CC BY
75
УДК 621.771
А.М. Золотое, С.В. Ганин, Р.А. Паршиков, Е.С. Смирнов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ ПОРОШКОВ В КАПСУЛАХ
Получение компактных конструкционных и функциональных материалов с ультрамелкозернистой структурой из порошков при использовании традиционных методов порошковой металлургии связано со значительными технологическими трудностями [1]. Одно из перспективных направлений создания таких материалов — применение методов интенсивной пластической деформации (ИПД), в частности кручение под гидростатическим давлением и равноканальное угловое прессование (РКУП) [2, 3].
Наиболее перспективно применение этих методов для компактирования наноструктур-ных порошков и композиций на основе микро- и нанопорошков. Вместе с тем к одной из особенностей процессов компактирования нано-порошковых материалов относится их повышенная чувствительность к температуре обработки, которая выражается в консолидации частиц при относительно низких температурах. Так, например, консолидация наноразмерных частиц железа начинается уже при температуре 400 °С.
Особенность РКУП — совмещение процессов воздействия на заготовку повышенного гидростатического давления во входном канале и больших сдвиговых деформаций в переходной зоне канала. Такие условия деформирования применительно к компактированию порошковых заготовок позволяют увеличить площадь контакта частиц и разрушить оксидные пленки, что ведет к образованию новых ювенильных поверхностей, которые способствуют схватыванию порошков при значительных сдвиговых деформациях [3]. Эти особенности процесса также могут привести к снижению температуры прессования.
Чтобы оценить возможности применения РКУП для компактирования порошковых материалов, этот процесс был предварительно проанализирован с помощью математического моделирования.
Математическое моделирование процесса РКУП проводилось с использованием метода конечных элементов, при этом были приняты следующие представления: модель материала — упругопластическое тело, модель деформирования — плоская деформация [4]. Условия трения на поверхности контакта деформируемого материала с инструментом описывались путем задания коэффициента трения ц = 0,2. Предполагалось также, что все рассмотренные процессы идут при комнатной температуре. В качестве модельного материала использовался технический алюминий.
Моделирование процесса РКУ-прессования проводилось для канала, имеющего один поворот и следующую геометрию: угол пересечения входной и выходной частей канала Ф = 105°; внешний радиус сопряжения Я = 10 мм, внутренний радиус сопряжения г = 5 мм; ширина прямолинейных участков Ь = 20 мм (рис. 1).
Поскольку в основе исследуемого процесса лежит принцип накопления деформации, одним из критериев, по которому производилась его оценка, был выбран параметр равномерности величины накопленной деформации в объеме заготовки. Известно, что пластическая
деформация в металле сопровождается снижения ресурса пластичности. При этом накопление поврежденности в металле зависит от величины накопленной пластической деформации, вида напряженного состояния в различных частях заготовки, а также от направления формообразования заготовки при многократном повторении процесса. По этой причине еще одним немаловажным для такого рода процессов критерием служит коэффициент жесткости напряженного состояния к = о0/а, т. е. отношение величины гидростатического давления к величине интенсивности напряжений.
На рис. 2 показан характер распределения интенсивности накопленной деформации в продольной плоскости канала после одного прохода.
Из представленных результатов следует, что в передней части заготовки распределение накопленных деформаций носит неравномерный характер и их значения незначительны. Только на расстоянии, равном поперечному размеру заготовки от переднего торца, поле распределения накопленных деформаций стабилизируется и характеризуется относительной равномерностью в поперечном сечении. Характер этого распределения в значительной степени зависит от геометрии канала и условий трения на контактной поверхности.
На рис. 3 представлено распределение показателя жесткости напряженного состояния к для процесса РКУ-прессования.
Видно, что в деформируемой заготовке появляется область, прилегающая к верхней стенке выходного канала, глубиной порядка четверти высоты поперечного сечения, где значения коэффициента к больше нуля (к = 1,525). Отмеченная смена знака в данном случае объясняется немонотонностью процесса деформирования вдоль наружной стенки канала: гидростатические напряжения при переходе через очаг деформации меняют знак. Прилегающие к внутренней стенке слои материала, находясь во входном канале, испытывают сжатие, а в выходном канале — растяжение. В случае обработки малопластичных материалов, к которым относятся порошковые пористые, возникающие растягивающие напряжения могут стать причиной образования несплошностей на их поверхности.
Эти особенности формообразования заготовок при РКУП объясняют, почему многочисленные попытки применения этого процесса непосредственно для компактиро-вания порошковых материалов оканчивались неудачей.
Реализация этого процесса возможна только при использовании противодавления со стороны выходного канала, а также при создании условий снижения коэффициента трения на контактной поверхности. В противном случае возможно образование застойных зон [3, 5].
Полученные результаты предварительного анализа позволили сделать вывод о целесообразности применения для компактирования порошковых материалов методом РКУП специальных капсул, которые предохраняют прессуемый порошок от негативных внешних воздействий.
Для анализа процессов компактирования порошков в капсулах использовалось математическое моделирование. При этом сам порошок рассматривался как пористая среда.
При обработке давлением пористые материалы в отличие от компактных деформируются с необратимым изменением объема, увеличивая плотность за счет уменьшения размера пор [6, 7]. Для описания деформации некомпактных металлических материалов может быть применен математический аппарат механики сплошных сред, т. е. та же теория пластического течения, на базе которой исследуются процессы обработки давлением компактных материалов. Но для этого необходимо сформулировать условие пластичности уплотняемого материала и определить механические свойства в зависимости от пористости.
В статье рассматривается возможность анализа поведения пористого материала, исходя из представления поры как концентратора напряжений [6]. Эта отправная позиция приводит к эллиптическому условию пластичности. Идея представления пористого тела в виде полидисперсной среды с порами позволяет рассчитать пределы текучести на сдвиг и гидростатическое сжатие в зависимости от относительной плотности пористого материала при известном пределе текучести на растяжении компактного (матричного) материала.
Зависимости относительных пределов текучести на сдвиг и гидростатическое сжатие от
Рис. 3. Распределение показателя жесткости напряженного состояния к в продольном сечении заготовки после однократного деформирования при РКУ-прессовании
относительной плотности пористого материала представлены на рис. 4.
На первом этапе моделирования процесса исследовалась возможность деформирования порошковой заготовки в капсуле на первом проходе РКУП. На рис. 5, а представлена сетка конечных элементов порошковой заготовки в капсуле в исходном состоянии. Геометрия и размеры капсулы были определены на основании предварительных исследований, т. е. при-
нято, что минимальная толщина стенки капсулы должна быть больше высоты зоны положительных значений коэффициента к.
Результаты моделирования показали, что в отсутствие подпора со стороны выходного канала заготовка начинает терять устойчивость. Происходит ее изгиб в месте начала контейнера с порошком (рис. 5, б).
Результаты проведенных расчетов показали, что реализация процесса прессования без
Рис. 4. Зависимости относительных пределов текучести на сдвиг и гидростатическое сжатие от относительной плотности пористого материала
товки при прессовании сплошную заготовку из материала капсулы. После ее обработки во входной канал вставлялась капсула с порошком и производилось деформирование. Предварительно порошок в капсуле подпрессовывался до относительной плотности 0,65—0,67. Деформирование заготовки производилось в условиях изотермического прессования при температуре нагрева 300 °С. Материал капсулы — алюминий А7, коэффициент трения — 0,2.
Исходная сетка конечных элементов и положение заготовок в канале показаны на рис. 6.
На первом этапе прессования с подпором со стороны выходного канала происходит осадка капсулы с порошком с одновременным увеличением плотности пористого тела (рис. 7). Работает модель гидростатического сжатия пористой среды в зависимости от относительной плотности пористого материала. Толщина стенок капсулы при этом увеличивается, а высота капсулы уменьшается. Процесс осадки происходит аналогично процессу одностороннего прессования порошков в матрице, т. е. плотность пористой среды уменьшается сверху вниз. Это связано в основном с влиянием
Рис. 5. Сетка КЭ капсулы с порошком (а); изгиб заготовки при деформировании в канале и потеря устойчивости (б)
создания противодавления со стороны выходного канала на начальных этапах процесса невозможна.
Для создания противодавления было предложено использовать в качестве первой заго-
контактного трения на боковых поверхностях матрицы.
По мере увеличения плотности пористой части заготовки характер неравномерности распределения пористости сохраняется до достижения некоторой критической стадии (рис. 8), хотя неравномерность уменьшается. Далее сопротивление компактированию капсулы с порошком при осадке превосходит сопротивление течению первой заготовки в канале. Начинается движение первой и второй заготовок по каналу совместно (см. рис. 8).
После прохождения донной части капсулы через очаг деформации включается механизм уплотнения пористой части заготовки в матрице за счет сдвиговых деформаций под давлением. При этом пористая часть заготовки в капсуле уплотняется значительно более интенсивно по сравнению с первым этапом формообразования — воздействием гидростатического давления (рис. 9).
Следует отметить, что выбранные параметры геометрии капсулы обеспечивают в очаге деформации и при выходе из канала благоприятные условия деформирования пористой части заготовки под воздействием отрицательных значений гидростатического давления и сдвиговых деформаций (см. рис. 9).
Рис. 7. Распределение плотности порошка заготовки при осадке во входном канале
Рис. 6. Сетка конечных элементов капсулы с порошком при прессовании с подпором: 1 — первая заготовка; 2 — капсула с порошком
Рис. 8. Распределение плотности порошка заготовки при начале движения обеих заготовок в канале
В дальнейшем процесс выходит на стационарную стадию деформирования (рис. 10). Как можно видеть, уплотнение пористой заготовки в результате воздействия сдвиговых деформаций на границе раздела каналов происходит значительно более эффективно по сравнению с воздействием гидростатического давления во входном канале.
На рис. 11 представлено распределение пористости в порошковой части заготовки, полученное в результате экспериментального исследования процесса РКУП порошковых заготовок в капсулах. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются как качественно, так и количественно с результатами моделирования процесса.
Рис. 9. Распределения плотности порошка заготовки (а) и гидростатического давления в заготовках (б)
при выходе из очага деформации
Рис. 10. Распределения плотности порошка заготовки (а) и гидростатического давления в заготовках
на стационарной стадии деформирования
■ уч
V Г- \ I ^
_______
* , -Л
;; \ ■•'К'У
£ЙГ V'
3
б)
в)
т.
к
*' .' > ' Т
1": 4 '
V 1 "
I
. *
4 ■
\ . * »
I
"V
■4'
»1 ,
4 '
** & » »
Р ♦« V ' ¡Ж
1. ,
и^1
Ш
ч,
с
| *
' * I
Л . «
д)
¥ -,' *
► .«V
>
ШОй^ЖЭ^ г- •• • -
л
-.'V ' V-
Шт
-V -1
44
е)
№
Л* 'г1 - ■ "
"Ч.
V"»
ж)
ш
■ г
» V ■
Рис. 11. Общий вид образца (а) и полученое при экспериментальном исследовании РКУ-прессования
распределение пористости (х50) в отмеченных местах порошковой части заготовки: б — на границе 1 порошка под пробкой; в — в середине 2 порошка под пробкой; г — на входной части 3 границы порошка; д — на входной части в середине 4 порошка; е — в очаге деформации 5 на границе; ж — в середине 6 очага деформации; з — в выходной части 7 на границе; и — в середине 8 выходной части
2
Рис. 11. Окончание (см. с. 152)
Основные результаты нашего исследования следующие:
1. С использованием методов математического моделирования определены основные стадии компактирования пористого материала в капсуле в условиях неустановившегося процесса РКУ-прессования с подпором.
2. Показано, что процесс компактирования порошковой заготовки можно разделить на две стадии: одностороннее прессование порошка в капсуле во входном канале и уплотнение порошка за счет сдвиговых деформаций под давлением в переходной зоне канала.
3. Уплотнение порошка во входном канале происходит за счет осадки капсулы с порошком
и его одновременного радиального обжатия внутренними стенками капсулы.
4. Определена наименьшая толщина стенки капсулы, позволяющая обеспечить надежное уплотнение пористого материала без его разрушения.
5. Результаты математического моделирования процесса хорошо согласуются с данными по пористости реальных порошковых заготовок полученных при РКУ-прессовании.
Работа выполнена при финансовой поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки РФ (грант № 2.1.2/6955).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анциферов, В.Н. Порошковая металлургия и напыленные покрытия [Текст] / В.Н. Анциферов [и др.]. — М.: Металлургия, 1987. — 792 с.
2. Valiev, R.Z. Bulk nanostractured materials from severe plastic deformation / R.Z. Valiev, R.K. Islamgaliev, I.V Alexandrov // Progress in materials science. — 2000. — V 45. — № 10. — P. 103-189.
3. Русин, Н.М. Исследование особенностей пластического течения на макроскопическом уровне в порошковых телах при равноканаль-ном угловом прессовании [Текст] / Н.М. Русин // Перспективные материалы. — 2007. — № 4. — С. 83-91.
4. Рудской, А.И. Анализ особенностей деформирования заготовок методами интенсивной пластической деформации [Текст] / А.И. Рудской [и др.] // Металлообработка. — 2009. — № 6 (54). — С. 41-43.
5. Production of dense compact billet from ti-alloy powder using equal channel angular extrusion [Text]: final report / ARC Centre of Excellence for Design in Light Metals, Dept. of Materials Engineering, Monash University; officials Rimma Lapo-vok and Dacian Tomus. — Clayton, Melbourne, VIC 3800, Australia. — 2007. — P. 50.
6. Рыбин, Ю.И. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением [Текст] / Ю.И. Рыбин, А.И. Рудской, А.М. Золотов. — СПб.: Наука, 2004. — 640 с. — ISBN 5-02-025040-6.
7. Рудской, А.И. Модель пористого материала и условие пластичности пористых тел [Текст] / А.И. Рудской, Ю.И. Рыбин, А.Э. Александров // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2008. — № 4(63). — С. 249-254.
