CC BY
25
ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2013 №3(8), С. 37-41
ИЗЫСКАНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ^ СТРОИТЕЛЬСТВО И МОНТАЖ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС
УДК 621.762
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОПЛОТНОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ УПЛОТНЕНИИ
ПОРОШКОВОЙ БРОНЗЫ
© 2013 г. А.А. Мецлер, Ю.Ю. Медведев, С.А. Томилин, Т.А. Литвинова
Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного
университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.
Поступила в редакцию 12.09.2013 г.
Рассмотрены механизм и технологические особенности формирования высокоплотного материала при электроконтактном уплотнении порошковой бронзы с циклическим приложением давления прессования. Выявлена возможность влияния на величину площади контакта между частицами порошка.
Ключевые слова: электроконтактное уплотнение, порошковая бронза, пористость, давление прессования, циклическое приложение давления прессования.
При производстве изделий методами порошковой металлургии наиболее широкое применение получила технология горячего динамического прессования заготовок [1], позволяющая получать порошковые материалы с заданными свойствами, а также создавать новые материалы, производство которых традиционными методами затруднено или практически невозможно. Высокие требования, предъявляемые к современным материалам, вызывают необходимость проведения дальнейших исследований в этой области.
В настоящее время отмечается несколько путей развития порошковой металлургии. Одним из них является совершенствование технологических приёмов, основой которых является совмещение термоэлектрического воздействия на порошковую шихту с деформационным.
Закономерным развитием этого направления является электроконтактное уплотнение. Его преимуществами являются высокая технологичность и возможность получения высокоплотных порошковых изделий из порошковых материалов с повышенной твёрдостью без предварительной термообработки. Например, в [2] предложен способ получения порошковой высокоаустенитной стали 110Г13 методом электроконтактного уплотнения.
Настоящая работа является продолжением серии исследований по выявлению закономерностей формирования порошковых изделий рассматриваемым методом. В ней изложены особенности формирования высокоплотного материала при электроконтактном уплотнении порошковой бронзы.
В качестве исходного материала использовали бронзовый порошок марки БрОФ8,0-0,3. Выбор этого порошка объясняется его низкой прессуемостью при формировании пористых заготовок статическим холодным прессованием, обусловленной высокой микротвёрдостью материала частиц (1470...1600 МПа), полученных в результате кристаллизации при высоких скоростях охлаждения, реализуемых в процессе распыления расплавленного металла.
В работе [3] была установлена принципиальная возможность получения этим
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013
методом высокоплотного материала на основе бронзового порошка, определены параметры процесса, приводящие к получению материала с остаточной пористостью не более 1,5-3 %. Проведённые исследования позволили выявить и изучить механизмы электроконтактного уплотнения, кинетика которых регулируется давлением прессования, длительностью пропускания электрического тока и его плотностью [4].
Совмещение механического и электрического воздействий на порошковую заготовку является основой электроконтактного уплотнения. Поэтому одним из важнейших направлений развития метода является определение степени влияния вышеперечисленных технологических параметров на процесс формирования порошкового материала.
Наряду с электроконтактным уплотнением при постоянном приложении давления прессования [3, 4], для более детального изучения этого процесса в настоящей работе было рассмотрено формирование порошковой бронзы в условиях циклического приложения давления прессования.
Для установления закономерностей уплотнения в условиях циклического приложения давления прессования был проведен ряд экспериментов. Электроконтактное уплотнение проводили на лабораторной установке, конструкция и принцип действия которой представлены в [5]. Величину плотности полученного материала определяли методом гидростатического взвешивания. Методика проведения исследований заключалась в следующем.
Навеска массой 1,2 г помещалась в диэлектрическую матрицу. Затем прикладывалось давление прессования и, спустя небольшой промежуток времени (2 - 3 секунды), через порошковую шихту пропускался электрический ток. Через определённое время (5-7 секунд) давление прессования снималось, и процесс сопровождался пропусканием электрического тока без нагрузки с примерно равным временным интервалом (5-7 секунд). Далее процедура повторялась при постоянном воздействии на прессовку электрического тока.
Результаты проведённых экспериментов при различных значениях прикладываемой нагрузки [6] позволили сделать заключение, что порошковая бронза, полученная при постоянном давлении, обладала большим значением пористости, нежели сформированная в условиях циклического приложения давления прессования (табл. 1). Причем, с возрастанием давления прессования темп снижения пористости увеличивался и уже при величине давления 440 МПа пористость при циклическом способе его приложения, оказалась более чем в 2 раза ниже, чем при постоянном. Это объясняется тем, что воздействие электрического тока на металлический порошок порождает следующие явления. На контактных участках между соседними частицами под влиянием тока происходит интенсивный массоперенос в твёрдой фазе [7]. Кроме того, часть металла может расплавляться, что сопровождается, как правило, ещё более интенсивным массопереносом. Локальный разогрев металла, обусловленный консолидацией линий прохождения электрического тока в приконтактной зоне, может приводить к оплавлению соответствующих участков частиц и, как следствие, повышению плотности материала.
Таблица 1. Зависимость пористости образцов от способа приложения давления
прессования
Плотность тока ./, МА/м2 Длительность пропускания тока, с Давление прессования, МПа Пористость, %
при постоянном давлении при циклическом давлении
40 50 320 9,2 6,9
380 8,8 5,1
440 7,9 3,2
Для более наглядного отображения процессов, происходящих в результате
совместного электромеханического воздействия на уплотняемый материал и
отличающихся характером прикладываемой нагрузки, рассмотрим циклограмму, представленную на риснке 1.
а)
//
б)
а) - при постоянном приложении давления; б) - при циклическом приложении давлении
Рис. 1. Схема уплотнения бронзового порошка с учётом стадийности воздействия давления прессования
Первоначальное приложение давления прессования без пропускания электрического тока (рис. 1 а, б, стадия I) в обоих случаях оправдано, так как уплотнение порошковой шихты происходит на этом этапе из насыпного состояния по
механизму структурной деформации. Вследствие этого структура материала в обоих случаях представляет собой упорядоченное расположение частиц с максимально возможным для этой стадии уплотнением.
При пропускании тока (рис. 1 а, стадия II) уплотнение протекает по механизму пластического течения. Формирование материала на этом этапе облегчается тепловыделением в межчастичных областях. С течением времени постоянно оказываемое давление начинает препятствовать интенсивному разогреву частиц в зоне контакта (рис. 1 а, точки 1-2), способствуя образованию новых контактных участков (рис. 1 а, стадия III, точки 3-4). При этом доля контактной поверхности увеличивается, плотность тока, проходящего через контактные участки за счет увеличения их площади снижается, а тепловой эффект уменьшается.
В результате тепловыделения в контактной зоне, необходимого для протекания процессов разупрочнения и образования качественного сращивания на контактных поверхностях недостаточно, что приводит к разрыву частиц и формированию материала с относительно высокой конечной пористостью (табл. 1).
Положительное влияние циклического приложения давления на плотность прессовки объясняется структурообразованием материала в условиях горячей пластической деформации, сопровождающимся возникновением новых площадок контакта (рис. 1 б, стадия II, точки 1-2) за счёт поворота и смещения частиц, способствующих более плотной их упаковке, а, следовательно, более интенсивному снижению пористости. Снятие давления способствует также протеканию релаксационных процессов и снятию упрочнения материала частиц, вызванного предшествующей пластической деформацией. Повторно прикладываемое давление приводит к увеличению площади контактной поверхности (рис. 1 б, стадия III, точки 34) и дальнейшему уплотнению.
Таким образом, можно констатировать, что в случае электроконтактного уплотнения с циклическим приложением давления происходит чередование процессов упрочнения и разупрочнения, что способствует улучшению прессуемости порошковой шихты.
Исходя из полученных результатов исследования формирования порошковой бронзы в различных условиях механического воздействия на уплотняемый материал, можно сделать вывод, что при реализации схемы с циклическим приложением нагрузки появляется возможность регулирования величины площади контакта между частицами порошка путём периодического приложения и снятия усилия прессования. В этом случае достигается требуемая степень разогрева приповерхностных объемов частиц и обеспечивается получение качественного межчастичного сращивания в сочетании с высокой плотностью материала. Известно, что свойства порошкового материала в значительной степени определяются качеством контактного взаимодействия и структурой материала [1]. Кроме этого, для разработки технологических процессов и прогнозирования свойств порошковых изделий необходимо оценивать относительную площадь контактного сечения [8]. Поэтому, указанное влияние на величину площади контакта между частицами порошка дает возможность получать материалы с заранее заданными свойствами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дорофеев, Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок [Текст] / Ю.Г. Дорофеев. - М.: Металлургия, 1977. - 122 с.
2. Пирожков, Р.В. и др. Получение структуры стали 110Г13 методом электроконтактного уплотнения [Текст] / Р.В. Пирожков, Т.А. Литвинова, С.А. Томилин // Глобальная ядерная безопасность. - 2012. - № 4(5). - С.49-53.
3. Егоров, С.Н. и др. Исследование технологических параметров процесса ЭПУ при получении высокоплотных порошковых изделий [Текст] / С.Н. Егоров, А.А. Мецлер // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2005. - Спец. вып. - С.101-104.
4. Мецлер, А.А. Влияние технологических режимов электропластического уплотнения на пористость порошковой бронзы [Текст] / А.А. Мецлер // Материалы и технологии XXI века : сб. ст. IV Междунар. науч.-техн. конф., 23-24 марта 2006 г. - Пенза, 2006. - С. 8-10.
5. Егоров, С.Н. и др. Установка для электропластического уплотнения металлического порошка [Текст] / С.Н. Егоров, Ю.Ю. Медведев, М.С. Егоров и др. // Порошковые и композиционные материалы. Структура, свойства, технология: сб. науч. тр. -Новочеркасск, 2001. - С.45-48.
6. Мецлер, А.А. и др. Зависимость пористости порошковой бронзы от способа приложения давления прессования [Текст] / А.А. Мецлер, Т.А. Литвинова, С.А. Томилин // Теоретические и практические научные инновации: сб. науч. докладов (29.01.2013 - 31.01.2013). - Краков, 2013. - С. 53-57.
7. Райченко, А.И. Основы процесса спекания порошков пропусканием электрического тока [Текст] / А.И. Райченко. - М. : Металлургия, 1987. -122 с.
8. Шубин, А.П. и др. Математическая модель формирования контактного сечения порошкового материала [Текст] / А.П. Шубин, С.А. Томилин, В.В. Маневич, С.Н. Егоров // Теория и практика изготовления порошковых и композиционных материалов и изделий: c6. науч. тр. -Новочеркасск: Юж.-Рос. гос. техн. ун-т, 2002. - С. 60-64.
Highsolid Material Formation Peculiarities during Powder Bronze
Electrocontact Compression
A.A. Metzler*, Yu.Yu. Medvedev*, S.A. Tomilin**, T.A. Litvinova*
Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenin St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360, *e-mail: [email protected], **e-mail: [email protected]
Abstract - This article describes the mechanism and techniques peculiarities of hihgsolid material formation during powder bronze electrocontact compression with cycle enclosure of pressure compressing. The authors exposed the opportunity to influence the quantity of contacts area between powder particles.
Keywords: electrocontact compression, powder bronze, porosity, pressure compressing, cycle enclosure of pressure compressing.
