CC BY
27
УДК 621.762 Слабкий Д.В.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННОЙ СТРУЖКИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Д-16
Аннотация. Исследовано влияние концентрации никеля (0-6%масс.) в шихте и времени размола (1,8-14,4 кс) на гранулометрический состав и механические свойства материала на основе измельченной стружки Д-16. Оптимизировано содержание никеля и время размола, обеспечивающие максимальный выход фракций, размером -63 мкм, а также наилучшие механические свойства.
Ключевые слова: стружка Д-16, механохимическая активация, измельчение.
Введение
Использование методов порошковой металлургии энергетически более целесообразно по сравнению с получением заготовок другими методами (литье, штамповка с последующей обработкой до получения готовой детали). Также методы порошковой металлургии позволяют снизить стоимость производства деталей.
В ЮРГТУ (НПИ) разработаны технологии получения горячедеформированных порошковых материалов на основе механохимически активированной (МХА) стружки алюминиевого сплава Д-16. Показано, что применение насыщенного водного раствора ортоборной кислоты является эффективным способом диспергирования алюминиевой стружки при МХА. Установлены оптимальные значения содержания насыщенного водного раствора борной кислоты в шихте (20°% масс.) и время обработки стружки в высокоэнергетической мельнице (10,8 кс) [1]. При этих параметрах происходит образование малосвязанных агломератов, состоящих из частиц с меньшим размером. 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 [2]. Введение 2-6% масс. N1 повышает микротвердость и прочность при испытаниях на многоцикловую усталостность [3].
Цель работы: установить закономерности влияния содержания порошка никеля на кинетику размола, физико-механические свойства горячедеформированных порошковых материалов на основе механически активированной стружки Д-16.
Методика 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, никель ПНК-УТ1 (ГОСТ 9722-97), борную кислоту (ГОСТ 18704-78), порошок алюминия (ПА-4, ГОСТ 6058-73). При исследовании влияния времени размола тр (1,8-14,4 кс) на гранулометрический состав измельченной стружки в шихту вводили 0-6% масс. никеля, а также насыщенный водный раствор борной кислоты
(20% от массы шихты) для защиты от окисления материала стружки Д-16 [1, 2].
МХА стружки проводили в шаровой планетарной мельнице САНД-1 при частоте вращения ротора 290 мин-1 и соотношении масс шаров (dmapoB =10 мм) и шихты Мшар0в:шших1ъ1 = 10:1. Ситовый анализ проводили в соответствии с ГОСТ 18318-94, с последующей обработкой в ступе (0,9 кс) и разделением по фракциям +630 и -630 мкм. Часть активированной шихты смешивалась с порошком алюминия (ПА) в соотношении 50:50.
Холодное прессование производили на гидравлическом прессе ПГ-50 (455 МПа). Предварительный нагрев (550°С, 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. Были проведены исследования механических свойств горячепрессо-ванных образов. Твердость образцов замерялась по Роквеллу на твердомере 5006 УХЛ42 по шкалам HRE (нагрузка - 980,7 Н и диаметр индентора - 3,175 мм). Исследование предела прочности на срез проводилось в специальном устройстве на разрывной машине.
Результаты экспериментальных исследований
Построены 3-D Spline модели зависимостей выхода фракций +630 мкм от времени размола (тр) и концентрации никеля (CNi) и изолинии AR+630, % масс. Анализ моделей зависимостей влияния концентраций никеля и времени размола тр на выход фракций +630 мкм (рис. 1) 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).
Для оценки степени агломерации порошковой шихты при ее механической активации определяли показатель агломерации (ПАГ) (рис. 2) по формуле
ПАК = ^0-, d1
где d0 - средний размер частиц после МХА; d1 - средний размер частиц после ручной обработке в ступе.
Механические свойства горячедеформированныхматериалов.
Слабкий Д.В.
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, 2 - 35...40, 3 - 40...45, 4 - 45...50, 5 - 50...55):
а - после МХА, б - после МХА и РО
Введение никеля изменяет средний размер частиц. Переход от диспергирования к агломерации в процессе МХА наблюдался при 2% никеля. При введении 4% никеля степень агломерации плавно снижается до 6%.
д
/ А
/
0 2 4 6
Рис. 2. Зависимость ПАГ от концентрации никеля
Исследования плотности и механических свойств представлены в таблице.
При введении никеля до 4% происходит снижение плотности холоднопрессованной заготовки на основе стружкового порошка фракцией -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.
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 (2,96 г/см3-((-630)+ПА)). Введение порошка алюминия снижает плотность горячедеформированного материала. Минимальное
значение плотности 2,41 г/см3 наблюдается на образце на основе стружкового порошка (10,8 кс, 0% масс Ni (-630)).
Проведенный анализ экспериментальных данных твердости ГДПМ показал, что максимальные значения твердости имеют образцы, полученные из стружкового материала с размером частиц -630 мкм при времени МХА 1,8 кс при концентрации легирующего элемента 4% масс. Наименьшая твердость образцов на основе материала ((+630)+ПА) - при времени обработки 10,8 кс и концентрации никеля 6% масс. Максимальное значение предела прочности на срез (214 МПа) наблюдается на образцах с содержанием легирующего элемента 2% масс. из чистого стружкового материала с временем МХА 7,2 кс. Проанализировав таблицу, можно сделать вывод, что максимальные значения механических свойств образцов (твердость и предел прочности на срез) достигаются на образцах из чистого стружкового материала с размером частиц -630 мкм, порошок алюминия значительно снижает эти значения.
Выводы
Оптимизировано содержание легирующих элементов (6%масс.) и время размола (14,4 кс), обеспечивающие максимальный выход фракций размером менее 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.
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 горячедеформированного материала имеют образцы, полученные из стружкового материала при времени МХА 1,8 кс при концентрации легирующего элемента 4% масс.
Максимальные значения механических свойств образцов (твердость и предел прочности на срез) достигаются на образцах из чистого стружкового материала с размером частиц -630 мкм, порошок алюминия значительно снижает эти значения.
Установлен переход от диспергирования к агломерации при введении 2% масс. легирующих элементов и времени размола 14,4 кс. Показано, что введение легирующих элементов изменяет средний размер частиц, при увеличении до 2% легирующих элементов наблюдается интенсивное снижение размера частиц.
Список литературы
1. Безбородое Е. Н. Горячедеформиро-ванные порошковые материалы на основе механохимически активированного «стружкового» порошка Д-1б: авто-реф. ... канд. техн. наук / ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2003. 25 с.
2. Дорофеев Ю.Г., Безбородое E.H., Сергеенко С.Н. Особенности формирования компактированного материала из механически активированной стружки алюминиевого сплава Д16 // Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. №2. С. 31-33.
3. Материалы, получаемые методами порошковой металлургии из быстроза-каленных чешуек алюминиевого сплава 2024, содержащего переходные металлы / Lim Sugun, Sugamata Makoto, Kaneko Junichi. // Кэйкиндзоку, J. Jap. Inst. Light Melais. 1987, 37, №10, 690697 (яп.; рез. англ.)
Сведения об авторе
Слабкий Дмитрий Васильевич - аспирант Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: dmitrii666s@mail.ru.
Плотность, прочность и предел прочности на срез горячедеформированного материла
Время Сл.э., % от массы стружки (+630)+ПА (-630)+ПА (+630) (-630)
обработки, КС СО s 0 ■_ Ё 1_ Œ ш 0£ 1С Тер, МПа ргш, г/см3 ш 0£ 1С Тер, МПа СО s 0 ■_ Ё 1_ Œ ш 0£ 1С Тер, МПа СО s 0 ■_ Ё 1_ Œ ш О! zn Тер, МПа
0 2,66 66 110 2,64 85 144 2,70 91 145 2,79 115 188
1,8 2 2,61 83 121 2,52 83 98 2,71 98 145 2,67 110 141
4 2,64 79 102 2,64 83 123 2,72 98 155 2,91 119 147
6 2,68 77 110 2,61 79 106 2,76 100 204 2,87 118 98
0 2,68 79 80 2,66 87 149 2,73 100 110 2,67 110 94
3,6 2 2,65 88 104 2,47 81 98 2,70 98 98 2,63 108 141
4 2,69 86 131 2,71 89 126 2,72 99 100 2,73 111 -
6 2,70 73 131 2,96 96 163 2,90 99 153 2,78 109 90
0 2,76 80 113 2,68 93 141 2,64 102 186 2,83 113 149
5,4 2 2,69 86 106 2,61 92 147 2,74 97 163 2,78 107 -
4 2,70 91 94 2,63 89 100 2,92 97 157 2,57 99 -
6 2,72 59 98 2,68 92 147 2,75 95 139 2,56 101 -
0 2,70 83 112 2,63 90 170 2,74 102 129 2,57 111 152
7,2 2 2,71 58 108 2,84 88 141 2,70 100 149 2,64 107 214
4 2,72 87 114 - 88 155 2,65 100 145 2,57 105 129
6 2,71 84 125 2,69 99 168 2,77 99 145 2,56 100 180
0 2,66 77 110 2,76 88 143 2,70 83 104 2,41 71 -
10,8 2 2,70 90 118 2,68 89 151 2,72 102 86 2,52 113 139
4 2,73 97 133 2,64 91 151 2,80 99 86 2,45 107 78
6 2,69 62 112 2,70 88 159 2,68 100 116 2,62 110 163
0 2,76 90 88 2,68 84 112 2,64 101 96 2,52 108 112
14,4 2 2,65 89 125 2,71 92 153 2,71 97 155 2,72 108 -
4 2,71 60 133 2,74 94 168 2,71 91 196 2,66 105 112
6 2,70 71 123 2,64 90 149 2,76 96 137 2,55 105 -
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
MECHANICAL PROPERTIES OF HOT DEFORMED MATERIALS BY MECHANICALLY ACTIVATED ALUMINUM CHIPS D-16
Slabkiy Dmitry Vasilievich - a postgraduat student, South Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: dmitrii666s@mail.ru.
References
Abstract. The effect of nickel (0-6% mass) concentration in the charge and the grinding time on the material's granulometric composition and its mechanical properties based on ground chips D-16 have been studied. Nickel contents and grinding time providing maximum output of fractions with size of -63 microns have been optimized as well as the best mechanical properties of materials.
Keywords: ground chips D-16, mechanical and chemical activation, grinding.
•-
1. Bezborodov E.N. Hot-powder materials based on mechanically activated chips powder D-16. Abstract. Novocherkassk, 2003, 25 p.
2. Dorofeyev J.G., Bezborodov E.N., Sergeenko S.N. Osobennosti formirovaniya kompaktirovannogo materiala iz mekhanicheski aktivirovannoj struzhki alyuminievogo splava D16 [Features of the formation of the compacted material from mechanically activated aluminum chips D16]. Metallurgy and heat treatment of metals. 2003, no. 2, pp. 31-33.
3. Lim Sugun, Sugamata Makoto, Kaneko Junichi. Materials obtained by powder metallurgy methods of rapidly quenched alloy 2024 aluminum flake containing transition metals. Keykindzoku, J. Jap. Inst. Light MelaIs. 1987, 37, no. 10, 690-697 (Jap.; res. Eng.).
