Интенсификация уплотнения структурно-неоднородных механических смесей на основе железа

В.Н. Кокорин, О.Г. Крупенников, Д.П. Груздев,

А.А. Митюшкин, Н.А. Сизов ИНТЕНСИФИКАЦИЯ УПЛОТНЕНИЯ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Рассмотрено влияние технологических режимов нагружения, конструкции пресс-формы на процесс уплотнения структурнонеоднородных порошковых смесей на основе железа. Проведены мероприятия по интенсификации процесса консолидации.

Интенсификация, порошок, зазор, структура, интегральная модель, уплотнение.

V.N. Kokorin, O.G. Krupennikov, D.P. Gruzdev, A.A. Mityushkin, N.A. Sizov COMPACTION INTENSIFICATION OF STRUCTURALLY -NON-HOMOGENEOUS IRON-BASED MECHANICAL MIXTURES

The influence of technological modes stressing, press mold construction on the compaction process of structurally - non-homogeneous iron-based blend powders is under review. intensification process of consolidation is considered in the article.

Intensification, powder, gap, structure, integral model, compaction.

Характерной тенденцией современного промышленного производства является создание новых машин и механизмов с высокими рабочими параметрами на основе использования заготовок и деталей с высоким уровнем технологических и потребительских свойств.

Основным потребителем высокоплотных заготовок и деталей являются отрасли автомобилестроения, машиностроения, прокатки и ряд других. Высокоплотные механические смеси могут применяться в качестве исходных заготовок при изготовлении металлопроката, при получении изделий типа «фольга», в процессах интенсивного пластического деформирования (формообразования) по схемам: динамическое горячее прессование (ДГП), гидроштамповка, холодная объемная штамповка (ХОШ); в качестве брикетов (вторичное сырье) в процессах промышленного рециклинга твердых техногенных отходов металлургических комбинатов; в качестве деталей конструкционного назначения.

Автомобилестроение

Черная металлургия

%

%

100

Рис. 1. Сравнительный анализ использования высокоплотных заготовок и деталей

На диаграмме (рис. 1) представлено использование изделий из порошковых материалов по отраслям в промышленно развитых странах мира. Следует отметить, процент использования изделий из порошковых материалов в РФ существенно отстает от США и стран ЕС.

Развитие порошковой металлургии основывается в значительной мере на разработке и использовании новых прогрессивных технологий консолидации дисперсных металлов, направленных на существенную минимизацию остаточной пористости и создание благоприятной структуры материала.

В соответствии с методологией структурно-феноменологического подхода, рассмотрим модель среды, представляющей собой конгломерат статически однородных плотноупакованных частиц изометрической формы, на границах которых локализуются несплошности. Укладка частиц при прессовании образует регулярные структуры - поры, заполненные жидкой и газовой фазами.

Жидкофазный компонент, содержащийся в шихте, с одной стороны уменьшает внешнее трение, а с другой - препятствует плотной упаковке дискретных порошковых частиц за счет их несжимаемости.

Процессы, протекающие во внутрипоровом пространстве, отличаются существенным детерминизмом и в значительной степени определяются как взаимодействием (сдвиговые деформации) между частицами самой жесткой матрицы проницаемой структуры, так и межфазным взаимодействием между наполнителями пор и жестким каркасом. При этом реализуется как поглощение поверхностью пористого материала на открытых поверхностях тела, так и поглощение объемом пористого каркаса тела. В результате эти процессы во всесторонней совокупности структурных и физических явлений характеризуются четко выраженной нелинейностью как во временной, так и в пространственной областях, при этом уплотнение деформируемого тела реализуется в соответствии как с дискретной, так и с гомогенной моделями (в соответствии со стадийностью процесса уплотнения).

Г омогенная модель является достаточно наглядным и удобным способом континуального представления трехфазной среды: несжимаемая матрица - газовая фаза (поры) - жидкостная фаза (а также как вариант: матрица - газовая фаза (поры) -газожидкостная смесь). Смесь жидкости и газа можно рассматривать как некую однородную среду со средней температурой Т, скоростью транспортирования и, плотностью р и давлением р. Давление в жидкой фазе р1 либо равно давлению в газовой фазе р2, либо отличается на величину лапласовского давления Ар = 2а/Я, обусловленного поверхностным натяжением на границе газ - жидкость (Я - радиус поры, а - коэффициент

поверхностного натяжения). Очевидно, температуры и скорости транспортирования (движения) фаз равны.

Первая стадия уплотнения (структурная) характеризуется значительным преобладанием автономной деформации, нарушающей контакты насыпки. После снятия нагрузки формовка превращается в несвязанное сыпучее тело. При необходимости ограничения первой стадией уплотнения следует вводить в формуемую шихту жидкие связные структуры (ЖСС). При использовании двухкомпонентной шихты, содержащей жидкую фазу, «арки» заполняются как твердыми частицами, так и жидкой фазой, причем, преимущественное перемещение наблюдается прежде всего у жидкой фазы.

Вторая стадия уплотнения характеризуется пластической деформацией частиц твердой среды приконтактных областей. Препятствием для образования контактов являются пленки жидкости, при этом жидкая фаза частично или полностью выдавливается в поры.

На первой стадии наблюдается переукладка дискретных частиц матрицы и транспортирование в поры газа и жидкости. На второй стадии материал прессовки -беспористая структура - деформируется, как и компактный, однако, при этом действует гидростатическое давление в жидкости. При использовании смеси с наличием жидкой фазы третья стадия прессования соответствует механизму перемещения объема металла в компактном состоянии.

На начальной и завершающей стадиях прессования наблюдаются характерные различия выделенных структур: их непрерывность, связность, регулярность, анизотропия, фазовое состояние (рис. 2).

Экспериментально установлена кривая уплотнения дисперсных материалов в присутствии ЖСС (рис. 3). Твердая фаза - дисперсный металлический порошок - 85% масс, жидкая фаза (связующее, вода, ацетон) - 15% масс.

В настоящих экспериментальных исследованиях использован железный распыленный порошок марки АНС 100.29 фирмы «Но£апаз», Швеция, с химическим составом, приведенным в табл. 1.

Прессование производилось в стальной закрытой обойме на гидравлическом прессе ПГ-60, вид нагружения - статический.

Непрерывность

III сталия

матричныи

поровый кластер 1 поровый кластер 1 поровый кластер | поровый кластер дисперсный кластер

односвязныи

ооразуюшая фаза

заполняющая фаза

регулярная

изотропная

н е\сто и чи в ая

матричныи

дисперсныи кластер

многосвязныи

образующая фаза

заполняющая фаза

регулярная

хаотическая

стохастическая

анизотропная

не\стойчивая

матричныи

матричныи

дисперсныи кластер

дисперсныи кластер

----Связность структуры

многосвязный

односвязныи

Фазовое состояние

ооразуюшая фаза

образующая фаза

заполняющая фаза

заполняющая фаза

Регулярность структуры

регулярная

стохастическая

стохатическ ая

Анизотропность структуры

стохастическая

Устойчивость структуры

неустойчивая

стохастическая

устойчивая

матричныи

нуль-связныи кластер

ооразуюшая фаза

регулярная

изотропная

не\-стойчивая

Таблица 1

Химический состав железного порошка АНС100.29

Химический состав, %, не более

Ре С 02 при нагреве в Н2

Основа 0,024 0,17

Гранулометрический состав порошка

Размер 250...200 200.160 100.71 5 4 71 менее 45

Содержание, % 0...2 0.12 ост. ост. 0 3 О

Использованы три вида механических смесей:

- железный порошок;

- железный порошок и жидкая фаза (вода) в пропорции (85:15), исходная влажность Ж0 = 15%;

- железный порошок и жидкая фаза (ацетон) в пропорции (85:15), исходная влажность Ж0 = 15%.

Выбор жидкой фазы определяется различной вязкостью применяемых жидкостей.

Были построены экспериментальные кривые уплотняемости трех видов механических смесей (рис. 2), обоснована концепция стадийности процессов прессования металлических порошков в присутствии жидкой фазы:

- первая стадия - переукладка частиц, резкое уменьшение порового пространства;

- вторая стадия - интенсивное порозаполнение за счет затекания металла-основы и жидкой фазы в поры;

- третья стадия - пластическая деформация частиц, затекание металла-основы в поры;

- четвертая стадия - разрывы поверхности заготовки за счет кавитации жидкой фазы при давлениях прессования свыше 1000 МПа;

- пятая стадия - «скелетное» схлопывание открытых дефектов структуры, остаточная пористость составляет 1-4%.

Удельное усилие прессования, т/см2

Рис. 3. Экспериментальные кривые уплотнения в присутствии жидкой фазы

В работе [1] установлено, что если контактные напряжения превышают прочность контактных поверхностей, то происходит их частичное разрушение с образованием поровых каналов, соединяющих закрытые поры с тупиковой и внешней газовой средой (рис. 4 б), что наглядно устанавливается на IV стадии уплотнения (рис. 3).

Были проведены металлографические исследования по изучению структурообразования на различных (1^) стадиях уплотнения (рис. 4). Использован микроскоп «ОЫМРиБ» (программное обеспечение «81АМ8 700»), увеличением х100; х200; х400. Проводилась подготовка образцов:

а) травление четырехпроцентным раствором азотной кислоты (изучение межграничных контактов);

б) образцы после полирования (без травления) - использованы для установления общей пористости и траектории образования поровых кластеров.

Установлено, что на IV, V стадиях (образцы группы «а») прессования наблюдается интенсивный рост зерен (объединенные в единый конгломерат соседних зерен за счет межкристаллитного сращивания). Данный эффект был отмечен профессором А.П. Гуляевым при изучении структуры деформируемых тел [2]. Им была предложена модель рассыпания (растворения) границ зерен, механизмом которого является двойникование. Полное растворение границ приводит к объединению соседних зерен в единый зеренный конгломерат.

Рис. 4. Постадийное структурообразование при прессовании механических смесей: а - II стадия; б - III стадия; в - IV стадия; г - V стадия

Развитие сращивания происходит в результате синхронной с деформацией миграции границ одних контактирующих зерен за счет других [1].

Интенсивное межкристаллическое сращивание при прессовании механических смесей с использованием жидкой фазы установлено на IV, V стадиях прессования (рис. 4 в-г), причем завершение образования зеренных конгломератов наблюдается на V стадии, где моделируется регламент экструзии.

Таким образом, установлено явление межчастичного сращивания на завершающих стадиях прессования, что обусловливает существенное повышение уровня механических свойств отпрессованных заготовок и деталей.

В экспериментальных исследованиях было рассмотрено влияние свойств: вязкость жидкости (^), зазора (г) и исходной влажности (^) смеси на процесс консолидации порошковых материалов. В качестве параметров оптимизации были приняты: относительная плотность заготовок на IV (Р4) и V (Р5) стадиях, а также температура жидкости (Д7), вытесненной в зазор.

Таблица 2

Моделирование уплотнения на IV и V стадии

№ п/п £

1 (+) 0,127 (+) 0,025 (+) 0,2 0,915 0,969 0,4

2 (+) 0,127 (+) 0,025 (-) 0,1 0,902 0,968 0,3

3 (+) 0,127 (-) 0,005 (+) 0,2 0,895 0,961 0,2

4 (+) 0,127 (-) 0,005 (-) 0,1 0,895 0,958 0,2

5 (-) 0,099 (+) 0,025 (+) 0,2 0,928 0,973 0,5

6 (-) 0,099 (+) 0,025 (-) 0,1 0,909 0,968 0,3

7 (-) 0,099 (-) 0,005 (+) 0,2 0,902 0,965 0,2

8 (-) 0,099 (-) 0,005 (-) 0,1 0,895 0,958 0,2

71 = 0,905179 - 0,241071 Х1 + 0,8375 Х2 + 0,0975 хэ , Уг = 0,960321 - 0,071429 хх + 0,45 Х2 + 0,04 хэ ,

7э = 0,144643 - 0,892857 Х1 + 8,75 Х2 + 0,75 хэ .

В соответствии с планом эксперимента N = 2 опыта с трехкратной воспроизводимостью каждой точки, статистическая обработка полученных результатов проводилась при использовании стандартной программы регрессионного и дисперсионного анализа по методу наименьших квадратов.

Получена комплексная параметрическая модель в виде полиномов множественного порядка, определяющая влияние плотности, зазора и влажности на плотность IV, V стадий прессования железосодержащих порошков.

На рис. 5-10 представлена графическая интерпретация результатов экспериментов по изучению функциональных связей свойств и технологических характеристик изделий и процесса уплотнения.

Рис. 5. Функциональная зависимость: Рис. 6. Функциональная зависимость:

Р4отн = f (г, X) при м = 10% Р4отн = f (г, X) при м = 20%

Рис. 7. Функциональная зависимость: Р50тн = f (г, X) при м = 10%

Р50тН

г

£

Рис. 8. Функциональная зависимость: Р°тн = f(г, X) при м = 20%

Нахождение в механической порошковой смеси жидкости определяет вид субстанции (от сухой м = 0, до увлажненной м = 20%). В экспериментах был проведен анализ массопереноса влажной смеси (Ат) в зазор (г) в зависимости от величин zотн и м. Влияние зазора и влажности на массу транспортирующихся частиц в зазор представлено в табл. 3 и на рис. 11.

Рис. 9. Функциональная зависимость: АТ°тн = f (т, X) при м = 10%

Рис. 10. Функциональная зависимость: АТ°тн = f (т, X) при м = 20%

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.08

^Тотн

/

/

/

г

- — ш^ 1 № стад

4 1 2 3 4 5'

Рис. 11. Постадийный температурный градиент

Таблица 3

Матрица планирования эксперимента по определению массопереноса в процессе уплотнения

№ п/п 2°тн

1 (+) 0,05 (+) 0,2 0,540

2 (+) 0,05 (-) 0,1 0,505

3 (-) 0,005 (+) 0,2 0,059

4 (-) 0,005 (-) 0,1 0,054

0.005 0.01 0.02 0.025 0.03 0.04 0.05 0.06

Рис. 12. Величина массопереноса в процессе уплотнения увлажненной смеси

Проведенные исследования позволяют существенно расширить эффективность процесса уплотнения порошковых материалов за счет рационального выбора влажности смеси, конструкции оснастки и транспортирующей жидкости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дорофеев В.Ю. Межчастичное сращивание при формировании порошковых

горячедеформированных материалов / В.Ю. Дорофеев, С.Н. Егоров. М.: ЗАО

Металлургиздат, 2003. 152 с.

2. Гуляев А.П. Моя металлография / А.П. Гуляев // Металловедение и термическая обработка металлов. 1995. № 7. С. 28-36.

3. Кокорин В.Н. К стадийности прессования двухкомпонентных смесей с различным агрегатным состоянием / В.Н. Кокорин, М.В. Кокорин // Вестник УлГТУ. 2002. № 1. С. 38-41.

4. Радомысельский И. Д. Некоторые особенности уплотнения порошков на разных стадиях прессования / И. Д. Радомысельский, Н.И. Щербань // Порошковая металлургия. 1980. № 11. С. 12-19.

Кокорин Валерий Николаевич -

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Материаловедение и обработка металлов давлением» Ульяновского государственного технического университета

Крупенников Олег Геннадьевич -

кандидат технических наук, доцент, преподаватель кафедры «Технология машиностроения» Ульяновского государственного технического университета

Г руздев Дмитрий Павлович -

аспирант кафедры «Материаловедение и обработка металлов давлением» Ульяновского государственного технического университета

Митюшкин Антон Александрович -

аспирант кафедры «Материаловедение и обработка металлов давлением» Ульяновского государственного технического университета

Kokorin Valeriy Nikolayevich -

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,

Head of the Department

of «Material Science and Metal Forming»

of Ulyanovsk State Technical University

Krupennikov Oleg Gennadiyevich -

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,

Head of the Department

of «Manufacturing engineering»

of Ulyanovsk State Technical University

Gruzdev Dmitriy Pavlovich -

Post-graduate Student of the Department

of «Material Science and Metal Forming» of Ulyanovsk State Technical University

Mityushkin Anton Aleksandrovich -

Post-graduate Student

of the Department of «Material Science

and Metal Forming»

of Ulyanovsk State Technical University

Сизов Николай Александрович -

аспирант кафедры «Материаловедение и обработка металлов давлением» Ульяновского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 12.05.10, принята к

Sizov Nikolay Aleksandrovich -

Post-graduate Student

of the Department of «Material Science

and Metal Forming»

of Ulyanovsk State Technical University

опубликованию 23.09.10