Автор: Журавлёва Э.А.  

Теги: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления   порошковая металлургия   материалы конференции  

Год: 1970

Похожие

Современные проблемы порошковой металлургии

Порошки цветных металлов

Основы порошковой металлургии.

Порошковая металлургия

Текст 
                    PROGRESS 1N POWDER МETALLURGY
Proceedinяs of th~ Nineteenth Л nnш1'
PROGRESS
1N POWDER
МETALLURGY
Proceedings of the Nineteenth Annual
Powder Metallurgy Technical Conference
Sponsored Ьу the
Metal Powder lndustries Federation
andthe
American Powder Metallurgy Institutt
METAL
IOWDER
ЩDUSTl:ЦES
J:EDE.11:A:TION
AМEll.(C-AII
POWOEI
ME'т1(LURGY
~'мi•т I т uт'Е
Heldat
ТНЕ HOTEL SHERATON-CADILLAC
DETROIТ • MICHIGAN
APR:.IL 29 • APRIL 30 • МАУ 1


НОВОЕ
u
В ПОРОШКОВОМ
МЕТАЛЛУРГИИ
Труды 19-й ежегодной американской
конференции по порошковой мета.11лургии,
Детройт, США
ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО
Э. А. ЖУРАВЛЕВОЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МЕТАЛЛУРГИЯ»
Москва - 1970


СОДЕРЖАНИЕ
Г. Г. Хозн,ер. Лин е йная у,са~дка при спе:кании п-ороr.μковых
материалов
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Р. Л. Петтибоун,. Получение металлокерамических матери ·
алов железо-медь методом пропитки и свойства пропитанных
изделий
.
.
.
.
.
.
.
.
.
П. Е. Мэтхьюз, С. Брэдбери. Диффузионная обработка ме -
таллокерамическихизделий............
~,
Н. К. Коб~л, Р. Ф . Нови. Термообработка металлокерами-
ческих детален
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
V
Дж. Дж. Скотт. Выбор смазок для самосмазывающихся
подшипников и других деталей . .
.
.
.
.
Н. Р. Гардн,ер, А. Д. Дон,альдсон, , Ф. М. Иен,с_ Экструзия
металлических порошков
Ф. И. Залески. Экструзия высокопрочных алюминиевых
сплавов
Т. С. Догерти. Производство промышленной алюминие­
вой ленты прокаткой алюминиевых · гранул
Г. фон, Шееле. Влияние некоторых свойств порошка на вы­
бор режима экструзии сварочных электродов
У. М. Шефер. Перспективы применения металлокерамиче·
ских материалов в космонавтике
Н. М. Парик. Металлокерамические композиционные мате -
риалы................
.
.
Дж. Леффлер, К. Х. Мак- Ки, Р. Дж. Стьюлигросс. Вакуум­
ное спекание цементированных карбидов и тугоплавких спла -
БОБ .
Ф. Дж. Зелю. Передача тепла чере з пористые материалы
К. Х. Ролл. Металлокерамическое производство в США
1962-1963 гг.
'
3-10 -3
93-69
в
5.
35
61
70
89
101
112
118
128
136
149
157
168
179


Г. Г. Хознер
(Н. Н. Наиsпег 1 )
ЛИНЕЙНАЯ УСАДКА ПРИ СПЕКАНИИ
ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Процесс переноса вещества во время спекания ме­
таллического порошка приводит к образованию межча-
•сти ч ных контактов в начальной стадии
спекания и к
усадке и уплотнению - в конеч ной стадии . Перемеще- _
ние материала, вызывающее усадку, являтся следстви ­
ем диффузии или вязкого течения в твердом состоянии .
Эти процессы обычно протекают в определенных пре ­
имvщественных направления х , поэтому величина линей ­
ной усадки по различным осям брикета бывает неоди-
накова . •
Природа объемной усадки довольно сложна и до сих
пор недостаточно изучена; еще менее исследована ли­
нейная усадка.
В настоящей статье представлены некоторые данные
по линейной усадке металлокерамических цилиндриче­
ских брикетов ; рассмотрены некоторые факторы, вызы­
вающие анизотропию линейной усадки ; в дополнение
обсуждаются общие вопросы усадки в процессе спека-
ния: .
: ·--,
Проблемы объемной и линейной усадки интересуют не
только металлургов-практиков, но и металлургов-теоре­
тиков, изучающих механизм переноса материала в твер­
дом состоянии во время спекания . Цель большинства
исслеnований в области переноса вещества в твердом
состоянии - количественное измерение скорости 11ере ­
носа и объема перемещенного материала. Изучение ли­
нейной усадки дает некоторую информацию о главном
направлении потока вещества во время спекания и поэ ­
т ому п озволяет глубже проникнуть в ме х анизм, вызыва­
ющий усадку.
Усадка является следствием переноса материала в
твердом состоянии . Перенос материала во время спека­
ния может осуществляться с помощью различных ме х а­
низмов. Так, например, возможна поверхностная диффу-
1 Polytechnic Institute of Brookl yn
5


зия, объемная диффузия, диффузия по границам зерен,
пластическое течение и испарение - конденсация.
Для большинства материалов механизм испарение­
конденсация не имеет существенного значения вследст­
вие относите!JЬНО малой упругости пара многих метал­
лов при тем_ пературе спекания в твердом состоянии.
Относительно других .возможных механизмов пере­
носа материала мнения ученых - разделяются и часто
бывают противоположны. Большинство теоР,ий по мас­
сопереносу строится на данных экспериментов по спе- .
канию отдельных частиц порошка сферической формы.
В экспериментах такого рода практически устраняются
все многочисленные переменные , характерные для реаль­
ного процесса порошковой металлургии (форма и рас­
пределение частиц по размерам , их поверхностная кон­
фигурация и деформация во время уплотнения, напря­
жения, возникающие в частицах, форма, размер и распо­
ложение пор между частицами и т. д.). Практическая
ценность исследований с использованием такой моде­
ли минимальна; в частности результаты этих экспери­
ментов не могут объяснить характера и величины усад­
ки во время спекания Д . ля того чтобы получить ясное
представление о природе как объемной, так и линейной
усадки, следует проводить. эксперименты с большой мас­
сой частиц порошка.
Постановка задачи
При спекании . цилиндрических брикетов, полученных
прессованием металлического порошка с приложением
давления в направлении оси цилиндра, обычно наблю­
дается усадка цилиндрического образца как в nапиялh­
ном, так и в аксильном направлении . Величина усад­
ки по этим направлениям несколько различна.
По этому поводу возникают следующие вопросы.
1. В каком из этих д!Зvх нанравле1-rий величина усад ­
ки больше?
2. Связана ли линейная усадка в этих направлениях
с объемной усадкой?
3. Какова связь ,1ежду линейной усадкой в различ-
ных направлениях?
)
На основании экспериментальных данных установле­
но, что отношение величин радиальной и аксиальной
усадки может быть равно единице (в том случае, если
6


величина линейной усадки в обоих направлениях одина­
кова), быть больше или меньше единицы.
Какие же из параметров реального металлокерами-
•ческого процесса фактически определяют величину это­
го отношения? Если отношение величин линейной усад­
ки по различным направлениям не равно единице, то
перемещение материала при спекании имеет какое-то
предпочтительное направление. Что вызывает этот на­
правленный поток материала?
Проблема линейной усадки является первостепенноf1
в производстве любых порошковых изделий; направлен­
ное перемещение материала в твердом состоянии пред­
ставляет большой теоретический интерес. -Следует упо­
мянуть, что эти проблемы в настоящее время еще не ре­
шены; сведения, приведенные в этой статье, могут спо­
собствовать их решению.
Чтобы избежать неправильного толкования терми­
нов, ниже приведены уравнения, определяющие усадку.
Объемная усадка может быть выражена через изме-
нение объема:
•
•
ev__ЛV_V1-Vo_V1_l
_
do_l
(l)
•
Vo
Vo
Vo
d1
или через изменение линейных размеров А и R:
А1 Rf
ev=--- 1.
(2)
Ао R5
Радиальная усадка
R
R1-Ro
eR.=-=
Ro
Ro
аксиальная усадка
А
ел=-=
Ао
• Отношениелинейных усадок
1
• eR.
R1-Ro
а=--
ел
Ro
(3)
(4)
Ао
(5)
В примерах, приведенных в следующих разделах, в
основном фигурирует величина а~ отношение линеиных
усадок, rюзволяющая сделать некоторые заключения от-
7


носительно ориентировки потока материала во время
спекания и, · следовательно, глубже понять механизм
спекания.
_,,
Предварительные эксперименты с порошками
карбонильного железа
i
. J.J
Прuм~р 1. Интересные свойства карбонильного желез­
ного порошка до сих пор мало изучены. Относительно
недавно было проведено исследование прессуемости и ·
спекаемости порошка карбонильного железа марки НР
(размер частип ,,..._ , 10 мкм); для сравнения использова •
лись восстановленные электролитические железные по­
рошки с размером частиц -200 меш. Порошки прессо­
вали под давлением 5,6 Т/см2 в цилиндрические заготов­
ки диаметром 19,05 мм и такой же высоты. Эти заго­
товки подвергли спеканию при температуре 1093°С в
,, атмосфере водорода в течение 2 ч.
Рис. 1 подтверждает широко известный факт: прессо­
ванные заготовки из карбонильного порошка имеют
послt:
.ц
fZJ- прессо!Jания
послt:
~- спекания
..,
~~~~
~
~
~
~
7,0
б,5
б,О
5,5
2
4
5
Рис . 1. Плотность металл окерамических бри­
кетов из железных порошков различных м .:;1-
р о,к после
ттре,ссования
под
давлением
5,6 Т/см' и после спекания при 1093° С в ,е·
чение 2 ч в атмосфере водорода :
1 - эле,ыролштич~ский
-
•200 меш; 2 - в ооста-
,
новленный -200 меш; 3 - карбо·нильный мар- ;
кнНР:4-тоже,маркиL:5-тоже,мар-
.1
Ю!С
1,,
,
li:;5


wеньшую плотность, чем заготовки из восстановленных
или электролитических порошков. После спекания кар­
тина меняется, плотность брикетов из карбонильного
железа выше плотности брикетов, изготовленных из по ­
рошков двух других сортов.
Смешивая восстановленный или электролитичесюrй
rторqшок железа с 5-20% порошка карбонильного же­
леза, получают несколько большую плотность как после
прессования, так и после спекания. Результаты пред­
ставлены на рис. 2.
7,2
б,2
После
rn пр_ессо[}ония
Лослв
~ спекания
О5fD
Со!Jержанш:
а
20
О5fO20
кар_оонильново порошка
tlшихте,%
б
Pl'lc . 2. Из,менение плотности металло.графических
брикетов из вос,становленного (а) и электролитиче­
скрго (6) железного порошка дис,персностью -200
меш при добавлении в шихту карбонильного порош­
ка мар.кн НР (,прессование под давлением 5,6 T/c1,t 2 ,
спе·кание 2 " при 1093° С в водороде)
Дополнительные испытания проводились на образ-
· цах, изгото13ленных из шихты различного состава: 100%
порошка карбонильного железа, 100% порошка электро­
литического железа и смеси порошка электролитическо­
го железа с 5, 10 и 20% порошка карбонильного железа.
Порошки были спрессованы под давлением 46,2 Т/см2 в
заготовки цилиндрической формы и спечены при темпе-
t.~
ратуре 1260°С в течение 1 ч в атмосфере водорода; была
9


определена анизотропия линейной усадки - отношение
eR Значения этого отношения показаны на рис. 3.
ел
Для карбонильного железа отношение линейных усадо~
равно примерно 1,5, т. е . , другими словами, радиальныи
размер уменьшается значительно больше осевого ·раз-
2з45
Рис. · 3. Анизотропия линейной усадки
(отношение усадки по диаметру к
усадке по высоте) в образцах из раз­
ли ч ных железных порошков, прессо­
ванных по,д давлением 4,6 Т/слt' и спе­
ченных при 1260° С в течение часа в
атмосфере во,дорода:
1 - карбонильное железо марки НР;
2 - электролитиче,ж,ое железо с доба.в­
кой 5% :ка,рбонилыного жел"за марк,и
НР; 3- то же, с добаВ1Кой 10%; 4-
то же, .: добавкой 20%: 5 - эле.кт,роли-
тиче.ское 1{{елезо
мера, тогда как для элек­
тролитического железа от-
11-юшение лине(шых усадок
равно примерно 0,5, и ;
таким образом, длина об­
разца уыеньшается в два
раза больше, чем его диа­
метр. Этот прим.ер пока­
зывает, что сорт порошка
является решающим фак­
тором, определяющим ве­
личину линейной усадки.
Необходимо отметить, что
образпы из смеси порош­
ка
электролитического
железа с 5-20% порош­
ка карбонильного железа
НР имеют практически
одинаковую усадку по
диаметру и по оси; смосн
этого типа должны найти
широкое применение в
порошковой металлургии.
Различный характер
лин1::й1ной усадки желез­
ных по р ошков разных сор­
тов трудно объяснить. Не­
известно, явля,ется ли это
следстви.ем р<1зличий в размерах частиц, в фор,ме ча­
.стиц и удельной поверхности, в чистоте или в кристаллп
ческам строении зерен порошков этих двух сортов.
Испытания, результаты которых были опубликованы
в 1947 г. Лидбетером с сотрудниками [1], дают частич­
ный ответ на некоторые из_ поставленных вопросов. Ав­
торы исследовали различные сорта железных порошков.
определяя размер частиц, плотность частиц, насыпной
вес и удельную поверхность порошков каждого сорта
10


о:
Порошки прёссовали под давлением 4,6 Т/см2 в брикеты
размером 65Х 1ОХ 1О мм и подвергали спеканию при
температуре 1050°С в атмосфере водорода. Некоторые
результаты для электролитического, восстановленного и
карбонильного порошков приведены в табл. 1.
"'О[
"'
"'о.
1О
о
о.
,е.
:,:
а
10
20
25
26
Таблица
Усадочные характеристики различных жедезных порошков [ l]
Характеристики по ,
Плотность
брикета,
рошка
гjCJ,i"
.,
;.к
о.
,.
о
о.
Со~т
Q)
<.J
с;
Q)
:Е >(
"'
""
"'
~
порошка
"'"'
:,-
о:>( о"'
"'-
с:;;--
"
"'
о."
"<..,
Q)
.О"
"'--
"'>(
Q)
,. "'
~i (~
"
"' - "<..,
"' "'
"'<..,
С)
:,:О[ о-.. 3-
~; ~~
:,: :,:
,: "'
>,.О
<1).
oa:t; ....
is t;
с;,.
С:•
"'"'
о-
Q)"
<.J"'
""'
Р. О' с;;;;
"'о "1:о Оо
о:,:
"
"
О[ "',:
>,:,:
" <.J
",:
'
Электролити-
ческий
63 7,76 2,56 452 6,06 6, 18
Восстанов- \
ленный
62 7,40 2,38 532 5,38 5,47
То же
6 7,58 0,97 5161 5, 15 7,05
Карбониль-
ный
7 7,84 3,40 3459 5,69 5,98
* Прессование под давлением 4,6 Т/см.'.
•• Спекание при 1050°С в водороде.
Усадочные характеристи-
IШ
,;
:,:
о
линейная
"'
"1:о
% Ос{
~"
усадка,
"'
"
>,:,:
>,
Q)
<1)
:,:
Q)
<1)
,.
"'
:,: Q)
:,:
:,:
о
"'
:,::Z:
:,:
о.
"
:,:
Q):,: Q)
с;
:,:
;;; :Е
а с:,_.
Ос{
а
"'
Q)
о "1:0
"'
~о~
о
о
о
'8~
"
"
"
о""'
0,35 0,30 1,20 1,84 0,29
0,87 0,73 1,56 3, 10 0,55
10, 10 10 ,30 9,28 27,0 1,08
1,87 2,22 1,54 5,52 1,22
Эти данные показывают, что отношение линейных
усадок в образцах из относительно крупных порошков
электролитhческого и восстановленного железа (образ­
цы под шифром 10 и 20) значительно меньше единицы, а
в образцах из тонких порошков восстановленного же­
леза No 25 и карбонильного железа No 26 •- больше еди­
ницы. Это позволяет считать, что усадочное отношение
зависит от . размера частиц, хотя для очень тонкого по­
рошка восстановленного железа (образец No 25) оно
оказалось меньше, чем для несколько более крупного
порошка карбонильного железа (образец No 26) . Можно
предположить, что на усадочное отношение также вли­
яет и форма частиц.
11


Зависимость усадки от давления прессования
Влияние размера частиц на анизотропию линейной
усадки недавно исследовано Романом и Хознером [2, 3].
В табл . 2 показаны некоторые результаты, полученные
ими на прессованных заготовках из электролитического
медного порошка. В этих экспериментах тонкие порош ­
ки (-325 меш), смеси тонких и грубых фракций
(-100 меш) и грубые порошки (-100+325 меш) прес ­
совали под давлением 0,7 и 1,4 Т/см 2 ; брике;ы подверга ~
ли спеканию в водородной атмосфере при 925°С в тече­
ние 1 ч. Во всех случаях усадка по диаметру была боль ­
ше, чем по высоте, и, следовательно, отношение линей ­
ной усадки превышало единицу. В образцах, спрессо ­
ва·нных при 0,7 Т/см 2 , усадочное отношение с увелич ени ­
ем размера частиц порошка ттадает; это согласуется с
результатами предварительных экспериментов. Однако
в брикетах, спрессованных при 1,4 T/c,1:i2 , влияние разме­
ра частиц на линейную усадку противоположно: отно­
шение линейной усадки ~ увеличением размера частиu
• порошка растет.
Этот довольно неожиданный результат показывает,
что усадочное отношение зависит не только от размера
частиц, но также и от давления при прессовании порош ­
ка . С приложением давления в деформированных части­
цах возникают напряжения. Вполне вероятно, что имен­
но напряжения определяют направление перемещения
вакансий и атомов в процессе спекания. Возможно так­
же, что приложение давления вызывает некоторую опре­
деленную структурную ориентацию в порошковом теле,
например ориентацию поверхностей частиц, границ зе ­
рен, направления пор. Данные, приведенные в табл. 2,
показывают, что давление прессовя.ния является одни :м
из важных факторов, который влияет на характер ли ­
нейной усадки во время спекания.
•
Серия аналогичных испытаний пр0ведена Ленелем и
Хознером с сотрудниками [4] также на порошках элект ­
ролитической меди дисперсностью -100 меш; эти авто ­
ры исследовали характер линейной усадки при с п екании
свободно насыпанного порошка и образцов, спрессован­
ных при различных давлениях (от 0,28 до 2,8 Т/сл1.2 ). Ре­
зультаты испытаний показаны на рис. 4. Наибольшая
объемная усадка наблюдается при спекании свободно
12


Таблица 2
Влияние размера час-,·иц и даn.11ения прессования
на линейную усадку при спекании
цилиндрического образца электролитической меди
Давление
Линейная усадка, %
Отношение
прессования,
Размер частиц
радиальной
Т/см 2
порошка, меш
1
и аксиальной
радиальная
аксиальная
усадок
0,7
1,4
- 325
6,88
5,56
-
100
4,85
4,04
- 100+325
4,51
4,02
-325
2,88
2,73
- 100
2,28
2, 11
-100+325
1, 76
1,41
- 16.О
- 14,0
- 12,0
-4,0
-
2,0
о
•;:,
~::t:
,<:,~
§ t::,
~~2,0
~,:: :i
l<)~
~ ,<:,
1,0
<\] §
~~
@~о
~::::s ,
о
о
•
Радиальная IJCOiJкa
§ АксцальнаR усадка
0,28
0,42 0,56
0,7
2/
Да(}ление прессо(}аншr, Тjсм2
а
0,28
0,42 0,56
О,7 2,8
Да(}лвние прессо8онш:,, Т/с112
б
Рис. 4. Линейная у<:адка (а) и анизо-nропня линейной усад­
ки (б) при апе,каrнии (l ч ,при 930° С в водороде) свободао
на,сыпанного или прессованного порошка элвктролитической
меди ди,сперсностью -100 меш
1,23
1,20
1, 12
1,05
1,08
1,25
13


насыnанных порошков; по мере роста давления прессо­
вания объемная усадка брикетов уменьшается. Анизо­
тропия линейной усадки, однако, с увеличением давления
возрастает: отношение радиальной и аксиальной усадок
несколько меньше единицы (0,88) для свободно насы­
панных порошков и больше единицы (1,07-1,29) для об­
разцов, спрессованных под давлением. Чем больше при­
ложенное давление, тем больше радиальная усадка по
сравнению с аксиальной.
Дополнительная серия испытаний была провед~на
со свободно насыпанными и виброуплотненными порош­
ками в цилиндрической графитовой форме . Спекание по
'
f0,9
а
Ш,8~
б
Ри.с . 5. Линейная усадка при спекании ( 1 ч при
930° С в водороде) цилин,дра оо авобод·но насыпан­
ным пор,ошком эл.е1кт,ролиш-1че:а1Н)Й меди д"I-юпер­
сностью -100 меш : в верти·кальном (а) и в го­
р1и.зо.н,тальн,ом (б) пол.ожен,и,и; , циф;ры )'iКазыва!От
,усадку, %, в дан,н.ом на,пра,влении
рошка проводили при различном расположении формы
вертикальном или горизонтальном . Усадка образцов в
каждом случае показана на рис . 5.. В направлении дей­
ствия силы тяжести усадка почти на 15% больше, чем в
направлении, перпендикулярном действию силы тяже­
сти, независимо от того, было ли это направление ради ­
альным или осевым по отношению к форме. Авторы Рри ­
ходят к выводу, что характер усадки при спекании сво­
бодно насыпанных порошков определяется действием
гравитационной силы; характер усадки в прессованных
образuах объясняется влиянием внут,ренних остаточных•
напряжений .
14


Зависимость усадки от среднего размера частиц
и фракционного состава щихты
Для определения зависимости уплотнения и усадки
при спекании от распределения частиц по размерам
проводилась серия опытов по спеканию порошков мо­
либдена [5] . Использовали два сорта молибденового
порошка: «тонкий» порошок со средним размером час ­
тиц,.._,, 2 мкм и «грубый» порошок со средним р&змером
частиц ,....,, 10 мкм. Смеси грубого и тонкого порошков. с
составами в интервале от 100% грубого до 100% тонко.­
го порошка прессовали под давлениями 0,53; 1,4 и
2,8 Т/см2 . Порошки в свободно насыпанном состоянии и
прессовки предварительно отжигали перед спеканием в
течение 1 ч при 1250°С, а затем спекали при 1750°С в те­
чение 5 ч, обе операции проводились в атмосфере очи­
щенного водорода. Влияние фракционного состава на
плотность прессовок и спеченных образцов и на анизо­
тропию линейной усадки показано на рис. 6,а и 6 .
~ {,5
4
~
fO
~,~
f,4
g
;is
8
§ f,З
i:J
"'
~
~7
~ f.2
~
/1
•:: ::,
~-б
...... ::'.J......,
~
~
-
-...,_
~ f,f
;i:
---...... з ~
§5
,...._
""'
-~
2
~ 1,0
4
f
~
.,,.- -- ~
о_;
0,9
з
/
--,
g
~
о255075100
с::;
25 50
75 fOO
СоiJержание tJ шихте
тонкоtJ фршщии, %
Содержание tJ шихте
тонкой фракции,%
а
б
Р,и,с. 6. Пло"Гl-iость (а) ,и а,н-ивотр опия линеюной у-са,дки (6) металл,оке­
ра,юnче,,жих брикетов кз пюр ошков мо.irибдооа различ,ного фра~кщюнно­
г.о с-оста.ва после пре~е,сова1н 1ия (1п~у нкrир) и после апека1ния 5 ч при
J-75Q°C В В QДо,])О!Це (,QПЛ ОШН.аЯ ЛИIН-ИЯ):
1 •- порошок
в состояннн свободной насыпки; 2 -
брикет, прессованный
под дав.леннем 0,53 Тfсм2; З - то же. под давлением 1,4 Т/см2; 4 -
то же,
под дав.пен н ем 2,8 Т/слt'
15


Для прессованных образцов получены следующие ре­
зультаты:
1) повышение содержания в смеси тонкой фракции
приводит к уменьшению усадочного отношения;
2) повышение давления прессования приводит к рос­
ту усадочного отношения;
3) чем больше объемная усадка (чем больше уплот­
нение), тем ниже усадочное отношение.
Для свободно насыпанных порошковых смесей ха­
'
рактерно сл_едуюшее:
1) повышение содержания в смеси тонкой фракции
приводит к росту усадочного отношения.
2) увеличение объемной усадки (увеличение уплот­
нения) приводит к росту усадочного отношения.
Сравнение поведения при спекании молибденового
прессованного (деформированного) порошка с поведе­
нием свободно насыпанного (недеформированного) по­
рошка показывает, что влияние размера частиц на уса­
дочное отношение в свободно насыпанных порошках с
ненапряженными частицами и в прессованных порошках
с деформированными напряженными частицами проти­
воположно Можно с уверенностью считать, что напря­
жения и ориентация час'!'иц . порошка определяет преиму­
щественно · направление миграции вакансий и атомов, а
следовательно, и характер линейной . усадки порошков
при спекании.
Изо~татическое и одностороннее прессование
Приведенные выше данные показывают, что величи­
на усилия прессования сильно влияет на характер ли­
нейной усадки. Совершенно очевидно, что определенное
влияние должен оказывать и способ приложения давле­
ния. Если линейная усадка зависит от ориентации сил,
которые служат причиной перемещения материала, то
•направление силы во время прессования должно быть
фактором, который определяет характер линейной
усадки.
Изостатическое прессование в сравнении с односто­
ронним изучалось Ван Бюреном и Хиршем [6] на тон­
ких порошках состава (от 1О до 44 мкм - 90%и от О
до 1О мкм - 1О%) и порошках средней дисперсности
(состава от 44 до 210 мкм - 78% и менее 44 мкм -·
16


22 %) . Порошки были спрессованы под давлением 1,75
и 4,2 Т/см2 односторонним или изостатическим методом,
п осле чего прессованные заготовки были спечены пр и
1 1 50°С в течение 1 ч в атмосфере водорода.
Таблсща 3
Влияние способа прессования на плотность
и линейную усадку электролитических железных порошков
.;,
Плотность,
Линейная
,<
% от теоре-
:;;
"'
усадка, %
,:i:
о
тичес1{ой
,: ,:
()
"
()
:i:
"
-
"'
Метод
а.
Сорт
"'
.;,
о;
C,N
:,:
"'
"'
"'
прессования
""
порошка* 1
:,:
"
"'
"'
"
:,: "
"'
с:
:,:
:,:
:,:
~~
"'
()
"'
"'
:i:
"
о;
о;
""'
о;-
с:
OJN
"'
"'
:1о
()
о;*
:,:
:,:
о,t
"'"'
u"'
,t
u
:i:"'
"':,:
о
о:,:
"'
"'
f<()
1:::(:,:
,t
с::,:
а.
"'
О;,,
Одностороннее 1,75 Тонкий 63,4 68,9 1,3 2,8 0,46
Средний 70,07 73,9 0,5 2, 1 0,24
4,2 Тонкий 78, 1 86,8 1,0 _ 3,0
1
0,33
Средний 83, 1 90,0 0,3 1,5 0,20
Гидростатичес- 1,75 Тонкий 68,3 70,8 1,5 1,8 0,83
кое
Средний 75,5 77,3 0,5 0,5 1,00
\
4,2 Тонкий 82,5 83,7 1,0 1,6 0,62
Средний • 88,5 89,5 0,24 0,28 0,85
*1 Фракционный состав
тон1<01· 0 порошь· а: фракция l0-44 мкм
-
90%,
< 10 л,кл1 - I О%; фракц,,сн н ь:й состав среднего ппрошка: фра ,щня- 65+325 меш-
78%, -
325меш- 22%.
*2 Спекание при 1 1 50°С D ВОДОJ)ОдЕ· С ньщерЖКОЙ 1 '1.
В табл . 3 приведены полученные в этих эксперимен ­
тах данные по плотности брикетов до спекания и после
1
u
u
'
с пекания по величине и анизотропии линеинои усадки;
на основании этих данных могут быть сделаны следую­
щ ие выводы:
1. Изостатически спрессованные образцы спекаются
д о более высоких плотностей, чем односторонне спрессо­
ванные.
17


2. Отношение радиальной и аксиальной усадок в об­
разцах, прессованных односторонним прессованием, из­
меняется между 0,20 и 0,46, в из6статически прессован­
ных образцах - между 0,62 и 1,00. При одностороннем
прессовании величина аксиальной усадки значительно
больше радиальной, в то время как при изостатическом
1
прессовании значения усадки в обоих направлениях при-
мерно одинаковы.
3. Отношение линейных усадок уменьшается с увели ­
чением давления независимо от метода прессования. Это
противоречит результатам Постера с сотрудниками [5],
полученным на образцах из молибденового порошка и
описанным выше.
4. Для всех односторонне прессованных электролити­
ческих порошков железа отношение линейных усадок
уменьшается с увеличением размера частиц.
5. Отношение линейных усадок для образцов, прессо­
ванных изостатически, растет с увеличением размера ча­
стиц порошка .
Из представленных результатов ясно, что направле­
ние приложенного давления влияет на анизотропию ли ­
нейной усадки, или другими словами, можно сказать,
что ориентировка напряжений в прессованных заготов­
ках определяет характер усадки, создавая на _правленное
перемещение материала при спекании.
Следует отметить, что обнаруженные Ван Бюреном и
Хиршем закономерности увеличения и уменьшения ани­
зотропии линейной усадки резко отличаются от данных
других авторов. Можно предположить, что различные
металлы или группы металлов имеют специфический
характер усадки; этот вывод, однако, не совсем прави­
лен. Разберем следующий пример. Льюис 1 исследовал
поведение образцов, прессованных из6статическим или
односторонним методом из порошков карбонильного же­
леза марки НР под давлением 3,08 и 4,48 Т/см2 .
В табл. 4 приведены данные Льюиса по плотности
образцов после спекания и по характеру усадки.
Из полученных результатов можно сделать следую­
щие заключения:
1. Изостатически прессованные образцы спекаются
до более высоких плотностей, чем образцы, прессован-
1 J. Lewis. Частное сообщени е .
18


ные односторонне (подобно тому, i<ak это показано Ван
Бюреном и Хиршем в примере с порошками эл~ктроли­
тического железа).
Таблица 4
Влияние способа прессования на плотность
и усадку порошков карбонильного железа
""
"'~
Линейная
=
.,, "' >;
;?.
%
Q):,:
,-.
Q) ,_,
"'
усадка,
:.::~
и"---- "'
Метод пре_ссоnания
:,: о
о и"' :,:
.
<l)UN
1:: ~;(. ~
;,а~
~~~
l~ ради-1 акси-
о и"'
"' о. --.._
,; о=
альная альная
~t::h t:::t:::,:
о;;',
Одностороннее
3,08 6,8 16,8 6,6 4,5
'
4,48 7,1 11,8 4,7 2,9
Изостатическое
3,08 7,3 10,8 3,2 4,2
4,48 7,4 5,5 1,6 2,7
;,
и
'Q):,,
=,.,
~а
ао: .
оQ)
:,: :,: "'
,-.
:,: о
о,; S(
1,47
1,62
0,76
0,59
• Спекание в ~одородс в дв е стаднн: 1 ч при 427'С и 3 ч при I093°C.
2. Отношения линейных усадок образцов, прессован­
ных односторонне, равны 1,47 и 1,62, что очень близко
к результ·атам, полученным автором (см. выше). На­
блюдается -небольшое увеличение усадочного отношения
с ростом давления, что находится в соответствии с дан­
ными Романа, Ленела и Пастера, но противоречит ре­
зультатам Ван Бюрена и Хирша, полученным на порош ­
ках электролитического железа.
3. O-~;ношение линейных усадок образцов, прессован­
ных в одном направлении значительно больше, чем то
же отношение для изостатически прессованных образ­
цов. При одностороннем прессовании аксиальная усад­
Кq значительно меньше, чем радиальная, в то время как
при изостатическом прессовании аксиальная усадка
больше радиальной. Эти результаты прямо противопо­
ложны результатам Ван Бюрена и Хирша.
Рассмотренные примеры показывают, что зависи­
мость отношения линейных усадок от способа приложе­
ния давления для порошков карбонильного и электро­
литического железа различна. Необходимо, однако, при­
нять во внимание, что температура и продолжительность
спекания в этих двух примерах неодинаковы.
19


Зависимость усадки от температуры спекания
Из приведенных выше примеров можно заключить,
что основные факторы, определяющие характер линей­
ной усадки, - это свойства исходного порошка и усло­
вия прессования. Однако, кроме того, необходимо рас­
смотреть и влияние такого фактора, как температура
спекания.
Роман и Хознер [2, 3] проводили иссл~дования с
электролитическими железными порошками дисперс­
ностью -325 меш. Образцы, прессованные под давле­
нием 2,24 Т/см2 , спекали в водороде при температурах
1150, 1200 и 1400°С в течение 1 ч . Значения линейной
усадки и усадочных отношений приведены в табл. 5.
Таб.шца .= ;
Влияние температуры спекания
на характе1> линейной усадки
ЭJ1ектролитическоrо железного порошка
Линейная усадка, %
Температура
Отношение
спекания,
1
линейных
ос
радиаль-
аксиаль-
усадок
ная
пап
1150
0,30
0,69
0,43
1200
0,80
1,50
0,53
1400
3,58
3, 10
1, 15
При температуре спекания 1150°С отношение линей­
ных усадок равно 0,43; это отношение несколько увели­
чивается при температуре спекания 1200°С, а при 1400°С
величина отношения усадок становится равной 1,5. Дру­
гими словами, при l 150°C усадка по высоте образца зна­
чительно больше, чем по диаметру, но с увеличением
температуры спекания усадка по высоте становится
меньше, а усадка по диаметру растет, так что при тем­
пературе спекания ·1400°с усадка по диаметру превы­
шает усадку по высоте. Это показывает, что основное на-
• правление перемещения материала при спекании зави­
сит от температуры; можно допустить, что характер
сил, вызывающих перенос материала, меняется в зависи­
мости от температуры спекания. Те же авторы [2, 3]
20
!1


провели дополнительные исследования с порошками
электролитической меди дисперсностью -325 меш, щ1ес­
сованными под давлением 1,4 Т/см 2 и спеченными в ат­
мосфере водорода в течение 1 ч, в интервале температур
от 7Щ) до 1035°С. Полученные значения линейных усадок ­
приведены в табл. 6. Анализ этих величин показывает,
что отношение усадок увеличивается с ростом темпера­
туры спекания, т. е. так же, как и в образцах из элек­
тролитического железа (табл . 5), хотя в этом случае ра­
диальная усадка во всех случаях больше, чем аксиаль­
ная.
Табл~ща б
Влияние температуры спекания и цавления прессования
на характер линейной усадки э,1ектро.лит11ческого медного порошка
/
Линейная усадка, %
Давление
Температура
1
Отношение
прессования,
спекания,
линейных усадок
Т/см2
ос
радиальная
аксиальная
1,4
760
1,83
1,61
1, 14
815
2,63
2,22
1, 18
875
4,54
3,64
1,25
925
7,08
5,39
1,31
980
8,08
5,31
1,50
1035
8,73
6,30
1,39
0,7
760
2, 12
1,58
1,34
815
2,90
2,26
1,28
875
4,33
3,44
1,26
925
5,63
4,55
1,24
980
8,72
5,83
1,50
1035
9, 17
7,40
1,24
Необходимо отметить, что увеличение усадочного от­
ношения с подъемом температуры спекания не может
рассматриваться как общее правило, так как другая се­
рия экспериментов тех же авторов (2, 3] показала как
раз противоположное .
Опыты проводились также с электролитическим мед­
ным порошком дисперсностью -325 меш, но на этот раз
спрессованным при более низком давлении (0,7 Т/см 2 );
температура спекания- изменялась в том же интервале,
21


т. е. от 760 до 1035°С. В этих эксцериментах усадочное ·
отношение несколько уменьшается с ростом температу­
ры спекания (табл. 6).
Сравнение результатов, приведенных в табл. 6 и гра­
фически представленных на рис. 7, наглядно показывает
{,5
1,f 700 800 900 1000 f!OO
Температура спеканшr, 0С
Рис. 7, Влияние температуры
спекания на анизотропию лн­
нейной усадки в образцах из
электролитиче.с,кого медного· t1о ­
рошка .дисперсностью -325 меш.
прессованного под давлением
0,7 Т/сл~' (1) и 1,4 Т/сл~' (2) и
спе ченного в атмосфере водоро-
давтечение1ч
противоположное влияние температуры спекания на
анизотропию усадки для порошков, прессованных под
разным давлением .
Спекание под действием растягивающей нагрузки
Для исследования объемной и линейной усадки при
спекании Довил и Рикс [7] пров(;ли ряд опытов по спе­
канию цилиндрического образца под действием растя-
гивающей нагрузки.
,
Цилиндрические заготовки, спрессованные из порош­
ка кобальта, были подвергнуты предварительному спе ­
канию в атмосфере водорода при температуре 675°С;
при этой температуре не происходит никакого уплотне­
ния; но наблюдается _ значительное упрочнение загото­
вок, что позволяет получить из этого предварительно
спеченного материала образцы диаметром 5 ,им и дли­
ной 149 мм, работающие на растяжение. Спекание об­
разцов производят следующим образом: образец за­
крепляют в головках из окиси алюминия с впаянной мо­
либденовой проволокой; конец одной проволоки фикси­
руется в торце печной трубы, другая проволока пропус-
22


кается через блок и к ней подвешивают груз, как пока­
зано на рис. 8.
Таким образом, во время спекания образец находит­
ся под действием растягивающего усилия. Были при­
I-!яты меры предосторожности для устранения влияния
f,,
теплового удлинения и пластической деформации образ­
ца и проволоки. Нагрузка на образец была относитель­
но невелика и мен_ялась от О до 25 Г/мм2 . Нагрев до
температуры спекания проводился равномерно со ско­
ростью 15°С в минуту; образцы спекались в течение 3 ч
в атмосфере . водорода при температурах 1000, 1200 и
1350°С.
2
з
Рис. 8. Экопериментальная установка Довила
и Рикса для спекания образцов при воздей­
ствии раСТRГИ13ЗЮЩего усилия:
! - испытуемый образец; 2 - печь: 3 - нагруз­
ка; 4 - динамометр
Опыты включали измерения плотности _и усадки по
длине и диаметру, которые оценивались 11 зависимо·~ти
от температуры спекания и приложенного растягиваю­
щего усилия. Результаты опытов приведены в табл. 7.
Испытания показали, что повышение ,растягивающей
нагрузки уменьшает усадку по длине образца, увеличи­
вает усадку по диаметру образца и почти не влияет на
объемную усадку и скорость уплотнения.
Эти выводы могут вызвать сомнение, так как не ис­
ключена , возможность удлинения образца при спекании
под действием нагрузки. Однако авторы · утверждают,
что результаты другой серии опытов четко. показывают, ·
что нагрузка слишком мала и не может вызвать удли­
нения, т. е. изменения размеров являются исключитель-
• но следствием линейных усадок. Уменьшение усадки по
длине и рост уса,,дки по диаметру в зависимости от рас-
23


rягивающей нагрузки не вызывали бы сомнения, если
бы изменение линейных усадок сопровождалось значи­
тельными изменениями объемной усадки; однако такого
явления практически не наблюдается.
Таблис1а '1'
Влияние температуры спекания и растягивающей нагрузки
на плотность и линейную усадку кобнльтовоrо образца
.
Изменение размеров, %
1
Температура Нагрузка,
Отношение Плотность,
по длине lпо диаметру
спекания,
Г/мм 2
а/Ь
г/см•
ос
(а)
(Ь)
1000
о
8,8
9
0,97
7,60
5
8,1
9
0,9
7,69
10
5,8
9
0,65
7,90
12,5
8,1
11
0,73
7,82
15
5,2
11
0,48
7,72
20
3,9
9
0,43
7,82
25
3,8
12
0,32
7,91
30
0,9
10
0,09
7,78
1200
о
21,2
21
1,01
8,56
2,5 18,7
23
0,82
8,49
7,5 15,8
24
0,66
8,43
12,5
12, 1
25
0,484
8,51
17,5
9,9
27
0,37
8,35
25
5,8
28
0,21
8,34
1350
о
21, 1
21
1,01
8,61
2,5 18,8
24
0,78
8,51
5
17,3
24
0,72
8,56
7,5 16
26
0,62
8,59
12,5 13,4
26
0,51
8,53
20
7,0
28
0,25
8,48
25
4,0
29
о, 14
8,45
Довил и Рикс приходят к выводу, что величины ли­
нейных усадок и их отношение не связаны однозначно
с объемной усадкой. Задержка линейной усадки в одном
направлении вызывает в виде ком пенсации рост усад­
ки в другом направлении, что почти не изменяет вели­
чину объемной усадки. Другими словами, линейные
усадки в этих опытах практически не зависят от объем­
ной усадки. Напряжения, приложенные во время спека­
ния, воздействуют на силы, вызывающие перемещение ма-
24
'-о-


териала, такнм образом, что возможно становится и з­
менение основного направления этого перемещения. По­
добный же пример приводится Ленелем и Хознером [4] ,
которые утверждают, что в некоторы х случаях гравита­
ционные силы определяют характер линейной усадки .
Циклическое спекание
Серия опытов по циклическому спеканию была про­
ведена [8] в 1951 г. с электролитическими железными по­
рошками дисперсностью -325 меш и чистотой 99,9%.
Порошки прессовали в цилиндрические образцы под
давлением 1,54, 3,08 или 6,16 - Т/см 2 и затем подвергали
спеканию в водороде в течение 2 ц при температуре 855,
955 или 1000°С .
Предполагалось, что любые нарушения в кристалли ­
ческой решетке частиц порошка могут увеличить их ре­
акционную способность и привести к увеличению скоро­
сти уплотнения и к более высокой плотности спеченного
изделия. Поэтому был поставлен следующий опыт: одна
партия прессованных образцов была спечена при вы ­
бранных температурах, поддерживаемых с большой точ­
ностью, а при спекании другой партии образцов темпе­
ратуру меняли через каждые 5 мин так, что отклонение
от вышеуказанных температур составляло ± 15°С. За
среднюю точку циклического спекания с отклоне­
нием ± 15°С была выбрана температура 905°С, т . е . тем­
пература . превращения а-фазы в у - фазу . Предполага-
_, , , лось, что такой способ циклического спекания особенно
при температуре фазового превращения приведет к уве­
личению реакционной способности и повышению плот­
ности 1 .
Никакого _увеличения плотности при циклическом спе­
кании не наблюдалось (табл. 8).
Однако во всех сериях опытов с увеличением давле­
ния прессования растет отношение линейной усадки не­
зависимо рт того, соответствовала ли температура спе ­
кания области существования а- или у-фазы , а также
и от способа спекания . Значительное изменение усадоч ­
ного отношения наблюдалось лишь в том сл у чае, коr:да
_
1 Р. С. Мин ц_ [9] получила значительное увеличение плотности
;Ц _ титановы х пр е ссованных .з аготовок при термоциклич еском спек а нии
..., ~ •' (3.27 г/см3 против 2,79 г/сл13 при р3отермическом спекании).
25


интервал изменения температуры при циклическом спе ­
кании соответствовал температуре а -у-превращения.
В этом случае усадочное отношею1е возрастает, при ч ем
это увеличение тем резче, чем выше давление прессова­
ния; для образцов, спрессованных под давлением
6, 16 Т/слt2 и подвергнутых циклическому спеканию при
тем п ературе фазового превращения, отношение линей ­
ных усадок составляет огромную величину - 17,0
(табл. 9).
Таблица 8
Плотност'> прессованных образцов из электролитического
железного порошка rюсле спекания различными способами, г/сл,t3
1Давление
прессова-
ния,
Т/см•
1,54
3,08
6, 16
Давление
прессова-
ния
Тfсм•
1,54
3,08
6, 16
Изотермическое спекание
Циклическое спекание ( ± 15°С)
при температуре, 0 С
при средней температуре, 0 С
855
1
955
1
1005
855
1
905
1
955
1
1005
5,48 5,42 5,40
5,48 5,42 5,41 5,42
6,33 6,24 6, 17
6,32 6,32 6,24 6,25
7, 14 7,00 7,00
7, 14 7, 12 7,00 7,02
Таблица 9
Отношение Jшнейных усадок брикетов
из электролитического железного порошка
после спекания различными способами
Изотермическое спекание
Циклическое спекание ( ± 15° С),
при температуре, 0 С
при средней температуре, 0 С
855
1
955
1
1005
855
1
905
1
955
1
1005
-
i',25
1, 18 0,75 1,00
1,80 1,37 1, 14
1,26 1,20 1,20
1,40 3,80 1,47 1,25
1,50 3, 10 2,89
1,67 17,00 2,50 3,32
Исследование микроструктуры образцов показало,
что размер зерна с ростом давления прессования и тем­
пературы спекания увеличивается незначительI;Iо. У об­
разцов же, подвергнутых прессованию под давлением
3, 08 и 6,16 Т/см2 и затем циклическому с п еканию при
темпе р атуре фазового превращения, наблюдается зна ч и ­
тельный рост зерна. Это представлено в табл. 1О.
26


Табл~ща J()
Средний размер зерна в образцах и1 электролитического
железного порошка после спекания различными способами
Давление
Изотермическое спекание
Циклическое спекание (±!5°С) ,
при т емпературе , 0 С
при средней температуре, 0 С
прессова-
ння
!1
'
1
1
!
Т/01•
855
955
1005
855
905
. 955
1005
1,54
24
34
33
24
29
26
29
3,08
27
39
35
24
42
40
34
6, 16
21
41
55
21
115
48
52
-
Эта серия экспериментов с точки зрения поставлен­
ной задачи - увеличить плотность методом цикличе­
ского спекания - окончилась неудачно . Однако эти
опыты указали на интересную связь между размером
зерна и отношением JIИнейных усадок и позволили сде­
лать предварительное заключение о целесообразности
исследования влияния границ зерна на направление пе­
ремещения материала, которое в конечном итоге опре­
дел,яет величину усадки по различн _ым направлениям в
образце.
Некоторые теоретические соображения
Влияние некоторых переменных технологических па ­
раметров на характер линейной усадки, описанное в
приведенных выше примерах, не всегда объяснимо;
ино гда кажется, что это влияние в различных сериях
опытов полностью противоположно . Ясно одно: практи­
чески все переменные величины в процессах порошковой
металлургии влияют на отношение линейных усадок, и
взаимодействия между некоторыми из переменных вели­
чин являются причиной сложного характера линейной
усадки .
Из описанных выше опытов можно с уверенностью
заключить, что при с.пекании осуществляется процесс
перемещения материала, причем процесс этот не хаоти­
чен, а имеет предпочтительную ориентацию, чем и обу 1
слов.ч.ены различиЯ: в линейной усадке.
Что же является причиной предпочтительного на­
правления перемещения материала? •


Ранее было указано, что в этих сериях эксперимен­
тов возможно действие четыре х ра з личных мех1анизмов
переноса материала : поверхностная диффузия, объем­
ная диффузия, диффузия по границам зерен и пласти ­
ческое течение .
Действие какого из этих механизмов при спекании
наиболее вероятно?
Известно, что диффузия атомов по поверхности имеет
большую скорость, чем диффузия через объем , кристал­
ла. Однако нужно уяснить, что поверхностная диффу­
зия, протекающая при спекании, хотя и способствует пе ­
реносу материала, но не приводит к уплотнению метал­
локерамического брикета. Благодаря поверхностной
диффузии происходит миграция вакансий и атомов по
поверхности порошковы х _ частиц , способствующая вы ­
равниванию градиента концентрации вакансий в массе
металлического порошка и сфероидизации пор.
Хотя миграция атомов по поверхности приводит к ро­
сту контактны х . участков между соседними частицами
порошка и к уменьшению поверхности стенок пqр, из­
менение формы пор не приводит к уменьшению их объ ­
ема и, следовательно, не способствует уплотнению и
объемной усадке.
Уменьшение общей поверхности пор при изменении
формы пор, сопровождающееся увеличением контактных
площадок между частицами порошка, увеличивает ве­
роятность объемной диффузии (называемой также диф­
фузией через решетку). Действительно, количество ма­
териала, перенесенное в результате объемной диффузии,
увеличивается по мере роста контактных площадок, что
и приводит к уплотнению материала .
Очевидно, что хотя · поверхностная диффузия непо­
средственно не приводит к уплотнению, она способствует
уплотнению, создавая предпосылки для увеличения ско­
рости переноса материа~ а посредством объемной диф­
фузии.
Диффузия по границам зерен (третий механизм пе ­
реноса материала) представляет в действительности бо­
лее быстро rrротекающий вариант объемной дuффузии.
Границы зерен являются наиболее доступным путем для
мигр ~щии вакансий и атомов из внутреннего объема
кристаллов к повер х ности, что впоследствии приводит к
закрытию пор. Ускорению диффузии по границам зерен
28


также способствует поверхностная диффузия, которая
вызывает увеличение контактных площадок между ча­
стицами.
Что касается пластического течения материала, то
Ван Бауэрен и Хорнстра [ 1О] считают возможным дей­
ствде механизма спекания, представляющего комбина ­
цию диффузии и пластического течения . Рассматривая
поглощение вакансий на границах зерна как один из ос­
новных механизмов спекания, авторы исследовали этот
процесс достаточно подробно. Роль отдельной границы
отдельного зерна как стока для вакансий тесно связан~
с ее структурой и подвижностью. Винтовая граница не
может служить абсорбером; симметричная граница мо­
жет поглощать вакансии, если два зерна, расположен­
ные по обе стороны от нее, движутся навстречу друг
другу, тогда как сама граница остается неподвижной.
Значительно более эффективными стоками являются
асимметричные границы зерен, они особенно активно
поглощают вакансии, когда два соседние зерна сколь·
зят одно вдоль другого, а сама граница принимает фор­
му кривой. Отношение эффективности поглощения ва-
1<ансий в случае сдвига и сжатия границы может при­
ближаться к 6; в первом случае сдвиг способствует за­
крытию пор, источников вакансий. Процесс спекания,
следовательно, можно рассматривать как комбц_нацию
диффузии и пластического течения. В таком случае вре­
мя, необходимое для спекания, должно быть пропорцио­
нально объему пор, а зависимость выдержка - темпе­
ратура должна иметь тот же характер, что и при само­
диффузии.
Количество материала, переносимого поверхностной
диффузией, увеличивается с ростом свободной поверх­
ности частиц, т. е. с уменьшением размера частицы и
снижением приложенного давления; количество мате­
риала, переносимого объемной диффузией, увеличивает­
_
ся с ростом объема (размера) частицы и напряжений,
возникающих внутри частицы. Кроме того, такой фак -
тор, как температура спекания, также определяет коли ­
чество материала, перемещаемого посредством поверх­
ностной или объемной диффузии, как это представлено
на рис. 9. При низких температурах доминирующим ме­
ханизмом переноса материала служит поверхностная
диффузия; с ростом температуры поверхностная диффу-
29


зия активируется. Однако при повышении температуры
свободная поверхность , через которую осуществляется
диффузия этого типа, будет сокращаться; одновременно
возникают условия, способствующие увеличению коли­
/
2/
'у
Тi
Температура спекониfl
чества материала, переноси­
мого поср,едством объемной
диффузии.
Как бы не были спра­
ведливы высказанные здесь
соображения о вJi ия1нии на- .
чалы-юго переноса вещества
через поверхностную диф­
фузию на последующее раз­
витпе объемной диффузии и
диффузии по границам зе­
рен, они не могут непосред­
стненно объяснить 1на пра11-
Рн с . 9. Механизм процесса спе- леННЫЙ перенос вещества, В
кания в ЗЗВИ·СИМОСТН от темпе-
ратуры :
результате которого линеir-
1 - поверхностная
диффузия;
2 - объемна я д иффузия
ная усадка при спекании~
раз ли чных направлениях не-
одинакова .
Следует помнить , что все примеры , приведенные вы ­
ше, касаются металлических порошков, спрессованных
под давлением, а это существенно меняет х арактеристи­
ки частиц порошка. Приложение давления и деформа ­
ция частиц служат причиной появления структурно~"!
ориентировки в порошковом теле . Эта ориентировка мо­
жет иметь различный характер:
1. Ориентировка поверхностей частиц, которая обя ­
зательно приводит к возникновению направленного по -'
тока материала при поверхностной диффузии.
2. Ориентировка пор между частицами и внутри ча­
стиц, что также способствует направленной пове_рхност-
ной диффузии .
'
3. Ориентировка зерен и границ зерен внутри частиц
вследствие пластической деформации частиц, что приво­
дит к направленному перемещению материала посред­
ством диффузии по границам зерен.
4. Ориентировка зародышевых центров рекристалли­
зации, которая определяет структуру зерна после ре ­
кристаллизации и дает в результате ориентированные
зерна.
30


5. Ориентировка напряжениt1 внутри отдельных ча­
стиц порошка и внутри массы металлического порошка
в прессованном · брикете, что ориентирует перемещение
материала ~ посред:ством вязкого течения в том случае,
~
если в процессе спекания этот механизм переноса ма­
териала будет иметь место.
Следует отметить, что относительное количес1:во ма­
териала, перенесенное поверхностной и объемной диф­
фузией, зависит в большой степени от дисперсности по­
рошка: в образцах из тонких порошков с сильно разви­
той поверхностью количество вещества, перенесенного
поверхностной диффузией, будет больше, чем в образ­
цах из грубых порошков. Кроме того, следует отметить,
что существенное влияние на диффузию по границам
зерен оказывает размер зерна и общая длина его гра­
ниц внутри частицы, что в свою очередь определяется
методом получения порошка. Не менее значительную
роль играет также тип и концентрация дефектов, на­
пример вакансий внутри частиц. На рис . 10 схематиче­
ски показаны четыре частицы порошка в состоянии сво­
бодной насыпки или спрессованные под различным дав­
лением. Чем выше давление, тем меньше свободная по­
верхность, где возможна поверхностная диффузия; од­
новременно возрастают напряжения и увеличивается от ­
ношение линейных у,садок.
а
,,,---
-- ......
(
у
1
1
1
1
\
J.
}
"";)--◄ '>-<
(
у
'
1
1
1
'.....
__ }~--'
б.
--у--
(~]
'::.с --:=-,-~
,,
у
... ,
\
1
j
___ ,,,,..... __
6
г
Рис . 10. Схемы у,плотнения при прессовании порошков:
а - порошок в состоянии свободной на,сыпки (напряжения в
брwкете минимальны, общий объем пор максимален, анизотро­
пия линейной усадки · невелика); 6 - ·брикет, прессованный п.од
малым давлен.нем (увелнч,иваются напряжения в бри•кете и
ани·зо,;ропия усадки, объем пор достаточно высок); в - брикет,
прессованный под средним давлением (высокие напряжения в
брикете, средний объем пор, дальнейшее у,величение анизотро­
пии усадки); г - брикет, ,прессованный под высоким давлен н­
ем (максимальные на•nряжения и мини,мальный объем пор, вы-
сокая анизотропия усадки)
На рис . 11 представлена схема перемещения мате­
риала под воздействием р~зличных механизмов спека-
1шя. Здесь также изображены четыре деформирован-
31


ные частицы порошка с ориентированной пустотой (по-
1
рой) между ними. Стрелки указывают направления по­
верхностной и объемной диффузий, а также и основное
направление диффузии по границам зерен. В показан-
ных условиях изменение формы поры за счет поверх-
~
ностной диффузии происходит в радиальном напранле-
нии быстрее, чем в аксиальном, и поэтому контактные
площадки между частицами растут в первую очередь в
радиальном направлении; следовательно, преимущест -
венное развитие объемной диффузии должно быть в ак­
сиальном направлении . Радиальная ориентировка гра-
ниц зерен действует противоположно, способствуя боль-
шему переносу вещества в радиальном направлении.
!j~ 1----
2---
~ .,g
3-·-
~~
~ с.:,
tj
ss_
::i::
<::::
--
----
Nj
--
--. ...
+•i
+••
•++
ttt
-----
-------
Рис . 11. Схема переноса веще.ства в про-
цессе спекания:
/ - направление поверхностной диффузии;
2 - направление объемной диффузии; 3 -
направление диффузии по границам зерен
Следовательно, перемещение материала посредством
объемной диффузии происходит в направлении, проти­
воположном перемещению за счет диффузии по грани­
цам зерен.
В массе свободно насыпанного порошка вследствие
большой свободной поверхности усадочное отношение
обычно минимально. В начальной стадии спекания тон­
ких порошков мелкие поры между частицами закрыва­
ются быстрее и соответственно быстрее сокращается
32


:!
•
"'
, площадь свободной поверхности, чем в брикетах из бо­
ле крупного порошка. Это служит причиной тому, что
прессовки из крупного порошка имеют меньшее усадоч­
ное отношение, чем брикеты из тонкого порошка.
В массе порошка, спрессованного под давлением,
свободная поверхность сокращается с увеличением при­
ложенного давления, особенно при прессовании крупно­
го порошка . Поверхность . частиц приобретает преиму­
щественную ориентиров-ку, также как границы зерен
внутри частиц и поры между частицами. В этом случае,
отношение линейных усадок значительно больше, чем ·
в массе свободно насыпанного порошка.
Характер изменения усадочного отношения с темпе­
ратурой спекания зависит от того, какой механизм спе­
кания в данных условиях доминирует: при низких тем­
пературах усадочное отношение обычно меньше, что мо­
жет рассматриваться как следствие влияния значитель­
ной свободной поверхности; при повышении температу­
ры усадочное отношение увеличивается, _так как ре­
кристаллизация приводит к возникновению резко ориен­
тированной структуры . Для свободно насыпанных по­
рошков или порошков, спрессованных при небольшом
усилии, имеющих развитую свободную пщ1ерхность и
незначительную ориентацию поверхности частиц и гра­
ниц зерен, усадочное отношение с увеличением темпера­
туры может расти.
*
*
*
1. Сложный механизм переноса вещества в процессе
спекания характеризуется не только количеством пере­
мещенного материала, но также и преимущественным
направлением этого переноса, на что указывает различ­
ная по величине линейная усадка в разных направле­
ниях в обра;ще.
2. Поверхностная диффузия как механизм переноса
материала при спекании не приводит непосредственно к
объемной усадке и к уплотнению, однако служит фак­
тором, интенсифицирующим объемную диффузию, вяз-
•кое течение или любой другой механизм спекания, вызы­
вающий усадку и уплотнение.
2 Зак, 619
33


3. Ориентировка поверхности час:тиц и пор приводит
к направленному перемещению материала посредством
поверхностной диффузии и, следовательно, также опре­
деляет направленность перемещения материала под
воздействием других механизмов.
4. Ориентировка границ зерна, вызванная деформа­
цией частиц, также приводит к направленному переме­
щению материала при диффузии по границам зерен.
5. Характер линейной усадки косвенно зщшсит от на­
правленности поверхностной диффузии и непосредствен •
но зависит от направленности диффузии по границам
~ерен.
Для металлокерамического производства необходи­
мо знать факторы, определяющие характер линейной
усадки, с тем чтобы соответствующим изменением их
можно бьrло создать благоприятные условия для равно ­
мерной усадки.
. • 7. С изучением вторичной характеристики переноса
вещества, а именно преимущественной направленности
перемещения материала, можно получить более глубо­
кое понимание процесса спекания. Этому должна спо­
собствовать постановка тщательно спланированных экс­
периментов, которые позволяют определить параметры,
регулирующие изменение линейных усадок.
ЛИТЕРАТУРА
1. LеаdЬеаtеr С. J. а. о. In «Symposium оп Powder Matallurgy».
Iron and Stee\ Inst., L., 1947, rep. No 38, р. 15.
•
2. Roman О. V., Hausner Н. Н. J. Japan Soc. of Powder Me-
tallurgy, 1962, v. 9, р. 228.
3.RоmаnО.V"Наusnеr Н.Н.MetalProgr., 1963, v.
.
83, р.
104.
4. Lеnе1 F. V. а. о. Powder Metallurgy, 1961, No 8, р. 25.
5. Poster А. R., Waldo' С. Т., Hausner Н. Н. In «Proc.
·
16-th Ann. Meeting MPIF». MPIF, N. У., 1960, р. 56.
6. Vаn Вurеn С. Е.,Нirsсh Н.Н. In «Powder Metallurgy».
I11tersci. РuЫ., N . У., 1961, р. 403.
7. Dawihl W., Rix W. Z . Metallkunde, 1949, Bd 40•, S. 115.
8. На u s пе r Н . Н. In «Proc. Internat. Symposium on the Reactivity
$
of Solids». Gothenburg, 1952, р. 1057.
9. Минц Р. С. ЖНХ, 1960, т. 5, с. 437.
10. Van Bueren Н. G., Hornstra J. In «Proc. 4 -th Internat.
Symposium on the Reactivity of Solids». Amsterdam, 1960, р. 112. ~
34


Р. Л . Петтибоун
(R . L. Pettibone1 )
ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ ЖЕЛЕЗО - МЕДЬ МЕТОДОМ
ПРОПИТКИ И СВОЙСТВА ПРОПИТАННЫХ
ИЗДЕЛИЙ
Еще в 1916 г. С . Л . Гебауэр предложил способ про­
питки металлокерамических железных изделий2 , но
проблемы, которые он встретил в своей работе, и · уро­
вень развития науки в то время затруднили разработ-
, ку процесса.
•
Лишь в 1943 г. Р. Р . _ Борн - сотрудник фирмы Ge-
neral Motors Corp . решил проблему эрозии 3 ; вслед _за
этим началась разработка производственного процёсса
пропитки.
.
Широкое исследование процесса пропитки с целью
его промышленного применения начала фирма American
Electro Metal Corp. под руководством доктора Пауля
Шварцкопфа . В одной из лабораторий этой фирмы
;:юд руководством доктора Клауса Гетцеля был разра­
ботан и нашел промышленное применение пропитываю­
щий сплав состава: 90% Cu+5% Fe+5% Mn. Несмотря
на многочисленные последующие исследования и разра­
ботки, именно этот сплав и метод пропитки Гетцеля
· применяются
в промышленности и сегодня.
Непосредственным продолжением работ фирмы
Electro Metal Corp . служит обширная программа ис­
следований процесса пропитки, осуществленная фирмой
Thompson Products Corp.,
применительно к производ­
ству турбинных лопаток для газовых турбинных двига ~
телей. Было изготовлено около сорока миллионов штук
турбинных лопаток, работающих в условия х высоких
на г рузок и по качеству не уступающи х лопаткам из не,
ржавеющей стали . Процесс был так хорошо отработан',
что качество продукции удовлетворяло требованиям
1 Lane Engineering Services, Inc . , Coldwater , Michigan .
2 Патенты (США) No 1246192 , 1342801, 1395269, 1916 ,
3 Патент (США) No 2401221, 1943.
2• Зак. 619
35


такой ответственной области применения, как авиа-
строение.
!-
Вероятно, на данном этапе производство пропитан­
ных металлокерамических изделий достигло своего наи­
высшего технического уровня. Технические требования
предусматривают минимальную плотность 7,92 гjcJrt3 ,
производство же в среднем дает плотность 7,95 г/см 3 .
Это одно из немногих порошковых производств, в кото­
рых плотность изделий приближается к теоР,етической.
После завершения программы работ по производст­
ву турбинных лопаток был освоен процесс пропиткй
порошковых м·атериалов
г.>
медью; этот процесс в том
Рис. 1. Муфта центрифуги:
центральная втулка (метал ,10 -
кера.мика, •пропитанная м"дыо)
соединена с фланцами из хо­
лодн,окатаной стали точечной
сваркой
же виде используется в
настоящее время. Техни­
ческие условия на мате­
риал этого типа требуют
минимальной плотности
7,1 г/с.113, так что свойст­
ва его много хуже свойств
полностью пропитанных
издеJIИЙ. Однако даж,е об­
ладая пониженными свой­
ства.ин,
пропитанные
медью железные и желе­
зографитовые материалы
1нахолят сотни новых об­
ластей применения, где
обычные мета.тлокерамт!­
ческие изделия не удов­
летворяют
предъявляе­
мым требованиям.
Потребление прош,r.
танных материалов достигло тан:ого уровня, что многие
предприятия -- поставщики металлокерамических изде­
лий ввели эти материалы в . свою постоянную номенкла­
туру.
Это показывает, что процесс пропитки металлокера­
мических материалов медью признается способом мас­
совqго производства. В качестве примера на рис. 1 по­
казана деталь (муфта) центрифуг:и мощностью 4 л. с.
Ежегодный: выпуск деталей этого типа составляет
50 млн. шт.
36


Металлургия пропитки медью
Конструкционные порошковые материалы должны
обладать высокими физическими свойствами , сравнимы­
ми со свойствами обычных конструкционных металли­
ческих материалов. В настоящее время нет металлоке­
рамических изделий, которые могли бы конкурировать
с материалами, пропитанными медью . К сожалению,.
сам процесс пропитки исследован недостаточно, и воз ­
можности его недооцениваются .
Довольно хорошо известно, что для изготовления
конструкционных деталей пригоден широкий круг мате ­
риалов, применение которых ограничивается вследствие
остаточной пористости в этих материалах. Работы, про ­
водимые в настоящее время для получения порошковых
изделий с высокой плотностью, подтверждают это. В
ходе работ выяснилось, что плотность нельзя увеличить
выше некоторого предела, причем остаточная пористость
имеет несомненно вредное влияние на свойства мате- .
риала.
Способы достижения полной теоретической плотно­
сти путем повторного прессования и спекания скоро
утратят свое значение в порошковой металлургии. Го­
раздо легче можно достигнуть теоретической плотности,
црименяя метод пропитки; при этом потребности в прес­
совом оборудовании и в другой оснастке сокращаются,
а металлургические возможности образования новых
интересных сплавов с лучшими свойствами значительно
возрастают.
Если признать процесс _ пропитки металлургически
приемлемым методом получения изделий с теоретиче ­
ской плотностью, то выявится неограниченная возмож­
ность использования пропитываемы х материалов .
Введение в изделие небольших количеств меди не
всегда приводит к упрочнению . Реальные процессы,
• протекающие при прщ:штке изделия
медью, выяснены
далеко не ' полностью. Очевидно одно, изделие в резульt
тате пропитки становится прочнее и удовлетворяет тре ­
бованиям потребителей.
Однако некоторые данные исследовательских работ,
посвященных изучению проблем проп итки , уже опубли­
кованы. Не вызывает сомнения, что ж идкая фа з а, об ­
разующаяся в процессе пропитки, представляет собой
37


сплав Fe-Cu, а при наличии углерода образуется сплав
-
системы Fe-Cu-C.
При пропитке железной основы чистой медью обыч ­
но наблюдается эрозия . Использование в качестве про ­
питываrощ11 х материалов медных
сплавов успешно
предотвращает эрозию, поэтому можно предположить,
что при _пропитке •чистой медью образование такого
сплава происходит до начала пропитки.
Путем термообработки свойства пропитывающего .
сплава могут быть улучшены, причем различие в свой­
ствах при изменении условий нагрева может достигать
50%.
Особенности образования сплавов системьi Fe-Cu
или Fe-Cu-C можно увидеть под микроскопом. Также
можно наблюдать и оценить изменение свойств сплавов
в результате термообработки .
В производственных процессах пропитывающими ма­
териалами служат обычно медь и латунь, хотя латунь
из-за присутствия цинка употребляется реже меди: цинк
ухудшает физические свойства и приводит к хрупкости.
Латунь используется для предотвращения эрозии, но
окончательные физические свойства становятся хуже.
Для предотвращения эрозии применяется также сплав
системы Cu-Fe-Mn, причем марганец не оказывает
вредного влияния на свойства материала. Введение же­
леза в пропитывающий сплав препятствует растворению
основы в жидкой фазе, но не изменяет свойств конечно­
го изделия. ·
При соответствующей термообработке фаза Fe-Ctt
или Fe-Cu-C ра,вномерно располагается по границам
зерен. Эти сегрегированные участки можно легко уви­
деть в пропитанном изделии.
Микротвердость фазы Fe-Cu-C после специальной
термообработки оказалась выше, чем твердость карбида
кремния.
Порошковая металлургия имеет возможность обо ­
сновать преимущества процесса пропитки с точки зр.е­
ния металлургической теории. Этот же процесс необхо­
димо рассматривать, сравнивая свойства пр_опитывае­
мых изделий и обычных порошковых материалов. Но­
вые пропитывающие ~ сплавы для железной и железо-
' графитовой
основы могут ·открыть совершенно новь1е
ттерспек:гивы развюия порошковой металлургии.
38
.,.


..
Фазовый состав
Процесс пропитюr медью железной и железографи­
rовой основы теоретически лимитируется минимальной
плотностью, при ко_rорой основа сохраняет достаточную
механическую прочность, и максимальной плотностью,
при которой еще существуют сообщающиеся поры. Тща­
тельные исследования многочисленных комбинаций по­
казали, что наименьшее возможное содержание железа
в пропитанном материале может составлять 75% (т. е.
25% Cu), а верхняя граница концентрации желез:1 сG­
ответст~ует 8~5% (15% Cu); при более высокой концен­
трации железа в основе нарушается связь между пора­
ми, необходимая для максимальной пропитки.
Дальнейшие исследования материалов с промежуточ­
ным составом по отношению к этим предельным компо­
зициям, а также материалов с добавкой 1% углерода
показали, что эти материалы не обладают какими-ли­
бо уникальными свойствами, отличающими их от экстре­
мальных композиций состава: 75% Fe + 25% Cu и
85% Fe + 15% Си или тех же композиций с добавкой
1%С..
•
Практически и эти четыре материала имеют сходные
свойства, так что композиция состава 85% Fe+ 15% Cu
без добавки углерода обычно не используется.
Три остальных материала обладают уникальными
свойствами. Они делятся на три типа :
I- 75%Fe+25%Си;
II- 74%Fe+25%Cu+1%С(О,7%Ссвя3);
III- 84%Fe+15%Cu+1%С(О,7%Ссвя3).
Реальные физические и электрические свойства этил
материалов зависят от многих внешних переменных па­
раметров. Например, установJ1ено, что значительное
различие в пределе прочности при растяжении и в удли­
нении зависит от марки железного порошка, и:спользуе ­
мого для црессования основы. Фактически условия в пе­
чи во в)емя цикла пропитки непосредственно влияют на
воспроизводимость свойств материалов .
Термообработкой изделий , пропитанных медью, мож­
но значительно улучшить их свойства, в _частности,
удается достигнуть высокой однородности свойств и тем
самым свести к минимуму различия, обусловленные
39


применением различных сортов железного порошка. По­
вышение свойств в изделиях может составить до 100%.
Сплав железа с медью относится к классу диспер­
сионно твердеющих сплавов.
Добавка углерода дает возмо:щ_ность получить сталь-
ную основу, которую подвергают термообработке для
~
• реализации преимуществ, которые
обеспечивают при­
сутствие углерода. Этот сплав также восприимчив к
дисперсному твердению.
Перспективы использования железных изделий, про­
питанных медью, ясно намечаются: получение этих из­
делий - путь для создания порошковых материалов,
обладающих максимальными свойствами.
Химический состав
Все три типа химических композиций имеют конеч ­
нv'ю плотность, равную теор~тической плотности. Нуж­
!-':О помнить, что следовало бы произвести корректиров­
ку не только с учетом растворимости между железом и
углеродом, что выполнено по литературным данным, но
и по растворимости между железом и медью; однако
_ завис имость
плотности от растворимости железа в ме­
ди отсутствует и поэтому расчет выполнен только на ос­
новании процентного состава. Исходные компоненты
имеют следующую теоретическую плотность, г/с.м3 :
Железо .....
Сталь (О, 7 % Ссаяз)
Медь ..... .
7,87
7,83
8,96
Тогда плотность трех типов композиций вышеуказан­
ных составов, вычисленная по правилу аддитивности, со ­
ставит, г/см3 :
I
II
III
8, 1350
8, 1120
7,9995
• Используя данную систему
расчета и зная оконча­
тельный объем изделия, можно рассчитать массу осно ­
вы. Вычисление теоретического объема может быть -про­
ведено математически, исходя из чертежа детали, а фак ­
тические плотности определяются на готовом изделии.
Конечный состав изделий, полностью пропитанных
до теоретической плотности, должен быть постоянным
40


..
для каждой из трех композиций. К сожалению, в реаль­
ных условиях полная пропитка почти неосуществима и
промышленные изделия обычно имеют плотность ниже
теоретической.
Плотность 7,1 г/см 3 принята в качестве минимально­
го допустимого предела .
Если считать величину 8, 1 г/см3 средней теоретиче ­
ской плотностью, то практическая велцчина меньше на
1,0 г/см3 , что составляет 12%. Поскольку плотность ос­
новы является величиной фиксированной, а объем изде­
лия должен соответствовать заданному, то уменьшение
плотности на 12% может быть только следствием порис­
тости, т. е. снижением содержания меди . Фактический:
состав отличается от теоретического:
1- 75%Fe+13%Cu;
Il-74% Fe + 13% Cu + 1% С (0,7% Ссвя3);
III- 84%Fe+3%Cu+1%С(О,7%Ссвя3).
Обычно · в производстве плотность изделий выше ми­
нимальной (7,1 г/см3 ) и составляет 7,3-7,5 г/см 3. Это
означает , что конечное содержание меди в изделии при­
ближается к теоретической величине, а остаточная по ­
ристость незначительна .
Условия пропитки
Свойства всех трех композиций (I, П и III) сущест ­
венно зависят от условий нагрева при пропитке . Кроме
того, чтобы обеспечить оптимальные свойства, конечная
плотность изделия после пропитки должна составлять
не менее 7,8 г/см3 . Для получения однородных и вос­
производимых результатов процесс пропитки необходи­
мо тщательно контролировать. Следующие ,_параметры
определяют свойства композиций :
1) температура пропитки ;
2) выдержка при температуре пропитки;
3) скорость -нагрева до температуры пропитки;
4) скоррсть охлаждения от температуры пропитки;
5) защитная атмосфера в · печи ;
6) расход защитного газа в печи .
Наилучшие результаты по полноте пропитки обеспе­
чивает печь с двумя высокотемrrературными зонами и
одной зоной предварительного нагрева. ·желательно,
чтобы длина зоны предварительного нагрева составля­
ла, по крайней -мере, половину общей длины двух вы-
)
41


сокотемпературных зон, температура в зоне предвари­
тельного нагрева составляет обычно приблизительно
550°С . Первая высокотемпературная зона должна быть
вдвое короче второй зоны, в которой и осуществляется
пропитка . Температуру в зоне пропитки необходимо
строго регулировать в пределах 1120-1130°С. Выдерж­
ка в зоне предварительного нагрева и в первой высоко­
температурной зоне должна быть достаточна для пол-
. ного
удаления всех смазочных веществ как с каркаса, .
так и с пропитывающего материала; и каркас, и пропи­
тывающий брикет нагреваются при этом до температу­
ры, близкой к точке плавления меди ( 1083°С). Выдерж­
ка деталей во второй высокотемпературной зоне долж­
на обеспечить полноту пропиткi Для этого необходима
дегазация каркаса и пропитывающего сплава до рас­
плавления пропитывающего брикета : Пос:ле выхода из
зоны пропитки детали поступают в зону выдержки, ко­
торая имеет, по крайней мере, такую же длину, что и
высокотемпературная зона. Холодильник, который сле­
дует за зоной выдержки, должен быть достаточно дли­
нен, чтобы выгрузка изделий на выходном конце могла
производиться вручную. Зона выдержки не нагревается,
но требует хорошей изоляции, способной предотвратить
быстрое охлаждение при переходе изделия из высоко­
температурной зоны в водоохлаждаемый холодильник.
В качестве защитной атмосферы при медной пропит-
1<е железных материалов, не . содержащих углерода,
можно применять экзотермический генераторный газ
или диссоциированный аммиак.
В обоих случаях создается слабо восстановительная
атмосфера, потенциал которой, однако, недостаточен
для того, чтобы предотвратить окисление марганца, при­
сутствующего в пропитываемой основе. Если в желез­
ном каркасе содержится углерод, требуется эндотерми­
ч.еский генераторный газ. Подача газа и воздуха в гене­
ратор должна производиться в оптимальном соотноше­
нии, с тем чтобы обеспечить значение углеродного по­
тенциала в печной атмосфере, необходимое для получе­
ния желательного содержания связанного углерода.
Чрезвычайно важно, чтобы поток газа полностью
вытеснял воздух из печи как на входе, так и на выходе.
Входящий газовый поток должен циркулировать таким
образом, чтобы большая часть (около 75%) его двига-
42


лась по направлению i< входной зоне и выходила чере з·
нее; остальная часть га з ового потока вы х одит чере з хо-
'
лодильник и защищает от окисления изделия, находя -
щиеся в зоне охлаждения. На обоих выходах газового
потока поджигают факелы .
Изделия, пропитываемые в таких условиях , имеют
обычно плотность не менее 7,8 г/см3 . Количество пропи­
тывающего маrериала необходимо регулировать, чтобы
плотность пропитываемого материала достигла требуе­
мой величины.
Избыток пропитывающего материала легко удаляет­
ся вручную, что достигается соответствующим выбором
защитной атмосферы.
Физu-ческие свойства
Если режим пропитки отработан так, что результа­
ты от одного цикла пропитки к другому достаточно вос­
производимы и плотность материала составляет не ме­
нее 7,8 г/в-м3 , то физические свойства материала обычно
соответствуют значениям, указанным в табл. 1.
Применение пропитывающего сплава вместо чистой
меди не снижает физических свойств мат~риала; если
же производится дополнительная термообработка, то
введение марганца в изделие оказывает б_,!!агоприятное
действие.
Сравнивая цифры в табл. 1, можно видеть, что все
три композиции имеют примерно равные свойства. Если
отсутствуют какие-либо специальные требования к
свойствам материала и нет необходимости в последую­
щей термообработке, композиция III обычно не изго­
тавливается, так как весь диапазон свойств можно по­
лучить на композициях I и II.
Измерение остаточной пористости после пропитки
указывает, что при плотности порядка 7,8 г/см3 качест­
во изделия не связано с пористостью . Однако если' из­
.делие имеет меньшуrо плотность (~7,1 г/см3 ) , необхо­
димо произ;водить определение пористости, так как в
этом случае плотность не может служить единствен ­
ным критерием качества изделия или полноты пропит­
ки. Пористость в изделиях с такой плотностью достига•
ет 12 %, поэтому пропитка по • объему изделия может
быть неоднородной, а в изделиях сложной конфигура­
ции образуются целые участки, не пропитанные медью .
43


Проверка спеченных изделий до пропитки показала, что
весьма важную роль играет неоднородная плотность ос­
новы. Объемы с плотностью, превышающей заданную,
обладают лучшими капиллярными свойствами и погло­
щают большую часть меди. Объемы с более низкой
плотностью пропитываются недостаточно полно, обра­
зуя в структуре слабые участки; в целом физические
свойства пропитанного изделия остаются на том же
уровне, что и свойства непропитанной дета.71~и такой же
плотности.
Таблица 1
Физические свойства пропитаиных железомедных материалов
~ Предел про~-
CQ
·
QJ
---.
ности,
С;'
~
,,:
"'
кГ/мм•
,:, "'
<-,
:i::
:>,
~
~
~с.:.
Состав компози-
.,;
.о
"'
ций, %
:~
...
.. ..
•"'
"" "'
<)
<)
.;
g
при
о
"
"'
"' ..
при
~
"'
"'
"'.
"'"'
....
сжатии растя-
о.
....
"'
,,,.о
\О~
о
"
"'
,,:
"' ....
Оо
,,:
женин
"'
;,;
~
~<)
1::( о.
~
1-<
u
;,,
;,, ~
Пропитка сплавом 90% Си + 5% Fe + 5% Mg
75Fe+25Cu
-
8,02 37,24 47,8 74 13,0 8,0 0,690
0,25 7,94 46,9 58,5 78 6,3 5,0 0,276
0,50 7,89 51,2 65,7 87 5,2 4,0 0,207
0,75 7,90 51 ,9 72,8 90 5,0 4,0 о, 166
1,00 7,96 51 ,3 73,5 93 4,8 4,0 о, 138
85Fe+15Cu
-
7,90 49,0 52,5 82 5,5 5,0 0,442
0,25 7,89 52,5 67,4 86 5,0 6,0 0,304
0,50 7,87 57,4 72,8 100 5, 1 4,0 о, 179
0,75 7,91 61 ,6 79,8 102 4;0 4,0 о, 179
1,00 7,93 74,9 85,4 110 1,0 2,0 о, 138
Пропитка чистой медью
75Fe+25Cu1 -
, 8,10140,6151,1 1 78
1
4,5 1 6,0
1
0,565
75 Fe-25 Cu 1,00 8,07 48,4 61,5 100 4,0 2,5 о, 138
85 Fe + 15 Cu 1 1,0017,93174,8 1 84,81110 / 2,0 1 1, 1 1 0,083
Повторные эксперименты по пропитке изделий с
плотностью 7,1 г/см3 подтвердили, что с понижением
плотности физические свойства материала ухудшаются
44
~


..
Это относится не только к прочностным характеристи­
кам, но также и к характеристикам пластичности мате ­
р11,ала. Сравнением этих результатов установлено, что
снижение плотности при однородной пропитке и паде ­
ние физических свойств связано линейной зависимо­
стью, причем уменьшение плотности на 1% эквивалент­
но падению прочнос-'Ги на 1,4 кГ/мм2 . При неоднородной
пропитке эта зависимость выражена еще более резко,
что обусловлено наличием остаточной пористости.
Термообработка
Исследование различных режимов термообработки
для композиции II показало, что повышение свойств в
результате любого вида термообработки достигает мак­
симума в том случае, когда в качестве первой стадии
термообработки проводится нормализация. Изделия ре­
комендуется нагревать до 980°С в нейтральной защит­
ной атмосфере и выдерживать при этой температуре в
течение 1 Ч; затем охлажденные В !1еЧИ ДО 205°С изделия
выгружаются из печи. При нагреве изделий до 845°С с
последующей быстрой закалкой в воду или масло мож­
но получить материал с максимальным пределом проч­
ности, так как в этом случае происходит перлитно-мар­
тенситное превращение. Закалка в воду с перемешива­
нием дает лучшие результаты, чем закалка в масло, од ­
нако при обработке изделий сложной формы часто на­
блюдается растрескивание. Быстрая закалка в масло с
перемешиванием, хотя и приводит к получению более
низких прочностных свойств, предотвращает растрес­
кивание .
В том случае, когда изменением режима закалки ра ­
стрескивание не удается устранить, часто решает проб­
лему изменение сорта железного порошка.
После любой закалочной операции целесообразно
подвергатн все изделия отпуску при 205°С в течение 1 ч .
Отпуск существенно не влияет ни на прочность, ни на
твердость материала : при температуре закалки 815°С
наблюдается сн.ижение твердости Н R в на 24 единицы,
при темп_ературе закалки 870°С - только на 10 единиц.
Падение твердости при температурах закалки 830 и
860°С также незначительно .
45


По мере снижения содержаюiя углерода в основе
температура закалки, необходимая для получения мак­
симума прочностных свойств, увеличивается. При до­
бавке 0,5 и 0,75% С температура закалки определяется
в 870°С, при 0,25% С 895°С. Полагают, что при малом
содержании углерода свойства материала в большей
степени определяются образованием железомедного
сплава.
Наилучшие прочностные свойства в безуr4еродистых
сплавах получают закалкой ·с температуры 895°С в воду •
или быстрой закалкой в масло.
Продолжительность выдержки при нагреве под за­
калку или при нормализации свыше 1 ч не влияет на
свойства материаJiа.
Замеры твердости по Роквеллу (шкала В) более на­
дежны и более 1 однородны, чем замеры с более легкой
нагрузкой.
Твердосплавный шарик работает вполне удовлетво­
рительно и не повреждается при повторных измерениях.
Подбор режимов термообработки для композиции
III показал, что более высокая концентрация железа
имеет определенное влияние на свойства. Так же, как и
для композиции II, нормализация перед любой упроч­
няющей термообработкой заметно улучшает свойства;
для нормализации может использоваться такой же ре­
жим, как и для композиции II. Оптимальная температура
нагрева под закалку для композиции III 790°С; з~кал­
ка в воду или быстрая закалка в масло дают одинако­
вые результаты. Затем необходима операция отпуска,
однако температура отпуска для композиции III не­
сколько ниже (165°С); при бол~е высоких температурах
наблюдается уменьшение закалочной твердости. Если
нагрев под закалку производится до температур свы­
ше 790°С, изменения твердости не наблюдается; при
щ1греве до 760°С падение твердости достигает 12 еди­
ниц. Уменьшение содержания углерода влияет на свой­
ства композиции III так же, как и на свойства компози­
ции II. Так, при введении 0,75 % С оптимальная темпе- ,
ратура нагрева под закалку составляет 815°С, при вве­
дении 0,5% С она возрастает до 845°С, 0,25% С - до
870°С (при отсутствии углерода - также 870°С). Вы­
держка в печи для нагрева до температуры закалки для
обеих композиций одинакова; так же наилучшую ин-
46


формацию о качестве закалки дает измерение твердо­
сти по Роквеллу (шкала В) .
Значения твердости и плотности композиций II и III
в закаленном состоянии указаны в табл . 2.
Таб_лuца 2
Некоторые физические свойст11а композиций
11 и 111 после зака.1ки
•
Состав компози -
До6авка
Оптимальная
Твердость
Плотность
ций, %
углерода
температура
HR.B
г/см3
%
закалки, 0 С
. 75 .Fe-25 Cu
-
895
85 .. 8,05
0,25
895
100
1·,97
0,50
870
110
7,93
0,75
870
108
7,99
'l ,00
845
112
8,00
85 Fe-15 Cu
-
870
90
7,97
0,25
870
93
7,96
0,50
845
116
7,96
0,75
815
114
7,93
1,00
790
120
7,95
Из сравнения свойств композиций II и III можно ви­
деть, что использование композиций целесообразно
лишь в тех случаях, когда qсобые требования предъяв­
ляются к прочности материала; что касается остальных
характеристик, то весь необходимый диапазон свойств
можно получить и на композиции 11.
Таким образом, композиция 111 с содержанием угле­
рода менее 1%, эквивалентная композиции 11 , поэтому
необходимость создания основы с 85 %- ной плотностью
часто отпадает. Однако если требуется материал с мак­
симальной износоустойчивостью и прочностью, приме-
няется композиция III.
•
Металлическая , структура композиций II и III н~пос -
• редственно1 после пропитки неоднородна по всему объ­
ему детали, поэтому при эксплуатации деталь может
преждевременно разрушиться вследствие усталости . Ус­
тойчивость против усталости возрастает, если изделия
подвергаются нормализации и затем обрабатываются
специально для получения необходимых эксплуатацион ·
I-IЫX СВОЙСТВ ,
47


В производственных условиях маловероятно, чтобы j
удалось стабилизировать все параметры, влияющие на
свойства материала, до такой степени , когда структура
материала в каждой партии будет абсолютно однород-
на. Упрочнение изделий непосредственно после опера-
&
ции пропитки не изменяет металлической структуры,
хотя и вызывает превр.ащения перлита в мартенсит. Не­
однородная структура, полученная в пропитанных изде-
лиях, сохраняется и после упрочнения .
На рис . 2,а-г показаны микрофотографии структу- •
ры композиции II до пропитки и после пропитки по раз­
личным режимам . При спекании железной основы при
температуре пропитки плотность ее равна 6,0 г/см3,
48
Рис. 2. Структура композиции
74%
Fe-25%
Cu-J%C
(О,7%Сс в яз) после разли'lной
обработки ( Х бОО):
а - после спекания при темпе­
ратуре пропи1'ки; 6 - п осле
пр,опитки в стан,да!)Т!НЫХ услови­
ях до ' плотносrи 7,1 г/слt': в -
после пропитки до
плотноати
7,90 г/с 1,13 с быстрым· охлажде­
нием от температуры пропитки;
г - после закал·ки пропитанно-
го мате11иала на мартен -сит


твердость НRв при этом составляет 5-10 единиц. Спе ­
ченный материал имеет однородную перлитную структу ­
ру с крупными межзеренными порами (рис . 2,а). Про­
питка железной основы медью в стандартных условиях
!.
до плотности 7,1 г/с.м3 увеличивает твердость материала
до НRв =80-;- -85, но перлитная структура основы оста­
ется неизменной. Светлые участки в структуре-· зерна
меди (рис. 2,6), темные - остаточные закрытые поры,
обычно равномерно распределенные по объему матери­
ала. С повышением плотности пропитанного изделия до
7,90 г/с.м3 пористость в структуре исчезает, а быстрое
Физические свойства композиций 1, 11 и . 11
после раздичной термообработки* 1
~ Предел ~
~
прочности,
Q;'
~
<1)
кГ/мм•
:t::
.:, ~
,;
~.;
,, ......
Состав КОМПОЗИ•
..
"'t...
tций, %
...
'"
'
...
:,:
":с
"
"'
"
.;
"'
о
,Е
"'
о
"'
~.
"'
о.
:,:
:,:
"
ее
...
:,:
.,_ ..
...
"'
о.
о
:,: :,:
:,: "'
"'
"'
,,:
"' ...
ё о.:,:
о.:;;
"'
,Е
~ ее"
>,~
1::!-<
1:: о.
,.,
u
75 Fe+25Cu 7,9529,4 41,9 71 20,518 1,56
7,97 66,15 87,5 106 3,3 5 о, 152
8,01 29,4 40,8 70 44,3 25 2,06
74 Fe+25Cu+lC 7,9868,1 111,3108 3,7 3,2о,138
7,96 65 ,5 113,4 110 3,9 3,0 О, 166
7,9472,1 107,1109 4,1 3,10,248
7,97 85,4 97,3 106 4,7 4,0 0,318
7,95 37,4 51,О 80 10,3 10,0 1,130
,
84 Fe +15 Cu+lC 7,9069,1 130,9 116 1,8 1,50,069
7,93 70,7 131,6 115 2, 1 2,2 0,069
7,96 72,8 127 ,4 112 2,5 3,0 О, 138
7,89 80,5 116,2 109 4,7 4,0 О, 166
Таблица 3
Температура
термообра·
ботки, 0С
«
*
"'
""
"'
,,:
"
"'
>,
"'
1::
"'
...
"'
о
-
500* 3
895 -
-
500* 4
и
705* 4
845 -
845 205
845 315
845 500
-
650* 5
790 -
790 205
790 315
790 1595
*1 Во всех с.1учаях в пе.рвой ~тадни термообработки проводится нормали-
зация гри 980'С.
*' Зzкалка в воду.
*' В течен;~е 4 ч.
•• В течение 2ч.
*' В течепие 18 ч,
49


охлаждение после пропитки вызывает частичное прев­
ращение перлитной структуры в мартенситную
(рис. 2,в), твердость материала при этом повышается
до НRв =94+ 105. Термообработкой пропитанного изде ­
лия можно осуществить полное перлитно - мартенситное
превращение. Структура материала после такой термо ­
обработки показана на рис . 2,г: темные участки соответ­
ствуют зернам мартенс ,ита, светлые - зернам меди, по­
ры в структуре отсутствуют (плотность материала
7,95 г/см3 , твердость НRв после термообработки­
! 00-105 единиц) .
Термообработка материалов типа 1
целью повышения пластичности, а не
свойств; при термообработке композиций
шаются прочностные свойства .
проводится с
прочностных
11 и 111 улуч-
При разработке композиции 1, не содержащей угле­
рода, основное внимание . было направлено на формиро­
вание железомедного сплава , восприимчивого к диспер ­
сному твердению . Из результатов, приведенных в
табл. 3, видно, что при соответствующем выборе режи­
ма термообработки можно по,11учить материал с весьма
высокой пластичностью . Этот материал , может найти
применение в тех с.11учаях, когда требуется сопротивле­
ние удару , высокая ударная вязкость и усталостная
прочность.
Прессовый инструмен_т
Инструмент для прессования изделий под последую­
щую пропитку с соотношением железа и меди 75 : 25
конструктивно подобен инструменту для прессования
обычных металлокерамических деталей с • плотностью
порядка 5,8-6,2 г/см3 . Одинаковые конструктивные
особенности инструмента предусматриваются и для по­
лучения изделий с однородной плотностью. Необходимо
также учитывать изменение размеров изделия при спе­
кании в зависимости от сорта применяемого железного
порошка и от условий нагрева .
Для правильного проведения операции пропитки
медью пропитывающий материал должен быть равно­
мерно распределен; это требует специального набора
инструментов для получения кпмпактных брикетов про­
питывающего материала .
gQ


Инсrрумент для !Iрессования изделий под rtоследу!О ·
щую пропитку с соотношением железа и меди 85 : 15 по
конструкции также подобен инструменту, применяемо ­
му для обработки обычных изделий с плотностью по­
рядка 5,8 - 6,2 г/см3 . Так как невозможно сформировать
брикет сразу до плотности 6,8 г/см3 , необходимо произ ­
водить подпрессовку конечной плотности . Для этого
нужен специальный инструмент для подпрессовки.
Иногда при применении некоторых железных порошков
и специальных условий нагрева операция подпрессовки
производится • на том же самом оборудовании, что и
прессование, но в промышленном производстве такое со­
вмещение не рекомендуется. Как и указывалось выше,
чтобы обеспечить надлежащее качество пропитки, тре­
буется инструмент для брикетирования пропитывающе­
го материала.
Стоимость прессового инструмента
Стоимость прессового инструмента для получения
композиции с соотношением железа и меди 75 : 25 пр;r­
мерно та же, что и инструмента для прессования обыч­
ных изделий с низкой плотностью. Инструмент для бри­
кетирования пропитывающего материала - это, как
правило, простая и относительно дешевая пресс-форма
с ограничительным кольцом.
Что касается инструмента для прессования компози ­
ций с соотношением железа и меди 85 : 15, то стоимость
его примерно удваивается по сравнению с инструмен­
том для прессования обычных изделий с низкой плот­
ностью . Инструмент для подпрессовки немного дешев­
ле, чем инструмент для формирования, а • пресс-форма
для брикетирования имеет ту же конструкцию, что и
для композиций типа 11 . Иногда при пропитке сложных
изделий одного набора инструментов недостаточно, так
как для равномерного распределения пропитывающего
материала необходимо изготовление брикетов различ­
ной конфигурации.
Преимущества метода пропитки
Свойства пропитанных изделий обеспечивают им об­
ширные области применения , в частности в качестве
конструкционных • материалов при решении различных
51


инженерных задач. Однако для удовлетворения разнооб­
разных технических требований порошковая металлур­
гия может во многих случаях предложить и другие ма­
териалы, обладающие также высокими характеристи­
ками. В тех случаях, когда эти обычные металлокера-
· мические материалы могут работать достаточно эффек­
тивно, исполь з ование пропитанных материалов трудно
обосновать экономически, так как высокое содержание
в них меди сильно повышает их стоимость . Т~м не ме-
. нее,
существуют такие проблемы, единственное решение •
которых может быть найдено лишь с применением про­
питанных деталей, и тогда вопросы стоимости отходят
на второй план.
Пропитанные медью материалы легко свариваются
друг с другом или со сталью . К сожалению, даже при
высоком содержании меди эти материалы свариваются
только с помощью медного припоя.
В процессе сварки можно ожидать некоторого .до ­
полнительного изменения размеров, так как изделия на­
гревают ДО температуры~ 1130°С; ПОЭТОМУ при ИЗГОТОВ·
лении изделий допуски на размеры должны учитывать
это изменение с тем, чтобы •получить в конечном изде­
лии заданную точность размеров.
Возможно совместное щ~оведение операций сварки и
пропитки, что дает большую экономическую выгоду.
Иногда спекают железную основу до пропитки, что­
бы лучше контролировать выходной размер. Однако ес­
ли известны данные по общему изменению размеров из­
делия по ходу технологического процесса, в этом нет
необходимости и пропитке подвергаются непосредствен­
но прессованные брикеты; получаемый в результате
продукт обладает не менее высокими качествами, а
экономические выгоды пропитки прессовок очевищ1ы.
При пропитке прессованных брикетов одновременно
может происходить и приваривание их медью один к
другому или к стальной подложке; в этом несомненное
преимущество пропитки прессовок перед пропиткой спе ­
ченных брикетов. На рис . 3 показана структура изде­
лия, полученного таким способом. Сварной шов, прохо­
дящий на микрофотографии по центру, практически не
отличается по структуре от основного материала.
Возможна также пайка пропитанных материалов
серебром . Это обычно отдельная операция, которая про-
52


водится при значительно более низкой температуре, чем
медная сварка , и не приводит к расплавлению меди в
п ро п итанном изделии. Это в значительной степени пре­
дотвра щ ает дополнительное изменение размеров, кото­
рое п роисходит при вторичном нагреве.
Рис. 3. Структура оварн·ого шва при одновремен ной
пропитке двух ·прессовок плотностью 6,0 г/см3 до
плопrос.ти 7,55 г/см3 (комrтозиция 74% Ре - 25% Cu -
!%С); XIOO
Сварка медью или пайка серебром производится
или в контролируемой атмосфере в сварочной печи с
индукционным нагревом или ацетиленовой горелкой: на
воздухе с добавкой флюса на участке сварки. При свар­
ке в обычной сварочной печи с контролируемой атмос­
ферой с заданной температурой рабочей зоны не реко ­
мендуется использование силь·но восстановительной ат­
мосферы с тем, чтобы допустить обезуглероживание
изделий, в том случае, если углерод присутствует в
композищ,ш · в избыточном количестве . При индукцион­
ной сварке или сварке горелкой охлаждение сварных
изделий до комнатной температуры должно проходить
достаточно медленно, чтобы предотвратить растрескива­
ние. Детали затем необходимо подвергнуть нормализа ­
ции при 980°С также с медленным охлаждением. Проч­
ностные свойства материала после такой обработки бу-
53


Дуt 1-ieCi<OЛbKO нИже, однако ВЯЗКОСТЬ заметно возра 0
стает по сравнению с вязкостью материала непосредст­
венно после пропитки.
При сварке в печи нагрев и охлаждение изделий
проходит вместе с печью, поэтому остаточные напряже­
ния незначительны или отсутствуют совсем. Свойства
пропитанных материалов после сварки в печи остаются
.на
том же уровне, что и непосредственно после про ­
питки.
При индукционной сварке или сварке горелкой до
температуры сварки нагревается только сварной учас ­
ток, поэтому при охлаждении на воздухе в изделии воз­
никают напряжения, которые могут привести к растрес­
киванию в процессе охлаждения или при последующей
эксплуатации изделия.
В производrстве рекомендуется пропитывать и свари ­
вать изделие за один прием, что дает наиболее удов­
летворительные свойства и наибольшую экономию.
Во многих случаях требуется, чтобы вес детали, из­
готовленной по новой . технологии приближался к весу
стальной детали. Метод пропитки является единствен ­
ным методом в порошковой •металлургии, с помощью
которого это требование -может быть выполнено; при
максимально точном контроле соотношения плотности
основы и количества пропитывающего материала метод
пропитки может успешно использоваться для изготов­
ления регуляторов нагружения и роторов.
Многие отрасли техники требуют вакуумноплотных
материалов; в пропитанных медью материалах плотно ­
сть ю 7,8 г/см 3 можно гарантировать отсутствие откры­
той пористости; эти материалы выдерживают давления
по крайней мере до 1,4 кГ/мм 2 . Это устраняет необходи ­
мость обычной пропитки пластиком для заливки пор в
изделиях с низкой и средней плотностью .
Иногда по условиям эксплуатации высокие физиче­
ские свойства требуются только на малых участках из­
делия, в то время как в остальном объеме допустимы
более низкие свойства. В этом случае можно получить
значительную экономию, проведя локальную пропитку
медью (этот процесс ошибочно называют иногда огра­
ниченной пропиткой). Конечная плотность в пропитан ­
ном участке должна быть минимум 7,1 г/см3 . Для этого
соответствующим образом распределяют пропитываю-
54
.t


щий · материал, а затем, регулируя параметры нагрева и
скорость процесса, осуществляют пропитку в нужном
участке, в то время как оставшаяся часть изделия под­
вергается обычному спеканию.
Ограниченная пропитка, которую ,,-часто путают с ло­
кальной пропиткой, широко применяется в тех случаях,
когда обычные изделия с низкой или средней плотно­
стыо не удовлетворяют потребителя. Введение неболь­
шого количества пропитывающего материала ·в изде­
лие во время обычной операции спекания может прив~­
сти к увеличению плотности изделия вплоть до 7,1 г/см3.
Пропитывающий материал при ограниченной пропитке
не концентрируется в каком -либо qпределенном участ­
ке, а равномерно распределяется по всему изделию;
улучшая структуру и свойства.
Физические свойства различных пропитанных медью
материалов показаны в табл. 1-3, что же касается из­
носоустойчивости, то необходимо рассмотреть это cвoij_-,...
ство отдельно от остальных физических свойств, так как
характер его изменения несколько отличен от описан­
ных выше закономерностей . Более высокое содержание
железа (85% Fe) в пропитанных материалах приводит
к увеличению износоустойчивости , при испытании в па­
ре с контртелом из того же материала или со стальным
контртелом. Материалы с более низким содержанием
железа (75% Fe), но более высоким содержанием
меди (25% Cu) имеют высокую износоустойчивость в
паре с контртелом из того же материала, но быстро ис­
тираются при работе с сопряженными стальными дета­
лями. Это происходит вследствие более низкого содер­
жания железа, так как именно прочность железного
каркаса определяет износоустойчивость материала и
способность воспринимать нагрузку.
По мере износа и удаления железных зерен происхо­
дит захват медных зерен сопряженной деталью и омед­
нение ее поверхности . Это особенно заметно при враще-
1
u
нии валов из холоднокатанои стали в цилиндрических
муфтах из пропитанных материалов. Для предотврашr ­
ния выработки валы подвергаются упрочнению и шли­
фовке, а иногда хромированию и шлифовке . Обыкновен­
ный вал из холоднокатаной стали и пропитанные мате­
риалы -с высоким содержанием меди (25% Cu) имеют
одинаковую твердость , но пропитанные материалы при
55


этом обладают меньшей способностью нести нагрузку.
Для улучшещш износоустойчивости вращающейся пары
погружают пропитанную медью деталь в хромовую кис­
лоту, чтобы стравить всю медь с поверхности и из слоя
глубиной 0,05-0,1 мм . Тогда открытые поры будут за­
держивать смазку, что продлит срок службы трущихся
деталей без термообработки и хромирования поверхно­
сти .
Изготовление крупных деталей
Большие с ло ж ности возникают при производстве
крупных ,1I;ета л ей, когда требуются уси.1ия прессования,
превышающие мощность обычных прессов. Например,
для прессования железного скелета композиции 75%
Fe - 25 % Cu необходимое давление прессования рав­
но ,_, 4 Т/см2, а максимальная мощность прессов, ис­
пользуемых на предприяпrях порошковой металлургии,
составляет 250 Т . Поэтому при производстве крупных
деталей площадью ,,.._, 130 см2 обычно прессуют отдельно
две половины изделия, что как бы удваивает диапазон
мощности пресса . Спрессованные заготовки соединяют
J1 пропитывают , получая монолитное изделие, причем
видимая линия ра здела не наблюдается. Зерна железа
на плоскости контакта во время пропитки соединяются
и образуют единый железный каркас, поры которого
заполнены медью . Линия раздела будет заметна лишь в
том случае, если прессованные части изделия несколько
различаются по высоте. Шлифовка поверхности после
пропитки полностью снимает этот шов .
Металлургически плоскость соединения является
наиболее прочным участком в композиции; разрушение
по этой плоскости при испытаниях никогда не наблюда­
ется.
Необходимое условие при производстве сложных де ­
талей таким способом - пропитка неспеченных загото­
вок. Пропитка после спекания дает дефектную контакт­
ную область с разрывами по плоскости соединения .
Контакт заготовок перед операцией пропитки дол­
жен быть как можно более плотным. Для этого внутрен­
нюю часть детали прессуют из железного порошка, бри­
кеты из которого имеют тенденцию к увеличению раз­
меров, в т о время как внешняя часть изготавливается
56


.}
"
из железного порошка, прессовки из которого не изме­
няют размеров или дают усадку. Во время нагрева до
расплавления меди осуществляется взаимная пригонка
и полное соединение частей детали.
Там, где площадь изделия невелика и мощность
пресса не служит ограничивающим фактором, возмож­
но применение как вертикальных, так и горизонталь­
ных разрезов. Это открывает возможность изготавли­
вать детали со сложной конфигурацией, в частности с
поперечными отверстиями. Кроме того, возможно сое­
динение трех различных композиций в единую комби­
нацию. Например, можно изготовить составной обод
шестерни площадью 125 см2 : внутреннюю часть прессу­
ют из материала типа II (74% Fe- 25% Си - 1% С),
а внешнюю часть - из материала типа III (84% Fe -
15% Cu+1%C), обладающего более высокой износо­
устойчивостью.
На рис. 4,а-в показана структура такого комбини­
рованногсУ матерц_ала непосредственно после пропитки
(рис. 4,а) и после различной термообработки (рис. 4,6 и
в). Исходный железный каркас со средней плотностью
6,2 г/см3 п_ропитан медью до плотности 7,55 г/см3 , так
что конечный материал имеет состав 80% Fe-
19% Cu-1 % С (0,7% Ссвяз)- Структура материала пос­
ле пропитки -- перлитная сетка со светлыми зернами
меди и более темными зернами железомедного сплава.
Видны темные участки - поры. Твердость HR в состав­
ляет 90-100 единиц. Термообработкой можно повысить
твердость Н Rв до 110-111 единиц, вызвав при этом
перлитно-мартенситное превращение (рис. 4,6). Для со­
здания равномерной структуры материал подвергают
нормализации. Твердость НRв после нормализации
равна 78-80 единицам и одинакова по всей поверхно­
сти. Зерна меди приобретают округлую форму (рис. 4,в);
зерна железомедного сплава отсутствуют.
Пропитанные материалы по сравнению со сталью
'rюказываю~; лучшую коррозионную стойкость в солевых
растворах и во влажной атмосфере. Их коррозионная
стойкость намного превосходит и стойкость обычных ме­
таллокерамических материалов с низкой или средней
плотностью, в которых остаточная пористость способст­
вует внутренней коррозии, значительно снижающей че­
рез некоторое время физические свойства.
57


Добавлением небольшого избыточного количества
пропитывающего материала можно создать медное по­
крытие на всей поверхности, что еще более повысит
~тойкость против коррозии . Толщина этого медного по­
крытия должна составлять 0,01-0,02 мм.
Рис . 4. Структура комбинирован­
ного материала (композиции II и
III) конечного состаJЗа 80% Fe-
19% Cu-1% С (О,7%Ссвяз> после
различной обрабО'I'КИ (ХбОО):
а - после пропитки; б - п.осле за­
калки на мартенсит; в - после нор··
мализации
Последующая обработка пропитанных изделий
Обработка обычных металлокерамических изделий с
низкой или средней плотностью сильно затрудняется
точечной пористостью в этих изделиях. Отсутствие пори­
сто1сти в пропитанных медью материалах позволяет ре­
шить большинство проблем, возникающих при обработ­
ке металлокерамических изделий.
Так, например, становится возможной термообра­
ботка в соляной ванне: можно не опасаться, что соль,
остающаяся в порах, ухудшит свойства изделия.
58


Подготовка изделия к термообработке сводится к
тем же мероприятиям, которые предусматриваются при
подготовке стальных деталей.
Точно так же и при нанесении электр-олитических по­
J<рытий отсутствие пористости в пропитанных материа­
лах разрешает применить обычную технологию покры­
тия. Необходимость проr;rитки изделия пластиком для
лредотвращения проникновения электролита во внут­
ренние слои изделия отпадает.
Для защиты пропитанных материалов от водородно­
го охрупчивания успешно применяются любые виды ме ­
ханиче-ских покрытий. Испытания пропитанных изделий
с покрытиями такого рода в солевом растворе и при
воздействии влажной атмосферы показывают, что их
устойчивость идентична устойчивости обычных плаки­
рованных сталей. То же можно сказать и об электроли­
тических покрытиях.
Обработке паром пропитанные материалы вследст­
вие отсутствия пористости поддаются плохо. Обработка
паром вызывает контролируемое окисление частиц же­
леза, что способствует повышению износоустойчивости
и. коррозионной стойкости. Для удовлетворительной об­
работки изделия паром необходимо обеспечить как по­
верхностное окисление частиц, так и проникновение па­
ра во внутренние объемы изделия для внутреннего окис­
ления.
Изделия с плотностью порядка 6,0 г/см3 имеют
идеальную пористую структуру для внутреннего окисле­
ния; при более высокой плотности требуется и более
длительная обработка, сопровождающаяся падением
твердости. При кратковременной обработке частицы
окисляются только с поверхности . Процесс поверхност­
ного окисления способствует заполнению пор между
частицами, и при проникновении на достаточную глуби­
ну обеспечивает весьма высокую твердость.
Из-за qтсутствия пористости пропитанные материа­
лы легко подв,ергаются поверхностной газовой закалке,
проблемы внутреннего окисления материала при этом
не В(?ЗНикает, а также возможно и проведение индукци­
онного нагрева с целью местного упрочнения.
Для - углеродсодержащих материалов особенно важ­
но _ предотвратить при обработке · обезуглероживание,
так как только при этом условии изделия сохраняют
69


высокую износоустойчивость. Пропитанные материалы
типа II и III, содержащие углерод, подвергают обычно
rермической обработке в защитной атмосфере.
При обработке материала типа I возможно насыще­
ние его углеродом, несмотря на присутствие в нем ме­
ди. Процесс цементации пористых изделий обычно зна ­
чительно короче во времени, чем цементация на такую
же глубину компактны х изделий . Цементация материа ­
лов типа I длится столько же или немного дольше, что
и цементация на ту же глубину компактного изделия . •
Насыщение углеродом в обоих случаях происходит
идентично посредством диффузии с поверхности частиц
железа во внутренние объемы. Поскольку частицы же­
леза образуют сплошной скелет, диффузия проходит
легко, и присутствие меди не оказывает никакого влия­
ния .
Перед цементацией изделия рекомендуется протра ­
вить хромовой кислотой для удаления поверхностного
слоя меди, затрудняющего проникновение углерода во
внутренние объемьr .
Все три типа пропитанных материалов легко подда­
ются точечной сварке на обычном оборудовании . Высо­
кое содержание меди заставляет увеличивать расход
мощности при сварке вследствие большей теплопровод­
ности пропитанных материалов в сравнении со сталью.
Усадки материала в месте сварки не происходит, в про­
тивоположность тому, что наблюдается при сварке по­
ристых изделий . (Так как температура на стыке свароч­
ного электрода и свариваемой.поверхности достаточно
высока, при сварке происходит интенсивное спекание
материала в области точечного нагрева, что при нали­
чии пористости ведет к катастрофической усадке, резко
снижающей качество сварного соединения . Пропитан­
ные изделия, имеющие высокую плотность, не дают
усадки при св-арке, что позволяет получать прочное сое,"
динение).
Пропитанные материалы вследствие отсутствия по ­
ристости имеют х орошие механические характеристики
при шлифовании, что обеспечивает повышеНF!ЫЙ срок
службы шлифовального инструмента . Не требуется ни ­
каких специальных мер , предотвращающи х загрязне­
ние изделия охлаждающей жидкостью; перед конечной
операцией покрытия проводится лишь обычная очистка .
60
..
"


Пропитанные материалы могут шлифоваты:я с ма­
лыми допусками, и при правильном выборе шлифоваль­
ных кругов засаливания кругов не происходит.
При подготовке поверхностеj{, работающих на исти­
рание, важно, чтобы абразивные ча~тицы не попали на
эту рабочую поверхность. Пропитанные беспористые из­
делия не захватывают абразива шлифовального круга,
тогда как поры обычных металлокерамических матери­
алов абразив легко засоряет и с трудом удаляется от­
туда.
**
*
Порошковая металлургия может предложить раз­
личным отраслям промышленности много экономически
выгодных материалов.
Пропитка медью порошковых материалов позволяет ·
получать изделия с оптимальными свойствами; эти из­
делия легко поддаются обработке на обычном оборудо­
вании, причем в большинстве случаев не требуется раз­
работки никаких специальных методик или мер предо­
сторожности.
При проведении дальнейших инженерных исследо­
ваний может выявиться возможность получения еще
более крупных и сложных изделий .
П. Е. Мэтхьюз и С. Брэдбери
(Р. Е. Matt!ieiws1 )
(S. Bradbury 2)
ДИФФУЗИОННАЯ ОБРАБОТКА
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ
Диффузия хрома в пористую структуру железных
металлокерамических изделий приводит к повышению
свойств изделия до такого уровня, который невозмож­
но получить при спекании в обычной атмосфере .
1 Clevite Corp . ,mechanica\ }Zes. Div., Cleveland, Ohio . •
2 Hoeganaes Sponge lron Corp., Riverton, New Jersey.
61


Оптимальным решением проблемы было· бы получе­
ние порошка сплава железо-хром, однако эта задача
весьма сложна. Поэтому наиболее удачным вариантом
решения на сегодня следует считать процесс хромиро­
вания или альфатизации 1 - способ, посредством кото­
рого могут быть получены изделия со свойствами спла­
ва железо-хром, а именно: с высокой поверхностной
твердостью, высокой прочностью, пластичностью и кор­
розионной стойкостью .
Приведенные в работе данные получены при иссле- ·
давании образцов, обработанных методом ротационно­
го хромирования .
Этот процесс предусматривает засыпку изделий, ко­
торые под!вергаю11ся обработке, пористыми гранулами
хрома, пропитанными галоидными соединениями. Пос­
ле тщательного перемешивания, с тем чтобы засыпка
равномерно покрывала все изделия, их помещают в
перфорированный контейнер, который загружают в ре­
торту. Реторту продувают воздухом, запаивают и нагре­
вают до 900-950°С. Благодаря вращению реторты пре­
дотвращается спекание изд~лий между собой, а также
приварка гранул к изделиям. Кроме того, вращение об­
легчает своб~щную циркуляцию паров хрома.
Объектом исследований служили стандартные раз­
рывные образцы, спрессованные до заданной плотности
из различных порошковых смесей, состоящих из желез­
ного порошка с пластификатором или с добавлением
графита и меди. Все образцы перед хромированием
предварительно спекали при температуре 1125°С в те­
чение 30 мин. В качестве исходного использовали же­
лезный порошок фирмы Hoeganaes Sponge Iron Corp .
марки АМН-100.
Количество графита и меди в шихте не превышало
концентраций, обычных в производстве металлокерами­
_ческих железных изделий .
Сравнение свойств изделий непосредственно после
спекания и после хромирования показывает, что хроми­
рование существенно улучша~т как прочностные х-арак­
теристики, так и пластичность материала.
1 Альфатизация (a1phatizing)-этo uазвание, данuое фирмой А11оу
Surfaces Со процессу:хромирования.
•
.
.
•
62


Механические свойства
хромированных материалов
Предварительные исследования показали, что коли­
чество хрома, диффундирующего в пористый образец, и
глубина хромированного слоя, обратно пропорциональ•
ны плотности материала, т. е. чем выше плотность, тем
меньше будет глубина проникновения хрома.
На протравленных сечениях хромированных желез­
ных деталей обычно видно, что основное количество уп­
рочняющего хрома сосре­
доточено в участках с от­
носите.11ьно низкой исход- •
ной плотностью. Зоны с
высокой исходной плот­
ностью имеют более тон­
кие, хотя и компактные
хромированные участки.
На рис. 1 показан гра­
диент кою~ен1J)ации хро­
ма по глубине хромиро­
ванного слоя для двух
стандартных образцов.
Исследования проводи-
.11ись методом рентгено­
структурного анализа по­
верхности с последова­
тельным удалением по­
верхностных слоев.
Очевидно, ЧТiо диффу- •
IOO
~ с:-..= ~t-
---
--
--
~
--
,_
-
\
'\
1
~
--
f~
-
\
\
-
-
.... 2
О
0,5 f,D f,5
2,0 1
Расстояние от по(}ерхности,нм
Р,ис. !. Раопре~делен,ие хрома по
глубине х,ромироваrнног-о CJJOЯ в
оттеченном .материале разной плот ­
ности пoCJJe 6 ,, хромирования при
1093° С :
зия хрома в образец с / - плотность спеченного материа­
ла 6,07 г/см'; 2 - плотность опечен-
НИЗКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ рас-
•наго материала 6,77 г/см•
пространяется на боль-
шую глубину, а градиент концентраций в образце с вы­
сокой плотностью зна чите:1ьно возрастает.
На рис. 2 представлены в зависимости от плотности
сравнительные свойства хромированных и спеченных
(нехромированных) контрольных железных образцов,
содержащих различное количество углерода. Темпера­
турные условяя спекания и хромирования были иден­
тичны (выдержка 4 ч при 1050°С).
Характер изменения твердости не показыва._ет види­
мого упрочнения, что мож.ет ввести в заблуждение, так
63


а
,
,
!
'
>
,
;
\
•
.
.
.
.
t
:
:
:
:
,
~
4
2
,
О
~
<
_
3
5
.
0
"
"
:
:
:
r
,
~
~
2
8
,
0
~
~
2
(
,
0
~
~
1
4
,
0
~
7
,
0
"
'
t
L
f
2
,
0
~
~
3
5
,
0
@
§
2
8
,
0
'
-
5
:
i
:
~
~
2
1
,
0
i
~
1
4
,
0
~
7
,
0
б
,
О
~
б
~
5
о
2
В
<
\
j
:
i
:
:
4
'
:
:
:
:
s
3
~
2
:
:
,
;
1
ш
а
7
б
~
9
:
:
.
.
.
.
.
_
9
0
H
c
d
,
.
.
+
"
"
'
f
'
=
+
-
+
-
+
-
-
t
-
H
5
8
:
:
t
:
:
:
:
i
:
:
:
8
0
1
J
U
.
.
~
:
:
:
:
:
t
=
f
-
1
4
{
.
-
,
@
7
0
~
.
.
.
.
.
.
Б
,
l
,
-
t
"
:
3
,
,
,
-
'
1
"
'
9
:
:
;
;
l
o
!
2
3
§
~
6
0
i
"
"
J
-
-
-
-
+
-
,
,
,
l
,
9
-
-
t
-
-
-
H
5
~
с
{
5
Ь
0
~
~
Ы
9
-
Н
-
t
-
-
Н
О
!
;
:
,
.
~
4
•
~
1
~
~
t
1
r
:
=
_
t
i
~
~
t
1
j
~
!
X
:
5
3
-
i
-
.
:
:
2
0
1
-
-
-
+
-
-
-
1
-
+
-
-
1
-
-
!
-
-
+
-
f
-
+
-
-
Н
б
,
О
б
,
2
б
,
4
б
,
б
б
,
8
б
,
О
б
,
2
б
,
4
б
,
б
б
,
8
п
о
с
л
е
с
п
е
к
а
н
ш
,
,
г
/
с
м
3
1
в
а
ш
о
~
~
~
~
~
~
'
i
"
'
f
б
1
+
-
+
-
+
-
+
-
1
-
с
-
-
'
-
-
-
'
-
-
-
1
6
,
.
!
"
'
+
1
~
9
0
~
-
с
с
.
:
-
н
~
<
'
f
l
-
t
4
~
:
:
:
н
-
+
-
н
:
:
i
:
:
в
о
C
~
:
t
=
1
l
+
:
U
4
1
~
~
1
2
1
+
-
Ь
l
-
"
'
1
-
-
1
Н
-
-
1
-
-
-
1
-
t
-
-
Ы
~
7
0
1
-
-
2
"
ч
-
+
~
+
+
-
-
-
ь
t
-
1
-
1
2
3
~
°
l
:
,
f
О
R
-
+
-
+
+
-
+
-
'
-
~
б
О
5
~
-
•
~
8
l
+
-
+
-
+
-
+
-
t
~
r
Ч
Ь
;
Н
-
~
5
0
L
.
.
\
:
:
:
:
:
t
:
:
i
r
-
L
J
?
л
~
:
:
t
:
!
;
t
O
к
r
§
б
1
+
-
+
-
+
-
-
y
t
-
+
~
4
0
1
-
+
+
-
,
1
~
~
-
,
,
,
-
-
+
-
4
-
+
-
-
Н
~
4
1
+
-
,
1
,
4
-
~
С
,
Ь
.
,
-
.
:
:
:
3
0
1
-
-
:
:
J
,
;
#
f
-
-
!
-
t
-
+
+
-
4
-
+
-
-
Н
2
~
:
F
-
!
'
:
;
J
:
:
;
;
P
i
-
'
-
т
4
A
-
-
t
l
2
0
h
А
-
-
-
!
-
!
-
+
-
+
-
+
-
+
-
-
+
-
-
Н
q
O
б
,
2
5
,
4
б
,
б
б
/
3
б
,
О
б
,
2
б
,
4
f
O
б
,
О
б
,
2
5
,
4
б
,
б
б
,
В
П
л
о
т
н
о
с
т
ь
п
о
с
л
е
с
п
е
к
а
н
и
п
,
г
;
с
и
з
о
Р
и
с
.
2
.
П
р
о
ч
н
о
с
т
ь
,
п
л
а
.
с
т
-
и
ч
н
о
с
т
ь
и
т
в
е
р
,
д
о
о
т
ь
о
п
е
ч
е
н
и
ы
х
ж
е
л
е
з
н
ы
х
б
р
и
к
е
т
о
в
в
з
а
в
и
с
и
м
о
с
т
и
о
т
с
о
д
е
р
ж
а
н
-
и
я
у
г
л
е
р
о
д
а
в
и
,
а
х
о
д
н
о
м
ж
е
л
е
з
-
н
о
м
п
о
р
о
ш
к
е
н
е
п
о
с
р
е
д
.
0
1
\
В
е
н
н
о
п
о
с
л
е
с
п
е
к
а
н
.
и
я
(
а
)
и
п
о
с
л
е
х
р
о
м
,
и
р
о
в
а
н
и
я
(
6
)
(
ц
и
ф
р
ы
н
а
к
р
и
в
ы
х
у
,
к
а
.
з
ы
в
а
ю
т
с
о
д
е
р
ж
а
н
и
е
у
г
л
е
р
о
д
а
в
ж
е
л
е
з
н
о
м
1
1
·
0
:
р
о
ш
к
е
)
,
.
,
.
.
,


как измерение твердости HR в.дает усредненное значе­
ние твердости для всего сечения образца, а не для хро ­
мированного слоя. Однако измерени~ микротвердости
(см.таблицу) показали достаточное упрочнение .
Заслуживает внимания характер изменения пластич­
ност и (относительного удлинения) образцов при хроми­
р овании. При содержании углерода 0,02% и плотности
после . спекания в пределах от 5,85 до 6,85 г/см3 относи ­
тельное удлинение при испытании хромированных об ­
разцов составляет 10-18 %.
Микротвердость хромированного слоя в железных материалах
с различным содержанием углерода
Микротвердость, кГ/мм'
Содержание
Плотность - после
углерода после
спекания, г/мм 3
после хромирова- после хромирова-
спекания ; %
ния
ния с термообра-
боткой
0,02
6,12- 6,88
198-219
-
0,28
6,01.-: .6,81
939-1425
1452-1560
0,48
5,97-6,85
1459 - 1775
1592-1777
0,58
6,06 - 6,82
1433-1651
1603-1689
0,90
5,00-6,73 .
1602-1756
1700-1743
Простые испытания на скручивание и изгиб также
наглядно демонстрируют превосходные свойства хро­
мированных изделий. На рис. 3 • показаны спеченные и
хр омированные образцы после таких испытаний: хро­
мированный образец лег-
ко
скручивается
н::1
360 град· беэ . признаков ...
излома, в то время как на
спеченном ьбразце тре-
• щины ВОЗН'1КЮQТ уже пр. и
скручивании на 270 град .
Это свойство дает ин­
тереаную
возможность
формирования деталей
заданной конфигурации
Перед ПОСЛедующеЙ упрОЧ- Ри с. 3. И спыт а ния на ск ручивание 11
"
бб
·
изгиб, де мон стрир у ющи е повышенную
НЯЮIЦСИ Термоо ра ОТКОИ . пластичность хромир ован н ых обращав
3 3111<. 619


1
1
О
>
О
>
1
/
·
,
,
;
:
i
1
:
7
0
,
D
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
j
!
;
\
_
~
t
:
:
'
~
5
5
,
0
1
1
1
_
1
1
:
l
.
,
.
,
!
-
"
f
J
.
.
.
1
1
@
~
'
<
.
j
:
:
;
S
~
~
4
2
,
0
~
~
~
~
2
8
Д
~
~
1
4
0
'
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
'
•
Б
,
О
5
,
2
Б
,
4
Б
,
Б
Б
,
В
1
:
7
0
,
0
1
1
1
1
,
1
ь
.
t
:
:
К
'
1
1
:
:
:
i
&
~
:
i
:
;
5
5
,
0
,
!
;
:
,
:
:
:
,
'
§
~
4
2
,
0
l
l
J
8
,
D
П
1
1
1
1
1
1
1
1
1
r
1
:
:
:
5
.
.
,
1
4
,
0
~
п
r
п
r
,
.
r
l
"
r
-
n
~
5
~
2
,
0
~
'
~
1
5
~
,
:
i
:
~
1
,
,
;
:
:
,
0
8
s
;
0
.
6
d
4
0
,
2
1
0
U
,
-
-
,
-
-
-
,
-
-
-
,
-
г
,
-
-
-
.
-
,
-
,
-
-
г
,
~
~
~
1
1
1
1
1
I
I
U
i
~
7
1
!
.
=
:
5
,
1
5
5
1
~
j
z
~
n
I
J
1
1
m
2
!
,
И
:
1
1
1
1
1
1
1
1
1
5
,
0
6
,
2
5
,
4
Б
,
Б
5
,
8
О
5
,
0
'
'
°
t
:
:
I
.
с
е
с
п
П
л
о
т
н
о
с
т
ь
п
о
с
л
е
с
п
е
к
а
н
ш
r
г
;
с
м
а
а
t
4
*
f
,
2
~
'
t
o
}
з
0
8
:
:
i
:
:
1
~
Ц
б
~
q
4
0
,
2
о
г
7
Г
7
I
'
-
-
1
-
'
'
-
-
-
1
1
i
t
/
~
L
.
,
,
0
4
~
-
с
,
t
;
;
,
.
_
_
_
0
,
5
8
L
.
.
.
.
.
J
-
'
-
-
'
-
-
О
,
9
0
~
~
б
,
О
б
,
2
5
,
4
б
,
б
б
,
В
б
,
О
б
,
2
б
,
4
б
,
б
б
,
8
П
л
о
т
н
о
с
т
ь
п
о
с
л
е
С
П
Ш
(
О
Н
L
I
Я
/
J
/
с
м
3
о
Р
и
с
.
4
.
В
л
и
я
н
,
и
е
т
е
р
м
о
о
б
р
а
1
б
о
т
к
и
(
з
а
•
к
а
л
к
а
о
т
8
5
5
°
С
в
м
а
с
л
о
,
о
т
ж
и
г
н
а
в
о
з
д
у
х
е
п
р
и
2
0
5
°
С
в
т
е
ч
е
н
и
е
I
ч
)
н
а
с
,
в
о
й
с
т
в
а
с
п
е
ч
е
н
н
ы
х
(
а
)
и
х
р
о
м
и
р
о
о
а
н
н
ы
х
(
6
)
ж
е
л
е
з
н
ы
х
б
р
и
­
к
е
т
о
в
с
р
а
.
з
л
,
и
ч
1
1
1
ы
м
о
о
д
е
р
?
К
а
н
,
и
е
м
у
г
л
е
р
о
д
а
в
,
и
ю
х
о
д
,
н
м
:
,
м
ж
е
л
е
з
н
о
м
П
Q
J
J
-
О
Ш
,
к
е
(
ц
и
ф
р
ы
.
ч
а
к
-
р
,
и
в
ы
х
у
,
к
а
з
ы
в
а
ю
т
с
о
д
е
р
ж
а
н
и
е
у
г
л
е
р
о
д
а
)
"
.
,
,
.
,


Исследовано также было и влияние термообработки
на свойства хромированных железографитовых и желе ­
зомедных мат~риалов .
Условия термообработки выбирались на основании
состава композиции по железу и углероду. Все образ­
цы одинакового состава после спекания и хромирова­
ния были подвергнуты закалк_е и отпуску совместно ,
поэтому результаты измерений свойств этих материа­
лов сопоставимы . Можно достоверно считать, что п·ред­
варительно образованные при спекании кристалличе­
ские структуры в дальнейшем формировались в идентич­
ных условия х.
Металлургическое соединение между поверхностным
слоем и сердцевиной _изделия так прочно, что ни раст­
рескивания, ни отслаивания во время последующей тер ­
мообработки не наблюдалось.
Предел прочности хромированных образцов после
термообработки на 31-57% вьJше предела прочности
спеченных образ цов, прошедших ту же термообработку
(рис. 4) .
Хромирование также благоприятно сказывается на
увеличение твердости, даже при низки х значениях плот ­
ности ,.._ , 5,9 г/ сл,1 3 . Например, твердость НRв спеченных
образцов с содержанием углерода 0,28% и плотностью
от 5,9 до 6,8 г/см3 после термообработки на ходится в
пределах от 10 до 45 единиц , тогда как хромированные
образцы с тем же содержанием углерода после ·термо­
обработки имеют твердость от 50 до 80 единиц ; это су­
щественное улучшение , если учесть низкое начальное
содержание углерода .
Выше в таблице приведены значения микротвердо­
сти хромированного слоя материалов с различным со­
держанием углерода и с различной плотностью .
Высокая твердость слоя после термообработки qока­
зывает его термическую стабильность .
•
На рис. 5 представлены механические свойства ма-
• териала М q. рки МН-100 , содержащего 1% С и различное
холичество меди (2 или 5 % ) . Свойства после термооб­
работки з десь также выше у х ромированных изделий,
но улучшение не так з аметно , к ак Пi!)И х ромировании
железографнтовы х материалов . Вероятно, это является
следствием высокого содер ж ания углерода и малой рас­
творимости хро м а в меди . Оба эти фактора, действуя
3* Зак. 619
у67


одновременно, уменьшают глубину проникновения хро•
ма и препятствуют растворению хрома в материале об~
•..
разца.
~i
!::)..1:::-- 70,0
с::~
.с:,:::,'
55,0
~.~
~95
~~ 42.О
~у 28,0
t::::~
~
. - -, ::::::
2 .....
-
~
1,.,-
2 1,.
t::::: :::::. 7 _
-
-:,_1- ~
f,
-
1,.
-
'--
1..
1,.
._... ._...
2~ -,::
--
с.-
-
. ,,, ..,
2-
_1-
---
,_
--
'
1,, -
·-
i,,
1
,,
i,,
,,
14•05,8 6,0 б,2 б,4 б,б б,8
40
б,0 б,2 б,4 б;б б,8 •
Плотность после спекания,г/смз
...
98,0
~
:::!~ 84,0
~~
~ ~~ 70,0
<.j ~ 56,D
~~
~[ 42,0
~~
~ 28,048 б,0 б,2
а
•
2
_
29
·~-
20
.: :.:: ::::... f
13
б
2
-.
... _
-
--
-
-
-
.,.
1,,
1
,,
б,4 б,б б,В
б,О б,2 б,4 б,б бД
плотность после спекания,г;см 3
б
Рис. 5. Влияние хромирования на ме,ханичеакие своltства железных прес•
~овок oocтasaFe- 1%.С -2% Cu (1) и Fe - 1% С -5% Cu (2):
а - OJIOЙIC'I1Ba п,реюсоsок после ,сшекаи,ия; 6 - ,авойс'IIВа цреооовок после XiPv·
ми,рования (,пунктиром показано изменение свой,ств в результате термооб•
рабо11ки - за,калки от 855°,С в масло с последующюм отпу,смю,м при 205°С
на воздухе в течение 1 ч)
Коррозионная стойкость
хромированных материалов
Из большого количества разнообразных методов ис-
1:пытаний материалов на устойчивость против коррозии
были выбраны способы, опреде_ляющие степень защиты
поверхностным слоем внутреннего объема изделия :
Без защитного поверхностного слоя металлокерами­
ческие железные материалы легко поддаются действию
большинства коррозионных сред, поэтому понятна необ-
68


-
ходимость покрытия материала спжJшным беспористым
и коррозионно стойким слоем.
Эффективность хромированного слоя зависит от его
пористости: чем меньше пористость поверхностного .
слоя, тем выше его устойчивость против коррозии.
На рис. 6 и 7 показана окалиностойкость хромиро­
ванных образцов и степень их устойчивости против кор-
розии в азотной кислоте.
•
Рис. 6. Стойкость против окисле­
ню, с~еченных (сплошная линия) и
хромир01Jанных (пунктир) желез­
ных прессовок различной плотно­
сти при выдержке на воздухе при
550° С; rплотность опе ченного бри·
кета:
O,Df ·
_
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2
J- 6,44 г/см•; 2- 6,81 г/сл,3; З-
6,96 г/см'
-
-
.--- . ---з ·
~.,,__
•'
O,OOI 2d 50 100 f40 18D 220
Выдержка,ч
су
~
,.
,о1
- :,;·
~<..:,
(:::,
~
:::,
~
1::
~
2~
~ 1D,D
:::,
~
O,f
Е::
~ 1,0!
0,01
1
1
1
1
1
24-40 "55 72 88
24487296120
!Зыдер)lfkа, сутки
Выдержка, ч
а
о
Рис. 7. Коррозионная стсйкость хромированных железных бр,t -
кетов в ра,створах азстной кислоты :
а - 20%-ная HNO, при 40° С: 1 - брикеты, преосованные под
давлением 4,5 Т/см'; 2 - брикеты, пре.ссоваиные под да,влением
7,5 Т/сл,'; б - 65%-ная кипящая HNO,: интервал
давлений
прессования от 4,5 до 9,0 Т/см'
69


При выдержке на воздухе при 550°С после первона­
чального окисления высокохромистой поверхности даль­
нейшего значительного прироста массы не наблюдалось
(рис. 6) .
**
*
Хромирование металлокерамических железных ма-
териалов существенно улучшает их свойства. Наличие
пористости в этих материалах позволяет п~оизводить
подповерхностное легирование их с помощью газооб­
разных реагентов; при этом достигается высокая сте­
пень диспергирования включений хрома, что невозмож­
но при обработке обычных компактных материалов.
Открытые поры способствуют глубокому внутренне­
му легированию, которое дает улучшение механических
свойств по всему объему образца .
Высокая пластичность и твердость поверхностного
слоя создает предпосылки для использования хромиро­
ванных материалов в новых областях, где требуется
пластическая деформация изделий после спекания или
повышенная износоустойчивос:гь.
Наконец, прочное сцепление с основой и коррозион­
ная стойкость диффузионного слоя дает хорошую тер­
мостойкость и устойчивость изделий к окислению.
Хромирование металлокерамических изделий может
привести к развитию новых областей применения по­
рошковых материалов, недоступных при использовании
•других существующих способов обработки материалов
после с·пекания.
Н. К. Кобел, Р. Ф. Нови
(N. К. КоеЬе!, R. F. Novy1)
ТЕРМООБРАБОТКА
МЕТАЛЛОКЕРА_МИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕИ
Режимы термообработки металлокерамических де­
талей существенно отличаются от режимов , принятых
при термообработке обычных стальны х деталей.
1 Lindberg .Engineering Со, Chicago , Illinois.
70
/


-
Настоящая статья посвящена вопросам выбора ус­
ловий термообработки, которые обеспечили бы опти­
мальное сочетание свойств в изделии.
Термообработка железных металлокерамических из­
делий проводится обычно для повышения механических
свойств - прочности, ' износоустойчивости, пластичности
или для создания какой-либо комбинации заданных
свойств. Из рис. 1 следует, что . добиться повышения
прочности можно одним из трех
различных методов: за счет уве-
~ ,00
личения плотности, увеличеншr )!:
содержания углерода или легиру- f во
ющих присадок и, наконец, -за- ~~ 50
калкой спеченной детали.
~
Естественно, максимальный ~ 40
с:,
предел прочности достигается в . ~ 20
б,б б,8 7,0 7,2
Плотностопосле спекания
г/см3
том случае, когда . материал с j
максимальной плотностью при 1
максимальном содержании угле- с::
рода подверга,ется закалке. Уве­
личение содержания углерода
Рис . 1. Прочность металло­
керамической медноникедс­
вой стали в с-печенном со­
стоянии и после термообра­
ботки в зависимости от со­
держания углерода и плот-
без термообработки дает лишь
незначитедьное повышение проч­
ности.
Угле·род вводится в материал
либо в виде присадки графита
в шихту (тогда ~необходимо ис­
попьзовать при спекании эндо­
термическую атмосферу, пред­
отвращающую обезуглерожива­
ние), либо карбидизацией изделия
ности:
1 - спеченная сталь с со­
держание.м О - 0 ,25% С; 2 .-
спеченная сталь с содер­
жанием 0,5 - 0.7%С; 3-
сталь с содержанием 0,5 -
0,7% С после термообработ-
ки
в специальной печи после спекания. Выбор зависит от
плотности изделия и от назначения и режима последую­
щей термообработки. Одновременное спекание и цемен­
тация не срдержащих графита железных деталей в бо­
гатой эндотермической атмосфере не рационально, так
как в этом случае в печи спекания происходит отложе­
ние сажи, приводящее к разбр.осу результатов по содер­
жанию углерода в изделиях. Обычно в шихту вводят
примерно 1-1,2 % графита, чтобы получить после спе­
кания оптимальное содержание углерода -0,8-0,9%.
Для этого необходим контроль влажности атмосферы
спекания: точка росы эндотермического газа должна
71


поддерживаться на уровне, соответствующем темпера­
туре спекания согласно диаграмме, представленной на
рис.2.
.
Как видно из равновесных кривых рис. 2, оптималь­
ному содержанию углерода при температуре спекания
1100°С соответствует точка росы примерно -10°С. Для
Рис . ·2 . Завис,имость равновесного содержания уг­
лерода в стали от· влажности печной атмосф·еры
(эндотермического газа) при различной темпера­
туре спекания. Пунктиром показана граница
аут:енитного ,претращен. 11я:
1- 815°С· 2~870°С· 3- 925°С· 4- 980°С· 5-
\о40°С; б-01100°С; 7-'II50°C
'
создания тако~ влажности газ9в1~rй генер,атор, до_лжен
работать при точке росы -4°С;~:кроме того, в печь ' вво­
дят углеводороды (природный г-аз), которые, : вступая в
реакцию с эндотермическим гNзрм, создают в печи не-
обходимую влажность.
i,,•' •
Следует указать, что ·точки : 1:р'осьг на равновесных
кривых были определены для ! углерода, растворенного
в аустените, а · не для углерода в ; виде · графита. Опыт по­
казывает, что когда углерод н:аходится в виде графит­
ных включений, равновесие наступает лри более низкой
точ·_ е •. росы. Именно по этой причине . в реальных усло­
виях для достижения максимальной концентрации угле­
рода требуется или более высокое содержание графита
в смеси, или более высокая влажность · ат~осферы, т~ем
показано на равновесной кривой.
72


Если после спекания содержание углерода в стали
-.:оставляет ~ 0,80 %, то термообработку ведут, нагревая
спеченное изделие до температуры 845°С в печи с эндо­
термической атмосферой , имеющей точку росы 1,7°С-, с
последующей закалкой в масло.
В зависимости от требуемых свойств могут прово­
диться и другие виды термообработки, например отпуск .
Цем~нтация
В тех случаях, когда по каким-либо причинам неже­
латеDiьно • вводить графит в шихту для спекания, когда
невозможно контролировать углеродный потенциал ат­
мосферы во время спекания или когда карбидизиро­
ваться должен только поверхностный слой детали , угле ­
род вводится во время термообработки. Это достигает­
ся газовой цементацией или нитроцементацией, но не
методом солевой ванны: из-за пористости металлокера­
мических стальных изделий солевая ванна не может
быть использована, так как соль , проникающая в поры,
вызывает коррозию изделия .
Оборудование, наиболее часто применяемое для це­
ментации или нитроцементации и закалки металлокера ­
мических изделий - это автоматически регулируемая
печь камерного типа , схематически показанная на рис . 3.
Эта печь имеет нагревательную камеру, источниками
тепла в кqторой служат радиационные тру бчатые сек­
ции, нагреваемые газовьrм пламе·нем; камера снабжена
феном , обеспечивающим циркуляцию цементирующего
газа . Расположение закалочной камеры позволяет про­
изводить закалку изделий в масло без контакта с воз­
духом. Закалочная камера оборудована мешалкой для
перемешивания масла, что создает для изделий одина-
. ковые условия закалки. Кроме того, закалочная систе­
ма предусматривает регулировку нагрева и охлаждения
масла, чтобы гарантировать контроль твердости и пре ­
дотвратить растрескивание изделий . Закалочная каме­
ра действует и как продувочная камера, вытесняя воз­
дух из садки изделий (иначе воздух будет загряз­
нять атмосферу печи). Садка обычно загружается и
выгружается и з печи при помощи электропривода
73


~
.
'
i
.
.
.
U
f
t
t
t
u
-
-
-
J
•
-
-
~
-
-
,
t
-
,
-
1
1
-
-
~
1
:
:
•
:
_
·
J
:
,
:
1
1
.
_
_
_
1
\
\
\
1
1
-
-
.
е
_
-
_
-
-
:
,
j
~
-
-
\
-
-
-
~
~
-
,
f
q
!
'
·
·
-
,
1
1
-
-
-
~
i
_
-
_
-
_
-
;
-
!
,
-
.
=
=
i
j
Р
1
1
,
m
:
;
,
j
1
1
.
L
X
I
I
I
J
:
ф
&
.
.
.
,
-
1
L
т
-
г
L
L
.
.
.
_
~
I
_
J
l
_
_
1
,
1
"
t
l
#
.
.
1
1
'
,
-
<
>
•
-
•
I
1
'
-
~
-
-
•
1
,
L
_
_
J
.
,
_
_
_
I
L
_
_
_
~
~
-
-
-
-
-
-
-
-
'
-
-
'
Р
и
с
.
3
.
С
х
е
м
а
п
е
ч
и
д
л
я
ц
е
·
м
е
н
т
а
~
и
и
и
н
и
т
р
о
ц
е
.
м
е
н
т
а
ц
и
и
п
о
р
·
о
ш
к
о
в
ы
х
и
з
д
е
л
и
й
.
.


и полный цикл, включая закал ку, может осущест вляться
автоматически .
Для цементации и термообработки и з делий и з ме­
таллически х порошков могут также применяться п е чи
непрерывного действия с вибрирующим подом или с
толкателем.
Печная атмосфера эндотермического типа генериру­
ется в тщательно контролируемых газовы х генератора х
путем крекинга смеси природного газа с воздухом до ·
образования газа состава N2 +40% Н2+20% СО+
+0,2% СO 2 +0 , 5% СН 4 с точкой росы, лежащей в пре­
делах примерно от -3,89 до -1,ll°C. Этот газ обога­
щается природным газом, чтобы в камере печи обеспе­
чить углеродный потенциал, необходимый для цемента­
ции изделий. Количество природного газа в смеси зави­
сит от величины поверхности садки и температуры
печи.
-: . ,·..:,1;.
Для нитроцементации железны х изделий в атмосфе- .
ру добавляют аммиак. Аммиа к, диссоциируя , азотирует
железо, что увеличивает з акаливаемость изделий и
обеспечивает равномерную твердость поверхностного
слоя . При повышенном содержании азота образуется
нитрид железа, которы й увеличивает износоустойчи­
вость железных изделий. Содержание различньr х газо ­
вых компонентов в атмосфере печи, определяющее угле­
родн·ьrй потенциал атмосферы, должно тщательно конт­
ролироваться , так как от этого зависит получение изде ­
лий с достаточной твердостью и износоустойчивостью,
хорошей поверхностью и точными размерами.
Важнейшей проблемой, решение которой необходи ­
мо для проведения качественной термообработки ме­
таллокерамических · изделий, является установление за ­
висимости между пористой структурой изделий и их ре­
акцией на термообработку. Методы контроля атмосфе­
ры, режимы термообработки, применяемые для изделий
• из литой и обработанной давлением стали, могут
ока-
1
заться непригодными для металлокерамически х сталь-
ных изделий. Существенную роль здесь играет разница
в плотности и во влиянии плотности на процесс цемен­
тации.
Изделия из железвы х порошков могут иметь раз ­
личную плотность : от 5,8 г/см 3 до приближающейся к
теоретической плотности 7,86 г/см3 . Принята следующая
75


• классификация металлокерамических стальных матери­
. алов
по плотности, г/см 3 :
Материалы низкой ПЛОТНОСТИ .
Материалы средней плотности
Материалы высокой плотности
5,8-6,2
6,3-6,6
6,7-7,0
При двухкратном прессовании интерваль1 плотности
несколько сдвигаются, г/см3 :
Материалы низкой плотности .
Материалы средней плотности
Материалы высокой плотности
.
6,3-6,6
.
6,8-7,0
.
От 7,1
и выше
Вследствие пористого строения железных изделий,
полученных методом порошковой металлургии, диффу­
зия углерода во внутренние объемы этих изделий про­
.текает- значительно быстрее, так как цементационный
газ проходит через поры и контактная поверхность
между газовой и твердой фазами сильно возрастает.
При цементации литой компактной стали насыщение
углеродом из газовой , фазы происходит только в по ­
верхностном слое изделия. Благодаря высокой плотно­
сти материала углерод диффундирует вглубь со сравни­
тельно малой скоростью. Этот проце~с описывается
формулой
о=К VI
где о- глубина науглероженного слоя;
k - константа, зависящая от температуры и вели­
чины уг.1еродного потенциала;
t - время карбидизации на данную глубину .
Единственным •способом интенсификации диффузии
и увеличения глубины науглероженного слоя в изделиях
из компакrной стали является повышение константы К
за счет роста углеродного потенциала и температуры.
Таким образом, промышленная технология цементации
компактных · изделий применяет атмосферы с предель­
ным углеродным . потенциалом и высокие температуры
(до 954°С).
Режимы, которые используются для цементации
компактных стальных заготовок, могут быть совершен­
но неприемлемы для заготовок металлокерамических.
На рис. 4 . показана структура металлокерамической
железной втулки плотностью 6,4 г/см3 , цементирован -
76


-
ной при заданных контролируемых условия:х, и для
сравнения - структура той же детали, цементирован­
ной в неконтролируемых условиях. В первом случае
видна однородная мартенситная структура, во вто­
ром - крупные карбидные включения по всему полю.
Ри-с. 4. СтруК'Гура спеченной железной втулки, цемен­
тированной при контролируемых (а) и неконтроли-
руемых (6) условиях; Х250
Карбидные• включения не только приводят к сохране­
нию остаточного аустенита в структуре, что снижает
твердость изделия, но также затрудняют контроль раз­
мера детали.
Для выяснения параметров, определяющих содержа­
ние углерQда, твердость, сопротивление износу, разме­
ры и качество поверхности детали, было предпринято
77


детальное изучение режимов термообработки железных
металлокерамических изделий с различной плотностью.
Ниже приводятся результаты этой работы.
Параметры режима цементации
и свойства изделий после термообработки
Углеродный потенциал атмосферы печи. Одним из
важнейших параметров, который необходимо, контроли­
ровать при цементации и нитроцементации, является
углеродный потенциал печной атмосферы. Углеродный
потенциал в атмосфере не только определяет процент­
ное содрежание углерода в изделии, но и косвенно
влияет на изменение размеров, твердость и качество по­
верхности изделия . Как ранее указывалось, оптималь­
ный уровень содержания углерода и в металлокерами-
, ческам, и в компактном стальном изделии составляет от
0,8 до 0,9% . Содержание углерода свыше 0,9% способ­
ствует сохранению остаточного аустенита, что _ свижает
твердость изделия. Содержание углерода менее 0,8%
вызывает снижение твердОf:ТИ и износоустойчивости
вследствие слабой закаливаемости такого материала.
Изменение углеродного потенциала, необходимого
для достижения в готовом изделии содержания углеро­
да, соответствующего заэвтектоидному уровню в зави­
симости от температуры термообработки, показано вы­
ше на рис. 2. Изучение процессов цементации и нитро­
цементации с последующей закалкой при различных
температурах показало, что температура 850°С дает оп ­
тимальные значения всех характеристик материала.
Как цементация или нитроцементация, так и закалка
могут . проводиться при эrой температуре. Высокая ско ­
рость диффузии углерода в металлокерамическом мате­
риале позволяет проводить все операции термообработ­
ки при меньшей температуре в печи, чем это требуется
при цементации компактных изделий.
Вместе с тем, более высокие температуры l'ущесr­
венно затруднили бы контроль углеродного потенциала,
размеры и твердость изделия.
Если углерод вводится в виде графита в шихту, а
спекание изделия производится в атмосфере с соответ­
ствующим углеродным потенциалом, то термообработка
заключается в нагреве изделия до 850°С в эндот_ермиче-
78


екай атмосфере с точкой росы примерно от -1,11 до
1,67°С, в соответствии с кривыми равновесия, представ­
ленными на рис . 2. По этим кривым можно рассчитать
углеродный потенциал, необходимый для предотвраще­
ния обезуглероживания при заданном содержании угле­
рода в материале .
Если же термообработке подвергается изделие, со­
держащее недостаточное количество углерода, эндотер­
мическую атмосферу печи обогащают углеродом, до­
бавляя углеводородный газ, например природный газ
или пропан. При расщеплении природного газа на по­
верхности изделия высаживается активный углерод, ко­
торый при температуре цементации диффундирует в
железо .
Количество природн◊го газа, вводимого в печь, зави­
сит от величины поверхности изделий, подлежащей це ­
ментации, и от качества герметизации внутреннего объ­
ема печи. Если точка росы эндотермического газа под­
держивается на уровне -1, 11 °С, то количество природ­
ного газа, добавляемого в печное пространство, состав­
ляет примерно 4 %. Например, если для данного разме­
ра печи расход эндотермического газа составляет
12 м3/ч, точка Q._осы атмосферы в печи лежит в пределах
от -1,11 до 1,67°С, а температура нагрева равна 857°С,
то чтобы получμть в готовом изделии содержание угле­
рода 0,85 %, необходимо вводить в печь примерно
0,5 м3/ч природного газа.
Если для регулирования углеродного потенциала
применить двуокись углерода СО2 , то эквивалентная
величина составит 0,28-0,32 % СО2.
Для контроля углеродного потенциала нео:бходимu
- измерение точки росы или определение содержания дву­
окиси углерода в пробе газа из юрячей печной камеры.
Отбор пробы газа осуществляется через пробоотборную
трубку, изготовленную из инконеля, которая через огне­
упор,ную стенку ,сообщае"гся с -рабочим просl'ранств,ом
• печи. Тща1ельный контроль атмосферы печи обязателен,
так .как ,ра·сход природного газа приходит,ся корректиро­
вать в зависимости -от :в·еличины поверхно·сти, подлежа­
щей обработке, влажности генераторного газа и герме­
тично·сти камеры в .печи.
Если печь не оборудована автом:атич-е,ским 1регуля·ю ­
•ром кон:центрации углерода, тогда для контроля угле-
79


•родного потенциала обычно пр.именяет-ся п·рибор для
измерения точки 1росы. Точку ·росы следует замерят ь •В
j
процессе цементаuут, после загрузки изделий в п-еч ь ; с
введением углеводородного газа точка ·росы должна ле-
жать ,В .пределах •от ___)1,1'1 до 1,67°С.
Ав1'оматич'еский прибор для 1регулировки углеродно -
t
го потенциала явля-ется идеальным ередством полно г о
ко·нтроля атмооферы печи . На ·рис. 5 •рядом с печ ью дл я
1'ермообра·ботки -показан многоточечный .инфракрае,н ый ­
·регулятор углеродного потенциала, установле'нный ·ви с ­
следовательской лаборатории фирмы Lindberg. Этот
прибор .ко.нтролирует и записывает уrлер-одный п-о тен-
циал атмосферы в печи для цементации, в генерат оре
эндотермического газа для цементирующей печи, в п ечи
для •спека,ния изделий и в генераторе эндотермического
газа для печи спекания.
Рис . 5. Установка для цементации, нитроце-ментации и . термообработки с
четырехточечным ре гулятором угл е р одного потенциала , контролирующим
атмосфе.ру в печи для термообработки, в печи для спекания {на заднем
плане) и в двух генераторах эндотермического газа
В промышленност,и ча• С1'О прим·еняют аналогичные
тр-ехточечные приборы, контролирующие атмосферу в
печи •спекания, •13 печи нитроцементаци!1 и в •эндотерм11-
8.0


ческам· газовом генераторе, питающем ,обе печи. Конт­
роль углеродного потенциала является одним из важней­
ших факторов для создания оптимальных условий про­
цесса цементации и нитро.цементации, поэтому все новые
установки •оборудуют,ся автоматическими регуляторами
углеродн,ого потенциала.
Контроль размеров .изделия. Чтобы •регулировать из­
менение размеров изделия во вр·емя термообработки, не­
обходимо ,строго контролировать все переменные пара­
метры с самого начала ·технологического цикла. Часто
для того, чтобы получить размеры изделия после спека­
ния в пр,еделах установленных допуско,в, в зависимости
от таких факторов, как дисперсность порошка, состав
смеои, плот.ность заготовки и концентрация углерода, ме­
няют температуру и ;вре·мя спекания. Такая неста1биль­
ность парамет•ров_ ;спекания приведет к нестабильности
плотности изделии от партии к партии, что создаст за­
труднительное положение ,при выборе !режима термооб­
работки, который обеспечил 'бы постоянство размеров
ко·неч,ных ,изд,елий.
Полагая, что •И плотность, и размеры •изделий при
спекании контролируются ,надлежащим образом, рас­
·смотрим условия, которые нео•бходимы для П·Оддержания
заданных размеров изделия в пределах допусков при
цементащии .
Пр,еж;де всего это ·контроль углеродного потенциала,
что обеспечивает постоянное оптимальное содержание
углерода в детали, и, след:овательно, по1 стоян,ное изме­
нение •размеров после закалки.
Вторым важным фактором является температура
термообработки, которую следует поддерживать в пре­
делах •81б-870°С (как указывалось выше, оптимальная
•со в-сех точек зрения температура - 1850°С).
Изделия, подвергаемые термообра,ботке, должны за­
г,ружаться в сетки ·равномерно, чтобы ,обеспечить равно­
мерную циркуляцию печной атмосферы и закалочною
ма·сла. Закалочная ва,нна кон,струируется так, чтобы
масло могло циркулировать через садку с большой .•ско-
"' ·ро·стью; это, как показано на •рис. 3, обеспечивается ,с по-
мощью масляного наоо,са. На·иболее •сильно ,влияет на
. искажение
размеров .неодинаковость условий закалки,
поэтому при закалке изделий необходим автоматический
контроль за температурой закалочной ,среды.
81


Ряд •опытов по определению влияния температуры
ма·СЛЯНОЙ ванны (в пределах от 50 ДО 21O°С) на стабиль­
НО·СТЬ 1размеров термообработанных изделий показал,
что оптимальная т·емпература масляной ·ва,н·ны'-135°С.
При температуре масляной ванны ниже , 1 ·2, 1°С обеспе­
чить конт, роль и з менения 1размеров изделия невозможно;
при т•емпературе масляной ва,нны выше 150°С на·блюда­
ется тенденция к уменьшению твердости.
Твердость закаленных изделий. Основным парамет­
ром, определяющим твердо•сть изделия, являет,ся угле­
·родный п·отенциал атмосферы печи. Для получения мак­
симальной тв,ердости содержание углерода ,в изделии
должно ·быть порядка 0,85 % . Чтобы увеличить закали­
ваемость , железные металлокерамические изделия во
,время термообработки азотируют, ;вводя ·в атмосферу пе­
чи безводный аммиак. При образовании ниl'ридов ·резко
увеличива•ется ·и з,1-юсоустойчивость деталей. Из-за высо­
кой пористости металлокерамических изделий расход
аммиака при азотировании их значительно меньше, чем
п·ри азот,ировании компактньrх материалов. Вполне до­
статочно введен·ия в эндотермическую атмосферу печи
2% аммиака. ,Введение в атмосферу печи свыше 5% ам­
миака приводит к образованию в материале аустенитной
структуры вследствие ·быстрой диффузии азота. Твер­
до·сть изделия с аустенtИтной структурой ниже, чем у из­
делия с мартенситной структурой, и, кроме того, затруд­
нен контроль 1размеров изделия. Изделия с плотностью
не ниже 7,11 г/см3 , подвергнутые цементации, имеют ,на­
углероженный на определенную глу.бину на·ружный слой,
обладающий .высокой тв-ерд,остью, ,и малоуглеродистую
пластичную ,сердцевину с высоким ·сопротивле·нием уда ­
ру . Изделия так•ого типа применяют, ся там, где необхо­
дима максимальная ,износоустойчи,в,ость ·в сочетании с
вязкостью, причем такой операции, ·как отпуск после
термообработки, абычно не требует,ся.
, Изделия, цементи·рованные
по ,всему ·сечению, для
уделичения вяз:rюсти подвергают •отпуску. Структура та­
кого изделия ,состоит из цементита ,и мартенсита, что
обеспечивает высокий предел прочности ,пр:и ·ра•стяже­
нии , но ·низкие показатели пластичности. Для п·олучения
оптимального , сочета,ния высоких прочностных и пласти­
ческих ,свойств изделия подвергаются отпуску при тем­
пературах ОТ '200 ДО 57O°С ,В ЗаВИ'СИМОСТИ ОТ l'р•ебуемых
свойств и условий эксплуатации изделий.
82
..


Качество поверхности изделий. Внешний вид и з де ­
лий, подвергнутых термообработке, должен быть таким
же и непосредственно после операции спекания. Это до ­
ст-ига·ется контролем различных факто·ров.
Прежде в-сего печь для термообработки изделий и
закалочная ванна работают с защитной атмосферой, что­
бы предотвратить контакт изделий ,с воздух-ом во время
нагрева.
Сад!{у ,следует ,нагревать до температуры цементации
в эндотермической атмосфере и лишь по-еле нагрева вво­
дить углеводород или аммиак. Это можно осуществить
автоматически дополнительным контактом на пиромет-
1ре: .по дост.ижениц температуры цементации от пиромет- ,
-ра подается сигнал на магнитный клапан линии подвода
природного газа и аммиака. Нагрев в чистой .эндотерми­
ческой атмосфере позволяет получить более однородный
цементированный слой во всех изделиях. Аммиак обыч­
но вводится в минимальных количествах, так как этот
газ травит поверхно-сть железных .изделий. В печах не­
прерывного действия газ, обогащенный углеводородом
или аммиаком, должен подаваться от заднего горячего
торца печи, а не от п·ереднего холодного тО'рца .
.Перед загрузкой •в горячую печь изделия обезжири­
ваются. Изделия непосредственно после ,спекания всег­
да имеют сухую ,и снободную от ма-сла поверх,ность, из­
делия же ,после механическ,ой обработки обычно имеют
на повер.1@ос~и масляную пленку. При зат-рузк,е в печь
для ц~ементаrц.ии .загрязненных изделий под -влиянием
высокой температу1ры масло •разлагает-ся ,с образовани­
ем углеродного осадка на поверхности изделия.
Проблема удаления масла ,с металлокерамических
изделий достаточно сложна·. Очистка этих изделий на
обыч,ных моющих или обезжиривающих машинах ниче­
го не дает; больше того, такая •обработка вносит в изде­
лия доп•олнительные загрязнения. Наилучшим способом
очи,стки изделий служит выж,игание масла, когда изде­
лие ,помещается в ,специальную печь с температурой 1ра­
бочего прос'!'ранства 1230°С . При этой температуре П,РО·
исх-одит ,сгорание ма,сла и поверхн-ость получае'!'ся 01без­
жиренной. ~Можно :использовать отжиговую газовую
печь, -оборудованную вытяжным вентилятором, чтобы
предохранить .Поil{ещение от наполнения дымом. Предва­
-рительному отжигу для удаления масла желательно
подвергать ,все металлокерамические изделия, под.)Iежа-
83


щие термообработке при высоких ,емпературах. Если
изделие перед термообра,бо,кой не обезжирить, ·ю при
~
температуре термообработки па•ры масла удаляются с
такой большой ,скоростью, что пламя вырывает,ся из пе-
чи; это может вызвать пожар или взрыв.
Чтобы закалочное масло было чистым, на линии его
циркуляции устанавливаются ма•сляные фильт,ры. На
ри-с. 5 виден такой фильтр для закалочного масла, •рас-
положенный позади печи.
1
Одним из факторов, -влия-ющих на качество поверх­
но· сти изделия, являет, ся ·температура закалочного мас­
ла. Оптимальная температура ·равна . 135°С.
Если из-за отсутствия природного газа применяется
пропа,новый или бутановый газ, то пр-опан должен со ­
держать менее 5% пропилена (насыщенный углеводород) .,
Использовать можно . только п-бутан, но не изобутан.
Присутствие в печной атмосфере ·нена• сыщенных уг­
леводородов и из-обутана ·служит причиной появления на
поверхности черных -осадков , сажи; ,провести цемен,а ц ию
с rголучением блестящей чистой п-оверхности в этих ус-
1ювиях невозможно.
Тер•мообработка металлокерамических изделий
с различной плотностью
.Выше •были ,рассмотрены вопросы •рационального вы­
бора ·оборудования для термообработки и описа.ны мето­
ды к,онтроля процесса, обеспечивающие получение о п­
тимальных ,свойств в готовой продукции. Однако для то ­
го чтобы .в ,реальных условиях получить в изделии за­
данную поверхностную тв•ердость, концентрац·ию угле,ро­
да ·и глубину цемен,ированного слоя, должны быть при ­
няты во внимание не только упомянутые факторы, ·но и
собственные свойства спеченного изделия. Режим термо­
обработки, подобранный для партии изделий по твер­
дости матрицы, микро- структуре и другим показателям,
мож,ет привести ·К получению ма•ссового брака, если не
учесть изменений плотности изделий от партии ·к пар­
тии и не внести соответствующие поп-равки в методь1
контроля качества ,продукции . Даже :в изделиях одной
па1ртии ,всегда имеются вариации по .плотности, что мо­
жет явиться причиной брака, если предварит,ельно не
будет дос,и:нута 'догов-оренность в о,ношении способов
измерения твердости и других величин.
84


Для доказательства зтоtо поJ10Жения была проведе­
на нитро:цемен·тация в одинаковых условиях спеч•енных
из железного порошка изделий (рис. 6), обладающих раз­
личной ,ПЛОТНОСТЬЮ-ОТ 6,0,до 7,5 г/см3, с тем ' чтобы
сравнить, как проходит процесс ,нитроцементации в каж­
дом ИЗ НИХ.
Рис. 6. Издел ия из с n еченн◊rо желе-зного . порошка с
различной плотностью:
1-
коничеекая шестерня; 2 -
ведущая часовая шестер-
ня; З - малая шестерня;
4-
соба чка; 5 и
6-
зу бчатые
колеса; 7 и 8 - колпач,ки; 9 - чека
Кроме того, ·было о~бработано несколько изделий с
переменной ,плотностью. Наибольший интер,ес представ­
ляют изделия 1-4 на ·рис. 6: к·оническая шестерня с пе-
• ременной плотностью от '6,2 до 6,4 г/см3, ведущая ча•со­
вая шестерня -с плотностью 7,4-7,5 г/см3 , малая шестер·
ня с плотностью 6,2 г/см3 и собачка с плотностью
7,5 г/см3 . Параллельно •С этими ,изделиями обрабатыва­
лись компактные образцы из углеродистой , стали, имею-
щие диаметр 19,05 мм, толщину '6,35 мм.
,
Процесс нитроцементации проводился на стандарт­
ном оборудовании, представленном на ·рис. 5. В печь по-
85


д-авался защитный эндотермическ,ий газ в ,смеси с п·рА­
,р,одным газом и ·безводным аммиаком. Содержание уг­
леводор•ода авт·оматически контролировалось инфра­
красным газоанализатором . Спеченные изделия (44,5 кг
в залрузке) размещались на решетке, каждое изделие
было :отделено от других ,с ·тем, чтобы ,не допустить ,слу­
чайного механичес~юго повреждения. Предварительной
очистки поверхности изделий не производилось.
Ниже следует описание процесса нитроце:ментации.
-
1. После продувки печи з'ащитным тазом загружаю-~ ·
в печь садку и нагревают ее до температуры S50°C. При
этой температуре изделия .выдерживают в атмо,сфере чи­
•стого эндотермического газа в течение 5 мин.
2. 1Вводят природный газ и аммиак. Расход аммиака
в течение · всего цикла составляет 2 % от общего расхода
защитного газа.
3. Выдерживают загруженные изделия в течение 1 'l
n этих условиях, причем содержание в атмосфере дву­
окиси углерода в пределах 0,28-0,38% автоматически
контролируют добавлением природного газа. Средняя
влажность . атмосферы соответствует точке росы от
- 0,56 до 1, 11 °С, среднее содержание природного газа-·
около 4%.
4. По окончании выдержки садка выгружается;
производится закалка в горячее масло при темпера­
туре 135°С.
5. Обработанные изделия обезжириваются.
В таблице 'приведены результаты измерений твердо­
сти и глубины цементированного слоя в закаленных из­
делиях.
Чем ,выше плотность ~изделия, тем резче .выражена
граница 1цементиро,ванного ,слоя. На ри,с. 7 показана
структура гран·ицы в образце углеродистой стали и в
спеченном образце ·плотностью 7,4-7,5 г/с.м3 (собачка).
Средняя глубина цементированного слоя в углероди­
стой стали равна O,2:З-0;28 мм; в металлокерамическом
железном образце цементация прох-одит более' интенсив­
н•о .и глубина ,слоя доститает 0,30-0,33 мм.
Раопределение углерода .в цемент~ированном 1слое
одинако,во и ·в компактных, и в -спеченных изделиях.
Мартенситная м-икроструктура , слоя представлена на
рис. 8. В изделиях с низкой плотностью, в частности, 13
показанной на рис. 6 (3) малой шестерне, плотност1:,
86


Твердость и глубина цементированного слоя
в металлокерамических изделиях различной плотности
Твердость
Плотность
поверхности
Глубина це- ,
Изделие
после
матри- мен-rирован-
спекания
1
цы
ного слоя,
г/смз
HR.A
HR.B
HR.C
мм
Стальной диск (эта-\ 1 1
лон),,......
7,86 81-83
0,23-0,28
Собачка . . ... . , 7,4-7 ,5[81-821
0,30-0,33
Часовая шестерня 7,4-7,5
-
-
-
-
в том числе:
ступица
-
80-82 - 58-61 0,33-0,43
зуб
-
-
120-123 54-61 Сквозная
цементация.
Малая шестерня . . · 1
6,2
То же
Коническая шестер-
НЯ
.•
6,2-6,4
-
-
-
-
в том числе:
ступица
-
52-56 90-92 52-56 0,25-0,38
вершина зуба
-
61-64 104-106 -
Сквозная
'
цементация
основание зуба
-
66-69 108-111
-
0,76-0,90
•·
"
Рис. 7. Стру,ктура цементированного слоя в образце углеродистой стали
(а) и " ме-галлокерамичео,юм образце плотностью 7,4 г/см•· (б); XIOO
87


коrорой , составляет примерно 6,2 г/см 3 , наблюдается
сквозная диффузия углерода, изделие при этом ПР'иобре­
тает полностью мартенситную , структуру.
Рис. 8. Мартенситная структура цементированно­
ного слоя в металлокерамическом железном об­
разце п.,отностью 7,4 г/сл,3 : Х250
При исследовании после цементации с11руктуры ча­
совой шестерни, которая обладает относительно в ы сокой
плотностью (порядка 7,4 г/см3 ), -была замечена ,неод н о­
родность ,слоя вследствие разницы в плотности по изде ­
лию. На рис. 9 показано -сечен~ие зу<ба конической ше -
/
!
/-
/ ,,.- .... ,
1/
',
/~ :-
,-- ,,,
,__
......
.
'
_r__ J _____
__
__
~~--
Рис, 9, Сечение зуба конической
шестерни и схема диффузионных
слоев после
нитроцементации в
течение 1 ч при 850° С с закалкой
в масло:
М - мартенсит: П
-
перлит; Ф -
феррит
,
....


•
стерни, где в соответствии с изменением пл относrи в
объеме 1издели51 и связанной с етим неравномерносп,ю
диффузии углерода ,в,оз.никает градиент твердости .
Одна из основных проблем при оценке качества ме­
таллокера·мичвских закаленных 1изделий-,способ опре­
дел•ения т.верд,ости. На о•сновании данных, приведенных
в та·блице, можно ,считать, что для ,плотных о·бразцов
(7,2 г/см3 и выше) с глубиной ~цементиро,ванного ·марте,н­
ситного слоя более 0,2.5 м.м удовлетворительные по вос­
производимости резуJ1ьтаты дает измерение твердости
ло шкале НRл . Если юлотность оlбразца ,с,о,ставляет ме·­
нее 7,2 г/см3, точность ·и ,воспроизводимост,р измерений с
помощью алмазного индентора заметно ·падают, так ,как
возра,стает ~влияние пористо,сти . В этом случае измере­
ние твердо,сти рекомендуется производить по шкалеНR в
при нагрузке 100 кГ. Исп·ользование ,в качестве инденто­
ра шарика позволяет более равномерно ~распределить
на·грузку iИ до некоторой ,степени устраняет влияние по­
ристости .
Для качественной оценки поверхностной твердости
очень удобна проба напильником . Если напильник не ос­
тавляет 1на пов~рхности изделия · заметных царапин,
можно ,считать, что твердость на пов-е·рхно,сти соста,вляет
не менее Б8 HRc .
.
·
В заключение следует еще раз подчеркнуть ,важность
вы1бора критерия для оценки качества изделия. Пра­
;вильный ,выбор может быть ,сделан лишь ,в том ,случае,
если, ·с одной Сl'Ороны, будут учтены у,словия эк,сплуата­
ции изделия, и , с другой, - найдены наиболее рацио ­
нальные ,способы определения ,авойств издел1ия.
дж: Дж. Скотт
(J. J . Scott1)
,ВЫБОР СМАЗОК ДЛЯ САМОСМАЗЫВАЮЩИХСЯ
ПОДШИПНИКОВ И ДРУГИХ ДЕТАЛЕН
\
Самосмазывающиеся подшипники и детали известны
давно, однак•о данные о смазках для прО1питки этих де­
талей почти не п убликуются . В про·цессе нормальной :ра-
1 Bound Brook Bearing Corp . , Boun~ Brook, New Jersey.
119


5оты подшипника (если не nринимать Ео внимание мо­
менты пуска и остановки) почти неважно, из какого ма­
гериала изтотовлен подшипник :или хорошо ли он , спе­
чен, н·о существенное значе.ние имеет качес11во смазки. В
' реальных . же условиях эксплуатации большинства дви­
гателей наилучшим ·образом удовлетворяют . вс-ем требо­
ваниям бронзовые ,подшипники; имен,но лри ис-следова­
нии бронзовых :подшипНJ-!КОВ получены все данные, п,ри ­
веденные 1в настоящей !ра'боте. Разумеется, о'становлен -
•ные здесь зависимости 1в iравной -мере можно отне,сти и к ·
другим материалам, ·работающим ,в условиях са·мосма­
зыва,ния.
Количество смазки, ,вводим-ое в подшипник, невели­
ко; тем более важно, чт-о'6ы -смазка ,была уст1ойчивой и
имела хорошую ,смазывающую -способность.
Предп·олагается, что смазка при работе сохраняет
жидкотекучесть, .не разлагается, не загустевает и не за­
тве,рде~вает .
Вязкость различных смазок1
Ха·рактер.истики трех сортов смазки, которые уже в
течение многих лет ·· находят пр1именение 1в разнообраз­
.ных установках, представлены .в та·блице.
Характеристики смазочных масел различных сортов
Характеристика вяз-
кости по Сейболту,
Устойчи-
сек, при
Относи-
Точка
вость
Сорт
1
тельная текучести,
протна
вязкость
ос
окисле-
40°С
!00 °С
ния"'. ч
Легкое
150
44
112
-12
3000
Среднее
300
54
110
-11
3000
Тяжелое
750
79
102
-9
2000
• При 100°С в присутсгвии металлического ка тализатuра.
Для -самосмазывающихся лодщипнико.в следует ре­
хомендовать ма-сло -с ~высокой ·относительной вязкостью,
так как •это является !Показателем его ,способности с·о­
противляться разжижеН,ию с повышением темлерату,ры.
За максимальную .вели~ину относительной вязкости
90
..
.,.


•
....
а:олгое ,вр·емя принималась цифра ·100, однако сейчас
jлаг~да-ря пр·именению специальных дО'бавок 'Эта вели ­
о:: ина ·превышена .
Стандартными . испытаниями масел ASTMD обычно
предусматривается qпределение стабильности свойств
·масла в течение длительного ,времени.
Ниже ·эти •испытания 1будут описаны более детально .
Т·очки текучести этих смазок не очень низки (oкo­
JJO ---' 10°С),
но для спеченны х материалов этот фактор
не имеет ,суще,ственного зн_ачения, так как подшипники
етого типа полностью реа·бсорбируют смазку во время·
остановок, :что предотвращает образование на поверх­
ности трения толстой пленки масла, которая может ,вы­
зывать определенные трудности •при пуске .
Легкие масла ,с -малой вязкостью применяют в уст­
•ройствах с малой .величиной крутящего момента , напри­
-мер ,в усилителях •блок,овой мощности, или в установках,
•ра'ботающих при низких температурах.
Масло •со ,сред,ней !Вязкостью (300 сек ·по Сейбол­
ту) - это смазка общего назначения, пригодная к при­
менению в ,самых ,разнообразных условиях.
В условиях высОКiИХ нагруз·ок, .:Например в подшип­
никах ни:з:rюс:rюростных или вибр.ирующих валов, где
тре1буется обильная смазка, на поверхности трения при­
меняют тяжелое ма1сло с высокой ,вязкостью (7:SO сек пс
Сей'6олту) .
Разумеется, встречае-гся целый ряд случаев, требую­
щих щри1менения смазох иных ма•рок. Так, в авиащион­
ных ,подши:пниках , с малым ·крутящим моментом исполь­
зуются легкие синтетиче, ские масла; ,в тяжелонагружен­
ных т;рущихся парах ,используется специальное тяжелое
шесте.репное .масло .
Испытания качества смазок
.
Для 01ценки :rs ачест-ва ,подшипнико·вых смазок ,сущест­
вует два вида квалификационных ·испытаний. Первое
проводится в течение 8 ч, на установке, представленной
на ,р,ис. 11, при PV=2'5O0'◊. Подшипн·ик ,с номинальными
·размерами 19 Х .2:5,4 Х44,45 мм имеет :поверхность тре·ния
64'5 мм2 ; ,ско1рость ,вrrащения вала составляет ,1:50 м/мuн.
Испытуемая группа подшипников ,строго контролиру­
ется п·о проницаемости .
91


Смазка ,вводится 1в подшипник :вакуумной пропиткой,
п,осле ·щюпитки определяется точное объемное содержа­
ние масла. Измеряется диаметр вала и подшипника в
сборке. Температура на на1ружной поверх,нос11и подшип­
ника определяется ,в процессе испытания с ~помощью
термопары. Термопара ооединяется ,с ,самопишущим по­
тенциометром. Анализ температурных кривых позволил
сделать определенные выводы относительно прочности
смазочной пленки .
•
.4
Рис. 1. У:становка для оценки качепва под-
шипниковых смазок:
1 - двигатель; 2 - муфта; 3 - термопара; 4 -
поrrе,н.ц,и,оме,1'р; 5 - щит подши~пн,ика ; 6
-
блок
упорного подши~пника: 7 - подшипник с ис-
пытуемой смаэ,кой; 8 - нагрузка
,После ,первоначальной обкатки, которая ,продолжает­
ся в течение I ч, •температура стабилизируется, что вы­
ражает,ся ,на ,графике прямой линией.
Т1ипичная потеНJциометрическая .крив·ая представлена
Нс!._ ,рис. ,2. В опытах была установлена непосредст.венная
корреляция между температу!рной кривой и коэффици­
ентом трения.
П·ри плотности пропитанного маслом подши,пника
6,6 г/см 3 и в отсутствие избытка смазки подшипник все­
гда ,работает ,в условиях • то,нкой пле.ю~и, так что проч­
ность смазочной пленки чрезвычайно важна.
На -рис. 3 представлено ,схематически взаимодействие
между :подшипнико·м и валом. При ~вращении вала в
92


..
{50
,
./
/-- ...... , /
/
J
/
/
/
/
I
10
о L-.--'--.I.._........L_j__.....J__j___..i..___.J
2З45б•78
Время испа1таншr, ч :1 -
Рис. 2. Температурная кривая при испыта­
Н·И~И !l1одшюmн1и~ка, ,цр,опитанносо турбин­
ным маслом; пунктиром показана анало­
гичная кри·вая для подшишника, проmr-
танного омаз.J<;ой t111з1юго к«чества
Наzрузка
Рнс . 3. Схема JJза·имодейспшя
подшипника и вала:
1 - подш.ипник; 2 - сма3очна>1
Пl!eHJ<;i\


подшипнике в зазоре между ним-и , создает, ся масляная
пленка, ' т. е. возникает гидродинамическое , смазывание.
В з•оне действия наг~рузюJ ма ело из пленки вытесняется
в поры подшипника и циркулирует 1в П'ОВерхностном слое
металлокерамики. Это явление , с ,одной стороны, пре­
дохраняет поры в поверхностном слое от закупорки,
т. е. обеспечивает постоянный ~приток ,смазки к трущим­
ся поверхностям, но, ,с другой 1стQроны, вызывает разру­
шение ,смазывающей пленки , что заставляет .вводить в
смазку •специальные добавки, повышающие пр-очность .
·пленки.
Каждая смазка и все применяемые для их приготов­
ления нефтяiНьrе масла должны прох,одить это . испыта­
ние .
В процессе второго испытания, которое не менее важ­
но, чем пе:рвое , проверяе11ся ,стабильность смазки при по­
вышенной темпера'Гуре. Это испытание длится ЭООО ч
шри 1 100°С; ,считается, 'что ,подшипник при этом оказыва­
ет каталитическое действие на реакцию загустевания.
В стакан емкостью 1,50 мл заливают НО мл смазки и по­
гружают в ·качестве катаЛ"изато·ра 7б малых п·одши1пни­
ко,в ·размером 4,8Хб,35Х ,9,16 · мм . Стакан 1ставят в печь,
температура в которой поддерживается на уровне
ЮО± 12°С, ,и выде:ржи;вают в печи в тече:ни•е 3000 ч. Для
ускорения испытания используют есте1ственную воздуш ­
ную iц,иркулЯ'цию . Через каждые 11000 ч про,ве,ряют сос­
тояние смазки и подши_пников.
От кажд,ой ,смазки отбирают три про·бы и титр·овани­
ем определяют •ИХ ·кислотность.
Если ки,слотность пробы ·отклоняется от нейтрально­
го значения рН ~на величину, превышающую 0,2, счита­
ется, ч1'о 1смазка неуд·овлетворительна. Следует помнить,
что для ,большинства установок предусматрл1ваемое •
стандартами отклонение кислотности смазочных масел
от нейтрального значения ,составляет 2,0 рН - оrсюда
видно, насколько жестче предлагаемые здесь условия
испытания .
На •рис. 4 .показа,на зависимость -срока служ,бы масла
от ОК'И•сления, а также ВЛ'ияние ингибиторов на увеличе ­
ние этого ср·ока. Как видно, на'именее стабильно нафте ­
новое масло; парафин•о,вая смазка имеет гораздо ·боль ­
шую е,сте,ственную ста1биль.но,сть, .но и о.на далеко не пол­
ностью отвечает предъявляемым тре'бованиям.
94


Для tювышения стабильности 1В -смазки обычно вво­
дят органиче,ские ~ингибиторы или металлические деак­
тивирующие вещест.ва (от 0,25 до 1,,О % ) . Эффективность
этих присадок неодинакова. Некоторые из них при 100°С
. юочти
полностью предупреждают ,окисление ,в течение
1500 ч, а затем теряют
свою эффективность;
при введении других
начальная
скорость
окисления
несколько
выше, но влияние их
сохраняется на более
длител:ыный период.
Кроме того, ,срок служ­
бы сма зок зависит не-
посредственно от тем­
пературы; при 100°С
срок службы дщ:тигает
3000---1000 ч, но по ме­
ре повышения темпера­
:rуры снижается и при
130°С составляет не бо­
лее 1000 ч. Это застав­
3
Рис . 4. Окисление смазочных масел при
JOQQ С:
1 - нафтеновое масло с низкой вязкостью;
2 - парафиновое масло с высокой вяз­
костью; З - то же, с малыми добавкам!'I
ингибитора; 4 - то же, с оптимальным
содержанием ингибитора
J1яет проводить исследования по разработке эффектив­
ных ингибиторов для естественных масел и различных
синтетических смазок, пригодных для высоких темпе­
ратур.
Синтетические смазки
Разработка синтетических 1смазок •веде'I'ся весьма ин­
тенсивно, однако 'Результаты, .полученные .при и- спользо­
ва:нии этих ,смазок s самосмазывающихся подшипниках,
пока незначительны.
Оинтетические смазки имеют •ряд положительных
свойств, в частности вьюокую относительную вязко-сть
и уст-ойчиво1сть к окислению, но ,ни од,на из них не обла­
дает нсем комплексом нео'бходимых овойств.
Силиконовые масла
Силиконы -ето довольно большая группа смазочных
материалов, ~имеющих ,высокую устойчивость к окисле­
нию и ста,бильную .вязкость, ,но очень низкие ,см-азываю-
95


щие свойства. Стандарtньrе йспытания показывают nол­
,ное отсутствие у них способности к смач.иванию .вала и
низкую :п.рочно- сть пленки .
.
..
Применение СИЛ'ИК·ОН'ОВ нозможно только :В двигате­
лях ,с незначительной натр у зк·ой , в тех ,случаях, где тре­
буется продолжительный Qрок •службы •смазки при до­
вольно ,высоких тем,пературах.
полuглuколu
Эта nруппа ,смазок имеет высокую прочность пленки,
что о'6еспечи.вает ра·боту подшипнико1в при высоких на­
грузках ; относительная .вязкость полигл1иколей 140-
150.
К сожалению, .в-следствие ,сублима,ции смазки в кон­
такте с металлическим катализатором устойчивость про­
тив окисления у смаз-ок это й г.ру.ппы чрез·вычайно мала .
Введение обычных ингиб,ит,оров .не устраняет этого де-
фекта .
•
Силикон, - гликолевые cлtecu
Комбинированные .смазки этого типа обладают ~поло­
жительными качествами, свойст,венными каждому из
компонентов : .высокой устойчивостью пр·отив окисления
аили1юно,в и пр,очностью •смазочной пленки гликолей.
Однако некоторые испытания показывают, что введение
в силикон гликоля не только придает высокую прочность
пленке , но и вызывает нежелательную сублимацию
смазки.
Синтетические масла на основе диэфuров
Эти ,смазки ,находят широкое применен,ие ,в сам·осма­
зывающихся подшипниках, большее, чем любые другие
синтетические вещества. Ведутея болыпие работы по .ПО·
вышению их устойчи1вости против -окисления и ·однор,од­
ност,и. Так как суще,ствуют данные, доказывающие .в-оз­
можность полимеризации диэфиров, степень которой за­
висит от температуры и в:ремени, пригодность ди:э~фиро ­
вых смазок. к длительной е коплуатации требует допол-
нительных подтверждений . •
'
•
•
96


...
Полиэфиры
Считают, что смазки на основе полиэфиров пригодны
для експлуатаrции в шир-оком инте1рвале температур, од­
нако для ·безу,словно'fi рек-оменда~ции этих -смазок ,доста­
т,очных данных еще ,нет .
Фторкарбон.аты и хлор·карбон.аты
Недо,статоч.ная ,ста,бильно,сть этих материалов не поз­
воляет ;прещ1атать их ,В качестве пропитки для ,самосма 0
ЗЬ!IВаЮЩИХ· СЯ ПОДШИПНИКОВ.
Методы пропитки
Существуют два стандартных метода пропитки само­
смазывающихся ,подшип,ников смазочными ма, сла'Ми .
;J. · Об:разец по~ружают в масло при комнатной темпе­
ратуре; сосуд ,с ма,сло'М откачивают до давления ....... 50 мм
рт. ст. и в течение 30 мин. ·выдерживают об,разец в ма,сле
при етом давле,нии ; затем поднимают да,вление до атмо­
сферного и выдерживают образец .в масле в Э'I'И х услови­
ях ~в течение 1О мин. .
2. Образец по,гружается в ,ма-сло ,с вязкостью по Сей­
болту при 40°С примерн·о 200 сек и выдерживает-ся мини­
мум 4 ч при тем.пературе 80± , 15°С, а затем охлаждается
поnружением в масло комнатной температуры.
Обычно предпочитают вакуумный метод пропитки,
особенно если плотность образца выше 6,8 г/см3 . Для де­
талей же с .плотностью п-орядка ·6,б г/см3 иногда приме­
няет,ся и пропит-ка ло~ружен,ием . На рис. 5 показаны ·ре­
зультаты пропитки подшипников с такой плотностью
обоими методами. Очевидн·о, что в тех случаях, когда у
пот,ребителя 011сут-ствует ,вакуумная аппа·ратура, в каче­
стве паллиати.вного метода можно ·рекомендовать и .про­
питку пог,ружением. Однако кривые, представленные
. на рис. б, с:видетельст.вуют о необхОдим.ости введения в
режимы пропитки погружением -существенных ттоправок,
учитывающих геометрию пропитываемой детали. После
выдержки .в - ма,сле в . продолжение 4 ч только тонкостен­
,ный лодши.пник (с толщиной ,стенки 11,6 мм) пропитыва­
ется ,смазкой в достаточной степени (минимальное , стан•
дартное ,содержание смазки в подшипнике соста.вляет по
dбъему 118%) . Подшипник с толщиной стенки 3,2 М:М
4 Зак. 619
1197


пропитывается до уро,вня не, сколько ниже минимально
допустимого, а в тяжелых сферических подшипниках
по,сле четырехчасовой пропитки содержание ма,сла сос­
тавляет в-сего !12,6 %.
Рис. 5. Вакуумная пропитка (/) и прu­
пи11ка П•О!1J) ,ужен,ием (//) П!ОдIILИIПН.И,!ЮВ со
срещней плотностью 6,6 г/см3 в ту,рбинном
ма~с-ле:
Х - тонкостенный пс,дшипник (толщина
сте,гки l•,6 мм); 8 - ПОlдШИJПНИК с ТОЛЩИ·
ной стенки 3,2 мм; О - сфериче,жий под­
ши:пннк радиу,сом 4,0 мм. (Стандартный
м-инимум объемного содержания с.мазк1и ·в
по.п,шипн,и:ке 18%)
Метод ,вакуумной обработки более совершенен; ваку­
умный ,цикл ,продолжительностью 30 мин, обеспечи-вает
100%-ную пропитку ,подшипника. Такая полнота пропит­
ки методом погружения возможна л,ишь при выдержке в
течен·ие 12 ч,, а для толстостенных .подшипников - и
еще большей выдержке.
Пропитка .погруж,ением имеет и друг.ой существен­
ный недоста'ГОК - это высокая тем,пература процесса.
Как указывалось при описании 'Ис'пытаний по сопрЬтив­
лвнию ·смаз•ок окислению, .повышение температуры от­
~рицательно сказывает,ся на , свойствах смазок и выдерж ­
ка в течение длительного ~времени при 80°С ,в присутст­
,вии металлического . катализатора может .привести к
разложению ма·сла вследствие потерь ингибиторов (наи­
более ра·спространенные • ингибиторы - фенолы
-
при
8О0С ~быстро иопаряются). Добавки, улучшающие в~з-
98


кость, и клейкие добавки при температуре пропитки те ­
,ряют свои положи<гельные ,св-ойст,ва и более того начи ­
нают охазывать отрицательное влияние на качеств-о
•смазки . .
Преимущества ,вакуумной пропитки настолько не­
сомнешны, что пропитка погружением должна использо­
ваться лишь в крайн,их случаях, т. е. в ,случае ,выхода
из •строя установки вакуумной пропитки.
Применять вакуумную о6ра·ботку с :последующи,м
увеличением давления не целесообразно, так как ваку­
умный ,мето:Ц обеспечи.вает полное заполнение ,см азкой
всех взаим ,освязанных пор.
-
Дополнительная смазка
Бели подшипник :работает в условиях 1больших на­
грузок, ,в ,высокоскоростных дв-игателях, требующих дли­
тельно-го •срока службы подшипника, то .в .процессе экс­
плуатации установки на поверхность трения подает·ся
дополнительная смазка. На •\Же. 16 ,показана конструк­
ция, где схема подачи дополнитель·ной смазки выполне­
на в одном из на:μ6олее удачных вариантов. Подшипник
окружен смазочным фитилем. Наиболее распространен­
ным материалом для фитиля t:лужит шерстяной войлок.
Хорошо отбеленный войлок позволяет с успехом приме­
нять в качеств-е смазки животный жир, причем особен­
lНО рекомендуется при менять такие сорта войлока, кото­
рые хорошо впитывают и сохраняют масло.
Пригодным материалом для !фитиля являет•ся целлю­
лоза в виде прессованной прокладки .
Для пропитки войлочных и целлюло зных прокладок
следует · п·рименять ту же смазку, которой пропитан под­
шипник.
При .питании че,рез стенки не следует применять твер­
дые ,смазки. Дело .в том, что капиллярные отверстия в
стенках по-существу являют•ся ~фильтрами, задерживаю­
щими ~ра зличные П-р'имеси из твердых ,смазок, что ,в кон-
!' це концо•в приводит к засорению капилля1ро.в; подшил­
ник п.ри этом п~·рестает быть самосмазывающимся.
Как упоМ"иналось ранее, существует про·блема смазки
" для повышенных т,емператур; к•огда же такая ·смазка
,подобрана, ,необход,им.о найти ·спосо:б сох·ранить смазку
в виде суспенз·ии, пригод1Ной для дополнительных сие.-
4* Зак. 619
99


тем. ,Войлок и целлюлоза при высоких температурах
быст1ро теряют свои ценные характеристики, поэтому
приходи-гся обращать,ся к синтетическим материалам
таким, как ацетаты ,и пол:иэфиры; ети вещества, однако,
следует применять о· сторожно, так как они могут при
взаимодейст,вии с синтетическими смазками и добавка­
ми типа минеральных масел дать :нежелательный эф­
фект.
Е
о'
ели подшипник пропитан смазкои яа•столько, ч-r,о
являет,ся по сущест.ву 1резер,вуаром с замкнутой оисте­
мой, -го дополнительной •смазки не требуется . Бели тре­
буется дополнительная смазка, то должна быть пр еду­
смот1рена специальная конструюция, обеспечивающая
Рис . 6. Двигатель с подачей дополнитель­
ной смазки к подшипни,ку
удержание смазки ,в си,стеме, так как ,в процессе ра•боты
_ под шипни ка
омазка часто просачивается к поверхности
т.рения в избыточных количе,ствах и вытекает из систе ­
мы. Чтобы предотвратить потери ,смазки, устанавливают
ма,слоотражательные кольца, ,системы возв·ращения
смазки ·и •смаз,очные фитили, которые соз,цают контроли­
руемую не-прерывную циркуляцию смазки .во время ра­
боты.
Только _при полном ,соблюдении ,всех ~тих тре·бований
и условий можно обеспечить нормальную работу само­
смазывающихся металло1кера1м;и:ческих подшипников.
100


Н. Р. Гарднер, А . Д. Дональдсон, Ф. М. Йене
(N. R. Gardner, А. D. Donaldson,
F . М. Yans1)
ЭКСТРУЗИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
Раз.вивающаяся техника ·вызывает появление новых
металлокерамических материалов, • ,свойства котррых
удовлетворяют -самому широкому и мноюобраз:ному
к·ругу требований. Однако и с технической, и с экономи­
ческой точки з,рения прим•енение нового материала •бу­
дет целесообразно лишь в том случае, если с•по,соб его
производсТ<ва будет не д:ороже уже известных способов
обработки. В этом отношении экструзия--1идеальный ме­
тод, пригодный как для выпусJ{а опытных партий малого
объема (порядка '50 кг), так и для тоннажного произ­
водства, привлекательный с точки зрения экономики, по­
екольку ·в лроцес,се экструзии •происхо,zщт •однов,ременно
уплотнение и деформация со степенью ,вытяжки за один
цикл от 6 до 1100 и выше . Ни один другой процесс не до­
пускает таких степеней деlформации 1и не создает усло­
вий уплот,нения, столь благоприятных для порошков.
Высокие удельные давления (до 1175 кГ/мм2 ) позволя­
ют уточнять и деформир9вать порошок при температу­
рах, знаЧ'ительно ниже темпе~ратур спекания или горяче­
го пр,ессования. Высокие степени о,бжатия приводят к
увеличению контактной поверхности частиц и к разру­
шению пленок ,окислов. Оба эти лроцес,са спосо'бствуют
образованию гомогенных спла·вов- за счет усиления диф­
фузии.
Ощн.им из главных технических преимуществ приме­
нения для получения ,спла·вов порошковых материалов
является отсутствие о'Граничений, связанных с совмести­
МО'стью компонентов сплава в соответствии с фазовой
диаграммой или с различием точен: плавления компонен­
тов. Это в конечном ,счете позв,оляет получать мат~риа­
лы ,с унйкальными механическими и металлургическими
свойст;ва.ми.
~Возможность получения материалов .в ·виде загоrо­
вок и деформация этих заготовок до конфигураций.
близких х заданному конечному ·размеру, являет·ся глав­
ным . преимуществом процесса экструзии .
1 Metalonics Corp., а Subsidiary of Kawaeki Chemical Со.
101


Техника экструзии
Порошковый материал подвергает,ся прr экструзии -
механическим ,операциям .в следующей по,следователь ­
ности :
1) смешивание порошков;
2) предва,рительное уплотнение;
3) помещение брикета ·в оболочку (контейнер);
4) откачка газов и герметизация; •
'
5) наг.рев и ,смазка наружных стенок контейнера;
6) приложение давления (уплотнение и посл·едующая
дефо1рмация материала) ;
•
7) удаление оболочки;
8) кал и бровка или механическая обработка.
На рис . 1 пока з ана схематически откачка из контей ­
нера и герме"Гизированный контейнер . Экструзия метал ­
лически х порошков позволяет достигнуть 100 % - ной плот­
нос11и без проведения операции С'Пекания.
2
а
~IIIWЧlllll'll'W\11lll»i"М1:1::llr -c::===::::t
о
Рис. 1. О11качка контейн е ра с брикетом nер ед
э кстр уз ией (а); гер,мети з ир ованный контейнер
(6):
1 - контейнер; 2 - .вакуумный насос
Структура э_кструдированных из порошков мате -
11иалоiв обычно ,им:еет характерный вид: зер.на вытянуты
и достаточно малы. Например, если брикет •из порошка
дисперсностью 200 меш, т. е . с размером частиц 74 мкм,
подвергн уть э кструзии ,со степенью обжатия 50: ·1 пр!1
102


температуре ниже температуры собира·телънюй· рекр11·­
сталл,иза1.щи, то в екструдированном изделии диаметр
зерна со·с1:авляет 10 мкм, 1При длине 3-0() мкм. Большего
удлинения зерен не удается достигнуть. так как процесс
,рещристаллизации, ,ютя и ,слабо ·выраж•енный, приводит
к образованию ,В зернах поперечных границ. Можно от- '
метить, .что , суммарная 1поверхность ,исход,ного порошка
увеличивается при экструзии в 7 раз.
Уменьшение раз,меров зерен и увеличение их суммар­
ной поверхности способствует интенсификации межзе-_
ренной диффузии, которая протекает со значительно
увеличенной скоростью (в бО--1100 раз быстрее) . Обра­
зовани•е свободных от оки ало.в контактных поверхностей
rакже активирует непосредственно взаимодействие меж­
ду частицами, что обыч,но прив-од-ит к увеличению проч­
ности и пластичности к,онечного продукта.
Эwструзия предварительно уплотненных прессовани­
ем ПО)рошков практически не отличается от экструзии
литых заготовок, од,нако в этом ·случае лри расчете уси­
лий, необходимых для получения заданной степени об­
жатия, нуж,но учитывать истинную ,плотность металло­
керамического брикета. Кроме т,ого, большое значение
прио·б,ретает проблема выбора атмосферы экструзии, так
как возм· ожным -становится ,внутреннее окисление бри­
кета.
Для 1предварительного уплотнения ,и для проведения
экструзии , можно рекомендовать прессы для выдавлива­
ния и вертикальные куз,нечные прессы (последние пред­
почтительнее, поскольку ,прес, сы для выдавливания изго­
тавливаются в основном в горизонтальном варианте).
Мощно-сть л,ресс-ов для выдавливания доходит до
12 тыс. Т, а кузнечных преосов - до 50 тыс . Т . Такое обо­
рудование могло бы с . успехом без значительных капи­
таловложений прим•е,няться для многотоннажного произ­
водства, которое с уопехом конкурировало бы с суще-ст-
1;3ующим автоматизир-о.ванным щиклам пре- ссования и
спекания. Наличие высокопроиз,водительных установок
для гидростатического 1Прессования дает возможность
получать заготовки лучшего качества, а также значи ­
,гельно ,больших размеров . Эк,ономически наиболее це­
лесооtбраз.но произ.водить свободную засыпку порошков
в контейнер пресса и затем экструдировать э11и поро'Шки
через очко матрицы. Однако ,множество факторов дела-
103


!Ot 1эт,от метод ,нереальным. t1,режде ,в,с,его большинство
порошковых материалов требует перед ак,с'Г!рузией пред-
1варительного на,грева, что может привести к значитель­
ному оюислению пор·ошков. Бели Ж•е, приняв необходи­
мые меры защиты против окисления, ·все-таки осущест­
вить нагрев ,порошка ,в контейнере пресса, это будет
очень длительной и дорогой операцией, ведущей к про­
•стоям п1ресса, кроме того, максимальная температура
нагрева ,при атом ограничивается температурой отпуска
преоеовою инструмента (480°С). ,Наконец ; возникает .
пр.облема смазки ,порошка, так как поя:вляется опас­
ность инфильтрации смазюи внутрь заготовки.
Тем не менее, судя по некоторым сообщениям, экст­
рузия порошков магния и некоторых легкоплавких при­
поев по данному методу практикуется.
Моокно ,предположить, что ,в ближайшее время будет
разработана технология, представляющая собой нечто
,среднее между не,по,средств-енной экс1'русшей порошконо­
го материала 'И экст,рузией •спеченной заrо1'овки, ,напри­
мер екструз,ия порошк9в в о,болочке, ·ме имеется некот,о­
рая возможность предва-рительного горячего или холод­
ного уплотнения. Нео'6ходимо,сть в такой технологии
объя,сняется, во-пер.вых, тем, что большинство техниче­
ски важных ,металлов требует нагрева лад экструзию
до температур ,выше 480°С; во-вторых, одновременное
уплот,нение и экструз,ия порошка во время одной опера­
ции устраняет последующую операцию спекания и тем
самым уменьшает стоимость процесса.
Оболочка выполняет одновременно несколько фун­
кций . Например, она ,позволяет произ.вести вакуумиро­
вание, сушку или отжиг по,рошка перед экструзией.
Кроме того, оболочка предохраняет порошок от контак­
та ,с атм,осфеjюй и · со смазк,ой. Оболочка также выпол­
няет дополнительные фу-нкции : ум,еньшает приварку ма­
териала к инструменту, облегчая процесс истечения ме­
талла через о,чко матрицы, а в случае экструзии актив­
ных материалов предоХ!раняет их от нежелательного
ноздействия атмосферы на выходе из очка матрицы.
Выбор материала оболочки определяется его способ­
ностью к деформации в горячем сост,оянии сравнительно
с ,сJiбрабатываемым материалом, инертностью по отно­
шению ·к эк,сТ1ру,1щруемому порошку и отсутствием ~ нем
легкоплавких фаз, легкостью vлален,ия с поверхности
104


•
экструдированного брикета химическим или м ех аниче­
ским -способом, и, наконец, стоимостью.
Наиболее пригодными материалами для о б олочек
считаются магний , алюминий, сталь и молибден .
Особые трудности независимо от материала оболоч­
ки можно предвидеть ,при sкструзии свободно насыпан­
ных порошков с низкой насыпной плотностью . Деформа­
ция заготов· ки в этом случае может привести к смятию
оболочки, как показано на рис. 2,а . Чтобы избежать смя­
тия, прибегают к предварнfелъпому уплотнению по­
рошко·вой шихты, без приложения давления к оболочке
(ри-с. 2,6). Для э1'ого применяется -сложный пуансон,
сконструиро,ванньтй так, что .вначале осуществляется
лодпрессовка порошка (до почти полного его уплотне­
ния), а затем: давление действует равномерно и ,на стер­
жень, и на о·болочку.
а
б
Рис. 2. Экструзия свободно на-сыпанн о rо
порошка в оболочке:
а - смятие оболочки при приложении дав­
л е<ния ,не по ср{IД)С11Ве,нно к обол,оч ке; б -
эк•струзия составным п у ан<0 оно м с предва-
ри-гель11ым уплотнение,м порошка
,Применен·ие металлической -оболочки о'блегчает экст·
рузию относительно хрупких материалов, уменьшая уро­
вень растягивающих напряжений, возникающих на кон­
тактной поверхно•спr Qболочка - мат·рица ,на вых-оде за-


готовки из пресса . Тенденция к 01бразо-ва:нию поверхно-
!
стных 'Грещин в этом случае минимальна и дефо·рмация:
стержня п,р·оисх·одит в усло·виях почти чистота сжатия ..
Материал оболочки, как правило, 'Имеет меньшее сопро-·
тивление деформации при ·экструзии, чем сам порошок"
Да,влени•е экструз.ии определяется формулой
F = AKlnR,
где F - усилие ,прессования, Т;
А - ,площадь поперечно.го сечения контейнера, см 2 ;
К - ко,нстанта прессования, Т/см2 ;
R - степень деформации, или отношение площади
поперечного сечения заготовки к площади по­
·перечного сечения готов-ого изделия.
Для загот,овок в оболочке усилие экструзии равно
F = (АоКо + АзКз) lnR.
Матеμ111:1J1ы, которые не подвертаются значительной
холодной обработке после ,экструзии, могут быть выдав­
лены почти на окончательный размер •С применением
толстостен,ной оболочки. Такую операцию можно выпол­
нить на тт:рессах малой мощности, которые более эконо­
мичны в аксплуатации.
,1 09
бllo 70rГвоо gдо •1000 :itoo i2001зOJ;
темr:щютурr;, 0С
P,:i c. 3 . Тем,перат:урная зависимость кон~
,.станты эк.ост,ру,эи-и для ра,зличlНЫIХ м.e:т_aJ{,!IOJ!
\.
•
,н _аrщ~во_в
•


•
Обычно оболоч1<у после экструзии удаляют травле-
• нием в горячих кислотных ·растворах. Однако ин-огд а ос­
rавляют оболочку с целью получения дву х слойного
прутка или специальных изделий, поверхность которы х
должна иметь определенные свойства, отличные от
свойств порошкового •стерж,ня.
На рис. 3 даны при'6лиже,нные кривые отн0tсительного
солротивления пластическ·ой де·формации ра з личных ме­
таллов в фунюции от тем,пературы зкструзии.
Экструзия различных материалов
Пороr,ики чистых л,1еталлов
Экструзия порошков чистых металлов рекомендует­
ся в тех случаях, когда свойства порошкового продукта
п,ревосходят ,свойства изделия, полученного экструзией
отливок; д'ругие возможные основания для проведения
зкструзии порошка - т1рудность получения некоторых
металлов, в частности тугопла ,вких металлов в литом ви­
де, а также и экономические соображения, основанные
главным образом на ,сра,внении стоимости прО'изнодства
порошка и слитка.
До последнего времени в большинстве случаев тех ­
нология литья имела несомненные преимущества перед
металлокерами~ским пройз,водством. Однако методы
гидрометаллургии и тазового восстановления дают высо·
кокачес11ненные ~по:рошки со, стоимостью, конкурирую­
щей СО ·СТОИМОСТЬЮ J!,ИТЬЯ .
Иоследуется возможность прямого восстановле,ния
меди из руд так же, как и восстановление никеля и же­
леза.
Вольфрам, ,имеющий чрез·вычайно высокую точку
пла·вления (~ :3•2O0°С), ,обрабатывается почти ·исключи­
тельно методами порошковой . металлургии .
Литье вольфрама, хотя сейчас и осуществляется, не
дает заметных преимуществ ,в свойствах материала; по­
этому для , получения промышленных прутков · и труб и с­
пользуется обычно горячая экструзия порошка вольфра­
ма. Обработка порошко·вого молибдена (точка плавле­
ния ~ '26O0°:С) остается экономически выгодной, несмот- ,
ря .на существова,ние эффект,ивного метода вакуумного
пла,вления и получение сплавов с хорошими литейными
свойствами.
107


Грубая структура литых заготовок rtриводит к низ­
ким механическим свойст,вам. Поэтому при эксгрузин
литого мол,ибдена необх-о~димо производигь пред в ари ­
телыюе лрессование или ковку с целью создания тон кой
струк·туры. При обработке спеченного ,порошко1во г о п ро ­
дукта представляется возможным исключить многие
первоначальные операции, что позв·олит упростить тех­
нологический процесс.
Чтобы получить бе,риллиевый пруток, т:рубку ил и
профиль с пла,стич,ескими ,свойствами, необх•одим ы ми
для использо•ва,ния их в качестве конструкционного ма­
териала, исходным продуктом должен служить метал л и­
че,ский порошок. Выс,окая дисперсность порошка ( по р я д ­
ка -200 меш) обеспечивает нужный размер зе рна , а
окисная :пленка ,на пов~рхности частиц препятствует •ро­
сту зерна в проц,ессе горячей обра1ботки.
На •рис. 4 •показана ,структура берилЛ'иевых п р ут ко в ,
получе:нных из литой ,и из пор,Оfшковой заготовок.
Рис. 4. Структура бериллиевого прутка,
полученного э~сст,рузией при 1050° С ·со сте ­
пенью обжатия 20: 1 лит,ой (а) и порошко-
вой (б) заготовки
Большие степени обжатия при экструзии (в случае
бериллия степень обжатия может составить б олее 50)
сп9со6ствуют созданию ориентированной структуры. В
процессе экструзии гексагональные кристаллы бериллия
ориентируются таким ,образом, :что их ось с •распола г а­
ется перпендикулярно направлен·ию прессо·вания; п р и
степени обжатия б:· 1 и выше удлинение зерен в напр а·в-
лении прессования составляет п·риме~рно 20%. Для ма-
~
108


,..
териала типа бер·иллия, обыч,ная о6ра·ботка кот о р о го
при комнатной температуре невозможна , эк с т,р уз ия яв­
ляет,ся идеальным ме1'одом обработки и применяется все
более широко .
Дисперсн,оупрочн,ен,н,ые металлы и сплавы
Высокие прочностные характеристики дисперсноул­
рочненных металлов и спла.вов подтверждаются огром­
,ным количеством эк· спериментальных данных.
Главная задача сейчас - найти мет-оды обра•ботк·и
этих материалов, что позволит 1расщи·рить о,бла,сть их
при.менения . Именно те ,свойства ди,сперсноупрочненных
материалО\В, ·кото·рые •создают заинтересованность в них,
затрудняют получение и обработку их обычными мето­
дами. Высокая ,прочность, твердость, у,стойчивость ·К аб­
•разивному исти:ранию, ,высокая температура рекристал­
лизации ,и низкая пластичность - все это усложняет 'ре­
шение данной · лроблемы.
Весьма желательно .непосредственно в процессе го­
рячей обработки получать заготовку с размерами мак­
симально приближенными к конечным размерам изде­
лия. Прямая прокатка ли~стов и лент, эк;струзия прутков,
трубок и профилей служат достижению этой цели .
Большое значение имеет также проблема · получения
материалов с хоlрошо •сбалансир,о'Ванными ·свойствам•и.
Имеется ·в виду •следующее: . материал ,с превосходными
вьюок·отемпературными свойствами может не ,выдержи­
вать воздействия окружающей среды (окисляться, раз­
рушать,ся вследствие ре з кого изменения температур
и т.д.).
Далее .применение материала значительно ,ра.сширит­
·СЯ, ·если ,свойс11ва его сох·ранятся и в ~более низком интер­
вале температур. Естественна поэтому ·тенденция к •соз­
данию материалов, обладающих .высокотемпературными
св,ойствами дисперсноупрочненных сплаво,в в сочетании
,со столь же благоприятными ,свойС1'вами в низкотемпе­
ратурном интервале, что дост,игается упрочнением в ре ­
зультате 0'6,Разования твердых ,ра,створов дисперсионно­
го т.вердения, а также за •Счет холодной обра,ботки.
Холодной обработке уделяет,ся осоlбенное внимание,
п,оскольку полученные за счет такой обработки свойст.ва
сохраняются в д~и спер сноупрочненных сплавах в-следст­
вие повышения температуры рекристаллизаци,и до весь­
ма высоких температур .
109


Применение порошковых сплавов ведет к расшире­
нию рабочего интервала температур, особенно в области
низких температур . Особый ,инте-рес может представить •
нсп,с>.льзование для получения дисперсноупрочненных
сплавов ,сме,сей порошка.в компонент,ов -спла-ва. Экстру-
з·ия шихт такото состава облегчается при лроведен·ии ее
а металличе-ских 01болочках._ Например, сообщалось [ 1],
что экструзия материала алюминий - окись алюм,иния
с вытяжкой lб при температуре 260-,315°,С требует уси-
лия прессова,ния 11200 кГ/см2 . Экструзия в р·болочке из
чи·стого алюминия в таких же условиях снижает усилИ(:~
прессова.н,ия до 5600 кГ/см2 за ·счет ,возможноtти п·риме-
нения -смазки 1 • Кроме того, применение оболочки умень-
шает т,рение во время экструзии .
Оболочки специальной к•ош,струкции можно использо­
вать для ·решения других проблем .
Например, для стержня 'ИЗ дисперсноуп,рочненного
сплава, о·бладаюiцего хо·рошим,и меха,ническими ,свойст­
вами при высоких температурах, материал оболочки вы ­
бирается с таким ,расчетом, чтабы создать на поверх­
ности стержня слой покрытия, предохраняющего стер­
жень от оки, сле:ния .
Возможности метода екструзии в отношении произ­
водства такого рода биметалл,ических изделий еще недо­
статочно широк,о испо1льзуются .
Супер·с-плавы
Интересную и малоисследованную область представ­
ляет ,про•изводство суперспла-вов, в том числе - смавов на
осно,ве никеля: удимет -.SОО, ·рене-41, ·инконель, сплавов
серии ,нимоник. Все эти материалы ха•рактеризуются на­
личием дисперсной фазы - соединений А!-Ti, выпа ­
дающей в ,пр·оцессе старения. В настоящее время , супер­
•сплавы ,получают главным образом методом литья.
Исследования в-озможности п·олучения этих материа­
лов методом порошковой металлургии ведутся недоста­
точно активно, хотя в ходе их отливки обычно воз,ника ­
ют значительные затруднения: во-пер,вых, .во .в.ремя кри ­
сталлиза'Ции слитка. лро·исходит нежелательная сегрега­
ция нек•оторых компонентов, во - вторых, литые сплавы -с
трудом подвергаются дальнейшей обработке. Сплав ре -
1 Патент (англ.) No 734778, 1962.
110


не-4, I, в частности, позволяет проводить между отжига­
ми деформац·ию .не более ,15%. Температура горячей об-
1ряботки, например прокатки, должна выдерживаться в
узком . и,нтервале (IOIO--JI,1 ?6°С), что очень затрудни­
тельно на практике. При температурах выше 1176°С
,сплав пр'иобретает лqвышенную хрупкость.
Произ.водство сплава рене-Фl посредством смешива­
ния элементарных порошков с последующей экструзией
шихты при температуре 930°С со степенью о,бжатия '16: l
дает возможность получить готовое изделие, которое мо­
жет быть подвергнуто дал!?-нейшей холодной дефо·рма­
ции ,с обжатием 70 %.
Это осО1бенно - важно, когда необходимо получить
проволоку, трубы ,или специальные пр,о,фили с малыми
допу, сками.
Дополнительное преимущество производства этих
сплавов порошк•о.вым методом заключается в возмож­
ности •более ·высокого леги,рования •С целью получения
лучших овойств. Например, можно увеличить содержа­
ние алюм·иния и титана по сравнению с •обычным уров­
нем. После окончательной обработки материалы для ­
получения желаемых свойств подвергаются диффузион­
,НОJМУ отжигу.
Наплавочные сплавы
,В настоящее .время м,ногие из этих материалов про­
из-водятся методом литья в прутки диаметром 3,2-
6,4 мм. Такие «пальце.вые» отливки из сплавов на осно­
ве кобальта и никеля ограничены отлошением длины к
диаметру. .К:роме того, в отли.вках широко распростра­
нены селр·егации и усадочные рако-вины, что вызывает
затруднения при сварке.
Исследована возможность п·р•оизводства .некоторых
из этих материалов нелосредсТlвенно из порошков ком-
•понентов, 1⁄2мешанных
в •соответствующих пропорциях .
Полное лелирование в rэтом случае необязательно, по­
-скольку материал .в дальнейшем п•р'И наплавке расплав-
ляют.
**
*
Процесс экст,рузии может ,найти и множество других
применений, .напри_мер, при изготовлении электродов для
lll


сварки, где требуется введение небольших добавок дру­
гих металлов, и т . д.
Абсолютно ясно, что в произ:водстве профилей из ме­
rаллов и сплавов, которые трудно ,получить по литейной
технолоr,ии, экструзия является идеальным способом об-
1работки.
•
Технические и экономические преимущества экстру­
зии несом:ненны; -расширение использования это·го мето­
да 1в п·роизводстве ,порошковых материалов, хотя и уве- .
личит •расходы на иоследоват-ельские работы, но впо ­
сле,дствии •ПОЛНОСТЬЮ ОКУПИТСЯ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Vоп ZееrIidеr А. In Plansee Proc. 1953. Plansee Seminar
«De re metallica», 1. Pulvermetallurgie.
~ eutte- Tyrol, 1953.
Springer, Wien, 1953, S. 211 .
Ф . И. Залескu
(F. / . Zaleski1)
ЭКСТРУЗИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Со времени открытия материалов из ,спеченного
алюминиевого порошка САП -интерес к дисп~рсноупроч­
ненным материалам, •01бладающим ,повышенной проч­
ностью ,при высоких тем.пературах, постоянно растет.
Прекрасные свойст.ва этих материалов при высоких
температурах объясняются упрочняющим действием
тонкодиоперсных частиц окиси алюминия, ·равномерно
распределенных ,в алюминиевой матрице. Упрочнение
сох·раняется и при высокой температуре, так как части­
цы окиси алюминия не ·ра-ст.воримы в алюминии и ·им·е­
ют высокую точку плавления.
Технология изготовления материалов типа САП со•с­
,юит в получении тонкодисперсного -порошка алюминия
с определенным содержаnием 01шси алюминия, уплат-
1 Frankf9rd Ал,епаl, Philadelphia.
112


...
нений :этого порошка посредс11вом прессования и спека ­
ния и последующей экструзии _ ,спеченной цилиндрич•е ­
:к,ой заготовк·и в изделие заданной формы.
Одна:~ю добиться высок,их пр·очностных ,свойств алю­
миниевых сплаво·в можно л другими опо,собами, ,в част­
ности использованием в качее11ве исходных материалов
порошков высоколеги'рованных , сплавов алюминия, ,в
структуре которых та·кже имеют, ся дисперсные упрочня­
ющие rфазы . Такие порошк,и получают о·бработкой рас­
плавов систем А1-Ме с переменной ра,стваримостью
компонентов : высокой в жидком состоянии и низкой р а•с­
творимостью в твердом состоянии _ при комнатной темпе ­
ратуре.
Свойства · этих сплавов , ка~ и обычных стареющи х
сплавов, зависят от величины дисперсных частиц и и х
распределения. Частицы дисперсной фазы должны
иметь размер порядка '0, ,1 мкм при расстоянии между
НIИМИ, равном размеру частицы, т. е. также будет равно
0,1 мкм.
Наиболее эффектrпшым из ·известных способов полу­
чения желаемой дисnерсности и ·распределения частиц
упрочняющей фазы является быстрая кристаллизация
расплава. Это может быть дост1игнуто воздушным ра,с ­
пьrлением раопла,ва . Закалка раопыленных частиц в .воз ­
духе обес,печивает достаточную ,скорость охлаждения ,
для получения требуемой •сrру,кту~ры 'В каждой частице.
Подобную структуру невозможно получить при обычной
технологии литья, так как скорость отвода тепла здесь
значительно меньше.
Настоящая работа посвящена исследованию во з мож­
ности получения методами порошковой металлургии
алюминиевых сплавов, обладающих высокими лрочно­
•стными характеристиками как при повышенных, так и
при комнатных температурах.
По·рошки сплавоя, ,исследованных в этой работе , по­
лучены при помощи лаборато·р·ной установки для воз­
душного ·распыления . Установка состоит из графитово­
го тигля, в дно которото 1вмо,нти-рован мундштук. Мунд­
штук окруж ен кольцом сопел, которые направляют во з ­
душный поток в точку вых,ода ,струи жидкого металла из
мун,дштука .
Технология даль·нейшей ,о,бработки легиро,ванного по­
рошка аналоп1чна техно.Jiогии, п·ринят,ой в производстве
113


сплавов типа ~САП; ниже перечислены осно·вные техно­
логические этапы:
1) плавление легир·ова,нного сплава;
2) распылен-ие расплава;
3) сушка и ,рассев порошка на фракции;
4) горячее !Прессование порошка;
б) горячая экструзия брикета ;
6) термообработка;
7) оценка свойств материала.
Исследовались системы Al-Мn, Al-Mg и Al-Zn-
Mg-Cu . Сплавы этих систем, полученные методом
экструзии, имеют ~более высок-ие -свойства по сравнению
со сплавами этих же систем, полученных ,по обычной
технологии .
В системе Al-Mn был пол учен высоколегированный
материал, обладающий высокой прочностью в сочетании
с пластичностью . Последующая холодная обработка экс­
трудированных заготовок этого сплава еще более уве­
личила их прочность .
Результаты механических испытаний •сплавов систе­
мы Al-Mn п·ри•ведены в табл. -1.
Таблица 1
Прочностные характеристики экструдированных сплавов системы
AI-Mn
:3
Содержание ле гир ующих компо-
Q)
::Е
нентов
'"
:s:
1
Mg1
1
1
Of
"'"'
Мп
Тi
Z1
V
Р.
э
5 12,51 о,5 /о,5I о,5 /=1~~ /
5/- 1о,5/2,01о,51=1~~1
"'Р. .
>,: ,:
...
:,:
"',,,
Р. >,
Q) Р.
t:: ...
::Е (.)
Ф,:U
f-< ">О
454
454
482
482
Прочность,
кГ/мм 2
аЬ
1
(JT
150,3\35 ,91
49,6 35,07
1 41,65138,0 1
41,86 38,6
Пластичность,
%
удли-I сжатие
нен0ие
<J,
3,3
3,2
7,2
7,2
6
6
43
39
Предел прочности ,при растяжении сплавов на осно ­
ве системы Al-Mn лежат в диапазоне 49,6-42,0 к,Гfмм 2 ,
а предел текучести составляет 35 к,Г/мм 2 . Для сравнения
можно указать свойства промьiшленного литого сплава
системы Al-Mn~Mg, полученного по обычной техноло­
гии, ,обладающего наиболее .высокими проч1ностным·и
характеристиками ореди сплавов этой системы: предел
114


•
прочности при растяжении 28,1 кГ/мм2 , предел текучестii
25,2 кГ/мм 2 , относительное удлинение 69/0 .
.
1Высокопрочные сплавы были также получены на ос­
нове системы Al-Mg с добавлением относительно боль­
шог-о количества легирующих компонентов таких, как
ма,ргане,ц и хром.
Предел текучести экструдированных спла1вов этой
системы составляет ,_, 42 :кГ/.мм 2 , пластичлость их доста­
точно высока . Основ'l:{ые ,свойства этих спла·вов сведены
в табл. 2
Таблица _ 2
Прочностные характеристики экструдированных сплавов
системы AI - Mg*
Сод~ржание легирую-
Прочность, кГ/мм•
Пластичность , %
щих компонентов.
%
Фрак-
1
1
ция,
1
удлинение1
меш
Mg
Mn
Cr
"ь
"т
сжатие
5,75 4,0
-
-325
51 ,7
40,6
5,8
8
5,75 -
2,0
-325
51,5
42,8
9,8
11
7,5
-
2,0
-100
50,7
42,2
5,4
10
-325
51,6
44,8
3,5
\
6
* Экструзию проводил 1-1 прн -1~.5°~ со степенью обжатия 20: 1.
При содержании магния 5,75% сплав обладает пре ­
делом прочности при растяжении более 50 кГ/мм 2 и пре ­
делом текучести порядка 40 кГ/мм2 при хорошей пла­
сти'{НО·сти. Эти сплавы содержат доволь·но значительное
количеств-о хрома или -ма,рганца. Та же прочность при
несколько меньшей пластичности была достигнута в
оплаве, оодержащем 7,5% Mg и '2,0% Cr.
В структуре высоколегированных сплавов системы
Al-Zn-JV1g- Cu отсутствует ·рекристаллизация при
термообработке. Св·ойства спла·вов этой системы наибо­
лее пероп~ктивны (табл. 3) .
Кроме указанных компонентов, в сплавах содержа­
лось 0>1,5% Si, 0,20% Fe и 0,20% Cr, а в сплаве Al+ 10%
Zп+З,08% tМg+2,03% Cu было 0,74% Mn.
Предел прочности П'РИ растяжении и предел теку­
че,сти всех этих сплавов составляет более 70 кГ/м:.м2 •
115


Таблица З
hрочностньtе характеристики
экструдированных сплавов
системы AI - -Zn -Mg-Cu,
• подвергнутых термообработке
Содержание легирую.
Прочность,
щих компонентов,
%
кГfмм•
Относи•
тельное
Zn1
1
1
удлинение,
Mg
Cu
аь
ат
%
8,38 3,30 1,98 77,8 74,9
6,5
10,36 3,08 2,03 83,2 82,25 4,0
11,25 2,45 2,01 80,2 79,4
6,0
12,32 1,80 1, 95 76,2 75,5
8,0
Экструдированные образцы были в течение 30 мин
подверг,нуты термообработке в -солевом ра,ст,воре при
температуре '2il0°C, затем закалены в воде и подвергну·
ты старению при температуре 120°с в течение ,суток.
Для ора,в,не,ния .можно указать свойства наи·более проч•
наго л,итого промышленного сплава этой системы, кота•
·рый находит очень широкое применение. Экст,рудирован­
ные изделия из этог-о сплава имеют предел текучест-и
60,2 кГ/мм2 и удлинение 10% .
Выбором режима терм-qо·бработки можно поднять
предел п·р·очности литых сплавов до 70 кГ/им2 , однако
получаемая ,в ·этом случае низкая пластичность., труд­
ности, связанные с отливкой и обработкой, склонность
литых сплавов к коррозии под напряжением оr~раничи­
вают сферу применения ,этих ,сплавов.
~Вые-окая механическая прочность металлокерамиче·
ских сплавов Al-Zn-Mg _. JCu позволяет им конкуриро­
вать с высокопрочными сталями в каче-сtве материала
для обшивки ракетных дв,игателей. В настоящее время
основная про·блема, рещение к,сJ1торой необходимо для
повышения эффективности ,ракет, - уменьшение :веса
обшивки ракетных дВ'игателей. Алюминий обладает бо·
лее низкой плотностью по сравнению со сталями, что да­
ет возможность придать большую жесткость обшивке,
увеличив ее толщину при неизменном весе. В этом слу ·
чае неравномерность обшивки по толщине, поверхност ­
ные царапины и внутренние дефекты будут иметь мень•
щее влияние.
116
s


•
Кроме того, алюминий хор,ошо 11оддается о-бра1б отке .
Оценку совокупности свойств сплав•о,в алюмин·ия в
сравнении со свойствами некоторых •сталей можно про ­
из в ест.и 1по величине отношения предела текучести к
пло т ности (от/r)' поскольку ,плотность алюминия при­
мерно втрое меньше плотности стали.
Такой а,нализ представлен на диаграмме (см. рису ­
нок). Эта диаграмма -показывает, что оплавы алюминия ,
имеющие п·редел текучести порядка 60 кГ/мм2 и .выше,
м о гут конкурировать с лучшими ма-рками высокопроч­
ных углеродистых сталей.
Gтfсталь),кГ/мм2
/20
fбО
СО
60
4f40 T
/
•
/!,-2оот
4f40 /-1⁄2'4340-300/'f
/,,,""гд-4ззо
/Х-200
дН:н434
5о0,70 О,75 OJIO 0,85 0,90
§__Ш-б КГ/11111
о '8/GИЗ
а
95" г---г----г--'---=---.:....
90
'
➔/3-Тi '
.
.
/4r·t55к!jnR)
дН-357/.,
,;
//4келе!Jай
сталь
f,00 1,10 1,20 1,ЗО
Gт -6 . кГ/11112
Т10' 3/cnJ
6
Диагра1М1ма для qра1Jне,н,ия алюмшн,иевых сплавов с высоко ­
,прочными уrлерс,ди:стым11· ста.пим.и (а) и .нер,жав,еющи-ми ста­
лями и 11 -титаном (б) по величи~е отношения
ат/v;
спл-ощная л1и•ния - заsиои~~ость aтf'V
-
ат для алюминиевых
,аплааюв; точки - З<Начения атl'У для ста.лей (указаны марки ста­
.лей по амери.кан,акюм станда1)та,м) и f! - титана
Последние ис-след,ования в технологии холодной об­
работки привели к получению :высоко:прочных нержаве­
ющих и никелевых сталей. Для того чтобы алюминиевые
· сплавы мо г ли конкурировать ,с этими материалами, их
предел текучести должен быть более 77 кГ/мм 2.
По этой же диаграмме можно еравнить свойства
алюминие1вых -сплавов со свойствами ·Р-титана, подвер­
гнуто-го холод,ной прокатке и старению. Чтобы алюминий
мог конкурировать с этим материалом, он должен иметь
предел текучести не менее 87,б кГ/мм2 •
117


i
Для ,пол у чения алюмини евы х сплавов -с так•ой проч­
ностью и с достаточной пластичностью, которая позволи­
ла бы б ез осО1б ы х затрудне н и й п олу чать полуфабрика­
гы в виде листа и ленты следует прежде всего п,ровести
более детально е и с следован ие с,плавов •системы Al-
Zn-Mg· - Cu - в - более широком интервале концен ­
траций и с в веде ни ем ле гир у ющи х эле м ентов, способных
к образованию диспер сных упрочняющих фаз (напри­
мер, Fe, Ni, Cr, V, Со, Ti, Мо, W, Zг).
Эти исследования дол ж ны быть выполнены во втqрой
части настоящ ей програм.мы ; и х резу льтаты .будут опуб :
ликованы ,позднее.
Т. С. Догерти
(Т. S. Daugherty1)
ПРОИЗВОДСТВО ПРОМЫШЛЕННОЙ
АЛЮМИНИЕВОЙ ЛЕНТЫ ПРОКАТКОЙ
АЛЮМИНИЕ.ВЫХ ГРАНУЛ
Размер и вес металлокерамических изделий ограни­
чены мощностью пресса, поэтому в послед.ние годы
вновь появился интерес к старой, но привлекательной
иде~ получения непрерывной ленты путем пр·окатки по ­
р·ошков в гори з онтальном или вертикальном прокатном
стане. Было опубликовано несколько работ, связанных
с прокатк•ой порошка .
В ,пятид е сяты х годах группе порошковой металлур­
гии исследовательского отдела фирмы Reynolds Metals
Со предложили оценить новый гранулированный про­
дукт, пол у ченный фирм,ой в результате выполнения ис­
следо-вательской прог,раммы.
Имея относительно -большой ·размер гранул (более
60 меш) и игольчат у ю форму, новый материал неравно­
мерно заполнял полость прес·с-формы при прес-совании.
Были проведены исследования по определению возмож­
,н,о,~ти п,рокатки гр ан ул . Первоначальный вариант обра ­
ботки заключа л ся в п· рокатке гран у л в «сырую» ленту,
1 Reynolds Metals Со , Richmond, Virginia.
118
•


..
1,оторую затем спекали и под,вергали горяч~й прокатке.
Однако этот способ показал неудовлетворительные ре­
зультаты вследствие получения неоднородной плотности
по длине ленты. В дальнейшем был пр-инят ·иной способ
обработки гранул, исключающий операции спека.ния и
последующей ттрокатки, - горячая пр·окатка гранул
алюм,иния нелосред-ственно в ленту с теоретической
плотностью за один проход со -скоростью более 60 м/мин.
Фирмой получен патент на этот способ.
Способ Рейнольдса
Для получения ленты по способу Рейнольдса алюми­
ниевые гранулы или порошок с част,ицами, покрытыми
окионой пленкой, ,нагревают до температуры, находя­
щейся в интервале между 230°С и точкой плавления дан­
ного · сплава; нагретый порошок через питатель под дей­
ствием со·бственного веса поступает в рабочие валки
прокатного стана, где уплотняется с образованием проч­
ной неп-рерывной ленты теоретической плотности .
В ра,нней ,стадии ,исследований возникла проблема,
как у,страJ-ЬИть налипание прокатанной ленты на поверх­
ность · валков. Было установлено, что основ,ная причина
,Рис . 1. Комк ован ие алюминие·вых гранул ПJHJ в1;,1 -
~ Щ<ОЙ с к~р ости П_Р о.к аткн
119


этого явления - высокая температура прокатки. Для
охлаждения валков сначала исп·ользовали водяные
бр~rзгала, но этого оказалось недостаточно. Из-за ,высо­
кои ,скорости по'I'о,ка вла'Га попадала в бунке,р и каче,ст­
во ленты ухудшало,сь . Установили защитные короб:к;и.
Рис . 2. Неоднородность проката вс.л едствие нера,вн.омерноrо поступления шихты
в вал:ки прокатного стана
Разбрызгивание воды ,внутри коробок дало более удов­
летворительные результаты, так как вода в них нееколь­
ко задерживалась, что обеспечивало большую контакт­
ную площадь и, следовательно, более эффективное ох­
лаждение. Это усовершенствование позволило провести
в лаборатории продолжительную непрерывную прокатку
производительностью до 1, 1 т/ч.
При такой скорости прокатки наблюдается ком­
кование •частиц порошка (rис. 1). Г1 ри прохождении ком­
ков через валки в ленте образуются раковины. Кроме
того, было обнаружено, что различные порции материа­
ла имели различные кажущиеся входные размеры
(рис. 2). Это различие обусловлено неравномерным са­
мопроизвольным уплотнением шихты до прокатки.
Литье гранул
Поскольку качество прокат&нной ленты в большей
или меньшей мере ,всегда зависит от характеристик ис­
ходного ,сырья, особенно в том слу~ае, если .прокатке
подвергается тонкодисперсный по·рошок, было предпри­
нято исследование зависимости некоторых свойств гра­
нул от режима ,их лолуч•ения. Для этого отлили несколь­
ко партий I1ранул, изменяя парамет,ры процесса (·pa<J -
t20
..


•
мер выпускных отверстий в литейном к_онус~, угол нак­
ло,на оси отверстия по отношению к стенке ко.нуса, ско ­
·рость вращения ко,нуса и температуру литья). Затем
эти партии гранул прокатали в одинаковых услов-иях,
контролируя температу,ру нагрев~ гранул, температуру
валк•ов и ·скорость их ,вращения. Из этой серии -опытов
определили условия, при которых не только устраняется
комковани·е гранул, но также снижается усилие, необхо-
1 димое для прокатки ленты из гранул. На рис. 3 показа­
ны для сравнения гранулы пригодной и не пригодной
для прокатки формы. •
Прокатка гранул
Помимо объединения операций спекания и у,плотне ­
ния, самое значительное 'Преимуще,ство способа Рей­
НО[[ьдса перед другими спосо,бами: прокатки порошков
заключается ,в его большой екорости. Очень высокая
скорость процесса (~ 60 .~1/,иuн) стала возможной •бла­
годаря уникальной фо,рме гранул.
Скорость подачи материала в прокатные валки кон­
тролируется весом ,материала, трением о валки .и вза­
имным ,оцеплением гранул. Механизм -сцепления частиц,
п-ри котором в ~раствор валков затягивается дополни­
тельный питающий материал так, JTO .скорость враще­
ния валков не может 'Превысить скорости -подачи пита­
ющего материала, ·как :это наблюдается при прокатке
распыленных порошк,о,в, является главной оп·ределяю0
щей причиной достижения высокой скоро•сти проце,сса.
Во время исследований для ·выяснения механизма про­
uееса пр·окатка гранулированного и порошкового маtе-
, териалов была снята на кинопленку. Фильм показывает
процесс с замедленной скоростью и можно уnидеть, как
сначала частицы попадают в прокатные валки, а затем
скорость прокат~и увеличивают с 1,8 до 18 м/мин. Так
.
же прокатывают и распыленный порошqк, причем уве­
личивают <шорость прокатки с 1,8 до 12 м/мин. При уве­
,11ичении скорости прокатки грану.тr из валков продолжает
nыходить непрерывная плотная лента, тогда как лента,
прокатываемая из порошка, буквал.ьно распадается на
куски. Интереано, что при про~атке гранул скорость вы­
хода ленты из валков примерно на 10% выше скорости
. вр ащения
валков; это свидетельствует о экструзии .тr•енты.
121


Р
и
с
.
3
.
Г
р
а
н
у
л
ы
n
р
и
r
о
\
Д
:
н
о
й
(
а
)
и
н
е
п
р
и
г
о
д
н
о
й
(
б
)
д
л
я
п
р
о
к
а
т
к
и
ф
о
р
м
ы
.
,
,


----- ------- - - ---- --------------
Требования, предъявляемые
к гранулированному материалу
Как -и в любой металлокерам•ической технологии ,
к исходному материалу - алюминиевым гранулам
-
предъявляют ·следующие требова,ния: соответствующая
чи,стота, отсутствие макр•овключений, постоянный хими­
ческий •состав от партии к ,партии и хо·рошая текучесть
при повышенной температуре . Оптимальная форма гра­
нулы - это форма сигары, дисперсность
-10+60 меш, •
насыпная плотность ,несколько ·больше 1 г/см3 .
При пр·окатке по-рошков обычно требуется строгий
контр·оль текучести шихты; · прокатка по ,с пос.обу Рей ­
нольд:са до:nуекает изменение скорости подачи гранул в
широком диапазоне при условии •сво·бод,ного течения на-
г.ретых гранул.
.
На практике требования, предъявляемые к гранули­
рованному материалу, легко удовлетнорить при условии
п равильного ,с,облюдения технологии л,итья.
Механизм образования компактного материала
Образование компактного . материала при ·горячей
прокатке происходит . за , счет - ,ева.ривания алюминиевых
гранул по металлическим контдктным поверхностям,
нозникающим при 1разрушении оки-оной пленки под воз­
действием давления прокатки. М·ожно предположить,
что воздух, захватываемый потоком ши х ты ·и ·попадаю­
щий во внутренние ,объемы ленты, химически взаимодей­
ствует с металлическим алюминием, образуя субмикр·о­
скопические частицы окиси и нитрида алюминия.
f
Металлургические характеристики
процесса Рейнольдса
Спо•со.бом Рейнольдса можно получить ленту из алю­
миниевых сплавов любых марок, ,в том чи,сле и и з тех,
которые п·очти невозможно отлить .в ,слиток и тем -более
,прокатать.
.
Исследования показали, что ленты, проката,нные из
гранул, имеют несколько большую прочность, чем ленты
из тех же -силанов, полученные ·по обычной тех·нологии .
Изучение механических ха рактери с тик сплавов после
х-олодной деформации подтверждает это ттоложение.
123


На •рис. 4 представлены •сравнительные механические ха­
•рактери·стики образцов алюминиевого сплава, получен­
ных по обычной технологии и •способом Рейнольдса. Оче­
видно, что значения максимального предела прочности
на ,разрыв для ленты, полученной из гранул, •выше, че.м
для ленты, прокатанной ,из ·слитка. Однако так как ин­
тервалы значений сrь частично перекрываются, лучше
сказать, что свойства ленты, полученной из r,ранул, по
крайней мере, одинаковы со свойствами леiпы, получен­
ной по обычной технологии.
Ри·с. 4. Механиче,акие сsо!!оства алюминиевых
лент. полученных прокаткой гранул и слитка:
I - интервал значений ар для ленты, полу-
ченной прокаткой гранул; I I - то же, для
ленты, по.r1у1 1енной прокаткой слитка:
1 - юривая мин·и,мальных значе-ний 1\ для
ленты, получен·ной прокаткой гранул: 2 - то
же, 1для ленты, 111олученной пр•окаткой слитка
В •ран,них ра·ботах указывалось на несколько замед­
ленную •ре·акцию металлокерамических сплавов на тер­
мическую dбработку. Иоследование влияния •степени де­
формации на температу,ру ·рекристаллизации ,сплавоR
подтверждает, что температу~ра мгновенной рекристал­
лизации для ленты, полученной способом Рейнольдса,
выше, чем для ленты, полученн·ой обычным ,способом .
Для получения этих сравнительных данных образцы лен-
ты одинаковой толщины, полученiюй нощ,rм и обычным
способами, отжигали в течение 2 ч при температуре
4150°С . Рентгенограмма подт,вердила отожженное состоя - ,,
ние образцов. Затем после х·олодной деформации образ-
цы подвергли термообработке в •печи в течение 12,О мин.
124


Минимальная температура рекристаллизации определя­
лась по изменению ,сте пени ,размытия линий на рентгено­
грамме. Эти результаты в ,сравнении 1со справочными
данными представлены 1на ·рис. б . Следует отметить, что
I /;:,
c:::i I 65D~----------
S\., :j" '
Ш'~ БDD
~ -:::s
~.~ 55D
~-~
t§ 50D
t-~ 45D
::.::
~~4D0
§1~ 35D
~~ 300
~·;250О1020304050бD708090
Степень холодной деформации,%
Рпс. 5. Минимальная температура мгно­
n~нной рекристаллизации ленты, прокатан•
ной из гранул (1) н из слитка (2)
при всех степенях деформации лен·та, полученная пр·о­
ка ткой гранул , 1рек1ристаллизуется при •более высоки·х
температурах,_ чем лента, полученная по -обычной техно­
логии, причем ,наиболее нрко это ,различие .выражено при
степенях деформации менее 60%.
Технические характеристики процесса
:Прокатка гранул по методу Рейнольдса пр·именима
для обработк,и широкого диапазона материалов, обра­
ботка которых по обычной технологии затруднительна .
Этот способ позволяет ,с успехом получать ленту из
сплавов, которые не ,поддаются прокатке, например из
сплава Аl- 1 Ш% Mg и из других сплавов, содержащих
значительные количества ,различных легирующих компо­
нентов . Легко можно получить ,слож,ные материалы
(композиции), ,смешивая г.ранулы ,различных сплавов
перед прокаткой, а также осуществить ,непрерывное про­
,изводство !биметаллической или плакированной ленты .
- Для получения многослойной ленты разработано два
технологических .варианта - накатка гранул послой,но
125


на компактную ленту, или одновременная прокатка гра- _
нул двух или ,более сплавов с раздельной подачей ком­
понент·ов из 1различных отсеков питателя .
Другую о·бласть применения этот процесс на ш ел в
производстве ленты из хрупких или красноломыих спла­
вов, которые тр удно прокатать до малой толщины по
обыl{ной тех нологии .
Толщина ленты, получаемой путем прокатк11 т,ранули ­
рованного металла, зави·сит ,от диаметра ,валков . Она
может быт ь равна 2,5 мм ,и менее , а в ,случае ~необходи ­
мости мо ж ет быть увеличена ·свыше 2,5 мм путем при­
менения валков большего диаметра.
При э том способе производства отсутств у ют ог,рани ­
чения по ширине листа , которая м,ожет ,быть увеличен-а
за счет применения валков с большей длиной бочки.
На опытно м з аводе получали ленту · толщиной мене е
_
2,5 мм и шириной до 610 мм.
Готовая лента однородна и имеет высокие механиче ­
ские свойства. Она может быть прокатана в холодную до
фольги. Для получения •свойств обычного холодноката ­
ного материала достаточно прокатать эту ленту вхолод­
ную · с обжатием 45% . Получаемая лента пригодна для
глубокой вытяжки и менее ,склонна к образованию фе ­
стонов, чем обычная лента, полученная горячей прокат­
кой ,слитка , так -как г,ранулы меньше вытягиваются в на­
правлении ,прокатки, чем зерна литого ,слитка, проката,н­
н ого до той же толщины. В ·связи с тем, что гранулы ох­
лаждаются ,и кристаллизуются ~быстрее, чем слитки, они
имеют меньшую тенденцию к ликвации и меньшую ани­
зотропию свойств, чем металл, полученный •ста,нда,ртной
технологией .
Гранул ы получают зали·вкой расплавленного металла
во вращающийся перфорированный конус: капли метал ­
ла .вылетают через отверстия конуса и кристаллизуют, ся
в виде частиц эллиптическ·ой !формы с острыми концами,
ра з мером около 60 меш . Эти 'гранулы собираются пнев­
матически , просеиваются, а з атем либо складируются,
либо подаются в вертикальную натревательную печь, пе­
·ремещаясь по пневмопроводу . ~В печи они нагреваются
встречным пото·ком г,орячего воздуха до заданной тем­
перату ры . Нагретые т,рану.Jiы под действием гра1вита ци­
онной • силы попадают в бункер, ра,сположенный ,над за­
зором ,между горизонтальной парой валков. Схематиче -
126


..
ски весь цикл показан
на рис. 6. ВеличИJна об- ·
жатия составляет свы­
ше 65 %. Воздействие
давления при прокат­
ке приводит к тому,
что алюминиевые гра­
нулы вытягиваю-гся в
направлении прокатки
и свариваются в моно­
лит. Прокатанный ма­
териал при этом рекри­
сталлизуется и после
прокатки не требует от­
жига. Получаемый ма­
териал не имеет СКJ1ОН­
ности к растрескива-
2
а5
Рис. 6. Схе,ма прс,из-водотва ленты из
гранул:
1 - конус для литья гранул; 2 - пне в­
матическая, тр уба для тран-апортиров1,и
гранул; З - печь для нагрева гранул
перед прокаткой; 4 - прокатный ста н;
5 - намотка ленты
нию и достаточно гибок. Л('Jнта, выходящая из валков,
проходит через дисковые ножницы для обрезания боко­
вых кромок и свертывается в рулоны на моталке . Шири­
на обрезаемых боковых кроУiок меньше, чем после обыч­
ной горячей прокатки.
Экономические характеристики процесса
.Производство ленть1 прокаткой -гранул требует про­
стого оборудования. Отпадает по-гребность в оборудова­
нии для литья и обдирки ,слитков, больших обжимных
станах и нагревательных колодцах, ·рольгангах. Умень­
шается время обработки . Требуется меньшая производ ­
ственная площадь. Все это дает возможность намного
уменьшить основные капиталовложения. Количество об­
служивающего персонала также значительно сокраща­
ется.
Опыт ра'боты полупромышленной установки, на кото­
·рой было получено несколько тысяч тонн ленты, доказал,
что этот п,роце-сс обеспечивает лучшую утилизацию ма-
1
териала.
Сфера ,возможного .применения процесса весьма об­
ширна - от замены обычного про!Цесса пла·вки, отливки
и обработки слитков и до произ.водства материалов ,
которые можно получить только ,методами порошковой
металлу,ргии .
127


Отличие способа Рейнольдса ьт обычной прокатки
порошков в порошковой металлургии заключаются в
следующем:
'1) размер гранул (60 меш) значительно больше •раз­
мера частиц тонкого порошка ('200 меш); •
2) оrсутствует операция спекания;
3) скорость прокатки гранул (,_,бО м/мин) сущест-
венно ,превосходит ек·ор-ость прокатки порошков
(15 м/мин);
4) можно получить гораздо ·большую толщину ленты, .
чем при прокатке мелкодисперсного порошка.
Технические возможнос11и •способа прокатки гранул
при сокращени1и основных капиталовложений, снижении
стоимости производства и гораздо большей утилизации
. материала
делают этот процесс интересным с техниче-
ской и економической точек зрения.
Г. фон Шееле
(G. Von Scheele 1)
ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ ПОРОШКА
НА ВЫБОР РЕЖИМА ЭКСТРУЗИИ
СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ
Основным у,словием •рентабельности производства
сварочных 1электродов являеrся уменьшение стоимости
операции экструзии и сушки электродов . Снижения •С1'О­
имости этих операций- можно добиться при непрерывном
пр·оизводстве, увеличивая его масштаб.
Однако операция экст,рузии с трудом поддается авто­
матизации, что усложняет ведение ,непрерывного произ­
вод,ства. Так, упрочнение металла в процессе эк,струзии
заставляет .менять давление экструзии, что и вызывает
порой оста,новку и перена•стройку пресса. ,
• Другим путем снижения стоимости продукции явля­
ется •сокращение до минимума брака вследствие рас ­
трескивания покрытия во ,время сушки электродов. По­
этому к материалу, идущему на поюрытие електр•одов,
предъявляются высокие треiбования по однородностифи­
зических и химических ·свойств компонентов, входящих в
1 Hoganiis-Billesholm Aktiebo!ag. Sweden.
128


,состав покрытия, а также по уровню влажности . Это от­
носится и к железному порошку, содержание кото,рого в
сухом покрытии •современных высокоэффективных элек­
тр,щов достигает 75%. При производстве этих 1электро­
дов с .массив,ным покрытием, у которых отношение то JI ­
щины покрытия к диаметру стержня достигает 2,25,
проблемы эк-ст·рузии и сушки -стоят значительно •серьез­
нее, чем при производстве обычных электродов • со ,сред­
ним ,или тонким слоем покрытия.
Под высокоэффективными элекrродами подразумева­
ются •электроды, имеющие .коэ1ффициент ,использования·
минимум '130%. Коэффициент использования -определя­
ют как процент,ное отношение массы ,наплавленного ме- ·
талла в шве к .массе расплавленного ,стержня елект,рода.
К та-ким элект•родам относятся электроды ,с iзьюоким •со - .
держанием железного порошка в покрытии; •обычные
электроды ,С коэффициентом ИСПОЛЬЗОВаНИЯ 1'!15-1120% В
данной ,работе не •рассмат,риваются.
Первые высокоэффективные электроды, :разработан­
ные около 20 лет ,назад, изтотавл·ивались с кислым по­
крытием. Коэффициент -использования этих электродов
находился в -пределах 11150--1200%. В течение последннх
нескольких лет получены .высокоеффективные электроды
с ·кислым пок·рытием с коэффии.щентом ,использования от
140 до ·2150%, ,которые приобретают ·все большую попу­
лярность •ореди потребителей вследствие своих прекрас­
ных сва•рочных -свойст.в и высокой экономичности . Эти
электроды позволяют проводить ,сварку с большей ско­
ростью, меньшим · ·раз~брызтиванием и, -следовательно, с
ме.ньшими о-бщими затратами.
Производят,ся также выссжоэффективные сварочные
электроды с основным покрытием, но они имеют гораздо
мен ьший спрос, так как обладают худшими сварочными
-свойствами и дают меньшую -скорость •сварки, чем элект-
. роды с •кислым покрытием.
Разработка новых типов эффективных электродов с
rювышенным , содержанием железного порошка в •покры­
тии идет сталь быстро, что для о~беспечения производства
новых ,электродов требуется •срочная корректировка фи-
3ических ,свойств железного порошка.
Производство высокоэффективных ,и ос,ое\енно сверх­
эффективных электродов остро ставит проблемы экст-
•
1рузии .
5 Зак. 619
129


При подготовке к экструзии смесь, со·стоящая в ос­
новно.м из порошка же.пеза, а также окислов железа и
r,итана, ферромарганца и силикатов, тщательно , смеши­
вается в мешалке. Вязкость силикатов, используемых в
производстве электродов, -составляет ·2,00___,15•00 пз.
После выгрузки из смесителя •смесь преосуют .в ци­
линдрические заготовки на заготовительном прессе. За­
тем заготовки ,помещают для ,экструзии в контейнер
32:5-т пресса горизонтального типа с ручным управлени ­
ем цилиндра ,обжимной головки для облегченt1я очистки
Рис. !. Узлы 325-т пресса для экструзии свароч•ных эле·ктродов
130


..
головки во время перена·стройки. Проволоку для стерж­
,ней электродов выпрямляют и ,режут для автоматиче­
ск·ой подачи . На рис. 1 1,а показан узел подачи стержней,
на -рiк. 11,6 - 01бжи,мная толовка и резиновый транспо,р­
тер с канавкой, по .которому перемещаются ,стержни с
напрессованным покрытием . Подача массы для покры ­
тия ·из контейнера пресса происходит под прямым углом
к направлению движения ,стержней.
Обжимные головки спроектированы таким образом,
что маС'са для покрытия ·распределяет- ся ·рав,номерно.
М·ощлосiъ прессового оборудования различна на разньrх
заводах. Несколько предприятий - изготовителей элек­
т,родов имеют прессы мощностью свыше 1,'5 Т/см 2 .
На ·работу прессов большой мощности изменение кон­
систенции материала - влияет значительно меньше, ,поэто­
му они могут ,работать и на •сухих сме-сях, и на смесях,
разжиженных силикатами.
Методика эксперимента
Для 'решения некоторых задач электродного произ­
водства в ,опытно-пр·омышленной лаборатории фирмы
Hoganas был проведен цикл исследований . Эти исследо­
вания потребовали уточнения производственных данных.
Было проведено фиксирование времени перемешивания
и ,скорости движения проволочных стержней . Давле,ние
экструзии и количество ,силиката в ,маесе записывались
для ,каждого цикла вместе • С числом сорт,ных электродо•в,
полученных на килограмм сухого веса массы.
Экструзию проводили в условиях постоянной относи­
тельной ,влажно· сти и постоянной температуры окружаю­
щего воздуха, что дало в·озможность получить хорошую
воспроизводимость ,результатов.
'
Сухая масса для покрытия электродов ,содержала
61 % железного порошка и 39% флюса; в массу вводи­
лось пере~ме.нное количество силиката . Электроды с та­
ким покрытием имели коэффициент использова,ния
170~185% . Б таблице приведена характ е ристика исход­
ных железных порошков .
По~рошки партий No 11, 2 , 3 •И 5 получены ~размолом
восстановленной железной губки; ·порошок партии No 4
получен ра, спылением .
5• З aJt. 619
131


=
=
...
"""'t:"'
~§
:,; о
:i]g
1
2
3
4
5
Технологические свойства железных порошков, применяемых
в производстве сварочных электродов
.
Гранулометрический состав, %, по фракциям, меш
......
.
.о
"' ...
...
"'"
"
+401 +бо 1+во 1 +100 1 +1so 1 +200 1+2so \ +з2s l-з2.s
t:о
<11
~ i:~
:,
>,
., о<;
:,: st
::с -:---.. <11"
t:<11
1-< <.,
О,1 9,3 25,9 21,5 15,0 24,4 1,7 3,0 2,1 2,38 31,3
-
2,8 18, 1 20,0 42,5 9,2 1,5 3,5 2,4 2,72 30, 1
7,4 40,8 27,9 12,2 11,3 О,1 о,1 О,1 О,1 3,50 22,9
3,4 19,4 20,0 11,6 13,9 14,7 2,8 8,2 6,0 3, 18 25,9
-
-
-
0,2 3,9 13,2 5, 1 42,2 35,4 3,46 18,0
* По навеске 50 г.
132
Ри,с. 2. Форма частиц порошков:
а-партияNo1:6-партия No2;•в-партияNo3;
г- партияNo4;д- 11артияNo5


Порошок партии No 5 представляет наименьший .ин­
терес, посколь·ку промышленного применения: не имеет,
но включен в на'стоящее исследование из-за минималь­
ной текучести. На_ -рис. ,2 показана форма частиц порош­
ков всех цартий.
Параметры процесса экструзии
Воспроизводимость результатов
Кривая зависимости давления -экструзии от содержа­
ния силиката в массе имеет неожиданно ~крутой наклон
(рис. 3); характер кривой ,особенно резко выражен в ,ин-
""
s~" 300 - - --+--------'----t+--Н----1
~-
1')
~
~ 200
~
--~
~~
~ :~&,Mf1S.Z;.:
it;
с::;
~ fDD
q
------+·--i·~з~;
Jfj :
~---' ---~ - __J
fOD
20D
300
СоiJержшше силию.zта
8 сухаи массе, г/кг
Рис . 3. Изменение минимальног<> даn­
ления экструзии железных порошков
партий No 1-5 при введении в шихту
сили,ката; зашт,рихованный участок с о ­
отве-гсrвует
опти. мальным
условия м
экструзи:и
тервале малых концентра·ций силиката. Это значит, что
и~менение ·количества силиката н·а величину порядка
5% от оптимального .содержания вызывает ,существен­
ный •сдвиг давления экструзии в большую или меньшую
,ст,орону от области, соответствующей оптимальным усло.­
виям экструзии. ,Выше етой области значительно увели-
133


чизается возможность образования трещины в покрытии
и поверхность покрытия получается грубой. Ниже обла­
сти оптимальных условий покрытие электрода -обладает
малой прочностью, при транспортировке ,электрода нс1
его поверхности образуются дефекты, или, что еще хуже,
связь пок.рытия •С проволочным стержнем очень слаба.
·с
На рис . 4 у.казана минимальное давление экструзии
. порошков
всех партий в зависимости •от содержания си­
ликата и в • с-оответствии с текучестью порошков.
22 24
пз
26 28
П4
Текучесть, ceк/.5t7z
1
30 JZ
П.f
Рис. 4. М1,шимальн ое да,вление экструзии п о ­
рошкоо партий No 1-5 в за·вис имости от те ­
кучести пороШков и соде,ржания силиката в
сухой шихте:
•
1- 100 кГiсл,2; 2 - 120 кГ/сл,2; 3 - 150 кГ/сл,2;
-4
-
180 кГ/см'; 5 - 200 кГ/сл,2
Факторы, определяющие консистенцию массы
Во время мокрого смешивания массы и последующей
ее транспортировки к п·рессу происходит испарение вла ­
ги из массы . Количество и-спа·рившейся ,влаги .возрастает
с увеличением продолжительности смешивания, а также
зависит от относительной влаж,ности ,и температуры в
•смесительном и пр,ессовом помещении. Теплота, выде­
ляющаяся вследствие трения при перемешивании массы,
как и теплота ·реакции между еиликатами и другими со­
ставляющими также усиливает испарение.
В •результате испа·рения влаги вязкость силиката уве ­
личивается и -изменение .консистенции массы требует по­
вышения давления ,экструзии. Изменение -относительной
влажности окружающего воздуха на 17 % равноценно
134


изменению оодержания силиката в массе на 5 %, а это,
как -указывало-сь выше, существенно изменяет у словия
э к-струз·ии. Колебания влажности воздуха осложняют
проведение э·кструзии и, . ,возможно , •служат одной из
главных причин массового брака, возникающего часто в'
электродном производстве.
Зависимость давления экструзиu
от физических свойств железного порошка
Между величиной текучести железного порошка ·и
положением кривой зави·симости давления экструзи-и
даннО'го порошка от ,содержания • силиката в шихте су­
ществует четкая корреляция (если сравнивать пор•ошки,
подобные по грануломет,риче-скому еоставу, см. табли­
цу). W1ожно предположить, что давление экструзии зави­
сит от величины внутреннего трения .в экструдируемой
массе·. Внутреннее трение определяется поверхностными
характери·стиками железного порошка и -общей пло­
щадью поверхности трен·ия ПО'рошка в ма-ссе. Следова­
тельно, примерная оценка преосуемости железного по­
рошка может ~быть произведена по ситовому анализу по­
рошка, по величине насыпной плотности -и велич,ине
текучести.
Из рис . 4 видно, что внутри области оптимальных
давлений зависимость между содержанием •силиката в
массе и текучестью железного порошка почти линейна
безотнооительно к типу порошка (кривая 3 на ·рис . 4).
Более тонкий порошок па,ртий No 5 имеет значительно
большую удельную поверхность, чем порошки других
партий, что Оiбъясняет положение в кривой, соответству­
ющей этому порошку, на рис. 3. Порошок партии No 3
имеет более высокую насыпную плотность, частицы это­
го порошка ·обладают гладкой оферической поверхно­
стью. Эти ·свойства позволяют кривой, соответствующей
этому порошку, занять наиболее благоприятное положе­
ние на !рис. 3.
Так как •одной из важнейших задач при производстве
высокоэффективных электродов является улучшение
преесуемости ,массы для покрытия, или, другими слова­
ми, увеличение насыпной плотн-ости по-рошка, то .выеоко­
плотные вос, становленные порошк·и •С частицами с глад­
кой ловерх,ностью должны привлечь к •себе значительный
,. интерес . .
135


**
*
Проведенные исследования показали, что для полу­
чения из железных пор,ошков с низкой или с.редней на -
сыпной плотностью мас,сы, •обладающей достаточной
прессуемостью; требуется введение большого количества
силикатов; лучшие характери· стики прессования имеет
железный порошок с высоiliой насыпной плотностью
(3,5 г/см3 ).
Это позволяет утверждать, что причиной 1 -различ,ия .в.
поведении железных порошков при эк·струз.ии служит
различие их физических свойств. При одном и том же
давлении экструзии железный ~порошок, имеющий более
ни_зкую текучесть, требует добавления меньшего -к·оличе­
ства силиката для пригтовления массы . Это ,справедли ­
во для сварочных порошков с но•рмальным распределе­
нием частиц по дисперсности. Примерную оценку харак­
теристик прессования железных порошков можно
получить ·простым ·определением текучести. Трудности,
возникающие при экст,рузии, препятствуют переходу на
производство высокоэффективных электродов; в связи с
этим вызывает огромный ИI:Iтерес ·получение железного
порошка ,с большой насыпной плот,но•стью.
У. М. Шефер
(W. М. Shafer1)
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В КОСМОНАВТИКЕ
• Космическая эра началась 4 октября 1957 т. запус­
ком первого ·искусственного •спутника Земли. Мир сей­
час не тот, что был ,несколько десятилетий назад, ,и се­
годняшние достижения и планы будущих исследований
космоса кажутся достаточно реальны и уже не поража­
ют наше воображение.
1 The Glidden Со, Hammond , Indiana .
136


..
•
Рассмотрим коротко проблемы ,современной к осмо­
навтики, а затем -- ,роль металлокерамических материа­
лов в 1рещении этих проблем.
Программа космических исследований
Президент Кеннеди в мае 1901 г. поставил в качестве
национальной задачи пр-об.п:ему освоения космоса нецо­
средственно человеком.
Программа исследований для решения 1этой пробле-·
мы состоит из нескольких этапов:
1963--'1964 гг . - проект «Джеминай»
-
полет двух­
местного ·космического корабля по -околоземной орбите;
1966-1970 гг. - проект «Аполлон»
-
полет трехмест­
ного космического корабля ·вокруг Луны с возв1ращени­
ем на землю без посадки на лунной поверхности;
1970 г. и последующие годы - посадка корабля, уп-
·равляемог-о человеком, на лунную поверхность ;
.
-
1975 г. и последующие тоды - посадка кора,бля с че­
ловеком на Марс ,и, возможно, на Венеру.
В ,настоящее время ,создается п.роект орбитальной
космической станции, ,способной вместить до 40 человек .
Для достижения этих целей прилагаются огромные
у,силия, требующие большf[х 1ра-сходов.
Размер этих --расходов можно оценить по сравнитель­
ным затратам правительственных а-ссигнований в И63 г.
на ,различные ,исследовательские работы [ 1] .
•При общей сумме ассигнований на развитие исследо­
вательских ·работ 17650 млрд. долл. зат-раты по различ­
ным отраслям науки составили (в % ) :
Работы по правительственным кон-трактам
Работы в промышленности
Дотации университетам
Дотации институтам
60,5
36,5
2,0
.!,О.
Общая сумма затрат на работы по правiпель-ствен­
ным контра~там 1963 г., равная 10700 млрд. долл., 'ра· с­
пределилась •следующим образом, млрд. долл.:
Космические исследования
.
4000
Прочиеработы.......
.
6700
В последующие годы ассигнования на · космические
исследования непрерывно возраста,'lи . составив в 1964 г.
7300и1966r. -
12000 млрд. долл ,


Размер государственных ассилнований на космиче­
ские исследования ·составляет примерно 40% от •всех го­
сударственных а-ссиг.нований ·и '62 % от общих промыш­
ленных ассигнований, значительно превысив объем а•с­
сигнований на знаменитый проект «Манхэттен», по
которому была создана первая атомная •бомба, .и в 8 ·раз
превысив общие затраты на ,исследова,ния в области ме­
таллургии.
Еще большие ассигнования на космические ис-следо-
вания планируются в будущем.
•
Какой же вклад в ~решение ,космических проблем мо ­
жет внести порощковая металлургия?
Можно •с уверенностью сказать, что роль пор·ошк6вой
металлургии в исследова:Ниях космоса достаточно значи­
тельна и прежде всего следует рассмотреть возможно­
сти порошковой металлургии в •создании материалов для
космических кораблей.
Многочисленные металлокерамические материалы и
изделия уже ,сейчас успешно ,используюгся в космонав­
тике. Однако вряд ли можно ,считать •решенными все
проблемы матер,иалов, лоэ.тому неизбежно должны про­
водиться ·исследования по , созданию новых сплавов и по
разработке ,новых методов получения этих сплавов.
Применение металлокерамических материалов
в современных космических исследованиях
Ниже перечислены некоторые металлокерамические
мат•ериалы ,и изделия, ,которые находят применение в
современной космонавтике.
Бериллий, о·бладающий высоким отношением прочно­
сти к плотности высокой теплоемкостью и большим зна­
чением модуля упругости, применяется для' изготовления
деталей ,гироскопа, антенн, тепловых экранов, теплопо­
глотителей. Нозможно также использование бериллиево­
го листа для защиты от микрометео·ритов 1 .
.
Металлокерамические фильтры применяют,ся в топ ­
ливных ~истемах ракет2 , в ча.стности бронзовые фильтры
используются для тонкой •очист.ки топлива (удаление ча­
ст-иц менее 2 мк,п).
138
1 Ваrrеtt J.С.Частноесообщение.
2 Frиdа Т. R. Частное сообщение.


Сердечники из ферромагнитных ,порошковых матери­
алов используются в электронных ,системах :ракет и дру-
гих космических агрегатах.
.
Спеченные детали и з железных или стальных порош­
ков, а также из порошков дру г их металлов применяют-ся
t в различных узлах двигателей, камер шлюзов, сервоме ­
ханизмов и т. д.
•
Металлокерамические малниты используются .в маг ­
нитных записывающих -системах в головках ракет.
Порошок алюминия служит в .качестве ·сырья для :ра­
кетного топлива; потребление алюминиевого порошка
для этой цели в 1-965 г. составило примерно 16 тыс: т.
.
Тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал, ниобий,
молибден и их сплавы) используются для изготовления
деталей, работающих п од воздействием высоких темпе ­
ратур, например сопел, ионизаторов в ракетных ионных
двигателях, тепловых 1экранов, гироскопов.
Следует остановиться п одробнее на про:блеме исполь ­
зования в космонавтике тугоп:'.!авких металлов .
Тугоплавкие металлы
Тугоплавкие металлы иг-рают. и ·будут играть очень
важную ·роль в космонавтике ['2].
Термин «тугоплавкий металл» определяет положение
дан н ого металла в ряду других в с-оответствии ·с положе­
нием точки его шrавл.ения отно-
сительно произвольно выбрапню ­
го уровня, например 1800°С или
20 0 0°С . На рис. 1 представлена
такая условная схема расположе 0
ния меташюв в соответствии с их
те\шературой плавления . Зюк­
тим, Ч'ГО радий, хром, ванадий и
гафний уже не будут ,считаться
тугоплавкими металлами, ecmr в
качестве минимального уровнн
п"ринять 20Q0°C, но вольфрам,
тантал, мопибдеч п ниобий в J".!Ю­
бом случае относятся к тугоплав­
ким металлам. Эти металлы про-
11Зводятся главным образом ые ­
тода ,,ш порошковой металлургии ,
хотя все время увеличивается
14ооё V,,'
Re-
Та
28 00(j t1o
Ds
ли
Ir
Nb
22DD"c
2ооо'с -- -- - ,п,-
Cr
Hf fб.50"с V
ге
Ри,с. 1. Схема относитель·но­
го ра,сmоложения некоторых
тугоплавких металлов в со­
ответствии с температурами
их плавления
139


.,
выпуск э'i·их Металлов дугово,~1 и элек'tроннолучевоi\
плавкой в вакууме или в защитной атмосфере.
Некрторые данные по потреблению этих металлов в
сравнении с железом приведены в табл . 1.
Таблuча 1
Некоторые данные по потреблению порошков тугоплавких металлов
и железноI0 порошка в -1961 r. ' в США
Общее
Примерная ,
Общее годовое
Металл
потребле-
производство
ние,
стоимость
на сумму,
т
1кг, долл.
тыс. долл.
Вольфрам
955
6,65
6369,0
Молибден
680
7,72
5250,0
Тантал
170
69,70
11543,75
Ниобий
86
100,00
8550,0
Железо
3210
0,27
,., 8534, 16
Следует обратить внимание на высокую стоимостьту­
гоплавких металлов по 'Сравнению с железом. Ле.нта и
другие полуфа'брикаты из тугоплавких металлов прода­
ются по еще более высоким ценам - иног,J,а вдвое доро­
же порошка. Точные данньiе по потреблению тугоплав­
ких металлов в космической промышленности отсутству -
.
\
ют, но можно ,с уверенностью сказать, что цифры эти до- .
-статочно ве,JJики.
Все четыре ме;талла окисляются на воздухе при от,но-
сительно низких температурах,. поэт-ому .нагрев их до вы­
соких температур должен осуществляться .в вакууме, в
защитной атмосфере или ,с применением -специальных
покрытий. ~Вольфрам, например, используемый для нитей
накаливания .в электролампах, начинает окисляться на
воздухе п·ри ЗОО0С .
.
Многие детали космических аппаратов, например соп­
ла ·ракет, ,работают в восстановительной атмосфере, или
•В ва,кууме . В этих условиях можно использовать чистый
вольфрам, а .не его сплавы, так -как он ·обладает ,большой
прочностью при температу,рах выше 19O0°С .
Одна ,из .интересных областей применения пористого
вольфрама-: это использование его в качестве иониза ­
то·ра в ионных ·ракетных двигателях .
. Исполь зование
этих металлов в других областях за ­
висит от создания сплавов с хорошей устойчиво·стью про
тив окисления и новых защит,ных покрытий.
140


.,
• П · равительёtвь США
су,бсидирует мноrочисленные
Исследования по разработке сплавов и защитных покры­
тий, а также по технологии обработки (ковка, прокатка.
экст,рузия).
Преимущественное
увеличение прочности
ких темпера турах.
направлени•е •этих исследований­
тугоплавких металлов ,при высо-
Данные о применении некоторых ·сплавов этих метал­
лов приведены J3 табл . 2.
Таблица 2
Применение туrоплав1ш;,,. материалов в космонавтике
Состав сплава, %
Сплавы на основе молибдена
Mo+0,5Ti
Мо+ 0,5Ti+ 0,08Zr*1
Мо +o,5Ti +о,зс
Mo+25W
Мо +50W
Сплавы на основе тантала
Та+10W
Та+ !0W+ 1Zr
Та+ ЗОNЬ + 7,5V
Та+8W+2Hf*2
Сплавы на основе вольфрама
W + (0,5-:- 2) ThO2
W+Ag
Сплавы на оr-нове ниобия
NЬ+1ow+1zr+o,1c
NЬ + 30 Та +o,8Zr
NЬ+20W + 1 Zr
•
1 Сплав TZM .
*' Сплав Т-1!1 .
/
Область применения
В условиях, требующих сочетания
твердости и высокой прочности при
повышенных температурах, например
для изготовления сопел ракет
li Изготовление деталей ракетных
двигателей, покрытие_ передних кро­
мок крыла, сопел ракеты и т. д.
Нити накаливания и другие детали,
работающие при температурах вплоть
ДО 1900°С
Изготовление ракетных сопел
В условиях, требующих высоких
прочностных характеристик при повы­
шенных температурах
Сплавы молибдена
В табл: 2 указа,ны три промышленных сплава молиб­
дена: Мо+О,5% Ti, Мо+ 0,5% Ti+0,08% Zr ·и Мо+
~ + О,5% Тi + О,3% С. Эти сплавы, сол.еrжащие титан или
141


титан и цирконий, имеют .высокий предел прочности н
предел текучести, сохраняя эти свойства при высоких
температурах [3] . Два других сплава
-
Мо+25% W и
Мо+БО% W разработаны лишь недавно. Эти сплавы
представляют ,собой твердые раство-ры, образованию ко­
торых способствует ·сходство кристаллической ст,руктуры
вольфрама и молибдена. Оба сплава имеют решетку ти ­
па о. ц. к. Точка плавления ,сплавов промежуточна по от­
ношению к температурам плавления вольфрама и мо­
либдена. Сплавы молибдена используются в1 качестве
высокстемператур.ных материалов для работы при тем­
пературах, превышающих точку плавления чистого мо­
либдена.
.Сплавы тантала
Тантал - наименее 1распространенный из четырех ту­
гоплав.ких металлов . Повышен,ный интерес к этому ме­
таллу осн•овывается .на его способности к образованию
сплавов, имеющих э•ф,фективные свойства 'При сверхвы­
соких температурах и нашедших применение в космиче­
ских летательных аппа·ратах и в системах .ракетных дви­
гателей 1 .
Четыре сплава на основе тантала указаны в табл. 2.
Сплавы Ta-W обладают ,сочетанием ,высокотемператур­
ных •св-ойств обоих компонентов, например сплав Та+
+ 10% W в виде ленты может работать при нагреве до
температуры 2480°С, а в виде ,цемент,ированной плотной
массы •В таких деталях, как •ракет,ные сопла, - до темпе­
ратур~ 34•0:0°С. Это свойство очень ценно для космиче­
ских материалов, так как температу,ра ,на поверхности
космического корабля в короткие периоды может дости­
гать 8Б00°С. Сплав Т-'111, новый ,сплав с •составом Та +
+8% W+2% Hf, обладает сверхпрочностью в диапазо­
не температур 1090 -:-1925°С. Сплав имеет отличную пла­
стичность и хорошую свариваемqсть2 •
Сплавы вольфрама
До недавнего времени единственным сплавом вольф­
рама, имеющим промышленное з,начение, был •сплаз
вольфрама с окисью тория (W+ 0,5-:- 2;0% Th02).
1 Michael А. В. Частное сообщение .
2 Westinghouse Electric ·corp. Частное сообщение.
142


Сплан ра.:1работан много лет назад для создания непро­
висающей нити накала в электролампах. Испытания
этого сплава в качестве материала для изготовления со­
пел ·ракет дали хорошие результаты. Недавно в ,соплах,
подверженных воздействию выхлопных газов от сгора"
ния твердого топлива, был испытан пористый вольфрам,
пропитанный серебром. Введение серебра увеличивает
теплопроводность сплава, а его испарение приводит к
охлаждению поверхности сопла.
,
Сплавы ниобия
Три сплава на основе ниобия указаны в та·бл. 2.
Значительный интерес к сплавам ниобия в конщ: пя­
тидесятых годов был О'бусловлен .возможностью ·исполь­
зования 0тих сплавов в ядер,ных ,космических двигателях.
Отмена этой программы привела к падению потребления
ниобия в 1961 г. [2] .
.
В настоящее время интерес ·к ,разработке сплавов ни­
обия и потребление ниобия увеличилось.
Сплавы~ ни•обия исследуют ·с целью использования их
для изготовления радиаторных трубок - носителей жид­
кого металла в силовых системах ядерных к•осмических
•ракет.
Перспективы использования порошковых материалов
в космических исследованиях
По мере •совершенствования порошковых материалов
возрастает объем использова,ния их в космиче,ских иссле­
дованиях, причем наибольший интере~ вызывают некото­
рые спе;цифические металлокерамические материалы с
таким ур,овнем ,свойств, достижение котор•ого с помощью
обычной ·технологии затруднительно ,или вообще не.в-оз­
можно.
Ниже перечислены •основные классы этих новых ма-
териалов:1
.
1) дисперс,ноупрочненные металлы;
2) композиционные материалы -керметы, пропитан-
l{Ые или имп·регнир,ованные материалы и пр. ;
.З) припои;
4) топливные материалы;
.S) термоэлектриче,ские элементы;
143


6) тугоплавкие металлы - новые -области примене­
ния, в частности в виде ионизаторов в ионных •ракет,ных
двигателях.
Дисперсноупроч,ненные металлы
Дисперсноупрочненные металлы заслуживают значи­
тельного внимания благодаря ,стабильности ,,их ,свойств
при повышенных температу,рах. !В настоящее время в •
космиче,ских ис,::ледованиях используются только сплавы
W-ThO2, однако разрабатывают,ся и другие материалы
этого типа.
Дисперсноупрочненные материалы •содержат •В -струк­
туре дисперсные ча\:ти.цы (обычно окисные тугоплавкие
частицы), равномерно распределенные в металлической
матрице. Размер дисперсных частиц и ,ра·сстояние между
ними определяют уровень . свойств материала. Обычно
размер частиц в диаметре должен быть порядка 0,1 мк,м
или менее, •расстояние между ними - также по·рядка
0,1 мкм. Методы порошковой металлургии ,наиболее при­
годны· для производства этих ·материалов ..
:Подробные сведения о ·свойствах некоторых ,из этих
материалов и об их получении можно найти ,в сообщении
Г•ранта [4], поэтому здесь ~этот вопрос ,будет изложен
очень кратко.
Спеченный алюминиевый 'Порошок (САП) является
одним из самых ,ста-рых и ,наиболее ·изученных дисперс­
ноупрочненных материалов.
Диспер-сная фаза Аl:1Оз, ·расп,ределенная в алюмини­
евой матрице, придает материалу повышенную пр-оч­
ность при вьюоких температурах. Это позволяет увели­
чить •рабочую температуру алюминия до lБ~0С.
Дисперсноупрочненный •сплав никеля с -содержанием
2% ThO 2 был разработан в начале шестидесятых годов.
Согласно опубликован,ным данным, ,этот материал реко­
мендуется для использования в интервiJ.ле температур
1000 -:-1300°С [5]; и хотя его стоимость высока, предпо­
лагают, чт,о -он найдет применение .в космических ис,сле­
дованиях.
Понимание перспектив и ,изучение технологии дис­
персионного упроч,нения ведет к ~быстрому ·расwи·рению
диапазона материалов этот<:> т1-ща,
144


Колиюзиционньtе материалы
Композициешные материалы - к•ерметы, прошпанные
материалы, ,фрикционные материалы и т. д . широко при­
меняются в промышленности и безусло в но должны най­
ти п рименение и в косм.ическ.их исследова,ниях. Изготов­
ление сопел -ракет из вольфрама, пр,опитанното сереб -
1 ром, у п оминалось 1ранее.
•
• Для изготовления !фрикционных материалов исполь ­
зуют,ся металлические по•рошки с осо·быми свойствами,
например с п ециальный железный порошок, •свойст в а ко ­
торого приведены в табл . 3.
Следует обратить ,внимание ,на .низкую кажущуюся
плотность металлического nо·рошка и высоку16 прочность
п р ессованных из этого порошка брикет,ов.
Таблица 3
Сравните,1ьные характерист ики . брикетов, прессованных
из обычного желе.зного порошка
и из железного порошка со специаль ными свойствами
'"
Прочность брикетов,
:,:
.о;
кГ/лtм •
~ еЗ (lj..
., :,:
:,: "'
...
о
Исходный материал
§@§~
:,: "'
<.) "'
Q.) 8"' ~8~
ёj ь 8.~ ~~~ ~~~ прессован-~ спечен•
:r:"' <: о---. Ci::I о.,
t:::: о.---.
ных
ных*
t:: t:: "' l:f t:: Е-,
t::"'
Обычный железный пора-, 2,50 5,0 6 ,30
1,4 11 ,25
шок
8,0 6,70
2,5 21 ,09
Железный порошок со 0,80 5,0 6, 10
7,03 15,5
сп е циал ь ными свойствами
8,0 6,50 10,55 25,3
* Спекание 30 щщ, прн 1120°(; е в одород•~ .
При •введении в исходную шихту 7% Cu прочность
·спеченных '·брикетов -из железного порошка со специаль­
ными свойствами достигает 29 кГ/мм2 при усадке
--'0,3 %, тогда как прочность брикет,ов из обычно го же­
лезного порошка с тем же ,содержанием меди 26,7 кГ/мм2
при усадке + 11,8 %.
Можно ожидать , что для этого порошка найдутся и
другие о·бласти применения 1 например в !различных спе-


ченных керметах - в изделиях низкой плотности, пропи­
танных металлическими, керамическими или органиче­
скими материалами.
Припои и коммутационные матеР'uалы
Имеется ряд сообщений об :использовании по·рошко­
вых материалов в качестве припоев для , соединения раз-
нородных сплавов .
,
Одним из оче,нь интересных и простых приемов явля- .
ется ,создание так называемых «переходных слоев» с по­
степенным изменением коэффициента термического рас­
ширения от одного конца- изделия к другому ['6]. Для
этого обычно :используют технику порошковой металлур­
гии •с шихтой переменного состава в качестве исходного
сырья_. На ,рис. 2 схематически показана деталь, изготов-
ленная таким способ-ом .
•
I
ш
л
-- 1_
-
-
-
-
-
-
Рис. 2. Изделие, части которого (/ и l/)
изготовлены и з сплавов с различным коэф­
фициен-г о м термиче еко г о ра с ширения, с пе-
рех одным коммутационным слоем (III)
Топливные элементы
Топливные элементы, неко1'орые из которых предус­
матривают :использование никелевых по·ристых ,спеч-ен­
ных электродов, в будущем могут найти применение в
космосе :и в промышленности [7] .
Термоэлектрические элементы
Термоэлектрические элементы, применяемые для пре­
вращения тепловой энергии в электрическую и нао1борот,
представляют значительный интерес с точки зрения воз­
можност~й ·испоJiьзования их в космонавтике и в про-
146


мышленности. Получение этих элементов осуществляет­
ся методами порошковой металлургии, например горя-
1 11ш прессованием.
Тугоплавкие металлы
Перспективы применения тугоплавких металлов в
космонавтике .весьма обширны . Уже упоминалось об ис­
пользовании пористого в•ольфрама в качестве ионизатора
для ионных •ракетных двигателей.
Применение тугоплавких металлов в других областях .
зависит от создания сплавов •с хорошей устойчивостью
прот,ив •окисления или надежных защит,ных пок,рытий.
Перспективы развития порошковой металлургии
,
Ранее уже говорилось об огромных ас,сигнованиях на
иеследова.ния космоса. Следует :ожидать, что эти иссле­
дования .вьIЗовут дальнейшее развитие пор-ошковой ме­
таллургии. Наиболее вероятно ·развитие ,следующих
направлений:
1. Применение новых высокоэнергетических метод,ов
формирования; примером может слу:zн:ить уплотнение .
брикетов при наложении сильного магнитного поля
(рис. 3). Поле напряжен,ностью 300 кэ развивает давле­
ние п•орядка 40 кГ/мм 2 , что вполне достаточно для уп­
лотнения большинства порошковых материалов [8]. •
2
Ри с . 3. Ф о рмиро.вание брикета в маг­
нитн ом поле:
J - м агнитная катушка; 2 - рабочий
м атериал; 3 - форма
147


2. Интенсификация процессов уплотнения и спекания
применением ультразвука, проведением спекания в при­
сутствии жидкой фазы и пр . с ,целью получения более
плотных и прочных деталей.
.
3. Разработка усовершенствованнвrх спос•обов полу­
чения ульт;ратонк:их порошков.
4. Разра·ботка покрытий, предохраняющих тугоплав­
кие металлы от окисления при высок;их температурах.
5. Разработка технологии •производства конструiщи­
онных деталей из предварительно легирQванных по­
·рошхов.
б. Применение в порошковой технологии лазеров,
плазменной дуги и т . д.
Проблемы ·создания материалов для космических и~:
следоваiНИЙ могут быть частич,ю решены применением _
металлокерамич~ских материалов. В настоящее время в
космонавтике используются конструкционные бериллие­
вые детали, фильт1ры, -магнитные сердечники, спеченные
детали для двигателей, шлюз·ов ,и пр.
Успешно •развиваются исследования дисперсноупроч­
,ненных металлов, компози,ционных материалов, п·рипоев,
материалов для термоэлектрических преобраз.ований.
Прогресс науки в .целом ведет ,к развитию и отдельных
ее отраслей, .в том числе и по,р,ошковой металлу,ргии; ,но­
вейшие до·стижения пор·ошковой металлургии - приме ­
нение новых метод•ов 1формирования, усовершенствова­
.ние процессов уплотнения ,и спекания, улучшение техно­
логии получения ультратонких порошков и легирован,ных
порошков, •разработка покрытий для тугоплавких метал­
лов, применение современных источников нагрева - ла­
зеров, плазменной дуги~ все это используется для про­
изводства .и обработки металлокерамических матери­
алов.
ЛИТЕРАТУРА
1. К,armatz F. N . Iпdustrial Research, Jап., 1963, р. 21.
2. Ре с k пе r D. Materials iп Desigп Епgпg. Oct., 1962, р. 132.
3. С hе 1iu s J. Machiпe Desigп. March, 1962.
4. G r а п t N. J., Proc. 16th Апп Meetiпg of MPIF, April, 1960.
148


5.А11dеrsF.J.А!еха11dеrd.Ь. \vаrtе1W. S.,
Metal
Prog. Dec. 1952, р. 88.
6.Zimmеr F.MetalProg.Ja11, 1963,р. 101.
7. Scie11ce Week, Feb. 23, 1962, р . 6.
8. Wi!s011 W. S . , Schwi11ghameг R. J. I11dust . Res.Feb . 1963,
р. 26.
'
Н. М. Парик
(N. М. Parik1)
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
За последние годы возрос интерес к композиционным
металлокерамичеоким материалам. Этот класс материа­
лов не всегда можно четко •определить, поскольку в ши­
роком смысле очень многие материалы, ,например мате­
риалы для электрических контактов, подшипников ,
фрикционных элементов, твердые сплавы и т. д., могут
считать, ся композиционными, т. е. состоящими из двух
фаз с сильно отличающимися свойст.вами. В этой обла­
сти, как и в других о'бластях порошковой металлу,ргии,
практические достижения ушли далеко вперед от теории,
объясняющей •свойства 0тих материалов .
Можно предположить, что правильно поставленная
серия экспериментов пом ·ожет ,создать теоретические ос­
новы технологии комдози:ционных матер·иалов. Это поз­
волило бы опти·мизировать технические ,свойства сущест­
вующих материалов и разработать новые материалы с
улучшенными свойствами .
•
Целью настоящей работы является . исследова,ние ме­
ханических •свойств композиционных материалов, ,в част­
ности материалов, армир -ованных металлическим волок­
н·ом .
В литературе имеется значительная информация о
влиянии , микроструктуры на механические свойства
двухфазных сплавов .
В большин-стве случаев композиции представляют со­
бой материал, в котором твердая фаза внедряется .в по­
лунепрерывную матриц у из мягкого связ у ющего ,метал-
1 Metals Oi"isio11 · Armour Research Fou11datio11, Chicago, Illi11ois.
149


ла, поэтому в качестве а,налогии можно рассмотреrь
структуру ферритной стали с цементитной сеткой. В ра ­
.боте Генсамера [ 1] пока з ано, что в этой системе междv
эффективным -р аз м е ром з ерна ферритной стали (или
рас-стоянием между частицами щемент.ита Fe 3C) и пре ­
делом текучести композиции имеется хорошая корреля­
ция: предел текучести композиции уменьшает,ся пропор ­
ционально логарифму -среднего размера зерна ,феррита и
не зависит ни от содержания углерода, ни от форм ы ча­
стиц. Таким образом, прочность являет,ся чис1;ой ,функ­
цией эффективного размера зерна ферри:_гной фазы. •
Аналогичная карТ:ина, по -.видим·ому, наблюдается и в
таких системах, как W-Cu, W-Ni; W- Ni-Fe, Fе-С н
и т. д., по крайней мере, в том случае, когда частицы од ­
ной фазы не находятся в ,контакте друг с д,ругом. ,В та ­
ких системах ·юлщина слоя матрицы эквивалентна рас ­
,стоянию между частицами твердой фазы. Роль остаточ­
ных напряжений в описа,юш поведения композиции пр.и
трехосн·ом на-rтр,яженном - состоянии · остается не -совсем
ясно11 [2]. Если в твердом ,сплаве размер частицы умень ­
ш ить без изменения объема матрицы, то умень ш ится
толщина слоя матрицы между частицам.и, т . е. ~расстоя­
ние между частицами. Если напряжения, вызываю щ ие
п ластическую деформацию твердых частиц, больше, чем
-напряжения, необходимые для деформации матрицы, то
композиция буде.т обладать малой пластичностью, как в
случае композ.и,ции W-Cu. Бели критические напряже­
ния деформации обоих компонентов близки, то матери ­
ал до разрушения ,будет деформ1-1р·оваться. Мат,рицу
можно упрочнять или путем легирования элементами,
образующими твердые •ра,створы, или введением элемен ­
тов, образующих дисперсные упрочняющие фазы. Уп­
р-очнение за счет •образования твердого раствора дает
лучшие результаты, так как дисперсио.нное упрочнение
п риводит ,к образованию новых центров кристаллизации
и росту дисперсных частиц из - за .низкой енергии поверх ­
ностн-о г о н атяжения между частицей и матрищей.
С п особ упрочнения -мягкой мат-рицы волокнами дав ­
но известен в производстве пластиков, армированных
стекля,нным волокном, а теория, лежащая в основе этого
процесса [З ] , применима и для металлических материа ­
лов. При армировании металлической матрицы необхо­
димо, чтобы в·олокна и матрица ,имели хорошее сце п ле -
н ие, инач-е не может осуществиться передача приложен-
, ,...
150


ной ,нагрузки. Важным условием также является ор и ен ­
та1ция волокон •В таких композициях.
1В настоящем исследовании в качестве исходно го
материала ,использовали равномерную по диаметру про­
волоку. Проволоку подвергали ,размолу в молот,ковой
мельнице для получения волокон длиной ~ 5 мм, из ко­
торых далее формовали в·ойлок заданн•ой плотности.
Для ,создания композиций ,из металлов, не обладаю­
щих взаимной растворимостью, можно произвести про­
питку ,волокнистого • Ка'Ркаса металлом матрицы. В систе­
мах с взаимной растворимостью компонентов композиции
могут ,быть получены горячим прессованием. На рис . 1,а
показа.на микроструктура композиционного материала,
полученного пропиткой стального войлока серебром.
: -<=- -=-
/'~ ~ ';(,
~
l
;-1' -~
'V
,
•
•
~,
-
'
\ .\.~~
.
•'
-
t-
•
~
-..
✓- ,..,_
_,_
~ ...,,
1
....
~..
.
'
•
!
,;
-
'
:
•
1
.
.
;:>~i ,:t- д :: ..•
....
"' :' !' ·'fi~j
Pl·!C. 1. МнкроструJ<тура \НIЗЛIIЧНЫХ l<ОМПОЗНЦНОН!IЫХ материалов:
а - пропитка серебром стального войлока; 6 - горячая экструзня
алю м иния , упроч1-1 е 1-11-1 о го волок на r-.ти nоJJьфра м а
Структура этой композиции трехмерна, но свойства ее
резко анизотропны. Микроструктура компози:uии алюми­
ний - вольфрамовые волокна, полученной горячей экст­
рузией, показана на ,рис. 1,6. Здесь волокна ориентиро­
ваны в направлении главной оси, так что в этом случае
материал может выдержать большую ,нагрузку.
Этр исследов.а,ние по-священо изучению влияния кон­
центрации волок,он, диаметра в,олокон, типа ·воло1юн,
размерного фактора •волокна и ·его ориентировки на
прочность композиции. Размер.ный фактор - это отноше­
ние длины волок,на к его диаметру: максимальное упроч­
нение матрицы волокном .наблюдается при от,ношении
длины к диаметру, ,равном ,liO: 1. Пр,и одном и том же
диаметре волокня. vвеличение его конn:ентраций приво-
151


дит к резк,ому увеличению- прочности материала, и чем
меньше диаме'I'р, тем оильнее выражено влияние кон­
ц•ент,рации. Прочность композиций, как •будет показано
ниже, зависит от прочности волокна. Ориентиров.ка во-
•локна играет огромную роль в упрочнении композиций.
Максим.альное упрочнение имеет место, когда nce волок­
на расположены в направлении приложения о,сновного
)30
~:::,·
625
~~ 2D
!:;:'
~f5
~
~
~
~, ,__з_ _
-.
510f520253D354045.50
Расстояние !'1ежоу fJолокнамц,мкм
Р.ис. 2. Предел прочности ·различных ком­
позиций в зависи.мо-сти· от среднего рас-
стояния между волакна .ми:
1 - молибден
-
медь: 2 - вольфрам
-
се­
ребро; З - молибден
-
серебро; 4 - мяг­
кая сталь - серебро; 5 - нержавеющап
сталь - серебро
усил·ия. Минимальное упрочнеf!ие имеет место при ,рас­
положении ,волокон перпендикулярно направлению при­
ложения основного у•силия. ,Когда ~большинство волокон
расположено под углом 45° к направлению приложения
усилия, • то упрочнение составляет 75~80% максималь ­
ной прочцости. И, ,наконец, если ,сравнить м·еталлы, уп­
рочненные волокном, с дисперсноупрочненными метал­
лами с такой же концент,рацией упрочняющей фазы, ·ro
первые будут проч,не,е вследствие влияния размерного
фактора.
Изучение механизма упр·очнения металла волокном
по.казал .о, что прочнрсть композиции .зависит •от типа
волокон и от ·расстояния между .ними. Ра,сстояние меж­
ду отдельными ·волокками можно изменять либо изме ­
нением диаметра воло~на, либо ·концентрации волокон.
На рис. ·2 показана зависим,ость прочности от рассrоянин
м ежду волокнами для нескольких армированных волQК­
н ами серебряных и медных компщи,ций.


Для композиционных материалов справедливо изве­
стное уравнение Петча
где от - предел текучести;
00-
компонента от, ,не зависящая от 1размера
зерна при данной температуре;
k - константа;
d - диаметр зерна .
Применительно к композициям, за. величину d при­
нимается диаметр волокон, а за 0 0 -
предел текучестн
неупрочненной матрицы; тогда уравнение достаточно
справедливо, как можно видеть из рис. 3, где показана
2З45б7В9
Расстштние межВу !Jопокномu d -1/2
Рис. 3. Предел текучести чистого серебра и серебряных
композиций, упрочненных ра,зличными волок.на1ми ,в зави­
симости от среднего раостояния между волокнами:
1 - чиетое серебро; 2 - серебро
-
мягкая сталь ; 3 - се­
ребро - молибден; 4 - серебро
-
вольфрам; 5 - сереб­
ро - сталь после термообработки
зависимость "лредела текучести от -расстояния между В()­
локнами для чистого серебра и серебряных К<?Мпозиций,
. арм ированных
·различными волокнами. Из представлен­
ных на этом ,р,исунке кривых можно ,сделать два вывода:
во-первых, чем меньше расстояние между волок,нами,
..- тем выше прочность композиции; во - вторых, при одина­
ковом раостоянии между волокнами прочность всей
композиции тем выше, чем выше предел п·рочности мате­
риала ,волокон. Например, композиция из ,cepefipa, арми-
153


рованного волокнами стал11, имеет в исходном состоянии
небольшую прочность, ·однако после термообработки,
упр·очняющей волок,на, наблюдается значите-льное увели ­
чение прочности композиции. Аналогично возра,стает
прочно·сть компози.ций ·со стальными волокнами с ув,е ­
лич,ением • содержания углерода в стали при п9стоянстве
остальных параметров.
Поведение армированного ~различными в-олокнами
серебра при деф·ормации иоследо.вано по кривым напря­
жение - деформация и по микроструктуре деформи р о­
ванного материала . Деформационные кривбrе, пред ­
ставленные на рис. 4, по ­
казывают, что · предел те­
кучести при очень малых
деформациях
. (ме нее
10- 4 0/0 ) не зависит от
плотности волокна или
типа волокна, т. е. напря­
жение, вызывающее де ­
формацию сдвига в чи­
стом серебре и в ком п о-
3 <----'-- -'--
-'---~~
-~
зициях с матрицей из
о 0,05 D ,ID 0/5 0,20 0,25 а10
б
степень пластицескоtJ !JеФор11тщи,% • сере ра, одинаково. По
мере увеличения дефор­
мации волокна препятст­
вуют сдвигу и на поверх ­
ности раздела волокон и
матрицы происходит на ­
копление дислокаций, что
Р·ис: 4. !(р111Вые на,пря,же;ние - де ­
формация для чи стого серебра (/)
и серебряных композиций, содер-
жащих 30% волокон:
2 - мягкой стали; 3 - молибдена;
4 - стали после термообрабо'!'ки
ув.еличивает степень механического упрочнения. Этот
эффект является точной аналогией эффекта, упрочняю ­
щего действия границ зерна, обнаруженного в поликри ­
сталлических металлах. Здесь распространение сдви г а
уменьшается с уменьшением диаметра зерна, а для ком­
позиций диаметр зерна приравнивается расстоянию
между волокнами .
.Второй вывод заключает•ся ·в том, чт•о при одинаковой
концентрации одни •волокна ·больше ·препятствуют пере ­
мещению дислокаций, чем другие.
Напряжение, необходимое для того, чт·обы вызвать
пластическую де-формацию волокна, складывается из
двух компонентов: приложенного усилия ,и напряжения
сдвига, возникающего в •результате деформации и ско п­
ления дислокаций в матрице. Так как твердость (и п роч -
154


ность) волокон в исследованных композициях ·возраста­
ет в порядке : мягкая сталь - молибден -термоо~брабо­
танная сталь, т·о одно и то же усилие, если оно достаточ­
но велико, вызывает наибольшую деформацию сдвига .в
волокнiJ.х мягкой стали и наименьшую - в термически
обработанной стали. Исследование линий сдвига в струк­
туре композиций при ,различных ,стеrщнях деформации
(вплоть до 1разрыва) подтверждает эту гипотезу.
Наименьшее механическое упрочнение наблюдается
в композиции серебро-- волокна мягкой стали (рис. 4),
что сопровождается заметной деформацией как матр·и­
цы, :гак и волокон, как показано на ,рис . 5,а. Тщательное
изуч,ение микроструктуры к-омпоз.иции серебр·о - волок­
на мягк·ой стали показало, что сдвиг начинается в более
Рис. 5. Лини и сдвига в серебряной
композиции , содержащей 30% волокон
стали, дефор м и,рованной до терм о обра­
б от,си (а) и после термообработк и (6)
155


мягкой мат,рице; концентрация нап,ряжений в ,серебре
вследствие накопления дислокаций активирует поверх-
~
ностные источники деlформ~щии ,на волокнах, откуда ли-
нии •сдвига распространяются во внутренние объемы
волокон.
В композиции серебро - сталь после термообработ­
ки на,блюдается наибольшее механическое упроч,не·ние
(рис. 4) ; линии сдвига в ·волокнах ;о1'сутствуют ('рис. 5,6),
не,смотря на значитещ,ную деформацию матр~цы (вплоть
до 'раз·рыва). Микроскопиче,ское ,изучение линий излома .
в этих композициях показало, что излом за,рождается на
поверхности раздела волокно - матрица и обычно рас­
прос;траняется по матриц,е, п·рочность которой значитель­
но ,ниже .
Иеследование кр'ивых, предст~•вленных на рис . 4, при­
водит к еще одному . интё·ре•сному ,выводу: чем больше
скорость механического упрочнения при данном прил·о­
женном у силии, тем полнее возврат, т. ,е. тем меньше ос­
таточная деформация в образ;цах. Для уплотнительных
материалов, работающих в условиях динамиче,ской на­
грузки, ,самым важным свойством является полнота
в.озврата поеле деформации. · Из кривых 1рис. 4 следует,
что чем выше скорость механического уп·рочне,ния для
данной композиции, тем . полнее .возврат при данной тем­
пературе. Это евойство композиций очень полезно при
разработке армирова,нных волокном уплотнительных
материалов, работающих при условиях изменения дав­
ления от О до 3,5 кГ/мм2 ,и в температурном интервале
от '25 до 600°С. Эти уплотнения .не допускают утечки га­
за даже после длительной ~эксплуатации. Эффект11вность
и диапазон условий, при которых ,ра·ботает материал,
возрастают с увеличением скорости механического уп­
,рочнения композиции.
**
*
Исследованы механические ,свойства композицион-
ных материалов, ,в частности металлокерамич,еских ком­
позиций, арми·рованных волокном. Природа упрочнения
материала при введении волок,он или дисперсных порош­
ковых частиц одинакова •С упрочнением за счет ·границ
зерен в поликристаллических матер.иалах .
Прочность композиций зависит в основн·ом от •рассто­
яния между волокнами и от проч,ности ,самих волокон.
156


Увели.чение скорости механического упрочнения этих
композиций дает возможность П·олучать хо·рошие у плот­
нительные материалы .
ЛИТЕРАТУРА
1.Gепsаmеr М:Trans. ASM, 1946, v. 36,р.30.
2. Gur1апd J.Trans. ASM, 1958, v. 50,р. 1963.
3. Outwater J. О. Modern Plastics, 1956, v. 33, р. 156 .
Дж. Леффлер, К. Х. Мак-Ки,
Р. Дж. Стыолuгросс
(J. J . Loetfler, К. Н. МсКее,
R. J. Stuligross1)
•
ВАКУУМНОЕ СПЕКАНИЕ
ЦЕМЕНТИРОВАННЫХ КАРБИДОВ
И ТУГОПЛАВКИХ СПЛАВОВ
После второй мировой войны широкое развитие по­
лучила вакуумная обработка металлов . В настоящей '
работе вопросы вакуумной техники рассматриваются
лишь JJрименительно к проμес·сам ,спекания кар·бидных
сплавов и горяч·его прессования тугоплавких металлов и
сплавов. Более подробно различные аспекты вакуумной
технологии о,свещены в работах [11-4] .
Вакуумное спекание
цементированных карбидов
В 'работе Кебеля [б], •опубликованной в 1961 г., дан
прекрасный обзор современного оборудования для вы­
сокотемпературного спекания. iПе·рвые конструкции пе­
чей для •спекания тугоплавких металлов были созданы
r1a предприятиях порошковой металлургии, поскольку
опыт разр;аботки печей . такого рода в промыш­
ленном масштабе отсутствовал. Ранние конструк­
uии вакуумных печей в настоящее время совершен ­
ствуются за ,счет оснащения печей более мощным насос-
1 Metallurgical Products Dep . General Electric Со, Detroit, Mi-
chigan.
157


ным оборудованием, обеспечивающим достижение высо­
кого вак уума, и более т·очной контрольной аппаратурой.
Усовершенствование вакуумной техники позволило
увеличить производство тугоплавких материалов, а так­
же получить сплавы •С повышенными свойст·вами.
Вакуумной обработке подвергаются главным обра­
зом поликар·бидные сплавы, например TiC_: _WC-Co 11
Р.ис . 1. Микроструктура карбидных апла.вов. :
а - сплав 72% WC+ll,5% ТаС+8% TiC+&,5 %Со; Х1500;
б- сплав83% Cr3C,+15% Ni+2% W; ХбОО
158


WС-ПС-ТаС-Со . Эти сплавы ·были ·разработаны в
тридцатых годах для обработки некоторых марок ,инст­
рументальных ,ни з ко у гл еродисты х сталей, когда возник­
ла проблема привариваемости инстр у мента к обрабаты­
ваемому изд,елию. Кроме то го, .вакуум.ное спекание и1с­
пользуется в производстве целого ряда карбидных спла ­
вов: TiC-Ni--:-Mo, Cr3C2-Ni, WC-TaC-Co, WC-Co-
. Cr, WC - Ni- Cr и т. д. Типичная микроструктура спла­
вов эт,их •СИС'Гем приведена на рис . 1.
С,равнивая ,свойства многокомпонентных кар,бидных
,сплавов, полученных ваку у м.ной обработкой и обычным
спеканием в .в,одороде, можно заметить, что более высо­
кие свойства •имеет сплав, получен·ный •вакуумной обра­
боткой. Ниже приведены данные испытаний сплава 72%
wc+ 11,5% ТаС+8% TiC+8,5% Со после спекания его
в •Вакуум•е и в в•одороде.
ТвердостьНRА.......
Предел прочности, кГ/мм2 :
при поперечном растяжении
присжатии .........
Предел пропорциональности , кГf,им2
Модуль Юнга, кГ/мм2 .
,
•.
.
.
Износ, мм:
ПО ПЛОСКОСТИ
в кратере ..
Спекание Спекание
в водороде в вакууме
91,0
122,5
416,5
170, 1
53200
0,532
О, 711
91,0
192,5
444,5
175
56700
о, 127
0,481
Преимущества вакуумного спекания заключаются в
следующем :
11) исключается возможность затрязнения азотом и
кислородом;
2) улучшается качество выходньiх материалов;
3) обеспечиваются наилуt1Шие условия для диффу- •
зионных 1реакций;
.
4) устраняются летучие примеси и предотвращается
адс,орбция примесей ·из внешни х источников;
5) .обеспечивается .наилучшая ассимиляция легирую­
щих .приса,щок.
Изучение фазовой диаграммы состояния Ti-C, по ­
казанной на 1рис. 2 ['6], п•озволяет понять ха·рактеристики
многокомпонентных карбидных сплавов и других ка·р­
бидных сис'Т)ем. Зд,есь мы имеем пример дефектной
структурJ:>1, т . ,е . структу,ры, кото·рая может существовать
159


в широком интервале концентраций. К сожалению, вы­
сокими ,свойствами ·обладают сплавы только ,в отн-оси­
тельно узкой области, ·соответствующей стехиометриче­
скому составу (т. е. от 18,5 до 20,05% С), а точного ,сте­
хиометрического состава довольно трудно было достиг­
нуть.
З400
3200
3000
2800
5- . ;:, 2600
~- 2400
@' 2200
t::j 2000
~ 1800
~ fбОО
f....: 1400
1200
1000
800
Сооержание с, °lo(nOffOCCC)
f 2 34 б 8 i01214 lб1820 253035
TiC!..,J25C 0 __
/1, ' ...,
,,
,
г?-~~
/
бЗ
1.1
1(-30)
/
1
V
I
1
/
'
1
L 1750:!20°
1
З. I 0,8)
\(ТiС) 1(Ti C}+C
\1
\1
0,б(О,15/ .92; т30° \
1
1
1
1
-
1
бОООJO20304050бО70
:1,or7- ~1
1
1
СоВержание С,% (ат.) ~
Рис. 2. Диаграмма состояния системы TI -C (6)
',
Карбид ПС имеет гранецентрированную •решетку
типа NaCI; ха,рактер связ-ей и величина м-ежатомных
·расстояний в решетке благоприятствуют замещению
атомов углерода в ка·рбиде атомами кислорода и азота.
Ка•рбидиза.ция TiC в виде твердых •растворов ,с ,карбидом
вольфрама или тантала в атмос,фер-е водо·рода, общепри·
,нятая в производстве сложных · кар-бидов, помога-ет до
некотор,ой ,степени очис'Гить решетку, но не устраняет
дефектность решетки по углероду. Следовательно, в по­
следующих операциях необходимо каким-либо -спос-обом
восполнить этот дефицит. При спекании в вакууме эта
задача ·решается относительно просто, так как вывод
газообразных продуктов •реакции обеспечивает необхо­
димую полно'Гу реа.~щий при ,спекании.
160


Другим благоприятным фактором n,ри спека,1-iии в ва­
кууме является .в·озможность увеличения продолжитель­
ности опекания при данной температур е , тогда как пр11
спекании ,в водороде увеличение выдержки ведет к окис­
лению поверхности изделия вследстви,е 1реакц·ии с приме­
•сями в водороде. Возможность длительных .выдержек
делает способ вакуумного сп·екания идеальным для боль ­
ших деталей . Максимальные размеры карбид,ных дета­
лей при вакуумном спекании зави•сят лишь •ОТ мощности
печи и производительности .вакуумных насосов.
,Примеси даже в следовых количествах оказывают
значительное влияние на реакции, происходящи•е на по­
верхности •разд,ела при спекании с жидкой фазой . Созда­
ние высокого вакуума обеспечивает удаление газ-ьобраз­
ных примеоей . Спектрографический а,нализ .налета на
визирном стекл-е вакуумной печи после термоо·бработки
сложных карбидов при температуре,_, 1200°С •ВЫЯВИЛ
присутствие .в налете переменных количеств , серы, крем­
ния, магния, ма,рганца, жел•еза, алюминия ,и никеля .
Нежелательна во время спекания и ассимиляция при­
месей из внешних ,источников. Даже песочные засыпки,
,обычно используемые при спекании в атмосфере водоро­
да, могут служить источником загрязнения . Примером
такого загрязнения являет,ся диффузия алюминия в
сплавы WC-Co: после кр,атковременного спекания во
внешних ,слоях карбида обнаружено до 0,5% Al (Быст­
рова и др. [7] показали, что уже малые содержания
алюм,иния ,снижают твердо ,сть и прочность сплавов, со­
держащих 8% Со, примерно на 40%). При вакуумном
спекании не требуется никаких засыпок, а четкий темпе ­
•рату,рный контроль предотвращает диффузию ·примесей
из материала конструкции печи .
С другой стороны, небольшие легирующие до·бавки,
вводимые в ,исходный материал , повышают качество го­
тов·ого ·изделия . Примером благоприят.ного действия до­
банок может служить предотвращени,е ·роста зерна при
. введении Сrз-С2, VC или ТаС, стойкости против корро-
зии~ при •вв•едении х·рома ,и никеля и ув-еличение ,сопро­
тивления истиранию в присутствии Та С . Вакуумное спе­
кание сделало ,реальным произв-G>дство многих сплавов ,
которые практически .невозможно получить при обще­
п,р,инятом спекании •В водороде.
Кла·ссический тип вакуумной печи для спекания твер­
дых ,сплавов пр,едставл•ен ,на ·рис . 3 .
G Зак. 61!1
161


,В •работе Браунли с • сотрудниками [8] описаны не­
сколько более ,сложные -конструкции печей этого типа, но
также с механич,ескими .насосами. ,Разрежение в холод­
ной печи достигает порядка 5 • 10-2 мм рт. ст.; с повы­
шением температуры до 1200°С давление ,воз,растает до
1 _,б мм рт. ст. 1 а при температуре спека,ния ,составляет
1 .мш рт. ст.
,
б7
,J
к tJакуумн01-1у
_
HDCOC!f
Рис. 3. Печь для вакуумного опекания
твердых оплавов~
1 - индуктор; 2 - графитовый наnрева­
тель: З - графитовый тигель; 4 - квар­
цевая колба; 5 - резиновое уплотне•
ние; 6 -11одоохлаждаемая крышка;
-
7 - визирное стекло
Разработаны ·режимы эк;сплуата1ции этих печей, обе­
•сп-ечивающие 1возможнО'сть регулирования степени кар­
бидизаций и минимальные , потери кобальта от испа·р·е­
ния. ~Первым шагом ,в ~развитии производства •оборудова­
ния для .вакуумного ,спекания ·было ,создание ла1бора1'ор­
ной установ!{iи ,с соответствующим высоковакуумным
насосным ·оборудованием. Эта пер·вая м·одель по сущест­
ву представляла конструкцию, показанную на •рис. 3 ,с
добавлением ·высоковакуумной 1системы. Первая высоко­
ва·куумная печь вскоре была заменена установкой более
162


~овершенной, сначала опытно-промышленной, а затем и
промышленной. Лабораторные и полупромышлен'!:lые
опыты дали достаточный материал для 1юнструирования
промышленных печей. Диапазон рабочих давлений в пе­
чи составляет примерно ( 1-т 1OO) • 10-3 мм рт. ст., насос­
ная система ;выбирается с таким ,расчет ом, чтобы обеспе­
чить нообходимую производительность ,в 0-гом диапазоне.
Изменение ·во .врем,ени температуры и давления в печи
высокой производительности показано на рис. 4. Загруз­
ка составляла 125 кг твердого сплава карбалой, для об­
·работки ·стали следует отметить изменение давления в,о
время выдержки при 12OO°С; удаление газов-продуктов
1400
r,..:> (200 -
/
~1000
§800 Р'
~600 ✓
~400 I
200 /
2J45б78
fJыiJepжкa, ч
Рис. 4. Изм€нение в проц€ссе сп€кания
температуры (1) и давления (2) в про­
мышленной высоковакуумной печи
реакции восстановл•ения углерода остаточным 1шслоро­
дом с ,помощью ·высокопроизводительного масл яного
с11руйного наео·са протекает весьма интенсивно.
1В ,насrоящее время уже накоплен достат,очный опыт
как в разработке оборудования, так и в технологии про­
цесса вакуумного спекания .
1 Вакуумное горячее прессование
тугоплавких сплавов
Вакуумное горячее прессование, как и ·вакуумное
спекание, позволяет получать мате·р·иалы с минималь­
ным ,с_одержанием ·кислорода ,и аз•ота. Существует не­
сколько вариантов конструкций прессов для вакуумного
горячего прессования сттециалъных материалов, в том
163


числе сплавов циркония, ниобия и суперсплавов . Схема
типичной у,ста,новки для торячеrо прессования в ,вакууме
пред·ставлена ,на •рис. '5.
5
Рис. 5. Схе м а установк и для горячего
прессования в вакууме:
1 - металличе.скиil
контейнер ; 2 -
пресс-форма; 3 - катушка индуктора;
4 - гидравлический плунжер; 5 - диф­
фузионный насос; 6 - механич ес кий
на~ос
б
Особенн,о интересно горячее вакуум.ное прессование
,специальных материалов, где загрязнение :~шслородом и
азотом должно ,быть минимальным для до,стижения оп­
тимальных физических свойств . Г·орячее пр•еосование в
вакууме, подо·бно обычному горячему прессованию, поз­
,воляет получать плотную заготовку при относительно
низких добавлениях, т. е. изделия большого диаметра
можн,о прес•совать на прессах малой мощно·сти. Так как
уплотнение порошка ,и · спека ,ние проводятся за одну опе ­
рацию, ,отпада,ет необходимо·сть транспортировки п•ред­
ва·рительно уплотненной заготовки в ,печь для спека,ния.
В процессе вакуумирования удаляется адсо·рбированный
на поверхности частиц порошка газ, что активирует уп­
'Лотне.ние материала .
Нагрев ,пресс-формы о·существляется в ,индуктор,е не­
посредственно или за счет излучения графитового сус­
цептора; оба ва,риа,нта показаны на 'РИС. 6. Непосред.ст­
венный нагрев более эффективен, но мене,е удабен, так
как в этом ,случае пресс-фо·рмы для преесования ,различ­
ных изделий должны иметь постоянный на·ружный диа­
метр.
После установки пресс-формы с шихтой в полость
164


контейнера пресса .начина·ется дегазация холодной пресс­
формы. Нагр,ев производит,ся только после полной дега­
зации . Контроль процесса осуществляют по температуре,
давлению и другим параметрам .
4
5
а
Б
Рис. 6. Нагрев пресс-формы в проце,ссе вакуумного горячего
прессования непосредстве·нно в индукторе (а) нли от излучения
графитового сусцептора (6):
1 - высокочастотный и сточник питания; 2 - верхний пуансон;
3 - нижний пуансон; ~ - корпус пресс-формы ; 5 - индуктщ,
Основная причина, препят-ствующая в настоящее вре­
мя широкому применению вакуумного горяч-его п,рессо­
вания - это отсутствие надежных материалов для изго-
товления пресс-форм.
.
Стальные пресс-1формы могут применяться при дав­
лениях до 1 Т/см2 и температуре порядка 565°С . Наибо­
лее распрост,раненные графитовые пресс-формы выдер­
живают температуру до 23-00°С с максимальным давле­
нием 1175 кГ/см2, ,причем ·в этом случае необходимо
учесть возм,ожность карбидиз ации преесуемого порошка .
Скорость процесса невелика, так как и нагрев до задан­
ной температуры, и охлаждение в вакууме з амедленно.
Рис. 7. Детали из циркониевого
сплава циркалой-2, п6лученные
вакуумным горячим прессова-
нием :
1 - суппорт топливного элемен­
та весом 2,2 кг; 2- то же, ве­
сом 6,6 кг; 3 - заготовка п од
экструзию весом 45 кг
z
J
165


На рис. 7 показаны J:Iекоторые
вакуумным горячим прессованием
;рощка циркония.
детали, получе,нные
легировю-щого по -
Как видно из ·рис. •8,
сплав имеет ~-,структуру и
прессованный . циркониевый
свободен от пористости,.
~~~ "' it ·•, .;t-·&i} ./'\· ··:.--, -~ ::;:" -· · -ir~
'
,,,.~
,4
Рис. 8 Микростру,кт,ура сплава циркалой - 2
Сравнение физических свойств и уст,ойчивости против
высокотемпературной коррозии изделий из сплава цир­
калой-2, полученных ·вакуумным горячим пр,есtование:м
и обычным литьем с последующей обработкой давлени­
ем, представлено ниже.
Взрывная прочность, кГjмм2 .
•
...•
•
Предел прочности при растяжении, кГ/мм 2
Относительное удлинение, % . . . . .
Твердость HR 8 , кГ/мм2 . .
.
:(lлотность, г/см3 • • •• ••
.•..•
~стойчивость против коррози111 , мг/см2
Размер зерна, б,тл по .ASTM
Вакуумное
горячее
прессо­
вание
5,6
59,5
25
87
6,57
19
т
Лиа-ье с
последую­
щей обра-.
боткой
давлением
5,2
49
30
87
6-57 ,
19'
6
1 Потери массы при выдержке 72 ч в ~ото1_<е пара ri.oд. д._а,вл~нием,
lQO а.т при температrре 400°Q .
-
·
•
166


•
При ·произв·од1стве дорогостоящих материалов , в том
числе и JLИркониевых сплавов, обычные преимущес11ва
порошковой металлургии выступают еще более ярко
вследствие различия в стоимости ис х одного ,сырья для
металлокерамического производства и литья под после­
дующую механическую обработку.
По О'бщепринятой технологии .цля изготовления боль­
шого ,суппорта весом б,6 кг .(2 ,на !рис . 7) подвергают на
тока,рно-фрезер,ной обработке поковку весом 16 кг, полу­
ч,енную ,вакуум.ным дуговым переплавом цир,кониевой
губки . ,В металлокерамическом произв-одст.ве ра·сход 1ц.и,р ­
·кониевого порошка для изготовления этой детали с-о ­
·ставляет всего 9 кг.
При ·вакуумном горячем пре,с~овании порошков уст­
•раняется операция ковки и сокращается , съем материала
при механической обра.ботке , что ,особенно .важно при из­
гот,овлении детал,ей ,с внут,ренними -отве·рстиями большо­
го диамет•ра.
• Достижение желаемых физических свойств в метал ­
локерамическом цирконии возможн,о лишь п-ри мини­
мальном содержании кислорода ; азота и ,водо•рода . Пр,и­
,сутствие кислорода в количестве ,свыше 0,3 % •способст­
вует хру.пко·ст,и материала, а -оодержание азота выше
0,025% ,снижает его устойчивость против ко•р-розии; оо­
держание ·водорода свыше 0,02 % уменьшает плас'Гич­
ность . .Загрязнение материала может происход.,ить .с по ­
верхности во время обработки, причем вероятность
загрязнения: воз·растает по мере повышения , степени ди, с­
персности ,порошка, так как ,при этом увеличивает, ся
удельная пО'верхность по-рошка . Поэтому рекомендует,ся
работать ,с от,носительно грубыми по•рошками . Другим
способом п·редотвращения загрязнения служит примене­
ние менее чувствительного к загрязнению гидридного
порошка.
1
-Наилучшие ·результаты дает объединение этих двух
сrюсобов, т . е . горячее .вакуумное прессование грубых
гидридных п6·рошкО"в. . При ,н,агреве в вакууме гидрид
легко отдает вод,арод; .при этом , создают ся активные ме­
таллические контактные ,поверJGности, диффузия по кото­
рым способствует . интенсивному уплотнению материала .
по мере повышения температуры ;и давления.
Горя:ч.ее преосование :в вакууме открывает дорогу для
производства новейших сп·ециальных материалов. Для
167


внедрения процесса в промышленность необходимы ,не­
которые доработки .
Необходимо отработать циклы наг,рева и охлажде­
ния, улучшить материал пресс-форм для их повторного
использования; тогда процесс горячего преосова,ния в
вакууме , смож-ет конкурировать с изостатическим прес­
сованием ,и ,спеканием в ,вакууме .
ЛИТЕРАТУРА
1. Sаntе1еr D. Internat. J .Sci. and Technol. Jan, 1963.
2. Stеinhеrz Н. А. Chem. Engng., Aug. 20, 1962.
3. Vanderslice Т. А . , Chem. and Engng. News, Dec. 18, 1961.
4. Dushman S., Lafferty J. М. Scientific Foundations of Va-
cuum Technique, 1961.
5. КоеЬе! N. In «Proc. 17-th Ann. Techn. Conf. MPIF», 1961.
6. На i1 s е n М. Constitution of Вinary Alloys, 2-nd ed Mc-Graw-Hill,
1958, р. 383.
•
7. Быстрова К. А., Новикова Т . А., Функе В. Ф . Изв.
АН СССР, ОТН , 1960, No 4, с. 124.
8. Brownlee L. D., Edwards R., Raines Т . In «Proc. Sym-
posium on Powder Metallurgy, London, 1954», Iron and Steel Inst.,
L., 1956, р. 143.
Ф. Дж. Земо
(F. J. Zemo 1)
ПЕРЕДАЧt\ ТЕПЛА
ЧЕРЕЗ ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ
За последние десятилетия достигнуты большие успе­
хи в исследованиях пористых материалов. Пористые из­
делия из металлических порошков используются в каче­
стве теплообменников, фильтров, конструкционных пори­
•стых деталей и т. д.
Известно, что применение пористых материалов как
среды для передачи тепла было предложено еще в на­
чальный период развития порошковой металлургии на­
чиная с 1928 г . , в технической литаратуре неоднократно
рассматривались потенциальные возможности использо­
вания теплопередающих устройств из пористых изделий 2 .
1 Purolator Products, Inc., R.ahway, New Jersey.
2 Патенты (США) No 189333, 1928, No 1959934, 1930; No 2401797,
1943.
168
'


Было дано описание различных конструкций, служащих
для охлаждения или нагрева газа или жидкости при про ­
хождении через проницаемый ,слой. Использование псев ­
доожиженных слоев в качестве катализаторов в химиче ­
ской промышленности заставило изучить вопросы тепло­
обмена в этих слоях. Работы Якоба и Чью [1] показали,
что теплопроводность смешанных и псевдоожиженных
слоев выше, чем у систем, использующих чистый газовый
поток.
В настоящее время продолжаются 1:r,сследования по
упомянутым направлениям; кроме того, изучаются и
другие проблемы, например такие как охлаждение ис ­
па,рением, разрабатываю-гся металлокерамические по ­
крытия и пр.
Пористый металл широко используется в качестве ис,.
парительных охладителей обшивки ракеты при входе ее
в плотные слои атмосферы. Испарительное охлаждение
предусматривает принудительное пропускание ж идкости
через пористую среду; в этом случае
тепло, выделяющееся на поверхности
обшивки ракеты вследствие трения
при движении с высокой скоростью,
погJJощается и рассеивается испари­
тельным охлаждающим устройством.
По проблемам защитного ·охлаждения
такого рода провеJ(ены обширные ис­
следования. Работы Эккерта [2] по­
казьшают, что охлаждение испар.е:ние'Vt
более эффективно, чем конвективно~
или rтленочшое ох,тrаждение в равно­
значных системах. Родственный этим
формам принцип охлаждения приме-
.:няется !(ЛЯ конструкций, работающих
при высокой температуре: один металл
испаряется в порах другого. Продукты
испарения прохсщят через поры метал­
:па и ох.тrаждают его . В этом случае
металлы могут выдерживать воздей­
ствие те.мперату·р, значительно пре­
вышаю1~их точку их кипения (рис. 1).
Рис. 1. Деталь, ра­
бwающ,ая при высо­
кой температуре с
систе,мой охлажде-
н,ия
ПО
ПJ)И'НЦИil'у
ИС/П' Э[Р·ения
•ОДНОГ9
металла , в
порах
др,угого
Другая рассматриваемая область затрагивает приме ­
нение пористых металлов как средство защиты низко­
температурных систем. Предположительно этот способ
защиты может найти применение в одноступенчатых ле-
169


тательных системал, например в высотных зондах и в
. некоторых
видах военных ракет.
· Керметы
используются более широко, здесь усилия
направлены на разработку керамических покрытий для
пористых металлов. Хотя эти материалы не являются ис­
тинными керметами, можно надеяться, что в скором вре­
мени будут разработаны методы контроля теплопереда­
чи в этих системах при сохранении таких положительных
свойств металлического пористого тела, как проуно,сть,
легкость, пористость. Предусматривается: применение ме.­
талла, покрытого керамикой, в качестве облицовки, про­
тивостоящей высокой начальной температуре при высо­
ком давлении газа в импульсе и рассеивающей тепло
через пористые блоки (рис. 2) . В настоящее время раз­
рабатывается теплообменник жидкость - жидкость . Его
назначение - охлаждение и контроль температуры сма­
зочного масла в автомобильном двигателе. Масло пере­
дается через трубы, запрессованные в слой пористого
металла, и вода, под давлением просачиваясь сквозь
пористый слой, охлаждает ма,сло (рис. 3). В недавно
законченном проекте были использованы в комбинации
фильтровальные и теплопер.едающие свойства пористого
металла, чтобы изготовить блок, который будет служить
в качестве терморасширяющегося клапана (рис. 4). Его
uель - охлаждать один из узлов системы наведения.
Предусмотрены необходимые условия для рассеивания
охладителя на значительной по отношению к размерам
,системы поверхности. Способность пористого тела слу­
жить в качестве терморасширяющегося клапана очень
важна и используется в миниатюрных герметизированных
блоках и прерывателях потока.
Возможность использования пористого материала
для контроля температуры на поверхности практически
не огра:ничена. Детали из пористого материала могут ис­
пользоваться для создания условий локального нагрева и
охлаждения или для устранения локального перегрева
механизма. Пористый металл может служить в качестве
капиллярной системы с ?,I<Идким хладоагентом. •
.
Вышеперечисленных примеров достаточно, чтобы по­
казать широкие возможности для использования пори­
стых ма_териалов в теплообменных устройствах. Оста.ется
только ~оказать способность этих материалов к конку­
ренции с общеприняты_ми ,сfЙЧа\: в холодил,ьном мщщш9-


Рис. 2. Пористый металлический блок с
ке,рамичеа1шм покрытием, применяемый
для рассеи'8ания те-пла
Рис. 3. Теплооб:менник типа жидкость -
жидкость: .медные трубки, запрессованные
в ма11J)ицу . из медного волокна
Рис. 4, Терма-расширяющийся клапан из
пори,стого материала
171


строении материалами, что зависйт от ответа на два
вопроса: во-первых, будет ли увеличение эффективности
теплообмена при использовании пористой металлокера­
мики настолько велико, чтобы оправдать это использова­
ние, и во-вторых, нас1юлько велики будут необходимые
изменения в конструкции холодильных установок при
введении в них пористых холодильников. Эти же вопро­
сы можно поставить несколько иначе: оправдывает ли
увеличение эффективности теплообмена при J;!СПользова­
нии пористой металлокерамики конструкционные изме- .
нения в холодильных установках, и достаточна ли тепло­
проводность пористых покрытий для использования их в
современных холодильных системах с низким входным
импендансом.
7
172
и
!JofJa постопнной !,>;
температурыr:::; 15 i::i
fD
в9
3
~ ::,-~
~k1 ~~
~~t .::
--
:з
пао
1
4
•
Воз8ушнь1u
поток
л
2
Ри,с. 5. Схема эксперl!lментальиой установки для оценки эффект!fВнос­
ти тешлопере,дачи через трубапр.Gвод в 1динамической систе.ме пар -
воз:11;ух (I) и в стати,чес.кой си,отеме пар - вода (JJ):
1 - трубапровО\д; 2 - манометры; З
-
темrператур·ные датчики; 4 - са­
мопи.сец для за•писи те,мпературы; 5 - омеситель: б
-
контроллер; 7 -
паропровод; 8 - дренажная труба; 9 - отвО\дная труба; 10 - клапан
паропровсща пер е,ме ннюго давл·е,шя и температуры; 11 - клапан паро­
провода постоянного да,вления и темше,ратуры; 12 - блок охлаждения


Большинство конструкци_й применяемых в настоящее
время жидкостны х и газовы ~ теплообменников -стан д ар ­
тизовано, при этом сечение потока обычно минимальн о
(особенно при использовании газов) и соответствует ус­
ловиям насыщения системы питания холодильника . Это
необходимо учитывать при определении возможности ис ­
пользования пористого материала n блоках охлаждения,
автомобильных регуляторах и в системах смазки двига­
теля . Проблема заключае11ся не только в качественной
оценке обменной среды, но и в возможности ее примене­
ния к существующей системе .
Эти соображения вызвали иси~едование систем ох­
лаждения двух видов: слоя пористого металла заданной
толщины и пористого металлического покрытия . В соот­
ве11ствии с этим п_ ро~:rзводилась сравнительная оценка
теплопередачи через пористую металлическую среду и
стандартный трубопровод, или через трубопровод с пори­
стым покрытием и стандартный трубопровод . Схема ис- •
пытательньй установки показана на рис . 5.
Ниже дано описание методики экспериментов и изло­
жены предварительные результаты, которые могут слу­
жить основой для разработки промышленных теплооб­
менных систем .
Системы ~оздух - пар
Статическая естественная конвекция
В условиях статической естественной конвекции про ­
ведена сравнительная оценка эффективности теплообме­
на через плоский стандартный змеевик и змеевик с по­
ристым металлическим покрытием при продувке пара
через змеевик и потока воздуха нормально к плоскости
змеевика (рис. 6) .
Вопреки ожиданиям, скоро,сть теплопередачи через
трубопровод с покрытием из пористого металла в на­
чальный момент была несколько ниже стандартной .
•
Это можно объяснить существованием изоляционного
барьера - воздушной прокладки в порах покрытия. Од­
нако по истечении некоторого периода теплопередача
через змеевик с пористым металлическим покрытием
проходит значительно более интенсивно, чем через стан­
дартный змеевик . Цифровые данные этого эксперимента
приведены в табл ~ 1.
173


Рис. 6. Пл,оский з,меев ик с пористым
металлически,м покрытием (1) и ряд
труб в пористом блоке (2)
Таблица 1
Теплопередача в системе пар-воздух
через стандартный трубопровод
11 трубопровод с пористым покрытием
Скорость нагрева
воздушного потока,
Изменение
град/мин
Период
теплопереда •
ЧИ ПО ОТНО•
измерения,
через
через
шенню
мин
стандарт- трубопро-
к стандарт-
ный тру- вод с пок-
ной, %
бопровод рытием
-
0-14
2,35
2,05
-1 2,5
5-14
0,59
0,7
+18,5
Конвекция в переменном потоке
Схема эксперимента в этом ,случае аналогична опи­
санной выше (см . рис. 5 и 6), воздушный поток также
проходит нормально плоскости змеевика, но скорость по­
тока переменна.
174


Результаты эксперимента показали среднее увеличе-
~
ние теплопроводности при использовании змеевика с по­
ристым покрытием на 5-11 %. Это оцюсительно неболь­
_шое увеличение постоянно и возрастает по мере ускоре­
ния потока (рис. 7).
~
~ 4000
ii3-is , 3500
~~3000
~~250D
~ <:: 2DDD
~
~(3
200 250 300 35D 4DD 450 ,
Скщюсть fJозfJушного потока,11/11ин
Ри-с. 7. Теплопередача в сисrе·ме пар
-
воз-дух чере·з стандартиый трубопровод (J)
и через трубопровод с пористым метал•
личеоким покрытием (2) в зав.и,сим1ости
от скорости ,воздушного пото,ка
Интенсификация теплопередачи через пористое ме­
таллическое покрытие с увеличением скорости потока
служит доказательством существования воздушной по­
душки на шероховатой поверхности покрытия.
Конвекция в потоке с принудительной подачей
В этой серии экспериментов ис,следована теплопере­
дача через ряд плоских труб в пористом металлическом
блоке в сравнении с теплопередачей через обычный плос-
Pwc. 8. Теmлоатередача в системе
пар - воздух ' (,с принудитель­
ной подачей воздуха) через
плоский трубопровод (J) и через
трубопровод, вмонтированный в
пористый металлический блок
(2) в зависимости от скорости
sоздушного потока
/
/
/
/о ,._,__.____,__;.J...._---'-~
S0 100 tSD 200 250
Скорость 8оз8ушноzо потока,
11/мин
175


кий трубопров~д - · Теплопередача через трубопровод,
вмонтированныи в пористый блок, очень интенсивна, что
показано на рис. 8. Различие в скорости теплопередачи
состав{!яет в иоследованном интервале скоростей воздуш­
ного потока 7,9-11,3 раза .
Системы жидкость - жидкость
Статическая естественная конвекция
В этой серии экспериментов исследованы спиральные
теплообменники в изоляционных жидкостных камерах.
Блок помещают в камеру с определенным количеством
Рис . 9. Спиральный теплообменник
воды и пропускают через спираль с контролируемой ,ско­
ростью горячую воду (рис. 9). Кривые на рис. 1О пока­
зывают, что влияние пористого слоя в статических усло­
виях отрицательно, что вызвано, вероятно, характером
распределения потоков в пористом блоке, затрудняющем
теплоотвод с поверхности металлической трубкr~ . Изме­
рение теплопередачи через спираль ,с пористым метал­
лическим покрытием подтверждает это предположение:
теплопроводность трубки с тонким покрытием значи­
тельно возрастает, так как покрытие создает дополни­
тельную обменную площадь, не изменяя условий тепло-
176


отвода с поверхности труб (рис . 11). Увеличение тепло­
обмена через трубы с пористым покрытием относительно
обычных труб составляет от 12 до 24 %, тогда как тепло­
обмен через спираль в пористом блоке обычно на 10-
18% ниже, чем теплообмен через плоскую спираль .
бО
О1020:JD4050бО
,
"- -ПроfJолжительность теплооtfмена, мин
Рис. 10. Из•менение температуры в водяной к,амере в
результате теплообмена через плоскую спираль (1)
и через плоскую спираль в пори,стом блоке (2);
пунктиром показа-на температура горячей воды в
теплообменнике
60
10
О10203040,5060
Пrюоолжительность теплооЬ11ена, мин
Рис. 11. Изменение температуры в ,водяной камере
в результате теплообмена через плоскую спираль
(/) и через плоскую спираль с тонким слоем пори­
стого покрытия (2.); пунктиром показана температура
горячей воды в теплообменнике
177


Конвекция в переменном llотоке
Теплообменники, опробованные в этой серии экспе-
'
риментов, аналогичны описанным выше теплообменни­
кам для системы пар- воздух. Через камеру проходил
контролируемый поток охлаждающей воды, горячую во­
ду пропускали через теплообменные витки.
Пористое металлическое покрытие улучшает тепло­
проводность системы, тогда как запрессовка спирали в
пористый блок дает уменьшение теплопередачи по срав- .
нению с теплопередачей через обычные плоские трубь1
(табл. 2).
Таблица 2
Теплообмен н системе жидкость - жидкость
через стандартный плоский теплообменник
и экспериментальные тешюобменники ( спираль с пористым покрытием
и спираль в пористом блоке)
Скорость Температу•
-~
Темпера- потока во- ра воды на Скорость 5 -
тура воды
теплооб- о~
ды на
выходе из
==
на входе,
входе,
камеры,
мена,
....
ос
лfмин
ос
ккал/мин о~
"()
=>,
=
=
.,
:S,<
.,
·=
~
..,
"':а
Тип экспериментального
..
"'=
:а =:s
О:,:
теплообменника
"
,:=
=
<!>\О
~~
"
i!1 ., .,
..
:sо
=
=
li;:s
.,,= =о
i::.,
=
=
~: ,;
"=
,: ,,,;
~~
=
=
"о о,\О et= <!>J::
=
=
.,,= :,; о
==
J::<!>
~~
.,
.,
"'=
:,:О
,,.,
u"
:,;
:,;
et=
., _,:
.. ,,
11;'31
=()
\О
\О
==
. ,i::
U\O
о
:а
о
:а ,,., i::"'
о
~g
о
.,,
о
.,,
t~
u"
"о.,=
,:
.,
,:
.,
!:;~~
., ,:
"'"'
~.о
J::
:,;
J::
:,;
08
" 1,J:: ,:,,,; = .,о:
.,
"
.,
"
.,.,
., "= ::.:~
.!:.,
=
...
= ,~r=: () == ....
.... =
~
Спираль в пористом 57 10,6 15,6 1,25 40 35,3 35,О 30,5 -13
блоке
57 10,6 15,6 3, 15 21,7 23,9 41,5 34,8 -16
Спираль с пористым! 60 !10,6, 15,211,25126,7,22,8128,7121,21+35
покрытием
Повышение теплопередачи через спираль при нанесе­
нии пористого металлического покрытия достигает 35 %, и
несомненно, что с у,совершенствованием покрытий тепло­
передача может быть увеличена :· Так как скорость пото­
ка в жидкостной камере обычно невелика, система, ве­
роятно, не обладает энергией, достаточной для проник­
новения потока в пористые блоки, поэтому _ увеличение
поверхно,сти IIe tштенсифицирует теплообмен, как пред-
J78


полагалось, а ведет к образованию барьера, препятст ­
вующего естественной конвекции. В результате с коро сть
теплообмена через спираль в пористом блоке падает на
13 - 16%.
**
*
Пр едварительные ис"следования теплопередачи через
пористые металлы показывают перспективность приме ­
нения этих систем. Безусловно ДJIЯ создания конструк­
ций, имеющих промышленное значение, необходима боль­
шая исследовательская 'работа.
Необходима подробная разработка теории теплопере­
дачи через пористую среду, а также и уточнение техни­
ческих характеристик конструкции теплообменников - их •
размеров , конфигурации, толщины слоя покрытия, пори­
стости покрытия и т. д.
После проведения этой работы пористый металл ,смо ­
жет не только успешно конкурировать с существующими
материалами, но и работать в теплообменных процессах
более· эффективно, имея более низкую стоимость.
ЛИТЕРАТУРА
1. J а k о Ь R., С h u С. In «Reaction l(inetics for Chemical Engi-
neers» ; Ed. S. М. Walas, Мс Graw Hill, N. У., 1959, р. 203.
2. Е с k е r t R. G. In «Proc. of Heat Transfer Symposium», Michi-
gan Univ., 1953, р. 195 .
К. Х. Ролл
(К. Н. Roll1)
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО
В США В 1962-1963 rr .
1962 г. , для порошково ~ металлургии был годом
больших успехов - выпуск •железного порошка увели­
чился по сравнению с 196 1 г. на 45%; потребление его
составило 51450 т, из них 58% поступило непосредствен ­
но в металлокерамическое производство. Напротив , 1;1ы-
1 Metal Powder lndustries Federation (MPIF), New York.
179


180
52
48
44
40
36
J2
28
24
20
!б
/2
8
4
о
бО
5о
,о
4
ЗD
20
10
8
7
5
5
4
!
-
-
---
/
lz
~-,
V
I
/
J
,_, ._
1--,._:/
--
/\/
(\~/
--f
~-
,,,
~.,.
-~
\2
1
1
Ри~. 1. Производство железного порошка ,в США
(1) и кри.вая деловой •активности (2) в стране с
1946 'ПО 1962 Г.
==-2-0
-!--
~~~~~
~
~
~i~
-
1~
_ :::-~
j1
Р.ис. 2. Потребление железного ,порошка в США в 1945-
1962 гг. :
1 - отечественное произвмство; 2 - импорт


nуск других основных металлов - стали, м~ди, алюми ­
ния - едва удержи~ается на постоянном уровне или даже
сокращается на несколько процентов. На рис. 1-3 гра­
фически представлено 2азвитие порошковой металлургии
4D
35
f-..
~·
3D
~25
с::,'
20
~.:,
1:3
15
~
1!О
~5
с::::
о
""~~
r,...
~
<:<:)
~
~~~
~~
~
Рис. З. Производ!ство стальных металлокера.мических
материалов в США с 1952 по 1962 гг. и кривая об­
щего производсма железного порошка за этот период
на примере производства железного порошка и металло­
керамических железных материалов .
Потребителем железного порошка ,служит металлоке­
рамическое производство, выпускающее такие изделия,
Рис. 4. Потребление порошкvвого же•
леза в США в 1962 г.:
/ - металлокерамиче·ское производст­
во '58%; 11 - '!Iр,Qизводст~о сварочных
электродов 26,5%; /// - производст­
во электродов для огневой резки ме­
талл,ов 7%: IV - электронная про­
мышленнос,ть . 4%; V - прочие обла-
1 сrи 4,5%
как зубчатые колеса, кулачки,
детали машин; производство
электродов для огневой резки
промышленность (изготовление
IV
nодшипники, различные
сварочных электродов,
металлов, электронная
магнитов), производство
181


фр·икционных материалов, пищевая промышленность и
т . д. На рис. 4 представлен а диаграмма потребления же :
лезного порошка .
Порошковое железо для нужд металлокерамического
производства выпускают одиннадцать фирм в США и в
28~
---
-
--- -----
----,
Рис. 5. П роизводство порошоков меди
и медных сплавов в- США с 1952 по
1962 гг. ; для 1960-1962 гг. показан от"
дельно выпуск сферических порошков
(заштрихован·ная область)
Рис. 6. Выпуск меди и медных
сплавов в США в 1962 г.:
I - сферический медный поро­
шок 56%; II - сферичес:кие · п о ­
рош,ш медных сплавов 30%;
III - чешуйчатые порошки ,мед­
ных спл~вов 10%; /У-чешуйча-
тый медный порошок 4%
Канаде; кроме того, железный порошок импортируется
из трех европейских фирм .
Производство порошков меди (рис. 5) и других цвет­
ньiх металлов, включая латуни, бронзы и сплавы ни­
кель - серебро, также достигло значительной вели ч и­
ны - 24 тыс . ; 56% указанного количества составляет
182


медный порошок со сферической формой частиц, 30 %-
сферические порошки медных сплавов и остальное - по-
•рошки с чешуйчатой формой частиц (рис. 6) .
Порошки со сферической формой частиц служат ос­
новным сырьем для порошковой металлургии и приме­
няются в производстве самосмазывающихся подшипни­
ков и деталей машин. Порошки с частицами в форме че­
шуек употребляют для приготовления тертых красок,
типографских кра,сок и т. д. Восемнадцать фирм выпус­
кают порошки из медных сплавов . В общем состоян_ие
этой отрасл,и стабильно. Определились рынки сбыта про­
дукции - это автомобильная промышленность, произ­
водство бытовых изделий, машиностроение, станкострое­
ние, инструментальное производство. Менее развитые
отрасли - производство фрикционных ма_териалов и из­
делий из порошков тугоплавких металлов.
Производ,ственные мощности по выпуску порошков и
металлокерамических изделий более чем достаточны для
покрытия спроса - возможность выпуска железного по ­
рошка, например в настоящее время более чем в два ра ­
за превышает его потребление. Промышленность все
более осознает преимущества, вытекающие от примене­
ния изделий порошковой металлургии ,- гарантия каче­
ства, надежность, высокая точность и экономическая
гибкость. Последнее из перечисленных преимуществ
наиболее важно. Капитальные расходы значительно со­
кращаются , освобождая денежные средства для вложе­
ния в другие области . Экономия производства имеет пер­
востепенное значение в промышленности . В данном слу­
чае это означает сокращение трудовых затрат, отсутствие
потерь со скрапом и ,сокращение или устранение неко- •
торых технологических операций; конечным результатом
является снижение стоимости единицы продукции. В на­
стоящее время все чаще предъявляются повышенные
требования к качеству изделий. Это достигается усовер­
шенствованием технологического процесса, улучшением
свойств и ' расширением номенклатуры металлических
порошков; совершенствованием оборудования. Эти техни-
,_ ческие достижения дают возможность предсказать уве­
личение производства порошковых материалов. Автомо­
бильная промышленность будет использовать все больше
:!' изделий порошковой металлургии - в на•стоящее время
средний автомобиль имеет более 100 металлокерамиче-
/


ских деталей, что составляет 2,5-3 кг на автомобиль .
Эта цифра будет увеличена к 1970 г . в пять раз. Диспер-
t
сноупрочненные металлы, этот уникальный продукт по­
рошковой мет.аллургии, разработка которого является
одним из наиболее выдающихся достижений металлургии
за последние десятилетия , - производятся в виде ленты,
трубы, проволоки и других профилей . Эти материалы со­
храняют прочность при высоких температурах .
Промышленным процессом ,стала прокатка, порошков
в металлургическую ленту, примером может служить
производство ленты из никеля, коб&льта, молибдена,
алюминиевых гранул.
Расширяются исследования в теории и технологии
порошковой металлургии , причем главное вни м ание на­
правлено на разработку новых материалов и новых тех­
нологических процессов - непосредственной прокатки
порошков, взры в ного прессования, шликерноrо литья .


УДК 621.762.5
Линейная усадка при спека ни и порошковых м атери а ло в .
Г. Г. Хоз не р. В сб. «Новое в порошк-овой металлургии».
Перев. с а,нгл . Из:д-во «Металлургия», 1970, с . 5-34 .
Целью настоящей статьи является рассмотрение некоторы х
вопросов, касающихся линейной усадки спеченных порош к ов ,
оценка разщ-1чных факторов , влияющих на величину линейной
усадки и, кроме того, обсуждаются вопросы, связанные с р аз ­
личными точками зрения на процесс усадки во время с п е ка­
ния. Илл. 11. Табл . 10 . Библ . 10 назв.
УДК 621.762 .86
Получение металлокерамических материалов железо - медь
методом пропитки и свойства пропитанных изделий .
Р. Л. Пет т ибо у н. В сб. «Новое в порошковой металлур­
гии». Перев. с англ. Изд-во «Металлургия», 1970, с . 35-60.
Рассматривается процесс пропитки медью железных и же­
лезоуглеродистых порошков. Продукция , полученная по этому
способу, применяется в наиболее ответственных областях про­
мышленности .
Применяемыми пропитывающими материалами являются
медь и латунь, но латунь из-за присутствия цинка применяет­
ся реже. Цинк ухудшает физические свойства и приводит к
хрупкости. Кроме вышеуказанных материалов, применяют и
сплав системы Cu -
.Fe - Mn, вредного влияния Mn не наблю-
дается .
•
Приводится технология процесса получения композиций, их
физические свойства. Илл. 4. Табл. 3.
УДК 621 .762.04
Диффузионная обр а ботка металлокерамических изделий. П. Е .
Мэтхъюз, С. Брэдбери. В сб. «Новое в порошковой ме­
таллургии». Перев. с а,нгл. Изд,во «Металлургия», 1970,
с. 61--69.
Разбирается процесс хромирования, посредством которого
могут быть получены изделия с качествами, свойственными
сплаву, содержащему хром, а именно, поверхностной твердо­
стью, высокой прочностью, повышенной пластичностью и кор­
розионной стойкостью.
Этот метод предусматривает смешивание образцов, кото­
рые IJОдвергаются обработке, с пористыми гранулами хрома,
пропитанными галлоидными соединениями . В качестве образ­
цов использовали бр у ски , состоящие из железного порошка и
смазки, спрессованные до необходимой плотности . Все иссле­
дуемые образцы перед обрs1боткой хромированием предвари­
тельно опекали n,ри температуре 1122°С в течс :-ше 30 мин.
Сравнение процессов спекания и хромир_ования показыва­
ют, что при применении последнего получаются улучшенные
свойства. Илл. 7. Табл . 1.
185
----------,


УДК 621.762.32
Термообработка металлокерамических деталей. Н. К. К о бел,
Р. Ф. Но в и. В сб. «Новое в порошковой металлургии» · Пе­
рев. с англ. Изд-во «Металлургия», 1970, с. 70- ~8.
Разработаны отличия в термообработке деталей из порош­
ковых материалов по сравнению с деталями, полученными
обычным способом. Для повышения механических свойств де­
тали, приготовленные из железного порошка, подвергаются
термообработке. Имеется несколько способов для увеличения
предела прочности спеченных из железного порошка изделий
1. Увел·ичение плотности .
'
•
2. Увеличение содержания углерода.
3. Закалка.
Рассматривается влияние каждого способа .
Разобраны процессы цементации и нитроцементации. Опи­
сан контроль углеродного потенциала, . являющегося важней ­
шим пара,метром процессов цементации и нитроцементации .
Приведена оптимальная температура для этих процессов.
Описано влияние различных факторов на качество поверх­
ности изделий и их контроль. В статье дан анализ термооб­
работки порошковых изделий, имеющих различную плотность.
Илл. 9. Табл. 1.
УДК 621.762 .864
Выбор смазок для . самосмазывающихся подшипников и других
деталей. Дж. Дж. С к о т т: В сб. «Новое в порошковой ме­
таллургии». Перев. с· англ. Изд- во «Металлургия», 1970,
с. 89~100.
.. даются
рекомендации по выбору смазки для подшипников .
Приведены физические свойства различных смазочных масел
и результаты квалификационных испытаний.
Приведены свойства синтетических смазочных материалов
и рекомендации по их использованию.
Дано описание установки для испытания смазки. Согласно
ASTM и другим спецификациям самосмазывающиеся подшип­
ники могут быть пропитаны двумя способами. Предпочтителен
вакуумный способ пропитки, особенно, если плотность образ­
ца более 6,8 г/см3• Метод вакуумной пропитки более сs>Вер­
шенен; применение тридцатиминутного вакуумного цикла
обеспечивает стопроцентную пропитываемость подшипников.
Илл. 6. Табл. 1.
УДК 621.762.4 .045
Экструзия металлических порошков. Н. Р. Гарднер,
А.Д.Дональдсон,Ф.М.йенс. Всб.«Новоевпорош­
ковой металлургии». Перев. с англ. Изд-во «Металлургия»,
1970, с. 101-111.
Описан процесс прессования металлических порошков. Од­
ним из главных технических преимуществ применения порош-
186


ковых материалов является пластичность как результат отсут ­
ствия фазовых превращений и наличия ограниченной точки
плавления, что п.озволяет получать материалы с уникальными
механическими и металлургическими свойствами. Возможность
получения материалов в виде заготовок и деформация этих
заготовок до конфигураций, близких к конечному размеру,
является главным п реимуществом процесса прессования.
Рассмотрено прессование порошков чистых металлов, сверх­
твердых сплавов на основе никеля, цементирован•ных сплав,ов.
Илл. 4. Библ . 1 назв.
\
УДI( 621.762.4 .045
Экструзия· высокопрочных алюминиевых сплавов. Ф . И. 3 а -
л е с к и. В сб. «Новое в порошковой металлургии». Перев. с
англ. Изд-во «Металлу.ргия», 1970, с. 112-117.
•
Исследовано получение полуфабрикатов из порошков алю­
миниевыхсплавов системА!- Mn, А! - Mg,А! - Zn- Mg-
Cu. Свойства пол уфабрикатов, полученных прессованием из
порошков этих систем, значительно выше свойств, полученных
no обычной технологии.
Те~нология получения полуфабрикатов заключается в сле-
дующем:
.
1) методом воздушного распыления получают порошок
сплава;
2) полученный тонкодисперсный порошок путем термообра­
ботки и обработки давлением превращают в уплотненный
брикет;
3) брикет подвергают прессованию до получения готового
изделия (круглого или плоского сечения). Илл. 1. Табл. 3.
УДК 621.762.047
Производство промышленной алюминиевой ленты прокаткой
алюминиевых гранул. Т. С. Доге р т и. В сб. «Новое в по­
рошка.вой металлур,гии». Перев . с англ . Изд-во «Ме11аллур­
гия», 1970, с. 118-127.
Процесс прокатки гранул способом Рейнольдса ~рим~ним
для обработки широкого диапазона материалов, обработка
которых, по обычной .технологии затруднительна. Этот способ
позволяет с успехом получать ленту из сплавов, которые не
прдда.:,1;0тся п.рон:атке, например, из сплава алюминия с 12%
~1агни51 и других сплавов, содержащих значительные количе­
стщ1 различf!ЫХ примесей. Легко "можно получить сложные
м. а.ч~р~алы, смешивi\Я· гранущ,r_ различных сплавов перед про-
каткои.
..
- .: .~ Процесс примен_f!М •также·, ДЛЯ • непрерывного ПрОЦ:;!1\ОДСТВ~
бимеfаЛЛf!Чt;!;!\ОЙ и п,1111)(!J\ЮJ1<1н1;19~..ле11тq1._ ТТ)щ.
~-
•
•
181


•
УДК 621.762.4
Влияние некоторых свойств порошка на выбор режима экст­
рузии сварочных электродов. Г . фон Шее JI е. В сб . «Новое в
порошковой металлургии», Перев. с англ. Изд-во «Металлур­
гия, 1970, с. 128-135.
Проведенные исследования показали, что для приготовле­
ния массы из железных порошков с малой или средней насы п­
ной плотностью требуется добав,1ять значительно большие
1юл·ичесmа силикатов по сравнению с железными по.рошками,
имеющими большую насыпную I!.Лотность.
Лучшие характеристики прессования имеет железный поро ­
шок насыпной плотностью 3,5 г/см2 .
При одном и том же давлении прессова ния железный поро­
шок, имеющий более низкую величину сыпучести, требует до­
бавления меньшего количества силиката для приготовления
массы . Это справедливо для сварочных порошков с нормаль­
ным распределением дисперсионных частиц . Илл . 4. Табл. 1.
УДК 621.762-629.19
Перспективы применения металлокерамических материалов в
космонавтике. У. М. Ш е ф ер, В сб. «Новое в порошковой ме­
таллургии». Перев. с англ. Изд-во «Металлур гия», 1970,
с. 136-148.
Приведены данные по применению материалов, полученных
методом порошковой металлургии , в космонавтике.
Материалы из порошков применяют для деталей гироско ­
пов, тепловых экранов, антенн. Фильтры из порошковых мате­
риалов применяют в топливных и других жидкостных систе ­
мах ракет.
Магниты, приготовленные методом порошковой металлур­
гии, применяют в магнитных записывающих системах в носо­
вых частях ракет .
Тугоплавкие металлы (W, Та, Nb и их сплавы) применяют
для деталей, подвергающихся воздействию высоких темпера­
тур, таких как сопла, поверхности ионизации в ракетных дви­
гателях, тепловые экраны и т. д. Илл. 3. Табл. 3. Библ.
8 назв.
УДК 621.762
Металлокерамические композиционные материалы. Н . М. П а -
р и к. В сб. «Новое в порошковой металлургии». Перев. с англ.
Изд-во «Ме11аллургия», 1970, с. 149- 157.
Описаны механические свойства композиций, приготовлен-
1,ых из порошков и волокон. Изучение армированных волокном
материалов показало, что природа упрочнения путем введе­
ния волокна в порошки одинакова с упрочнением по грани ­
цам зерен в поликристаллических материалах.
Прочность композиций з_ависит от расстояния между во­
локнами и от прочности самих волокQF(.
188


Увеличение механического упрочнения этих композиций да­
ет возможность получать ·хорошие материалы для уплотнений.
Илл. 5. Библ. 3 назв.
УДК: 621.762 .5-621 .52
Вакуумное спекание цементированных карбидов и тугоплав­
ких сплавов. Дж. Леффлер. К:. Х. Мак-К:и, Р. Дж.
С т ь юл игр о с с. В сб. «Новое в порошковой металлургии».
Пе.рев. с англ. Изд-во «-Металлургия», 1970, с. 157-168.
Рассматривается вопрос применения вакуумной техники при
процессах спекания карбидных сплавов и горячем прессовании
тугоплавких металлов и сплавов. Основными карбидНЫ'v!И
сплавами, которые подвергаются вакуумной обработке, яв­
ляются TiC-WC-Co или WC-TiC-TaC-Co, TiC-Ni-Mo,
СrзС2- Ni,WC- ТаС
-
Соит.д.
Свойства многокомпонентных карбидных сплавов, получен­
ны х путем вакуумной обработки, по всем показателям выше,
чем при обычном способе получения.
Преимущества вакуумного спекания заключаются в следую­
щем:
1. Исключается возможность загрязнения азотом и кисло ­
родом.
2. Улучшается качество выходных материалов.
3. Обеспечиваются наилучшие условия для диффузионных
реакций .
4. Устраняются летучие примеси, и материал предохраняет­
ся от адсорбции примесей из внешних источников.
5. Обеспечивается наилучшая ассимиляция специальных
,п:рисадо-к. Илл. 8. Та~бл. 2. Библ. 8 назв.
УДК: 669-405 .8:536.24
Передача тепла через пористые материалы . Ф. Дж. 3 ем о.
В сб. <~Новое в порошковой металлургии». Перев . с англ. Изд­
во <~Металлур,гия», 1970, с. 168--179.
В последнее десятилетие достигнуты большие успехи в об­
ласти пористы х материалов . Пористые изделия из металличе­
ских порошков идут для изготовления теплообменников,
фильтров, конструкционных пористых деталей и т. д .
Ши'роко используется пористый металл в качестве испари­
тельных охладителей обшивки ракеты, · при входе ее в плотные
слои атмосферы. Испарительное охлаждение предусматривает
принудительное пропускание жидкости через пористую среду;
в этом случае тепло, возникающее на поверхности, вследствие
высокоскоростного трения, поглощается и рассеивается испа­
рительным устройством . По этой форме защитного охлажде ­
ния были проведены обшир.ные исследования. Илл. 12. Табл. 2.
Библ. 2 назв.
189


УДК 621.762 (73/79)
Металлокерамическое производство в США в 1962-1963 rr. ,
К. Х . Рол л . В сб. «Новое в1 порошковой металлургии» . Перев .
с англ . Изд-во «Металлургия», 1970 , с. 179-184.
Отмечается прирост производства железного порошка на
45% по сравнению с 1961 г.; потребление составило 51450 т.
Порошковое железо для использования в металлургии про­
изводят 11 фирм США, Канады и, кроме того, материал им­
портируется ·из трех европейских фирм .
Производство порошков меди и других цветных металлов,
включая латуни, бронзы и сплавы никель-серебро также до•
стигло значительной величины- 24 ООО т.
Приводятся новые порошковые материалы и их примене­
ние в промышленности. Илл. 6.


НОВОЕ В ПОРОШКОВОЯ МЕТАЛЛУРГИИ
Редактор В. Е. Квин
Технический редактор Н. А. Сперанская
Переплет художника А. Г. Сеdова
Сдано в производство 24/XI-1969 г. Подп . в печать 27/IV-70 г.
Бумага типографская No 2, 84Х1081/32 уч.-изд. л. 9,44 бум. л. 3,0
Пе'!. Л . 1) 0,00 УСЛ.
Цена 94 коп.
Заказ 619
Издат . No 4860
Тираж 2900 экз.
Издательство «Металлургия:о. Москва, Г-34,
2-й Обыденский пер., д. 14
Подольская типография Главполиграфпрома
!(омитета по печати при Совете Министров СССР
г. Подольск, ул. !(ирова, д. 25


книги
ПО ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
ВышливсветвIкв.1970r.
Б о r ат ин Д. Е. Порошки цветных металлов. М.,
«Металлургия», 1970, 104 с., ц. 27 к.
Рассматривают,ся опыт и достижения промышленно­
сти по производству порошков цветных мета:11лов.
Описывают,ся методы из,готовлен,ия и свойства мате­
риалов, изготовленных из металлических порошков.
Порошковая металлургия. Сб. трудов ЦНИИЧМ,
вып. 72. М. , «МеталлуР'гия». 1970, 184 с., ц . 84 к.
Рассматриваются материалы по усовершенствованию
и созданию новой технологии производства порошков
чистых мет,аллов, ,стал-ей и сплавов, а также по получе­
нию спеченных заготовок и металлургической продук­
ции из них.
ВЫЙДУТ ВО II ПОЛУГОДИИ 1970 r.
Гр а циан о в Ю. А. и др: Металлические порошки из
расплавов. М., «Металлурлия». 1970, . 12 л., ц. 80 к. (це­
на и объем книги указаны ориентировочно).
Описывае'!'ся технология получения порошков метал­
JIОВ и сплавов конструкционного, электротехнического и
специального назначения. Изложена теория ра,с:пада ме­
таллических жидкостей под действием газового потока.
Даны рекомендац~ии по выбору оптимальных технологи­
ческих схем распыливания различных расплавов.
Книги издательства _ «Металлургия» можно купить
или предварительно заказать в мест,ных магазинах тех­
нической книги, специализированных и универсальных
магазинах книготоргов.
- ---,,..


г
l
•1