CC BY
13
УДК 621.762
В. Н. КОКОРИН, А. С. МАРКОВ
ПРЕССОВАНИЕ СТРУКТУРНОНЕОДИОРОДНЫХ ДИСКРЕТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРИСУТСТВИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ПРИ ВЫДАВЛИВАНИИ ВЫСОКОПЛОТНЫХ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ
Рассматриваются вопросы уплотнения полидискретных структурнонеодпородных порошковых материалов. Приведена кривая уплотнения, рассмотрены закономерности порозаполнения.
Ключевые слова: порошок, уплотнение, кавитация.
Одним из наиболее распространённых видов металлокерамической продукции являются детали общего назначения на железной основе, например, кулачки, накладки, шайбы, заглушки, рьгчаги и другие детали, применяемые в различных отраслях машиностроения и приборостроения.
Детали общего назначения в машиностроении и приборостроении работают в самых разнообразных условиях, при различных видах нагру-жения и величинах нагрузок, могут испытывать как статическое, так и динамическое нагруже-ние, подвергаться знакопеременным нагрузкам.
По величине нагрузки на детали можно классифицировать следующим образом: ненагру-женные, малонагруженные, средненагруженные и сильнонагруженные. В зависимости от рабочей нагрузки на деталь выбирается материал и технология её изготовления.
Использование методов порошковой металлургии позволяет производить детали в виде готовой продукции или заготовок, требующих небольшую механическую обработку.
Металлокерамические порошковые детали должны обладать высокой плотностью и прочностью, приближающейся к прочности и плотности деталей, изготовленных из проката или литья.
Установлена детерминированная связь [1] между уровнем механических свойств деталей и остаточной пористостью 9 материала.
В зависимости от остаточной пористости машиностроительные детали общего назначения, изготовленные из материалов на основе железа, разделяют на следующие классы [2]:
- ненагруженные детали (9 = 20...25 %);
- малонагруженные детали (9 = 13.. .18 %);
- средненагруженные детали (б = 8.. .12 %);
- сильнонагруженные детали (плотные,
9 = 1 ...3 %).
© В. Н. Кокорин, А. С. Марков, 2008
Производством освоены различные способы получения деталей высокой плотности: многократное прессование и спекание, гидростатическое и изостатическое прессование, горячее и взрывное прессование, прокатка металлических порошков, прессование скошенным пуансоном и в металлических оболочках, горячая штамповка пористых заготовок, экструдирование и др.
Существующие технологии изготовления высокоплотных деталей используют высокий уровень давлений прессования, что обусловливает повышенный износ пресс-форм, при этом наблюдается появление расслойных трещин на боковых поверхностях деталей.
Наглядное представление о зависимости плотности от давления прессования дают диаграммы уплотнения (рис. 1).
Рис. 1. Кривая уплотнения: 1...Ш- стадии уплотнения
В соответствии с общепринятыми представлениями [2] процесс уплотнения порошковых материалов описывается следующим образом. Первая стадия характеризуется преобладанием автономной, разрушающей контакты деформации при общем уплотнении и консолидации порошкового тела. На второй стадии наблюдается интенсивное увеличения контактного сечения, всё большую роль начинают играть неавтономные деформации, сопровождающиеся
фиксированием контактов. С момента полного фиксирования контактов происходит пластическая деформация сформированного материала, характерная для третьей стадии уплотнения.
Всестороннее сжатие порошкового тела сопровождается увеличением только фиксированных контактов вследствие пластической деформации частиц материала. При этом относительная плотность деталей на основе железа не превышает 90% от теоретической, что обусловливает ограниченное применение технологии прессования металлических порошков с использованием схем одностороннего статического нагру-жения в замкнутых пресс-формах.
Первая стадия - уплотение от плотности насыпной рн = 38...40% (характеристика исходного материала) до плотности порогового уровня 70...75%; вторая стадия - снижение интенсивности порозаполнения, переукладка частиц завершена, наблюдается наряду с пластической деформацией частиц и увеличением площади контакта интенсивное транспортирование жидкой фазы на периферийные краевые участки, начало образования крупных каверн; третья стадия уплотнения характеризуется явновыражен-ным порозаполнением за счёт интенсивных сдвиговых деформаций металлической основы фракций порошка, при этом возрастает уровень гидростатического давления «запертой» в кавернах несжимаемой жидкой фазы.
На кафедре «Материаловедение и ОМД» УлГТУ разработана технология получения высокоплотных заготовок и деталей по схеме одностороннего прессования в замкнутой пресс-форме с использованием эффекта гидравлической кавитации.
В экспериментальных исследованиях авторов использован железный распылённый порошок марки АНС 100.29 фирмы «Нс^апдо» (Швеция) (табл. 1).
Прессование производилось в стальной закрытой обойме на гидравлическом прессе ПГ-60, вид нагружения - статический.
Использовали три вида механических смесей:
- железный порошок;
- железный порошок и жидкая фаза (вода) в пропорции 85:15, исходная влажность И/о= 15%;
- железный порошок и ацетон в пропорции 85:15, fV0= 15%.
Выбор жидкой фазы определяется различной вязкостью применяемых жидкостей.
По результатам опытов построены кривые уплотняемости трёх видов механических смесей (рис. 2), обоснована концепция стадийности процессов прессования металлических порошков в присутствии жидкой фазы:
I стадия - переукладка частиц, резкое уменьшение порового пространства;
II стадия - интенсивное порозаполнение за счёт затекания металла-основы и жидкой фазы в поры;
III стадия - пластическая деформация частиц, затекание металла-основы в поры;
IV стадия - разрывы поверхности заготовки за счёт кавитации жидкой фазы при давлениях прессования свыше 600...700 МПа;
V стадия - «скелетное» схлопывание открытых дефектов структуры, остаточная пористость составляет 1...3 %.
Применение прессования железных порошков в присутствии жидкой фазы позволяет получать высокоплотные детали и заготовки с остаточной пористостью материала, не превышающей 3 %, что позволит использовать эти технологии для изготовления сильнонагруженных изделий.
Экспериментальные кривые уплотнения порошка (см. рис. 2) позволяют зафиксировать пять отчётливо выраженных зон, определяющих стадийность порозаполнения (критерием стадийности является интенсивность изменения поровой структуры).
Химический состав, %, не более
Fe С 02 при нагреве в Н2
основа 0,024 0,17
Гранулометрический состав порошка
Размер 250...200 200...160 100...71 71...45 менее 45
Содержание, % 0...2 0...12 ост. ост. 10...30
Тяргплия
Химический состав железного порошка АНС 100.29
8
Тоорет ичсская плотность
%
»5? §
Е 0) -о
Л
е
I
1 2 3 4 5 6 7
Удельное усилие прессования, т/си 2
Рис. 2. Экспериментальные кривые уплотнения в присутствии жидкой фазы:
1...У - стадии уплотнения
Следует отметить характерное подобие представленных на рис. 2 трёх кривых.
Уплотнение металлических порошков на железной основе исключительно трёхстадийно (см. рис. 1), дальнейшее увеличение давления не приводит к увеличению плотности, отмечается также появление трещинообразования - перепрессовочных трещин.
Анализируя кривые уплотнения, приведённые на рисунках 1 и 2, необходимо отметить, как минимум, две отличительные особенности: 1) стадии 1-Н-Ш (см. рис. 1, 2) однотипны; 2) на рис. 2 зафиксированы четвёртая и пятая стадии уплотнения.
Определяющее влияние жидкой фазы на процесс уплотнения дискретных металлических материалов прослеживается на четвёртой и пятой стадиях. На четвёртой стадии наблюдается некоторое снижение общей плотности материала заготовки (на 2...3%) за счёт проявления эффекта гидравлической кавитации, происходящей в момент разрушения неметаллических контактов - арочных мостиков в пористом материале - за счёт воздействия высокого уровня давления зажатой в кавернах жидкости. Наблюдается резкое транспортирование сжатой под давлением жидкости, образование открытых каверн; трансформирование формы пористости от закрытой к открытой.
На четвёртой стадии происходит интенсивное движение жидкости через материал - основу с истечением (выплеском) в межинструментальный зазор. Отмечено увеличение температуры
жидкости до 10°С (от 20°С - до исходного уровня, 30...35% - в конце процесса). При давлениях прессования порядка 1000 МПа наблюдается постепенное увеличение общей плотности материала заготовки за счёт «скелетного» схлопыва-ния открытых элементов каверн.
На пятой, последней, стадии уплотения относительная плотность прессовки находится на уровне 97...98% от теоретической, что соответствует требованиям, предъявляемым к сильно-
нагруженным деталям.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Кокорин, В. Н. К стадийности прессования двухкомпонентных смесей с различным агрегатным состоянием / В. Н. Кокорин, М. В. Кокорин // Вестник УлГТУ. - 2002. - № 1. - С. 38 - 41.
2. Феноменологические теории прессования порошков / М. Б. Штерн, Г. Г. Сердюк, Л. А. Максименко и др. - Киев : Наукова думка, 1982. -140 с.
Кокорин Валерий Николаевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ. Работает в области теории и технологии
прессования многокомпонентных структур. Марков Александр Сергеевич, студент машиностроительного факультета УлГТУ.
