CC BY
12
Евгений Евгеньевич Кузнецов, доктор технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, ji.tor@mail.ru
Alexander V. Kucher, postgraduate. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, alexkucher1987@mail.ru
Zoya F. Krivutsa, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, zfk20091@rambler.ru
Sergey V. Shchitov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, shitov.sv1955@mail.ru
Evgeny E. Kuznetsov, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, ji.tor@mail.ru
-Ф-
Научная статья УДК 621.762:669.2
Структура и свойства медных порошковых изделий сельскохозяйственного назначения с карбидом кремния, изготовленных электроконтактным спеканием
Татьяна Владимировна Рожкова
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. В статье рассмотрен метод электроконтактного спекания, применяемый для восстановления изношенных поверхностей изделий сельскохозяйственного назначения. Электроконтактный способ позволяет создавать изделия с уникальными физико-механическими свойствами, одновременно прессовать и спекать порошковые заготовки, значительно ускоряя процесс. Рассмотрены структура и свойства медных порошковых изделий с упрочнением карбидом кремния, полученных электроконтактным спеканием. Проведено сравнение структуры, физико-механических характеристик и параметров материалов, полученных электроконтактным и традиционным (печным) способами. Исследованию подлежали порошковые образцы из меди и бронзы, содержащие карбид кремния. Диаметры заготовок составляли 20,5; 13,7 и 5,7 мм. Установлено, что наибольший нагрев происходит там, где расстояние между порами минимально. В результате проведённых экспериментов по спеканию медных порошковых материалов с добавлением зелёного карбида кремния было установлено, что электроспечённые образцы имеют преимущество по отношению к печным по всем показателям: уменьшается пористость и удельная скорость изнашивания, повышается твёрдость и прочность спечённого материала, значительно сокращается продолжительность спекания.
Ключевые слова: порошковая заготовка, печное спекание, электроконтактное спекание, физико-механические свойства, медь, карбид кремния.
Для цитирования. Рожкова Т.В. Структура и свойства медных порошковых изделий сельскохозяйственного назначения с карбидом кремния, изготовленных электроконтактным спеканием // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 178 - 181.
Original article
Structure and properties of copper powder products of agricultural application with silicon carbide, manufactured by electric contact sintering
Tatiana V. Rozhkova
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. The article discusses the method of electrical contact sintering, which is used to restore worn surfaces of agricultural products. The electrocontact method allows you to create products with unique physical and mechanical properties, simultaneously press and sinter powder blanks, significantly speeding up the process. The structure and properties of copper powder articles reinforced with silicon carbide obtained by electrocontact sintering are considered. Comparison of the structure, physical and mechanical characteristics and parameters of materials obtained by electrocontact and traditional (furnace) methods is carried out. Powder samples made of copper and bronze containing silicon carbide were subject to investigation. The diameters of the blanks were 20.5; 13.7 and 5.7 mm. It was found that the greatest heating occurs where the distance between the pores is minimal. As a result of experiments on sintering copper powder materials with the addition of green silicon carbide, it was found that electro-sintered samples have an advantage over furnace samples in all respects: porosity and specific wear rate decrease, the hardness and strength of the sintered material increase, and the sintering time is significantly reduced.
Keywords: powder billet, furnace sintering, electrical contact sintering, physical and mechanical properties; copper, silicon carbide.
For citation: T. Rozhkova. Structure and properties of copper powder products of agricultural application with silicon carbide, manufactured by electric contact sintering. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 90(4): 178 - 181. (In Russ.).
Изделия, полученные методом порошковой металлургии, широко используются во многих отраслях промышленности, в частности для изготовления деталей сельскохозяйственных машин и оборудования. Для повышения надёжности и долговечности изделий постоянно совершенствуются методы их изготовления. Например, двустороннее прессование с одновременным пропусканием через порошковую заготовку электрического тока позволяет получать изделия с улучшенными физико-механическими характеристиками при длительности процесса всего 8 - 20 с. При этом формируется специфическая структура спечённого материала с округлыми порами малого размера и равномерным их распределением по всему объёму образца [1, 2]. Активизация процесса компактирования порошкового материала силами внешнего давления дополнительно сопровождается воздействием электрического поля на микродефекты [3]. Такой метод носит название электроконтактного спекания.
Для восстановления изношенного поверхностного слоя изделий в ремонтных мастерских сельскохозяйственных предприятий чаще всего применяются наплавка, приварка или электродиффузионная обработка [4, 5]. Но в последнее время ремонтные бригады стали применять способ электроконтактного нанесения порошка на повреждённую верхнюю часть изделия. В качестве восстановленного слоя применяется покрытие, состоящее из нескольких слоёв порошков различного состава [6, 7]. Изучение структуры и свойств такого материала имеет большое значение для получения качественного покрытия, в том числе и для изготовления полноценных изделий, применяемых в сельскохозяйственной технике.
Цель исследования - рассмотреть структуру и свойства медных порошковых изделий с упрочнением карбидом кремния, полученных электроконтактным спеканием.
Материал и методы. В результате электроконтактного спекания порошка меди без при-
менения защитных атмосфер на поверхности частиц образуются фрагменты оксидной плёнки (СиО, Си20), которые упрочняют материал [8]. С целью ещё большего повышения износостойкости изделий в готовый материал ввели зелёный карбид кремния ^Ю). Электроконтактное спекание порошкового материала выполнили в жёсткой металлической матрице, внутри которой во избежание припекания порошка установили втулку из огнеупорного материала. Использовали втулки диаметрами 5,7; 13,7 и 20,5 мм. Пуансоны-токоподводы с целью многократного использования изготовили из меди. Для предотвращения припекания порошка к пуансонам между ними разместили графитовые прослойки, которые одновременно обеспечили слабовосстановительную газовую среду во время спекания.
Сравнительные результаты испытаний образцов, изготовленных традиционным методом (в металлургической печи) после проведённого предварительного двустороннего прессования и электроконтактного спекания, показали, что изделия, полученные последним способом, имеют определённые преимущества: уменьшились пористость и удельная скорость изнашивания, повысились твёрдость и прочность спечённого материала (табл. 1), значительно сократилась продолжительность спекания.
Значительное сокращение времени процесса электроконтактного спекания по сравнению с традиционным спеканием в металлургической печи позволило избежать существенного межфазного взаимодействия и улучшить физико-механические свойства спечённого материала.
Металлографический анализ показал, что при печном спекании порошков бронзы (табл. 2, образец 2) на границах карбида кремния встречались сажистые выделения (рис. 1). По-видимому, длительность процесса приводит к выгоранию карбида кремния, что указывает на некачественность спекания [9].
1. Физико-механические свойства порошковых материалов на основе меди
Состав порошкового материала, мас. % Пористость, % Предел прочности, МПа Средняя микротвёрдость, ГПа Удельная скорость изнашивания, 10-7 г/мм2ч
металлической основы при наличии SiC
Cu 4 87,7 0,85 - 9,97
Cu + 5,5 % SiC 1 101,3 1,10 5,08 7,31
Cu + 20,2 % SiC 1 106,2 1,10 5,89 6,58
БрА9Ж3Н3 + 15,7 % SiC 6 129,3 1,88 7,35 4,40
Cu + 20,0 % SiC* 24 68,1 0,96 4,99 8,13
БрА9ЖН3 + 16,0 % SiC* 33 70,5 1,04 6,40 6,25
Примечание: * Материалы, полученные традиционным (печным) способом.
2. Сравнительные параметры печного и электроконтактного спеканий
№ образца Вид спекания Составы порошковых композиций, мас. % Время спекания Давление, МПа Температура спекания
1 Печное Си + 20,2 % БЮ 60 мин 730 1073 К
2 Печное БрА9Ж3Н3 + 16,0 % БЮ 15 мин 640 1148 К
3 Электроконтактно е Си + 5,1 % БЮ 8 - 10 с 35 0,9 Т&*
4 Электроконтактно е БрА9Ж3Н3 + 15,7 % БЮ 20 с 35 0 9 Т Си* *
Примечание. * Температура при электроконтактном спекании составляет 0,7 - 0,9 от температуры плавления меди (приблизительно 1223 К).
Анализ распределения температуры во время спекания показал, что тепловой поток через заготовку протекает неравномерно. Наибольшую плотность и равномерность структуры имеет средняя часть спечённого изделия [10]. При прохождении электрического тока через порошок в отдельных микрообъёмах возникают температурные градиенты, способствующие ускорению перемещения вакансий и залечивания пор. Наибольший нагрев происходит там, где расстояние между порами минимально. Это обусловлено повышением плотности тока в зонах «живого» (металлического) материала с малой площадью поперечного сечения.
В основе процесса уплотнения порошковых систем лежит пластическая деформация частиц порошка [3], причём изменение плотности прессовок сопровождается изменением их механических свойств: искажается кристаллическая структура, измельчаются зёрна, накапливаются дислокации и т.д. В результате прессования сжимаемое пористое тело под действием приложенных внешних сил становится вязким (рис. 2).
Это происходит потому, что в зоне контакта сжимаемых частиц резко повышается температура, что приводит к оплавлению или, по крайней мере, значительному повышению пластичности металла. Перемещение металла, зависящее от предела текучести компактного материала по-
рошковой системы, проходит в направлении центра поры (на рис. 2 показано стрелками), в результате чего пора под действием приложенных внешних сил и повышенной температуры уменьшается и заполняется металлом.
Величину давления P прессования спекаемого материала с учётом предела текучести и пористости можно рассчитать как:
где P - внешнее приложенное давление;
а - угол при вершине конуса;
р - плотность;
от - предел текучести;
П - пористость.
Выводы
В результате проведённых экспериментов по электроконтактному спеканию медных порошковых материалов с добавлением зелёного карбида кремния было установлено:
1. Электроспечённые образцы имеют преимущества по отношению к печным по всем показателям: уменьшились пористость и удельная скорость изнашивания, повысились твёрдость и прочность спечённого материала, значительно сократилась продолжительность спекания;
2. Продолжительное (несколько часов) печное спекание порошков бронзы с карбидом кремния
Рис. 1 - Микроструктура образца БрФ9Ж3Н3 + 16,0 мас. % SiC, полученного спеканием в вакуумной печи при 1148 К (увеличено в 500 раз)
Рис. 2 - Схема горячего прессования при
электроконтактном спекании порошков:
1 - пуансон-токоподвод; 2 - металлическая матрица, 3 - огнеупорная втулка; 4 - графитовая прослойка; 5 - порошок; 6 - частица порошка; 7 - пора
приводит к выгоранию карбида кремния: на его границах наблюдались сажистые выделения;
3. Эксперименты показали, что основной вклад в уплотнение порошкового материала вносит внешнее давление, а устранение мелких пустот определяется движением кристаллических дефектов под действием электрического тока;
4. Тепловой поток через заготовку протекает неравномерно: наибольшую плотность и равномерность структуры имеет средняя часть спечённого изделия;
5. По мере уменьшения пористости заготовки в ходе спекания внешнее давление необходимо увеличивать.
Литература
1. Ковенский И.М., Кусков В.Н., Прохоров Н.Н. Структурные превращения в металлах и сплавах при электротермическом воздействии. Тюмень: ТНГУ, 2001. 215 с.
2. Рожкова Т.В. Модельный процесс залечивания пор при одновременном прессовании и электроспекании порошковых изделий сельскохозяйственного назначения // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 4 (84). С. 123 - 127.
3. Скороход В.В. Реологические основы спекания. Киев: Наукова думка, 1972. 152 с.
4. Исследование упрочнённого слоя стали 40Г2 после электродиффузионной обработки / В.Ю. Паульс,
М.Ф. Жданович, В.И. Плеханов и др. // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2020. № 11. С. 36 - 38.
5. Паульс В.Ю., Жданович М.Ф. Особенности получения упрочнённого слоя на внутренней поверхности полых деталей электродиффузионной термообработкой // Вестник Курганской государственной сельскохозяйственной академии. 2019. № 2. С. 67 - 69.
6. Рожкова Т.В., Ташланов В.И. Порошковое многослойное покрытие рабочего органа почвообрабатывающей машины // Вестник Чувашской государственной сельскохозяйственной академии. 2019. № 4 (11). С. 118 - 122.
7. Рожкова Т.В., Ташланов В.И. Восстановление рабочих органов почвообрабатывающих машин методом электроконтактного наплавления // Агропромышленный комплекс: проблемы и перспективы развития: тез. докл. Всерос. науч.-практич. конф. Благовещенск, 2020. С. 73.
8. Рожкова Т. В. , Смолин Н. И. Модельно-теоретический анализ образования поверхностных оксидов и их влияние на процесс формирования порошковых изделий // Сельский механизатор. 2018. № 12. С. 32 - 35.
9. Рожкова Т.В., Смолин Н.И. Структурное исследование медных порошковых материалов в изделиях сельскохозяйственной техники // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 3 (77). С. 179 - 182.
10. Рожкова Т.В., Смолин Н.И. Влияние температурного режима на спекание медных порошковых материалов с карбидом кремния в машинах и механизмах сельскохозяйственного назначения // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 3 (71). С. 147 - 150.
Татьяна Владимировна Рожкова, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, roshkovatv@gausz.ru
Tatyana V. Rozhkova, Candidate of Technical Sciences, Аssociate Professor. Northern Trans-Ural State
Agricultural University. 7, Respublika St., Tyumen, 625003, Russia, roshkovatv@gausz.ru
-♦-
Научная статья УДК 62-1/9:664.727
Методика автоматизированного определения введённых коэффициентов при сушке семян пшеницы с дифференциацией подвода тепловой энергии
Анатолий Сергеевич Кизуров, Сергей Николаевич Кокошин
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Одним из примеров коллоидных тел являются семена пшеницы. В основе подавляющего большинства научных исследований интенсификации сушки коллоидных тел лежит уравнение тепло-влагопереноса. В составе этого уравнения фигурируют градиент температуры и градиент влажности. Оперирование градиентами затрудняет практическое применение данного уравнения. Анализ выражения тепловлагопереноса указывает на целесообразность чередования процессов нагрева и охлаждения с целью интенсификации процесса сушки. При разработке теории расчёта параметров сушки с дифференциацией подвода тепловой энергии в условиях естественной конвекции было принято решение ввести коэффициенты нагрева зерновки и испарения поверхностной влаги подобно градиентам температуры и влажности. Для определения численных значений введённых коэффициентов были разработаны методики, которые позволяли провести косвенные измерения. Первая из методик основана на графоаналитическом способе, для которого представлен алгоритм построения номограмм и определения по ним введённых коэффициентов. Графоаналитический способ требует больших затрат времени, так как требует построения номограммы для каждого единичного опыта по сушке пробы семян пшеницы. С целью автоматизации (ускорения) процесса определения введённых коэффициентов разработан программный продукт на базе среды про-
