значений и от массы и остаточного содержания углерода в сплаве. Наложение результатов этих расчетов на область возможных изменений величин и , полученную из исследований вязкости, определяет область возможного существования композиций. В данной главе разработаны математические модели, по которым получены табличные результаты расчетов и составлены аналитические зависимости для оптимизации фазового состава композиций на примере железа и меди.

Анализ литературных данных, результаты предварительных экспериментов и расчетов позволили сделать вывод, что реакционный размол как метод получения высокодисперсной твердой фазы в композициях, предназначенных для получения фасонных заготовок, целесообразно применять для материалов на основе железа и нецелесообразно для материалов на основе меди, поскольку при реакционном размоле меди преобладают процессы консолидации частиц, а при реакционном размоле железа – процессы деконсолидации.

Методы расчетов фазового состава композиций, состоящих из размолотого порошка железа, его оксида и ФФС, аналогичны изложенным ранее с учетом необходимости внесения поправок на изменение количества углерода и кислорода при реакционном размоле.

Принципы определения фазового состава дисперсно-упрочненных материалов, получаемых с применением реакционного размола, изучались на примере композиций Cu – CuO – Al – C. Известно, что одним из важнейших параметров, характеризующих процесс реакционного размола, является кинетика изменения размеров продукта реакционного размола – гранул. Установлено, что зависимость размера гранул от количества углерода имеет максимум при содержании углерода в композициях около 0,05% весовых. При увеличении содержания углерода до 0,25% размеры гранул уменьшаются в 4 – 5 раз, а при дальнейшем увеличении количества углерода зависимость имеет более пологий характер, что важно для получения стабильного размера гранул. Многофакторный анализ гранулометрического состава композиций показал, что процесс гранулообразования имеет две стадии, причем в пределах каждой из стадий имеет место линейная зависимость среднего размера гранул от времени реакционного размола. Длительность первой стадии увеличивается при уменьшении удельной энергии обработки. Моделирование процессов, происходящих при реакционном размоле в аттриторе, и анализ экспериментальных результатов показывают, что на первой стадии, при наличии большой доли мелкой фракции исходного медного порошка, энергии соударения шаров достаточно для консолидации частиц и скорость роста гранул высока. На второй стадии уменьшается количество частиц, для которых энергии соударения шаров достаточно для их консолидации и скорость роста гранул уменьшается. При определении количества углерода, вводимого в композиции, подвергаемых реакционному размолу, необходимо учитывать двоякую роль, которую играет углерод в рассматриваемой технологии. С одной стороны, углерод является регулятором размеров гранул, тем самым воздействуя на энергетические параметры деформации гранул, интенсивность пластической деформации гранул и инициированные деформацией твердофазные взаимодействия. С другой стороны, углерод является восстановителем избыточных оксидов, остающихся после полного окисления алюминия. Количество алюминия выбирается из заданного объемного содержания фазы , количество оксида меди берется с избытком для полного окисления алюминия по реакции . В дальнейшем, для исследований, использовались композиции, состав которых приведен в табл. 1.

Таблица 1

Исходный состав композиций для реакционного размола

В третьей главе приведены результаты исследований технологических параметров термической обработки исследуемых композиций и эволюции их фазового состава. Эти параметры имеют специфику в зависимости от назначения композиций. Для композиций, предназначенных для получения фасонных заготовок, в процессе термической обработки осуществляется разложение связующего и восстановление оксидов высокодисперсным углеродом. Если композиции предназначены для получения дисперсно-упрочненных материалов с применением реакционного размола, термическая обработка должна обеспечить завершение окисления алюминия и восстановление оксида меди углеродом.

Исследования по удалению связующего (ФФС) осуществлялись путем нагрева образцов в виде шайб с наружным, внутренним диаметром и высотой 31х15х4,5мм. В качестве металлического наполнителя использовался порошок карбонильного железа со средним размером частиц 4-6 мкм, а в качестве оксидной фазы – оксид железа (Fe₂O₃) со средним размером частиц в пределах 0,3 – 0,4мкм, что соответствует установленным во второй главе требованиям по соотношению дисперсности металлической и оксидной фаз. При нагреве в интервале температур 700…800 ^оС в результате деструкции связующего в межчастичном пространстве выделяется углерод, количество которого равно коксовому числу смолы. Установлено, что допустимые скорости нагрева, не приводящие к образованию трещин и других дефектов, примерно на порядок выше, чем для МИМ-фидстоков на основе термопластов. При нагреве образцов на воздухе имеют место большие потери углерода, а также плохо контролируемое окисление образцов. В последующем этот технологический вариант не применялся и нагрев производился без доступа воздуха.

Кроме разложения смолы в интервале температур 700…800 ^оС, имеет место частичное восстановление оксида железа, а также увеличение плотности за счет интенсивной объемной усадки, составляющей в этом интервале температур 13%, 18% и 24% при температурах 700 ^ºС, 750 ^ºС и 800 ^ºС, соответственно. Степень восстановления, определяемая как отношение количества удаленного кислорода к его первоначальному содержанию, при этих же температурах нагрева для прессовок из композиции №4 (табл. 2) составляет 0,19; 0,4 и 0,87. Дальнейшими экспериментами установлено, что при нагреве до 900 ^ºС и выше, вплоть до температуры 1100 ^ºС, достигнуть полного восстановления не удается в связи с интенсивным спеканием, сопровождаемым зональным обособлением усадки с образованием закрытых пор, из которых затруднено удаление газовых продуктов реакции восстановления.