CC BY
34
Брехаря Г. П., Бондарь Н.П., Гуляева Т. В., Демеников В.И. Исследование влияния вакуумной термообработки на процесс восстановления гематита
Приведены результаты исследований влияния вакуумной термообработки на фазовый состав порошков чистого для анализов гематита (ЧДА) и гематитовой руды. Рентгеновским фазовым анализом показано, что отжиг в вакууме (Т = 600 С, титр = 1 ч) гематита (ЧДА) способствует его восстановлению до магнетита в верхнем слое порошка. Гематитоваяруда, основными фазовыми составляющими которой являются оксиды SiO2 и Fe2O3, предварительно измельчалась в вибрационной мельнице (30 ч на воздухе, 10 ч в воде и 30 ч в воде с добавлением карбонильного железа). Установлено, что вакуумная термообработка механоактивированных рудных порошков при вышеприведенных режимах отжига приводит к частичному превращению гематита в магнетит. Благоприятными факторами для восстановления гематита в магнетит являются механоактивация рудного порошка и наличие карбонильного железа в качестве катализатора реакций и источника углерода, приводящих к превращениям гематит —магнетит.
Ключевые слова: гематитовая руда, гематит, магнетит, фазовый состав, механоактивация.
Brekharia G., Bondar N., Gulyaeva T., Demenikov V. Reserch of the influence of vacuum heat treatment on the process of reduction of hematite
The research results of vacuum heat treatment influence on the composition ofpowders pure for analysis (PFA) hematite and hematite ore were given. X-ray diffraction analysis show that the annealing in vacuum (Т = 600 °С, Texp = 1 h.) of the PFA hematite leads to a reduction to magnetite in the upper layer ofpowder. Hematite ore with the main phase components of the oxides SiO2 and Fe2O3, previously grind up in the vibration mill (30 h. in an air atmosphere, 10 h. in a water and 30 h. in a water with added carbonyl iron). It is determined that the vacuum heat treatment of grinding ore powders in the above modes leads to the partial transformation of hematite to magnetite. Also it is shown, that the favorable factors for the restoration of hematite to the magnetite is a mechanical activation of ore powder and the presence of carbonyl iron as catalyst of reactions and source of carbon that contribute to the transformation of hematite — magnetite.
Key words: hematite ore, hematite, magnetite, phase composition, mechanical activation.
РОЗРОБКА СПОСОБІВ ГАРЯЧОЇ ДЕФОРМАЦІЇ ПОРОШКОВИХ ЗАГОТОВОК ПРИ ОТРИМАННІ ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦІЙНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
Розроблено схеми та способи отримання порошкових виробів у процесі гарячої деформації.
Ключові слова: гаряча деформація, порошкова заготовка, щільність, очаг деформації, деформований об’єм.
УДК 621.762.4
Канд. техн. наук М. І. Носенко, д-р техн. наук В. О. Павлов Національний технічний університет, м. Запоріжжя
Методи порошкової металургії є одним із перспективних напрямів у галузі виробництва конструктивних матеріалів та виробів із заданим рівнем механічних та експлуатаційних властивостей. Прогнозування параметрів технологічних процесів, вибір відповідних схеми та способу формування для отримання порошкових деталей із заданим рівнем щільності та механічних властивостей є важливою науковою та практичною проблемою.
Використання компенсаційних щілин при штампуванні з елементами витікання дозволяє створити додаткові очагами деформації, що збільшує деформований об’єм металу у виробі та суттєво впливає на рівномірність розподілу щільності. Визначення коефіцієнта витікання Квит , форми і розмірів додаткових очагів деформації, відносного деформованого об’єму металу при різних схемах штампування проводилось відповідно [1].
Метою роботи є дослідження та розробка способів гарячого штампування порошкових заготовок при виготовленні деталей конструкційного призначення.
У результаті проведених досліджень розроблено спосіб отримання виробів із порошкових заготовок (а. с. N° 1451984), який включає розміщення заготовки в
© М. І. Носенко, В. О. Павлов, 2013
матриці та подальше гаряче штампування. Спосіб дозволяє забезпечити заданий розподіл щільності і механічних властивостей за об’ємом деталі. Для цього перед розміщенням заготовки в матриці розраховується форма, місцерозташування та об’єм додаткових очагів деформації за формулою (рис. 1):
д --,/Квит - 2 V * =у\_п ^ і
+1
Н - К
вит
( 3 8п- Н2 ^
Кв
зе - к 3
-IV*
(1)
де V * - об’єм додаткових очагів деформації (рис. 2); п , т - число додаткових очагів деформації, які створюють у приторцевих зонах або за висотою перерізу заготовки відповідно; Квит1...Квиті - коефіцієнти витікання матеріалу заготовки; Е - площа перерізу матриці; Н - висота виробу; V* - одиничний відносний об’єм перекриття додаткових очагів деформації.
Рис. 1. Розрахункова схема для визначення деформованого об’єму металу
Число додаткових очагів деформації визначають за вказаною залежністю 1. При цьому перша складова визначає вибір додаткових очагів деформації в притор-цевих зонах заготовки, які контактують з пуансонами. При необхідності отримання виробів із підвищеними механічними властивостями в приторцевих зонах компенсатори розташовують між матрицею 1 та пуансонами 2 і 3 (рис. 2, а). При необхідності підвищення властивостей тільки з одного торця компенсатори виконують тільки між матрицею 1 та одним з пуансонів, наприклад 2. Між матрицею та пуансоном 3 компенсатори в цьому випадку відсутні.
Друга складова виразу 1 визначає вибір додаткових очагів деформації за висотою заготовки. Компенсатори виконують в матриці на заданому за висотою рівні, де у виробі необхідно отримати підвищені механічні властивості (рис. 2, б).
і____
ТУ
// / /
2^
7— / К т
/у -
/ • • V. •: N
/х 1
V
\ \з_
б
І?
1
^-гг "Тт::тт^
м?1 '
ГТТл
Рис. 2. Схеми штампування порошкових заготовок: а - матриця; б, в - пуансони
+
+
а
в
Третя складова визначає відносний об’ єм перекриття додаткових очагів деформації, наявність яких дозволяє додатково підвищити механічні властивості виробів в заданих місцях. Додаткові очагами деформації створюють при виконанні компенсаторів у технологічному оснащенні.
Відносний об’єм очага деформації визначається як:
* V д
V* _ о.о.
~ V ’
вир
де Voд , Vвир - відповідно об’єм очага деформації та
об’єм виробу.
Очаг деформації при схемі деформації на рис. 1, а має циліндричну форму, а його висота визначається як:
2 2 Н
Vк _ пЯ2Б _ пЯ
Кв
2Vc _ 3пй(зЯ2 + И2),
де И _
Н0- Б 2Н
Кв
V0.д. _
пН (8Н 2 + 9К 2„т • Я 2 1
3КІ,
■ Я 2 )
V * _
пН(8Н2 + 9К2тт ■ Я2) ЗКвЗит -пЯ2Н
(9)
(10)
—З—+_8Н_31-. (її)
К 3^ ■ К
±ъ~вит ^ -ÍVвит
Н’0_1п—
0 Кв,
— ■'/Квит - 2
При схемі деформації на рис. 2, в, для визначення
(3) V* необхідно враховувати сумарний відносний об’єм
перекриття
При схемі деформації на рис. 1, б очаг деформації має сферичну форму, а його висота визначається як:
^ V * _ ^ер + Утр
Ь г _ п- Я2 ■ Н
(12)
Но _
5Н
К
(4)
де Е - площа перерізу матриці; Н - висота виробу; Квит = - коефіцієнт витікання; В - характерний
О
розмір виробу (при схемі деформації на рис. 2, а, В = 2Я ; при схемі деформації на рис. 2, б, В = Н ); Я -радіус матриці; О - висота компенсаційної щілини.
Відносний об’єм очага деформації для схеми на рис. 2, а визначається як:
Vrlер визначається, як об’єм сегменту кулі
VLP _ 6пИ„ї ■(згі2 + й2 ); г12 _ я2 - И12 - 2И1 -VГ2 - я2 ;
Я2 + и2 (
2И
И _
2Н
Кв
я2 ■ К2ит + 4Н2 4НКв,,т
(13)
(14)
(15)
V _
пЯ2 ■ Н0 пЯ2 ■ Н
&
1—^1 Квит - 2
Н ■ К в,
(5)
Звідки при наявності двох очагів деформації (рис. 2, а) їх сумарний відносний об’єм визначається
як:
V *_!
,-2
Н ■ К в,
(6)
Об’єм очага деформації для схеми на рис. 2, б визначається як:
(7)
де Vc - об’єм сегмента кулі; Vк - об’єм циліндра висотою О.
При визначенні об’єму частин кулі використовуються відомі співвідношення [2]:
де г - радіус сферичної поверхні,
4Н ■ К,
вит2
(16)
V|lIeр визначається аналогічно Vnюр, як здвоєний об’єм сегмента кулі
V™ _ 3п- ИП2 -(3Г22 + й22)
пер
(17)
Приклад 1.
Для отримання порошкової титанової втулки (рис. 3) з розмірами 2Я = 32 мм, 2Я1 = 23 мм, Н = 20 мм, Н = 5 мм з ударною в’язкістю не нижчою від 1100 кДж/м2 заготовка із ПТЕС-1 з відносною щільністю 90 % нагрівається до 900 °С в середовищі аргону і розміщується в матриці 1. До заготовки прикладається двосторонній тиск пуансонами 2 і 3. Коефіцієнт витікання визначається за формулою:
2
г =
К = — = 71
вит ^ її
де Я , £ - відповідно радіус та товщина стінки втулки. Висота очага деформації (див. формулу 3)
Ип = 5,09 мм.
Відносний об’ єм очага деформації (див. формули 2
і 5)
V* 2 ( • УІКвит_)-------= 0,415.
(Я 2- И - Яі2 • Н \Квит
В результаті процесу штампування з витіканням матеріалу отримано вироб (втулку) з відносною щільністю 9 > 99,5% із заданим рівнем ударної в’язкості.
б
Рис. 3. Схема штампування втулки (а) та готовий вироб (б) Приклад 2.
Для отримання порошкового титанового ролика (рис. 4) діаметром 2Я = 61 мм, висотою Н = 10 мм з двома кільцевими впадинами розмірами И = 2,5 мм;
2Я1 = 40 мм; 2Я2 = 28 мм з ударною в’язкістю не нижчою від 1200 кДж/м2 заготовка із ПТЕС-1 з відносною щільністю 90 % нагрівається до 900 °С в середовищі аргону і розміщується в матриці 1. До заготовки прикладається тиск пуансоном 2. Коефіцієнт витікання визначається за формулою:
Квит = Н = 10,
де И , £ - відповідно висота ролика та висота компенсаційної щілини.
Висота очага деформації (див. формулу 4) Нп = 5 мм.
Відносний об’ єм очага деформації (див. формули 2
і 11)
V * =
Н V2 + 9К2 • Я2) 3К Іт -Я 2 Н - 2Н .(Я2 - Я2
2Й
= 0,395.
2Й<
202 2_
рт і Тії ^ ТА
V даі шр* 7\ =*1 С1
1^1
б
Рис. 4. Схема штампування ролика (а) та готовий виріб (б)
У результаті процесу штампування з витіканням матеріалу отримано виріб (ролик) з відносною щільністю 9> 99,8% із заданим рівнем ударної в’язкості. Приклад 3.
Для отримання порошкової титанової кришки (рис. 5) діаметром 2Я = 114 мм, висотою И = 27 мм з кільцевою впадиною розмірами Н = 6 мм; Я1 = 98 мм;
Я2 = 38 мм з ударною в’язкістю не нижчою за 1300 кДж/м2 заготовка із ПТЕС-1 з відносною щільністю 90 % нагрівається до 900 °С в середовищі аргону і розміщується в матриці 1. До заготовки прикладається тиск пуансоном 2. Коефіцієнт витікання матеріалу в компенсаційну щілину між пуансоном і матрицею визначається за формулою:
Квит = ^ = 14,25,
£1
де Я , £ - відповідно радіус і товщина стінки кришки. Висота очага деформації (див. формулу 3)
И'а = 14 мм.
Коефіцієнт витікання матеріалу в компенсаційну щілину за висотою порожнини матриці = 5) мм виз-
начається як:
а
h
Квит 2 =ТГ = 13,5 мм S2
де H , S2 - відповідно висота кришки і компенсаційної щілини.
Висота очага деформації (див. формулу 4)
Ho = 10 мм.
Відносний об’єм очага деформації (див. формулу 1)
V * =
- 2
H2 H - h
•( -^22)
Кв
H •( 2 + 9К2
вит2
• R 2 )
3Явит2 •[2H-h^R2 -R22
- V =
= 0,603 + 0,259 - V ,
де V* - відносний об’єм перекриття додаткових очагів деформації
V
V * = пер
V
вир
де Vпер, Vвир - відповідно об’єм перекриття додаткових очагів деформації та об’єм виробу.
Відповідно формули 14
Кер = 1П hn '(3г12 + hl).
Звідки
V =
• (3/-12 + h2)
6•IR2H-h-R22
= 0,049 .
Висота перекриття очагів деформації визначається, як:
hn = Ho-(H -h -H0) = 3 мм.
Відповідно до формули 17
222 R2 • Квит^ - 4H
^ = R2 - h12 - 2h1---------вит2---------= 2439,75 мм2,
4H • К
вит2
S
де h1 = H0 - hn - z - у = 1 мм. Підсумково отримуємо:
V = 0,603 + 0,259 - 0,049 = 0,813.
У результаті процесу штампування з витіканням матеріалу отримуємо вироб (кришку) з відносною щільністю 9> 99,8% та заданим рівнем ударної в’язкості.
Рис. 5. Схема штампування кришки (а) та готовий виріб (б)
а
б
З метою зменшення витрат металу розроблено спосіб виготовлення виробів з порошкових заготовок (а. с. N° 1360004), який включає нагрівання заготовок та гарячу деформацію, що проводиться з витіканням матеріалу заготовки у бокові порожнини матриці. Потім матеріал у порожнинах допресовується та відокремлюється від основного виробу. Спосіб забезпечує можливість одночасного отримання за один цикл пресування декількох деталей, наприклад, заготовок болта та шайби, і дозволяє практично виключити втрати металу.
Приклад 4.
Нагріта до 95 °С заготовка 1 із електролітичного порошка титану ПТЕС-1 з відносною щільністю 90 % розміщується в складальній матриці 2, в якій є кільцева порожнина 3 (рис. 6, а). При гарячій деформації під дією ступінчастого пуансона 4 матеріал заготовки витікає в порожнину 3 (рис. 6, б). Після формування виробу в матриці 2 пуансон 4 діє верхнім ступенем на верхню секцію матриці. Відбувається допресовка матеріалу в порожнині 3. Потім пуансоном 5 матеріал в порожнині 3 відокремлюється від основного виробу (рис. 6, в). У результаті за рахунок забезпечення витікання матеріалу в режимі гарячої деформації, основний виріб - болт, який формується в матриці, має відносну щільність > 99,8 %, а вироб, що формується в боковій порожнині; шайба - 98,4 %.
У процесі формування за один цикл заготовок під болт та під шайбу практично виключаються втрати металу. Крім того, забезпечуються високі механічні властивості
основного виробу (а B = 400 - 420 МПа; 8 = 30 - 32 %;
^ = 40 - 44 % ; KCU = 1100 -1200 кДЖ/м2).
Отже, в результаті проведених досліджень розроблено способи гарячої деформації пористих порошкових заготовок, які забезпечують створення додаткових очагів деформації в зонах, де сконцентрована залишкова пористість, дозволяють збільшити деформований об’єм та рівномірність розподілу щільності у виробі і отримувати одночасно один цикл пресування декількох деталей.
і
Л-:-:-
у/,
і: А , - N. г:. . \)
в
Рис. 6. Схема штампування порошкових заготовок: а - завантаження заготовки в матрицю; б - гаряча деформація заготовки; в - відокремлення матеріалу в бокових порожнинах матриці від основного виробу
Список літератури
1. Носенко М. І. Дослідження гарячого штампування порошкових заготовок//Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні / М. І. Носенко, В. О. Павлов. - 2006. - № 2. - С. 51-56.
2. Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике / М. Я. Выгодский- М. : Наука, 1978. - 335 с.
Одержано 06.06.2013
Носенко М.И., Павлов В. А. Разработка способов горячей деформации порошковых заготовок при получении деталей конструкционного назначения
Разработаны схемы и способы получения порошкових изделий в процессе горячей деформации.
Ключевые слова: горячая деформация, порошковая заготовка, плотность, очаг деформации, деформированный объем.
Nosenko M., Pavlov V. Development of methods for hot deformation powder billets in obtaining parts for constructional purposes
The schemes and methods for producing ofpowder products during hot deformation were developed.
Key words: hot deformation, powder billet, density, deformation zone, deformed volume.
