Моделирование процесса пенообразования в алюминиевых сплавах

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Моделирование процесса пенообразования в алюминиевых

сплавах

Аксенов А. А.1, Шуваткин Р. К.2, Ким Е. Д.3, Мансуров Ю. Н.4, Кадырова Д. С.5, Рева В. П.6

1Аксенов Андрей Анатольевич /Aksenov Andrej Anatol'evich - доктор технических наук,

профессор;

2Шуваткин Родион Константинович /Shuvatkin Rodion Konstantinovich - магистрант, 3Ким Евгений Давидович /Kim Evgenij Davidovich - магистрант;

4Мансуров Юлбарсхон Набиевич /Mansurov Julbarshon Nabievich - доктор технических наук,

профессор,

кафедра материаловедения и технологии материалов, Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток, Ташкентский химико-технологический институт;

5Кадырова Дилором Салиховна /Kadyrova Dilorom Salihovna - кандидат технических наук,

доцент, инновационный центр, Ташкентский химико-технологический институт;

6Рева Виктор Петрович /Reva Viktor Petrovich - кандидат технических наук, доцент, кафедра материаловедения и технологии материалов, Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток

Аннотация: в статье рассмотрен вопрос и представлены результаты изучения возможности использования моделирования для процесса пенообразования алюминиевых материалов. Расширению области применения алюминия и его сплавов способствуют свойства этой группы материалов с одной стороны, с другой -потребности отраслей экономики способствуют разработке технологий получения новых изделий на основе алюминия, которые отвечали бы потребностям заказчика. В этом плане развитие судоремонта и судостроения на Дальнем Востоке ставит задачу получения достаточно прочного изоляционного материала для внутренней обшивки корпусов плавающих объектов. Этим требованиям отвечают металлические пеноматериалы. Поскольку алюминий и его сплавы имеют плотную окисную пленку, меньше подвержены общей коррозии и коррозии под напряжением, что имеет важное значение в условиях морского климата, изучение возможности производства плит из пеноалюминия имеет актуальное значение для развития наукоемкого производства и обеспечения ими судоремонта и судостроения. Для уменьшения объема экспериментальных работ и сокращения времени достижения конечного результата - получения плит из пеноалюминия.

Ключевые слова: алюминий, пена, технологии, моделирование, структура, свойства.

Возможность получения металлической пены, расширение областей ее применения в последнее время приобретает большую актуальность [1-8]. Это связано с тем, что металлические пеноматериалы проявляют новый комплекс эксплуатационных свойств - при меньшей плотности имеют достаточную прочность, технологичны, надежность конструкций из металлической пены возрастает. Поэтому потребность в пеноалюминии возрастает из года в год. Для удовлетворения растущей потребности необходимо разработать технологии, доступные промышленному производству, в том числе, малому бизнесу. С целью уменьшения затрат при разработке технологий получения пеноалюминия, естественно, лучше использовать практику моделирования процессов пенообразования алюминия и его сплавов.

Целью настоящей работы является разработка модели формирования оптимальной структуры пеноалюминия. Для достижения цели в работе решены следующие задачи: теоретически рассчитаны количественные параметры пор; проведен выбор модели пенообразования и проверена ее адекватность; экспериментально определены параметры структуры пор; установлена зависимость характеристик пористости от времени порообразования.

Методика исследования. В литературе практически отсутствует обоснованный выбор состава сплавов, поэтому для выбора оптимальных матричных сплавов -основы пеноалюминия, были выбраны композиции на основе модельных алюминиевых сплавов Д16, АК12М2 и АМг6 (ГОСТ 1583-93 и 4784-97), содержащие различное количество порофора TiH2. Сплавы выбраны с таким расчетом, чтобы исследовать влияние типичных, но принципиально разных по химическому и фазовому составу сплавов на формирование структуры материалов в процессе МЛ, а также при последующем вспенивании.

Для приготовления матричных сплавов использовали: алюминий марки А99, медь марки М0, магний марки Мг90, кремний (99,99), а также лигатуры: Al - 20 % Si, Al -50 % Cu, Al - 10 % Mn и Al - 5 % Ti - 1 % B.

Плавку сплавов проводили в электрической печи сопротивления в графито-шамотном тигле при температуре 680 - 740 0C. Сплавы отливали в стальные изложницы со скоростью охлаждения ~ 10 К/с. Полученные заготовки обтачивали на токарном или фрезерном станке для получения стружки, которую в дальнейшем использовали в качестве исходного материала для получения композитного материала (КМ). Применение стружки позволяет моделировать возможность использования вторичного сырья для получения КМ.

Для получения пеноалюминия в качестве порофора использовали промышленный TiH2 [9-10]. Содержание водорода в этой фазе по объему больше 60 % (~ 4 масс. %), а температура интенсивного разложения (дегидрирования) находится в интервале 650 - 700 0С.

Структуру пеноалюминия на разных стадиях получения изучали на световом микроскопе ЛОМО «МЕТАМ РВ -41», а также на электронном сканирующем микроскопе JSM-35СF фирмы "Jeol" при ускоряющем напряжении 15 кВ. Микрорентгеноспектральный анализ проводили на спектрометре Olympus Innov-X серии «Delta».

Измерение размера пор пеноалюминия, частиц фаз на основе алюминия и TiH2 осуществляли при помощи метода секущих по фотографиям, полученным на световом и электронном сканирующем микроскопе [11-12].

Дифференциальный термический анализ пеноалюминия и TiH2 проводили на установке, состоящей из печи электросопротивления, оснащенной ЭВМ. Запись термограмм проводили в координатах «температура образца - разность температур образца и эталона» с помощью комбинированной хромель-алюмелевой термопары. В качестве эталона использовали оксид алюминия.

Завершающую стадию получения пеноалюминия - вспенивание прекурсора проводили при следующих скорости нагрева: 140 0С/мин, 200 - 220 0С/мин, 800 0С/мин, 2500 0С/мин.

Плотность прекурсоров и пеноалюминия определяли методом гидростатического взвешивания в двух средах на воздухе и в воде. Взвешивание проводили на одноплечных аналитических весах с минимальной погрешностью 0,1 мг.

Микротвердость гранул оценивали по ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 (ТУ 33.1377-83) и 423D фирмы «Innovatest» с алмазным индентором и нагрузкой 20 г.

Испытания пеноалюминия на сжатие проводили на универсальной испытательной машине фирмы Zwick Z250, оснащенной ЭВМ. Скорость перемещения захвата при испытаниях составила 4 мм/мин. Образцы для испытаний имели форму цилиндра диаметром 25 мм и высотой 15 - 20 мм.

Результаты и их обсуждение. Предварительные эксперименты по получению пеноалюминия показали, что содержание водорода в Т1Н2 достаточно велико, и всегда существует вероятность получить пеноалюминий со связанными между собой порами вместо изолированных. Поэтому в работе провели оценку количества и размера ТН2, при котором исключено слияние пор.

В качестве исходных данных использовали: среднее количество выделяющего газа на единицу массы - ц.; содержание порофора (Т1Н2), выраженное в массовых или объемных процентах; диаметр частиц порофора и диаметр образующихся пор.

Для начала рассчитали давление, возникающее в поре. Как только оно сравняется с атмосферным (105 Па), рост поры прекратится. Эти значения размеров пор определяли по графику зависимости давления в поре от ее размера при различных размерах частиц порофора.

На следующем этапе рассчитывали межчастичное расстояние Ь, используя размер частиц порофора йч и объемную их долю ^ (1). Формула позволяет оценить межчастичное расстояние равномерно распределенных частиц в объеме образца.

¿ =

В итоге рассчитывали толщину перемычки между порами Нст, используя размер пор, полученный по графику зависимости давления в поре от ее размера при соответствующих размерах частиц порофора.

Ист = I + С1ч - С1п

График зависимости Нст от с различной массовой долей Т1Н2 представлен на рисунке 1а. На графике видно, что уже при содержании порофора больше 0,6 масс. % толщина стенок между порами становится отрицательной, что говорит о слиянии пор. Следовательно, содержание порофора в смеси не должно превышать этого значения.

Для подтверждения произведенных расчетов был проведен эксперимент, объектами для которого послужили образцы из сплава АМг6 с разным массовым содержанием частиц Т1Н2 (0,1; 0,3; 0,6 масс. %) и разной их крупностью (57; 82; 130 мкм), соответствующим этим показателям в расчете. Из полученной зависимости (рисунок 1б) видно, что, действительно, содержание порофора не должно превышать значения 0,6 масс. % при любых его размерах.

с!ч, МКМ

а)

0,35

¡0,3

я м X

<и

й 0,25 ¡И

0,2

50 70 90 110 130

с1срч, МКМ

б)

Рис. 1. Зависимости толщины стенки между порами (Ист) от диаметра частиц порофора при разном содержании ТН2, в масс. %: а) в модели; б) в эксперименте

Однако представленный расчет не позволяет предсказывать оптимальный размер частиц порофора, не учитывает его распределение в образце - прекурсоре, а также не учитывает технологические параметры вспенивания, например, скорость коалисценции пузырьков газа, кристаллизацию и др.

Разработанная в работе имитационная модель была призвана дать представления о процессе, путем его визуализации, а также позволит сделать предварительный прогноз по оптимальной структуре пеноалюминия в зависимости от состава матричного сплава; состава, количества и дисперсности порофора, режимов вспенивания и последующего охлаждения (температуры и скорости нагрева, времени выдержки, скорости охлаждения). Предполагали, что имитационная модель позволит сократить количество экспериментов при оптимизации технологии получения пеноалюминия.

Основой предлагаемой имитационной модели пенообразования была модель кристаллизации металлов, оценивающая вероятность протекания последовательности определенных физических явлений. В нашей модели полагали, что процесс пенообразования является суперпозицией следующих основных явлений - процессов: дегидрирование частиц порофора (ТШ2) с интенсивным выделением водорода; образование пор из центров порообразования (частичек порофора); увеличение объема пор, а, следовательно, и линейных размеров образца; объедение пор между собой; изменение формы пор, в том числе при объединении, в результате чего они принимают оптимальную для данных условий форму; всплытие пор (пузырей) к поверхности металла, под действием выталкивающей силы; кристаллизация расплава с заключенными в нем порами. Кристаллизация идет послойно во всех направлениях, кроме направления сверху вниз. При соприкосновении пор с твердой фазой поры «прилипают» к твердой фазе, то есть перестают всплывать под действием выталкивающей силы. При этом объединение пор и процесс, в результате которого пора принимает оптимальную форму, протекают без ограничений. В случае, когда пора полностью окружена твердой фазой, все процессы изменения формы и положения поры прекращаются.

Проверку адекватности модели проводили по результатам сравнения данных, модели с экспериментом. Сравнение осуществляли визуально (рисунок 2), а также по таким параметрам, как плотность (пористости) и отношение периметра пор к их площади. Изменение пористости (к) пеноалюминия от времени порообразования для

модельного и экспериментального образцов показано на рисунке 3. Важным при сравнении полученных результатов является практически полное соответствие динамики изменения изучаемого показателя по всем параметрам. И по данным модели, и при реальном вспенивании происходит первоначальное увеличение объема газа (и, соответственно, увеличение пористости пеноалюминия) и затем последующее его уменьшение.

а) б)

Рис. 2. Сравнение изображений образца: а) пеноалюминия; б) модели

1 0,8 0,7 0,6 0,5 - 0,4 0,3 0,2 0,1 J о

15

0 5 10

Время

Cl)

б)

Рис. 3. Зависимость характеристик пористости к и к1 от времени порообразования по: а) результатам моделирования (число циклов);

б) реального вспенивания материала АМг6 + 1 масс. % ТШ2 со скоростью нагрева 140 °С

Еще одним важнейшим показателем сравнения является количество пор, отнесенное к единице объема. В качестве первого приближения для сравнительного количественного описания пористости образца использовали отношение суммарного периметра границ раздела пора-металл к площади образца Значение этого показателя тем больше, чем больше приходится единичных пор на единицу площади. Сравнение этого параметра для реального и модельного образцов (см. рис. 3) так же не показало существенного отличия. Таким образом, качественное сходство модельных и экспериментальных данных демонстрирует адекватность модели реальным физическим процессам, протекающим при вспенивании.

Выводы. Разработанная модель позволила нам оценить влияние некоторых параметров на получение оптимальной структуры пеноалюминия и с их помощью добиться структуры, приближающейся к оптимальной (см. рисунок 2).

Работа выполнена в соответствии с заданием проектов ТЕМРиБ-ММАТЕЫО и ТЕМРПБ-ЫЕТСЕЫО, направленных на унификацию и совершенствование подготовки инженерных кадров трех уровней в рамках Болонского процесса, развитие результатов проектов с бизнес сообществом.

Литература

1. Богданова А. Металл будущего станет пористым. [Электронный ресурс]: Экьюпнет. URL: http://www.equipnet.ru/articles/other/other_556.html (дата обращения: 01.05.2016).

2. Сарафанов М. А. Новая технология и оборудование для получения конструкционных материалов на основе пеноалюминия // Тяжелое машиностроение, 2011. № 2. С. 34-38.

3. Черномас В. В. Влияние геометрического фактора на силовые деформирования и эволюцию фронта уплотнения пористых материалов // Обработка металлов, 2014. № 2. С. 31-38.

4. Шестаков Н. А. Исследование уплотнения при деформации пористых материалов // Известия ТулГУ «Технические науки», 2011. № 1. С. 440 - 448.

5. Shiomi M. Fabrication of aluminum foams from powder by hot extrusion and foaming // Journal of Materials Processing Technology, 2010. № 210. P. 1203 - 1208.

6. Бутарович А. А. Пеноалюминий как энергопоглащающий материал и его механические свойства // Машиностроение, 2011. № 7. С. 53 - 58.

7. Ковтунов А. И. Технология формирования слоистых композиционных материалов системы титан-пеноалюминий // Металлург, 2014. № 4. С. 60-61.

8. Lefebre L. Porous Metals and Metallic Foams // Advanced Engineers Materials, 2008. № 10. P. 775-787.

9. Banhart J. Manufacture, characterization and application of cellular and metal foams // Progr. Mat. Sci, 2011. № 46. P. 559-632.

10. Veale P. J.Investigation of the Behavior of Open Cell Aluminum foam // ScholarWorks@Umass Amherst. № 1911, 2014. P. 125.

11. Altenbach H. Modeling of packaging behavior in closed aluminum foam // PAMM. № 14, 2014. P. 241 - 242.

12. Weaire D. Methods and modeling of metallic foam fabrication // Composites Engng, 2001. № 8. P. 977 - 978.

Анализ безвозвратных санитарных потерь на угольно-добывающих объектах национального минерально-сырьевого комплекса Грызунов В. В.1, Киприянов П. М.2, Фролов Г. А.3, Казакова А. Д.4

1Грызунов Владимир Викторович / Gryzunov Vladimir Viktorovich - доктор минералогических наук, профессор, Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. академика И. П. Павлова, Минерально-сырьевой университет «Горный»;

2Киприянов Павел Михайлович /Kipriyanov Pavel Mikhailovich - студент; 3Фролов Георгий Алексеевич /Frolov Georgiy Alekseevych - студент;

4Казакова Анастасия Дмитриевна / Kazakova Anastasia Dmytryevna - студент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Аннотация: целью настоящего исследования является проведение аналитической группировки сводных данных травматизма и разработка качественного критерия, анализирующего состав совокупности по качественно разнородным процессам (явлениям).

Ключевые слова: меры безопасности, травматизм, возвратность, угольные шахты.

Внедрение интегрированных автоматизированных информационно -измерительных систем на угольных шахтах позволило снизить риск производственного травматизма, но, несмотря на предпринимаемые меры по обеспечению безопасности, ситуация в горнодобывающей промышленности еще далека от совершенства [1]. По данным ВОЗ и МОТ, смертность от несчастных случаев на производстве занимает третье место после заболеваний системы кровообращения и новообразований, а общее количество пострадавших от несчастных случаев на производстве составило около 270 млн. человек в год [2]. За последние 10 лет на угольных шахтах России погибло 465 человек [3]. Сложившаяся ситуация предопределяет необходимость поиска и разработки эффективных систем безопасности в горнодобывающей отрасли, основанных на количественном и качественном анализе рисков производственного травматизма, позволяющих определить закономерности возникновения травм.

Для анализа эффективности мер безопасности на производстве используются методы описательной статистики, позволяющие провести обработку сводных данных,