CC BY
18
_МЕТАЛЛУРГИЯ_
УДК 621.762
АЛГОРИТМ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
© 2011 г. Ю.Ю. Медведев, АА. Мецлер, Б.М. Симилейский, С.Н. Егоров
Волгодонский институт (филиал) Institute (branch) of South-Russian
Южно-Российского государственного State Technical University
технического университета (Новочеркасского (Novocherkassk Polytechnic Institute),
политехнического института) Volgodonsk
Предложен алгоритм выбора оптимальных технологических режимов получения горячедеформиро-ванных порошковых материалов (ГДПМ), обеспечивающих высокую эксплуатационную надёжность деталей из них. Сформулированы задачи технологической подготовки производства ГДПМ, а также рекомендовано использование перспективного программного обеспечения, позволяющего разрабатывать конструкцию пористой порошковой заготовки с учётом особенностей статистического и динамического прессования и значения исходной пористости. Выявлены наиболее благоприятные условия сращивания, при которых движущая сила миграции незначительно превышает интегральную силу торможения.
Ключевые слова: горячедеформированные порошковые материалы; технологические режимы; внутрикристал-литное сращивание; межчастичная поверхность.
There is an algorithm of a choice of optimal technological modes of getting hot-deformed powder materials (HDPM), maintaining high operational reliability of details, made from them. There are formulated tasks of technological preparation of HDPM manufacture, and also there is a recommendation to use the perspective software, which allows developing of a design ofporous powder blank taking into account features of static and dynamic pressing and initial porosity meaning.
Keywords: hot-deformed powder materials; technological modes; innercrystallised merging; interspatial surface.
Интенсивное развитие работ по освоению технологии горячей обработки давлением порошковых заготовок и расширение номенклатуры изготовляемых этим способом деталей конструкционного, антифрикционного и других назначений требует ясного понимания способов обеспечения высокой эксплуатационной надежности, достигаемой созданием оптимальных условий формирования их материала. Выявленное в работах [1, 2] различие между контактной и активированной поверхностями позволяет сформулировать цели, преследуемые при уплотнении и сращивании. Так, в первом случае необходимо добиться совпадения площади контактной поверхности с номинальным сечением, а во втором - ставится цель активации всей контактной поверхности, следствием которой является количественное равенство их площадей, и, в итоге, совпадение площади сечения детали с активированной поверхностью. Данная формулировка цели сращивания служит основой для его анализа на всех технологических операциях получения ГДПМ.
Выбор технологических режимов получения ГДПМ является сложной, многоплановой задачей, так как должно быть учтено всё многообразие явлений, сопровождающих формирование порошкового материала в виде готовой детали. Алгоритм решения этой задачи схематизирован на рисунке.
Первым этапом работы по установлению технологических режимов получения детали является анализ исходных данных, к которым относятся ее рабочий чертеж, состав порошковой шихты, требования к уровню эксплуатационных свойств материала.
С точки зрения технологической подготовки производства должны быть решены следующие задачи: определение размеров и конфигурации пористой заготовки, назначение температуры и продолжительности спекания, назначение температуры горячей допрес-совки и величины остаточной пористости.
Последующая обработка полученной детали выходит из рассмотрения настоящей работы, посвященной решению вопросов по обеспечению внутрикри-сталлитного сращивания на всей формируемой в ходе уплотнения контактной поверхности и не затрагивающей процессы структурообразования в ГДПМ, происходящие после достижения поставленной цели.
Сформулированные выше задачи носят комплексный характер, так как результаты их решения являются взаимосвязанными и изменение технологических параметров процесса на одной операции не может быть независимым фактором и повлечет за собой их корректировку на других операциях.
В этих условиях необходимо подчеркнуть значение правильного выбора конфигурации и размеров пористой заготовки, являющихся основой для изготовления штамповой оснастки. Перспективным, на наш взгляд, является использование программного обеспечения, позволяющего создавать объемные модели тел любой конфигурации, наделяя их некоторыми физическими свойствами, например плотностью. В качестве примера можно назвать программу «Uni-graphics», особенностью которой является возможность организации линков между файлами различных моделей. Конструирование пористой заготовки с ис-
пользованием данной программы включает в себя следующие этапы.
1. Создание модели детали с учетом направления статического и динамического прессования.
2. Формирование сечения пористой заготовки, перпендикулярного к направлению статического прессования.
3. Разделение детали на элементарные объемы.
4. Расчет массы элементарных объемов. Формирование объема пористой заготовки путем наложения элементарных объемов, входящих в контур ее рабочего сечения, при условии их равноплотности.
5. Синтезирование элементарных объемов, не учитываемых в пункте 4, с ближайшими объемами, вошедшими в контур пористой заготовки, при сохранении выбранного значения исходной пористости.
6. Определение числа нижних пуансонов с независимым перемещением при статическом холодном прессовании.
7. Уточнение значений элементарных объемов при сохранении массы материала на участке каждого нижнего пуансона.
8. Аппроксимирование фасонной поверхности пористой заготовки для проектирования пуансонов.
Форма пуансонов и матрицы для горячего доуп-лотнения создается на основании геометрии модели готовой детали посредством организации линков между моделью детали и моделями деталей штампов.
В работах [1, 3, 4] установлено, что формирование внутрикристаллитного сращивания происходит в условиях, обеспечивающих освобождение межчастичной поверхности сращивания от дефектов, отличающих ее от высокоугловой межзеренной поверхности. К последним относятся неметаллические (оксидные) включения, субмикропоры и повышенная сегрегация примесных и легирующих элементов. Взаимодействие МЧПС с этими составляющими ее строения определяет характер сращивания и, следовательно, уровень свойств ГДПМ.
Проведение операций СХП и нагрева пористой заготовки должно обеспечивать минимизацию степени окисленности МЧПС, формируемой при последующем соприкосновении свободных поверхностей пористого тела. Выявленная в работе [5] причина окисления МЧПС, являющаяся следствием сохранения на стадии нагрева пористой заготовки захлопнутого в закрытых порах воздуха, и закономерности изменения характера пористости на этой стадии, послужившие основой для построения диаграммы, разделяющей поле технологических режимов на области, различающиеся соотношением между открытой и закрытой пористостями, позволяют обосновать назначение исходной пористости и температуры нагрева. Причем выбор этих технологических параметров ограничен площадью соответствующей области диаграммы и позволяет в ее пределах варьировать их значения, что особенно важно при сложной конфигурации детали, затрудняющей обеспечение равноплотности в различных сечениях заготовки.
Определенные в [6, 7] механизмы залечивания субмикропор на стадии спекания служат основой для установления режимов этой операции. В случае проведения спекания с целью гомогенизации материала заготовки залечивание субмикропор не является лимитирующим процессом, так как длительность гомогенизации, в подавляющем большинстве случаев, обеспечит их диффузионное залечивание независимо от действующего механизма. Если спекание проводится для повышения технологической прочности заготовки, то правильный выбор условий спекания, обязательно согласованный со значением исходной пористости при конкретном исходном порошке, позволит сократить его продолжительность при обеспечении ускоренного залечивания субмикропор за счет их увлечения мигрирующей МЧПС.
В условиях горячей допрессовки, характеризующейся временной ограниченностью термодеформационного воздействия на уплотняемый материал, на первый план выходят динамические процессы.
Алгоритм выбора технологических параметров получения ГДПМ
Миграция МЧПС ограничивается тормозящим действием сегрегационной атмосферы и субмикропор. Следовательно, обеспечение этого процесса возможно при формировании соответствующей дислокационной структуры, определяющей величину движущей силы миграции.
При этом наглядно проявляется взаимосвязанное влияние выбора того или иного технологического параметра на механизмы и кинетику процессов, происходящих в порошковом материале на различных стадиях его формирования. В частности, плотность пористой заготовки оказывает влияние на уплотнение при СХП, на процессы, сопровождающие спекание, на сращивание и структурообразование при горячей допрессовке. На первой операции ее значение является косвенной оценкой степени холодной пластической деформации. При спекании оно определяет не только упомянутое выше соотношение между закрытой и открытой пористостями, но и относительные площади свободной и контактной поверхностей, представляющих собой геометрический фактор взаимодействия составляющих порошкового тела, как между собой в зоне сращивания, так и с внешней газовой средой. В процессе горячей допрессовки ставится цель достижения максимальной степени уплотнения, следовательно, материал прессовок с различными значениями исходной пористости подвергается на этой операции различному уровню деформационного воздействия, являющегося существенным фактором, определяющим условия формирования порошкового материала.
Исследование развития контактной поверхности показало, что в процессе горячей допрессовки наблюдается интенсивный рост активированной контактной поверхности неспеченных заготовок. Причем объем материала со сформированным внутрикристаллитным сращиванием практически не зависит от предварительного спекания. Таким образом, на этой технологической операции устраняется незавершенность сращивания, допущенная при СХП и спекании.
Что же касается контактных поверхностей, формирующихся при горячем доуплотнении, то обеспечение внутрикристаллитного сращивания является обязательным условием выбора технологических параметров этой операции. Для этого необходимо согласовать величину движущей силы миграции МЧПС с силой торможения от действия включений второй фазы и сегрегаций. Принципиально возможны три варианта развития сращивания. Если сила торможения значительно превосходит движущую силу миграции, то МЧПС заблокирована, и структура в зоне контакта характеризуется межкристаллитным сращиванием. В случае значительного превышения движущей силы миграции над силой торможения МЧПС легко отрывается от зернограничных дефектов, формируется внутрикристаллитное сращивание, но дополнительное появление внутризеренных дефектов не способствует повышению свойств ГДПМ. Наиболее благоприятны условия сращивания, при которых движущая сила миграции незначительно превышает интегральную силу торможения. Мигрирующая МЧПС увлекает за
собой субмикропоры и сегрегационную атмосферу, способствуя, тем самым, залечиванию субмикропор и уменьшению уровня сегрегации до равновесного, свойственного высокоугловой границе зерна. В этом случае наблюдается внутрикристаллитное сращивание и максимальная степень залечивания структурных дефектов, характерных для межчастичной поверхности.
В работах [8, 9] проведен анализ сил торможения МЧПС и определены значения движущей силы ее миграции в зависимости от условий горячей допрес-совки и характеристики исходного порошка. Основываясь на примененной методике и результатах вычисления энергетических составляющих миграции, можно обоснованно определить режимы горячей допрес-совки, обеспечивающие наилучшие условия формирования ГДПМ.
При изготовлении наиболее ответственных деталей, работающих в нагруженных условиях, следует учитывать явление ретардирования сращивания, заключающееся в том, что на контактных поверхностях, образовавшихся в конце уплотнения, степень совместной пластической деформации недостаточна для формирования на этих участках внутрикристаллитно-го сращивания в динамических условиях. Данное обстоятельство накладывает определенное ограничение на выбор температуры горячей допрессовки, значение которой должно быть достаточным для протекания квазистатического сращивания при последе-формационном охлаждении. Таким образом, в этих случаях рекомендуется выбирать температуру горячего доуплотнения, близкую к верхней границе определенного температурного интервала.
Литература
1. Дорофеев В.Ю., Егоров С.Н. Межчастичное сращивание при формировании порошковых горячедеформирован-ных материалов. М., 2003. 152 с.
2. Егоров С.Н. Условия развития активированной контактной поверхности при формировании горячештампован-ных порошковых материалов // Металлург. 2004. № 1. С. 50 - 52.
3. Дорофеев В.Ю., Егоров С.Н. Механизмы межчастичного сращивания // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. Приложение № 8. С. 5 - 9.
4. Дорофеев В.Ю., Егоров С.Н. Развитие работ в области проблемы межчастичного сращивания // Научные школы ЮРГТУ (НПИ): История. Достижения. Вклад в отечественную науку : сб. науч. ст. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 2007. С. 466 - 470.
5. Дорофеев Ю.Г., Егоров С.Н. Некоторые особенности окисления пористых заготовок в процессе нагрева перед динамическим горячим прессованием // Порошковая металлургия. 1978. № 6. С. 26 - 29.
6. Егоров С.Н. Научные основы межчастичного сращивания при формировании горячедеформированных порошко-
вых материалов и принципы выбора технологических параметров их получения : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Новочеркасск, 2003. 33 с.
7. Егоров С.Н., Егоров М.С. Определение критического размера субмикропор // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков : сб. ст. VIII ме-ждунар. науч.-техн. конф., 28 - 30 мая 2003, г. Пенза, 2003. Ч. 2. С. 122 - 124.
8. Dorofeev V., Egorov S. Interparticle Joining Surface Migration // Science of Sintering. 2005. Vol. 37. № 3. Р. 225 -230.
9. Егоров М.С. Научные основы межчастичного сращивания при формировании горячедеформированных порошковых материалов и принципы выбора технологических параметров их получения : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2003. 18 с.
Поступила в редакцию 6 июня 2011 г.
Медведев Юрий Юрьевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).
Мецлер Андрей Альбертович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», Волгодон-ский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).
Симилейский Борис Михайлович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», Волго-донский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).
Егоров Сергей Николаевич - д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Технология машиностроения», Волго-донский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).
Medvedev Yuri Yurevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Machine building» Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Vol-godonsk.
Metsler Andrey Albertovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Machine building» Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Volgodonsk.
Simileisky Boris Mikhailovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Machine building» Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Volgodonsk.
Yegorov Sergey Nikolayevich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Technology of Machine building» Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Volgodonsk.
