Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

СВС-материалы - это материалы, полученные самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС-методом). Сущность метода заключается в способности порошкообразных элементов, веществ, газов, жидкостей (шихтовых смесей, прессовок) в определенных сочетаниях воспламеняться при локальном нагреве, например, от соприкосновения с разогретой электроспиралью, при дальнейшем распространении волны горения по всему объему реагирующей системы. В результате химического взаимодействия образуются новые вещества определенной химической формулы: карбиды, бориды, нитриды, ин-терметаллиды, халькогениды и др. Как правило, взаимодействующие компоненты подбирают в стехиометрических соотношениях, поэтому "лишних" газообразных продуктов не образуется, химическая реакция протекает без взрывов. Технологические СВС-процессы экологически приемлемы, безопасны, экономичны.

Спекание порошковых материалов.

Определение спекания. Спекание порошков является третьим способом получения поликристаллических тел самой различной химической природы: металлов и их соединений, оксидов, ковалентных кристаллов. Спекание есть нагрев и выдержка порошковой формовки при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств.

Свойства твердых тел и связь их с дисперсностью. При изучении механизма и кинетики процессов, происходящих в спекающемся пористом теле, необходимо иметь в виду особенности фазового равновесия, поскольку “ фаза вещества ” и “фаза пустоты ” имеют такие размеры, когда эффекты, обусловленные искривленностью границы между сосуществующими фазами, могут оказаться значительными. Основной причиной различия свойств дисперсных и макроскопических объектов является повышенная кривизна поверхностей первых, приводящая к появлению давлений на границе раздела твердых дисперсных фаз, различию давлений паров металлов над поверхностями с разной кривизной и соответствующих плотностей вакансий.

Непороговая и пороговая ползучесть. Спекание пористого тела сопровождается ползучестью вещества. При прочих равных условиях кинетика уплотнения зависит от механизма ползучести, т. е. способности материала медленно и непрерывно деформироваться под действием постоянной нагрузки. При температуре достаточно высокой для того чтобы термически активируемое диффузионное перемещение атомов осуществлялось с надлежащей скоростью, следует различать непороговые механизмы, которые могут определять деформирование при малых напряжениях у, и пороговые, проявляющиеся при напряжениях, превосходящих некоторое предельное значение у*. Общим признаком всех механизмов непороговой ползучести (НП) является направлены поток вакансий под влиянием разности их химического потенциала.

Величина порогового напряжения у* определяется конкретными механизмами торможения, размножения и движения дислокаций. Применяются различные методы спекания: Непороговые механизмы Спекание реальных частиц.Пороговые механизмы формирования контакта при припекании одноименных твердых тел.Электрические эффекты в зоне контакта.Эффекты самоидентирования и самопрессования. Припекание разнородных тел.

Реакции взаимодействия, являясь экзотермическими, выделяют тепло, которое способствует сплавлению, спеканию конечных продуктов. Однако такие сплавы, спеки в большинстве своем бесформенны, имеют трещины. Впоследствии их дробят, перемалывают и употребляют в порошкообразном виде - вводят в шихту композиционных спекаемых материалов, в том числе и три-ботехнического назначения. Например, спеченные из СВС-порошков нитридной керамики подшипники скольжения по своим антифрикционным свойствам при граничном трении, повышенных температурах успешно конкурируют с традиционно используемыми материалами-аналогами. Имеются также сведения о триботехнических свойствах СВС-наплавок, однако в технической литературе подобных публикаций практически нет, целенаправленных исследований по созданию СВС-материалов для узлов трения не проводилось.

Рассмотрим недостатки и преимущества СВС-метода, используя для сравнения ближайший прототип. Таким является метод спекания порошковых композиционных триботехнических материалов, наиболее эффективных и перспективных для отечественного машиностроения. Оба метода имеют много общего: исходное сырье, реагирующих компонентов, среду взаимодействия, технологические операции (смешение, прессование, термообработка), оборудование (измельчители, смесители, прессы, нагревательные печи) и т.п. Как было показано, методы СВС и спекания можно совместить для изготовления многих деталей, спрессованных из смесей металлических порошков, в том числе различными добавками. Для этого локальный разогрев прессовки (при соприкосновении накаленной электроспирали) необходимо заменить нагревом в камере электропечи до температуры начала горения. Как видно из термограммы СВС-спекания спрессованных цилиндров (диаметр 10х15 мм), при достижении температур 500 - 700 ^оС многие материалы на основе меди, алюминия, титана и др. воспламеняются, температура прессовки мгновенно повышается на 200 - 300 ^оС (рис.1).

Благодаря экзотермическим процессам можно сэкономить 25 - 30% электроэнергии, так как при чрезмерном увеличении температуры электропечь автоматически отключается. Для получения порошковых материалов на жаростойкой основе - никелевой, медной, алюминиевой спекание в режиме горения возможно также на воздухе. Анализ термогравитограмм такого СВС-спекания показывает, что прирост веса образцов за счет окисления незначительный. По крайней мере, прочностные характеристики этих материалов не ниже, чем после обычного печного спекания в восстановительных средах.

СВС-спекание подшипников скольжения на воздухе улучшается, если в шихту добавлять 1,5 - 2 масс.% масла и охлаждать спеченные детали в масляной ванне. Такой оригинальный способ уменьшает поверхностное окисление при горении, так как горящее масло образует восстановительную среду - сажу. Охлаждение в масле после спекания также уменьшает окисление и совмещает операции охлаждения и пропитки, необходимой для придания подшипникам эффекта самосмазывания. Данный эффект у СВС-матери-алов проявляется более четко благодаря особенностям формирования пористого каркаса. Если при обычном печном спекании количество пор зависит главным образом от усилия прессования, крупности порошка, то в случае СВС-синтеза образуются дополнительные пористые каналы, упрочненные интерметаллидными слоями. Это происходит благодаря образованию в локальных очагах горения жидкой фазы, которая всасывается тугоплавкой основой, образуя равномерно распределенные включения износостойких интерметаллидов и оставляя после себя сферообразные сообщающиеся поры-каналы. В процессе эксплуатации втулок-подшипников в порах накапливается, циркулирует масло, уменьшая износ самосмазывающегося узла трения. Для образования такой системы пор необходимо соблюдение оптимальных соотношений порошковых компонентов. Пористость образуется, когда металлический каркас матрицы (медь) более тугоплавок, чем отдельные включения легкоплавкого металла-воспламенителя (алюминия). В этом случае дисперсное упрочнение происходит посредством пустотелых трубообразных включений интерметал-лидов, образующихся по стенкам пористых каналов. Судя по одномерной направленности капилляров, можно предположить, что движение жидкой фазы ориентировано соответственно фронту распределения волны горения. По-видимому, такие структурно-направленные пористые материалы могут иметь большое значение для получения фильтров.

Наличие равномерно расположенных в материале реакционно-взаимодействующих ячеек (места контактов разноименных частиц) является причиной возникновения температурного градиента в промежутках между ними. Это способствует возникновению дополнительного капиллярного тепломассопереноса жидкой фазы, образующейся возле локальных источников горения и равномерно перераспределяющейся по объему пористого каркаса.

самораспространяющийся высокотемпературный синтез спекание

Насыщают карбидами, оксидами, алмазами и другими износостойкими добавками. Их наличие несколько снижает прочность, но значительно повышает износостойкость, особенно при абразивном изнашивании, в паре с высокотвердыми стальными валами и т.п.

Таким образом, металлические порошкообразные СВС-материалы по сравнению с матери алами-аналогами обеспечивают более высокие антифрикционные свойства изделий, особенно в режиме самосмазывания. Кроме того, при изготовлении деталей триботехнического назначения СВС-спекание экономичнее, технически эффективнее, экологически чище, чем обычное печное спекание.

Размещено на Allbest.ru