CC BY
27
УДК 621.762
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СТРУЖКИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АЛ 30
© 2012 г. М.К. Дюжечкин
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Исследовано влияние давления холодного прессования на процессы уплотнения порошковых материалов при формовании заготовок и деформации при горячей штамповке. Выявлены оптимальные значения давления холодного прессования, обеспечивающие получение горячедеформированного порошкового материала с повышенными механическими свойствами. Установлена связь между коэффициентом пропорциональности и давлением холодного прессования.
Ключевые слова: порошковые материалы; алюминиевый сплав; кремний; экструзия; твердость; пористость.
This paper represents the study of cold compaction pressure effect on the processes of powder materials' compaction during billet molding and swaging deformation. Optimal values for cold forming pressure providing production of hot-deformed powder material with increased mechanical properties have been revealed. Connection between the proportionality factor and cold forming pressure has been determined.
Keywords: powder materials; aluminum alloy; silicon; extrusion; hardness; porosity.
Введение
Методика проведения эксперимента
Одним из перспективных направлений ресурсосбережения при получении новых материалов является использование стружковых отходов металлов и сплавов. В ЮРГТУ (НПИ) разработаны технологии получения горячедеформированных порошковых материалов (ГДПМ) на основе утилизации стружковых отходов Д16 с добавками порошков алюминия [1].
Технологии горячей обработки давлением порошковых материалов (ГОД ПМ) на основе алюминия, легированного кремнием, применяются при получении гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [2 - 4]. Порошковые материалы алюминий -кремний обладают мелкодисперсной структурой с равномерным распределением частиц кремния. Механическая и химическая обработка рабочей поверхности горячедеформированной гильзы обеспечивает формирование рельефа, характеризующегося наличием раскрытых частиц кремния, выступающих над алюминиевой основой, что приводит к повышению износостойкости материала поверхностных слоев. Наличие дисперсных частиц оксида алюминия в структуре материала повышает жаростойкость и эксплуатационную надежность гильз цилиндров ДВС по сравнению с аналогичными компактными материалами. Структура и свойства ГДПМ на основе стружки алюминиевого сплава определяются процессами, протекающими при шихтоприготовлении и формовании заготовки [5 - 8].
Цель работы - установить влияние давления холодного прессования на закономерности уплотнения и деформации при холодном прессовании (ХП), горячей штамповке с элементами экструзии (ГШЭЭ) и формирования механических свойств горячештампованных материалов.
В качестве исходных материалов использовали стружку сплава АЛ 30 со средним размером частиц 670 мкм, полученную путем обработки напильником. Средний размер частиц сплава Al-Si составил 670 мкм. Холодное прессование проводили в стальной матрице на гидравлическом прессе давлением 63 - 564 МПа. Холоднопрессованные формовки нагревали в воздушной атмосфере в течение 0,3 кс при 843 К. Горячую штамповку с элементами экструзии проводили на копре с массой падающих частей 50 кг с удельной работой горячей штамповки wrin 170 МДж/м3.
Механические свойства материала определили путем испытания на срез в специальном приспособлении тф и твердость HRE (ГОСТ 24622-81) на твердомере ТР5056 УХЛ.4.2 (d шарика - 3,175 мм; нагрузка -980,7 H; выдержка - 30 с). Процессы уплотнения и деформирования материала при холодном прессовании оценивали значениями:
- относительной плотности формовки бхп и горячедеформированного пресс-остатка 9по
0хп -
Рхп
Рк
0по -
где Рхп, рк и рпо - плотность холоднопрессованной формовки, компактного материала и горячедеформи-рованного пресс-остатка;
- радиальной Еа и высотной ен деформации при ГШЭЭ
6а = 1п(^по / ^хп) ; Ч = 1п(Нпо / Нхп) ,
где апо и - диаметр пресс-остатка горячедеформированных и холоднопрессованных заготовок; Н^ и Нпо - высота холоднопрессованных и пресс-остатка горя-чедеформированных заготовок;
к
- коэффициента пропорциональности для порошкового материала Kпр = pхп /еь, где рт - давление
холодного прессования.
В процессе ГШЭЭ наблюдали частичное разуплотнение и разрушение свободной поверхности экс-трудированного элемента. Для оценки степени дефектности формования при ГШЭЭ определяли относительное изменение массы образца
ДМ = (Шгш - тхп ) / тхп -100%,
где тхп и тгш - массы холоднопрессованных и горяче-деформированных заготовок.
Закономерности уплотнения при холодном прессовании описывали уравнением Бальшина [9]:
Рхп = ртах (®хп ) '
где ртах - расчетное значение максимального давления холодного прессования, обеспечивающее получение беспористой прессовки; п - обратная величина доли пластически смещенного объема при уплотнении частиц.
Результаты экспериментальных исследований
Влияние давления холодного прессования на значения относительных плотностей холодной формовки 0т и горячедеформированного пресс-остатка 9по, радиальной ел и высотной деформации при ГШЭЭ, относительного изменения массы образца ДМ, длины экструдированного элемента 1ээ, прочность на срез тф и твердость верхнего HREв и нижнего HREн торца представлены в таблице и на рис. 1.
Связь между коэффициентом пропорциональности и давлением холодного прессования описали линейным уравнением регрессии при коэффициенте корреляции г = 0,984:
К пр (Рхп ) =-67,33 - 0,8рхп .
На основе результатов исследования влияния относительной плотности на давление холодного прессования определили параметры уравнения Бальшина:
Рхп = 1228 (0хп )4,7.
Анализ графических зависимостей е^(рхп) (рис. 1) показал, что при увеличении давления холодного прессования с 63 до 313 МПа наблюдается интенсивный рост е^, связанный с заполнением технологического зазора между стенкой матрицы и боковой поверхностью образца. Уменьшение рхп приводит к повышению пористости формовки (таблица), уменьшению е^ и увеличению абсолютных значений высотной деформации |еь| при фиксированных значениях ^гш.
Результаты экспериментальных исследований
Рхп МПа 63 188 313 440 564
Sd 0,050 0,051 ±7,5E-04 0,052 ±1,9E-03 0,052 ±1,1E-03 0,052 ± 1,2E-03
Sh -0,775 ± 1,4E-03 -0,601 ± 0,113 -0,417 ±0,011 -0,372 ± 0,053 -0,393 ± 0,128
4э, ММ 1,23 ± 0,15 3,51 ± 1,50 6,81 ± 2,33 3,42 ± 0,31 6,72 ± 0,02
ДМ, % -8 ± 8 -12 ± 14 0 ± 1,1E-01 0 ± 2,1E-01 0 ± 3,4E-01
тср, МПа 84 ± 25 104 ± 60 161 ± 10 124 ± 21 152
©хп 0,531 ± 7,1E-04 0,676 ± 4,2E-03 0,753 ± 3,4E-03 0,804 ± 5,8E-03 0,834 ±0,02
©по 0,950 ± 5E-03 0,953 ± 0,01 0,957 ± 9,6E-03 0,953 ± 1,3E-03 0,950 ± 0,007
©н 0,198 ± 0,006 0,194 ± 0,002 0,203 ± 0,012 0,217 ± 0,005 0,210 ± 0,009
HREB 90 ± 1 88 ± 3 92 ± 2 90 ± 4 91 ± 4
HREH 91 ± 2 86 ± 6 93 ± 1 88 ± 5 91 ± 3
Зависимости НЯЕ, 1ээ, тср, 0по (рхп) носят экстремальный характер, при этом максимальные значения твердости 92 НЯЕв и 93 НЯЕп, длины экструдирован-ного элемента 1ээ = 6,8 мм, относительной плотности горячедеформированного пресс-остатка 9по = 0,957, предела прочности на срез тср = 161 МПа обеспечиваются при Рхп, равном 313 МПа. Увеличение Рхд от 63 до 313 МПа приводит к увеличению твердости, длины экструдированного элемента, предела прочности на срез и уменьшению степени разрушения, оцениваемой потерей массы.
а б
Рис. 2. Микроструктура материала на основе: а - компактного алюминиевого сплава АЛ 30; б - стружки алюминиевого сплава АЛ 30
Микроструктурный анализ образцов показал, что в процессе горячего деформирования стружки алюминиевого сплава АЛ 30 формируется мелкодисперсный материал с однородной структурой (рис. 2) и снижается размер и количество литейных дефектов сплава АЛ 30.
Выводы
Максимальные значения предела прочности на срез и твердости горячедеформированного порошкового материала достигаются при оптимальных значениях давления холодного прессования, обеспечивающих повышенную относительную плотность пресс-остатка, длину экструдированного элемента и минимальную потерю массы. Установлено наследственное влияние процессов при холодном прессовании на закономерности формирования структуры и свойств.
Поступила в редакцию
Литература
1. Дорофеев Ю.Г., Безбородое Е.Н., Сергеенко С.Н. Особен-
ности уплотнения при формовании порошковых материалов на основе алюминия, подвергнутых механохими-ческой активации // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн науки. 2001. № 4. С. 47 - 51.
2. Дюжечкин М.К. Обзор технологий получения порошковых композиционных материалов на основе алюминия для гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания (ДВС) // Студенческая научная весна - 2011 : материалы регион. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2011. С. 373.
3. Дюжечкин М.К. Анализ технологий получения порошко-
вых гильз цилиндров ДВС // Студенческая научная весна - 2010 : материалы регион. науч.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых Рост. обл. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2010. С. 131 - 132.
4. Сергеенко С.Н., Федосеева М.А., Дюжечкин М.К. Особенности формирования пористых заготовок на основе алюминия // Результаты исследований - 2011 : материалы 60-й науч. конф. профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2011. С. 280.
5. Дорофеев Ю.Г., Безбородое Е.Н., Сергеенко С.Н. Особен-
ности формирования компактированного материала из механически активированной стружки алюминиевого сплава Д-16 // Металловедение и термическая обработка материалов. 2003. № 1. С. 31 - 33.
6. Дорофеев Ю.Г., Безбородое Е.Н., Сергеенко С.Н. Разработка технологии получения горячедеформированного порошкового материала на основе механохимически активированной стружки алюминиевого сплава Д-16 // Материаловедение. 2002. № 9. С. 40 - 45.
7. Дорофеев Ю.Г., Безбородов Е.Н., Сергеенко С.Н. Особен-
ности формирования горячедеформированных материалов на основе механохимически активированной стружки алюминиевого сплава Д-16 // Технология легких сплавов. 2002. № 2. С. 25 - 28.
8. Дорофеев Ю.Г., Безбородов Е.Н., Сергеенко С.Н. Особен-
ности уплотнения при динамическом горячем прессовании материалов на основе механохимически активированной стружки сплава Д-16 // Технология легких сплавов. 2002. № 3. С. 37-41.
9. Митин Б. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. М., 1987. 791 с.
10 апреля 2012 г.
Дюжечкин Михаил Константинович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-4-09, (918) 592-01-66. E-mail: [email protected], [email protected]
Dyuzhechkin Michail Konstantinovich - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-4-09, (918) 592-01-66. E-mail: [email protected], [email protected]
