СПОСОБ БРИКЕТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ
METAL CHIP BRIQUETTING PROCESS

Изобретение относится к области брикетирования металлической стружки и может быть использовано при изготовлении брикетов для дальнейшей переработки, например, ковкой или электрошлаковым (ЭШП) переплавом.
Известны способы брикетирования металлической стружки с использованием пропускания электрического тока через брикетируемый материал.
2
Например, в способе [1] используется воздействие импульсным током плотностью до 2000 кА/см, продолжительностью от 2 до 20 мкс. К недостаткам этого способа следует отнести значительный локальный перегрев материала, обусловленный высокой плотностью тока, приводящий к образованию микродефектов в виде сквозных отверстий, что ухудшает механические характеристики получаемого брикета.
2
2
В способе [2] используется суперпозиция постоянного тока плотностью 0,4 кА/см и переменного тока плотностью 0,1 кА/см, частотой 2 кГц в течение 60 с. Недостатком способа является высокая остаточная пористость (до 15-20)%, вызванная недостаточной интенсивностью подвода энергии.
2
В качестве прототипа принят способ брикетирования, включающий измельчение стружки, ее прессование, печное и электроразрядное спекание (ЭРС) путем пропускания через материал брикета постоянного электрического тока плотностью 2-3 кА/см в течение 20 - 30 с при одновременном воздействии сжимающего давления 200-300 МПа [3].
К недостаткам прототипа относятся: большой расход энергии 1500-2000 кДж/кг и 7500-8000 кДж/кг для брикетов из стальной и титановой стружки соответственно и низкая величина прочностных характеристик.
Техническим результатом изобретения является разработка способа брикетирования металлической стружки, обеспечивающего снижение энергозатрат и повышение прочностных характеристик материала.
Технический результат достигается за счет того, что в способе брикетирования металлической стружки, включающем измельчение стружки, ее прессование и электроразрядное спекание с одновременным воздействием сжимающего давления, согласно изобретению сжимающее давление при прессовании варьируют от 0,06 до 0,15 предела прочности исходного брикетируемого материала, количество импульсов варьируют от 2 до 8, продолжительность одного импульса от 0,5 до 2 с, продолжительность промежутка между двумя отдельными импульсами от 0,2 до 1 продолжительности импульса, при этом суммарная продолжительность импульсов составляет от 1 до 16 с, а удельную энергию, подведенную при электроразрядном спекании, определяют по формуле
yд
пл
E=к·T.·C,
где к - коффициент, выбранный в пределах от 0,6 до 0,95;
пл
Т - температура плавления металла, К;
С - удельная теплоемкость, кДж/(кг·К).
В частности, суммарная энергия для сплавов на основе железа и титана варьируется в пределах 430-690 кДж/кг и 590-940 кДж/кг, соответственно.
В основе изобретения лежит использование неравномерности распределения температур по объему пористого материала при пропускании через него импульсного электрического тока. Наибольшая плотность тока и, соответственно, количество выделяемой энергии приходится на границы пор. В частности, для пор шаровой формы удельное выделение энергии, согласно теоретическим расчетам, в 4 раза превышает среднее по объему брикета. Нагрев способствует повышению уплотняемости брикета за счет снижения прочностных характеристик материала и повышения пластических характеристик.
Наличие сжимающего давления приводит к интенсивной деформации материала по границам пор, к увеличению площади контакта между частицами, повышению прочности и плотности материала брикетов, что очень важно при его дальнейшей переплавке.
Авторами предлагаемого технического решения установлен оптимальный диапазон сжимающего давления. Использование давления ниже 0,06 от предела прочности не приводит к заметной деформации материала. Использование давления свыше 0,15 от предела прочности приводит к неравномерной деформации, появлению трещин и снижению прочностных характеристик.
Воздействие импульсного электрического тока снижает суммарную потребляемую величину энергии на переплав брикета.
Использование импульса продолжительностью больше 2 секунд приводит к перераспределению тепла по всему объему материала и делает менее эффективным нагрев границ пор.
Использование импульса продолжительностью менее 0,5 секунд недостаточно для нагрева границ пор до температуры пластической деформации.
пл
Подвод энергии менее 0,6Т·С приводит к недостаточному нагреву граничных областей фрагментов стружечных металлических отходов (СМО).
пл
Подвод энергии свыше 0,95Т·С вызывает появление расслойных трещин вследствие неравномерности деформации металла и приводит к снижению прочностных характеристик и к перерасходу энергии.
Количество импульсов менее 2 неэффективно и недостаточно для повышения прочностных характеристик материала.
Использование более 8 импульсов приводит к перерасходу энергии и к снижению прочностных характеристик из-за образования микротрещин.
Промежуток между импульсами меньше 0,2 длительности импульса вызывает перегрев образца и перерасход энергии.
Промежуток между импульсами, превышающий длительность одного импульса, не обеспечивает нагрева границ между фрагментами частиц до температуры пластической деформации из-за рассеяния энергии в окружающее пространство.
Ниже приведены примеры реализации предлагаемого способа брикетирования металлической стружки.
Были исследованы образцы размером 55×10×10 мм, объемом 5,5 см из измельченных до размера меньше 3 мм фрагментов СМО трех составов из Ст3 ГОСТ 380, меди М2 ГОСТ 855 и титана ВТ1-2 ГОСТ 1987.
Измельченные фрагменты СМО были спрессованы при давлении 600 МПа, 300 МПа и 500 МПа, соответственно, и спечены при температуре 1000°C в диссоциированном аммиаке (сталь и медь) и в вакууме 0,133 Па (титан).
Определены основные характеристики материала брикетов: плотность по ГОСТ 18898, прочность по ГОСТ 1497, удельное электросопротивление (в соответствии с аттестованной методикой МВИ №26107.17.038/2009).
Напряжение, необходимое для подвода соответствующего количества энергии, рассчитывалось по формуле:
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mi>ι</mi><mi>s</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mo>⋅</mo><mi>v</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
, где:
U - напряжение, В,
уд
Е - удельная энергия, кДж/кг,
ρ - удельное сопротивление, Ом-м,
ι - длина образца, м,
2
s - площадь поперечного сечения образца, м,
3
d - плотность образца, кг /м,
v - объем образца, м,
n - количество импульсов, шт,
τ - продолжительность одного импульса, с.
Исходные данные для подсчета по формуле приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты примеров реализации изобретения приведены в таблицах №2,3,4.
№
Материал
Исходные компоненты
Брикет
п/п
теплоемкость, кДж /(кг·К)
температура плавления, К
прочность, МПа
плотность, кг/м<sup>3</sup>
удельное сопротивление, мкОм·м
1
CT3 ГОСТ 380
0,473
1808
360
6400
0,36
2
Медь М2 ГОСТ 859
0,389
1356
160
7300
0,056
3
Титан ВТ1-2 ГОСТ 19807
0,595
1933
340
3700
1,66
Таблица 2
Пример реализации изобретения (Ст 3 ГОСТ 380)
Характерные признаки способа и полученные результаты
Предлагаемый способ
Сравнение с прототипом
нижнее значение
среднее значение
верхнее значение
Характерные признаки способа
Удельная энергия
кДж/кг
513
662
812
2400
Коэффициент варьирования удельной энергии
-
0,6
0,78
0,95
-
Подаваемое напряжение
В
1,89
0.88
0,59
0,82
Сжимающее давление
МПа
22
38
55
250
Количество импульсов
шт.
2
5
8
1
Продолжительность одного импульса
с
0,5
1,2
2
25
Промежуток между импульсами
с
0,1
1,0
2
-
Суммарная продолжительность импульса
с
1
6
16
25
Получаемые результаты
Плотность материала
кг/м<sup>3</sup>
7100
7300
7500
6800
Прочность растяжения
МПа
280
340
330
180
Таблица 3
Пример реализации изобретения (Медь М 2 ГОСТ 859)
Характерные признаки способа и полученные результаты
Предлагаемый способ
Сравнение с прототипом
нижнее значение
среднее значение
верхнее значение
Характерные признаки способа
Удельная энергия
кДж/кг
316
435
554
1880
Коэффициент варьирования удельной энергии
-
0,6
0,78
0,95
-
Подаваемое напряжение
В
0,61
0,29
0,20
0,29
Сжимающее давление
МПа
96
60
24
200
Количество импульсов
шт
2
5
8
1
Продолжительность одного импульса
с
0.5
1
2
5
Промежуток между импульсами
с
0.1
1
2
-
Суммарная продолжительность импульса
с
I
6
16
25
Получаемые результаты
Плотность материала
кг/м<sup>3</sup>
8200
8400
8500
7600
Прочность растяжения
МПа
128
147
144
86
Таблица 4
Пример реализации изобретения (Титан ВТ 1-2 ГОСТ 19807)
Характерные признаки способа и полученные результаты
Предлагаемый способ
Сравнение с прототипом
нижнее значение
среднее значение
верхнее значение
Характерные признаки способа
Удельная энергия
кДж/кг
690
851
1092
9280
Коэффициент варьирования удельной энергии
-
0,6
0,78
0,95
-
Подаваемое напряжение
В
3,58
1,66
1,12
2,39
Давление сжатия
МПа
20
34
51
300
Количество импульсов
шт.
2
5
8
1
Продолжительность одного импульса
с
0,5
1
2
30
Промежуток между импульсами
с
0,1
0,5
2
-
Суммарнаяпродолжительностьимпульса
с
1
5
16
30
Получаемые результаты
Плотность материала
кг/м<sup>3</sup>
4000
4200
4300
3800
Прочность растяжения
МПа
260
323
306
166
Как следует из данных, приведенных в таблицах №2,3,4, использование параметров ЭРС, заявленных в изобретении, приводит к улучшению свойств материалов при уменьшении расхода энергии, по сравнению с прототипом, в 3-3,5 раз для СТЗ и в 8,5-12,5 раз для сплава на основе титана ВТ1-2 и в 3,4-5,4 для меди М2.
Увеличение параметров выше заявленных пределов приводит к перерасходу энергии и получению более низких характеристик материала брикетов.
Снижение параметров ниже заявленных пределов также приводит к снижению характеристик материала брикетов, склонности к осыпанию и поломкам, что недопустимо для использования при прецизионных методах переплавки.
Технико-экономический эффект характеризуется снижением энергозатрат при изготовлении брикетов.
Источники информации
1. Ю.И. Головин, В.М. Финкель, А.А. Слетков. В журнале «Физика и химия обработки материалов», №3, 1977 г., с.17-22.
2. А.И. Райченко, М.З. Кольчинская, Д.А. Левин. В Сб. «Порошковая металлургия», Рига, Лат.Инти, 1975 г., с.124-126.
3. В.П. Курочкина, М.В. Романовский, В.П. Пупынин. В кн. «Основные конструкционные материалы». Труды Всесоюзного семинара по спеченным конструкционным материалам, стр.45-50. Киев, апрель 2005 г. - прототип.