Моделирование технологии изготовления высокоплотной меди из пористой волокновой заготовки

УДК 621.762.4

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОПЛОТНОЙ МЕДИ ИЗ ПОРИСТОЙ ВОЛОКНОВОЙ

ЗАГОТОВКИ

Л. А. Рябичева

Выполнено моделирование горячего выдавливания пористой волокновой заготовки и проверено в экспериментальных условиях. Установлен оптимальный коэффициент вытяжки, при котором обеспечивается полная консолидация волокон и наилучшие физико-механические свойства. Показано улучшение качества изделий в результате применения компенсатора на заготовке. Получены зависимости для определения размеров компенсатора.

Ключевые слова: волокновая пористая заготовка, выдавливание, коэффициент вытяжки, компенсатор, физико-механические свойства.

Методами порошковой металлургии и обработки давлением разработаны технологии утилизации отходов медных проводников тока в порошок и высокоплотную заготовку. Исследования показали возможность получения высокоплотной меди путем совмещения операций горячего и холодного деформирования [1]. В работе [2] описана технология получения медной заготовки с плотностью 8,9 г/см3 и механическими свойствами удовлетворяющими требования ГОСТ 859-2001 на литую медь. Однако предложенная технология не позволяла получить конечный продукт в виде прутков, которые могут быть использованы в качестве заготовок под последующую обработку.

Целью работы являются выполнение моделирования выдавливания пористой медной заготовки и разработка технологии изготовления высокоплотного медного прутка с механическими свойствами, удовлетворяющими требования ГОСТ 859-2001.

Для моделирования горячего выдавливания пористой заготовки использовали метод конечных элементов (МКЭ)[3]. Заготовку рассматривали в виде пористого осесимметричного тела, спрессованного из волокон меди диаметром 0,4...1,3 мм и длиной 1...10 мм, плотностью 8,62 г/см . Твердая фаза пористого тела описывалась математической моделью упругопласти-ческого материала с термомеханическим упрочнением, свойства которого изменяются под влиянием температуры, степени и скорости деформации, а плотность возрастает [4]:

П

где к, (,) - функция температурного упрочнения; ке (е) - функция деформационного упрочнения; к^ (е) - функция скоростного упрочнения.

Изменение относительной плотности в у -м узле на к -м шаге расчета подчиняется зависимости [3, 4]

8 , , +1 X аРо/

к Л+1 у=1 Л+1 _к . АЛ+1

АРаг =--8-' Р°' =Р°' +ЛР°' '

к+1 к к где и7 , и7 - скорость у -го узла в начале и конце шага расчета; рОу - относительная плотность в начале шага расчета; Ар О/1"1 = р^Уё (ик+1 - ик) -

приращение плотности в у -м узле на к -м шаге; Уа - скорость деформирования.

При расчете определялись параметры напряженно-деформированного состояния и плотность. Использование выражений (2) обеспечивало постоянство массы заготовки при выполнении условий сходимости МКЭ.

Коэффициент вытяжки определяли по выражению

В 2

1 =

а2

где В - начальный диаметр волокновой прессовки; а - диаметр прутка после выдавливания.

В расчетах коэффициент вытяжки 1 принимали равным 3,6, 7,3 и

16,8.

Распределение гидростатического давления по сечению заготовки зависит от коэффициента вытяжки (рис. 1, а). Чем больше 1, тем больше гидростатическое давление. Рост гидростатического давления влияет на консолидацию волокон. Существование градиента дополнительных напряжений, растягивающих у стенок матрицы и сжимающих во внутренних слоях металла, приводит к сложному характеру изменения гидростатического давления по сечению заготовки. Очевидно, максимальная точка при г =2 - 4 мм соответствует началу образования утяжины на заготовке. Наличие растягивающих деформаций в центральной части заготовки создает большую величину интенсивности деформаций, причиной уменьшения которой к стенкам матрицы является трение (рис. 1, б).

При малом коэффициенте вытяжки 1 = 3,6 плотность изменяется крайне неравномерно и достигает плотности компактного материала только в слоях металлах, расположенных у стенок матрицы (рис. 2). При 1 = 16,8 плотность составляет 8,92...8,94 г/см3 и достигает плотности компактного материала. Оценка прочности полученного материала выполнена путем сравнения интенсивности касательных напряжений с критическим напряжением сдвига тКр, определяемым по формуле

V

где О - предел текучести материала при данных температурно-скоростных условиях.

Рис. 1. Гидростатическое давление (а) и интенсивность деформаций (б) в очаге деформации: 1 - 1 = 3,6; 2 - 1 = 7,3; 3 - 1 = 16,8

С ростом коэффициента вытяжки интенсивность касательных напряжений увеличивается (рис. 3). Однако только при коэффициенте вытяжки 1 = 16,8 получена прочность материала выше теоретической, которая по всему сечению прутка имеет практически постоянную величину.

т,МПа

80

60'

40

20,

3

4

1

10 г,мм

Рис. 2. Распределение плотности

по сечению медного прутка: 1 - 1 = 3,6; 2 - 1= 7,3; 3 - 1 = 16,8

Рис. 3. Интенсивность касательных напряжений: 1 - 1 = 3,6; 2 - 1 = 7,3; 3 - 1 = 16,8; 4 - ткр

Основным недостатком выдавливания волокновой пористой заготовки является появление утяжины в виде глубокого конусообразного кратера. Причем с увеличением коэффициента вытяжки глубина утяжины увеличивается. Основной причиной образования утяжины является градиент скорости перемещения периферийных и центральных слоев металла в очаге деформации.

Для устранения утяжины использована выпукло-вогнутая заготовка с компенсатором (рис. 4). Как показали расчеты, применение компенсатора не увеличивает гидростатическое давление(рис. 5). На кривых не

наблюдаются точки перегиба, которые соответствовали началу образования утяжины[5]. Распределение гидростатического давление по сечению прутка более равномерное. Очевидно, что на величину интенсивности касательных напряжений наличие компенсатора влияние не оказало.

1200

1000

800

600

400

200.

-2

.1

10 г,мм

Рис. 4. Эскиз осевого сечения заготовки с компенсатором

Рис. 5. Гидростатическое давление в очаге деформации при наличии компенсатора: 1 - 1 = 3,6; 2 -1=7,3; 3 - 1=16,8

В результате обработки расчетных данных получены следующие эмпирические формулы для определения размеров компенсатора:

Ну = £1Н, й1 = 0,75й, гу =

где X - коэффициент неравномерности деформации (для меди X = 0,010...0,025); й, Н - диаметр и высота заготовки; Ну, гу - диаметр, высота и радиус сферы компенсатора.

Выдавливание производили на винтовом прессе в обогреваемом штампе. Предварительно на прессовку наносили смазку, состоящую из графита и машинного масла. Прессовку нагревали в среде синтез-газа до температуры 920 0С, выдерживали 900 с. Выдавливание выполнялось с коэффициентами вытяжки 3,6; 7,3; 16,8. На рис. 6, а показана исходная во-локновая прессовка с плотностью 8,62 г/см , имеющая компенсатор для устранения утяжины и вогнутость. На рис. 6, б показан конечный продукт - пруток, полученный из волокнового материала, его плотность 9,2 г/см .

Микроструктура средней части прутков, полученных при коэффициенте вытяжки 16,8, плотная без дефектов. В структуре прутков, полученных выдавливанием с более низкими коэффициентами вытяжки, несмотря на высокую плотность, сохраняются границы раздела между отдельными волокнами. Наблюдается текстура деформации.

Механические свойства изучали испытанием на растяжение. После деформирования при 1 = 16,8 предел прочности у меди достигает 500 МПа, предел текучести - 380 МПа. Относительное удлинение 8,2 %,

относительное сужение 51 %, твердость 108 НВ. Отжиг снижает прочностные свойства меди. Пластичность после отжига увеличивается незначительно. Уровень свойств меди, полученной выдавливанием волокновых прессовок при температуре 920 оС и коэффициенте вытяжки 1 = 16,8, соответствует свойствам меди марки М1 и требованиям стандарта на прутковую медь.

Рис. 6. Волокновая заготовка с компенсатором

Таким образом, выполнено компьютерное моделирование выдавливания волокновой заготовки с целью получения высокоплотного прочного медного материала. Изучено распределение гидростатического давления и плотности по сечению заготовки. Установлена оптимальная величина коэффициента вытяжки, при которой обеспечивается полная консолидация волокон. Показано, что увеличение гидростатического давления способствует полной консолидации волокон в пористой прессованной заготовке. Показано улучшение качества изделий в результате применения компенсатора на верхнем торце заготовки. Получены зависимости для определения размеров компенсатора при выдавливании пористых волокновых заготовок. Предложена технология получения медного прутка из отходов проводников тока, у которого механические свойства соответствуют свойствам литой меди.

Список литературы

1. Рябичева Л.А., Цыркин А.Т., Скляр А.П. Технология и свойства меди, полученной из волокон // Порошковая металлургия. 2008. №1. С. 50 - 56.

2. Рябичева Л.А., Скляр А.П. Экспериментальное исследование прямого выдавливания медной волокновой прессовки // Вюн. Схщноукр. нащон. ун-ту. 2008. № 3. Ч.2. С. 39 - 43.

176

3. Ryabicheva L., Usatyuk D. Numerical Simulation and Forecasting of Mechanical Properties for Multi-Component Nonferrous Dispersion-Hardened Powder Materials // Materials Science Forum. 2007. V. 534-536. Р. 397 -400.

4. Ryabicheva L.A., Usatyuk D.A. Using of finite element method and Lyapunov's functions for investigation of hot forging // MTM'06 International Industrial Conference Proceedings, Sofia, Bulgaria, 2006. Р. 67 -70.

5. Thomsen E.G., Yang C.T., Kobayashi S. Mechanics of plastic deformation in metal processing. New York: The Macmillan company. 1967. 504 p.

Рябичева Людмила Александровна, д-р техн. наук, зав. кафедрой, ryabic@,gmail. com, Украина, Луганск, Луганский национальный университет им. В. Даля

MODELLING OF MANUFACTURING TECHNIQUES OF HIGH DENSITY COPPER FROM POROUS VOLOKNOVY PREPARATION

L.A. Ryabicheva

In this paper was conducted modelling and experimental validation of hot extrusion ofporous fibrous billet. The optimalreduction ratio established to ensure full consolidation of fibers and superior physico-mechanical properties. It is shown clearly the improvement in quality of details as the result of implementation of compensator. The dependences for determination of the deforming force and dimensions of compensator were obtained.

Key words: voloknovy porous preparation, expression, extract coefficient, compensator, physicomechanical properties.

Ryabicheva Ludmila Aleksandrovna, doctor of technical sciences, professor, head of chair, ryabic@,gmail. com, Ukraine, Lugansk, Vladimir Dalh Lugansk National University