РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЖИДКОФАЗНОГО СИНТЕЗА И ЛЕГИРОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА С ПРОПИТКОЙ БОРСОДЕРЖАЩИМИ ЭВТЕКТИЧЕСКИМИ СПЛАВАМИ (02.11.2009)

Автор: Гурдин Виктор Иванович

3 – (Fе + 3,8 % В)/Fе;

4 – (Fе + 3,8 % В + 0,1 %`TiCN)/Fе;

5 – высокопрочный чугун;

6 – (Fе + 3,8 % В + 5% W)/Fе;

7 – (Fе + 3,8 % В + 1 % Мo)/Fе

8 – (Fе + 3,8 % В + 1,2 % Nb +

+ 4,2 % Мо)/Fе

0 200 400 600 800

Продолжительность выдержки, час

Окалиностойкость материалов исследовали при температуре 750 °С, а испытания материалов на термостойкость проводили путем циклического нагрева их (пропусканием переменного тока через образец) и последующего охлаждения (температура нагрева 750 ± 10 (°С); температура охлаждения 190 ± 10 (°С); время полного цикла – 45 с.).

Проведенными исследованиями установлено, что полученные материалы (поз. 1) можно использовать для изготовления постоянных форм для литья алюминиевых и медных сплавов.

В пятой главе «Разработка технологии получения и исследование свойств армированных железоборидных материалов» рассмотрены результаты исследования влияния технологических параметров на физико-механические и специальные свойства КМ, армированных КМ.

С целью повышения физико-механических свойств и сопротивления термомеханической усталости КМ в матрицу вводились армирующие элементы в виде молибденовой проволоки.

В качестве исходных материалов использовали железный порошок марки ПЖ2М2 и молибденовую проволоку марки МЧ, в качестве пропитывающих материалов применяли никельборидный эвтектический сплав состава Ni+4%В, кобальтоборидный эвтектический сплав состава Со+4% В и железоборидный эвтектический сплав состава Fе + 3,8 % В.

Образцы готовили гидростатическим прессованием по методике, указанной в главе 3. Объемная доля проволоки во всех образцах составляла 60%. Температура пропитки и жидкофазного спекания составляла 1190 °С.

Проводились исследования по влиянию времени жикофазного спекания композиций на свойства получаемых композиций.

Как показали исследования, время выдержки при жидкофазном спекании оказывает большое влияние на величину зоны диффузионного взаимодействия, образовавшейся в результате диффузии в зоне контакта пропитывающего сплава с молибденовой проволокой (рис. 11).

Рис. 11. Влияние продолжительности жидкофазного спекания на величину диффузионной зоны взаимодействия молибденовой проволоки с железо-боридным сплавом состава Fe+3,8 %

Изменение толщины диффузионной зоны взаимодействия ? в зависимости от времени жидкофазного спекания описывается уравнением

где ? – время взаимодействия, с; к – коэффициент роста диффузионной зоны взаимодействия, мкм2/с. Значение «к» для данной температуры пропитки составляет 1,13?10-2 мкм2/с.

Характер распределения элементов в матричном зерне и пропитывающих сплавах борсодержащих КМ определялся микрорентгеноспектральным анализом на микрозонде «CAMECA». Исследования проводились в рентгеновских лучах и поглощенных электронах. Осуществлялось линейное сканирование по точкам с временем набора импульсов в каждой точке 20 секунд, а при регистрации излучения бора 50 секунд. Расчет концентраций элементов проводился с введением поправок на атомный номер, поглощение и флоуресценцию. В качестве эталонов использовались чистые элементы. Концентрация бора определялась по эталонному образцу FеВ (16,2 % В).

Как показали результаты микрорентгеноспектрального анализа образцов, диффузионная зона взаимодействия составляющих композиции представляет собой твердый раствор переменной концентрации, включающий все элементы композиции образцов, полученных жидкофазным спеканием при времени выдержки до 15 мин. (рис. 12). При увеличении времени жидкофазного спекания до 1 часа и более происходит образование интерметаллида Мо2Fe3 .

Испытания армированных БКМ на термомеханическую усталость (в качестве показателя термомеханической усталости было принято число циклов тепловых и силовых воздействий, которые образцы выдерживали при заданном режиме испытаний до полного разрушения) показали, что сопротивление термомеханической усталости у них в несколько раз выше, чем у неармированных материалов. Это обусловлено, вероятно, более высокой энергией активации процесса зарождения и распространения трещин в железоборидном материале, армированном молибденовой проволокой.

В табл. 5 представлены результаты испытаний материалов на термомеханическую усталость в диапазоне температур нагрева и охлаждения соответственно до 750 оС и 190 оС при различных начальных напряжениях сжатия.

Металлографическое исследование армированных материалов до и после испытаний показало, что распространению микротрещин, появившихся в матрице композиции, препятствует армирующая проволока (рис. 13).

Таблица 5

Сопротивление термомеханической усталости композиционных

материалов ( tmin= 190 0C; tmax = 750 0С; ?цикла= 45 с)

№ Материал ?нач ,

МПа Число циклов

300 12449

Разрушение композиции в процессе испытания происходит по границе раздела «волокно – матрица», что приводит к потере связей между армирующей проволокой и матрицей, в результате чего матрица не способна передавать сдвиговые напряжения волокну. Причем, нарушение связей между волокнами и матрицей в первую очередь происходит у волокон, периферия которых представляет собой интерметаллид Fе и Мо, образовавшийся в процессе испытаний материала на термомеханическую усталость, т.к. напряжения, возникающие в процессе работы в материалах, оказывают существенное влияние на диффузионные процессы, происходящие в микрообъемах материала, и при значительных нагрузках, вызывающих упруго-пластическую деформацию, коэффициент диффузии может измениться на несколько порядков.

В шестой главе «Разработка технологических процессов получения изделий из композиционных материалов и их опытно-промышленные испытания» определены области применения полученных КМ и изделий из них; разработаны технологические процессы получения постоянных форм (кокилей) для литья отливок из алюминиевых, бронзовых сплавов и чугуна.

Для получения кокилей для литья алюминиевых и медных сплавов разработан технологический процесс получения постоянных форм, обладающих высокой термостойкостью и окалиностойкостью, методом гидростатического прессования железного порошка на металлическую модель с пропиткой железоборидным сплавом состава Fe + 14% ФБ 20, состоящий из следующих основных операций: дозирование и смешивание компонентов пропитывающего и матричного материала; засыпка шихты пропитываемого материала в резиновую оболочку, установка металлической модели рабочей полости кокиля в резиновую оболочку, герметизация пресс-формы; установка пресс-формы в контейнер гидростатического прессования, опрессовка металлической модели шихтой матричного материала при давлении 200 МПа; извлечение пресс-формы из контейнера, разгерметизация пресс-формы, засыпка пропитывающего материала в резиновую оболочку, сборка пресс-формы; установка пресс-формы в контейнер, повторное прессование при давлении 400 МПа; извлечение пресс-формы из контейнера, разборка ее, извлечение прессовки; установка прессовки в печь, нагрев и жидкофазное спекание при температуре 1190 °С в течение 30 минут; механическая обработка наружной поверхности спеченной прессовки. Пресс-форма для гидростатического прессования изделий и спеченная прессовка кокиля показана на рис. 14.

Рис. 14. Пресс-форма для гидростатического прессования а)

и спеченная прессовка кокиля б): 1 – герметизирующая шайба;

2 – металлическая модель рабочей полости кокиля; 3 – порошковая

шихта; 4 – резиновая оболочка пресс-формы

Производственные испытания постоянных форм, из разработанных композиционных материалов, проведенные на ЗАО Омский завод специальных изделий, показали, что кокили из композиционных борсодержащих материалов имеют достаточную стойкость, а предложенная технология их получения позволяет на 35–40 % снизить трудоёмкость их изготовления. Производственные испытания кокилей показали высокую стойкость их при литье бронзовых, латунных сплавов и чугуна.

На ФГУП «Омское машиностроительное объединение им. П.И. Баранова» при получения отливки детали «Гильза» внедрена технология модифицирования хромоникелевых чугунов УДП, что привело к значительному сокращению брака по структуре металлической основы и механическим свойствам чугуна. Предполагаемый экономический эффект 40–55 рублей на кг чугуна. Предложенный метод модифицирования хромоникелевых чугунов может послужить основой разработки технологических процессов для получения материалов с заданными свойствами.


загрузка...