CC BY
3
Научная статья УДК 621.762:669.2
Деформационный механизм медных электроспечённых порошковых изделий сельскохозяйственного назначения с карбидом кремния
Татьяна Владимировна Рожкова
Государственный аграрный университет Северного Зауралья, Тюмень, Россия
Аннотация. Для восстановления поверхностного слоя изношенных деталей сельскохозяйственного назначения не подходит метод спекания в металлургической печи в вакууме или защитной среде. Целесообразно изготавливать порошковые детали сравнительно простой формы методом электроконтактного спекания при одновременном приложении внешнего двустороннего давления с помощью несложного приспособления на серийной стыковой сварочной машине. Рассмотрен деформационный механизм медного порошкового материала с карбидом кремния. Показано, что в результате прессования порошкового материала возникают сложные физические, химические и механические процессы. Установлено, что процесс уплотнения проходит три этапа: насыпка и механическое смешивание исходных компонентов; холодное предварительное уплотнение смеси; двухстороннее прессование с одновременным пропусканием через заготовку электрического тока - электроконтактное спекание. Наиболее интенсивное уплотнение происходит в начальной стадии холодного уплотнения. Выполнен расчёт пористости порошкового материала с учётом всех непроводящих частиц (пор и частиц карбида кремния). Приведённые результаты расчётов показали, что с учётом пор расчётная плотность заготовки составляет 84,2 %. Суммарная плотность прессовки с учётом пор и включений карбида кремния меняется в зависимости от процентного состава наполнителя.
Ключевые слова: порошковая заготовка, деформационный механизм, холодное прессование, электроконтактное спекание, медь, карбид кремния.
Для цитирования. Рожкова Т.В. Деформационный механизм медных электроспёченных порошковых изделий сельскохозяйственного назначения с карбидом кремния // Известия Оренбургского аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 188 - 191.
Original article
Deformation mechanism of copper electrosintered powder products for agricultural purposes with silicon carbide
Tatyana V. Rozhkova
Northern Trans-Ural State Agricultural University, Tyumen, Russia
Abstract. The method of sintering in a metallurgical furnace in a vacuum or a protective environment is not suitable for restoring the surface layer of worn agricultural parts. It is expedient to produce powder parts of a relatively simple shape by electrocontact sintering with simultaneous application of external bilateral pressure using a simple device on a serial butt welding machine. The deformation mechanism of copper powder material with silicon carbide is considered. It is shown that complex physical, chemical and mechanical processes arise as a result of powder material pressing. It has been established that the compaction process goes through three stages: filling and mechanical mixing of the initial components; cold preliminary compaction of the mixture; double-sided pressing with simultaneous passage of electric current through the workpiece - electrocontact sintering. The most intensive compaction occurs in the initial stage of cold compaction. The porosity of the powder material was calculated taking into account all non-conductive particles (pores and particles of silicon carbide). The given calculation results showed that, taking into account the pores, the calculated billet density c is 84.2 %. The total density of the pressing, taking into account the pores and inclusions of silicon carbide, varies depending on the percentage composition of the filler.
Keywords: powder billet, deformation mechanism, cold pressing, electrocontact sintering, copper, silicon carbide.
For citation: Rozhkova T. V. Deformation mechanism of copper electrosintered powder products for agricultural purposes with silicon carbide. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 95(3): 188-191. (In Russ.).
При восстановлении поверхностного слоя изношенных деталей сельскохозяйственного назначения применяют различные методы [1, 2]. Изделия сельскохозяйственного назначения простой формы, например, такие, как вкладыши подшипников скольжения, втулки и пр., принято изготавливать традиционным методом - спеканием в металлургической печи в вакууме или защитной среде. Способ традиционного спекания требует больших трудо- и энергозатрат, а также использование специального громоздкого оборудования с системой газообеспечения [3]. Поэтому этот метод не применим для мелкосерийного и
единичного производства, а также для восстановления поверхностного слоя изношенных деталей. Изготовить порошковые детали сравнительно простой формы можно электроконтактным спеканием при одновременном приложении внешнего двустороннего давления с помощью несложного приспособления на серийной стыковой сварочной машине [4].
Цель исследования - рассмотреть деформационный механизм медных порошковых изделий с карбидом кремния, возникающий при холодном прессовании и в результате электроконтактного спекания.
Материал и методы. Перед процессом спекания пресс-форму необходимо заполнить порошковой смесью, которая получается механическим смешиванием исходных компонентов. В результате свободной насыпки поверхностные слои воспринимают контактную нагрузку [5]. При этом контакт между соприкасающимися частицами при отсутствии внешнего давления возможен лишь в отдельных точках. Начальные поверхности соприкосновения очень малы по сравнению с общими поверхностями контактирующих частиц (всего 0,001 - 0,01 %) [6].
Деформационный механизм прессования порошкового материала представляет собой сложные физические, химические и механические процессы [7].
Результаты и обсуждение. Для исследования использовали заготовки из смеси порошков меди и карбида кремния. Диаметры образцов составляли 5,7; 13,7 и 20,5 мм, длина 15 мм.
Механический процесс состоит из трёх этапов:
I - насыпка и механическое смешивание исходных компонентов;
II - холодное предварительное уплотнение смеси;
III - двухстороннее прессование с одновременным пропусканием через заготовку электрического тока - электроконтактное спекание.
I этап является одним из важных составляющих механического процесса. Количественный состав порошковой смеси влияет на качество спечённого материала [8]. Медь является электропроводящим материалом. Карбид кремния, наоборот, изолятор, но в свою очередь является упрочняющим элементом. Поэтому уменьшение количества порошка карбида кремния может значительно понизить твёрдость материала. Введение же в состав большего количества карбида кремния повышает твёрдость, но увеличивает хрупкость и ломкость спечённой заготовки.
II этап- этап предварительного холодного прессования - в свою очередь можно условно разделить на три стадии (рис. 1).
р - плотность заготовки, %; Р - давление прессования, МПа
Рис. 1 - Стадии предварительного холодного прессования
На 1-й стадии под воздействием приложенного двустороннего давления происходит максимально возможное ориентирование частиц не шаровой формы [9]. Давление позволяет сориентировать частицы порошка для более плотной укладки. При этом в зоне контакта возникают температурные градиенты (рис. 2).
В результате механического взаимодействия в месте соприкосновения частиц происходит выделение тепловой энергии, частицы нагреваются и слипаются друг с другом. В процессе деформации происходит уплотнение порошкового материала. При этом изменяется объём заготовки, так как заполняются пустоты между частицами за счёт их смещения и пластической деформации контактных зон частиц [10]. Наиболее интенсивное уплотнение происходит в начальной стадии холодного уплотнения, так как это связано с перераспределением частиц за счёт их смещения и более плотной упаковки.
Во время 2-й стадии частицы порошка упакованы максимально плотно и поэтому оказывают определённое сопротивление сжатию. При этом внешнее давление возрастает, плотность порошковой заготовки некоторое время остаётся неизменной. На этой стадии роль местных контактов незначительна, а пластическая деформация носит местный ограниченный характер. На конечном этапе 2-й стадии давление превышает предел текучести частиц порошка и начинается их пластическая деформация. Процесс уплотнения переходит в 3-ю стадию, когда пластическая деформация охватывает весь объём каждой частицы, смещение контактов практически прекращается, и они фиксируются в данном положении.
Таким образом, в результате воздействия внешнего давления в холодном состоянии плотность заготовок становится достаточной для окончательного спекания деталей с помощью прямого пропускания электротока.
III этап - электроконтактное спекание - характеризуется уплотнением заготовки под воздействием электрического тока при одновременном двухстороннем прессовании.
О - температурные градиенты в зоне контакта
Рис. 2 - Ориентирование частиц и возникновение температурных градиентов
1. Расчётные данные суммарной плотности порошковой прессовки
Внутренний диаметр пресс-формы, мм Содержание Б1С, мас. % Площадь поперечного сечения, мм2 Суммарная плотность порошковой прессовки, 02, %
номинальная с учётом пор с учётом пор и частиц Б1С номинальная с учётом пор с учётом пор и частиц Б1С
5,7 0 25,5 21,47 - 85,2 84,2 -
5,7 5,1 25,5 21,47 17,85 85,2 84,2 70
5,7 5,1 25,5 21,47 17,85 85,2 84,2 70
13,7 20,2 147,34 124,06 41,255 85,2 84,2 27,9
13,7 0 147,34 124,06 - 85,2 84,2 -
20,35 0 325,09 273,73 - 85,2 84,2 -
20,5 5,1 329,9 277,78 230,93 85,2 84,2 70
20,5 5,1 329,9 277,78 230,93 85,2 84,2 70
При электроконтактном спекании внешнее давление можно уменьшить по сравнению с холодным прессованием, так как часть его функций берёт на себя электрический ток. В результате нагрева предел текучести металла уменьшается. Температура достигает 0,7 - 0,9 температуры плавления, что достаточно для получения плотно спечённого материала. В ходе электроконтактного спекания формируется структура с равномерно распределённым упрочняющим компонентом. Так как температура плавления меди намного меньше, чем температура плавления карбида кремния, то кристаллики карбида кремния внедряются в частицы меди. При этом металл образует прочный каркас, в котором достаточно прочно удерживаются частицы упрочнителя. На конечном этапе спекания пористость составляет 1 - 6 % [11].
Как было показано ранее, карбид кремния является изолятором, и ток не будет проходить через частицы карбида кремния. Поэтому интегральная пористость порошковой заготовки искусственно увеличивается. Тогда пористость порошкового материала с учётом всех непроводящих частиц 0! (пор и частиц карбида кремния) составит:
0! = 1 - (П + П8;с), (1)
где П - пористость с учётом пор;
П§;с - пористость с учётом карбида кремния (в объёмных процентах). Расчётная плотность порошковых заготовок с различными составами представлена в таблице 1 [12].
Вывод. Приведённые результаты расчётов показали, что с учётом пор расчётная плотность заготовки 0! с составляет 84,2 %. Суммарная плотность прессовки с учётом пор и включений карбида кремния меняется в зависимости от процентного состава наполнителя. Если содержание 81С составляет 5,1 мас. %, то суммарная плотность (0!) составляет 70 %. Если включение карбида кремния составляет 20,2 мас. %, то суммарная плотность 0! составит всего 27,9 %.
Список источников
1. Производственные испытания рабочих органов почвообрабатывающих машин, восстановленных плазменной наплавкой / В.А. Шахов, П.Г. Учкин, М.Г. Ари-станов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 6 (92). С. 162 - 167. - https://doi.org/10.37670/2073-0853-2021-92-6-162-167.
2. Иванов А.С. Анализ порошков для лазерной наплавки при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 125 - 129.
3. Ковальченко М.С. Теоретические основы горячей обработки пористых материалов давлением. Киев: Наукова думка, 1980. 230 с.
4. Рожкова Т.В. Структура и свойства медных порошковых изделий сельскохозяйственного назначения с карбидом кремния, изготовленных электроконтактным спеканием // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 178 - 181.
5. Рожкова Т.В., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Исследование влияния межчастичных контактов на процесс предварительного прессования порошкового материала. // Агропродовольственная политика России. 2017. № 11. С. 140 - 144.
6. Ковенский И.М., Кусков В.Н., Прохоров Н.Н. Структурные превращения в металлах и сплавах при электротермическом воздействии. Тюмень: ТНГУ, 2001. 215 с.
7. Рожкова Т.В., Смолин Н.И. Структурное исследование медных порошковых материалов в изделиях сельскохозяйственной техники // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 3 (77). С. 179 - 182.
8. Рожкова Т.В., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Исследование деформационного механизма порошкового материала на основе меди // Агропродовольственная политика России. 2017. № 12. С. 155 - 161.
9. Цеменко В.Н. Теория порошковой металлургии. Теория и физические основы уплотнения порошковых материалов: учебное пособие. СПб.: изд-во СПбГПУ, 2005. 180 с.
10. Жилин С.Г. Влияние начальной упаковки компонентов порошкового тела на напряжённо-деформированное состояние прессовки при уплотнении // Учёные записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2018. Т. 1. № 3 (35). С. 73 - 79.
11. Рожкова Т.В. Моделирование процесса формирования медных порошковых материалов с карбидом кремния // Вестник Государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2017. № 2. С. 115 - 120.
12. Рожкова Т.В., Смолин Н.И. Модельно-теоретический анализ образования поверхностных оксидов и их влияние на процесс формирования порошковых изделий // Сельский механизатор. 2018. № 12. С. 32 - 35.
References
1. Production tests of the working bodies of tillage machines restored by plasma surfacing / V.A. Shakhov, P.G. Uchkin, M.G. Aristanov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 92(6): 162-167. - https://doi. org/10.37670/2073-0853-2021-92-6-162-167.
2. Ivanov A.S. Analysis of powders for laser cladding in the restoration of parts of agricultural machinery. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91 (5): 125-129.
3. Kovalchenko M.S. Theoretical Foundations of Hot Forming of Porous Materials. Kyiv: Naukova Dumka, 1980. 230 p.
4. Rozhkova T.V. Structure and properties of copper powder products for agricultural purposes with silicon carbide, manufactured by electrocontact sintering. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 90 (4): 178-181.
5. Rozhkova T.V., Kuskov V.N., Smolin N.I. Investigation of the influence of interparticle contacts on the process of pre-compression of powder material. Agro-food policy in Russia. 2017; 11: 140-144.
6. Kovensky I.M., Kuskov V.N., Prokhorov N.N. Structural transformations in metals and alloys under electrothermal action. Tyumen: TNGU, 2001. 215 p.
7. Rozhkova T.V, Smolin N.I. Structural study of copper powder materials in agricultural machinery products. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2019; 77(3): 179-182.
8. Rozhkova T.V., Kuskov V.N., Smolin N.I. Study of the deformation mechanism of powder material based on copper. Agro-food policy in Russia. 2017; 12: 155-161.
9. Tsemenko V.N. Theory of powder metallurgy. Theory and physical foundations of compaction of powder materials: a tutorial. St. Petersburg: publishing house of St. Petersburg State Polytechnical University, 2005. 180 p.
10. Zhilin S.G. Influence of the initial packing of the components of the powder body on the stress-strain state of the compact during compaction. Scholarly Notes of Komsomolsk-na-Amure State Technical University. 2018. 1: 35(3): 73-79.
11. Rozhkova T.V. Modeling the process of formation of copper powder materials with silicon carbide. Bulletin of Northern Trans-Ural State Agricultural University. 2017; 2: 115-120.
12. Rozhkova T.V, Smolin N.I. Model-theoretical analysis of the formation of surface oxides and their influence on the formation of powder products. Selskiy Mechanizator. 2018; 12: 32-35.
Татьяна Владимировна Рожкова, кандидат технических наук, доцент, roshkovatv@gausz.ru, https://orcid. org/0000-0002-4433-6353
Tatyana V. Rozhkova, Candidate of Technical Sciences, аssociate professor, roshkovatv@gausz.ru, https://orcid. org/0000-0002-4433-6353
Статья поступила в редакцию 01.04.2022; одобрена после рецензирования 18.04.2022; принята к публикации 11.05.2022.
The article was submitted 01.04.2021; approved after reviewing 18.04.2022; accepted for publication 11.05.2022. -♦-
Научная статья УДК621.359.44
К вопросу определения мест максимальных концентраций загрязнений в свинарнике
Леонид Николаевич Андреев, Владимир Валерьевич Юркин
Государственный аграрный университет Северного Зауралья, Тюмень, Россия
Аннотация. Наличие инженерных сетей и оборудования, нарушения технологии монтажа вентиляционных систем и оборудования, неправильная эксплуатация систем вентиляции приводят к нарушению воздухообмена как во всём помещении, так и в его отдельных частях. Всё это способствует образованию застойных зон, воздушных мешков (аэростазов), в которых наблюдаются перепад температуры и влажности, превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) по пыли и газам. Проведены замеры параметров воздушной среды в станках свиноводческого помещения для содержания поросят на откорме, которые показали превышение ПДК по пыли и вредным газам. Показано, что превышение ПДК возникает в периоды кормления и уборки помещения, в станке такая ситуация может возникать до 11 раз за сутки. Проанализированы негативные последствия повышенной концентрации пыли и газов в помещении для животных и работников свиноводческого комплекса. Доказано, что решить эти проблемы в локальных зонах свиноводческого помещения может не общеобменная система вентиляции, а локальная, эффективность работы которой будет зависеть от места размещения и правильной работы её элементов.
Ключевые слова: локальная вентиляция, аэростазы, пыль, поросята.
Для цитирования: Андреев Л.Н., Юркин В.В. К вопросу определения мест максимальных концентраций загрязнений в свинарнике // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 191 - 195.
