Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Изменение структуры и свойств порошковых тел при прессовании

01.05.2019


При прессовании по мере увеличения давления увеличивается плотность брикета. В предельном случае при очень больших давлениях плотность брикета стремится к плотности обычного катаного беспористого металла. Однако такая степень уплотнения при обычных температурных условиях прессования достигается очень редко. Достижимая плотность зависит от величины приложенного давления и от природы и физических свойств порошка.

Основными причинами, затрудняющими получение беспористых брикетов при прессовании, являются: упрочнение частиц порошка в процессе деформации за счет наклепа и необходимость приложения высоких давлений, превышающих предел текучести прессуемого материала.

В состоянии свободной засыпки площадь контактов между частицами порошка очень мала. В начальный период прессования уплотнение происходит главным образом за счет взаимного перемещения частиц и заполнения близлежащих пустот между частицами. По мере исчерпания возможностей относительно легкого перемещения, протекающего при небольших давлениях прессования, происходит деформация частиц, требующая приложения более высоких давлений. Деформация частиц, которая в зависимости от характера материала может быть пластической или хрупкой, начинается прежде всего в местах контактов, через которые передаются усилия прессования от частицы к частице.

Для обеспечения возможности дальнейшего уплотнения необходимо, чтобы возникающие на контактах напряжения превышали предел текучести (в случае пластичного) или предел прочности (в случае хрупкого) материала.

По мере уплотнения увеличивается площадь контактов между частицами и возрастает за счет наклепа прочность материала в местах, прилегающих к контактам, что требует дальнейшего повышения давления прессования. Если это условие не соблюдается, уплотнение брикета прекращается.

В зависимости от приложенного давления пластическая деформация каждой отдельно взятой частицы может быть локализована вблизи участков контакта, и только при приложении очень больших давлений, превышающих предел текучести прессуемого металла, деформация может охватить весь объем частицы.

Вследствие неравномерности в распределении давления между частицами, что зависит от ряда факторов (форм и размеров частиц, их взаимного расположения и др.), в различных частицах прессуемого брикета может иметь место разная степень деформации. Поэтому спрессованный брикет состоит из частиц находящихся в различной степени деформации и напряженного состояния.

В процессе прессования происходят также важные изменена физического состояния частиц порошка, например разрушение пленок поверхностных окислов и адсорбированных газов вследствие сдвигов тонких поверхностных слоев и возникновение в некоторых местах участков металлического контакта.

Внешнее проявление процессов деформации может выражаться, например, в том, что сферические частицы превращаются в многогранники, крупные порошковые скопления могут разъединяться, выступы на поверхности частиц в результате скалывания разрушаются, частицы своим плоским сечением располагаются перпендикулярно направлению прессования.

Детальные рентгенографические исследования, выполненные на современном уровне и посвященные исследованию искажений кристаллической решетки в спрессованных брикетах, в литературе не описаны. Однако имеются сведения о наличии значительных искажений в медных брикетах, спрессованных при давлении 30 т/см2 до пористости 3%, и о малой величине зерна. В работе Б.Я. Пинеса с сотрудниками были обнаружены в брикетах никеля, меди и железа искажения второго рода. Вообще деформация сжатием приводит к значительно меньшим искажениям кристаллической решетки, чем другие виды деформации. Например, обжатие до 50% при прокатке компактной меди сопровождается возникновением меньшего количества дефектов структуры, чем напиловка.

Поэтому при прессовании брикетов до пористости 10—20% искажения кристаллической решетки, привносимые самим процессом прессования, по всей вероятности, невелики и, как показали наши опыты, не оказывают влияния на процесс спекания.

При прессовании начинается формирование физико-механических свойств металлокерамических тел, которое завершается затем при спекании. Обычно пористость спрессованных изделий не ниже 10%, а чаще всего 15—30%. В этих условиях площадь металлического контакта, т. е. мест с металлической связью, где нет макроскопической границы раздела соприкасающихся тел, по-видимому, невелика. Наши опыты по измерению удельной поверхности методом низкотемпературной адсорбции паров азота показали, что величина удельной поверхности для брикетов, спрессованных из железного порошка до пористости 30%, не отличается от удельной поверхности свободно насыпанного порошка, т. е. площадь контактов между частицами в данном случае оказалась очень мала.

М.Ю. Бальшин отмечает, что прочность спрессованных брикетов обусловлена в основном взаимным переплетением и зацеплением частиц. Препятствием для возникновения металлических контактов являются пленки окислов, адсорбированные газы и наличие смазок.

Возникновение металлического контакта происходит в тех местах порошкового брикета, где контакты претерпевают пластическую деформацию. Исчезновение макроскопической границы раздела между соприкасающимися телами в технике называют схватыванием. В результате схватывания образующиеся контакты обладают равной или большей прочностью, чем материалы, составляющие пару. Наиболее общим условием проявления схватывания является необходимость пластической деформации контакта. При отсутствии пластической деформации между сближенными порошковыми частицами действуют небольшие по величине ван-дер-ваальсовские силы.

Силы прилипания (адгезия) могут иметь и электростатический характер. На границе полупроводник—металл силы адгезии, как показано в работах, могут достигать в определенных условиях порядка десятков килограммов на квадратный сантиметр.

Имеется ряд экспериментальных данных, свидетельствующих об определенном влиянии на прочность спрессованных тел условий зацепления. Так, порошки с низким насыпным весом образуют после прессования брикеты с более высокими свойствами, что объясняется разветвленной формой частиц.
Изменение структуры и свойств порошковых тел при прессовании

На рис. 90 показана, по данным М.Ю. Бальшина, зависимость прочности медных брикетов от насыпного веса порошков. При изменении зернистости порошка, по данным Зеелига, плотность и прочность спрессованных брикетов меняются не симбатно, и иногда увеличение плотности дает уменьшение прочности (рис. 91).

Прочность на разрыв спрессованных брикетов очень невелика, она обычно не превышает значения нескольких килограммов на квадратный сантиметр. Поэтому обычным методом испытаний является измерение прочности на сжатие и на изгиб, значение которых выше, чем при растяжении. Эти характеристики оказываются чувствительными к наличию смазок и других неметаллических добавок (графита, кремния, окислов), которые значительно снижают прочность. Данные о прочности брикетов на сжатие приведены в монографии М.Ю. Бальшина.

Свойствам спресованных тел присуща анизотропия, что объясняется неравномерным распределением давления при прессовании. В результате того, что сжимающие усилия в направлении прессования выше, чем в перпендикулярном направлении, соответственно выше и свойства в направлении прессования. При увеличении давления прессования анизотропия свойств может нивелироваться. По М.Ю. Бальшину, коэффициент анизотропии увеличивается при переходе от пластичных металлов к хрупким за счет обычно наблюдаемого в данном случае уменьшения коэффициента Пуассона (и соответственно уменьшения е и Pr). М.Ю. Бальшин также подчеркивает, что прочность брикетов из пластичных порошков всегда выше прочности брикетов из хрупких порошков. Это объясняется не только большей плотностью брикетов, но и более интенсивным ростом площади контактов между частицами у пластичных порошков и меньшей величиной упругого последействия.

Свойства спрессованных брикетов определяются двумя главными факторами — плотностью и средней величиной межчастичных контактов. Оказывает влияние также наличие загрязнений на контактах и геометрия частиц и пор. В настоящее время разработаны только методы расчета свойств типа проводимости. Хольм предложил полуколичественный расчет электропроводности спрессованных брикетов в зависимости от давления прессования. В основу была положена развитая им же теория электрического контакта и положения теории напряженного контакта пластических тел, которая предполагает, что напряжение в этом случае не зависит от давления и равно твердости материала, а площадь контакта пропорциональна давлению.

Для электропроводности брикета было получено выражение

где р — удельное электросопротивление; H — твердость; С — константа; (P) — некоторая функция давления, дающая небольшую поправку.

В связи с тем, что не все контакты между частицами металлические, в общем виде зависимость (III.4а) преобразуется в следующую:

где 0,5 < е < 1; f2(P) — по-прежнему небольшой поправочный член.

Экспериментальные исследования электропроводности металлокерамических брикетов в основном качественно подтвердили зависимости (III.4а) и (III.4б). Так, Скаупи и Канторович обнаружили, что электросопротивление брикетов олова, свинца, золота, меди, железа, вольфрама и других металлов описывается выражением, совпадающим с (III.4а). В последующих работах были обнаружены эмпирические зависимости либо вида рP = Const (брикеты никеля, меди), либо рVP = Const (брикеты железа, медь — графит). Интервал давлений в этих опытах составлял от 0,5 до 5—10 т/см2.

Г.В. Самсонов и В.С. Нешпор, изучавшие изменение электропроводности в процессе прессования тугоплавких соединений (боридов, карбидов, нитридов), предложили эмпирическую формулу

где Л — удельная электропроводность; А и К — константы; т — относительная плотность.

Величина А трактуется как показатель хрупкости материала, поскольку уплотнение в данном случае проходит преимущественно путем хрупкого разрушения частиц порошка. Зависимость (III.5) не находит пока рационального объяснения.

Количественная оценка изменения электропроводности и модуля упругости брикетов при прессовании была предпринята в работе. Для исключения влияния геометрического несовершенства контактов (малость их линейных размеров по сравнению с размерами контактирующих тел) было принято, что сопротивление контакта между двумя телами эквивалентно сопротивлению тонкой плохо проводящей пленки, т. е.

где Rп и Rк — сопротивление пленки и контакта; Лп — проводимость пленки; Лк — проводимость материала; b — толщина пленки; 2l — линейный размер соприкасающихся тел; а — радиус контакта; х — параметр, зависящий от размеров контактирующих тел и радиуса контакта (х = l2—а2).

Выражение для Rк было взято у Хольма.

Таким образом, принималось, что спрессованный брикет представляет собой конгломерат частиц, окруженных окисной пленяй толщиной б и проводимостью Лп, которые связаны с размером контакта по соотношению (III.6). Проводимость такой системы вычислялась по общей схеме, предложенной В.И. Оделевским. В результате для электропроводности пористых тел с несовершенными контактами была получена формула

Для оценки величины а (радиус межчастичного контакта) использовалась теория напряженного контакта пластических тел, а величина усилия, действующего между двумя контактирующими частицами, определялась по формуле

где величина т2/4l2 — число контактов на 1 см2 при хаотическом расположении частиц и пор. С учетом (III.8), а также соотношения 4а2=F/Н (постоянство напряжения при пластическом контактировании) для величины межчастичного контакта была получена зависимость

Значение давления усреднялось по всевозможным направлениям определением Pср по формуле (III.1) с учетом зависимости коэффициента бокового давления от пористости, которая принималась в первом приближении по М.Ю. Бальшину (е'=те).

Экспериментальная проверка обнаружила удовлетворительное совпадение с рассчитанными таким методом величинами электропроводности пористых брикетов серебра, никеля и меди (рис. 92). Экспериментальные данные по никелю взяты из работы. Спрессованные брикеты перед измерениями предварительно отжигались (медь и никель в водороде при температуре 400°, серебро — при 200°) для удаления с контактов окислов и загрязнений. Такой низкотемпературный отжиг не мог существенно сказаться на росте электропроводности за счет диффузионных процессов, и геометрия контактов оставалась прежней.

Для модуля упругости пористых образцов с несовершенными контактами В.В. Скороходом было получено выражение

где E и Eк — модули упругости пористого и компактного материалов; 0 — пористость; V — коэффициент Пуассона.

При выводе этой зависимости использовалась формула Маккензи (IV.39) для влияния пористости на модуль упругости и учитывалось влияние размера контактов.

Экспериментальное определение модуля упругости динамическим методом обнаружило удовлетворительное совпадение с теоретическими данными (рис. 93).

В приведенных выше расчетах не принимается во внимание неравномерное распределение плотности в спрессованных изделиях, и поэтому они применимы только к образцам небольшой высоты; в расчетах также не принималось во внимание упругое последействие, в результате которого меняется величина контактов.

Методика измерения пористости, проницаемости, удельной поверхности и других физико-механических свойств спрессованных брикетов будет изложена далее при рассмотрении свойств спеченных брикетов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: