Математическое описание электроконтактного уплотнения шихты на основе алюминиевого порошка

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Научная статья УДК 621.762

http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-63-67

Математическое описание электроконтактного уплотнения шихты на основе алюминиевого порошка

Р.А. Егоров, С.Н. Егоров

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия

Аннотация. Цель работы - исследовать уплотняемость алюмомедной шихты в условиях электроконтактного уплотнения и показать возможность формирования сплавов системы Al - Cu с остаточной пористостью 1-3 %. Методом математического планирования экспериментов составлено уравнение регрессии на основном уровне, определенном на основании литературных источников. Определено влияние технологических параметров электроконтактного уплотнения на пористость формируемого порошкового сплава. Методом крутого восхождения установлены значения давления прессования, плотности и длительности пропускания электрического тока, обеспечивающие формирование порошковых алюмомедных сплавов с остаточной пористостью 1-3 %.

Ключевые слова: электроконтактное уплотнение, пористость, уравнение регрессии, крутое восхождение

Для цитирования: Егоров Р.А., Егоров С.Н. Математическое описание электроконтактного уплотнения шихты на основе алюминиевого порошка // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2024. № 1. С. 63-67. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-63-67.

Original article

Mathematical description of electrocontact charge compaction

based on aluminum powder

R.A. Egorov, S.N. Egorov

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia

Abstract. The purpose of the work is to investigate the compactness of the aluminum-copper charge under conditions of electrical contact seal and to show the possibility of forming alloys of the Al - Cu system with a residual porosity of 1-3 %. By the method of mathematical planning of experiments, a regression equation was compiled at the basic level determined on the basis of literary sources. The influence of the technological parameters of the electrical contact seal on the porosity of the formed powder alloy is determined. By the method of steep ascent, the values of pressing pressure, density and duration of electric current transmission were established, ensuring the formation of powdered aluminum-copper alloys with a residual porosity of 1-3 %.

Keywords: electrical contact seal, porosity, regression equation, steep ascent

For citation: Egorov R.A., Egorov S.N. Mathematical description of electrocontact charge compaction based on aluminum powder. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2024;(1):63-67. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-63-67.

© ЮРГПУ (НПИ), 2024

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Введение

В последние годы проявляется повышенный интерес к порошковым материалам на основе алюминия, широко применяемым в авиакосмической, автомобильной, строительной, электрической, электронной отраслях и в области механического оборудования, в основном, для высокоточных установок. Порошковые материалы на основе алюминия относятся к классу дисперсноупрочненных материалов, функциональные свойства которых варьируются в широких пределах благодаря комбинации свойств матричной фазы и размера, формы и содержания наполнителя. Большинство промышленных сплавов на основе системы Al-Cu содержат от 2 до 10 % меди, что обеспечивает достаточно высокий уровень механических свойств. При меньшей концентрации меди эффект твердофазного упрочнения незначителен, повышение содержания меди более 10 % увеличивает эвтектическую составляющую, вызывающую снижение пластичности, свариваемости и коррозионной стойкости.

Тенденция развития порошковых сплавов на основе алюминия состоит в применении новых ультрадисперсных добавок и совершенствовании технологий их получения, к которым относится электроконтактная обработка [1 - 5]. В настоящей работе изучалась стадия уплотнения при формировании алюмомедной композиции методом электроконтактного уплотнения, сочетающим кратковременное механическое и электрическое воздействие на уплотняемую шихту [6]. Достоинством данной технологии является возможность получения высокоплотного порошкового материала (остаточная пористость 1-3 %) за одну технологическую операцию.

Целью работы является математическое описание процесса уплотнения алюмомедной шихты в условиях электроконтактного уплотнения и определение технологических режимов процесса, обеспечивающих достижение остаточной пористости в интервале 1-3 %.

Постановка задачи. Для расширения номенклатуры порошковых материалов, получаемых электроконтактным уплотнением, необходимо рассмотреть возможности технологической подготовки производства, основанной на математическом описании консолидации алюмомедной шихты. При этом упрощается

решение задачи назначения технологических режимов процесса, обеспечивающих заданную степень уплотнения.

Материалы и методы исследования

В работе использовался алюминиевый порошок ПА-4 ГОСТ 6058-2022 и медный порошок ПМС-1 ГОСТ4960-2009. Шихта содержала 96 % алюминия и 4 % меди.

Смешивание проводили в шаровой планетарной мельнице САНД-1 при диаметре шаров и соотношении массы шаров к массе шихты 10:1. Для устранения окисления и газонасыщения в процессе смешивания по рекомендации [7] использовали борную кислоту в количестве 6 % от массы шихты.

Для расчетов навески шихты и пористости прессовок использовали значение аддитивной плотности порошкового материала в беспористом состоянии, которое составляло 2,77 г/см3. Плотность прессовок определяли согласно ГОСТ 25281-82.

Формирование порошкового материала проводилось на лабораторной установке электроконтактного уплотнения (рис. 1).

Рис. 1. Схема лабораторной установки электроконтактного уплотнения

Fig. 1. Diagram of the laboratory installation of an electrical contact seal

Лабораторная установка состоит из гидравлической и электрической частей. Гидравлическая составляющая включает в себя бак 1 с рабочей жидкостью, клапан 2, гидронасос 3, распределитель с ручным управлением 4, манометр 6, рукава высокого давления 5 и гидроцилиндр 8. Электрическая часть состоит из источника электрического тока 12, медных электродов 10, служащих для передачи электрической

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

энергии пуансонам 17, пресс-формы 14, состоящей из диэлектрической матрицы, разъемной и фиксирующей обоймы, содержащей предварительно засыпанную навеску шихты 15, помещенную в рабочую камеру 13, продуваемую аргоном. Герметичность камеры обеспечивалась резиновыми уплотнениями 16.

Диэлектрические пластины 9 и заземляющий кабель 7 служат для предотвращения появления на корпусе лабораторной установки поражающего напряжения. Редуктор 18 предназначен для контроля подачи аргона. Амперметр 11 служит для контроля силы тока, подаваемого от источника к электродам.

Результаты исследования

Совмещение механического и электрического воздействий на порошковую шихту является основой электроконтактного уплотнения. Поэтому одним из важнейших направлений развития метода является определение степени влияния технологических параметров (плотность, длительность пропускания электрического тока, давление прессования) на процесс формирования порошкового материала, что позволит в дальнейшем получать материалы с заданной структурой и функциональными свойствами. Для формализации процесса уплотнения и сокращения числа экспериментов применяли метод математического планирования эксперимента [8 - 12].

В соответствии с методикой математического планирования для рассматриваемых технологических параметров определены интервалы варьирования факторов, значения которых на основном, верхнем и нижнем уровнях представлены в табл. 1. Численные значения основного уровня определены в результате предварительных экспериментов и данных работ [13 - 15].

Таблица 1 Table 1

Условия проведения эксперимента Conditions of the experiment

В качестве критерия оптимизации выбрали пористость материала, величину которой определяли методом гидростатического взвешивания.

Была проведена серия опытов на основном уровне, которая использовалась для определения дисперсии экспериментов:

n

Sl]2= nrr - y;)2=17a0-5.

и—1

В ходе работы была реализована матрица полного факторного эксперимента 23, результаты которого представлены в табл. 2. Для исключения систематических ошибок порядок проведения экспериментов назначали с использованием таблицы случайных чисел.

Таблица 2 Table 2

Результаты реализации полного факторного

эксперимента Results of the implementation of the full factor _experiment_

Порядок реализации Параметры варьирования Пористость

Х0 Х1 Х2 Х3 Х1Х2 Х1Х3 Х2Х3 Х1Х2Х3

7 + + + + + + + + 0,045

4 + - + + - - + - 0,08

1 + + - + - + - - 0,035

3 + - - + - - - + 0,15

6 + + + - + - - - 0,04

5 + - + - - + - + 0,1

2 + + - - - + + + 0,09

8 + - - - + + + - 0,19

Результаты расчета коэффициентов уравнения регрессии приведены в табл. 3.

Таблица 3 Table 3

Коэффициенты уравнения регрессии Coefficients of the regression equation

B0 B1 B2 B3 B1,2 В1,3 В2,3 В1,2,3

0,094 -0,046 -0,03 -0,02 - 0 + 0

По полученным данным составлено уравнение регрессии, которое имеет следующий вид: 7 = 0,094-0,046X1-0, 03X2-0 ,02X3-0 ,022X1X2 -

- 0,0006X1X3+0,0092X2X3+0,0043X1X2X3.

Расчет доверительных интервалов коэффициентов регрессии при уровне значимости а = 0,05 проводился по критерию Стьюдента:

Д В, = ^ Ч/^)0,5,

где ta,N - критерий Стьюдента, при уровне значимости 0,05 и числе степеней свободы, равное трём, = 2,353; Д В, = 2,353 (17 10"5/8)0-5 = 0,01.

Факторы Параметры варьирования

Плотность тока, МА/м 2 Длительность пропускания тока, с Давление прессования, МПа

Код Х! Х2 Хз

Основной уровень 24 30 210

Интервал варьирования 4 10 70

Верхний уровень (+1) 28 40 280

Нижний уровень (-1) 20 20 140

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Согласно теории математического планирования эксперимента, коэффициент кода в уравнении регрессии считается значимым, если его абсолютная величина больше доверительного интервала. В результате уравнение регрессии имеет вид

Y = 0,094 - 0,046Xi- 0,03X2 - 0,02Хз - 0,022X1X2.

Проверка адекватности моделей по критерию Фишера показала, что гипотеза об адекватности уравнения регрессии не отвергается. Полученное уравнение регрессии описывает процесс уплотнения алюмомедной шихты при электроконтактном уплотнении.

Для оптимизации процесса электроконтактной деформации методом крутого восхождения по поверхности отклика назначаем шаг движения по градиенту для фактора с максимальным коэффициентом регрессии, равный 4МА/м2. Шаги для остальных факторов и результаты крутого восхождения показаны в табл. 4.

Таблица 4 Table 4

План и результаты крутого восхождения

Plan and results of the steep ascent

Плотность Длительность Давление Пористость

Шаги тока, пропускания прессования, сплава

МA/м2 тока, с МПа Ai+4%Cu,%

1 24 30 210 0,10

2 28 36 240 0,08

3 32 42 270 0,02

4 36 48 310 0,03

В результате движения по поверхности отклика получено требуемое значение параметра оптимизации, достигаемое при следующих режимах ЭКУ: плотность тока 32 МА/м2, длительность пропускания тока 42 с, давление прессования 270 МПа.

Таким образом, применение метода математического планирования экспериментов позволило получить уравнение регрессии, описывающее уплотнение алюмомедной шихты в условиях электроконтактного уплотнения, и установить технологические параметры рассматриваемого процесса уплотнения, обеспечивающие получение материала с остаточной пористостью в интервале 1-3 %.

Список источников

1. Vorozhtsov S., Promakhov V., Zhukov I., Vorozhtsov A., Averin A., Kvetinskaya A. Shock-wave synthesis and properties of MMC reinforced with AI2O3, AlN and AIB2 (nano) particles // Energetic Materials. Performance, Safety and System Applications: proceedings of the 46th International Annual Conference of the Fraunhofer ICT.

Karlsruhe, Germany, June 23-26, 2015. - Karlsruhe, Germany, 2015. P. 76-1-76-8.

2. Жуков И.А. [и др.] Особенности механических характеристик композитов Al-Al2O3, полученных взрывов, при ударно-волновом деформировании / И.А. Жуков, Г.В. Гаркушин, С.А. Ворожцов,

A.П. Хрусталев, С.В. Разоренов, А.В. Кветинская,

B.В. Промахов, А.С. Жуков // Изв. вузов. Физика. 2015. Т. 58, № 9. С. 141-144.

3. Миронов В.В., Агуреев Л.Е., Еремеева Ж.В., Костиков В.И. Зависимость прочностных свойств алюминиевых материалов от концентрации нано частиц ZrO2. // Физическая химия. Докл. академии наук. 2019. Т. 485, № 6. C. 704-707.

4. Романов Г.Н. Жидкофазное спекание порошковых сплавов на основе алюминия. // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2009. № 4. C. 20-24.

5. Sastry K.Y.; Froyen L., Vleugels J., Van der Biest O., Schattevoy R., Hennicke J. Mechanical Milling and Field Assisted Sintering Consolidation of Nanocrys-talline Al-Si-Fe-X Alloy Powder // Reviews on Advanced Materials Science 8 (2004). P. 34-40.

6. Егоров С.Н., Медведев Ю.Ю., Егоров М.С., Егорова И. Ф. Способ изготовления изделий из шихты на основе порошка. Патент РФ №2210460.

7. Котиева Л.У., Иевлева Н.М., Шляпин С.Д. [и др.] Технология получения композиционного материала системы Al-Al2O3-B2O3 // Цв. металлургия. 1983. № 5. С. 25-28.

8. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента: учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1983. 248 с.

9. Лысенко С.Н., Дмитриева И.А. Общая теория статистики: учебное пособие. М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. 208 c.

10. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.

11. Булинский А.В., Ширяев А.Н. Теория случайных процессов. М.: Физматлит, 2005. 408 с.

12. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Академия, 2007. 576 с.

13. Егоров С.Н., Медведев Ю.Ю. Получение высокоплотного порошкового материала методом электропластического уплотнения // Современные технологии и материаловедение: сб. науч. тр. / Магнитогорск. техн. ун-т им. Г.И. Носова. Магнитогорск: МГТУ, 2003. С. 99-102.

14. Егоров С.Н., Мецлер А.А. Исследование технологических параметров процесса ЭПУ при получении высокоплотных порошковых изделий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. Спецвып.: Композиционные и порошковые материалы. С. 101-104.

15. Egorov S.N., Litvinova T.A. Powder steel formation under conditions of electroccontact compaction // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2009. Vol. 50 (5). P. 522-524.

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

References

1. Vorozhtsov S., Promakhov V, Zhukov I., Vorozhtsov A., Averin A., Kvetinskaya A. Shock-wave synthesis and properties of MMC reinforced with AI2O3, AlN and AIB2 (nano) particles. Energetic Materials. Performance, Safety and System Applications: proceedings of the 46th International Annual Conference of the Fraunhofer ICT. Karlsruhe, Germany, June 23-26, 2015. Karlsruhe, Germany, 2015. Pp. 76-1-76-8.

2. Zhukov I.A., Garkushin G.V., Vorozhtsov S.A., Khrustalev A.P., Razorenov S.V., Kvetinskaya A.V., Promakhov V.V., Zhukov A.S. Features of mechanical characteristics of Al-Al2O3 composites produced by explosions during shock-wave deformation. News of higher educational institutions. Physics. 2015;58

3. Mironov V.V., Agureev L.E., Eremeeva Zh.V, Kostikov V.I. Dependence of strength properties of aluminum materials on the concentration of nano particles Z1O2. Physical Chemistry. Reports of the Academy of Sciences. 2019; 485

4. Romanov G.N. Liquid-phase sintering of powder alloys based on aluminum. Powder metallurgy and functional coatings. 2009;

5. Sastry K. Y., Froyen L., Vleugels J., Van der Biest O., Schattevoy R., Hennicke J. Mechanical Milling and Field Assisted Sintering Consolidation of Nanocrystalline Al-Si-Fe-X Alloy Powder. Reviews on Advanced Materials Science. 2004;(8):34-40.

6. Egorov S.N., Medvedev Yu.Yu., Egorov M.S., Egorova I.F. Method of manufacturing products from a powder-based charge. Patent RF, no. 2210460.

7. Kotieva L.U., Ievleva N.M., Shlyapin S.D. et al. Technology for obtaining composite material of the Al-A^O3-B2O3 system. Non-ferrous metallurgy. 1983;

8. Asaturyan V.I. Theory of experiment planning. Study guide for universities. Moscow: Radio and Communication. 1983. 248 p.

9. Lysenko S.N, Dmitrieva I.A. General theory of statistics: Study guide. Moscow: PH FORUM, Research Center INFA-M. 2013. 208 p.

10. Spiridonov A.A. N. Planning of an experiment in the study of technological processes. Moscow: Mechanical engineering. 1981. 184 p.

11. Bulinsky A.V, Shiryaev A.N. Theory of random processes. Moscow: FIZMATLIT. 2005. 408 p.

12. Wentzel E.S. Probability theory. Moscow: Academy. 2007. 576 p.

13. Egorov S.N., Medvedev Yu.Yu. Obtaining high-density powder material by electroplastic compaction. Modern technologies and materials science: collection of scientific papers. Magnitogorsk Technical University named after G.I. Nosov. Magnitogorsk: MSTU. 2003. Pp. 99-102.

14. Egorov S.N., Metsler A.A. Investigation of technological parameters of the EPC process in the production of high-density powder products. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2005. Special Issue: Composite and powder materials. Pp. 101-104.

15. Egorov S.N., Litvinova T.A. Powder steel formation under conditions of electrocontact compaction. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2009;50

Сведения об авторах

Егоров Роман Александровичя- аспирант, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», e.r.a-09@mail.ru

Егоров Сергей Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», yegorov50@mail.ru

Information about the authors

Roman A. Egorov - Post-Graduate Student, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», e.r.a-09@mail.ru

Sergey N. Egorov - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», yegorov50@mail.ru

Статья поступила в редакцию / the article was submitted 28.11.2023; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 11.12.2023; принята к публикации / acceptedfor publication 25.12.2023.