CC BY
60
микросекундной длительности [Текст] / А.А. Груздков, С.И. Кривошеее, Ю.В. Петров // Физика твердого тела,— 2003. Т. 45. Вып. 5,— С. 842— 845.
19. Klepaehko, J.R. Behavior of particle-filled polymer composite under static and dynamic loading [Текст] / J.R. Klepaehko, S.A. Atroshenko, P. Chevrier [at al.] // Engineering Fracture Mechanics.— 2007. Vol. 75. Is. 1,- P. 136-152.
20. Лекеовекий, A.M. Некоторые аспекты зарождения и развития трещин микро- и мезомасш-таба и квазихрупкое разрушение однородных материалов [Текст] / А.М. Лекеовекий, Б.Л. Баскин // Физика твердого тела,— 2011. Т. 53. Вып. 6. С. 1157-1168
21. Лунин, В.Т. Прогнозирование накопления повреждаемости в металлах в явлении динамического разрушения [Текст] / В.Т. Пунин, А.Я. Уча-
ев, Н.И. Завала, Е.В. Кошелева [и др.] // сб.: VII Забабахинские научные чтения,— Снежинск, 8— 12 сентября 2003 г.
22. Бонюшкин, Е.К. Кинетика динамического разрушения металлов в режиме импульсного объемного разогрева [Текст] / Е.К. Бонюшкин, Н.И. Завода, С.А. Новиков, А.Я. Учаев / Под ред. акад. РАН РИ. Илькаева // Труды ученых ядерных центров России,— 1998. N° 3,— Саров: Изд-во РФЯЦ-ВНИИЭФ, №3, 1998. С. 274.
23. Пилов, П.И. Выбор критической плотности энергии при измельчении [Текст] / П.И. Пи-лов, Л.Ж. Горобец, В.Н. Бовенко, ЕН. Стрельников [и др.] // Обогащение руд,— 2007. N° 5. С. 7-10.
24. Садовский, М.А. Геофизика и физика взрыва [Текст] / М.А. Садовский // Избранные труды / Под ред. чл.-кор. РАН А.А. Адушкина,— М.: Наука, 1999,- С. 336.
УДК 621.762.4
К.К. Мертенс, ПЛ. Кузнецов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОМБИНИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОГО ПРЕССОВАНИЯ ПОРОШКОВ
Электрогидроимпульсное прессование порошков (ЭГИП) — один из перспективных импульсных способов получения изделий различного назначения.
Процесс целесообразно использовать для изготовления тонкостенных изделий путем на-прессовки порошка на спеченные или компактные основы и при прессовании многослойных изделий [1].
С точки зрения энергетических затрат на начальном этапе прессования, когда доминирует процесс переукладки частиц, целесообразно прикладывать небольшие давления либо осуществлять виброформование. Однако роль предварительного уплотнения не исчерпывается уменьшением энергетических затрат. Опыты показали, что плотность деталей при ЭГИП существенно зависит от начальной плотности порошка. В связи с этим для изготовления высокоплотных деталей целесообразно применять комбинированное прессование, включающее предварительное уплотнение порошка каким-
либо способом и последующую электрогидро-импульсную допрессовку.
Предварительное уплотнение может осуществляться статическим, гидростатическим, эла-стостатическим прессованием, виброформованием или другими способами. Двухступенчатая технология прессования с одновременной или последовательной комбинацией различных способов нагружения позволяет изменять схему напряженно-деформированного состояния и получать детали большей плотности, более сложной формы, с улучшенными свойствами, что традиционными статическими способами не может быть достигнуто.
Разработаны различные технологические варианты комбинированного прессования (см. табл.). Большинство разработанных устройств защищены авторскими свидетельствами и патентами [2, 3]. Выбор способа предварительного уплотнения определяется формой и размерами детали, физико-механическими свойствами порошка. Результаты опытов показали, что для всех рас-
4
Металлургия и материаловедение^
Технологическая классификация комбинированных совмещенных процессов прессования изделий
из порошков с использованием ЭГИП
Вид ЭГИ
нагру-жения
Совмещение способов нагружения
со статикои
с гидростатикои
с виброформованием
Осевое
б)
0-
Радиальное
д) \Р
0-
смотренных схем плотность прессовок после комбинированного прессования выше предельной плотности прессовок, полученных статическим или электрогидроимпульсным прессованием. Ниже приведены результаты исследований комбинированного прессования с предварительной подпрессовкой статическим, гидростатическим давлением и виброформованием.
Одна из задач работы — исследование возможностей комбинированного статического и электрогидроимпульсного прессования, которое было проведено на порошках кварцевого стекла и магнезита. Опытным путем определяли влияние основных факторов комбинированного прессования — давления предварительного уплотнения, энергии и количества разрядов, схемы ЭГИП — на плотность прессовок. Для сравнения результатов были проведены опыты по ста-
тическому прессованию тех же материалов в жестких пресс-формах.
Результаты опытов показали, что для всех рассмотренных схем плотность прессовок, полученных комбинированным прессованием, выше плотности «статических» прессовок. Например, плотность втулок из кварцевого стекла, изготовленных комбинированным прессованием по схеме обжатия, повышена с 1,62-Ю3 до 1,85-103кг/м3, т. е. на 14,2 %. Пористость их снижена соответственно с 30 до 20 %. Плотность втулок из кварцевого стекла после электрогидроимпульсной допрессовки по схеме раздачи увеличилась с 1,64-103 до 2,95-103 кг/м3, т.е. на 19 %, а пористость уменьшилась на 10—11 %. В обоих случаях использовалось многоразрядное прессование.
На рис. 1 приведена зависимость плотности втулок из кварцевого стекла, изготовленных
р, г/см3
1,9
1,8
1,7
1,6
Рис. 1. Зависимость плотности втулок из кварцевого стекла от количества разрядов при давлениях подпрессов-ки 0 (7); 50 (2) 100 (3) МПа. Энергия единичного разряда— 10 кДж
комбинированным прессованием по схеме раздачи, от давления предварительного уплотнения и количества разрядов.
Существенное повышение плотности и снижение пористости получено также при комбинированном прессовании магнезитового порошка. Допрессовка втулок по схеме обжатия (табл., г) позволила увеличить плотность на 10 % и снизить пористость с 23,8 до 16 %. При аналогичной допрессовке с раздачей плотность втулок увеличилась с 2,6-103 до 2,87-103 кг/м3, а пористость уменьшилась с 29,2 до 26,5 %. Наконец, выполнение электрического разряда, инициированного металлическим проводником внутри трубчатого изделия, привело к повышению плотности с 2,71-103 до 3,03-103 кг/м3, т. е. на 12 %, иуменьшению пористости с 23,8 до 14,5 %.
Проведенные эксперименты свидетельствуют о том, что на плотность оказывает влияние также величина давления предварительной под-прессовки. Причем плотность образцов былатем выше, чем выше давление подпрессовки, т. е. степень предварительного уплотнения. Оптимальное давление подпрессовки зависит от свойств прессуемого порошка, формы и размеров детали, атакже от требуемой плотности. При комбинированном прессовании кварцевого стекла, для которого характерна плохая прессуе-мость, более высокие свойства деталей получены при предварительном уплотнении прессовок давлением 80—100 МПа. Обладающую сравни-
тельно лучшей прессуемостью массу из магнезита достаточно подпрессовать давлением 30— 50 МПа.
ЭГИП исследуемых порошков проводилось и без предварительной подпрессовки. При этом плотность полученных прессовок была значительно выше, чем у полученных статическим прессованием в жестких пресс-формах (особенно для порошков из магнезитового порошка), но ниже, чем при комбинированном прессовании.
При использовании электрогидроимпульс-ного, гидродинамического и гидровзрывного прессования деталей, когда импульсное нагру-жение осуществляется жидкостью, естественно и целесообразно предварительное уплотнение проводить той же жидкостью с использованием одного и того же оборудования и оснастки.
Гидростатическое давление в разработанном способе на один-два порядка ниже, чем при гидростатическом прессовании. Его назначение состоит в предварительном уплотнении порошка и оформлении контуров прессуемой детали. Преимущества импульсного нагружения эффективно реализуются на заключительной стадии прессования, определяющей окончательные размеры детали и ее плотность.
Процесс осуществляли следующим образом. Порошок загружали в эластичную оболочку, герметизировали, при необходимости производили его вакуумирование и затем предварительно уплотняли гидростатическим давлением рабочей жидкости 10—50 МПа. Не снижая давления, в жидкости осуществляли электрический разряд либо несколько разрядов с определенной частотой, которые производили окончательное прессование изделия.
Предварительное уплотнение гидростатическим давлением улучшает структуру и качество детали. Неравномерность импульсного давления сказывается не так существенно, и деталь получается более равноплотной. Достоинством комбинированного способа является также то, что в момент импульсной разгрузки прессовка продолжает находиться под гидростатическим давлением, что предотвращает образование трещин.
Разработанный способ повышает производительность труда, так как предварительное и окончательное прессование осуществляется при одной установке оболочки с порошком. Нет необходимости в использовании дополнительного оборудования, например прессов, гидростатов.
4
Металлургия и материаловедение
Используемое оборудование необходимо дополнить лишь серийно выпускаемым гидронасосом для создания в рабочей камере гидростатического давления.
Однако эксперименты показали, что повышение гидростатического давления приводит к резкому ухудшению электрических характеристик неинициированных разрядов в воде. Таким образом при ЭГИП порошков при повышенном гидростатическом давлении необходимо осуществлять разряды с инициированием металлической проволочкой. Такой разряд менее чувствителен к гидростатическому давлению на стадии своего формирования.
Весьма эффективен для предварительного уплотнения процесс виброформования. Оптимальные частота, амплитуда и ускорение при виброформовании, а также величина прижима (давление), количество связки, длительность процесса зависят от многих факторов. Прежде всего к ним относятся физико-химические свойства порошка, его гранулометрический состав, форма и размеры изделия, принцип действия и конструкция виброустановки и др. Сложная зависимость плотности изделия от параметров виброформования не позволяет дать единые ре-
ст, МПа
400
300
200
100
1
/ 2 , - /
7
0
1
2
5
Рис. 2. Зависимости механической прочности на сжатие виброформованных образцов из глинозема (7) и корунда (2) от количества разрядов ЭГИП
комендации для различных формуемых материалов и конфигураций изделий. Поэтому оптимальные параметры виброформования следует подбирать опытным путем.
Были экспериментально определены оптимальные параметры виброформования, ЭГИП и комбинированного способа и проведен их сравнительный анализ.
Рис. 3. Схема оснастки для комбинированного совмещенно-последовательного прессования втулок с ребрами: 1 — электрод; 2 — инициирующий проводник (проволочка); 3— порошок; 4— эластичная оболочка; 5— кольцо (ребро, предварительно спрессованное); 6— разъемная матрица; 7— разъемное кольцо; 8— плита
Важнейшее преимущество комбинированных процессов изготовления порошковых изделий состоит в возможности влияния на структуру и прочность получаемых прессовок. Значительный рост плотности, уменьшение пористости и улучшение структуры прессовок, изготовленных комбинированным электрогидроимпуль-сным прессованием, способствовали увеличению их механической прочности. Возможность повышения прочности деталей при электрогид-роимпульсном прессовании имеет большое значение в связи с тем, что при статических методах прессования прочностные свойства изделий, особенно из малопластичных материалов, ограничены предельной уплотняемостью порошков.
При статическом прессовании в жесткой пресс-форме при увеличении давления от 100 до 200 М Па плотность прессовок из кварцевого стекла и магнезита изменяется незначительно. Аналогично плотности различие в механической прочности образцов, спрессованных при указанных давлениях, также невелико. Электрогидроим-пульсная допрессовка брикетов, предварительно уплотненных давлением 100 МПа, обеспечила повышение предела прочности на сжатие прессовок из кварцевого стекла в 2,5 раза, образцов из магнезита — в среднем в 1,5 раза.
Прочностные характеристики деталей из керамических порошков, полученные комбинированным прессованием, не могут быть достигнуты статическим прессованием в жестких пресс-формах или виброформованием. Например, шихта из тонкомолотого глинозема отличается очень малой пластичностью и склонностью к перепрессовочным трещинам даже при вибро-
формовании. Эл ектрогид роим пул ьсное прессование образцов из глинозема и корунда, уплотненных виброформованием, привело к росту их механической прочности в 1,5—2 раза (рис. 2). Повышение плотности и механической прочности изделий из огнеупорных порошковых материалов способствует увеличению их термостойкости.
В ряде случаев, например при изготовлении втулок с поперечными ребрами, виброформование не обеспечивает равномерного заполнения порошком пресс-формы. Для получения равно-плотного изделия необходимо применять комбинированную технологию, включающую предварительное прессование поперечных ребер (колец), дальнейшее эл ектрогид роим пул ьсное прессование втулки с одновременной напрессовкой ее на ребра и спекание спрессованной детали. Ребра можно получать, например, статическим прессованием в той же пресс-форме, в которой проводится напрессовка, либо в отдельной пресс-форме. При раздельном прессовании упрощается оснастка, становится возможным применение разделительных колец из эластичных материалов и пластмасс. На рис. 3 представлена схема оснастки для комбинированного совмещенно-последовательного прессования втулок с ребрами [2].
В заключение можно сказать, что применение комбинированных процессов формования порошков, как последовательных, так и совмещенных, позволяет получать высокоплотные спеченные изделия более сложной формы и с более высокими эксплуатационными характеристиками, например увеличивает прочность керамических прессовок в среднем до 1,5 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мертенс, К. К. Технологические возможности эластостатического прессования порошковых материалов [Текст] / К.К. Мертенс, П.А. Кузнецов, A.B. Гоциридзе // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением,- 2002. № 4.
2. Богоявленский, К.Н. Высокоскоростные способы прессования деталей из порошковых ма-
териалов [Текст] / К.Н. Богоявленский, П.А. Кузнецов, К.К. Мертенс [и др.].— Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1984,— 168 е., ил.
3. Мертенс, К.К. Прессование изделий из порошков подвижными средами [Текст] / К.К. Мертенс, П.А. Кузнецов // Металлообработка,— 2011. № 3.- С. 25-30.
