Измерение некоторых свойств спеченных тел

В данном разделе изложены методы измерения некоторых специфических свойств пористых тел, за исключением методов измерения свойств, которые либо ничем существенным не отличаются от методов измерения в случае обычных беспористых материалов (например, электрических, тепловых, магнитных), либо выходят за рамки данной монографии (например, определение термостойкости, измерение свойств при очень высоких температурах и др.).

Для металлокерамических материалов характерно отсутствие обычных зависимостей между различными свойствами, какие наблюдаются часто у беспористых материалов, изготовленных с применением методов литья. Так, например, у обычных беспористых материалов при увеличении прочности часто ухудшаются свойства пластичности, у пористых — может наблюдаться обратная зависимость, нет также одинакового характера зависимости между прочностью при сжатии и растяжении и др. Для пористых материалов характерен больший разброс значений результатов измерений, что является результатом значительного количества факторов, определяющих свойства (пористость, форма пор, наличие примесей, степень гомогенизации и др.). Поэтому при измерениях для получения устойчивых результатов необходимо испытывать большее количество образцов. Свойства готовых изделий из металлических порошков не всегда можно охарактеризовать результатами испытаний параллельно изготовленных стандартных образцов. Особенно если форма и размеры изделий и образцов сильно отличаются. Это объясняется различием в распределении давления и плотности при прессовании, разным ходом усадки при спекании изделий и образцов. В результате этого металлокерамические изделия в большинстве случаев подвергаются специальным технологическим испытаниям, характер которых определяется назначением изделий. Так, например, пористые подшипники испытываются на антифрикционные свойства и на сопротивление раздавливанию в радиальном направлении. Фрикционные материалы испытываются на фрикционные свойства и на прочность приварки фрикционного слоя к стальной основе, металлокерамические контакты испытываются на электропроводность, устойчивость против электроэрозии и механического истирания и т. д. Однако имеется ряд испытаний, общих для многих металлокерамических материалов.

Определение плотности и пористости сопровождает почти всякое исследование в порошковой металлургии и является одним из основных методов контроля готовых изделий. Объем исследуемого образца определяется либо путем обмера геометрических размеров, либо путем гидростатического взвешивания. В последнем случае для предотвращения попадания воды в поры при гидростатическом взвешивании образец обычно пропитывается расплавленным парафином. Плотность и пористость образца вычисляются по формулам

где F1; F2; F3 — соответственно вес образца на воздухе, вес пропитанного образца на воздухе и вес пропитанного образца в воде; у и ук — соответственно плотность воды и плотность беспористого материала.

Если пропитка по каким-либо причинам нежелательна, то целесообразно перед взвешиванием в воде покрывать образцы раствором силиконового масла в бензине (1:1000) или раствором цаппонлака. Увеличение веса образцов в результате покрытия пленками, как правило, невелико и может не учитываться в расчетах.

Часто бывает существенно выяснить долю открытых и закрытых пор. Для этой цели спеченные образцы после обезгаживания в вакууме пропитывают жидкостью с известной плотностью. Обычно в качестве пропитывающей жидкости используется обезгаженное масло, ксилол, бензиловый спирт. Хорошие результаты, так же как и при определениях пикнометрической плотности порошков, для пропитки образцов дает применение бензилового спирта, отличающегося малой упругостью паров и стабильностью плотности.

Формулы для определения открытой, общей и закрытой пористости имеют вид

где усп — плотность бензилового спирта или другой пропитывающей жидкости.

При измерениях открытой пористости путем пропитки молекулы жидкости могут проникать не во все полости, и часть особенно узких щелей остается незаполненной и входит в количество закрытых лор или невыявляемых при данном методе пропитки.

На рис. 207 показана зависимость содержания открытых и закрытых пор от общего количества пор в спеченном железе. Как уже отмечалось ранее, содержание закрытых пор в спеченных телах обычно невелико. При оценке размеров пор поступают двояким образом. Спеченные образцы пропитываются бакелитовым лаком, либо каким-нибудь другим синтетическим наполнителем (типа АКР) и полимеризуются при температуре 100—150° в течение нескольких часов. В результате обработки наполнитель твердеет и при последующих обычных операциях приготовления шлифа границы пор остаются недеформированными. Готовый шлиф исследуется под микроскопом, и средний диаметр пор или распределение пор по размерам определяется на основании большого количества измерений. Однако в связи с громоздкостью таких измерений более популярными методами определения размеров пор являются методы, основанные либо на вытеснении жидкости из пористого образца, либо, наоборот, на вдавливании жидкости в поры. Вполне понятно, что такими методами определяются размеры только открытых пор. Все эти методы основаны на уравнении капиллярности, которое связывает давление над образцом и радиус заполняемых или опустошаемых от жидкости пор

где P давление; v — угол смачивания применяемой жидкости; а — ее поверхностное натяжение.

Простейшая установка для определения размера пор показана на рис. 208. Через пропитанный водой образец (диаметр = 50—60 мм, h = 10—15 мм) пропускается сжатый воздух, давление и расход которого фиксируется. Начало вытеснения воды из пор регистрируется по пробулькиванию в склянке первого пузырька воздуха. Фиксируемое при этом давление P1 соответствует максимальному размеру пор, который определяется из соотношения (IV.46). Дальнейшее повышение давления приводит к вытеснению воды из все более малых пор, и, наконец, при некотором давлении P2 зависимость расхода воздуха от давления становится линейной, что указывает на вытеснение воды из наименьших пор.

Описанный метод пригоден только для оценки максимального, среднего и минимального диаметров пор, величина которых составляет примерно 6—50 мк.

Для удобства в литературе приведены таблицы, по которым в зависимости от приложенного давления находят диаметр пор. Таблицы составлены преимущественно для воды и спирта. Так как поверхностное натяжение спирта в несколько раз меньше, чем воды, то его применяют соответственно для измерения размеров пор в материалах с мелкими порами, что позволяет в соответствии с формулой (IV.46) снизить давление, при котором открываются поры.

Следует отметить, что максимальный размер пор, определяемый при измерениях по пропусканию воздуха через пропитанный образец, представляет диаметр самого широкого места в наиболее узких каналах пор. Этот метод важен для определения эффективности фильтрации жидкостей и газов через пористые материалы, однако он не дает сведений об истинных размерах пор.

Более сложные конструкции поромеров позволяют построить кривые распределения пор по размерам в широком диапазоне последних.

Схема одного из поромеров, предназначенного для определения распределения пор по размерам методом вдавливания ртути (диапазон радиусов 7*10в-3—1*10в-2 мк), приведена на рис. 209.

Пористый образец помещается в цилиндре Б, где также находится конус В с капилляром Г, на котором намотана вольфрамовая проволока. После эвакуации прибора ртуть через отверстие Д заливается в цилиндр Б, при этом заполняются поры, радиус которых связан с разрежением в системе формулой (IV.46). Увеличение давления приводит к заполнению новых пор, а понижение уровня ртути в сосуде Б фиксируется по увеличению сопротивления цепи.

Используя градуировочную кривую, связывающую объем ртути в цилиндре Б с сопротивлением цепи, находят функцию распределения пор в виде NV(r) = 1/V AV/Vr, где V — объем исследуемого образца, AV — объем ртути, вошедший в поры образца с интервалом радиусов Ar.

При атмосферном давлении заполняются поры радиусом до 1 мк. Для определения пор с меньшим радиусом прибор помещается в бомбу высокого давления.

Удельная поверхность пористых спеченных тел может быть определена аналогично тому, как это было описано для удельной поверхности порошков. т. е. на основе измерений адсорбции или проницаемости. В результате таких измерений определяется удельная поверхность открытых пор. При измерениях этой характеристики методами проницаемости следует учитывать, что некоторые из открытых пор могут быть тупиковыми, т. е. несквозными. Точные методы оценки количества тупиковых пор пока не разработаны, поэтому определения удельной поверхности методом проницаемости, особенно в случае спеченных тел малой пористости, могут давать завышенные результаты (в соответствии с формулой (II.4) удельная поверхность пропорциональна квадрату величины пористости; величина же фактически сквозных пор несколько меньше общего количества открытых пор, принимаемого в расчете). Возможно, что обычно наблюдаемое на практике увеличение удельной поверхности, измеренной методом проницаемости, с уменьшением пористости объясняется влиянием несквозных пор.

Вообще же определение удельной поверхности методом проницаемости при пористости более 20% дает достаточно надежные результаты для практического использования. Величины удельной поверхности, измеренные нами методом проницаемости по Б.В. Дерягину на образцах железа (открытая пористость около 25%), спеченных при различных режимах активированного спекания, были приведены в табл. 43.

Для пористых материалов, использующихся в качестве фильтров, подшипников и в некоторых других целях, важной характеристикой является проницаемость. При испытаниях обычно принимается, что течение жидкости и газа в пористых телах имеет ламинарный характер и подчиняется закону Дарси. Для проницаемости жидкости

здесь V — объем жидкости, протекающий через образец сечением В и толщиной l в единицу времени; n — вязкость жидкости; P2 — давление на входе; P1 — давление на выходе; а — коэффициент проницаемости, см2.

Для малых давлений, когда разность P2—P1 = AP невелика и можно принять P2+P1/2 = P1, для коэффициента проницаемости получаем

Для газопроницаемости с учетом приведения расхода газа к нормальным условиям выражение для а принимает вид

где V1 — объем воздуха, протекающий в единицу времени при давлении P1 и температуре t; Pб — барометрическое давление.

Коэффициент проницаемости а зависит, таким образом, от свойств протекающего вещества (от вязкости) и от характеристик фильтра (его пористости и размера пор).

Иногда пользуются не коэффициентом проницаемости, а коэффициентом фильтрации, который не зависит от вязкости (e = a/n) и характеризует только свойства фильтра.

При измерении проницаемости пористых спеченных тел наблюдаются случаи, когда расход протекающей жидкости или газа зависит от перепада давления на образце нелинейно. Это свидетельствует о появлении при определенном давлении для данного размера пор турбулентной составляющей потока и превышении критического значения числа Рейнольдса, равного Vyd/n, где d — диаметр. Для высокопористых образцов, спрессованных из крупных фракций, турбулентное течение наступает раньше, чем для образцов с мелкими порами. Коэффициент проницаемости в данном случае не является постоянной величиной.

Схема простейшей установки для определения газопроницаемости показана на рис. 210. Через образец, укрепленный в резиновой шайбе, пропускается воздух или другой газ, давление которого и расход фиксируются манометром и реометром. Перепад давления на образце измеряется дифференциальным манометром. На такой установке может измеряться проницаемость при давлении до одной атмосферы. Результаты измерения коэффициента проницаемости в зависимости от содержания открытых пор в образцах, полученных спеканием свободно насыпанного медного порошка (фракция — 240 + 300 меш) при температуре 1000°, приведены на рис. 211. При содержании открытых пор примерно 8% (общая пористость около 12%) образцы не обнаруживают газопроницаемости, все открытые поры являются тупиковыми.

Характерно, что при сопоставлении фильтрации жидкостей и газов через одинаковые пористые материалы расход жидкости снижается против расхода газа на величину, большую, чем это следовало ожидать, исходя из соотношения их вязкостей. Например, отношение коэффициентов вязкости воды и воздуха составляет примерно 55, отличие же коэффициентов фильтрации гораздо больше. Это связано с образованием при фильтрации жидкостей (особенно полярных) пленок и областей застойной жидкости, которые уменьшают действующее сечение пор. При фильтрации газов это проявляется в меньшей степени.

Для определения таких характеристик, как прочность при растяжении, изгибе, срезе и ударная вязкость, необходимо изготовлять специальные образцы прессованием на окончательные размеры без последующей механической обработки. Последняя, приводя к наклепу поверхностного слоя и деформации пор в нем, может существенно повлиять на измеряемые свойства.

Образцы для испытаний не должны иметь резких переходов, являющихся концентраторами напряжений. На рис. 212 показана форма и размеры образца, разработанного и применяющегося в ИМСС АН Украины при испытаниях на растяжение. Ударную вязкость рекомендуется определять на образцах без надреза, так как у пористых материалов значения ее очень низки.

Прочность и вязкость твердых сплавов обычно проверяется испытанием брусков на изгиб на двух опорах, с приложением на грузки на середине длины. Для этой цели изготовляются прямоугольные бруски сечением 5x5 или 5х10 мм. Общая длина образцов 50—70 мм, расстояние между опорами 40 или 50 мм. Антифрикционные изделия подвергаются испытаниям на масловпитываемость, для чего спеченные образцы помещают в нагретое машинное масло на 1—2 час. По увеличению в результате пропитки веса изделий качественно судят о величине открытой пористости. У конструкционных материалов выборочно проверяются прочностные и пластические свойства, у фильтровых материалов — проницаемость и т. д.

Твердость спеченных тел измеряется на обычных приборах типа Бринелля, Роквелла и т. д., однако вследствие малых значений ее, приходится использовать небольшие нагрузки и шарики больших диаметров. Так, для измерения твердости спеченных брикетов из железного порошка в работе использовался шарик диаметром 2,5 мм, а нагрузка составляла 30 кг. Разброс значений при этом не превышал 10—15%. При измерении микротвердости разброс результатов довольно велик, и практически такие измерения могут принести пользу только при их большом количестве.