При горячем прессовании материалов из смеси порошков ме­талла (сплава) и фторопласта с размерами частиц, при которых создаются наивыгоднейшие условия для формирования металличе­ского каркаса, изменяется объем смеси за счет объемной деформа­ции частиц фторопласта и уплотнения металлического порошка с формированием закрытых ячеек с фторопластом внутри. Темпера­туру горячего прессования выбирают ниже температуры термоде­струкции фторопласта на 10 К.

С увеличением давления горячего прессования температура мо­жет быть повышена до соответствующих давлению значений.

Давление и время выдержки под давлением являются факторами, связанными соотношением (3.7).

Большая разница в физико-механических свойствах фторопла­стов и металлов вызывает особенности при формировании струк­тур и свойств материалов в процессе горячего прессования их из смесей порошков.

При охлаждении и снятии давления объемы фторопластов и ме­таллического каркаса уменьшаются в результате снижения темпе­ратуры и увеличиваются под действием сил упругости при умень­шении или полном снятии давления. Разница в температурных и упругих деформациях структурных элементов композиций может приводить к появлению в них напряжений, ухудшающих физико­механические свойства.

Для выбора давления горячего прессования представляет инте­рес оценка величины остаточных напряжений в структурных эле­ментах материала и их влияние на прочность деталей из него.

Равновесное состояние структурной системы композиции (рис. 3.1) можно выразить равенством:

Омфм + Оффф = 0 или Ом = (-фм/фф)Оф, (3.10)

Где ом и Оф - остаточные напряжения в структурных элементах материала (в металлическом каркасе и фторопласте), МПа; фм и фф

- объемные доли компонентов в материале, определяемые отноше­нием объемов компонентов Ум и Уф к объему материала Ус или отношением площадей, занимаемых компонентами в сечении материала Sм и £ф, к суммарной площади сечения S0.

Рис. 3.1. Структурная система композиции: 1 - каркас из металлических порошков, 2 - фторопласт, 3 - пресс-форма

В общем виде можно представить зависимостью:

V Я ф, = 7=я-,

С с

Где, - индекс компонента материала; ф, - объемная доля 7-го ком­понента; V, и Я - объем и площадь сечения 7-го компонента.

Напряжения в структурных элементах можно найти из рассмот­рения состояний системы, в которых она находится в процессе изготовления материалов, т. е. в сжатом, при повышенной темпера­туре и охлажденном свободном состояниях.

При условии сплошности рассматриваемой системы линейные размеры контактирующих структурных элементов и в первом и во втором состояниях попарно равны (Ьфх = Ьмх; Ьфг = Ьмг) и определя­ются соотношениями:

Рм Р

И Ь мг ЬМ

1 + а АТ -

Ьфх Ь

Ф0

Рф Р

1 + аАТ -

Ф0

Для сжатого при повышенной температуре состояния: ( п(
; (3.11)
/у
После охлаждения:
(3.12)
	И Ьмх Ьм0 I 1

Где Ьфг, Ьмг, Ьфх, Хмх - длины структурных элементов (фторопласта и металлического каркаса) в сжатом при повышенной температуре и охлажденном свободном состояниях, мм; Ьф0 и Ьм0 - исходные длины структурных элементов, мм; аф и ам - линейные коэффици­енты температурного расширения структурных элементов, К-1; Рф и рм - объемные коэффициенты сжимаемости структурных элемен­тов, МПа-1; Еф и Ем - модули упругости структурных элементов, МПа; АТ - разность температур горячего прессования и исходного состояния, К.

При делении соотношений (3.11) на (3.12) и проведении преоб­разований с учетом соотношения (3.10) получим

" П(Рф - Рм) кт( "

----- ^------------------- ЛТ К - ам )

Ем ЕфФф

Р(РфЕфФф - РмЕмФм) '

ЕфФф + ЕмФм + А^(«фЕфФф - амЕмФм) -

Отсутствие остаточных напряжений в структурных элементах материалов (ом = 0 и Оф = 0) может быть достигнуто при давлении горячего прессования р0, определяемом условием, полученным из соотношения (3.13) при ом = 0:

3ЛТ(аф - ам) р = _ф. (3 .14)

Рф - Рм

Коэффициенты Рф и рм зависят от плотностей и характеристик материалов структурных элементов и изменяются в процессе горя­чего прессования.

Как показывает практика горячего прессования материалов, со­держащих фторопласт, наибольшая прочность их достигается при давлениях р > р0, что свидетельствует о недостаточной степени консолидации металлических порошков при низких температурах и давлении р0.

Для металлического каркаса, находящегося в напряженном со­стоянии после горячего прессования, предел прочности при растя­жении овк можно представить зависимостью

Овк Опк - ^ (3.15)

Где опк - предел прочности пористого каркаса в ненапряженном состоянии, МПа.

Величины предела прочности опк и характеристик структурных элементов Еф и Ем, входящие в уравнение (3.13), связаны через соответствующие характеристики компактных материалов (Ефк и Емк) и безразмерные контактные (критические) сечения соотноше­ниями [11]:

Опк °мка; Еф Ефка1; Ем ЕмкаЬ

Где а1 и а - безразмерные контактные сечения фторопласта и по­ристого металлического каркаса соответственно.

Коэффициенты сжимаемости структурных элементов (Рф и рм), выражаемые известными зависимостями через коэффициенты Пуас­сона Цф и Цм и модули Юнга (Рф = 3(1-2цф) Еф1 и Рм = 3(1-2цм) Е-),

Через характеристики компактных материалов представляются соотношениями:

Рф = 3(1 - ^фл/^Ж-!^ и Рм = 3(1 - 2^)Ем> . (316)

Учитывая, что фторопласт уплотняется до компактного состоя­ния при небольших давлениях (р <р0), можно принять а!= 1.

Подставив соотношения (3.13) с характеристиками, выражен­ными через соответствующие характеристики компактных мате­риалов, и (3.16) в зависимость (3.15), получим:

А = а а-

Вк мк

_ Р[аЕмк (1 - 21фк ) - Ефк (1 - 21мк ^ )] - аЕфкЕмкЛЕ(аф - ам )

Ефк (1 + афЛТ) + ФмаЕмк (1 + амЛТ) - р[(1 - 2^ ) + Фм (! - 2IV У« ) .

Фф фк Фф

(3.17)

В уравнение (3.17) входят два функционально зависимых пара­метра р и а. Выражением одного из них из уравнения кинетики горячего прессования (3.7) и подстановкой в уравнение (3.17) учитывают температурное влияние на формирование межчастич - ных контактов в металлическом каркасе композиций.

В табл. 3.1 приведены значения пределов прочности при растя­жении композиций на основе бронзы Бр ОС 6-6 (размер частиц 1^10 мкм), рассчитанные по формуле (3.17). Нагрузку снимали при температуре 380 К после выдержки в течение 90 мин при темпера­туре 650 К с последующим охлаждением. Значения коэффициентов вязкости п и твердости Н0 определены при температуре 650 К.

Таблица 3.1 Значения пределов прочности овк композиций на основе бронзы Состав композиций Значения овк при давлениях горячего прессования р, МПа 100 200 250 300 400 Бронза Бр. ОС 6-6 (50%) + фторопласт-4ДПТ (50%) 35,3 42,6 44,1 42,4 33,2 Бронза Бр. ОС 6-6 (60%) + фторопласт-4ДПТ (40%) 46,3 52,5 55,2 60,1 57,4 Бронза Бр. ОС 6-6 (70%) + фторопласт-4ДПТ (30%) 62,4 70, 2 83, 1 86, 3 89, 5

Изменения рассчитанных значений пределов прочности в зави­симости от давления горячего прессования показывают, что до определенных значений давлений упрочнение металлического каркаса протекает с более высокой степенью, чем рост остаточных напряжений в нем, вызываемых механизмом температурного и упруго-деформационного взаимодействия структурных элементов композиций.

При определенных давлениях, характерных для конкретных со­отношений компонентов, упрочнение и рост остаточных напряже­ний выравниваются. Эти давления являются оптимальными в фор­мировании характеристик прочности. При увеличении давления за оптимальными значениями меньшая степень упрочнения каркаса по сравнению с ростом остаточных напряжений вызывает снижение предела прочности. Значения оптимальных давлений увеличиваются с уменьшением содержания фторопласта в композиции.

Полученное соотношение (3.17) подчеркивает особенности про­цесса горячего прессования, отличающее его от горячего прессова­ния порошков металлов или их сплавов.