CC BY
21
УДК 621.763
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМОМАТРИЧНОЙ КОМПОЗИЦИИ, МЕХАНИЧЕСКИ ЛЕГИРОВАННОЙ ТЕХНИЧЕСКИМ УГЛЕРОДОМ, И КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
ИЗ НЕЁ
Н.И. Веткасов, А.И. Капустин, В.В. Сапунов
Приведены результаты экспериментальных исследований влияния технологии получения композиционных материалов из алюмоматричных композиций, механически легированных техническим углеродом, на их прочностные свойства. На основе полученных результатов разработаны уравнения регрессии и построены графические зависимости пределов прочности на растяжение и текучести алюмоматричного композиционного материала, легированного техническим углеродом, от коэффициента и температуры экструзии и температуры термообработки.
Ключевые слова: композиционный материал; алюминий; технический углерод; механическое легирование; композиционные гранулы; предел прочности; экструзия, кристаллиты.
С развитием науки и техники требования, предъявляемые к конструкционным материалам, все более ужесточаются [1, 2]. В частности, для многих отраслей промышленности востребованы новые композиционные материалы (КМ) с относительно низкой плотностью, способные сохранять свои физико-механические свойства при повышенных температурах [3, 4]. Все более широкое применение в авиакосмической отрасли, машиностроении, энергетике, медицине находят жаропрочные КМ, полученные механическим легированием алюминия углеродом [5 - 7]. Данный метод позволяет получать материалы, изделия из которых могут эксплуатироваться в условиях действия силовой нагрузки при температуре 350 °С и выше в течение длительного времени [8 - 10]. При этом микроструктура получаемого КМ и его свойства определяются марками применяемых матричных и легирующих материалов, концентрацией последних, а также конструкцией применяемого оборудования и режимами легирования [11 - 13]. Цель настоящей работы - экспериментальное исследование влияния технологических параметров процесса горячей экструзии на прочностные характеристики КМ, изготавливаемого из алюмоматричной композиции, полученной механическим легированием алюминиевого порошка техническим углеродом по разработанной авторами базовой технологии [14, 15].
Для проведения исследования влияния условий горячей экструзии на прочность КМ при разрыве изготавливали образцы из алюмоматричной композиции, для чего использовали порошок алюминиевый первичный дисперсный марки ПАД-1 (СТО22436138-006-2006) и порошок углерода технического К354 (ГОСТ 7885). Алюминиевый порошок предварительно просеивали через сито с размером ячейки 30 мкм. Гранулированный порошок технического углерода подвергали предварительному измельчению в механическом реакторе (МР) оригинальной конструкции в течение 10 мин с целью разрушения гранул и агломератов. Процесс легирования проводили в МР при содержании углерода в шихте 5 % по массе [14, 15]. Основанием для выбора указанных значений содержания углерода послужили результаты проведенных авторами дополнительных предварительных исследований [5], которые показали, что при увеличении содержания углерода свыше 5 % происходит неполное его внедрение в алюминиевую матрицу в процессе МЛ на рассматриваемых режимах. Уменьшение содержания углерода до 2 % и ниже приводит к значительному снижению эффекта упрочнения образцов после термообработки из-за низкой концентрации образующейся упрочняющей фазы карбида алюминия.
В качестве помольных тел использовали шары из стали ШХ15 диаметром 10 мм, при этом массовое соотношение шаров и шихты составляло 55:1. Обработку проводили в среде аргона. Механическое легирования проводили при числе оборотов вибратора Ывр= 600 об/мин (с применением реверса через каждые 30 мин) и при продолжительности легирования I = 2,5 ч. В ходе процесса выполняли периодический поворот (по часовой, а затем против часовой стрелки) корпуса рабочей камеры вокруг оси через каждые 15 мин на угол 90°. Анализ полноты внедрения технического углерода в матрицу алюминиевого порошка оценивали по содержанию свободного углерода в шихте после исследуемой стадии легирования, при этом использовали оригинальную методику [16]. Морфологию и размер частиц порошка ПАД-1 и композиционных гранул и образцов оценивали с помощью сканирующего электронного микроскопа РИБКОМ РгоХ и цифрового микроскопа Бто-Ше АМ4112РТ. Внешний вид композиционных гранул на разных этапах МЛ представлен на рис. 1.
Была выполнена серия процессов МЛ. Полученные композиционные гранулы тщательно перемешивали и объединяли в алюмоматричную композицию для использования ее в последующих процессах формовки и экструзии. Фракционный состав полученной композиции представлен в табл. 1.
I-1-1 200 мкм
а б
Рис. 1. Формирование композиционных гранул КГ1 на различных этапах МЛ: а — образцы шихты после 90 мин обработки; б — образцы шихты после 150 мин
обработки
Таблица 1
Фракционный состав композиции после механического легирования_
Фракционный состав, масс. %
0...63 мкм 63. 140 мкм 140.700 мкм >700 мкм
2,6 16,7 80,1 0,6
Полученную композицию подвергали холодному компактированию в брикеты под давлением 600 МПа до плотности 2,4 г/см3. Брикеты имели форму таблеток диаметром 39 мм и толщиной 10 мм, которые подвергали термообработке в вакууме с выдержкой 2,5 часа при заданной температуре. Температурой термообработки варьировали в диапазоне 545.. .590 °С.
Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализы проводили на дифрактомет-ре ДРОН-3М в Си-излучении. По уширению дифракционных линий оценивали размеры области когерентного рассеяния (ОКР) [17, 18]. Размер ОКР отождествляли со средним размером кристаллитов Б [17]. При этом размер ОКР обычно несколько ниже результатов определения размера кристаллитов с помощью электронной микроскопии, поскольку ОКР соответствует внутренней (упорядоченной) области кристаллитов и не включает сильно искаженные границы [19, 20]. Образование и рост концентрации упрочняющих дисперсоидов карбида алюминия в процессе термообработки оценивали по появлению и увеличению интенсивности дифракционных линий (рис. 2). После проведения
термообработки отмечено уменьшение размера кристаллитов до 32 нм для термообра-ботанных образцов по сравнению с размерами кристаллитов (44 нм) для «сырых» образцов.
30 40 50 60 70 80
Ми
Рис. 2. Дифрактограммы образцов, скомпактированных из механически легированных композиционных гранул: 1 — до термообработки; 2 — после
термообработке
Микротвердость измеряли микротвердомером Tukon 1102 Micro Vickers методом Виккерса при нагрузке индентора 100 г и времени выдержки 10 с. Измерения производили от центра к периферии образца с получением четких отпечатков. После проведения процесса термообработки отмечено увеличение микротвердости с 780 МПа (для «сырых» образцов) до 1120 МПа.
На следующем этапе проводили горячее прессование образцов под давлением 600 МПа до плотности 2,7 г/см3, при этом диаметр таблеток увеличивался до 39,5 мм. Температурой горячего прессования варьировали в диапазоне 470...520 °С. Твердость образцов замеряли на твердомере ТР 150 по шкале HRB. Среднее значение твердости образцов после горячего прессования составило 88 единиц.
Затем образцы подвергали процессу экструзии. Коэффициентом экструзии варьировали в диапазоне 12.24. Температурой экструзии варьировали в диапазоне 460.505 °С, при этом максимальной температуре экструзии соответствовала максимальная температура горячего прессования. В результате экструзии получали стержни цилиндрической формы.
Из полученных цилиндрических образцов вытачивали образцы для испытания на растяжение (тип III № 9 ГОСТ 1497-84). Испытания на растяжение проводили на испытательной машине LFM-125 Walter+Bai AG.
Связь исследуемых параметров композитов с условиями проведения процесса экструзии определяли с помощью регрессионного анализа. Для получения эмпирических зависимостей пределов прочности на растяжение и текучести образцов КМ при составлении плана исследований использовали полный факторный эксперимент (ПФЭ) 2к, где "к' - число факторов (табл. 2). Обработку результатов эксперимента и определение коэффициентов регрессии проводили для уровня значимости 0,95 по методике РДМУ 109-77 на ПЭВМ.
Расчетное число параллельных опытов в серии по результатам проведения предварительных опытов принимали равным 3. Условия планирования приведены в табл. 2.
По результатам многофакторного исследования свойств КМ получили уравнения регрессии (зависимости (1), (2) табл. 3), на основании которых построили графические зависимости пределов прочности на растяжение и текучести от температур термообработки и экструзии при коэффициентах экструзии 12 и 24 (рис. 3, 4).
Таблица 2
Матрица планирования эксперимента 23 по исследованию предела _прочности на растяжение ав, предела текучести ар,2_
Условия планирования Факторы
Коэффициент экструзии К Температура термообработки Тто Температура экструзии Тэ
- °С °С
XI Х2 Хз
Верхний уровень 24 590 505
Основной уровень 18 567,5 482,5
Нижний уровень 12 545 560
Таблица 3
Регрессионные зависимости пределов прочности ав и текучести а0,2 от коэффициента экструзии К, температуры _ термообработки Тто и температуры экструзии Тэ
Критерий Уравнение регрессии Зависимость
Предел прочности на растяжение об об = - 13085 - 582,096-К + 23,5852-Тто + 26,9482-Тэ + + 1,00062-К Тто + 1,2364-К Тэ - 0,04741-Тто'Тэ -- 0,0020988-КТтоТэ, (1)
Предел текучести 00,2 00,2 = - 10933,6 - 785,62-К + 20,0444-Тто + 22,3333-Тэ + + 1,32984-К Тто + 1,66955-К Тэ - 0,04 Тто Тэ -- 0,00279835-К-Т^Тэ, (2)
В процессе экструзии с коэффициентом 12 при увеличении температуры экструзии с 460 до 505 °С, предел прочности на растяжение увеличивается на 28 % у образцов КМ, термообработанных при температуре 545 °С и снижается на 10 % у образцов, термообработанных при температуре 590 °С (см. рис. 3, а). Аналогичная тенденция наблюдается и для образцов КМ, полученных в процессе экструзии с коэффициентом 24, при этом увеличение коэффициента экструзии привело к увеличению предела прочности образцов до 28 % (см. рис. 3, б).
а б
Рис. 3. Зависимость предела прочности ав образцов от температур термообработки Тто и экструзии Тэ: а, б — соответственно коэффициент экструзии 12 и 24
Установлено, что предел текучести образцов в среднем изменяется в зависимости от условий экструзии пропорционально пределу прочности, при этом при увеличении прочностных характеристик разница между пределом прочности и пределом текучести сокращается (до 3,6 %), а при снижении прочностных характеристик - повышается (до 15,5 %).
Таким образом, в рассматриваемых диапазонах варьирования характеристиками процесса экструзии максимальные прочностные характеристики образцов из КМ достигаются при температуре термообработки 545 °С, температуре экструзии 505 °С и коэффициенте экструзии - 24.
а б
Рис. 4. Зависимость предела текучести а0,2 образцов от температуры термообработки Тто и температуры экструзии Тэ: а, б — соответственно
коэффициент экструзии 12 и 24
Для оценки адекватности полученных моделей определяли расчетное F и табличное Fk (при уровне значимости qad = 5 %) значения критерия Фишера, после сравнения которых делали вывод об адекватности. Все полученные модели (1) - (2) (см. табл. 3) признаны адекватными.
С целью верификации разработанных регрессионных зависимостей провели дополнительную серию экспериментов по изготовлению образцов КМ по описанной выше методике. Температура термообработки образцов составляла 57G °С, температура экструзии - 49G °С, коэффициент экструзии - 24. Расхождение расчетных значений предела прочности и предела текучести (зависимости (1) - (2)) и экспериментальных данных не превысило В %.
Разработанные на основе проведенных исследований регрессионные зависимости позволяют проводить расчеты прочностных свойств полуфабрикатов алюмомат-ричных композитов, получаемых из композиционных гранул, синтезируемых механическим легированием техническим углеродом, с использованием в качестве входных параметров коэффициента экструзии, температур термообработки и экструзии. Сравнение расчетных и эмпирических данных подтвердило достаточно высокую их сходимость.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 16-43-73215G р_офи_м).
Список литературы
1. Susniak M., Karwan-Baczewska J., Dutkiewicz J., Actis Grande M., Rosso M. An experimental study of aluminum alloy matrix composite reinforced sic made by hot pressing method // Archives of Metallurgy and Materials, 2G15. Vol. 6G (2). P. 1523 - 1527.
2. Narayanan S.S., Manickavasaham G., Moorthy S. Experimental Investigation of Aluminium alloy with MWCNT Composite to increase the echanical Properties by Stir Casting Method // IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, 2G15. Vol. 12 (4) Ver. II. P. 3G - 34.
3. Шалунов Е.П., Шведов М.А., Архипов И.В. Синтез дисперсоидов при реакционном механическом легировании порошкового алюминия углеродом // Вестник Чувашского университета, 2G14. № 2. С. 165 - 172.
4. Кузьмич Ю.В., Фрейдин Б.М., Колесникова И.Г., Серба В. И., Калинников В. Т., Пахомовский Я. А. Механически легированный сплав Al-Ni-Ln // Перспективные материалы. 2GGB. № 1. C. 39 - 45.
5. Веткасов Н.И., Капустин А.И., Сапунов В.В. Получение, микроструктура и микротвердость легированных углеродом алюмоматричных композитов // Вестник Брянского государственного технического университета, 2G1B. № 6 (67). С. 23 - 31.
6. Каралин А.Н., Шалунов Е.П., Петров Н.П. Объемный наноструктурный материал на основе алюминия для ортопедии и травматологии // Здравоохранение Чувашии, 2009. № 3. С. 8 - 12.
7. Веткасов Н.И., Капустин А.И., Сапунов В.В. Разработка и применение процесса предварительного формирования высокооднородной сухой смеси "алюминиевый порошок - одностенные УНТ" в технологии получения алюмоматричных композитов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета, 2018. № 3 (45). С. 14 - 21.
8. Yang C., Zong Y., Zheng Z., Shan D. Experimental and theoretical investigation on the compressive behavior of aluminum borate whisker reinforced 2024A1 composites // Materials Characterization, 2014. Vol. 96. P. 84 - 92.
9. Yoo S.J., Han S.H., Kim W.J. Strength and strain hardening of aluminum matrix composites with randomly dispersed nanometer-length fragmented carbon nanotubes. Scr. Mater, 2013, 68. P. 711 - 714.
10. Wang L., Choi H., Myoung J.M., Lee W. Mechanical alloying of multi-walled carbon nanotubes and aluminium powders for the preparation of carbon/metal composites. Carbon, 2009. 47. P. 3427 - 3433.
11. Ci L., Ryu Z., Jin P.N.Y., Rühle M. Investigation of the interfacial reaction between multi-walled carbon nanotubes and aluminum. Acta. Mater, 2006. 54. P. 5367 -5375.
12. Nayan N., Murty S.V.S.N., Sharma S.C., Kumar K.S., Sinha P.P. Calorimetric study on mechanically milled aluminum and multiwall carbon nanotube composites // Materials Characterization, 2011. Vol. 62 (11). P. 1087 - 1093.
13. Kukovecz A., Kanyo T., Konya Z., Kiricsi I. Long-time low-impact ballmilling ofmulti-wall carbon nanotubes. Carbon, 2005. 43. P. 994 - 1000.
14. Веткасов Н.И., Капустин А.И., Сапунов В.В. Формирование фазового состава, структурных параметров и физико-механических свойств композиционных гранул в процессе механического легирования алюминия аллотропными формами углерода // Известия Волгоградского государственного технического университета, 2017. № 12 (207). С. 7 - 11.
15. Веткасов Н.И., Капустин А.И., Сапунов В.В. Исследование процесса механического легирования алюминия наноразмерными аллотропными модификациями углерода // Вектор науки Тольяттинского государственного университета, 2017. № 3 (41). С. 24 - 34.
16. Веткасов Н.И., Капустин А.И., Сапунов В.В. Экспериментальное исследование процесса механического легирования алюминия техническим углеродом // Теоретические и практические аспекты развития научной мысли в современном мире: сборник статей Международной научно - практической конференции (15 мая 2017). В 4 ч. Ч.2. Уфа: АЭТЕРНА, 2017. С. 18 - 21.
17. Ягодкин Ю.Д., Добаткин С.В. Применение электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа для определения размеров структурных элементов в нанокристаллических материалах (обзор) // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2007. № 1. Том 73. C. 38 - 49.
18. Пущаровский Д.Ю. Рентгенография минералов. М.: ЗАО "Геоинформмак", 2000. 293 с.
19. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. Изд. 2-е, исправленное и дополненное. М: Наука - Физматлит, 2007. 416 с.
20. Гусев А.И., Курлов А.С. Аттестация нанокристаллических материалов по размеру частиц (зерен) // Металлофизика и новейшие технологии, 2008. Т. 30. № 5. С. 679 - 694.
21. Чурюмов А.Ю. Расчет предела текучести и деформационного упрочнения алюминиевых сплавов по параметрам структуры: диссертация кандидата технических наук: 05.16.01 / Чурюмов Александр Юрьевич. М., 2008. 141 с.
Веткасов Николай Иванович, д-р техн. наук, профессор, nppw t@ulstu. ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Капустин Анатолий Иванович, заведующий лабораторией, antak1949@,mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Сапунов Валерий Викторович, канд. техн. наук, доцент, sapunov_vv@mail. ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF THE PROCESS OF OBTAINING AL UMANA TION COMPOSITIONS, MECHANICALLY ALLOYED, CARBON BLACK, AND COMPOSITE
MATERIAL FROM IT
N.I. Vetkasov, A.I. Kapustin, V.V. Sapunov
The results of experimental studies of the influence of the technology of producing composites from aluminum matrix compositions obtained by mechanical alloying with technical carbon on their strength properties, on the basis of which regression equations are developed, and the dependences of tensile strength and yield strength of an alloyed matrix material, are given. carbon.
Key words: composite material; aluminum; carbon black; mechanical alloying; composite granules; ultimate strength; extrusion, crystallites.
Vetkasov Nikolay Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, nppw t@ulstu. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state technical University,
Kapustin Anatoly Ivanovich, head of laboratory, antak1949@,mail. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state technical University,
Sapunov Valeriy Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, sapun-ov_vv@mail.ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state technical University
УДК 621.9; 663
АНАЛИЗ ФАСОВОЧНО-УПАКОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА УПАКОВКИ ИЗ КАРТОНА
И.Б. Давыдов
В статье рассмотрены и проанализированы различные варианты фасовочно-упаковочного оборудования пищевых изделий в складные картонные коробки.
Ключевые слова: упаковка из картона, складные картонные коробки, фасовоч-но-упаковочное оборудование.
В пищевой промышленности для упаковки различных видов изделий широко применяют складные коробки из картона, отличающегося от других видов упаковочных материалов целым рядом преимуществ [1, 2, 3].
Рассмотрим два вида оборудования для производства складных картонных коробок: оборудование, заготовками для производства коробок являются склеенные по продольному шву коробки, и оборудование, в котором заготовками являются разборные и наклеенные картонные пачки из кассеты.
