автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура и свойства металлических материалов электрофизических технологий

РГ6 ОД

_ 7 111011 1993

государственный комитет россшскош федерации

по высевку образованию нижегородский государственный технические университет

на правах рукописи УДК 669.021:621.762

МАЛЬЦЕВ ИЛЬЯ МИХАЙЛОВИЧ

структура и свойства металлических материалов э.шотофизкческкх технолог!®

Специальность 05.16.01 г' Металловедение и термическая обработка

металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 1993

Работа, выполнена на кафедре "Материаловедение и порошковая металлургия" Нижегородского Государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.Г. Петриков.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Г.С. Шмаков.

кандидат технических наук, E.H. Иурыгин

Ведущее предприятие: АНПО "Завод имени Попова", г.Нижний Новгород

Защита диссертации состоится: 25 июня 1993 г. в 11 часов на заседании специализированного Совета К.063.35.05. Нижегородского Государственного технического университета по адресу: 603000, Н.Новгород, ул. Минина, 24, корпус 1, ауд. 1345.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью ■ учреждения, направлять по указанному адресу университета.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке технического университета.

Автореферат разослан " " мая 1993 г.

Ученый секретарь специализированного

совета кандидат технических наук В.А.Васильев

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Непрерывное развитие техники требует разработки технологических процессов и материалов для энерго- и ресурсосберегающих проектов. В металлургии основным направлением этой тенденции является снижение температуру процессов и сокращение времени их протекания. Одним из способов решения задачи энерго-ресурсосберёжения является применение порошковой металлургии, в частности, ее электрофизических технологий.

В настоящее время широкое распространение получили электрофизические методы обработки объема деформируемого металла. Их оми-чие от традиционных металлургических процессов состоит, в том, что кроме воздействия давления и температуры на структуру и свойства металла уникальное влияние оказывает электромагнитное поле. Наибольший интерес для обработки давлением компактных и порошковых мег таллкческих тел представляет тот случай возникновения электромаг-ейтного поля, когда металл подвергается деформации или компакткрог заншо в условия прохождения электрического тока высокой плотности (10* - 105 А/см2) через.зону деформации или уплотнения. Среди способов, основанных на совмещений спекания и формования, выделяется электроспекание под давлением. Специфика данного физического процесса состоит в том, что при прохождении тока и деформации возникает электропластический эффект, который в условиях совмещег нного спекания (без жидкой фазы на контактах), может быть использован как новый способ создания гетерофазных материалов и как физический эффект, реализующийся в новой установке электроспекания. Кроме того, применение импульсного тока высокой плотности создает электропластичность без нагрева металлического материала, что позволяет проводить спекание при температурах,ниже рекристаллизации, онных. Актуальным в этой связи является разработка соответствуй щего способа и устройства электроспекания под давлением.

Перспективным направлением металловедения и физики металлов становится изучения механизма процесса, структуры и свойств материалов электрофизических технологий. Вопросы спекания, током и электродеформация изучены . недостаточно, особенно механизм дефор;-мации. и консолидации частиц к его зависимость от электрофизичес--

ких свойств материала (плотность, удельные теплоемкость и электросопротивление }.

Фактор магнитного поля Кпинч- и скин-эффекты) увеличивает плотность псроиковых материалов,что расширяет возможности формования.• Прохождение тока по мекчастичным контактам устраняет окисше пленки, развивает термические эффекты, что позволяет получать не только плотный, но ж пористый прочный порошковый полуфабрикат.

Наибольший технические препятствия в формовании порошков встречаются при прокатке. К ним относятся: введение значительной дож неметаллической фазы, прокатка высокотекучих сферических порошков, получение полуфабриката из частиц с трудновосстаиовимыми опасными пленками.'Поскольку в России в непрерывном режиме в основном проводят прокатку порошка, актуальна разработка соответствующего способа электроспекания при прокатке. В то время как известны аналогичные зарубежные технические решения, многие параметры стого способа и применение-в них аффекта электропластичности не известны. Таким образом,-актуальны экспериментальное исследование и теоретическая, проработка механизма электроимггульсного слекания порошка при прокатке. .

В последние годы интенсивное развитие получают как теория электропластичности,так и теория контактообразования. в порошковых телах при электроспекании под давлением. Усилиями отечественных и зарубежных ученых предложены технические решения и специальная теория электровоздействия.на металлические материалы, имеющие 0ог льшое значение для практики обработки давлением. Вместе с тем, применение порошковых заготовок-в промышленности выдвигает ряд новых научно-технических проблем, как в теории, так и технологии электроспекания. Поведение материалов под давлением и током высокой плотности отличается презде всего электрофизическими эффектами, изменяющими субстуктуру и, вследствии того, свойства материалов. В итоге возникает необходимость 'построения специальной теории применительно к электроспеканизо порошковых материалов в валках, а так же разработки методики исследования процесса и физичег ских, технических расчетов. При этом выявляется актуальность систематического исследования структуры и свойств материалов электрофизических технологий . -

Делыэ настоящей работы является исследование структуры и свойств материалов электрофизических технологий и на основе его разработка способа и устройства электроимпульсного спекания порошка при прокатке.

Методы исследования. Исследование физико-механических свойств и характеристик различных по своей природе и структуре материалов (компактных металлов, порошковых сплавов, композитов с металлической матрицей), подвергнутых деформированию и воздействию тока высокой плотности в одинаковых силовых и энергетических усг ловиях (и без него) и сравнении приобретенных свойств для оценки влияния электрофизического фактора на структуру и свойства,-с использованием стандартных методик определения предела прочности при растяжении,'удельного электросопротивления, плотности и методов рентгено- и'Металлографии и обработки опытных данных. Анаг лиз механизма электродеформирования и электроспекания, изучение влияния параметров электрофизической технологии на структуру и . свойства металлических материалов.

Научная новизна работы заключается в обнаружении новой каг. чественной закономерности изменения субструктуры и прочностных свойств металлических материалов в условиях деформирования, протекания тока высокой плотности и температуры, ниже рекрлсталли;-зационкой. Установлено, что прочностные и пластические характеристики растут с увеличением степени деформации и показателя джоулевой составляющей электрического.тока.

Практическую ценность работа составляют закономерности формирования- структуры и свойств алёктроимпульсноспеченных ленточг ных материалов, метод расчета температурного интервала твердог фазного злектроспекания при прокатке, метод расчета разности пог тенциалов на валкахгэлектродах, исключающей появление макродефег ктов ^ локальных проплавлений лент, интерпретированные .в форме, доступной для применения инженеромгтехнологом, владепцим вычислительной техникой. Представлены оптимальная схема, основные элементы установки для реализации электрофизической технологии. Разработаны технологические процессы изготовления электродных спеченных лент для .антикоррозионной наплавки и композиционного материала для вакуумного напыления и установка электроспекания.

Основные полокения и результаты диссертационной работы доложены на межреспубликанских научно-технических семинарах "Электрофизические технологии в порошковой металлургии" (Москеэ МИФИ 1990 г., Киев ИПМ 1992 г.). Межреспубликанской-конференции "Приг менекие импульсных методов и обработки давлением для производства порошковых изделий, композиционных материалов и покрытий" (Волгоград 1991 г.) и научно-техническом семинаре "Пути повышег ния качества к надекности деталей .из порошковых материалов"

(Рубцовск 1991 г.). Диссертационня работа доложена„и обсуждена на научно-техническом семинаре кафедры "Материаловедение и порошковая металлургия? Нижегородского государственного технического университета ( апрель 1993 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, получено авторское свидетельство. ^

Структура и объем работы. Диссертация содержит 163 страницы машинописного текста, 38 рисунков, 29 таблиц. Работа состоит из введения, 4 глав, списка литературы (96 наименований) и приложения.

содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследования. В частности,показана необходимость изучения проблем твердофазного электроспекания под давлением, теории протекания тока высокой плотности через межчастичный .контакт, обьем металла и вызванное им изменение структуры и прочностных, пластических свойств.

В первой главе проведен анализ технологических процессов электроспекания порошка при прокатке, конструкций установок и их. источников тока, а также обсор литературы в области'теории возг действия .одновременных тока высокой плотности и деформации на структуру и свойства металлических материалов.

Одним из направлений решений проблем энергоресурсосбережения в .промышленности является более широкое использование порошковой металлургии в частности, электрофизических методов спекания. Обзор литературы по материалам и процессам электрофизических технологий показывает, что электроспекание в отличие от косвенного нагрева в печах позволяет сохранять наследственную структуру фо-.рмования, а это особенно необходимо для композиционных материаг лов, и повышает весь комплекс физикогмеханических свойств порисг тых порошковых заготовок. Среди непререрывных методов электроспекания наиболее развита 'электропрокатка. Впервые она была реализована в Японии.(Сакаи .Тэцуро 1970 г.), затем в Великобритании (Л' Таур 1976 г.). Анализ зарубежных технических решений пог казал, что наиболее эффективным для прокатки является импульсное нагружение очага деформации от источника с постоянной ЭДС. При этом гармоники.импульсов тока должны быть.синусоидальными, кратг на,и 2г, для исключения фактора намагничивания и эффектов Тсмсо-

на и Пелътье.

. Литературные данные показывают, что при воздействии тока обработка порошковых материалов, кроме процесса уплотнения и деформации, сопровокдается электрофизическими эффектами на контактах и в объеме частиц . Б настоящее время изучению электрофизиг ческих процессов в спекаемом материале уделяется много внимания. Существуют научные школы, например, ИПМ АН Украины, Белорусский центр порошковой металлургии, МАТИ, МФТИ, МИФИ (Россия) и ряд других .научных, производственных организаций, а также зарубегсные центры Зарм "Зкнтерпресс", "Диабер", "Локхид", где происходят систематическое исследование электроспекания и свойств металлов. Е основном изучается процесс происходящий в.условиях некзотерми-ческ::го нагрзва при постоянном или ступенчатовозрасташем давле-еи. Что касается случая непрерывно-возрастающего давления г прог катки, то эта область исследований находится на начальной стаг дии. Кроме того, преимущественно изучается электроспекание с гидкой фазой на контактах, что во многом обусловлено • спецификой электроспекания в. пресс-формах, но для прокатки наиболее приемлем твердофазный механизм. Последний позволяет исключить адгезионные процессы на валках-электродах. При этом научные и технологические основы твердофазного эл^ктроспекакия при прокатке оказываются .в своем первом этаг^ .теоретической и экспериментальной проработки.

В отечественной науке классические работа в области теории воздействия тока высокой плотности на свойства проводников были выполнены -I.A. Ландау и S.M. Лившицем. Вопросы .теории электро- ' прокатки компактных металлов и сплавов и значительная часть эксг гориментальных работ в этой области впервые была выполнена И.И. Новиковым, K.M. Климовым и В.Д. МутоЕйным. Б.И. Спицын и O.A. Троицкий, исследуя электроволочение металлов, обнаружили элект- . ропластический эффект,проявлявшийся в скачкообразном приращении деформации при воздействии тока высокой плотности. . ..

Необходимо отметить, что формирование межчастичных.контактов в условиях электропластичности является одним из наиболее эффективных методов регулирования структуры и свойств электросг пекаекых б"твердой фазе порошковых материалов вследствие следующих особенностей: возникает даже при температуре, ниже рекристаг ллизанионных; снкгэет удельное давление деформации; оказывает влияние на свойства металлов.

Вопросы формирования мекчастичных. контактов при электроспе-

каняи г это вопросы металловедения, конкретно, прочности элект-роспечзнных материалов. В тоже время, ряд исследований показывает, что формирование прочностных свойств электроспекаемого при непрерывЕО-возрастахщем давлении : материала является наименее изученным научным направлением.

Дальнейшее развитие теория влияния электрического тока на структуру и свойства материалов электрофизических технологий получила в основопологащих работах советских и зарубежных ученых А.И. Райченко, Л.А. Витязя, Ю.В. Корнюшина, С.П. Ошкадерова, Г.Л. Буренкова, Т.И. Истоминой, А.И. Цитрина, Л.О. Андрущика,

A.B. Полипченко, Л.С. Герасимова, В.Н. Гриднева, М.З. Ьйльчиненого, В. Гермель, В. Зингель, Г. Л'Таура, С. Тэцуро, В.£ Чщаффа,

B. Веффера, Е. Фридрича.

Узловыми вопросом исследований является механизм изменения субструктуры материалов при воздействии тока высокой плотности при или после деформации. Феноменологическая теория механизма электроспекания во многом не полная, особенно в области изучения процессов происходящих в межчастичных контактах. Центральна? проблемой остается механизм контактообразования при злектроспег кании. В настоящее время по мере разработки различных теорий контактообразования наблюдается постепенное их сближение. Наибог льшей достоверностью обладает теория дислокационно г вакансионг ного механизма, которая в последние Еремя дополнилась теоретиче-. ским положением о прорастании зоны пониженной проводимости (контакта) поперек линий тока и эволюции линий тока за счет взаимодействия теплового и электрического полей. Это успешно позволяет -обьяснять особенности структуры электроспеченных материалов, например, наличие гладкого внутреннего рельефа пор и хорошо сфор^-мировавшихся прочных мекчастичных контактов. В тоже время экспериментальных подтверадений этому крайне мало. При этом полностью не определено влияние многих параметров электрофизического процесса при непрерывно-возрастаицем давлении (разности потенциалов, степени деформации и уплотнения, пинч- и скиа- эффектов, электрофизических характеристик материалов) на электроспекание, структуру и конечные свойства. При этом ключевым' моментом является противоречивая оценка в изменении прочности металлических материалов при воздействии тока высокой плотности и одновременной деформации"и зависимость такого изменения от электрофизических свойств обрабатываемого материала. К сказанному следует добаг вить, что неизвестны метода расчета параметров электроспекания

при прокатке и не создана математическая модель и метод разграг ничивающие твердо- и жидкофазное спекание контактов- Более того, реализация процесса с непрерывно-возрастащим давлением и воздействием тока высокой плотности требует разработки новых сноба и установки.

' Во второй главе разработан метод расчета температурного интервала твердофазного электроспекания при прокатке, основанный на математической модели температурного поля в системе частица --контакт-частица. Применение математического моделирования для случая элэктроспекания в валках позволяет определить следующее: существует ли жидкая фаза на контактах; температурный интервал твердофазного спекания; особенности электростроения очага формования 'прокаткой.В итоге, зная параметры технического процесса и свойства порошка.возможно определить механизм процесса, по которому происходит спекание.Оценивать разность температур меэду геометрическим центром и мекчастичным контактом возможно с использованием зависимостей предполагающих, что сгущение линий тока в области контакта и повышенное сопротивление з этой области сбусг лавливзет повышенную температуру вблизи контакта. Перепад температур зависит от условий теплообмена между контактом и центральной области частицы, а характерное время теплообмена равно: с »с!

Ъ = -> (1)'

4 • П К _з

где д - диаметр частицы (м),с - объемная теплоемкость (ДеЛг-К),

К - коэффициент теплопроводности (Да./м«оК). В настоящей работе изучалось влияние диаметра частиц на Тт на ' примере ' порошков железа, никеля и меди. Количественная оценка Тт дает значения 1.58.5<ГАС?е), 1.71»10"'1(Н1) и 1.11«10~5(Си> с для диаметра частиц 2.5 10_лк, соответственно. Сравнение значений Тт для трех металлов показало, что увеличение дисперсности порошка приводит к резкому снижению характерного времени теплообмена (на порядок), тогда как размер частиц уменьшается.в 2-3 раза. Можно утверждать, что при скоростях нагрева более 10* К/с температура геометрического центра не успевает измениться заметят, -поэтому до такой скорости нагрева исключено появление жидкой фазы на межчастичных контактах.

Формула расчета разности температур между геометрическим центром и контактом частиц ( Андр'ущпк^Корншпн-Ошкадеров) имеет вид:

АТ = 0,2- (р / К )- ( йл/а2)• (1г/2г). (2)

В варианте электроспекания с непрерывно возрастающим меха-

ническим давлением необходимо при математическом моделировании учитывать рост площади контактов и удельной электрической,проводимости по длине дуги формования в валках. Проводимость и величину радиусов контактов оценивают по выражениям, получеными на осйове зависимостей Ждэновича и Герца.Использование их для уточ-. неЕия ф.2., позволило разработать методику расчета искомой разг ности температур в системе"частица-контакт-частица" для электрог спекания при прокатке. Количественная оценка разности температур дает значения: 0,42 и 0,65 (Ре), 0,70 и 0,62 (N1), 0,14 и 0,23 (Си) К, в рыхлых и плотных упаковках частиц, соответственно- Их величины не достаточны для возникновения жидкофазных контактов. В настоящей работе получили выражение для расчета отношения температур между крайними сечениями прокатки:

1 1 ТШ-ар = —ф-К- =(Н1/И2)- К~ ; (3)

или при 7Х> 7К (2.15.2) ТП1-ар = (ст2 /о >-<2 , -где ст^,Н1, и аг , И2- удельные электропроводность, электрог сопротивление в сечещях Ы. и ар, соответственно,К - коэффициент обжатия: 0 - относительная плотность. Ф.З.показывает, что с рос- , том относительной плотности, уменьшением коэффициента обжатия, степенью падения электросопротивления в порошковом столбе увели-чиватся перепад температур в очаге деформации.

Значения ТШ-ар с ростом дисперсности падают. Это указывает на то, что возможны такие значения дисперсности и-электрического напря2:ения, когда преобладают термические процессы на ранних стадиях электроспекания при прокатке. Из анализа ф.З. следует -что процессы, обусловленные протеканием тока высокой плотности, имеют максимальное развитие на стадии, где наибольшие площадь мекчастичного контакта, механическое, давление и объемная температура и отсутствует риск плавления межчастичного контакта. Это .показывает, что температурное поле неоднородно не только между контактом и центром частиц, но и в очаге деформации и что эта неоднородность обусловлена разной проводимостью электрического тока,создающей разную плотность тока. Применение методики аналитических расчетов и зависимости.настоящей работы позволяет определять механизм процесса ■ электроспекания порошка при прокатке (твердо или жидкофазный) по известным параметрам, технологическг им, электрофизическим свойствам порошков, и кроме того, применение ЭВМ позволяет решать обратную задачу.

В третьей главе представлены исходные свойства (до электрог

прокатки) основных классов металлических материалов алэкхрофвзи-чэсккх техвелогий-котактных металлов, порошков к кошозкшй. Даао подробмоу описет» методов исследования структуры и свойств изготавливаемых материалов, изложена методика электросткания к электродефораагревания,/основанная на расчетных параметрах (получения х во второй главе) исключающих хадкую фазу.на ме«частнчных контактах. Представлена констухвдя новой установки для исследования процесса аяектроимпульсного спекания проводящих порошков и электодеформирозания компактных металлов при прокатке, с воздей-•ствием тока высокой плотности, разработанная.специально для настоящей работы.

Установка позволяет изучать одновременные 'спекание и прокатку ленты неограниченной .длины, толщиной от 0,4 до 1,8 да, аи-риной от 10 до 20 (60) ж при скоростях нагрева от 10 до 800 град/с и прокатке от 0,31 до 25 рад/с, с максимальной мощностью, затрачиваемой при спекании 40 кВт. Она состоит из основных частей: прокатного станз с рабочей клетью, валков-электродов, контактах устройств, токопрсводов, энергоблока, регистрирующего .устройства. Энергоблок образован системой управлозм и автоматизации и устройством синхронизации. В-системе управления и азтог метизации с яшоаью тиристоров, включенных в перзичнув цепь сг-лового трансформаторе, формируется к создается некцу валкаиа --электродами рабочее напряжение определенной длительности, ш-литуды и скважности. Блек управления 'тиристорами представляет собой генератор импульсов, синхронизированных сэответствулсм устройством с моментом перехода через нуль фазных токов сети. ■ Изменением параметров импульсного тока мокно управлять моззнос-сть», создаваемой в зоне уплотнеггия прокатываемого порошка и, следовательно, и нагревом при больвих -скоростях. Техническая характеристика энергоблока: напряжение вторичной цег т варьируется от 3,15 до 20,Э V, максимальный эффективный ток 3820 А; длительность, импульса регулируется от 0,02 до 0,26 с, паузы от 0,02 до 0,40 с.

■ Достоинством установки, явлется широкий диапазон скоростей прокатки к нагрева, синусоидальность -импульсов, генерируемых ес-точкиком и, как следствие, отсутствие побочных эффектов намагничивания, Томсона и Пелъгье. -. - •

В четвертой главе экспериментально исследовано влияние параметров электрофизической технологии: плотности тока, эффектов^ кого тока, разности потенциалов нз электрод-инструменте, частс-

ты и скважности, содержание диэлектрической фазы, электрофизических свойств, а также последующего изотермического нагрева на структуру и свойства материалов, полученных электропилульсной прокаткой. В первом разделе изучено влияние разности потенциалов (напряжения) на структуру и сыйства порошковых лент. Установлено , что при электроимпульсном спекании порошка при прокатке в случае амплитудных, напряжений больших, чем пробойные напряжения порошков при плотности утряски,происходит локальное.проплавление ленты и электроразрушение поверхности валков (образуется канавка), в результате процесс электроспекания при прокатке вырождается. Повышение разности потенциалов на валках-электродах в импульсном токе повышает плотность, предел прочности при растяжении и снижает электросопротивление порошковых лент. Основываясь на уравнениях Сорохода И.Н. и соавторов для расчета напряжения пробоя при прессовании и Ма.'; глла для определения диэлектрической проницаемости среды, состоящей из хаотически распределенных сфер в непрерывной матрице, в настоящей работе теоретически вывели и экспериментально подтвердили выражение для вычисления разности потенциалов на вадкахгэлекродах,обеспечивающей отсуствие локальных проплавлений лент:

Ут1п-(2-Е-(1-соБ(ар)+Ы.)

7т = -г—-:-- " (4)

¿1 100

где Ут - разность потенциалов на валках-электродах, В;Уш1п - напряжение разряда между соседними частицами, В; Н - радиус валков гэлектродов, м; р.р г угол . захватэ порошка, рад; ЬГ- величина зазора между валками-электродами; м; Р1 - процентное.содержание■ 1гфракцки; г±- средний размер частиц 1гй фракции.

• Достоинством настоящей методики является возможность опре;-деления разности потенциалов в данный момент времени.

Во втором разделе исследовано влияние гшнч-эффекта (геомег трического параметра г ширины проката и эффективной плотности тока) на плотность лент. Использовали ,дааг к ферромагнитный шь рошки (Си;Ре), соответственно. Установлено, что влияние электро-ипульсного спекания (ЭИС) на плотность медного проката незначительно, тогда как для железного оно существенно: приращение плог тности достигает 30 %. При этом'влияние пинчгэффекта может быть устранено при определенных соотношениях мезду геометрией прокатки и параметров импульсного тока. Увеличение ширины валковгэлекг

тредов я уменьшение длительности паузы тока во время (ЗИС) повышает плотность материала. Влияние гашч-эффекта на плотность лент представляет интерес для практики прокатка дисперсных- тел, бла-годоря расиарени» возможностей метода.

В третьем разделе изучали влияние степени деформации и уплотненна на структуру и свойства металлических материалов (компактных металлов технической чистоты а порошков). 3 первом подразделе лзучали влияние электропластической прокатки (ЭГШ) на свойства А1, Си л 11 и влияние степени деформации на ширину дифракционных максимумов. На рис.1. представлены зависимости ¿о и Лр от степени деформации для алюминия и титана. Видно, что уве-

ДО.М

1

| |

г I

!

^ 1 ! .. ..1 .. 1 1

90 О»

70 ВЛ

1 - алюминий; 2 - титан

Рис 1. Зйе<иси.мость относительных показателей прочности'

и пластичности от степени де^рмации Е% личение степени деформации при ЭПД вызывает рост показателей прочности и пластичности титана и алшиюга, что касается- меди тс изменения свойств не обнаруживается, при этом во время 5ПД меди не возникал нагрев металла, а для А1 и температура била на 10

20 градусов больше, чем при холодней деформации.

Используя ф.5., рассчитывали величину показателя джоулевой сос-

тавляющей электрического тока ?:

7 - р /(См • С), (5.)

где р , См, С - удельные электрическое.сопротивление, теплоемкость' и плотност» металлов.

Для Си, А1 и Т1 получили, соответственно, следующие значения

0,0408 10'

• и.

0,108 Ю-1*; 2,240 10"и (Ом-м3

град/Н). Устакови-

* о

ли корелшш» мезду показателем г к общим изменением' прочностных л пластически свойств металлов (рлсЛ.). Таким образом, получили ксад, что изменение С^экко^-механических свойств после ЭПЕ обусловлено термической активацией атоков решетки во время протекания процесса, вызванной.икпульсами тока высокой плотност?..

Бо втором подразделе изучали влияние степени уплотнения порога на физико-механическке свойства лент. Использовали порошки ПХЗОШСШ, ШбШОС, ПХ14 Выксунского металлургического завола и промышленные порошки ПХ!8КЗ, ПЖ2-В? е ШС-1. Изменение приращения прочности к удельного аяектросшроткЕ-лекия от воздействия тока'высокой плотности показано на рис 2.

иц

1 .1 ! 1 ' ! 1

! ' 166 . ! ■ 1

11' ! ' *•■> и. 1 И 1 г >.1,1

! ! ' 143 йй

1 :: \ \ 1 ! 1 1 1

... .и : Гч * . {Л I

.... ,.1 V . 11 | 3

I'

?пс

«.1 и.г «-¿г, «с 6.1 ж-

12: Са ' [I Гс [Щ Х1&Н15

Зависимость ¿о и Ас от среднего г^з^-р- частиц порошков

Установлено,что-взм&нение прочности в • электрического сопротквле-вй достигается ЭИС при прокатке пороаков как с аустенитом, так и.^рриток б зернах частиц и проявляется при одинаковых условиях интенсивного охлавдений.

Установлено, что повышение прочности мекчастичных контактов связано с процессам;;-, протекавший при проховденш по ш электрического тока высокой плотности. -

Известно, что с увеличением дисперсности порошка удельное давление формования повышается. . Из рис. 2. видно, что с . ростом частиц порошка снижается степень воздействия электрических импульсов на прокатываемую ленту. Обычно при увеличении дисперсности

возростает текучесть порошка я затрудняется прокатка, а для ЗИС выполняется обратная закономерность. Согласно теории прокатки увеличение механического давления повышает электрическую проводимость, что в прочих раЕных условиях вызывает рост плотности тока в деформируемой системе. 3 главе 2 настоящей работы ва примере уравнения 3. показано, что обжатие оказывает влияние на отношение температур в сечениях прокатки. В настоящем исследовании установлено, что наибольшее изменение в прочности ЗИС лент происходит, когда плотность тока и механическое давление достигают наибольшей величины, что соответствует максимальному отношению Thl-ap, и подтверждает уравнение 3. Результаты исследования по-казли, что во время процесса ЗИС образуются более .совершенные межчастичные контакты, чем в случае традиционной прокатки.. При этом степень совершенства мёкчастичных ЗИС контактов повышается при'увеличении механического давления при постоянных параметрах электроимпульсного тока. Это указывает на протекание электроспекания по механизму прорастания зоны пониженной проводимости, что сопряжено с эффектом электропластичности контактных участков и тела частиц- при прохождении по ним тока высокой плотности при температуре ЭИС, ниже рекристаллизационной, и деформа-ционлм: процессе формования прокаткой,в условиях- непрерывно^воз;-растащего давления. Дайные могут быть использованы в проектирог вания. технологий электроимпульсного спекания порошков при прокатке, для получения прочных пористых или гетерофазных материалов, а также для получения проката из тонкодисперсных порошков.

В четвертом разделе исследовали влияние изотермического нагг рева на физико-механические свойства электроимпульсноспеченных лент. Протекание электрического тока высокой плотности через мех-частичный контакт вызывает рост его площади, повышает в нем- плотность вакансий, что должно сказываться на скорости диффузионных процессов в нёгомогенных сплавах при изотермическом нагреве. В связи с этим в данном рззделе изучали влияние температуры изотерг . шческого нагрева на физико-механические, свойства порошковых лент, полученных ЭИС при незначительной разности потенциалов на Еалкэх-электродах и температуре спекания до 0.1 от Тпл, что в прочих-равных условиях позволяет определить влияние термического фактора в ЭИС порошков. -ИспользоЕалк порошки железа, никеля и хрома и их смеси, которые применяют для получения электродных наплавочных лент по ТУ'ИЗО 406-84 у^кгп сшченйая электродная для антикоррозионной наплавки".

Ленты'подвергал! изотермическому нагреву в вакууме. Результаты определения свойств представлены ка рис. 3.. Известно, что.в

ОЬ. ов.

О-0быв4ый прокат; е--ЗйС пэмсет.

Р^с 3. Влияние температуры изотермического нагрева на

физнке-мехакическЕЭ свойства лент (з-ХЗЗ, б-КЗЭ)

в процессе' легирования в сплавах с широким пределом растворимости б твердом состоянии удельное электрическое сопротивление повышается. Для ЭИС лент из Ре-К1 и Ре-Сг с повышением •температуры изотерического нагрева происходит монотонное увеличение удельного электрического сопротивления, и наоборот, в случае ссычяых лент монотонное его снижение и рост лиеъ для Ре-К1 при температуре более 1270 К.

Если для системы ?е~Сг кореллировать удельное сопротивление; со скорость» диффузии компонентов, то для температуры 1420 К получается . что скорость сплавообразования в ЭИС лентах более чем ее 1.4 102 выше, чем обычных. Это показало на то, что причиной значительного развития диффузионных процессов является повышен-

ная концентрация вакансий. Эксперименты установили, что в ЗИС материале гетеродиффузионные процессы наиболее развиты. Даннсо положение подтверзсдено рентгене- и металлографическим методами..

Взаимная диффузия компонентов приводит к образованию одно-и двухфазных 'твердых растворов. Если образуются "¡мфаза.то ЭКС контакты уничтожаются, и наоборот г в случае образования твердого раствора а-?е межчастичкые контакты, созданные ЭИС сохраняются. При этом свойства ЭИС лент выше, чем обычных. Результаты покаг зывают, что разница в субмикрсструктуре ЭИС и обычных контактов в порошковых механических смесях при повышении температуры уничтожается диффузионно. И что это различие исчезает, если концентрации вакансий в межчастичных контактах равны или диффузионные процессы завершены, что в данном случае' . токе самое, что и изменение кристаллической аллотропии межчастичных контактов.

В пятом разделе исследовали влияние содержания диэлектрической фазы на физикогмеханические свойства ленточных порошко7 еых композиционных материалов. Известно, что содержание диэлектрической фазы, (абразивной соетавляицей) существенно влияет на процесс сплавообразования з матричном электроспекаемом материале. Остались неисследованными вопросы влияния электрофизических свойств, а также механики уплотнения композиционых смесей и их механических характеристик на процесс ЗИС и свойства получаемого проката. В качестве материалов использовали смеси ПХ20'Н30-2М с порошками нитрида бора или технического стекла, а также плакированные никелем порошки БПГ-SO и.Нйбон-20. Установили, что ЗИС увеличивает прочность, незначительно -(275%) плотность и снижает удельное электросопротивление лент. Кроме того, оказалось, что изменение физико-механических свойств наиболее выражено в нихро-мостеклянных материалах ( где большие контактные напряжения ) и незначительно в композициях с твердыми смазками. ; ЭИС лен-

ты обладают большей прочностью и меньшим удельным электросопротивлением. Кроме того, в сырых лентах увеличение содержания наполнителя более 20% (весовых) приводит к значительному падению плотности и вырождению процесса прокатки, в то время- как для ЗИС сохраняется стационарность процесса. Очевидно, что для таких смесей применение электроспекания увеличивает технологические возможности прокатки, в частности, повышает прочность.

Известно, что увеличение деформации контактов при формовании порошков наблюдается пл-за повышения микротвердости материала частиц. Установили, ч гторышекие- прочности лент происходит,

если с увеличением■содержания наполнителя возрастает твердость прокатанных лент. На рис 4. показано влияние содержания на7

д кк

200

160

120

63

40

40

Дт.%

60

25 I

20

»5 и

р-ю-*

I

-с

\

\

!

М ■ - \ .

■ I /

\! ' Л

I "Ю^ }'

I ! М I !

Л

40

О ,ИПл

60

еа

%об

ао

% об

25

1»

1

\

I- " \

(

\ /1

! ! к ! - / г

\ ! 1 ! и ! / ! ■

! 1 1 \ /

! 1 К. 1

! I 1 1 1 1

/

/ ! N

/ 1 ■ • 1 \

|

| )

45

р-ю-* ,о»м

63

63 %с£

55

10

40

6й

60

%с6

80 % об ■ 40 60

6 д

Рис 4. Влияние содержания наполнителя на физико-механические

свойства е относительные показатели ЛШ (а); Дт (б); коэффициент

? (в); св (г); р• (д)

полнителя кз свойства ЭИС лент. Видно, что наибольшее удельное алеетросопротЕВлёнкё'предел прочности при растяжении к наименьшее приращение плотности, твердости достигается при ош&г

\

ковых объемных долях компонентов и максимальном значении пока7 зателя ]? ( джоулёвой составляющей электрического тока ), что совпадает с зависимостями полученными на компактных, металлах и порошковых материалах. Экспериментально установлено, что применение электроимпульсного спекания при прокатке позволяет получать ленты с больней долей неформующейся фазы, чем при обычном процессе, при одновременном сохранении прочности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Исследование структуры и свойств основных, классов . материалов электрофизической технологии 7 компактных металлов, порошковых сплавов и матричных композитов я изучение влияния параметров процесса электропрокатки на формирование, их структуры и свойств позволило сделать следующие вывода:

1. Теоретически выведено и экспериментально подтверждено, что в условиях непрерывно возрастающего механического давления и протекания тока высокой плотности через очаг деформации происходит изменение ■ субструктуры, что вызывает рост прочностных и пластических свойств металлических материалов. Установлено, что прочг ностные и пластические характеристики растут с увеличением степени ' деформации и показателя даоул~зой составляющей электрического тока, при этом природа эффекта электроупрочнения объема металла и менчэстичных контактор в порошках обусловлена повышением концентрации вакансий, возникающих в-зоне деформирования,• и слабо зависит от объемной температуры.

2. Показана возможность низкотемпературного электроспекания при" прокатке, основанного на эффекте электропластичности металлов.

3. Эксперименталъно установлено, что при объемной температуре менее 0,1 от температуры плавления и за время менее 1 сек происходят основные изменения свойственные явлению спекания,а именно, значительные уменьшение удельного электросопротивления (десятки раз),рост плотности и предела прочности при растяжении 2-3 раза.

4. В настоящей работе теоретически выведено и. экспериментально установлено, что протекшие тока высокой плотности через мегсчас-тичный контакт вызывает интенсивный рост перешейка - зош пониженной проводимости за счет взаимодействия теплового и электрического полей, сопровождающего эффект электропластичности, что сказывается на повышена:; прочности и плотности лент при температурах, ниже рекристаллизационных, изменяет скорость дйффузи-, окных процессов в негомогенных сплавах при изотермическом

нагреве.

5. В настоящей работе аналитически выведена, экспериментально подтвергсдена зависимость для расчета разности потенциалов на ва^-лках-электродах,- обеспечивающей стационарность процесса электроспекания без локальных проплавлений ленты. Экспериментально показаны условия возникновения макродефектов - локальных проплавлений ленты при прокатке с электротоком.

6. Установлено, что плотность проката увеличивается с ростом значений'разности потенциалов, скважности, плотности тока, геометрии прокатки (ширины валков) , что расширяет возможности непрерывного метода формования. Кроме того, воздействие электрического тока на очаг формования прокаткой позволяет получать ленту из высокодисперсных и легкотекучих порошков., и вводить большую долю неформующейся фазы;

7. Результаты настоящей работы позволяют разрабатывать технологию изготовления ленточных порошковых композиционных материалов с улучшенными физико-механическими свойствами. Показана возможг ность применения низкотемпературного электроимпульсного спекания хромоникелевых порошковых материалов по ТУГКЗС 406-84 в непрерыг вном режиме, а также электроспекания при прокатке композитов.

8. Изучение влияния параметров процесса на структуру и свойства материалов, а также построение методов моделирования температур^ ного поля в очаге прокатки и расчетов по электроспеканию позвог ллли разработать новый способ электроимпульсного спекания пороаг ка.при прокатке и установку для его осуществления ( авторское свидетельство SU 1748943 11 от 22.03.92 ЫКИ3 В 22 F 3/14).

Основные положения диссертации опубликованы работах :

!. А. с. SU 1748943 А1 (СССР) Ш13 В 22 F 3/14 Способ электрс-ипульсного спекания металлического порошка и установка для его осу'^ествления/В.Г. Петриков, И.Ы. Мальцев, I.A. Пырялов (СССР).

- 6 е.: ил. ,..■■■■

Z. Установка для электроимпульсного спекания проводящих порошков при прокатке /Мальцев K.M..Петриков В.Г.// Порошковая металлу ргия.-1993.гК 3.-0.113-116.

3. Исследование процесса алектроимпульсного спекания хромонике-левых порошков при прокатке /Мальцев Vi.jh., Петриков В.Г./ В сб. :Электрофизические, технологии в порошковой металлургии. : Киев,

Ин. проол. материаловедения ш. к.И. фащевкча АН Украина,

1992.-C.11 - 12.

4. Определение толщины окисной плзнки металлических порошков 'по пробойному напряжению Жальцев Й.М., Пырялов I.A./ Тез. докл.: 4-ой к.т.к.: Современные достижения -в теории а технологии пластической деформации металлов, термообработке и в повышении долговечности изделий. (Горький, 19-20 октября 1S89 г.) ВНГО ММ-П?СМ. -C.85-8S.

5. Влияние вида предварительной обработки порошков на поверхностью окисные пленки и диэлектрическую проницаемость металлических порошков/Петриков В.Г., Мальцев И.М., Пырялов Л.А./ Матер. 5 Республиканского н.т.с.:-Электрофизические технологии з поропгк.оЕой металлургии. (Москва 31 мая - 2 июня 1990 г.). : МИФИ. -С.80 - 31.

о. Оценка процесса электроимпульского спекания при прокатке на примере математической модели/Петриков В.Г., Мальцев K.M., Нарядов .I.A. / Тез-, докл. Межреспубликанской я.т.к.: Применение импульсных методов и обработки давлением для прсиводства порошковых изделий, композиционных материалов-и покрытлй. (Волгоград 1991 г.) Волгоград.'центр РЕСУРС. тС.Ш115*______;__________

7.^_0собенноста • процесса электроимпульсного спекания при прокатке / Петриков В.Г.., Мальцев И.М., Пырялов I.A./ Тез. докл. н.т.к.: Пути повышения качества и надежности деталей из порошковых материалов ( Барнаул, 27 г 30 мая 1991 г. ) Рубцовский, АБТОКУЗЛИПШ. -С.106 - 107.

Мальцев Илья Михайлович

Автореферат' диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подл. 16.05.93. Формат 60x841/16. Бумага обзрт. Печать офсетная. Уч.-кзд.л.1,0. Тарах: 100 экз. Заказ.Ш. Бесплатно.

Нкгегородскйй гос.техн. ун-т.603500,Н» Новгород,уг.Минина,24.

Лаборатория обсстной печати полиграф. базы НГТУ. 603022,Н.Новгород

пр.Гагарика,!