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: