Анализ этого уравнения показывает, что усадка матрицы при спекании происходит равномерно по всему объему и не зависит от расстояния от поверхности волокна.
Важно отметить, что в отличие от процессов спекания неар¬мированных систем, в которых возможно достижение теорети¬чески любой сколь угодно малой остаточной пористости, при спекании армированных композиций существует предельно до* стижимое значение пористости 9„, ниже которого уплотнение матрицы невозможно. Очевидно, что 9оо может быть получено из уравнения (65) при т —> оо.
^_ е~-е« , 3 _in C-^M(i-e„) ^41пл-йд). (66) 7Г-е„)(1-е„) + 1-^в (i-vW(i-eoo) *t ч о/ ^ s
Полученное трансцендентное уравнение может быть решено числовыми методами. На рис. 67 представлена зависимость пре-
153
дельно достижимой величины пористости от объемной доли волокон (при Од = 0,5). Уравнение (66) может быть записано в виде
9~-бо | з 1 (1-Уве)(1-е„) _^ 1-е, (i-e)(i-9o) ' i-Ув (1-Увво)(1-е) " 1-е„ ''
с учетом того, что 6 о ехр (—Зт) == 9ц.
Это соотношение устанавливает зависимость между пористо¬стью неармированного материала и пористостью матрицы арми¬рованного материала 9 в один и тот же текущий момент при усло¬вии их одинаковой исходной пористости 9д.
На рис. 68 показана зависимость пористости от приведенного времени спекания т; очевидно, что скорость уплотнения армиро¬ванного материала уменьшается с повышением концентрации волокон. Отношение скорости уплотнения армированной компо¬зиции к скорости уплотнения неармированного материала мо¬жет быть представлено в виде
de/dt ^ (i-e)(i-^e) 1 ,дп.
dQu/dt 4—(3+Ув)6 1 — 9о ехр (—Зт) и '
при Уд + 0.
Полученное уравнение позволяет по известным эксперимента¬льным или теоретическим кривым уплотнения неармированного материала построить кинетические кривые спекания армирован¬ного порошкового материала.
Процесс спекания можно производить в печах с воздушной атмосферой, либо в вакуумных печах или в печах с нейтральной или восстановительной атмосферой, в том случае, когда какой-либо из компонентов, составляющих композицию, подвержен окислению на воздухе. В отсутствие печей со специальной атмос¬ферой спекание таких композиций производят в металлических вакуумируемых герметичных оболочках.
Температура нагрева и время, необходимое для получения максимально возможного уплотнения при спекании заготовки, оп¬
ределяются, с одной стороны, природой матричного порошкового материала, с другой стороны — возможными процессами взаимо¬действия волокон с матрицей — растворением, рекристаллиза¬цией и др.
Горячее прессование. Метод горячего прессования в порош¬ковой металлургии вообще и для получения композиционных ма¬териалов в частности используют только в тех случаях, когда' получение плотного изделия обычным методом прессования с по¬следующим спеканием оказывается невозможным. Обычно мето¬дом горячего прессования пользуются для получения материалов, содержащих порошки тугоплавких соединений (карбидов, нитри¬дов и др.) либо металлические волокна, пружинящее действие которых приводит к разрушению заготовки, спрессованной при комнатной температуре.
Экономически метод горячего прессования невыгоден. Необ¬ходимость нагрева вместе с заготовкой и самой пресс-формы при¬водит к быстрому ее разрушению в результате окисления; энер¬гия, необходимая для нагрева пресс-формы, значительно превы¬шает энергию, необходимую для нагрева заготовки. Однако в це¬лом ряде случав этот метод оказывается единственным, позволя¬ющим получить качественный композиционный материал.
Пресс-формы для горячего прессования могут быть изготов¬лены либо из специальной стали (например, для прессования алю-минийсодержащих порошков), либо из плотных сортов графита (для прессования тугоплавких соединений). Рекомендуется исполь¬зовать специальные смазки (нитрид бора и др.), предотвращающие' взаимодействие компонентов прессуемого материала с внутренней поверхностью пресс-формы.
Нагрев пресс-формы может осуществляться либо высокочастот¬ным индуктором, либо путем пропускания тока непосредственно через пресс-форму. При невысоких температурах прессования (до 600° С) пресс-форма может нагреваться с помощью разъемной му¬фельной печи сопротивления. Поскольку в отличие от метода прес¬сования и свободного спекания при горячем прессовании усадка происходит, как правило, только в направлении прессования, то важно расположение волокон относительно внешнего давления прессования. Во избежание коробления и поломки волокон их располагают преимущественно в плоскости, нормальной к направ¬лению давления.
Теоретический анализ процессов, происходящих при уплотне¬нии горячим прессованием одноосноармированных материалов с порошковой матрицей, проведен Л. И. Тучинским [86]. Анализ проводили на примере прессования материала, состоящего из порошковой матрицы, в которой расположены регулярно непре¬рывные и недеформированные волокна, образующие орторомби-ческую или гексагональную решетку (рис 69).
Существенное отличие поведения армированного материала при уплотнении в жесткой пресс-форме состоит в том,, что наличие
в нем волокон приводит к неоднородному распределению десрор- ;
маций, в то время как в неармированном материале поле дефор- , маций однородно. Деформации матрицы в^ и е„ являются функ¬циями координаты у, а деформация е;, в силу допущения о неде-формируемости волокон и жесткой связи их с матрицей, равна нулю во всех точках материала. На основе континуальной модели ^ пористого тела получены кинетические уравнения уплотнения армированных материалов, установлены закономерности распре¬деления пористости и усадки по объему композиции [86].
Не вдаваясь в подробности теоретического анализа решаемой задачи, остановимся на некоторых выводах из этого анализа, д Скорость уплотнения матрицы неоднородна по объему; в направ-;
лении у она уменынаетсся периодически, принимая максимальные | значения в плоскостях, проходящих через оси волокон паралле-1 льно х, и уменьшаясь по мере удаления от этих плоскостей; в про¬межутках между волокнами (участок А) скорость уплотнения не |
зависит от координаты у.
Скорость относительной линейной усадки композиции зависит в значительной степени от характера укладки волокна. На рис. 70 показаны расчетные зависимости линейной относительной усадки от приведенного времени т = МР'Ч для материалов с раз- ' ной исходной геометрией (М — коэффициент, зависящий от структуры и температуры; п — параметр, входящий в уравнение | нелинейного вязкого течения; Р—давление прессования). |
Очевидно, что необходимая концентрация армирующих воло- | кон в материале может быть получена путем регулирования как | расстояния между волокнами в слое (параметр Иг), так и рассто- | яния между слоями (параметр h^/r). С точки зрения обеспече- ! ния равномерной плотности по объему в композициях с порошко¬вой матрицей, как показали расчеты, целесообразнее выбирать ;
как можно меньший шаг укладки Иг внутри слоя, увеличив соот-ветственно расстояние между слоями в направлении прессования. ,
Для каждой исходной геометрии композиции существует мак- | симально допустимая пористость 9тах/исх, которая может обеспе- | чить получение беспористого композиционного материала в ре- j зультате горячего прессования. Материал с исходной пористостью | 9исх > 9тах/исх всегда будет иметь конечную остаточную порис- | тость (рис. 71). i|
Методом горячего прессования получали твердосплавный ма¬териал ВК6 (94% WC, 6% Со), армированный волокнами воль¬фрама [69]. Температура прессования составляла 1400—1500° С, давление прессования 100—160 кг/см2, время прессования 3— 5 мин. В этих условиях в процессе прессования образуется жид¬кая фаза [Со + (WC)], которая взаимодействует с вольфрамовым волокном, образуя на его поверхности хрупкую фазу. Для предот¬вращения взаимодействия на волокно наносили слой карбида циркония толщиной 3—4 мкм методом осаждения из парогазовой фазы. Армирование вольфрамовыми волокнами сплава ВК6 позволило повысить ударную вязкость при комнатной и повы¬шенной температурах в 1,5—2,0 раза.
Квернес и Кофштад получали методом прессования и спека¬ния композиционный материал на основе никеля, армированный дискретными вольфрамовыми волокнами по следующему режиму:
порошок карбонильного никеля и отрезки вольфрамовой прово¬локи диаметром 0,3 мм перемешивали помещали в контейнер и прессовали при давлении 30 т/см2; затем полученную заготовку спекали в атмосфере водорода при температуре 1100° С в течение 1 ч, после чего подвергали горячей ковке при температуре 1100° С. Полученный таким образом материал имел плотность, составляю¬щую 98—99% от теоретической.
Свинделс и Ларе [2081 использовали метод порошковой ме¬таллургии для получения композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного одновременно двумя упроч-нителями — волокном типа борсик и нитевидными кристаллами карбида кремния. Введение нитевидных кристаллов, ориенти¬рованных в направлении, перпендикулярном к направлению волокон, позволило значительно повысить трансверсальную проч¬ность и модуль упругости материала.
Поскольку двойное упрочнение, тем более с использованием щ нитевидных кристаллов, представляет интерес, опишем техно- 'Щ~ логический процесс изготовления такого материала. 1|
В качестве исходных материалов использовали порошок алю- || миниевого сплава 6061 с размером частиц не более 400 меш, во¬локна борсик диаметром 145 мкм с прочностью 280 кгс/мм2