CC BY
9
ISSN1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 2
Научная статья УДК 621.762
doi: 10.17213/1560-3644-2023-2-48-52
ИССЛЕДОВАНИЕ УПЛОТНЯЕМОСТИ ПОРОШКОВОЙ ШИХТЫ НА ОСНОВЕ МЕДИ С КАРБИДНЫМИ ДОБАВКАМИ
C.Н.. Миронова, Л.М. Белянкина, Р.А. Егоров, С.Н. Егоров
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Исследована уплотняемость медно-карбидной шихты. Выявлены и рассмотрены теоретические уравнения прессования, описывающие уплотнение шихты. Для медно-карбидной композиции определены теоретические уравнения прессования, описывающие процесс уплотнения. Вычислены постоянные уравнений прессования, позволяющие определить давление прессования, необходимое для достижения заданной пористости порошкового материала.
Ключевые слова: пористость, уплотняемость, уравнения прессования, карбид вольфрама, карбид кремния
Для цитирования: Миронова С.Н., Белянкина Л.М., Егоров Р.А., Егоров С.Н. Исследование уплотняемости порошковой шихты на основе меди с карбидными добавками // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2023. № 2. С. 48-52. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-2-48-52
Original article
INVESTIGATION OF COMPACTION OF POWDER CHARGE BASED ON COPPER WITH CARBIDE ADDITIVES
S.N. Mironova, L.M Belyankina, R.A. Egorov, S.N. Egorov
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. The purpose of the work is to investigate the compaction of the copper-carbide charge. To identify the theoretical pressing equations describing the compaction of the charge. For the copper-carbide composition, the theoretical pressing equations describing the compaction process are determined. The constants of the pressing equations are calculated to determine the pressing pressure required to achieve a given porosity of the powder material.
Keywords: porosity, compaction, compression equations, tungsten carbide, silicon carbide
For citation: Mironova S.N., Belyankina L.M, Egorov R.A., Egorov S.N. Investigation of Compaction of Powder Charge Based on Copper with Carbide Additives. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2023;(2):48-52. (In Russ.). http://dx.doi.org/ 10.17213/1560-3644-2023-2-48-52
Введение
Одним из перспективных направлений повышения функциональных свойств порошковых металлических сплавов является введение в их состав дисперсионных более твердых компонентов, не взаимодействующих с металлической основой материала. Анализ литературных источников свидетельствует, что на сегодняшний день резервы комплексного легирования твердого раствора в пределах растворимости
© ЮРГПУ(НПИ), 2023
при комнатной температуре можно считать исчерпанными.
При выборе упрочняющих добавок следует учитывать их термическую стабильность, обеспечивающую отсутствие химического взаимодействия с основным металлом с образованием новых фаз и малую склонность к коалес-ценции при рабочих температурах. Карбиды обладают более высокой стабильностью по сравнению с оксидами и боридами.
ISSN1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 2
Порошковые материалы с карбидными добавками применяются для изготовления деталей конструкционного и специального назначения, обладающих высокими значениями механических свойств, электропроводности, теплопроводности, износостойкости и устойчивости к дуговой эрозии. Они широко применяются в ди-верторных компонентах термоядерных реакторов в качестве барьера между плазменной облицовочной вольфрамовой плиткой и медным теп-лоотводом дивертора, электроконтактов.
В состав большинства технологических процессов порошковой металлургии входит операция статического прессования порошковых шихт до достижения заданной плотности. В случае получения спеченных деталей целесообразно получать заготовки с пористостью, близкой к конечной, так как повышение плотности на стадии спекания ограничено. Если деталь изготовляется горячей допрессовкой пористой заготовки, то выбор исходной пористости обусловливается достижением технологической прочности заготовки и необходимой степенью горячей пластической деформации, при которой формируется порошковый материал с заданным уровнем функциональных свойств. Поэтому практическое применение теоретических положений прессования порошков направлено на установление давления холодного прессования, при котором пористая заготовка формуется с заданным значением пористости. Основой теории холодного прессования служит выявление зависимостей пористости формовки от приложенного давления, которые выражаются в виде политропических, экспоненциальных, логарифмических уравнений прессования. Большинство этих уравнений получены путем математической обработки экспериментальных данных и описываются с достаточной степенью точности лишь для рассматриваемых порошков и условий прессования. Значительно больший интерес представляют уравнения прессования, выведенные на основе физической природы уплотнения сыпучей среды.
В частности, эти уравнения использовались для анализа уплотнения твердосплавных смесей [1].
Целью работы является исследование возможности применения уравнений при прессовании медных композиций с карбидными добавками, определить постоянные уплотняемости для оптимизации технологии изготовления порошковых изделий на основе меди с карбидными добавками.
Для достижения поставленной цели необходимо исследовать уплотняемость медно-кар-бидной шихты и выявить теоретические уравнения прессования, описывающие её уплотнение.
Материалы и методы исследования
В работе использовались порошки меди марки ПМС-1 ГОСТ 4960-2009, карбида вольфрама марки 95 ТУ 48-19-456-88, карбид кремния марки 64С ГОСТ 26327-84 (выбор карбидных добавок обусловлен уровнем их физико-механических свойств), порошковые композиции: 90%Си+10%ШС; 80%Си+20%ШС; 80%ШС+20%Си; 95%Си+5%81С; 98%Си+2%81С.
Для приготовления шихты и вычисления пористости прессовок рассчитывали аддитивную плотность беспористого порошкового материала по формуле
Рмат = 1/(ССи/ РСи+Скарб/ Ркарб),
где ССи - массовая концентрация меди; Скарб -массовая концентрация карбида; рСи - плотность меди; Ркарб - плотность карбида.
Результаты расчета плотности беспористого порошковвого материала представлены в табл. 1.
Таблица 1/ТаЬ1е 1
Плотность беспористого материала / Density of nonporous material
Номер состава Содержание компонентов, % по массе Плотность, г/см3
Cu WC SiC
1 90 10 - 9,32
2 80 20 - 9,75
3 20 80 - 13,51
4 95 - 5 8,19
5 98 - 2 8,61
Смешивание проводили в двухконусном смесителе и планетарной центробежной мельнице САНД-1. Для предотвращения окисления в шихты добавляли этиловый спирт. Отношение массы шаров к массе шихты составляло 2,5:1. Неоднородность шихт по содержанию компонентов не превышала 8 %. Смешивание порошков проводили в течение 30 мин.
Формование брикетов осуществлялось методом одностороннего прессования на гидравлическом прессе модели 2ПГ-125 с осевым давлением прессования от 150 до 550 МПа в стальной цилиндрической пресс-форме согласно ГОСТ 25280-90.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 2
Выбор данного метода формования обусловлен технологичностью осуществления, простотой конструкторского исполнения, возможностью получения прессовки заданных размеров [2-7].
После прессования определяли плотность прессовок согласно ГОСТ 25281-82.
Результаты исследования
Экспериментальные результаты обрабатывались для их интерпретации с использованием теоретических уравнений прессования, выведенных М.Ю. Бальшиным [8, 9], К. Коно-пицким [10], А.Н. Николаевым [11], Г.М. Жда-новичем [12], а также уравнение А.Н. Николаева, преобразованное Г.М. Ждановичем [13]. Данные уравнения представлены в табл. 2.
Для анализа возможности применения теоретические уравнения прессования были преобразованы в виде Р = /(К) или = /(К), чтобы выявить прямолинейную зависимость между силовым параметром уплотнения и параметром (К), выражающим пористость прессовки.
Таблица 2 / Table 2 Уравнения прессования/ Pressing equations
Автор Общепризнанный вид уравнения Критерий K
М.Ю. Бальшин [81 lgP = -¿•(P-^+lgPmax (1) Р-1
К. Конопицкий [10] Р = ^1п(По/П) (2) 1п(По/П)
М.Ю. Бальшин [91 lgP = -m • lgP+lgPmax (3) lgß
А.Н. Николаев [111 9 P = - П)х . 1-П х ln— (4) (1-П) -1п(1-П/П)
А.Н. Николаев, Г.М. Жданович [13] 9 Р = - П)х П0 х lnT0 (5) (1-П) -1п(По/П)
Г.М. Жданович [12] Р = Рк -[(Ро/Р)"-1]/ (Ро"-1) (6) [(ßo/ß)"-1]/(ßo"-1)
Примечание: Р - давление прессования; в - относительный объем; Ртах - давление прессования до достижения беспористого состояния; По - насыпная пористость; П - пористость; От - предел текучести; Рк - напряжение, при котором пуансон погружается в испытуемый материал. Численно Рк равно твердости материала при максимальной степени его упрочнения; во - относительный объем в свободно насыпанном состоянии; Ь, а - коэффициенты.
^ \
4
2,4
2,6 lgP
(1-П)1п
1-П
П
1,5
1
0.5
/
/
J
/
M , "У
i
200 300 400Р,МПа
д
Рис. 1. Зависимости критерия пористости порошковой прессовки от давления прессования и химического состава шихты: а - по уравнению (1) М.Ю. Бальшина; б - по уравнению (2) К. Конопицкого; в - по уравнению (3) М.Ю. Бальшина; г - по уравнению (4) А.Н. Николаева; д - по уравнению (5) А.Н. Николаева и Г.М. Ждановича; е - по уравнению (6) Г.М. Ждановича / Fig.1 - Dependences of the porosity criterion of powder pressing on the pressing pressure and the chemical composition of the charge: a - according to equation (1) of M.Y. Balshin; б - according to equation (2) of K. Konopitsky; в - according to equation (3) of M.Y. Balshin; г - according to equation (4) of A.N. Nikolaev; д - according to equation (5) of A.N. Nikolaev and G.M. Zhdanovich; e - according to equation 6 of G.M. Zhdanovich
б
а
в
г
е
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 2
Зависимости уплотняемости порошковых прессовок исследуемых составов показаны на рис. 1. Обозначения линий уплотнения шихт исследуемых составов приведены на рис. 1, а. При построении графиков по оси абсцисс откладывались значения давления прессования или логарифм давления прессования, по оси ординат -значения параметра К, приведенного в табл. 2.
Обсуждение и заключение
Как видно из рис. 1, для описания процесса уплотнения композиций Си+10%ШС и Си+20%ШС следует использовать уравнение (3) М.Ю. Бальшина [9]. Уплотнение композиции ШС+20%Си целесообразно описывать уравнением (2) К. Конопицкого. Уравнение (6) Г.М. Ждановича [12] адекватно описывает уплотнение композиций Си+2%8Ю и Си+5%81С.
Различие в природе карбидных добавок и их содержание в порошковой композиции обусловливает отличия состояний порошковых шихт до уплотнения и характера структурных изменений материала частиц порошка в условиях напряженного состояния в процессе прессования, что приводит к описанию этого процесса различными уравнениями прессования.
По уравнениям М.Ю. Бальшина, К. Коно-пицкого и Г.М. Ждановича проведен расчет численных значений постоянных уравнений прессования. Для уравнения М.Ю. Бальшина эти постоянные - логарифм максимального давления прессования 1&Ртах, который показывает уплотняемость на стадии пластической деформации частиц порошка, и показателя уплотняе-мости т, характеризующего уплотняемость на всем пути прессования, включая этапы пластической объемной деформации частиц. По уравнению К. Конопицкого - постоянная А, показывающая уплотняемость на этапе объемной деформации частиц порошка. По формуле Торре рассчитан предел текучести для исследуемой композиции. По уравнению прессования Г.М. Ждановича рассчитана постоянная Рк, численно равная твердости материала при максимальной степени его упрочнения. Данные, полученные в результате аналитических исследований для композиций на медной основе с карбидными добавкам, представлены в табл. 3. Среди теоретических уравнений прессования наиболее распространенным является второе уравнение М.Ю. Бальшина [9] (см. рис. 1, в). Укажем постоянные этого уравнения для ограниченного интервала давлений прессования композиций ШС+20%Си, Си+2%8Ю, Си+5%8Ю.
Таблица 3/ Table 3
Постоянные уравнения прессования / Constant pressing equations
Состав порошковой композиции lgPmax m A 00,2, МПа Рк, МПа
Cu+10%WC 3,05 5,98 - - -
Cu+20%WC 2,94 4,32 - - -
WC+20%Cu 3,34* 7,77* 292 584 -
Сu+2%SiC 2,88** 3,95** - - 690
Cu+5%SiC 3,1* 4,37* - - 755
Примечание. Интервал давлений прессования: *225 - 500МПа; "170 - 350 МПа
Анализ экспериментальных результатов показывает, что увеличение содержания карбидных добавок затрудняет уплотняемость порошковой шихты. Этот факт объясняется увеличением сил трения частиц порошка о стенки матрицы и на межчастичных контактных поверхностях. Твердость карбидных составляющих достигает значений 9,0 - 9,5 единиц по шкале Мооса (85 - 95 HRC). Наибольшее значения lgPmax наблюдается у композиции с 80 % карбидной составляющей, что согласуется с теоретическими положениями порошковой металлургии.
По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы.
1. Для исследуемых порошковых композиций определены теоретические уравнения прессования, математически описывающие процесс уплотнения.
2. Определены постоянные уравнений прессования, позволяющие определить рабочее давление прессования, необходимое для достижение заданной пористости материала, что имеет практическое значение для выбора оборудования и расчета пресс-форм.
Список источников
1. Бондаренко В.П., Джамаров С. С., Байденко А.А. О применении теоретических уравнений прессования при гидростатическом уплотнении твердосплавных смесей // Порошковая металлургия, 1974. № 1. С. 16-20.
2. Colan H., Constantinescu V., Orban R. Cercetari Asupra Structuriisi Proprietafilor Aliajelor Cu-Zn-Si Utilizateca Lianfi Pentru Sinterizarea Prin Infiltrare a Materialelor Compozite Cu Diamante Sintetice // A IlI-a Conferinta nasionala de metalurgia pulberilor. Cluj-Napoca 1988. Vol. 1. P. 171-177.
3. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии: в 2 т. Т. 1. М.: МИСиС, 2002. 213 с.
4. Роман О.В., Габриелов И.П. Справочник по порошковой металлургии: порошки, материалы, процессы. Минск.: Беларус, 1980. 496 с.
5. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1980. 496 с.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 2
6. Раковский В.С., Саклинский В.В. Порошковая металлургия в машиностроении. М.: Машиностроение, 1973. 126 с.
7. Порошковая металлургия и напыленные покрытия / под ред. Б.С. Митина. М.: Металлургия, 1987. 791 с.
8. Бальшин М.Ю. Порошковое металловедение. М.: Ме-таллургиздат, 1948. 332 с.
9. Бальшин М.Ю. Порошковая металлургия. М.: Машгиз, 1948. 186 с.
10. Konopicky K. Roden Rundschou, 1948. 141 р.
11. Николаев А.Н. Связь между давлением и плотностью прессовок из металлических порошков // Порошковая металлургия, 1962. № 3, С. 3 - 10.
12. Жданович Г.М. Основы теории прессования металлических порошков. Минск: Изд-во БПИ, 1960.
13. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков. М.: Металлургия, 1969. 264 с.
References
1. Bondarenko V.P., Jamarov S.S., Baidenko A.A. On the Application of Theoretical Equations of Pressing in Hydrostatic Compaction of Carbide Mixtures. Powder Metallurgy.1974; (1):16-20. (In Russ.)
2. Colan H., Constantinescu V., Orban R. Cercetari Asupra Structuriisi Proprietafilor Aliajelor Cu-Zn-Si Utilizateca Lianfi Pentru Sinterizarea Prin Infiltrare a Materialelor Compozite Cu Diamante Sintetice. A Ill-a Conferinta Nasionala de Metalurgia Pul-berilor. Cluj-Napoca. 1988; (1):171-177.
3. Libenson G.A., Lopatin V.Yu., Komarnitsky G.V. Processes of Powder Metallurgy. In 2 vols. Volume 1. Moscow: MISIS; 2002. 213 p.
4. Roman O.V., Gabrielov I.P. Handbook of Powder Metallurgy: Powders, Materials, Processes. Minsk: Belarus; 1980. 496 p
5. Kiparisov S.S., Libenson G.A. Powder Metallurgy. Moscow: Metallurgy; 1980. 496 p.
6. Rakovsky B.C., Saklinsky V.V. Powder Metallurgy in Mechanical Engineering. Moscow: Mechanical Engineering; 1973. 126 p.
7. Mitin B.S. Powder Metallurgy and Sprayed Coatings. Moscow: Metallurgy; 1987. 791 p
8. Balshin M.Yu. Powder Metallology. Moscow: Metallurgizdat; 1948. 332 p.
9. Balshin M.Yu. Powder Metallurgy. Moscow: Mashgiz; 1948. 186 p.
10. Konopicky K. Roden Rundschou;1948. 141 p.
11. Nikolaev A.N. Powder Metallurgy; 1962.
12. Zhdanovich G.M. Fundamentals of the Theory of Pressing Metal Powders. BPI Publishing House; 1960.
13. Zhdanovich G.M. Theory of Pressing Metal Powders. Moscow: Metallurgy; 1969. 264 p.
Сведения об авторах
Миронова Светлана Николаевна - ст. преподаватель, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», тйгопоуа_8УеАап@таП.ги
Белянкина Лилия Михайловна - аспирант, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», 1Шуа-Ье1@уаМех.ги
Егоров Роман Александрович - аспирант, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование, е.г.а-09@таП.ги
Егоров Сергей НиколаевичЕ - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», yegorov50@mai1.ru
Information about the authors
Mironova Svetlana N. - Senior Lecturer, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», mironova_svetlan@mail.ru
Belyankina Lilia M. - Graduate Student, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», lilya-bel@yandex.ru
Egorov Roman A. - Graduate Student, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», e.r.a-09@mail.ru
Egorov Sergey N. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», yegorov50@mail.ru
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 17.04.2023; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 02.05.2023; принята к публикации / acceptedfor publication 03.05.2023.
