Реферат: Теория припекания порошковых слоев в двухпараметрическрй модели вязко пористой среды

ВВЕДЕНИЕ.

Научный анализ проблемы повышения надежности и долговеч­ности машин

показывает, что в настоящее время крайне нежелатель­но решать вопросы

увеличения срока службы путем применения для изготовления деталей дорогих

высоколегированных материалов.

Основной путь обеспечения повышенных свойств деталей - со­здание материалов,

которые способны противостоять эксплуатаци­онному воздействию при минимальных

износах или изменениях пара­метров, которые влияют на функциональное

назначение деталей.

Долгое время для изготовления деталей применялись легирую­щие добавки. В

последнее время развивается технология изготов­ления деталей с покрытиями.

Покрытия позволяют увеличить срок службы изделий, позволяют заменить дорогие

и дефинитные матери­алы более простыми и доступными, без снижения их

эксплуатацион­ных свойств.

Методы и материалы порошковой металлургии приобретают все большее значение в

развитии научно-технического прогресса в промышленно развитых странах. Они

проникают во все отрасли народ­ного хозяйства и во все большей мере помогают

решать сложнейшие проблемы развития новой техники.

Новые материалы, создаваемые методами порошковой металлур­гии, являются в

ряде случаев основой коренного улучшения суще­ствующих и создания новых

технологических процессов в машиностро­ении, металлургии, химической и других

отраслях промышленности.

Основными методами получения покрытий из порошковых мате­риалов являются:

наплавка, газотермическое напыление, а также припекание.

Получение спеченного слоя на поверхности детали, прочно присоединенного к

основе, называется припеканием.

Важнейшей технологической операцией в порошковой металлур­гии, которая

определяет структуру и свойства порошковых матери­алов, является спекание.

Прогресс в области создания научных основ и технологии спекания определяет

уровень эксплуатацион­ных свойств ряда огнеупорных, жаропрочных,

конструкционных и других материалов, которые играют важную роль в развитии

на­учно-технического прогресса в целом.

Наука о спекании развивается по таким основным напрвлениям: активизация

процесса введением специальных малых добавок металлов и соединений, спекание

под давлением, спекание с по­мощью электронагрева и электроразрядное.

Основными видами порошковых материалов и изделий массового производства

являются конструкционные, антифрикционные, высоко­пористые. Но появляются и

самостоятельные научные и технологи­ческие направления создания новых

материалов, таких как инстру­ментальные, аморфные, материалы с

ультрадисперсной структурой и др.

Открытие аморфных металлических сплавов - одно из самых значительных событий

в материаловедении нашего столетия. Метал­лические сплавы в стеклообразном

состоянии обладают рядом уникальных свойств, которые не могут быть обеспечены

металлами в кристаллическом состоянии: высокой прочностью и твердостью в

сочетании с удовлетворительной пластичностью, высокой коррози­онной и

радиационной стойкостью и рядом других свойств.

Чтобы на поверхности детали получить прочный слой, кото­рый имел бы хорошее

сцепление с основой, необходимо активиро­вание поверхности детали, порошка

или того и другого вместе. Технологически наиболее доступным и эффективным

следует считать следующие процессы активирования:

1) Химическое - введение специальных добавок, которые уменьшают окисление и

разрушают окисные пленки;

2) температурное - ускоренный нагрев, введение присадок, которые снижают

температуру плавления на контактах;

3) силовое - необходимое для получения надежного контактирования и ускорения

процесса спекания по­рошка .

При химическом активировании в шихту вводятся активные при­садки, в основном

в виде дисперсного порошка, чтобы небольшое по объему и весу количество его

наиболее равномерно распредели­лось во всей порошковой системе. В качестве

присадок часто ис­пользуют бор, фосфор, никель и др.

Силовое активирование необходимо во всех случаях, так как без надлежащего

контакта частиц друг с другом и с поверхностью детали отсутствуют условия

припекания, потому что нагрев раз­розненных или находящихся в недостаточно

тесном контакте час­тиц не обеспечивает получение спеченной системы. Силовое

ак­тивирование в значительной степени ускоряет диффузионные про­цессы и

наряду с температурным фактором является главным для получения необходимых

физико-механических характеристик слоев.

Температурное активирование заключается в ускоренном на­греве, который

сопровождается повышением активности диффузион­ных процессов, в создании на

некоторое время локальных темпе­ратур, повышающих температуру плавления и в

снижении температуры появления жидкой фазы (прослойки).

Теоретическим подходом при анализе путей образования по­крытий из порошков

явилось использование методов термодинами­ки необратимых процессов и

физической кинетики.

Кинетика уплотнения припекаемых покрытий изучена в рабо­тах [3-7].

Для теоретического анализа проблемы уплотнения припекае­мых покрытий в

условиях постоянной и переменной температур спе­кания порошка важно

располагать наиболее хорошо согласующуюся с опытом моделью процессов.

Такая модель была предложена в работах [3,6,8]. Она использует идеи теории

вязкого течения компактного материала порошкового слоя, разработанную в [5],

но в отличие от этих работ предполагается учет структурной перестройки

припекаемого порошка.

Модель хорошо зарекомендовала себя при анализе изотерми­ческих процессов

спекания. Однако в рамках этой модели было недостаточно учтено влияние

температуры. Не был детально изу­чен и процесс уплотнения слоя при нагреве

его с некоторой ско­ростью с учетом структурной перестройки среды.

Исходя из всего этого, в работе поставлена следующая за­дача: провести

исследование кинетики уплотнения припекаемых покрытий в условиях нагрева с

постоянной скоростью с учетом структурной перестройки материала порошка.

Для проведения конкретных расчетов использована трехпараметрическая модель

вязкой пористой среды.

ГЛАВА I. ТЕОРИЯ ПРИПЕКАНИЯ ПОРОШКОВЫХ СЛОЕВ В ДВУХПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ВЯЗКОЙ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ.

§ 1. Двухпараметрическая модель припекаемой системы.

Рассмотрим одну из возможных моделей припекаемой системы, в которой с

течением времени происходит перестройка, сопровождающаяся понижением

активности. Эта модель для случая жидкофазных прослоек была предложена в

работе [4], а в более общем случае рассматривалась в [8].

Предположим, что система в каждый момент времени припекания представляет из себя

«раствор» двух подсистем различной активности, которые характеризуются

кинетическими константами

и в зависимости

(1)

Обозначая через

объем компактного вещества подсистемы I и соответственно, через

объем компактного металла подсистемы II, положим:

(2)

Это неравенство, вообще говоря, может быть не очень сильным.

Введем объемные доли подсистем в «растворе»

;

и

(3)

Компактное вещество подсистем II, I будем принимать в нашей модели

несжимаемым. Предполагается, что изменение объема более активной подсистемы I

с течением времени происходит согласно простейшему уравнению:

(4)

Отсюда следует, что

(5)

Здесь - начальная объемная доля подсистемы I в «растворе».

Таким образом, получим для объемных долей подсистемы соотношения:

; (6)

Введено характерное время существования (время жизни) подсистемы I

(7)

В простейшем случае можно предположить, что и тогда

; (8)

Дальнейшие рассуждения связаны с рассмотрением диссипативной функции

«раствора», которую, очевидно, можно представить в виде суперпозиции

диссипативных функций подсистем.

(9)

Используя следующие приближение:

, (10)

будем иметь:

(11)

Приняли касательное напряжение в «растворе» одинаковым для всех подсистем.

Переходя к усредненным по объему всей системы параметрам, находим:

(12)

Если положить , то для кинетической константы «раствора» будем иметь уравнение:

(13)

в случае

(14)

Проинтегрируем правую часть

с учетом уравнения (13) и соотношений (8).

Получим:

(15)

Из общего уравнения (15) имеем приближенные уравнения для начальной и

конечной стадии процесса:

(16)

(17)

Проанализируем влияние скорости нагрева на процесс припекания, используя

результаты работы [10].

Положим скорость нагрева

(18)

и примем кинетическую константу в виде:

(19)

где упрощено представлена энергия активизации высокотемпературной ползучести

в виде:

(20)

Интегрируя кинетическое уравнение, сделав замену переменной, согласно

(21)

получим:

(22)

Учитывая определение

,

и выполняя в (22) замену переменной, находим:

(23)

Для области можно воспользоваться приближенным представлением [2, 3]:

(24)

Получится следующее уравнение процесса припекания слоя:

(25)

Поскольку , второе слагаемое в скобках справа можно опустить.

Тогда уравнение упростится:

(26)

Из анализа (26) следует, что для получения заданной пористости покрытия

необходимо согласовывать величину среднего активирующего давления со

скоростью нагрева, и более высокие значения требуют больших, активирующих

процесс припекания, давлений.

Величину активирующего давления следует ограничивать значениями 30-40 Мпа.

Нагрев необходимо проводить с уменьшенной скоростью.

§ 2. Метод вычисления средних по объему.

Рассмотрим метод вычисления по объему порошкового слоя, значение его величины

в соответствии с [5]. Причем выражено она будет через усредненные по объему

параметры вязкости порошковой системы, внешние силы, приложенные к границам

слоя, и геометрические параметры границ.

Имеем по определению:

(1)

Интеграл в (1) взят по всему объему V пористой среды. С другой стороны у нас

(2)

Поэтому выражение (1) приводится к виду

(3)

Здесь - среднее значение функции в объеме пористого слоя.

Запишем граничные условия в виде:

(4)

где - компонента

единичного вектора внешней нормали в декартовых координатах х1,

х2, х3, а

- компоненты внешней силы, отнесенные к единице площади граничной поверхности

.

Введем в рассмотрение тензор 3-го ранга:

(5)

В силу обобщенной теоремы Гаусса-Остроградского, имеем:

(6)

Здесь вектор площадки на границе можно представить согласно

(7)

С другой стороны, имеем для интеграла слева в (6) выражение, вытекающее из

определения:

(8)

Как и в [5] примем сначала, что можно пренебречь силами инерции в слое, а

также предположим, что нет массовых сил:

.

Тогда имеем уравнение равновесия слоя:

(9)

и

(10)

Это уравнение получено посредством (6) и (8).

Подставляя этот результат в (3), получаем, положив :

(11)

Таким образом, среднее значение величины

выражено через кинетическую константу

процессов в компактном материале слоя, усредненную функцию пористости

, внешние силы и

геометрические параметры границы.

§ 3. Кинетика припекания слоя в жесткой пресс-форме.

Внешнее давление приложено вдоль оси OZ.

, все , кроме . (12)

Далее имеем

(13)

Вычисляем поверхностный интеграл, учитывая граничные условия в (13)

(14)

При вычислении (14) заменили средне по области границ значение величины

на . Подставляя

результат (14) в (11), получим:

(15)

Отсюда следует кинетическое уравнение припекания:

(16)

В дальнейшем будем опираться на это уравнение.

Если проинтегрировать (16) при , то получим

(17)

Использовались соотношения:

(18)

(19)

(20)

(21)

ГЛАВА II. ТЕОРИЯ ПРОЦЕССОВ ПРИПЕКАНИЯ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ НАГРЕВА СЛОЯ.

§ 1. Спекание с

Используя материал главы I, рассмотрим процессы припекания в условиях

переменной температуры.

Положим

(1)

Тогда уравнение (16) главы I с учетом соотношений (18-21) примет вид:

(2)

Здесь

(3)

причем,

,

, (4)

Функция пористости имеет вид:

(5)

Рассмотрим влияние температуры на кинетические константы в модели

двухпараметрической кинетики неоднородной среды.

Для этой цели используется семейство изотерм спекания порошка ПГ-СР4,

полученных в лабораториях износостойких покрытий ИНДМАШ АН БССР при

МПа и температурах спекания

К (рис.1).

Рассмотрим зависимости:

(6)

для четырех изотерм в функции величины .

Теоретически должна иметь место линейная зависимость от .

Результаты сопоставления с экспериментом представлены на рис. 3.1 и 3.2. На

рисунке 3.2 заметен явный выброс одной точки из общего расположения остальных

точек вдоль одной прямой. Причинами такого выброса могут быть:

1) Ошибка экспериментаторов при снятии кривых

(рис.1), использованных в данных расчетах;

2) Наличие малого количества точек (всего 4)

для построения графика, вследствие чего возможно лишь предполагать, что есть

тенденция к линейной зависимости.

Анализ прямых (рис.3) говорит о том, что с ростом температуры припекания

существенно возрастают кинетические константы

и и ускоряется

кинетика уплотнения процесса.

На рис.2 представлены экспериментальные зависимости пористости образцов из

порошка ПГ-СР4 при его припекании со скоростью нагрева

к/с в диапазоне давлений

МПа.

В теоретическом анализе проблемы нагрева образцов с постоянной скоростью с

помощью дифференциального уравнения (15), рассматривается несколько случаев.

Ввели наиболее простую модель:

(7)

т.е. полагается, что вид зависимости Т кинетической константы процесса

спекания не меняется во всем диапазоне температур.

В этом случае имеем: (см.§1 гл.I)

(8)

Здесь интегральная показательная функция

(9)

для случае можно воспользоваться приближенным представлением

(10)

Тогда с учетом обстоятельства и условия (10), имеем:

(11)

или

(12)

Здесь коэффициент включен в константу .

На рис.4 представлена зависимость

от по

экспериментальным данным (кривая 2 на рис.2).

На графике виден некоторый излом при переходе от одного диапазона температур

к другому.

Отклонение графика от теоретической зависимости (12) обусловлено, по всей

вероятности, перестройкой в спекаемом порошке ПГ-СР4 за счет которой

происходит изменение кинетической константы.

§ 2. Постановка задачи в более общем случае (модель припекаемой системы с

тремя параметрами).

Произведем расчет кинетики припекания слоя в предположении, что в диапазоне

температур

(1)

структурная перестройка незначительна и можно положить в этом диапазоне

(2)

Полагая, что

, (3)

Имеем согласно сказанному выше:

(4)

В диапазоне температур

, (5)

где

, (6)

имеем

, (7)

где

и •

(8)

То есть, мы учитываем структурную перестройку. Время t здесь

отсчитывается от момента достижения слоем порошка температуры

.

Полное прекращение функции пористости

за все время припекания мы получим согласно:

(9)

Учитывая, что согласно (6)

, (10)

имеем приближенные значения кинетических констант и :

, (11)

Мы использовали в (11) разложение:

, (12)

где 1, 2

Теперь можно записать:

(13)

Здесь положено:

, ; (14)

, , (15)

Имея ввиду замену переменных в интеграле справа в (9) имеем:

(16)

Окончательный результат: 1-е слагаемое в (16) отвечает вкладу в

припеканию с нагревом в интервале (5), обусловленному активной подсистемой в

нашей модели; 2-е и 3-е слагаемое ответственны за припекание с кинетической

константой . Полное

изменение функций прироста

согласно (4) и (16) суть:

(17)

Отметим, что температура

для данного порошка может зависеть от приложенного извне давления, как это видно

из рисунка 2: с уменьшением давления,

увеличивается. Для порошка ПГ-СР4, как видно из эксперимента кривых (рис.2).

Кл (18)

	Рис.3.1 Зависимость кинетической константы от температуры при давлении Р = 30 МПа

МАТЕРИАЛЫ РАБОТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ

ВНЕ­КЛАССНОЙ РАБОТЫ СО СТАРШЕЛАССНИКАМИ.

Мы знаем, что разные детали, механизмы изнашиваются в про­цессе работы, и для

того, чтобы их отремонтировать и снова пус­тить в эксплуатацию, тратятся

большие средства. Надо, чтобы при изготовлении машин затрачивалось как можно

меньше материала, и чтобы изделие было качественным, подольше служило людям.

Од­ну из этих проблем и решает порошковая металлургия.

При рассмотрении изношенных деталей можно видеть, что из­нашиванию подвержена

не вся деталь, а лишь ее поверхность, т.е. то, что соприкасается с другими

механизмами в процессе работы.

Таким образом, чтобы продлить жизнь детали, надо как мож­но лучше обработать

ее поверхность, т.е. состояние поверхност­ного слоя и определяет

работоспособность и срок службы деталей. Для того, чтобы обеспечить эти

свойства, создаются материалы, которые способны противостоять различным

воздействиям и обеспе­чить небольшой износ. Долгое время для изготовления

деталей ис­пользовались разные легирующие добавки. В настоящее время

раз­вивается технология изготовления деталей нанесением покрытий различного

назначения на их поверхность. Покрытие предотвращает или замедляет

взаимодействие основы материала с окружающей сре­дой, защищая его от износа,

окисления при высоких температурах, и других видов разрушения. Разработка

составов и методов нанесения защитных покрытий различного назначения на

изделия из металлических материалов рассматривается сейчас как одно из

наиболее важных направлений материаловедения, развитие которо­го позволит

существенно поднять технико-экономическую эффек­тивность производства и

уровень многих отраслей современной техники. Эта проблема актуальна сейчас и

будет актуальна в XXI столетии.

Разработка и применение покрытий вызваны следующими при­чинами. В ряде

случаев задача защиты детали вообще не может быть решена без использования

покрытий. Например, нельзя ис­пользовать детали из тугоплавких металлов

(молибдена, вольфра­ма) и сплавов на их основе при высоких (1070 К)

температурах в окислительных средах без защиты их поверхности от разрушения.

Кроме того, покрытия позволяют существенно увеличить срок служ­бы изделий. А

также позволяют заменить дорогие и дефицитные материалы более доступными и

простыми без снижения их эксплуа­тационных свойств.

Кроме специфических требований, обусловленных условиями эксплуатации, есть

ряд общих требований, которые предъявляют­ся почти ко всем типам покрытий. К

ним относятся плотность и сплошность покрытий, предотвращение проникновения

жидкой или газовой агрессивной среды к поверхности защищаемого материала,

совместимость с материалом основы.

Основными методами получения покрытий из порошковых мате­риалов являются

наплавка, напыление, припекание.

Напыление - это процесс получения покрытий путем нагрева частиц материала до

высокопластического или расплавленного состояния и переноса их горячей струёй

газа на обрабатываемую по­верхность.

В зависимости от источника энергии существующие методы и аппараты для

напыления можно разделить на газопламенные, плаз­менные, электродуговые и др.

Достоинства напыления: почти пол­ное отсутствие термодеформаций и искажения

геометрических раз­меров заготовки, простота нанесения покрытий на

конструкции сложной конфигурации, малый вес и небольшие размеры оборудова­ния

и др.

Для нанесения толстых (от долей до нескольких миллиметров) покрытий применяют

наплавку. Для нее характерно то, что поверх­ностный слой покрываемого изделия

расплавляется на определенную глубину и смешивается с наплавленным

материалом. Преимущества наплавки - широкий ассортимент применяемых

материалов, высокая производительность, возможность получения толстых

покрытий, что важно для восстановления деталей с большим допустимым износом.

Недостатком является разупрочнение материала основы в результа­те

проплавления на большую глубину, что очень нежелательно.

Припекание - процесс получения покрытий из металлических порошков, который

заключается в нанесении на поверхность дета­ли порошкового слоя и нагрева его

до температуры, обеспечиваю­щей спекание порошкового материала и образование

прочной диффу­зионной связи с деталью. Принципиально важно, что покрытие в

процессе нанесения практически не расплавляется.

Остановимся подробно на методе припекания.

Когда материал подвергается нагрузке, в нем происходит диффузия, тем более

активная, чем выше температура. Металл сос­тоит из зерен, которые

деформируются под действием силы. В лю­бом кристалле содержатся дефекты в

виде вакансий.

Текучесть жидкости объясняется тем, что жидкость пронизана вакансиями и,

прилагая к жидкости силу, заставляем диффузию протекать: атомы занимают

вакансии, которые перемещаются соот­ветственно. Происходит это в направлении

силы и во всем объеме.

В результате приложения силы к металлу, возникает ускорен­ная диффузия между

источниками и стоками вакансий (т.е. между теми местами, где вакансий много и

теми где их мало). Такими источниками являются границы зерна. Единого потока

диффузии, как в жидкости нет, так как каждое зерно деформируется по-сво­ему.

Поэтому коэффициент вязкости металла зависит не только от коэффициента

диффузии, но и от структуры металла. Если зерно крупное, то

- увеличивается, если зерно мелкое, то

-уменьшается ( -

коэффициент вязкости). Итак, в результате протекания множества диффузионных

микропотоков, порошок припе­кается к поверхности детали.

Процессы припекания очень неоднородны во времени и в про­странстве.

На протяжении процесса

изменяется, так как структура металла нестабильна, т.е. зерна меняют свою

конфигурацию - мел­кие зерна поглощаются крупными.

Чтобы на поверхности детали получился прочный слой, хорошо сцепленный с

основой, необходимо активирование поверхности де­тали, порошка или того и

другого вместе.

Технологически наиболее доступными и эффективными счита­ются следующие

процессы активирования:

химическое - введение специальных добавок, уменьшающих окисление и

разрушающих окисные пленки;

температурное - ускоренный нагрев, введение присадок, сни­жающих температуру

плавления на контактах;

силовое - необходимое для получения надежного контактиро­вания.

Температурное активирование заключается в ускоренном нагре­ве, который

сопровождается повышением активности диффузионных процессов, в создании на

некоторое время локальных температур, превышающих температуру плавления, и в

снижении температуры появления жидкой фазы за счет присадок.

Теория процессов спекания и припекання активно развивает­ся вот уже около 40

лет, совершенствуются порошковые технологии. За ними большое, перспективное

будущее.

ВЫВОДЫ

1. Систематизирован материал по литературным источникам по­следних лет по

температурному активированию припекания порошковых покрытий.

2. Построена 3-х параметрическая модель припекаемой вязкой пористой среды.

3. Выполнены приближенные расчеты кинетики припекания поро­шкового слоя в

рамках построенной модели; результаты при­ведены в соответствие с

экспериментами ИНДМАШ АН Беларуси для порошка ПГ-СР4.

4. Полученное уравнение кинетики припекания может служить основой дальнейших

экспериментов по температурному акти­вированию процессов припекания различных

порошков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. - М., Наука, 1965.

2. Алинзаде Ю.А. Теория упругости. - М., Высшая школа, 1976.

3. Дорожкин Н.Н., Абрамович Т.М., Жорник А.И. Получение пок­рытий методом

припекания. - М., Наука и техника, 1980.

4. Ковальченко М.С., Теоретические основы горячей обработки пористых

материалов давлением. - Киев, Наукова думка, 1980.

5. Скороход В.В. Реологические основы теории спекания. - Киев, Наукова думка,

1972.

6. Дорожкин Н.Н., Абрамович Т.М., Кашинын Л.П. Теоретические основы получения

деталей с припеченным слоем. - Докл. АН БССР, 1974, т. 18, № 5.

7. Абрамович Т.М., Меленевский И.П., Ройзенвассер Л.С., Ста­ровойтова Л.А.

Исследование кинетики уплотнения припекае­мых покрытий из металлических

порошков. - В кн. Повышение надежности и долговечности деталей машин,

механизмов и свар­ных конструкций. - Мн, Бел. НИИНТИ, 1982.

8. Дорожкин Н.Н., Абрамович Т.М., Ярошевич В.К. Импульсные методы нанесения

порошковых покрытий. - Мн., Наука и тех­ника, 1985.

9. Федорченко И.М. Современные тенденции в развитии порошковой металлургии. -

Порошковая металлургия, 1985.

10. Абрамович Т.М., Симонов Ю.А., Дорожкин Н.Н., Дьяченко О.В. Кинетика

уплотнения плазменно напыленного порошка системы Fe-Cr-B-Si

оплавленного лазерным лучом. – Сборник научных трудов 9 Международной

конференции «Математические модели физических процессов», Таганрог, изд.

ТГПИ, 2003 г.