Технология и свойства СВС порошков, материалов и изделий

№ 1225

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра порошковой металлургии и функциональных
покрытий

Е.А. Левашов 
А.В. Новиков
В.В. Курбаткина

Технология и свойства 
СВСпорошков, материалов
и изделий

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционноиздательским
советом университета

Москва  Издательство ´УЧЕБАª
2007

 

УДК 66.091.3-977 
 
Л34 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. М.Р. Филонов 

Левашов Е.А., Курбаткина В.В., Новиков А.В. 
Л34  
Технология и свойства СВС-порошков, материалов и изделий: Лаб. практикум. – М.: МИСиС, 2007. – 74 с. 

Практикум содержит семь лабораторных работ, посвященных технологиям получения неорганических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.  
Предназначен для студентов, обучающихся по специальности 150108 
«Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2007 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
Лабораторная работа 1. Изучение физических и 
технологических свойств порошковых СВС-смесей ............................7 
Лабораторная работа 2. Прессование шихтовых  
порошковых СВС-смесей ......................................................................18 
Лабораторная работа 3. Расчет составов экзотермических 
смесей. Термодинамический расчет адиабатических температур 
горения  для двух- и многокомпонентных систем ..............................25 
Лабораторная работа 4. Экспериментальное определение теплоты 
превращения с помощью быстродействующего калориметра 
сжигания БКС .........................................................................................30 
Лабораторная работа 5. Исследование влияния режимов  
силового СВС-компактирования на структуру и свойства  
сплавов на основе карбида титана ........................................................39 
Лабораторная работа 6. Изучение влияния технологических 
параметров процесса СВС-компактирования на структуру  
и свойства сплавов с помощью метода ультразвуковой 
дефектоскопии ........................................................................................44 
Лабораторная работа 7. Изучение микроструктур материалов, 
получаемых по технологии силового СВС-компактирования...........47 
Библиографический список...................................................................56 
Приложения ............................................................................................57 
 

Предисловие 

Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 
(СВС) тугоплавких неорганических соединений и материалов занимает ведущее место среди современных металлургических технологий и позволяет получать различные твердосплавные материалы с 
уникальными физико-механическими свойствами. Однако прогресс в 
области создания новых материалов невозможен без всестороннего 
изучения процессов, протекающих в исследуемых системах и учета 
всех факторов, влияющих на конечные потребительские свойства 
продукта. 
Установлено, что многие физические, химические и технологические свойства порошков, которые используются в порошковой металлургии, значительно влияют на процессы, протекающие при СВС. 
Во многом повторяемость экспериментальных результатов, а также 
получение материалов и изделий с постоянными заданными свойствами, зависят от исследователя, который должен учитывать многочисленные факторы, влияющие на характер протекания процесса. 
Поэтому лабораторная работа 1 посвящена изучению свойств исходных порошков, которые специалист должен учитывать при постановке и проведении экспериментов: гранулометрического состава 
порошков, текучести, насыпной плотности, влажности воздуха и температуры окружающей среды. В работе в качестве модели используются порошки титана различных марок, так как он является основным компонентом, участвующим в процессе СВС. Второй важнейшей технологической операцией порошковой металлургии является 
формование порошковой смеси с целью получения изделия требуемой формы. При выполнении лабораторной работы 2 студент приобретает необходимые навыки работы в области прессования изделий, 
а также устанавливает закономерности влияния основных параметров прессования на свойства брикетов для последующего синтеза. 
Предполагается исследовать прессуемость и формуемость смесей, 
установить изменение пористости брикетов в зависимости от параметров прессования и основных технологических приемов, а также 
определить оптимальную пористость, при которой скорость горения 
максимальна. 
Важной задачей при исследовании процессов СВС является оценка максимальной температуры, развивающейся в волне горения, а 
также определение тепловыделения (теплоты превращения) и скоро

сти тепловыделения при протекании экзотермической химической 
реакции в гетерогенной порошковой среде. Поэтому в лабораторной 
работе 3 необходимо провести термодинамический расчет адиабатических температур горения для двух- и многокомпонентных систем. 
При выполнении лабораторной работы 4 предполагается приобрести 
навыки по определению количества тепла, выделяющегося в процессе горения шихтовых СВС-смесей, расчету температур горения по 
полученным экспериментальным данным и освоить работу на быстродействующем калориметре сжигания БКС-1. 
Одним из эффективных технологических приемов получения беспористых материалов является силовое СВС-компактирование, которое включает в себя инициирование процесса, горение экзотермической смеси и последующее уплотнение разогретых продуктов горения. В лабораторной работе 5 предполагается ознакомиться с устройством установки, позволяющей получать образцы по технологии СВСкомпактирования с заданным составом. В лабораторной работе 6 исследуются структурные свойства полученных образцов с помощью неразрушающего метода контроля – ультразвуковой диагностики. Изучению 
структуры сплавов группы СТИМ, особенностям методики проведения микроструктурного анализа и приготовления металлографических шлифов из этих сплавов для работы на световом микроскопе 
посвящена лабораторная работа 7. 

При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать 
следующие правила по охране труда и технике безопасности: 
1. Перед началом выполнения работы необходимо выслушать инструктаж преподавателя или сотрудника, проводящего данную лабораторную работу, изучить инструкцию по работе на приборе или установке и строго выполнять правила поведения в лабораторном помещении. 
2. При работе с порошками следует быть аккуратным, соблюдать 
правила гигиены, защищать открытые части тела от попадания на них 
порошка. В качестве средств индивидуальной защиты использовать: 
респираторы, защитные очки, резиновые перчатки, фартуки и халаты. 
3. Все вращающиеся части насосов, мешалок, мельниц должны 
быть закрыты кожухами. При обнаружении нарушений в применении 
защитных ограждений и других средств защиты сообщить об этом заведующему лабораторией или преподавателю и не приступать к работе до устранения неполадок. 

4. Перед выполнением лабораторных работ следует обратить 
внимание на состояние рабочего места, исправность оборудования 
или прибора, отсутствия или нарушения заземления. В случае обнаружения неисправности оборудования следует немедленно сообщить 
об этом заведующему лабораторией. По окончании работ все электросиловые установки должны быть выключены. 

Лабораторная работа 1
 

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
СВОЙСТВ ПОРОШКОВЫХ СВС-СМЕСЕЙ 

(2 часа) 

1.1. Цель работы 

Приобретение навыков применения методов анализа состава, 
структуры и свойств шихтовых СВС-материалов. 

1.2. Теоретическое введение 

Свойства порошков можно разделить на три условные группы: 
химические, физические, технологические. Первая группа свойств 
характеризуется содержанием основного компонента и примесей, 
вторая – формой частиц, размером и распределением их по крупности, удельной поверхностью, пикнометрической плотностью, микротвердостью. И, наконец, третья группа характеризуется насыпной 
плотностью, текучестью, уплотняемостью, прессуемостью и формуемостью. 
Эти свойства влияют на поведение порошков при их формовании, 
проведении СВС и в конечном итоге, на свойства готового изделия. 
Поэтому знания вышеизложенных свойств необходимо для правильного выбора параметров технологического процесса брикетирования 
и проведения СВС. 
Основные характеристики порошков регламентируются ГОСТом 
или ТУ. В производственных условиях часто требуется знание размера частиц, насыпной плотности, текучести. 
Практически все порошки представляют собой набор частиц различного размера. Количественное содержание частиц с фиксированным интервалом размеров в порошке (фракции) характеризует гранулометрический состав порошка. Методика определения гранулометрического состава регламентируется ГОСТом или ТУ. Данные, 
характеризующие содержание различных фракций, представляют в 
виде частной или интегральной кривых распределения, или в виде 
таблиц или гистограмм. Возможна аналитическая оценка среднего 
размера частиц порошка:
 

ср

1
ср

100
,
α
n
i

i
i

D

D
=

=
∑

 

где αi –доля фракции с размером частиц Di, % масс.; Di ср – средний 
арифметический размер частиц каждой фракции. 

Методы анализа гранулометрического состава порошка зависят от 
крупности частиц. Основными видами анализа являются: ситовой, 
микроскопический, седиментационный. 
Под насыпной плотностью порошка понимают массу единицы 
объема порошка при его свободной насыпке. Она определяется плотностью материала порошка, формой и размером частиц, плотностью 
укладки частиц и состоянием их поверхности. Знание насыпной плотности необходимо для правильного конструирования прессформы. 
Величина, обратная насыпной плотности, называется насыпным объемом. Она характеризует объем, занимаемый единицей массы порошка. 
Текучесть порошка – способность порошка вытекать из отверстия 
под действием силы тяжести. Текучесть порошка зависит от плотности материала порошка, формы и размеров частиц, состояния поверхности частиц, гранулометрического состава. Основным фактором, влияющим на текучесть, является трение и сцепление частиц 
между собой. В производственных условиях от текучести порошка 
зависит быстрота и непрерывность подачи порошка в прессформы и 
заполнение прессформы сложной формы. 

1.3. Оборудование и порядок выполнения 
работы 

1.3.1. Определение гранулометрического 
состава порошка 

Ситовой анализ – это анализ гранулометрического состава порошка 
с помощью набора сит. Это наиболее распространенный в производственных и лабораторных условиях метод. Его проведение регламентирует ГОСТ 18318–73. Используется специальный прибор – механический 
встряхиватель с набором сит, имеющих различную величину отверстий. 
Механический встряхиватель вращает и одновременно встряхивает сита. Скорость вращения 300 об/мин, частота встряхивания 180 раз в минуту. Допускаются другие режимы. Величина пробы порошка зависит