К.т.н., проф. П.А. Кузнецов; дипл. Кузнецова М.А.; асп. Тханг Н.Т.

Санкт – Петербургский государственный политехнический университет, Россия

Методика определения и исследования прочности соединения слоев биметаллических спеченных материалов

Для создания новых машин и аппаратов, интенсификации технологических процессов необходимы материалы с повышенными антикоррозионными, прочностными и другими эксплуатационными свойствами. К числу таких относятся композиционные слоистые материалы, состоящие из двух и более металлов или сплавов. Сравнительно новой и недостаточно исследованной является среди композиционных материалов группа биметаллических спеченных порошковых материалов [1]. Важной задачей при изготовлении и исследовании биметаллических материалов и изделий из них является определение прочности соединения их слоёв. Большинство методов исследования прочности соединения слоёв разработано и применяется для компактных материалов и не всегда может быть использовано для исследования порошковых биметаллических изделий. В зависимости от физических свойств порошковых материалов каждого из прессуемых слоёв, технологических параметров их уплотнения и спекания требуются различные варианты изготовления биметаллических изделий. Основными вариантами изготовления биметаллов из порошков можно считать следующие [2]:

Вариант 1 – совместная послойная засыпка порошков, совместное одновременное прессование и совместное спекание.

Вариант 2 – засыпка порошка первого слоя и его прессование, последующая засыпка и прессование следующего слоя, совместное спекание.

Вариант 3 – прессование и спекание порошкового слоя с более высокой температурой спекания. Напрессовывание второго слоя и совместное спекание при температуре спекания второго слоя.

Вариант 4 – раздельное прессование слоёв, раздельное спекание и соединение слоёв путём пластической деформации.

Наиболее технологичными вариантами изготовления широкой гаммы биметаллических изделий являются варианты 2 и 3. На основании этого была разработана новая методика определения прочности биметаллических материалов, которая включает в себя изготовление биметаллических образцов в виде дисков, один из слоёв которого является основой, а другой, соответственно, – рабочим слоем. На рисунке 1 представлена одна из возможных схем прессования биметаллических образцов в виде дисков.

Рисунок 1 – Принципиальная схема устройства для напрессовки внутреннего порошкового слоя на наружный слой биметаллического диска

1 – плита; 2 – зажим; 3 – втулка;

4 – верхний пуансон; 5 – порошок внутреннего слоя; 6 – наружный слой;

7 – нижний пуансон; 8 – матрица;

9 –основание

В соответствии с представленной схемой наружный слой биметаллического образца в виде предварительно спрессованного кольца 6 помещается в матрицу 8, установленную на основании 9, и фиксируется на нижнем пуансоне 7 втулкой 3 и зажимом 2. В полости кольца 6 и втулки 3 насыпается порошок внутреннего слоя 5, который под действия усилия пресса Р, передаваемого через верхний пуансон 4 и плиту 1, уплотняется и одновременно напрессовывается на внешний слой. Спрессованный биметаллический образец спекается при температуре, оптимальной для спекания порошков обоих материалов, т.е. соответствующей рабочей температуре реального технологического процесса. После минимальной механической обработки образцы в виде дисков можно использовать при большинстве способов существующих испытаний. На рисунке 2 представлены основные принципиальные схемы испытаний биметаллических образцов.

а. 1 – пуансон; 2 – внутренний слой; б. 1 – фиксатор; 2 – образец;

3 – внешний слой; 4 – опора 3 – рычаг для зажима внутреннего слоя

в. 1 – верхний зажим; 2 – внешний слой; г. 1 – верхняя плита;

3 – внутренний слой; 4 – нижний зажим 2 – образец; 3 – опора

Рисунок 2 – Принципиальные схемы испытаний биметаллических образцов:

а – на продольный срез; б – скручивание; в – отрыв; г – «сплющивание»

Одним из методов повышения прочности соединения слоев спеченных биметаллических материалов является пластическая обработка. Предлагаемая методика позволяет исследовать её влияние на прочность соединения слоёв.

В качестве примера, на рисунке 3 показана схема сферодвижной раскатки спеченных дисков. Варьирование толщиной регулируемого упора обеспечивает заданную степень деформации, а, следовательно, величину плотности слоёв и прочности их соединения.

Рисунок 3 – Принципиальная схема сферодвижной раскатки спеченных биметаллических образцов:

1 – валок; 2 – регулируемый упор;

3 – матрица; 4 – образец;

5 – опора; 6 – плита

В заключение можно выделить следующие преимущества метода:

- технологичность, простота изготовления биметаллических образцов из различных порошковых материалов и хорошая повторяемость опытов;

- возможность варьирования в широких пределах режимов прессования и спекания для получения образцов различной плотности и прочности;

- возможность исследований различных схем испытаний (на срез,отрыв и т.д.) на образцах, полученных при одних и тех же режимах их изготовления.

Литература

1. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник/И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, И.Д. Радомысельский и др.; Отв. ред. И.М. Федорченко.- Киев: Наук.думка,

2. П.А. Кузнецов, Т.Т. Нгуен, Ф.А. Демчук «Методика выбора рационального технологического варианта эластостатического прессования композиционных слоистых втулок из порошковых материалов».// Металлообработка, 2009. -№6(54).-с.25-27.