Исследование изменения фракционного состава шихтовых материалов при деформировании порошковой наплавочной проволоки

ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ В МЕТАЛЛУРГИИ И МЕТАЛОБРАБОТКЕ

УДК 621.778.01; 621.791.042

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА

ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ

С.К. Захаров, А. А. Протопопов, В. А. Ерофеев, П.И. Маленко, Е.А. Протопопов, А.И. Вальтер

Представлены результаты исследования фракционного состава многокомпонентной порошковой смеси шихтовых материалов в процессе ее измельчения в сердечнике наплавочной проволоки при деформировании с изменением поперечного сечения. Произведена оценка возможности и условий образования порошковых наночастиц для получения наномодифицированной проволоки. Результаты получены на базе физико-математической модели процесса измельчения, связывающей размеры частиц порошка с энергетическими показателями процесса формоизменения проволоки.

Ключевые слова: физико-математическая модель, измельчение твердого тела, энергия измельчения, металлические порошки, порошковая наплавочная проволока.

В данной работе представлены результаты теоретического исследования фракционного состава многокомпонентной порошковой смеси шихтовых материалов в процессе ее измельчения в сердечнике наплавочной проволоки при деформировании с изменением поперечного сечения. Также произведена оценка возможности и условий образования порошковых наночастиц для получения наномодифицированной проволоки. Измельчение шихтовых материалов является процессом, сопровождающим деформирование проволоки с уменьшением размеров ее поперечного сечения.

Для проведения исследования была применена физико-математическая модель [1], адаптированная для условий измельчения многокомпонентной смеси без использования специального измельчающего оборудования (мельниц). Данная модель связывает размеры частиц порошка с комплексом его физико-механических свойств, а также энергети-

ческими показателями процесса формоизменения проволоки и рядом других параметров.

На основе указанной модели были определены основные параметры процесса измельчения, сопровождающего волочение при температуре 1100 °C оболочки проволоки из высоколегированной стали 20Х23Н18, с сердечником из высокодисперсной многокомпонентной порошковой смеси, включающей хром, тантал, молибден, кремний, карбид вольфрама. Исследовался процесс измельчения части порошковой смеси массой Mо sum, локализованной внутри объема Ум, подвергающегося деформированию вместе с металлом проволоки объема Кдеф. Компоненты смеси

различались по размерам частиц, массовой доле физико-механическим свойствам. При этом предполагалось, что каждый компонент смеси имеет преобладающую по количеству частиц размерную фракцию, называемую основной фракцией, и размер частиц в ней средний. Также предполагалось, что суммарная энергия технологического процесса расходуется на совершение работы по пластическому деформированию оболочки проволоки и измельчению порошка, причем данные процессы происходят синхронно, и энергия измельчения, в сущности, представляет собой избыточную энергию, переданную системе сверх энергии деформирования (рис. 1).

Рис. 1. Схема волочения порошковой проволоки: 1 - оболочка проволоки; 2 - порошковый сердечник; 3 - деформирующий инструмент

Ниже приведены адаптированные элементы вышеуказанной модели, необходимые для численного решения поставленной в работе задачи.

Средний размер частиц порошка / - го компонента смеси после измельчения (основной фракции) Ьч ^ /

Ь

М 0 V • К п у • Ь

О Глп Г ^ч.О у

,•• А

ч.к г

Ь

Л • • Ж ч.О г " изм г

ру • Ко у + Мо у • Кп у • А'

А

исв г • псв г

Кпр ' V3 • Су • Оу • Ьу • 1п

п г ^ Т ^

Ьч.о_ у ^^ у

пс _г

12 •*•

где Ьч о у - обобщенный средний линейный размер частиц порошка г - го компонента смеси до измельчения, м; Оу - модуль сдвига, Па; Ьу - значение вектора Бюргерса, м; Vу - коэффициент Пуассона; Су - постоянный для данного вещества коэффициент (Су = 2...25, [2]); £у - микронапряжения, возникающие от присутствия краевых дислокаций; Кпр - эмпирический коэффициент пропорциональности; /пс у - площадь

плоскостей скольжения разделяемого кристалла, м2; псв у - количество межатомных связей; исв у - собственная энергия межатомных связей, Дж. Ко у, Кп у - формфакторы объема и площади поверхности частиц порошка, представляющие собой безразмерные коэффициенты пропорциональности, определяемые геометрией частиц, [1] (Ко у = 1, Кп у = 6); масса компонента порошковой смеси Мо у в деформируемой зоне, кг, плотность компонента порошковой смеси р, кг/м ; Жизм у - энергия измельчения, расходуемая на обработку компонента смеси, Дж.

Микронапряжения в кристаллах г - го компонента смеси

о

еу =

сж

в _ у

сж

где ов у, Еу - соответственно, предел прочности при сжатии и модуль упругости для материала компонента смеси при заданной температуре технологического процесса, Н/м2.

Энергия разрыва межатомных связей частицы порошка компонента

смеси

и

w

св г

п

атм г

св г

п

гр _ г

• N А

где wl

атм г

- энергия атомизации материала порошка, Дж • моль-

пгр у - количество кристаллических граней элементарной ячейки мате-

-1

риала порошка; N а - число Авогадро, моль-

Энергия измельчения, расходуемая на обработку г - го компонента

1

смеси

^изм i _ ^изм sum '

Доля энергии измельчения, расходуемая на обработку I - го компонента смеси из п - компонентов

К -

К О = п ,

I О в} }-1

где о в1 - предел прочности / - го компонента смеси при заданной температуре обработки, Н/м .

Суммарная энергия измельчения порошковой смеси

г, Л . . л

^изм _ sum _ Кдп ' в _ прев

2

1+ 1

d0 , 2' 1п

1n^0 +

vV 2  sin (a) ' dk J

x

Р- do Т „ * 4 ^деф ' "тр,

где Iп - длина калибрующего участка инструмента, м; относительное удлинение материала оболочки проволоки 5тр, %; Кдп - коэффициент, учитывающий влияние параллельных дополнительных процессов при продвижении порошковой массы в ходе деформирования оболочки проволоки; ов прев - приведенный предел прочности порошковой смеси, Н/м2;

йо,,Ьдеф - соответственно, внутренние диаметры оболочки проволоки

до и после деформирования, длина деформируемого в данный момент участка проволоки, м (рис. 1); а - угол наклона образующей калибрующего участка деформирующего инструмента, ° (рис. 1).

Приведенный предел прочности порошковой смеси

n sвiК i=1 n

s _ yJвi mi

°в_прев ~ Zj"

где Кт - массовая доля i - го компонента смеси; n - количество компонентов смеси;

Массовая доля i - го компонента смеси

^ _ '

1V1 sum

где Mi - масса порошка одного компонента во всей проволоке, кг; Msum - общая масса порошковой смеси во всей проволоке, кг. Общая масса порошковой смеси в деформируемой зоне

M _ V'м 'M sum

Jl/:z0_ sum ~ V '

V пор _ sum

где VnC)p sum - общий объем порошковой смеси во всей проволоке, м .

Масса порошка одного компонента в деформируемой зоне определяется по выражению

M0_i = Кmi M0_sum, где Mо sum - общая масса порошковой смеси в деформируемой зоне, кг. Степень размерного измельчения i - го компонента смеси

L4.0 i — L4.k i

St  _

^Ызм _ i ~ Т

Lч.0_ 7

Величины йо, , Lдеф, а также общий объем пространства для

порошковой смеси в деформируемой зоне до деформации Ум определяются геометрически по схеме на рис. 1.

Площади плоскостей скольжения /пс в кристаллах были определены ранее с учетом температурного изменения основных линейных расстояний в кристаллических решетках измельчаемых материалов. Исходные данные для расчета приведены в табл. 1.

Таблица 1

Исходные данные, используемые для расчета параметров

процесса измельчения

Компоненты порошкового сердечника проволоки

№ п/п Обозначение в тексте раздела Хром Тантал Молибден Кремний Карбид вольфрама

1 2 3 4 5 6 7

1 fnc _ i, м2 0,1-10-18 0,3-10-18 0,1-10-18

2 К Кпр 105

3 C 18

4 ei 5,0-10-4 7,7-10-4 6,3-10-4 3,1-10-5 4,7-10-4

5 Gi, Па 8-1010 7-1010 10-1010 8-1010 26-1010

6 bi, м 0,2-10-9 0,3-10-9 0,2-10-9 0,4-10-9 0,2-10-9

7 L4.0 i, м 150-10-6 5-10-6 70-10-6 160-10-6 7-10-6

8 Р, рад 3,14

9 ni 0,34 0,24 0,37 0,27 0,31

10 Ei, Па 22-1010 16-1010 28-1010 16-1010 72-1010

11 _i, Па 107-106 122-106 172-106 5,2-106 113-106

12 ri, кг/м3 7194 16600 10220 2330 15700

Окончание табл. 1

1 2 3 4 5 6 7

13 wатм i Дж- моль-1 395-103 782-103 654-103 763-103 1576-103

14 Nа, моль-1 6-1023

15 пгр i 4 6

16 Кдп 0,3

17 Msum, кг 0,65

18 V 3 у пор sum, м 2-10-4

19 Mi, кг 0,17 0,015 0,089 0,012 0,364

20 Do, м 2 4-10-

21 d о, м 3-10-2

22 Щ, м 2 0,2-10-

23 5о, м 0,8-10-

24 Sk, м 0,03-10-

25 dk, м 0,1-10-

26 а, ° 23

27 Ътр, % 0,51

Результаты расчета основных параметров процесса измельчения порошковой смеси представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета параметров процесса измельчения

порошка смеси

№ п/п Обозначение в тексте статьи Компоненты порошкового сердечника проволоки

Хром Тантал Молибден Кремний Карбид вольфрама

1 2 3 4 5 6 7

1 Lч.k _ i, м 6656-10-9 192-10-9 2557-10-9 25669-10-9 4812-10-9

2 в прев, Па 23,6-106

3 0,21 0,23 0,33 0,01 0,22

4 К 0,26 0,022 0,14 0,018 0,56

5 м 0_ i, кг 0,021 0,0016 0,011 0,0015 0,045

Окончание табл. 2

1 2 3 4 5 6 7

6 ж , Дж " изм 8ЫШ ' ГЛ 1058,741

7 Жизм _ 1, Дж 218,6 247,2 351,4 10,63 230,9

8 псв исв, Дж 0,2-10-18 0,3-10-18 0,27-10-18 0,32-10-18 0,5-10-18

9 °1изм 1 0,955 0,961 0,963 0,840 0,313

10 г 2 7 пс, м 0,1-10-18 0,1-10-18 0,09-10-18 0,3-10-18 0,1-10-18

11 ег 5,0-10-4 7,7-10-4 6,3-10-4 3,1-10-5 4,7-10-4

12 М 0_ 8ПШ , кг 0,08

13 Ум, м3 0,00002

14 Винт 1, % 0,57 1,40 0,7 0,44 0,61

15 Винт sum , % 3,7

16 Жпор _ 1, Дж 15217,6 484,5 9312,5 3246,3 35037,1

Установлено, что наименьшая основная размерная фракция образовалась для тантала, наибольшая - для кремния. Максимальную степень измельчения имеет хром, минимальную - карбид вольфрама. Следует отметить, что для хрома, тантала и молибдена степени измельчения оказались близкими по величине, хотя данные материалы различаются по своим механическим свойствам. Этот факт можно объяснить комбинированным влиянием как механических характеристик, так и физических, а также массовой доли материала в смеси. Кремний немного отстает по степени измельчения от первых трех компонентов. Наименьшая энергия измельчения была затрачена на кремний, наибольшая на молибден.

Статистическая оценка размерного фракционного состава измельченной порошковой смеси была выполнена для выявления доли заданного фракционного нанодиапазона в общей порошковой совокупности с целью декларирования утверждения о том, что полученная проволока является наномодифицированной. Для решения поставленной задачи было использовано логарифмически нормальное распределение (ЛНР). Расчет долей производился для каждого компонента порошковой смеси с последующим их суммированием для определения общей доли частиц, соответствующей заданному фракционному нанодиапазону. При этом медианой распределения для каждого компонента являлась ранее вычисленная величина среднего размера частиц Ьч£, априорно рассматриваемого в качестве основной по содержанию фракции внутри общей порошковой массы, табл. 2.

Для установления факта наномодифицированности проволоки ис-

9

пользовалось условие

Dинт _ sum — [Dmin],

где Оинт sum - суммарная доля заданного нанодиапазона размерной

фракции, %; [Dmin ] - заданное пороговое значение доли искомой наноф-ракции, %. При заданном искомом нанодиапазоне с размерами измельченных частиц меньше или равно 100 нм, величина [Dmin ] была установлена на уровне 0,005 %. Суммарная доля заданной размерной фракции Еинт sum по n - компонентам порошковой смеси определялась выражением как сумма долей частиц заданного нанодиапазона для i - го компонента смеси Оинт i. Результаты расчета доли частиц заданного нанодиапазона представлены в табл. 2 (пункты 14 и 15). Учитывая, что [Dmin ] = 0,005 %, условие Оинт sum — [Dmin ] выполнено, т.е. необходимая

суммарная доля размерной фракции порошка в заданном нанодиапазоне достигнута. Этот факт позволяет заявить, что проволока, рассмотренная в процессе расчета, является наномодифицированной. Наименьшее количество фракции, соответствующей заданному нанодиапазону, образовалось у кремния, наибольшее количество у тантала. Для кремния соответствующий результат объясняется тем, что хотя механические свойства его и невысокие, но массовая доля также невелика. Максимальный результат у тантала объясняется наименьшим среди компонентов смеси начальным размером частиц Ьч 0 i и сравнительно невысокими механическими свойствами.

Зависимости среднего размера образовавшихся частиц от энергии измельчения для компонентов порошковой смеси сердечника проволоки представлены на рис. 2-6.

Характер указанных зависимостей нисходящий, т.е. при увеличении энергетических затрат на измельчение основная преобладающая размерная фракция уменьшается. При этом установлено их геометрическое подобие для разных компонентов смеси.

Также для каждого компонента смеси было определены пороговые значения энергии измельчения Жпор f, при которых частицы порошковых

компонентов смеси, соответствующие заданному ранее нанодиапазону (меньше или равно 100 нм), образуют основную преобладающую размерную фракцию. Результаты расчета сравнивались с величиной затраченной энергии на измельчение i - го компонента смеси Жизм f в табл. 2 (пункты 7 и 16).

нм 4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000 500

- , , I I I I I I I I -

5000 10000 15000 20000 25000 30000

Рис. 2. Зависимость размерной фракции порошка Ьч^ I от энергии,

затраченной на измельчение Жизм | для карбида вольфрама

'________

нм Л" 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

2000 4000 6000 3000 10000 12000 Щам_1,Дж

Рис. 3. Зависимость размерной фракции порошка Ьч ^ I от энергии, затраченной на измельчение Жизм | для хрома

260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 W^¡,Дж Рис. 4. Зависимость размерной фракции порошка Ьч^ i от энергии, затраченной на измельчение WU3m i для тантала

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 ^ ¿.Дж Рис. 5. Зависимость размерной фракции порошка Ьч^ I от энергии,

затраченной на измельчение Жизм | для молибдена

500 1000 1500 2000 2500 Рис. 6. Зависимость размерной фракции порошка Ьч^ I от энергии,

затраченной на измельчение Жизм | для кремния

По данным, представленным, в табл. 2 видно, что энергии Жизм | и Жпор I значительно различаются. Это в целом указывает на невозможность достижения основной преобладающей фракции с размером 100 нм и менее при измельчении, происходящем в условиях рассмотренного в данной работе технологического процесса из соображений сохранения физической целостности оболочки проволоки.

Тем не менее, частицы указанного нанодиапазона в полученной проволоке присутствуют, а их доля Оинт шт соответствует значению,

приведенному в табл. 2, т.е. Винт шт = 3,7 %. Этот факт позволяет заявить, что проволока, рассмотренная в процессе расчета, является наномо-дифицированной.

Работа представлена на 3-й Международной Интернет - конференции по металлургии и металлообработке, проведенной в ТулГУ 1 мая - 30 июня 2014 г.

Список литературы

1. Курлов А.С., Гусев А.И. Модель размола порошков // Журнал технической физики, 2011. том 81. вып. 7. С.76- 82.

13

2. Williamson G.K., Smallman R.E. // Phil. Mag. 1956. Ser 8. Vol. 1. N 1. P. 34 -46.

Захаров Сергей Константинович, канд. техн. наук, доц., zzzsk1971@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Протопопов Александр Анатольевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, pro-topopov a tsu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ерофеев Владимир Александрович, канд. техн. наук, доц., va-erofeevamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Маленко Павел Игоревич, канд. техн. наук, доц., Россия, malenkoa tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Протопопов Евгений Александрович, ассист., pea_12@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, проф., valter.alexarambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

RESEARCH OF THE CHANGE OF FRACTIONAL COMPOSITION OF CHARGE MATERIALS UNDER DEFORMATION OF POWDER CLADDING ELECTRODE WIRE

S.К. Zakharov, А.А. Protopopov, У.А. Erofeev, P.I. Malenko, E. А. Protopopov, A.I. Walter

The results of research offractional composition of mnogokanal-being input powder mixture charge materials in the process of its grinding in a heart condition-Nike surfacing wire deformation with changes in cross-section. The estimation of the possibilities and conditions of education powder nanoparticles to get nanomodified wire. The results obtained on the basis ofphysico-mathematical model of the process of grinding, connecting sizes ofpowder particles with energy indicators ofprocess of deformation of a wire.

Key words: physical and mathematical model, grinding of solid body, the pulverization energy, metal powders, powder surfacing wire.

Zakharov Sergey Konstantinovich, candidate of technical science, docent, zzzsk197layandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Protopopov Aleksander Anatolievich, doctor of technical science, professor, manager of department, protopopovatsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Erofeev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, va-erofeevamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical science, docent, malen-ko@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Protopopov Evgeniy Alexandrovich, assistant, pea_12@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Walter Alexander Igorevich, doctor of technical science, professor, val-ter. alexaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.791.927.5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАВЛЕНИЯ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ С СЕРДЕЧНИКОМ ИЗ ПОРОШКА ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

В. А. Ерофеев, А.В. Масленников, О.И. Зайцев

Разработана методика определения эквивалентных значений теплофизиче-ских характеристик и расчёта параметров плавления электродной порошковой проволоки при электродуговой наплавке. Рассчитаны эквивалентные теплоёмкость, удельная объёмная теплота плавления и удельное сопротивление электродной проволоки диаметром 2,0 и 1.6 мм с сердечником из порошка тугоплавких металлов (26 % Сг, 14 % Мо, 2.5 % Та, 56 % ЖС) диаметром 1.4 и 1.0 мм. Определены зависимости тока дуги от скорости подачи и длины вылета электродной проволоки указанных диаметров.

Ключевые слова: электродуговая наплавка, порошковая проволока, тугоплавкие металлы, теплофизические свойства.

Для упрочнения поверхности стального инструмента для обработки давлением наплавляют слой, содержащий мелкодисперсные порошки карбида вольфрама, молибдена, тантала и хрома. При электродуговой наплавке используют порошковую проволоку, оболочка которой выполнена из стали, а сердечник - порошок твёрдых материалов.

Несмотря на большое количество работ по плавлению электродной проволоки при дуговой сварке и наплавке [1-8], плавление порошковой проволоки в опубликованных работах практически не исследовано, а данные о плавлении проволок, наполненных порошком тугоплавких металлов и их карбидов, в публикациях полностью отсутствуют.

Объектом исследования является процесс плавления порошковой проволоки, оболочка которой выполнена из стали 20Х23Н18, а сердечник представляет собой смесь мелкодисперсных частиц порошка разных металлов (26 % Сг, 14 % Мо, 2,5 % Та, 56 % ЖС).

Задача исследования состояла в определении режима плавления проволок диаметром 1,6-2,4 мм с диаметром сердечника 0,5-0,75 от диаметра проволоки.