CC BY
30
УДК 621.762
Д.В. Слабкий, М.А. Федосеева
Научные руководители: кандидат технических наук, доцент А.А. Волхонский, кандидат технических наук, профессор С.Н. Сергеенко
ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННОЙ СТРУЖКИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Д-16
Исследовано влияние времени размола (1,8 - 14,4 кс) и концентрации легирующих элементов (0 - 6 % масс.) в шихте на гранулометрический состав и механические свойства материала на основе измельченной стружки Д-16. Установлена бимодальная зависимость распределения частиц по размерам. Оптимизировано содержание легирующих элементов и времени размола, обеспечивающие максимальный выход фракций, размером -63 мкм.
Механохимическая активация, стружка Д-16, измельчение.
The influence of grinding time (1,8 - 14,4 ks) and concentration of alloys (0 - 6 % mass) in fusion mixture on granulometric composition and mechanical properties of the material based on chippings D-16 is investigated. The bimodal dependence of particles distribution according to their size is established. The content of alloys and grinding time providing the maximum output of fractions of the size -63 mkm is optimized.
Mechanochemical activation, chippings D-16, grinding.
Введение. В ЮРГТУ (НПИ) разработаны технологии получения горячедеформированных порошковых материалов на основе механохимически активированной стружки алюминиевого сплава Д-16. При оптимальных значениях содержания насыщенного водного раствора борной кислоты в шихте (20 % масс.) и времени обработки стружки в высокоэнергетической мельнице (10,8 кс) обеспечивается образование малосвязанных агломератов, состоящих из частиц с меньшим размером. Закономерности измельчения определяются не только временем размола, но и составом размольной среды [4] и введением легирующих элементов. В результате исследований показано, что легирующие добавки влияют на процессы измельчения и агломерации, определяющие особенности формования холоднопрессованных заготовок и горячедеформированных порошковых материалов с повышенными физико-механическими свойствами [3], [4].
Горячедеформированные порошковые материалы на основе механически легированных распыленных порошков алюминий-титан (4 - 6 % масс.) обеспечивают повышенные механические свойства [7]. Образование дисперсной фазы Л13Т1 (5 % масс. Т1), сдерживает рост зерен в процессе уплотнения порошкового материала [1], [6]. В эвтектических сплавах Л1-Ре, дисперсная фаза Л13Ре упрочняет алюминиевую матрицу [2]. Введение 2 - 6 % масс. N1 повышает микротвердость и прочность при испытаниях на многоцикловую усталостность [5].
Цель работы: установить закономерности влияния содержания порошка ферротитана и никеля на кинетику размола, гранулометрический состав и физико-механические свойства горячедеформирован-ных порошковых материалов на основе механически активированной стружки Д-16.
Методики проведения исследований. В качестве исходных материалов использовали стружку алюминиевого сплава Д-16 толщиной 0,5 - 1,0 мм и
шириной 1 - 5 мм, полученную в процессе токарной обработки. При исследовании влияния времени размола тр (1,8 - 14,4 кс) на гранулометрический состав измельченной стружки в шихту вводили 0 - 6 % масс. ферротитана ФТи35С7 (ГОСТ 4761-91) и 0 -6 % масс. никеля ПНК-УТ1, а также насыщенный водный раствор борной кислоты (20 % от массы шихты) для защиты от окисления материала стружки Д-16 [3], [4].
Механическое активирование (МХА) стружки проводили в шаровой планетарной мельнице «САНД-1» при скорости вращения ротора 290 об/мин. и соотношении масс шаров (й?шаров = 10 мм) и шихты Мшаров : тшихты = 10:1. С целью изучения процессов агломерации шихты при ее обработке в САНД-1 проводили ручную обработку (РО) в керамической ступке (0,9 кс). После гранулометрического анализа (ГОСТ 18318-94) проводилось разделение по фракциям +630 мкм и -630 мкм с последующим смешиванием части активированной стружки Д16 с порошком алюминия (ПА-4, ГОСТ 6058-73), в соотношении 1:1 (табл. 1).
Формовку прессовали на гидравлическом прессе (455 МПа). Предварительный нагрев (550оС, 0,15 кс) проводили в электрической печи, с последующим динамическим горячим прессованием на копре с массой падающих частей 50 кг с приведенной энергией 140 МДж/м3.
Таблица 1
Сводная таблица составов шихт
Обозначение шихты ЛКд16+(л.э.> мкм СД16+(Л.Э.> % масс. Саі, % масс.
+630+ПА (Ш1) +630 50 50
-630+ПА (Ш2) -630
+630 (Ш3) +630 100 0
-630 (Ш4) -630
Для оценки степени агломерации порошковой шихты при ее механической активации определяли показатель ПАГ с учетом среднего размера частиц после МХА (й?0) и последующей обработке в ступе
(4):
ПАГ= d°.
d1
Исследования механических свойств заключалось в определении твердости (НКБ) горячепрессованного порошкового материала на твердомере 5006 УХЛ42 (& = 3,175 мм, Б = 980,7 Н) и прочности на срез в специальном устройстве на разрывной машине.
Результаты экспериментальных исследований Анализ экспериментальных зависимостей влияния концентраций ферротитана и никеля, и времени размола тр на выход фракций +630 мкм (рис. 1, 2) показал, что введение добавок интенсифицирует процесс измельчения. Минимальное значение выхода фракций размером +630 мкм обеспечивается при повышенной концентрации добавок (6 % масс.) и времени обработки (14,4 кс).
В результате проведенных исследований гранулометрического состава выявлено бимодальное распределение частиц по размерам (рис. 3), характеризующееся повышенным содержанием фракций с размером -63 мкм.
(AR + 630), % масс
(AR + 630), % масс
во
CNi, % масс
тр, кс
Рис. 1. 3-D Spline модели зависимостей выхода фракций +630 мкм от времени размола (тр) и концентрации никеля (CNi) и изолинии AR + 630, % масс. (1- < 35, 235...40, 3-40...45, 4-45...50, 5-50...55): а - после МХА, б - после МХА и РО
(AR + 630) % масс 30 40 30
CFeTi, % масс
(AR + 630) % масс
50 Г 45 40
тр, кс
CFeTi, % масс
тр, кс
б
Рис. 2. 3-D Spline модели зависимостей выхода фракций +630 мкм от времени размола (тр) и концентрации ферротитана (CFeTi) и изолинии AR + 630, % масс.
(1- > 45, 2-45.40, 3-40.35, 4-35.30, 5-30.25): а - после МХА, б - после МХА и РО
ARi , % масс
1дар.а. после р.о.
а 63 іоа iso 2оа ais мю бза
номера сит
ARi , % масс.
■ дрр.о. после р.а.
a
О 63 1CD 160 200 315 400 630
б
Рис. 3. Гистограмма распределения частиц по размерам: а - Ni; б - FeTi (C^.= 6 % масс, т = 14,4 кс)
а
а
а
б
Максимальное значение плотности горячедефор-мированного порошкового материала (ГДПМ) на образцах на основе смеси МХА стружкового порошка с добавлением порошка алюминия наблюдается на основе шихт полученных при времени размола 3,6 кс и 6 % легирующего элемента (2,95 г/см3 - Ш4 (РеТ1), и 2,96 г/см3 - Ш2 (N1)). Введение порошка алюминия снижает плотность горячедеформирован-ного материала (табл. 2).
Проведенный анализ экспериментальных данных твердости ГДПМ показал (табл. 3), что минимальные значения твердости (36 НКБ) наблюдали в образцах на основе материала без добавления порошка алю-
миния и легирующих элементов при времени 14,4 кс. Максимальные значения твердости имеют образцы, полученные из материала при времени МХА 1,8 кс при концентрации легирующего элемента для никеля - 4 % масс., для ферротитана - 2 % масс. Таким образом, минимальные и максимальные значения твердости имеют образцы без добавления порошка алюминия. Максимальное значение предела прочности на срез наблюдается в образцах с содержанием легирующего элемента 2 % масс. из чистого материала с временем МХА для никеля 10,8 кс, а для ферротитана 1,8 кс и 4 % масс. ферротитана без добавления порошка алюминия.
Таблица 2
Плотность горячедеформированных порошковых материалов
Время обработки Тр, кс Слэ, % от массы стружки Плотность, ргш, г/см3
Стружка Д16+никель (л.э.) Стружка Д16+ферротитан (л.э.)
(+630) (+630) +ПА (-630) (-630) +ПА (+630) (+630) +ПА (-630) (-630) +ПА
1,8 0 2,70 2,66 2,79 2,64 2,70 2,66 2,79 2,64
2 2,71 2,61 2,67 2,52 2,72 2,67 2,91 2,65
4 2,72 2,64 2,91 2,64 2,75 2,72 2,92 2,66
6 2,76 2,68 2,87 2,61 2,74 2,68 2,87 2,67
3,6 0 2,73 2,68 2,67 2,66 2,73 2,68 2,67 2,66
2 2,70 2,65 2,63 2,47 2,76 2,67 2,57 2,67
4 2,72 2,69 2,73 2,71 2,75 2,67 2,87 2,65
6 2,90 2,70 2,78 2,96 2,70 2,68 2,95 2,67
5,4 0 2,64 2,76 2,83 2,68 2,47 2,70 2,83 2,68
2 2,74 2,69 2,78 2,61 2,74 2,67 2,59 2,67
4 2,92 2,70 2,57 2,63 2,71 2,65 2,78 2,64
6 2,75 2,72 2,56 2,68 2,75 2,70 2,66 2,69
7,2 0 2,74 2,70 2,57 2,63 2,74 2,70 2,57 2,63
2 2,70 2,71 2,64 2,84 2,73 2,67 2,57 2,64
4 2,65 2,72 2,57 2,86 2,71 2,47 2,73
6 2,77 2,71 2,56 2,69 2,80 2,70 2,59 2,69
10,8 0 2,70 2,66 2,41 2,76 2,70 2,66 2,41 2,76
2 2,72 2,70 2,52 2,68 2,75 2,71 2,60 2,66
4 2,80 2,73 2,45 2,64 2,74 2,67 2,60 2,69
6 2,68 2,69 2,62 2,70 2,78 2,73 2,57 2,70
14,4 0 2,64 2,76 2,52 2,68 2,64 2,76 2,52 2,68
2 2,71 2,65 2,72 2,71 2,74 2,69 2,55 2,66
4 2,71 2,71 2,66 2,74 2,92 2,70 2,71 2,76
6 2,76 2,70 2,55 2,64 2,75 2,72 2,64 2,74
Таблица 3
Прочность и твердость горячедеформированных порошковых материалов
Время обработки Тр, кс Слэ, % от массы стружки Прочность (МПа) / твердость (НЯБ)
Стружка Д16+никель (л.э.) Стружка Д 16+ферротитан (л.э.)
(+630) (+630) +ПА (-630) (-630) +ПА (+630) (+630) +ПА (-630) (-630) +ПА
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1,8 0 145/91 110/66 188/115 144/85 145/91 110/66 188/114 144/85
2 145/98 121/83 141/110 49/83 145/97 112/80 148/115 137/89
Продолжение табл. 3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
4 155/98 102/79 147/119 123/83 233/100 108/87 128/112 143/85
6 204/100 110/77 49/118 106/79 137/96 97/74 139/112 131/82
3,6 0 110/100 80/79 94/110 149/87 110/100 80/79 94/110 149/87
2 98/98 104/88 141/108 98/81 200/96 102/83 139/108 151/92
4 100/99 131/86 0/111 126/89 147/97 116/82 172/109 176/92
6 153/99 131/73 45/109 163/96 139/97 111/69 120/113 143/92
5,4 0 96/101 88/90 112/108 112/84 96/101 88/90 112/108 112/84
2 155/97 125/89 0/108 153/92 127/101 102/68 190/108 145/95
4 196/91 133/60 56/105 168/94 147/100 106/82 126/109 157/91
6 137/96 123/71 0/105 149/90 129/103 90/80 151/112 145/90
7,2 0 186/102 113/80 149/113 141/93 186/102 113/80 149/113 141/93
2 163/97 106/86 0/107 147/92 184/103 110/66 160/110 159/90
4 157/97 94/91 0/99 100/89 101/101 80/57 153/114 99/92
6 139/95 98/59 0/101 147/92 135/93 116/73 188/107 143/90
10,8 0 129/102 112/83 152/111 170/90 129/102 112/83 152/111 170/90
2 149/100 108/58 214/107 141/88 138/101 108/72 166/109 151/91
4 145/100 114/87 129/105 155/88 127/100 112/81 118/106 153/93
6 78/99 125/84 92/100 74/99 37/99 92/86 57/107 72/92
14,4 0 104/83 110/77 0/36 143/88 104/83 110/77 0/36 143/88
2 43/51 59/45 139/113 151/89 165/106 106/83 165/110 143/91
4 43/50 67/48 78/107 151/91 196/105 110/86 148/109 153/92
6 116/100 112/62 163/110 159/88 188/104 120/71 124/105 170/91
ПАГ
Л,
мкм
г/см3
креза
МПа
НЯБ
4 6
С™ % масс.
ПАГ
4
мкм
г/см3
105
75
45
й?1
\ч. Л0 и
Рис. 4. Зависимости ПАГ, Л0, Л1 рхп, НКБ, тсреза от: а - С№ 6 % масс, б - СРеТі 6 % масс при тр = 14,4 кс
хп
р
Введение никеля изменяет средний размер частиц (рис. 4). Показано, что при увеличении до 2 % никеля наблюдается интенсивное снижение размера частиц. Переход от диспергирования к агломерации в процессе МХА наблюдался при 2 % никеля. При введении 4 % никеля степень агломерации плавно снижается до 6 % .
При введении никеля до 4 % происходит снижение плотности холоднопрессованной заготовки на основе стружкового порошка -630 мкм. Минимальные значения плотности холоднопрессованной заготовки для материала легированного никелем наблюдается при 4 % масс., а дальнейшее увеличение концентрации никеля приводит к повышению плотности заготовки. Максимальные значения твердости и прочности достигаются при введении в материал 2 % Ni.
При введении FeTi до 2 % масс. снижается средний размер частиц, дальнейшее увеличении концентрации стабилизирует средний размер частиц после МХА, а средний размер частиц после ручной обработки начинает увеличиваться от 4 % масс. При концентрации 2 % масс. FeTi установлен переход от диспергирования к агломерации в процессе МХА и переход от агломерации к диспергированию при 4 % масс.
Минимальные значения плотности холоднопрессованной заготовки для материала легированного ферротитаном наблюдается при 2 % масс. при дальнейшем увеличении концентрации FeTi происходит увеличение плотности заготовки. При 2 % масс. FeTi твердость и прочность образцов достигают максимальных значений, при увеличении концентрации легирующего элемента происходит их постоянное снижение.
В результате МХА получают композиционные частицы, плакированные Al4B2O9 + AlB12, Al4B2O9, AlB12, AlBO3, за счет этих частиц снижается интенсивность окисления Al при предварительном нагреве в воздушной атмосфере при ДГП. Этим же можно объяснить и качество холоднопрессованных заготовок и горячедеформированных образцов [4].
Выводы
В результате проведенных исследований гранулометрического состава выявлено бимодальное распределение частиц по размерам, характеризующееся максимальным содержанием фракций с размером -63 мкм. Один максимум распределения находится при размере частиц менее 63 мкм, другой при размере частиц более 630 мкм, причем массовое содержание частиц с размерами менее 63 мкм составляет от 58 до 67 % (при времени размола 14,4 кс и содержании легирующих элементов 6 % масс.).
Оптимизировано содержание легирующих элементов (6 % масс.) и время размола (14,4 кс), обеспечивающие максимальный выход фракций размером -63 мкм. Построены 3D Spline модели зависимостей выхода фракций +630 мкм от времени размола и концентрации легирующих элементов. Выявлено влияние времени размола и концентрации легирующих элементов на механические свойства образцов. Установлен переход от диспергирования к агломерации при введении 2 % масс. легирующих элементов
и времени размола 14,4 кс. Показано, что введения легирующих элементов изменяет средний размер частиц, при увеличении до 2 % легирующих элементов наблюдается интенсивное снижение размера частиц.
Из проведенных исследований показано, что минимальные значения плотности холоднопрессованных образцов у материалов с добавлением 4 % масс. Ni и 2 % масс. FeTi. При этом максимальные значения плотности горячештампованных материалов на основе активированной стружки наблюдаются у материалов с добавлением 4 % масс. легирующего элемента.
Выявлена взаимосвязь между размерами частиц, процессами диспергирования и агломерации и свойствами полученных материалов. В отличие от ранее полученных результатов, установлено наследственное влияние процессов диспергирования и агломерации на механические свойства. Показано, что максимальное значение прочности на срез и максимальная твердость при введении легирующих элементов обеспечивается переходом от диспергирования к агломерации. Так же установлено влияние легирующих добавок на механические свойства.
Разработана технология получения горячедефор-мированных материалов на основе измельченной стружки алюминиевого сплава Д-16. Технология включает механохимическую активацию стружки Д-16 в высокоэнергетической мельнице, отделение фракции более 630 мкм., приготовление шихты на основе стружкового порошка с добавлением порошка алюминия (50 % масс.), формование заготовки путем холодного прессования (455 МПа) с последующей горячей штамповкой (550 оС, 0,15 кс, 140 МДж/м3), обеспечивающее получение материала с повышенными механическими свойствами на срез.
Литература
1. Алюминий. Металловедение, обработка и применение алюминиевых сплавов. - М., 1972.
2. Гопиенко, В.Г. Спеченные материалы из алюминиевых порошков / В.Г. Гопиенко, М.Е. Смагоринский, А.А. Григорьев, А.Д. Белавин. - М., 1993.
3. Дорофеев, Ю.Г. Кинетика механохимической активации стружки алюминиевого сплава Д-16, особенности уплотнения «стружкового» порошка и формирования полученного материала / Ю.Г. Дорофеев, Е.Н. Безбородов, С.Н. Сергеенко // Известия вузов. Цветная металлургия. -2003. - № 5. - С. 54 - 58.
4. Дорофеев, Ю.Г. Особенности формирования ком-пактированного материала из механически активированной стружки алюминиевого сплава Д16 / Ю.Г. Дорофеев, Е.Н. Безбородов, С.Н. Сергеенко // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2003. - № 2. - С. 31 - 33.
5. Материалы, получаемые методами порошковой металлургии из быстрозакаленных чешуек алюминиевого сплава 2024, содержащего переходные металлы. L i m Su-gun, Sugamata Makoto, Кашко Junichi. «Кэйкиндзоку, J. Jap. Inst. Light Melals.». - 1987. - 37. - № 10. - С. 690 -697 (яп.; рез. англ.).
6. Особенности деформации сжатием нанокристалли-ческих сплава Al^^ % Ti, полученных методом реакционного шарового размола в водороде и горячего прессования под сверхвысоким давлением. Compressive deformation behavior of nanocrystalline AL-5 а!% Ti alloys prepared by
reactive ball milling in H2 and ultra-high-pressing. Voon Ky- 7. Пат.4834942 США МКИ4 С22 С 21/00. Процесс по-
oung Il., Lee Kyung Sub. J. Alloys and Compounds. - 2002. - рошковой металлургии для получения высокотемператур-
333. - № 1 - 2. - С. 249 - 259. ного сплава алюминий-титан. Опубл. 30.05.89.
УДК 004.891, 002.53:004.89
О.И. Соловьева, А.В. Кожевников
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В статье предложена математическая модель прогнозирования уровня безопасности металлургического оборудования на основе статистических данных отказов его узлов, построенная с помощью нечетких множеств и генетических алгоритмов. С помощью данной модели могут быть созданы экспертно-аналитические системы оценки уровня безопасности металлургических агрегатов.
Машина непрерывного литья заготовок, нечеткая логика, генетический алгоритм, экспертная система оценки безопасности оборудования.
The paper proposes a mathematical prediction model of the security level of metallurgical equipment based on the statistics of failures of its components, built with the help of fuzzy sets and genetic algorithms. The expert-analytical systems of evaluation of the security level of metallurgical units can be created with the help of the model.
Continuous casting machine, fuzzy logic, genetic algorithm, expert system of evaluation of the security of equipment.
Непрерывная разливка является сложным техно -логическим процессом и характеризуется большим количеством взаимосвязанных физико-химических и механических закономерностей, недостаточно изученных в настоящее время. Сегодня не существует адекватных математических моделей, позволяющих осуществлять оценку состояния сталеразливочного оборудования в реальном масштабе времени на основе имеющегося (измеряемого) перечня параметров процесса.
Существующие физические и математические описания процессов непрерывной разливки обладают определенной неполнотой в силу недостаточной изученности причинно-следственных связей влияния параметров процесса на возможность появления, характер и степень проявления внезапных отказов и дефектов. Это обстоятельство осложняется невозможностью измерения одних параметров и неточностью (дрейфом) измерения других, как из-за ограниченных возможностей соответствующих датчиков, так и из-за непрерывного износа и периодической замены элементов оборудования в процессе работы машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Исходя из вышесказанного, актуальным является создание специализированной автоматизированной экспертной системы, прогнозирование состояния и уровня безопасности заготовки сталеразливочного оборудования путем применения правил распознавания одной из трех категорий («безопасно», «аварийный режим» и «требует специального осмотра и обследования») на основе совокупности технологических параметров процесса разливки и статистических данных об отказах узлов МНЛЗ.
Для достижения поставленной цели система реализует следующие функции:
- сбор данных, содержащих технологических параметры контролируемого процесса разлива и статистическое данные о ремонтах, ТО внеплановых остановках и отказах узлов МНЛЗ;
- обработку текущих параметров различными математическими методами;
- анализ результатов обработки и выработка прогноза состояния оборудования (распознавание категории);
- отображение и представление инженернотехническим работникам металлургических производств контролируемых параметров и результатов прогноза состояния оборудования и уровня его безопасности.
Процедура прогноза состояния оборудования основана на математическом аппарате теории нечетких множеств. Использование такого подхода обусловлено следующими причинами.
1. Физико-химический и технологический процесс непрерывной разливки чрезвычайно сложен и близок к «черному ящику», поскольку не определены однозначные связи между параметрами процесса и дефектами, а также причинами отказов, к которым они приводят.
2. Измерения контролируемых параметров неточны не только из-за недостаточной разрешающей способности датчиков, но и в силу искажения этих результатов «шумами», вызванными неконтролируемыми возмущениями.
Математическая теория нечетких множеств -единственная теория, которая математически оперирует со смысловым содержанием слов человека и позволяет описывать нечеткие понятия и знания, оперировать этими знаниями и делать нечеткие выводы. Нечеткое множество строго определяется с
