Исследования процессов высокоскоростного формования порошков на основе графита

Имея потенциал коррозии -0,738 + -0,670 в среде электролита 3 %-иого NaCl, они обеспечивают разность потенциалов с железом (-0,35 В) 0,35-0,40 В, что вполне достаточно для обеспечения уровня защиты стальных изделий от коррозии в пределах 90-95 %.

Список литературы

1. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1979. 46 с.

2. Умарова Т.М., Ганиев И.Н. Коррозия двойных алюминиевых сплавов в нейтральных средах. Душанбе: Дониш, 2007. 258 с.

3. Алюминиевые сплавы. Свойства, обработка применение / Под. ред. Дриц М.Е. М.: Металлургия, 1979.

679 с.

4. Красноярский В.В., Саидалиев Н.Р. Коррозионно-электрохимические свойства сплавов алюминия с железом в нейтральных растворах // Защита от коррозии и окружающей среды. М.: 1991, Вып.З. С. 14-19.

5. Медиоланская М.М., Ратинян A.JL, Янковский А.А. Электрохимическое поведение сплавов железо-алюминий (стационарные потенциалы) // ЖПХ. 1987. № 8. С. 1877-1879.

6. Медиоланская М.М., Никитина Л.И., Яновский А.А., Ратинян A.J1. Электрохимическое поведение сплавов железо-алюминий (анодное поведение) // ЖПХ. 1987. № 8. С.1880-1881.

7. Анодное поведение сплава А1 + 2.18 % Fe, легированного кальцием, в среде электролита NaCl / Дж. X. Джайлоев, И.Н. Ганиев, И.Т. Амонов Х.Х. Азимов // Известия ВУЗов. Химия и хим. техн. 2015, Т. 58. № 12. С. 38-12.

8. Раджабаелиев С.С., Ганиев И.Н., Амонов И.Т. Влияние свинца на анодное поведение сплава Al+2,18 % Fe // Вопросы материаловедения. 2016. № 2 (86). С. 147-152.

УДК 66.083

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ФОРМОВАНИЯ ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ ГРАФИТА

Самодурова М.Н., Барков Л.А., Латфулина Ю.С.

Национальный исследовательский Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Россия

Введение

В последние десятилетия все больший интерес зарубежных и отечественных ученых вызывают исследования процессов высокоскоростного формования металлических [1, 2], полимерных [3], керамических [4, 5], углеродных [6] и других порошковых материалов.

Уже ряд лет в научно-образовательном центре (НОЦ) «Ресурсный центр спецметаллургии» ЮУрГУ выполняются исследования процессов высокоскоростного формования порошковых графитопластовых материалов на устройствах шведской фирмы Hydropulsor2 и американской фирмы Instron3. Рассмотрим конструктивные особенности этих устройств и результаты выполненных на них экспериментальных исследований.

Известные высокоскоростные исследования на устройстве фирмы Hydropulsor. Фирма Hoganas одной из первых в конце XX в. выполнила исследования процесса получения металлических порошков по методу High Velocity Compaction (HVC). Это были порошки, предназначенные для высокоскоростной листовой штамповки и калибровки на высокоскоростных устройствах типа HYP30, выпускаемых шведской компанией Hydropulsor [7]. На пневмогидромеханических устройствах марки HYP30-15, имеющих массу падающих частей от 5 до 1200 кг и скорость падения этих частей от 2 до 30 м/с исследователи получали высоко плотные заготовки массой от 5 до 10 кг из порошков разных марок легированных сталей с плотностью после спекания до 7,8 г/см3.

В настоящее время для высокоскоростного формования порошковых материалов фирма Hydropulsor выпускает специальные устройства типа HYP35 марок HYP35-02, HYP35-04, HYP35-07, HYP35-18 и HYP35-40.

На высокоскоростном устройстве фирмы Hydropulsor марки HYP35-04, установленной на шведской фирме Sinterheat, учеными этой фирмы совместно с учеными шведского университета Dalarna выполнены исследования по компактированию порошков суперсплава на основе кобальта, распыленных газом и водой. На

2 Hydropulsor АВ // www .hydropulsor.com

3 Instron Engineering Corp. //www.instron.ru

порошках, распыленных водой, при формовании с энергией, равной 4 кДж, удалось получить высокую плотность образцов диаметром 25 мм, достигающую 95 % от теоретической плотности [8].

По результатам исследований, проведенных в пекинском университете Науки и Технологии, был опубликован ряд работ, посвященных высокоскоростному компактированию медных [9] и железных [10, 11] порошков. Исследования выполнялись на устройстве марки ПУР35 07 фирмы ИуйгориЬог, имеющей боек массой 135 кг, обеспечивающий за один удар кинетическую энергию в 7 кДж. Исследованиями формования образцов из электролитических порошков меди установлено, что способом Ш'С при энергии, равной 6 кДж, достигается плотность прессовок, равная 95 % от теоретической плотности меди. При использовании распыленного водой железного порошка с добавлением смазки (стеарата цинка) в объеме 0,5 % по массе из насыпки порошка массой 130 г получали кольцевые образцы наружным диаметром 60 мм и внутренним диаметром 30 мм. Компакта -рование выполнялось за один удар бойка с энергией от 3804 до 6848 Дж и импульсными нагрузками за два или три импульса. При двух импульсах первый имел энергию, равную 1141 Дж, второй имел энергию от 2663 до 5707 Дж при трех импульсах первый имел энергию, равную 761 Дж, второй, равную 1522 Дж, третий имел энергию от 2282 до 4565 Дж. Исследование плотности показало, что максимальная плотность достигается при двухимпульсном нагружении и минимальная - при трехимпульсном, что свидетельствует о приложении излишней энергии.

Французскими учеными выполнены сравнительные исследования процессов статического и высокоскоростного компактирования керамических порошков (Л1203) [12] на высокоскоростном устройстве марки 11)1'35 18 фирмы Нус/горик'ог. Максимальная скорость бойка этой машины равна 11 м/с, а максимальная кинетическая энергия бойка достигала 20 кДж. Частицы порошка оксида алюминия, как известно, отличаются высокой твердостью и хрупкостью. Насыпка порошка в пресс-форме со средним размером частиц менее одного микрона, содержащая до 2,5 % по массе связки типа ПВА, не имеет ни пластических, ни вязких свойств в процессе формования при комнатной температуре. Формование таблеток диаметром 15 мм статическим способом выполнялось также на обычном гидравлическом прессе со скоростью 200 мм/мин. При этом удельное усилие формования изменялось от 10 до 800 МПа. Такие же таблетки формовались высокоскоростным способом на НТР35—18. Максимальное удельное усилие прессования было равно 1260 МПа. Исследование плотности прессовок выполнялось после их спекания. В результате установлено, что при удельном усилии прессования до значения 550 МПа оба способа дают практически одинаковое значение плотности прессовок, при больших усилиях способ Ш'С обеспечивает более высокие значения плотности прессовок. Общий вид устройства марки 11)1'35 18 показан на рис. 1. Следует также отметить публикации американских, французских и китайских ученых по исследованиям процессов высокоскоростного формования порошковых материалов, выполненные в самые последние годы [13-18].

Рис. 1. Общий вид устройства марки НУР35-18

Исследования формования углеродных композиций на устройстве фирмы НУ1)Ш)РШЖ>/?. В НОЦ

«Ресурсный центр спецметаллургии» ЮУрГУ при сотрудничестве с французскими учеными на этом же устройстве марки НТР35-18 выполнен большой объем исследовании по высокоскоростному формованию углеродных порошковых композиций [19, 20]. Схема действия сил в прессующем устройстве показана на рис. 2.

Работает прессующий блок устройства следующим образом. В полость пресс-формы засыпается порошок и устанавливается пуансон. Высокоскоростное прессование начинается в результате воздействия пульсатора (показан стрелкой) на верхний пуансон. Пульсатор в свою очередь получает импульс энергии, равной 18кНм, от разрядки аккумулятора с высоким давлением жидкости. Предусмотрены как изменение импульсов энергии от 10 до 100 % от максимальной энергии, так и скорости перемещения пульсатора от 1 до 11 м/с. При работе в пульсирующем режиме формования минимальное время между импульсами составляет 450 мс.

Рис. 2. Схема действия сил в прессующем устройстве НУР35-18

Составы порошковых композиций, подвергнутых формованию при высоких энергиях формования и скоростях пуансона, приведены в табл. 1. В качестве наполнителя порошковых композиций используется «графит искусственный измельченный» по ТУ 1916-109-071-2009. В качестве связки используется порошковая фенол формальдегидная смола новолачного типа по ТУ 2257-005-05761778-2002, содержащая уротропин, марки СПФ-011А. Электролитический порошок меди марки ПМС-1 имеет насыпную плотность 1,25-2,00 г/см3. Добавка порошка кокса представляет собой нефтяной кокс марки КНТ. Стеарат цинка используется в качестве смазки.

Таблица 1

Составы порошковых композиций

Номер состава Графит, % Связка, % Медь, % Кокс, % Стеарат цинка, %

1 100 - - - -

2 86 14 - - -

3 76 14 10 - -

4 71 14 - 15 -

5 71 14 - 10 5

В результате формования из порошка графита (табл. 2) цилиндрических образцов при энергии формования 212-1892 Дж и скорости пуансона 1,10-3,29 м/с получили следующие результаты: образцы составов 1и 2 разрушились, образцы 3 и 4 имели дефекты. Из результатов эксперимента4, приведенных в табл. 2, видно, что увеличение энергии формования и скорости пуансона приводит к повышению плотности прессовок.

При формовании образцов из композиций графит+смола со значениями энергий и скоростей, указанных в табл. 3, дефектов обнаружено не было. При повышении энергии формования и скорости перемещения пуансона пресс- формы наблюдается устойчивая закономерность повышения плотности прессовок от 1,60 до 1,76 г/см3.

4 В экспериментах принимал участие Яров Б.А.

Таблица 2

Параметры формования образцов из порошка графита

Номер образца Энергия, Дж Скорость, м/с Диаметр образца, мм Высота, мм Плотность, г/см3

1 212 1,10 Образец разрушился

2 394 1,50 Образец разрушился

3 1450 2,88 51,2 12,24 1,63

4 1892 3,29 51,1 11,95 1,68

Таблица 3

Параметры формования образцов из композиции графит+смола

Номер образца Число образцов Энергия, Дж Скорость, м/с Диаметр образца, мм Высота, мм Плотность, г/см3

5 2 394 1,50 50,35 12,93 1,60

6 1 632 1,90 50,34 12,75 1,62

7 1 816 2,16 50,30 12,68 1,63

8 1 1008 2,40 50,26 12,38 1,68

9 1 1230 2,65 50,24 12,26 1,69

10 1 1450 2,88 50,18 12,15 1,72

11 1 1657 3,08 50,16 12,08 1,73

12 1 1892 3,29 50,15 11,99 1,74

13 2 2074 3,44 50,15 11,97 1,75

14 5 2247 3,58 50,14 11,84 1,76

Формование образцов из композиций графит+связка+медь со значениями энергий и скоростей, приведенных в табл. 4, трудностей не вызвало.

Таблица 4

Параметры формования образцов из композиции графит+смола + медь

Номер Число Энергия, Скорость, Диаметр Высота, Плотность,

образца образцов Дж м/с образца, мм мм г/см3

15 1 1450 2,88 50,13 7,97 2,62

16 1 1892 3,29 50,10 7,90 2,64

17 1 2074 3,44 50,08 7,87 2,66

18 3 2247 3,58 50,07 7,83 2,67

Частичная замена графита порошком кокса к положительным результатам не привела. Все девять образцов, полученных при энергиях формования 1892, 2074 и 2247 Дж и скоростях 3,29; 3,44 и 3,58 м/с, имели дефекты в виде микро- и макротрещин. Добавление в композицию смазки (стеарата цинка) не привело к устранению этих дефектов.

Наибольший интерес представляют результаты исследований по формованию образцов из композиции графит+смола, поскольку из этой композиции промышленные предприятия России и других стран производят большой объём графитопластовых изделий, в первую очередь электротехнического назначения. Из рис. 3 видно, что скорость формования изделий по сравнению с существующей технологией можно увеличить с 15^-30 мм/с до 3+3,5 м/с, т.е. в 10+20 раз.

Энергия формования при скорости 3+3,5 м/с и массе бойка в 350 кг равна 1600+2200 Дж. Попытки дальнейшего увеличения скорости формования приводили вначале к снижению плотности прессовок, а затем к их разрушению.

Таким образом, выполнение исследования показали, что оптимальными параметрами процесса высокоэнергетического формования, позволяющими на графитопластовых композициях достичь максимальной плотности прессовок, являются параметры скорости 3+3,5 м/с и энергий 1600+2200 Дж.

1.76 1,74 1,72 V 1.58 1.66 1,64 1,62 1,6 1,58

♦

♦

♦

♦

1.5

2,5 3

Скорость, м/с

3.5

Рис. 3. Зависимость плотности прессовок от скорости пуансона пресс-формы

Исследование формования углеродных композиций на устройстве фирмы Instron. Одна из ведущих в мире фирм по производству высокоскоростного испытательного оборудования американская фирма Instron Engineering Corp. была создана в 1946 году сотрудниками Массачусетского технологического института X. Хиндмэном и Дж. Барром.

В ЮУрГУ находится в эксплуатации испытательное высокоскоростное устройство этой фирмы марки CK4ST 9350. Общий вид устройства для высокоскоростных испытаний показан на рис. 4.

Рис. 4. Общий вид устройства марки СЕАБТ9350

1т1гоп ('/•.'. 1Л7: 9350 - современный универсальный электромеханический измерительный стенд-копер, предназначенный для выполнения широкого спектра высокоскоростных испытаний на удар как готовых изделий, так и образцов из различных материалов, в том числе и из порошковых. Стенд-копер позволяет проводить испытания в широком диапазоне скоростей ударника (от 0,77 до 24 м/с) и кинетических энергий нагружения изделий или образцов (от 0,59 до 1800 Дж) при массе ударника от 2 до 70 кг. Кроме того, как видно из рис. 4, в верхней своей части копер оснащен системами повышения скорости ударника до 24 м/с при массе ударника

2 кг и повышение скорости ударника до 7 м/с при массе ударника 70 кг. В нижней своей части копер оснащен температурной камерой для охлаждения и нагрева образцов в диапазоне температур от -100°С до 150°С.

Для выполнения исследований ударник снабжен сменным наконечником, содержащим тензодатчик, находящийся в контакте с системой регистрации измеряемых параметров. Все параметры, включающие скорость, энергию, высоту ударника, управляемые через программное обеспечение Visual Impact, не только собирают информацию, но и обрабатывают её. Результаты исследования могут быть представлены в виде графиков и таблиц.

Исследования выполнялись на пресс-форме5, позволяющей получать образцы диаметром 10 мм из порошковой композиции № 2 (см. табл. 1). В первой серии исследований масса ударника была равна 5,1 кг, скорость ударника изменялась в пределах от 1,0 до 4,6 м/с, энергия удара при этом изменялась от 2,5 до 54,4 Дж. Во второй серии исследований масса ударника изменялась от 5,1 до 26,6 кг, скорость ударника оставалась постоянной, равной 2,0 м/с при энергии удара в диапазоне от 12,8 до 36,1 Дж. Результаты исследований, приведенные выше в табл. 5, являются предварительными. Выполняется исследование по установлению оптимальных значений отношения MJMe. После завершения этих исследований будут сделаны практические выводы.

Таблица 5

Результаты компактирования порошков на основе графита на устройстве Instron СЕ AST 9350

№ Скорость ударника, v6, м/с Масса ударника, мб, кг Энергия удара, Еб, Дж Удельная энергия удара, F уд, Дж/г Диаметр образца dn, мм Высота образца К, мм Размерный коэффициент Vdn Масса прессовки Мп, г Массовый коэффициент, мп/мб, г/кг Плотность Рп, кг/м3

Первая серия опытов

1 1 2,5 - - - - - - -

2 1,2 3,7 2,18 10,2 17,1 1,676 1,70 0,3333 1266

3 1,4 5,0 3,15 10,3 15,2 1,476 1,62 0,3176 1263

4 1,6 6,6 3,87 10,25 15,65 1,527 1,70 0,3333 1316

5 1,8 8,3 5,21 10,3 16,0 1,553 1,62 0,3176 1200

6 2,2 12,5 7,78 10,25 15,45 1,507 1,62 0,3176 1255

7 2,6 5Д 17,4 12,42 10,25 13,3 1,298 1,42 0,2784 1276

8 3,0 23,2 15,43 10,3 13,8 1,340 1,50 0,2941 1305

9 3,4 29,7 17,49 10,25 15,0 1,463 1,68 0,3294 1373

10 3,8 37,1 22,65 10,25 14,0 1,366 1,63 0,3196 1420

11 4,2 45,4 28,90 10,3 13,45 1,306 1,58 0,3098 1402

12 4,4 49,8 31,72 10,25 13,0 1,268 1,58 0,3098 1464

13 4,6 54,4 34,45 10,25 12,9 1,259 1,58 0,3098 1485

Вторая серия опытов

14 2,0 6,1 12,8 7,97 10,3 14,7 1,427 1,6 0,2623 1307

15 2,0 8,6 16,8 10,85 10,3 13,8 1,340 1,55 0,1802 1349

16 2,0 11,6 21,2 12,40 10,25 14,9 1,454 1,71 0,1474 1392

17 2,0 14,6 24,4 15,35 10,3 13,6 1,320 1,59 0,1089 1404

18 2,0 18,6 28,7 18,13 10,2 13,0 1,257 1,58 0,0849 1488

19 2,0 20,6 31,9 19,81 10,25 13,2 1,288 1,61 0,0782 1479

20 2,0 22,6 34,1 21,34 10,25 13,0 1,268 1,60 0,0708 1492

21 2,0 24,6 31,8 19,76 10,25 12,9 1,259 1,61 0,0654 1513

22 2,0 25,6 35,9 22,05 10,2 13,0 1,275 1,63 0,0637 1535

23 2,0 26,6 36,1 22,39 10,25 13,0 1,268 1,61 0,0605 1502

Выводы

Исследования показали, что оптимальными параметрами процесса высокоэнергетического формования, позволяющими на графитопластовых композициях достичь максимальной плотности прессовок, являются параметры скорости 3-3,5 м/с и энергий 1600-2200 Дж. Необходимо дальнейшее изучение пресс-форм по установлению оптимальных значений отношения массы прессовки к массе ударника.

5 Исследования выполнили Иванов В.А. и Яров Б.А.

Список литературы

1. Skoglung, P. High density PMparts by high velocity compaction / P. Skoglung // Powder metallurgy. - 2001. -44(3).-P. 199-202.

2. Skoglung, P. HVC punches PM to new mass production limits / P. Skoglung //Met. Powder Rep. - 2002. -№57. - P. 26-30.

3. Azhdar, B. Development of a high velocity compaction process for polymer powders / B. Azhdar, B. Stenberg, L. Kari //Polymer Testing. - 2005. - 24. - P. 909-919.

4. Рогозин, В. Д. Высокоскоростное прессование и спекание порошков керамики YBa2Cu307 / В. Д. Рогозин, С.П. Писарев, Н.Н. Озеров // Известия ВолгГТУ. - 2011. - Т. 5, № 5. - С. 44-46.

5. Vogler, T.J. Static and dynamic compaction of ceramic powders / T.J. Vogler, Lee M Y., Grady D.E. // Solids and Structures. -2007. -vol. 44. - P. 636-658.

6. Рогозин, В. Д. Компактирование взрывом высокоплотных графитовых материалов / В.Д. Рогозин, С.П. Писарев // Физика и химия обработки материалов. - 2006. - № 6. - С. 57-60.

7. Edser, С. Hoganas promotes potential of high velocity compaction / C. Edser // Metal Powder Report 56. Publication of the Institute of Metals. - 2001. - P. 6.

8. Berglund, T. Tribological evaluation of die materials for high velocity compaction of stainless and stellite powders / T. Berglund, M Olsson // Metal Powder Report 57. Publication of the Institute of Metals. - 2002. - P. 10.

9. Wang, J.Z. High velocity compaction of electrolytic copper powder / J.Z. Wang, X.H. Qu, H.Y. Yin // The Chinese journal of nonferrous metals. - 2008. - V 18, issue 8. - P. 1498-1503.

10. Wang, J.Z. Effect of multiple impacts on high velocity pressed iron powder / J.Z. Wang, HQ. Yin, X.H. Qu // Powder Technology. - 2009. - V. 195, no. 3. - P. 184-189.

11. Wang, J.Z. High velocity compaction offerrous powder / J.Z. Wang, HQ. Yin, X.H. Qu // Powder Technology. -2009. - V 192. - P. 131-136.

12. Sourion, D. Comparison of conventional and HVC of alumina powders / D. Sourion, P. Goeuriot, O. Bonnefoy //Advances in Science and Technology. - http://www.scientific.net/AST.45.893.

13. Sethi, G. An overview of dynamic compaction in powder metallurgy // G. Sethi, N.S. Myers, R.M. German // International Materials Reviews. - 2008. - vol. 53, № 4. - P. 219-234.

14. Bayle, J.P. High velocity compaction: comparison with conventional compaction for new press development in hot cell pellet manufacturing / J.P. Bayle, F. Jorion // Procedia Chemistry. - 2012. - vol. l.—P. 43 1-443.

15. Yan, Z. High-velocity compaction of titanium powder and process characterization / Z. Yan, F. Chen, Y. Cai //Powder Technology. - 2011. - vol. 203. - P. l^t.

16. Ming, S. Experimental study on warm powder high velocity compaction /S. Ming, G. Hangjian, X. Zhiyu // J. of Mechanical Engineering. -2013.-vol. 49, no. 18.-P. 46-51.

17. Yan, Z. Preparation and properties ofTi alloy by high-velocity compaction / Z. Yan, F. Chen, Y. Cai // Powder Technology. - 2013. - vol. 246. - P. 345-350.

18. Li, H. High velocity compaction of Си composite powder / H. Li, H. Yin, D.F. Khan // Materials and Design. - 2014. - vol. 57. - P. 546-550.

19. Самодурова, M.H. Статическое и высокоэнергетическое формование углеродных порошковых композиций / М.Н. Самодурова, J1.A. Барков, В.А. Иванов и др. // Металлург. - 2001. - № 11. - С. 87-91.

20. Самодурова, М.Н. Высокоэнергетическая обработка монолитных и порошковых материалов давлением / М.Н. Самодурова, J1.A. Барков, В.А. Иванов и др. // Металлург. - 2013. - № 4. - С. 88-93.