Исследование песчано-смоляных смесей при одновременном статическом и термическом воздействии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.744

Е. Н. ЕРЕМИН В. Ю. КУЛИКОВ Т. В. КОВАЛЁВА

Омский государственный технический университет Карагандинский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕСЧАНО-СМОЛЯНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ СТАТИЧЕСКОМ И ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

В статье выведены уравнения напряженно-деформированного состояния смеси. Приведены результаты исследования целесообразности некоторого увеличения давления на смесь в процессе формообразования, зависимости прочности на разрыв и изгиб от прилагаемого статического давления на смесь во время формообразования оболочки, зависимости шероховатости формы от изменения давления в процессе формирования оболочки.

Ключевые слова: формообразование оболочки, формовочная смесь, отливка.

В природе, технике, в том числе и в производстве новых материалов, часто встречаются дисперсные системы, в которых одно вещество равномерно распределено в виде частиц внутри другого вещества. Это относится, в том числе, к процессу таблетирования при производстве полимеров, изготовлении твердосплавных напаек для режущего инструмента, к шихтовым материалам, брикетам, получаемым в металлургической практике, и некоторым другим смесям, широко используемым в производстве новых и традиционных материалов. Все это в полной мере относится и к формовочным материалам, используемым в металлургическом и литейном производстве.

Применение компьютерных технологий и моделирования позволяет сделать расчеты параметров машин и оборудования и технологических процессов производства значительно более производительно и точно, что существенно повышает качество разработок промышленной техники и технологии. Все это в конечном итоге сказывается на жизнедеятельности общества. Необходимо иметь в виду, что эффективное воздействие на организацию качественной бесперебойной продукции достигается только при правильном выборе технологических процессов, соответствующем техническом оснащении производственных, в том числе и литейных цехов, возможности заранее предусмотреть, как отразятся на заготовках и готовых изделиях те или иные факторы. Все это можно достигнуть путем глобальной информатизации и переоборудования в производственных цехах.

Известно, что от структуры тела зависят его свойства. Одной из важных задач, стоящих перед наукой и практикой, является повышение производительности изготовления изделий из дисперсных материалов за счет модернизации существующего оборудования и внедрения новых технологических процессов.

Построение математических моделей процессов уплотнения для описания напряженно-деформированного состояния проводится в целях выбора рациональных схем и режимов уплотнения, позволяет управлять структурой изделий. Вследствие этого появляется возможность регулирования свойств изделий, таких как плотность, прочность, газопроницаемость, шероховатость. Внедрение инновационных устройств и способов изготовления прессованных изделий позволит повысить производительность, качество изготовляемой продукции, то есть приведет к снижению себестоимости продукции, а значит, сделает ее конкурентоспособной на рынке товаров.

Управление свойствами дисперсных материалов осуществляется через построение математических моделей и тем самым осуществляется прогнозирование технологических параметров для обеспечения заданных характеристик.

В частности, одним из важных технологических свойств дисперсных смесей является газопроницаемость, то есть их способность пропускать газы. Возникает необходимость определить зависимость газопроницаемости от условий прессования.

При статическом прессовании на дисперсную смесь действует давление прессовой колодки и давление воздуха в слое [1].

Давление прессовой колодки определяется по зависимости (1):

Рк =\-{ • стс •

П

(1)

где £ — коэффициент бокового давления; f — коэффициент внешнего трения; о0 — давление прессовой колодки на границе с дисперсной смесью; П — периметр матрицы; Ртш — площадь матрицы, х — текущая координата рассматриваемого слоя смеси по высоте.

Давление от воздуха в слое смеси будет определяться по зависимости (2)

Рв = (п - 1) •

ду

где п — пористость смеси; р в элементарном слое смеси.

В [2] определена зависимость давления от плотности и массы смеси:

--• 1п1"Т[РпР ~ —

а I к F„,

• (Н -1)

Во ' В1

, (2)

давление воздуха Р

Р 2 '(Во + Б1)'

где Е0, Е — соответственно модуль упругости в момент времени t=0 и t=t¡;

ер — деформация релаксации. Зависимость (6) есть уравнение ползучести пес-чано-смоляной смеси при приложенной статической нагрузке на смесь.

2 • х

~вГ

(1 - е х )

(6)

где а — коэффициент потери сжимаемости; к0 —начальное значение коэффициента прессования; рпр — предельная плотность сплошного тела; т — масса смеси; — площадь прессовой колодки; Н — высота заполнения матрицы; Ь — расстояние, пройденное поршнем при прессовании.

Давление на смесь будет суммой давлений от прессовой колодки и внутрипорового воздуха.

е г П др

/ • ст0 • г • -— + (п - 1) — • г =

Fмат дУ

= - - • [Рпр -■

(3)

Газопроницаемость связана с пористостью следующей зависимостью [3]:

где т — период ползучести в момент времени t=t¡.

Экспериментально исследовались зависимости прочности на разрыв и изгиб от прилагаемого статического давления на смесь в время формообразования оболочки. Давление через прессовую плиту осуществлялось сжатым воздухом из пнвмопро-вода. График зависимости прочности на разрыв и изгиб от прилагаемого статического давления на смесь приведен на рис. 1, 2. Экспериментально определено, что приложение давления на смесь повышает прочность. С повышением давления после 0,2 — 0,25 МПа прочность увеличивается, но интенсивность повышения прочности падает по мере повышения давления. Таким образом, оптимальным давлением при формообразовании оболочек для отливок отопительного оборудования следует признать 0,18-0,25 МПа.

Г = d2 •

52

96 • (1 - п) • л

(4)

где й — диметр зерна; 5 — площадь просвета между частицами смеси; ц — динамическая вязкость газа.

Таким образом, подставляя (4) в (3), можно выразить значение газопроницаемости.

Г = -

ду

--• 1п\[ р„

РЩ1 • (Н - Ь)

/ •Яц •г

П

•96^

Средний диаметр зерен определяется их фракцией. Очевидно, что площадь просвета между частицами будет зависеть от укладки зерен и их формы.

При этом элементарное внутрипоровое давление можно определить по (5) [4]

Рис. 1. Зависимость прочности на разрыв и изгиб от прилагаемого статического давления на смесь во время образования оболочки

др = ■

1 + В,

К о ^ , и

,, т, , — (а, + 2а3) +-— (ст. -а3Н , (5)

№аУ0 [3 1 3' 3ц 1 3 ' (5) Ро

где ро — начальное значение порового давления, обычно до приложения механической нагрузки, равное атмосферному; N — начальный объем воздуха в порах в единице объема смеси; Вз — коэффициент, зависящий от фракции и формы песка; V — коэффициент изменения объема; ц — коэффициент Пуассона смеси; К — коэффициент пропорциональности.

Определено напряжение релаксации ар песчано-смоляной смеси:

инзг» МПа 15

14

>>

1 «с- и--1

\У 1 / А V / с к

/\ < / / ' / ■ 2

/ /у —

"В, МПа

4,8 4,6 4,4

4,2 4,0

0,1 03 0,5 0,7 Р. МПа

1 -К0315-70%+К02-30%, 2 - 1К02-70%+- 1К016-30%: сплошная линия - с пунктирная - ошг

Рис. 2. Влияние использования песков разных фракций на прочность смеси

£

р

z

т

Р

я = ст

т

г'пр • (Н - Ц

т

а

Рис. 3. Зависимость шероховатости, газопроницаемости и прочности формы от изменения давления в процессе формирования оболочки

Рис. 4. Зависимость величины пригара от давления на смесь в процессе формообразования

Р: кг/я3

1750 1650 1550 1450 1350

... '-""'А

t" "" f ^ . .6

»

/

J

/

/ / 1 V

/ / у'

У/

<

0 ОД ОД 0,3 Р, ИПа

пунктирная - 1К0315-100%; сплошная - 1К0315-70%+ 1К02-30°/о; пунктирная с точкой - 1К02 -100%

Рис. 5. Зависимость плотности смеси от величины прилагаемой нагрузки

Использование в смеси песков одной фракции при повышении давления приводит к параллельному повышению прочности смеси. При использовании смешаных фракций вначале большую прочность имеют пески с более крупной фракцией, при использовании давления свыше 0,45 МПа несколько большую прочность как на разрыв, так и на изгиб имеют смеси с наполнителем меньших фракций. Это связано с более полным удалением внутрипорового воздуха и тем, что пески меньших

фракции более плотно («монолитнее») прилегают друг к другу при данном давлении, придавая смеси большую прочность.

Также исследовалось влияние целесообразности некоторого увеличения давления на смесь в процессе формообразования. Определено, что при увеличении давления на 0,03 — 0,05 МПа снижается шероховатость оболочковых форм, не снижая при этом технологически необходимой величины газопроницаемости. При дальнейшем увеличении давления наблюдается снижение газопроницаемости менее 100 ед. и некоторое увеличение шероховатости, что обусловлено выдавливанием зерен в уже образующейся оболочке. Прочностные свойства также ухудшаются вследствие выгорания связующего при более интенсивном прогреве ПСС.

График зависимости шероховатости формы от изменения давления в процессе формирования оболочки приведен на рис. 3. Начальное давление во всех случаях составляло 0,2 МПа. Время выдержки оболочки на плите — 30 с при температуре 250 0С. Спекание оболочки происходило в электропечи при температуре 350 0С в течение 180 с. Наполнитель — песок фракций в соотношении 1К0315-70 % и 1К02-30 %. Связующее — пульвербакелит — 5 %.

Доля оценки пригара после охлаждения отливок из них дисковой фрезой вырезали образцы размером 30x30x15 мм. Плоскость образцов зачищалась от легко отделяемого пригара формовочной смеси. Оставшийся пригар (трудно отделяемый) удалялся в расплаве едкого натра при температуре 500 0С в течение 4...6 часов (по достижению постоянного веса образца). За количественную характеристику пригара принималось отношение веса пригара к площади поверхности образца (г/см2). Результаты экспериментальных данных по изучению зависимости величины пригара от давления на смесь приведены на графике (рис. 4). Как видно из графика, приложение нагрузки во время образования оболочковой формы значительно влияет на величину пригара в сторону его снижения. Давление 0,18...0,25 МПа, определенное как оптимальное для получения форм радиаторов, можно признать весьма удовлетворительным и для величины пригара. По мере увеличения давления уменьшается скорость снижения пригара на отливках.

Зависимость плотности от величины прилагаемой нагрузки во время формообразования оболочки по результатам экспериментальных исследований представлены на рис. 5. При проведении экспериментов использовались смеси с различными фракциями песка в качестве наполнителя. Как показали эксперименты, с повышением величины давления плотность дисперсной песчано-смоляной смеси повышается по закону, близкому к параболическому. Разница в начальной насыпной плотности смеси сохраняется примерно при любом давлении.

Таким образом, найдено, что оптимальным для получения плотной и прочной оболочки является давление на смесь, состоящее из основной и дополнительной нагрузки. Основная нагрузка на смесь находится в пределах 0,18.0,22 МПа. Увеличение нагрузки в процессе формирования оболочки до 0,22. 0,30 МПа повышает прочность на разрыв песчано-смоляной формы на 0,3.0,4 МПа [5]. Полученные математические зависимости формообразования дисперсных смесей можно использовать в производстве новых материалов, в частности полимерных изделий, твердосплавных материалов методами порошковой металлургии и других.

Библиографический список

1. Матвеенко, И. В. Динамические и импульсные процессы и машины для уплотнения литейных форм / И. В. Матвеенко, А. З. Исагулов, А. А. Дайкер. — Алматы : Гылым (Наука), 1998. — 345 с.

2. Максимов, Е. В. Механизм уплотнения слоя дисперсных частиц и особенности взаимодействия теплоносителя с ними / Е. В. Максимов, А. З. Исагулов, В. Ю. Куликов // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 80-летию Е. А. Буке-това, 23 — 24 марта 2005 г. — Караганда, 2005. — С. 422 — 429.

3. Гуляев, Б. Б. Формовочные процессы / Б. Б. Гуляев, О. А. Корнюшкин, А. В. Кузин. — Л. : Машиностроение, 1987. — 264 с.

4. Исагулов, А. З. Влияние внутрипорового воздуха на напряжённое состояние дисперсной среды при статической нагрузке / А. З. Исагулов, В. П. Малышев, В. Ю. Куликов // Труды университета. Карагандинский гос. техн. ун-т. — 2004. — № 3. — С. 34 — 36.

5. Исследование технологических характеристик дисперсных формовочных материалов / В. Ю. Куликов, Св. С. Квон, Е. П. Щербакова, Т. В. Ковалёва // Мок^аБ НеШуоБ А1еШБ. — 2014. — № 6. — С. 640 — 642.

ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), директор машиностроительного института, заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: weld_techn@mail.ru. КУЛИКОВ Виталий Юрьевич, кандидат технических наук, доцент НА ККСОН (Республика Казахстан), заведующий кафедрой нанотехнологий и металлургии Карагандинского государственного технического университета. Адрес для переписки: mlpikm@mail.ru. КОВАЛЁВА Татьяна Викторовна, преподаватель кафедры нанотехнологий и металлургии Карагандинского государственного технического университета. Адрес для переписки: sagilit@mail.ru

Статья поступила в редакцию 10.09.2015 г. © Е. Н. Еремин, В. Ю. Куликов, Т. В. Ковалёва

УДК 62179192042 Е. Н. ЕРЕМИН

Т. А. ШЕВЕЛЕВА Ю. О. ФИЛИППОВ А. С. ЛОСЕВ С. А. БОРОДИХИН А. Е. МАТАЛАСОВА

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛА ЗУБЬЕВ ВЕНЦОВ, НАПЛАВЛЕННЫХ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ ПП-АН170

Приведены результаты исследования структуры и твердости наплавленного металла зубьев венцов при использовании полуавтоматической наплавки порошковой проволокой ПП-АН170 в сравнении с электродами Т-620. Предложены параметры режима термической обработки наплавленного металла. Показано, что структура наплавленного металла состоит из карбидных выделений, равномерно распределенных в мартенситной матрице с твердостью выше 60 HRC, что обеспечивает его повышенную износостойкость.

Ключевые слова: наплавка, зубья, порошковая проволока, твердость, структура, износостойкость.

В процессе эксплуатации детали ходовой части гусеничных машин работают в сложных условиях циклических нагрузок в окружении абразива, подвергаются значительному износу.

Наиболее изнашивающейся деталью, определяющей работоспособность гусеничного тягача, является ведущее колесо. Ведущее колесо выполняется

из ступицы и зубчатых венцов. Основную нагрузку от гусеницы воспринимают зубья венца. Именно они определяют износостойкость ведущего колеса в целом.

Для изготовления зубчатых венцов используется сталь 35ХН2МЛ, химический состав которой по ТУ-24-1-12-181-75 приведен в табл. 1.