Влияние размера частиц порошка на прочность при холодном и горячем прессовании

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 531.54:03

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт теоретической и прикладной механики

им. С.А. Христиановича

Влияние размера частиц порошка на прочность при холодном и горячем прессовании

А.А. Филиппов

В работе были исследованы два способа компактирования порошковых материалов: холодное и горячее прессование. Для порошков твердых веществ, имеющих высокую температуру плавления применение холодного прессования практически не осуществимо из-за крайне низкой скорости протекаемой в веществе диффузии. Процесс горячего прессования позволяет получать из прессуемого порошка спеченные компакты, механическое поведение которых можно описать поведением сплошного гетерогенного деформируемого твердого тела. С уменьшением дисперсности порошка значительно ускоряются диффузионные процессы, что приводит к увеличению, как скорости спекания, так и прочности спеченного материала [1,2]. В то же время, уменьшение дисперсности затрудняет предсказание размеров полученного изделия, так как величина усадки становится значительной. прессование дисперсность порошок спекание

Ключевые слова: механические характеристики, нанодисперсный порошок, горячее прессование

С формированием наноструктуры в материале существенно уменьшается количество внутренних дефектов, приводящих к преждевременному разрушению материала. Получение наноструктуры достигается путем компактирования нанодисперсных порошков при определенных параметрах давления, скорости приложения нагрузки и температуры. Кроме того, получение наноструктурированных сверхтвердых материалов (материалы, чья твердость близка к твердости алмаза) связано с дисперсностью порошков, распределением по размерам частиц, свойств исходного материала порошка. Определение параметров компактирования с сохранением наноструктуры материала представляет интерес для исследователей всего мира.

Для проведения экспериментального изучения механических свойств при холодном и горячем прессовании использован порошок диоксида кремния различной дисперсности (таблица 1)

Горячее и холодное прессование проводилось в лабораторном горячем прессе при давлении 55 МПа со скоростью 1 МПа/мин. При горячем прессовании после приложения давления производился нагрев формы со скоростью 50°С/мин до температуры 1400° С. Приложенные параметры выдерживались в течении часа.

Рис. 1 Зависимость величины усадки от среднего диаметра порошка

На представленном графике (рис.1) показано, что с уменьшением размера порошка усадка увеличивается. Причем .если для кварцевого песка увеличение практически незаметно, то для нанодисперсных порошков усадка увеличивается в разы. Это прежде всего связано с низкой насыпной плотностью нанопорошков (1,6-1,7 г/см3 для кварцевого песка, 0,06-0,09 г/см3 для нанодисперсных порошков). После извлечения прессуемого материала образцы из кварцевого песка не изменили свою форму и остались в сыпучем состоянии. Для нанодисперсных порошков характерно, как высокая степень уплотнения, так и копмактируемость. При извлечении нанодисперсный порошок превращался в пористое тело (таблетку).

Зависимость прочности и величины усадки от среднего диаметра порошка при горячем прессовании

Для сравнения диаграмм «перемещение траверсы-время прессования» представлены (рис.2)участки соответствующие нагреву порошка(рост кривых),выдержке всех параметров (плавное снижение), охлаждению (резкое снижение кривых) и кривые диаграмм перенесены а одну точку, которой соответствует температура Т=675 К. При прессовании порошков с узким распределением частиц по размерам наблюдается довольно четкая тенденция. С ростом размера фракции наблюдается рост величины максимального перемещения траверсы. Так для порошка диаметром 140-180 мкм максимальное тепловое расширение составило 2,67 мм, а для порошка фракцией 280-355 мкм 3,27 мм. Возможно, это связано с засыпкой порошка в форму: более крупные фракции занимают больший объем при той же массе. Поэтому больший объем порошка расширяется на большую величину. Усадка порошка увеличивается от большей фракции к меньшей. При том же давлении площадь соприкосновения частиц порошка значительно уменьшается с увеличение радиуса.

Рис.2 Зависимость усадки порошков от времени

Для экспериментального изучения механических свойств исследуемых материалов использовалась испытательная установка Zwick Roell Allround Z 005. В качестве тестового испытания для горячепрессованных таблеток был выбран тест на одноосное квазистатическое сжатие с постоянной скоростью перемещения траверсы 3 мм/мин. Максимальное усилие 36 МПа. При сжатии таблетки наблюдалось небольшое расширение в плоскости, перпендикулярной к направлению сжатия, а затем развитие трещин от краев к центру. Образцы, спеченные из крупных фракций были разрушены до частиц исходного порошка, но с уменьшением размера фракции разрушенные таблетки представляли собой фрагменты цилиндра, способные к сопротивлению нагрузке. Это указывает на значительное увеличение поверхностной диффузии порошков. На Рис. 3 показан рост прочности порошка с уменьшением размера. При этом три образца (таблетки) не были разрушены (отмечено на графике).

Рис.3 Зависимость прочности спеченных таблеток от среднего диаметра

Литература

1. Е.И. Степанов, М.В. Григорьев, В.И. Кирко. Влияние добавок ультрадисперсного Al2O3 на физико-механические свойства корундовой керамики. Journal of Siberian Federal University. Engineering and Technologies, 2, pp. 162-167, 2008.

2. The Effect of Stoichiometry on Mechanical properties of boron carbide. Koichi Niihara, Atsushi Nakahira, Toshio Hirai. The research institute for Iron, and other metals, Tohoku university, Sendai, Japan. Communications of the American ceramic society (Jan 1984)

Размещено на Allbest.ru