double arrow

Структура и свойства порошковых изделий

Пористое тело в самом общем виде является двухфазной объемной конструкцией, состоящей из твердой фазы и пустоты (точнее, из пор). Для пористого тела характерны следующие особенности:

1) передача энергии и напряжений через пористое тело практически полностью концентрируется в твердой фазе;

2) такие свойства фазы-«пустоты», заполняющей поры, как прочность, электропроводность, звукопроводность и т.п., по сравнению со свойствами твердой фазы, исчезающе малы и ими можно пренебречь;

3) если твердая фаза сама состоит из нескольких разнородных компонентов, априорная (т.е. до проведения эксперимента) оценка свойств порошкового тела значительно усложняется, так как возможна преимущественная концентрация энергии и напряжений в одном из компонентов (более того, главным образом в его активной части).

Наиболее характерной отличительной чертой порошковых материалов (изделий) является наличие остаточной пористости, что часто решающим образом влияет на весь комплекс их свойств, существенно ограничивая области применения. Форма пор может быть различной и зависит от размера и формы частиц исходных порошков, режима изготовления и термической обработки порошкового изделия. Наиболее правильную форму пор и равномерное их распределение имеют изделия, изготовленные из порошков со сферической формой частиц.

Мелкие, замкнутые, округлой формы поры понижают механические свойства порошковых изделий в меньшей степени, чем соединяющиеся между собой щелевидные поры, которые выполняют роль внутренних надрезов (трещин). На размер пор и их форму большое влияние оказывают атмосфера и скорость нагрева при спекании.

Обычно выделяют четыре группы свойств:

1) не зависящие от пористости – микротвердость, температура плавления и коэффициент термического расширения материала частиц;

2) аддитивные характеристики, зависящие только от количества материала – теплоемкость, магнитная восприимчивость;

3) свойства типа проводимости – электро- и теплопроводность, модуль упругости, диэлектрическая и начальная магнитная проницаемость;

4) структурно-чувствительные свойства– прочность, пластичность, максимальная магнитная проницаемость, ударная вязкость и др.

На свойства порошковых материалов (изделий), решающим образом определяющие область их применения, существенное влияние оказывают макро- и микроструктура, формирование которых происходит при отсутствии расплавления основы либо только в твердой фазе, либо при наличии ограниченного объема жидкой фазы. Поэтому для таких материалов структурообразование зависит от условий получения и свойств металлических порошков, состава порошковой шихты, метода формования, температуры, скорости нагрева и времени спекания, скорости охлаждения после спекания, состава защитной среды, последующей термической обработки и многих других факторов.

Для свойств кристаллизующихся из жидкого состояния литых металлов и сплавов наиболее важны химический состав, дисперсность, распределение и количественное соотношение фаз, размеры и форма зерен. Эти факторы в определенной мере сказываются на свойствах и порошковых материалов, но наряду с ними большое влияние на уровень механических и физико-химических свойств изделий из металлических порошков оказывают форма частиц, величина межчастичных контактов и пористость, являющаяся самостоятельным структурным фактором.

Структурными составляющими порошковых материалов являются металлическая фаза (фазы), неметаллические включения (графит, оксиды и т.п.) и поры. Влияние свойств исходных порошков на структуру неоднозначно и проявляется в различной мере при осуществлении разнообразных вариантов технологических процессов получения материалов (изделий) из них.

Так, форма частиц и рельеф (шероховатость) их поверхности определяют не только качество самих формовок, но и особенности формирования структуры материала на межчастичных контактных поверхностях на всех этапах получения порошковых изделий.

Увеличение размеров частиц приводит к формированию крупнозернистой структуры с большими порами неправильной формы, а увеличение дисперсности порошков, активируя процессы массопереноса при спекании и обеспечивая получение более плотной (малопористой) структуры, может приводить к повышению содержания в материале неметаллических включений в связи с повышенной окисленностью исходного порошка.

Большое влияние на формирование структуры оказывают химический состав и внутризеренная структура самих частиц порошка, особенно в случае наличия в них трудновосстановимых оксидов А12О3, SiO2 и др. У материалов (изделий) из смесей, содержащих порошки отдельных компонентов, структура, как правило, гетерогенна из-за неполной гомогенизации при спекании и образования внутричастичных пор вследствие различия скоростей диффузионного обмена в частицах разных металлов (эффект Киркендала). Поэтому предварительно легированные порошки или порошки сплавов, предварительно полученные тем или иным способом, обеспечивают значительное повышение однородности структуры, уровня и стабильности свойств.

На конечную структуру порошковых материалов (изделий) существенно влияют условия формования, при котором порошки уплотняются, частицы деформируются, изменяется состояние поверхностей и площади межчастичных контактов, развиваются межчастичные связи. Холодное прессование и последующее длительное спекание приводят к образованию более равновесной, но и сравнительно крупнозернистой структуры, тогда как при статическом горячем прессовании формируется более мелкозернистая структура, а при динамическом горячем прессовании – еще более дисперсная.

В зависимости от состава материала и условий нагрева, микроструктура порошковых материалов может быть гомогенной или гетерогенной, а также может представлять собой механическую смесь металлических и неметаллических частиц. Для обеспечения полной гомогенизации структуры требуются более высокие температуры и достаточно длительные (многочасовые) выдержки при спекании. Большие затруднения в получении равновесных структур возникают при изготовлении материалов (изделий) из компонентов, имеющих ограниченную взаимную растворимость. Равновесность структуры таких материалов возрастает при увеличении длительности изотермической выдержки при спекании. При получении сплавов из порошков отдельных компонентов в них всегда наблюдается большая или меньшая гетерогенность.

Определение плотности и пористости сформованных и спеченных изделий (кроме твердосплавных) предусматривает применение расчетного и гидростатического методов. Определяют эти характеристики при комнатной температуре, если не оговорены другие условия. Перед проведением испытаний изделие (заготовку, образец) необходимо очистить от загрязнений и осмотреть визуально для определения качества поверхности. Изделия, имеющие трещины, раковины, сколы и скрашивающиеся кромки, к испытаниям не допускаются. Испытания проводят не менее чем на трех образцах.

Электро- и теплопроводность порошковых материалов зависят от их пористости и структуры. Эти свойства повышаются пропорционально плотности и асимптотически приближаются к соответствующему значению для компактного металла или сплава того же химического состава. На магнитные свойства порошковых материалов существенное влияние оказывают величина пористости, форма пор, содержание примесей, дисперсность структуры и наклеп. Поры ухудшают магнитные свойства, снижая магнитную проницаемость и уменьшая магнитную энергию соответствующих материалов. Магнитная проницаемость порошковых изделий зависит не только от их пористости, но и от условий спекания и свойств исходного порошка, в связи с чем при одной и той же пористости она может изменяться почти в 2 раза. Большое влияние на магнитные свойства оказывает среда спекания, взаимодействие которой с нагреваемым материалом с образованием каких-либо химических соединений (например, нитридов) может заметно ухудшить соответствующие характеристики порошковых изделий.

Механические свойства и их конкретные значения наиболее важны для оценки эксплуатационной пригодности порошковых материалов, поскольку именно они обусловливают возможность работы изделий как при статических, так и при динамических нагрузках. Механические свойства таких материалов зависят от пористости, формы пор, величины контактной поверхности и характера контакта между частицами. В свою очередь, величина контактного сечения и микронеоднородность напряжений в нем зависят от физико-химических характеристик исходных порошков, условий формования заготовок, температуры и продолжительности спекания, последующей термической обработки. В связи с этим механические свойства пористых порошковых изделий отличаются от свойств литых материалов аналогичного химического состава, а при одинаковой пористости их свойства могут различаться, если изделия изготовлены из порошков с разными свойствами или получены либо различными методами, либо по разным технологическим режимам.

Наличие пористости приводит к разрушению по специфическим механизмам, отличными от тех, которые свойственны литым материалам, поэтому для оценки механических свойств порошковых изделий необходимы специальные методики.

Неметаллические включения (их форма, размеры, количество и распределение по объему порошкового изделий), нарушают сплошность металлической матрицы и способствуют снижению всех механических свойств материала в еще большей степени, чем поры, и тем заметнее, чем выше плотность порошкового материала (изделия). На уровень и стабильность механических свойств оказывают влияние также защитные среды, используемые при спекании.

Обычно принято оценивать прочность, ударную вязкость и твердость порошковых изделий (материалов). Наиболее объективным показателем качества порошкового изделия является его предел прочности при растяжении, представляющий собой частное от деления максимальной нагрузки на номинальную площадь поперечного сечения испытуемого образца и характеризующий величину и прочность контактов между частицами. С ростом пористости прочность порошкового материала и ее отношение к пределу прочности при растяжении аналогичного литого (компактного) материала падают.

Для порошковых материалов, пористость которых, как правило, существенна, твердость является функцией прочности частиц, сил связи между ними и плотности материала. Обычно макротвердость порошкового материала измеряют по Бринеллю, Виккерсу или Роквеллу; можно измерять микротвердость отдельных структурных или фазовых составляющих.


Сейчас читают про: