или методы деформации.

Для прессования заготовок с ориентированными волокнам» целесообразнее использование метода изостатического прессова ния заготовки в гибких оболочках; это позволяет максимально сохранить заданное распределение волокон в материале.

Спекание. Наличие второй фазы в порошковой заготовю в виде непрерывных или дискретных волокон определяет необыч ное поведение материала при спекании. Теория спекания двух!

152

фазной порошковой смеси, содержащей сферические, недеформи­руемые частицы одного из компонентов, была развита В. В. Ско­роходом [75]. Процессы же спекания систем, содержащих волок­нистую компоненту, точнее описывает теория, развитая Л. И. Тучинским [85]. На основе представлений о спекании, как о реологическом процессе вязкого деформирования твердого тела, им описана кинетика уплотнения армированных систем. Полу­ченное в этой работе дифференциальное уравнение уплотнения при спекании матрицы композиционного материала имеет вид

dQ _ о а (1-6)^(1-^9) О» ,^ dt r„fto 4-(3+^в) 1-бн' \ /

t где 9„ = 9,, ехр (-Зт); т == -|- ^ J -^-.

* о °

Принятые обозначения: т — приведенное время; 9 и 9у —по­ристость армированной и неармированной матрицы соответствен­но; Од — исходная пористость матрицы; Уд — объемная доля волокон в монолитной композиции; о — поверхностное натяжение вещества матрицы; Гц — средний радиус частиц порошка; hy — коэффициент сдвиговой вязкости монолитной матрицы.

Разделив переменные и произведя интегрирование, можно получить кинетическое уравнение уплотнения матрицы армиро­ванного материала при спекании:

(65)

Анализ этого уравнения показывает, что усадка матрицы при спекании происходит равномерно по всему объему и не зависит от расстояния от поверхности волокна.

Важно отметить, что в отличие от процессов спекания неар­мированных систем, в которых возможно достижение теорети­чески любой сколь угодно малой остаточной пористости, при спекании армированных композиций существует предельно до* стижимое значение пористости 9„, ниже которого уплотнение матрицы невозможно. Очевидно, что 9оо может быть получено из уравнения (65) при т —> оо.

^_ е~-е« , 3 _in C-^M(i-e„) ^41пл-йд). (66) 7Г-е„)(1-е„) + 1-^в (i-vW(i-eoo) *t ч о/ ^ s

Полученное трансцендентное уравнение может быть решено числовыми методами. На рис. 67 представлена зависимость пре-

153

дельно достижимой величины пористости от объемной доли волокон (при Од = 0,5). Уравнение (66) может быть записано в виде

9~-бо | з 1 (1-Уве)(1-е„) _^ 1-е, (i-e)(i-9o) ' i-Ув (1-Увво)(1-е) " 1-е„ \0''

с учетом того, что 6 о ехр (—Зт) == 9ц.

Это соотношение устанавливает зависимость между пористо­стью неармированного материала и пористостью матрицы арми­рованного материала 9 в один и тот же текущий момент при усло­вии их одинаковой исходной пористости 9д.

На рис. 68 показана зависимость пористости от приведенного времени спекания т; очевидно, что скорость уплотнения армиро­ванного материала уменьшается с повышением концентрации волокон. Отношение скорости уплотнения армированной компо­зиции к скорости уплотнения неармированного материала мо­жет быть представлено в виде

de/dt ^ (i-e)(i-^e) 1 ,дп.

dQu/dt 4—(3+Ув)6 1 — 9о ехр (—Зт) \и '

при Уд + 0.

Полученное уравнение позволяет по известным эксперимента­льным или теоретическим кривым уплотнения неармированного материала построить кинетические кривые спекания армирован­ного порошкового материала.

Процесс спекания можно производить в печах с воздушной атмосферой, либо в вакуумных печах или в печах с нейтральной или восстановительной атмосферой, в том случае, когда какой-либо из компонентов, составляющих композицию, подвержен окислению на воздухе. В отсутствие печей со специальной атмос­ферой спекание таких композиций производят в металлических вакуумируемых герметичных оболочках.

Температура нагрева и время, необходимое для получения максимально возможного уплотнения при спекании заготовки, оп­

ределяются, с одной стороны, природой матричного порошкового материала, с другой стороны — возможными процессами взаимо­действия волокон с матрицей — растворением, рекристаллиза­цией и др.

Горячее прессование. Метод горячего прессования в порош­ковой металлургии вообще и для получения композиционных ма­териалов в частности используют только в тех случаях, когда' получение плотного изделия обычным методом прессования с по­следующим спеканием оказывается невозможным. Обычно мето­дом горячего прессования пользуются для получения материалов, содержащих порошки тугоплавких соединений (карбидов, нитри­дов и др.) либо металлические волокна, пружинящее действие которых приводит к разрушению заготовки, спрессованной при комнатной температуре.

Экономически метод горячего прессования невыгоден. Необ­ходимость нагрева вместе с заготовкой и самой пресс-формы при­водит к быстрому ее разрушению в результате окисления; энер­гия, необходимая для нагрева пресс-формы, значительно превы­шает энергию, необходимую для нагрева заготовки. Однако в це­лом ряде случав этот метод оказывается единственным, позволя­ющим получить качественный композиционный материал.

Пресс-формы для горячего прессования могут быть изготов­лены либо из специальной стали (например, для прессования алю-минийсодержащих порошков), либо из плотных сортов графита (для прессования тугоплавких соединений). Рекомендуется исполь­зовать специальные смазки (нитрид бора и др.), предотвращающие' взаимодействие компонентов прессуемого материала с внутренней поверхностью пресс-формы.

Нагрев пресс-формы может осуществляться либо высокочастот­ным индуктором, либо путем пропускания тока непосредственно через пресс-форму. При невысоких температурах прессования (до 600° С) пресс-форма может нагреваться с помощью разъемной му­фельной печи сопротивления. Поскольку в отличие от метода прес­сования и свободного спекания при горячем прессовании усадка происходит, как правило, только в направлении прессования, то важно расположение волокон относительно внешнего давления прессования. Во избежание коробления и поломки волокон их располагают преимущественно в плоскости, нормальной к направ­лению давления.