Теоретические предпосылки производства бездефектных двухслойных порошковых заготовок со слоями, имеющими направление, совпадающее с направлением прессования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.762

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОИЗВОДСТВА БЕЗДЕФЕКТНЫХ ДВУХСЛОЙНЫХ ПОРОШКОВЫХ ЗАГОТОВОК СО СЛОЯМИ, ИМЕЮЩИМИ НАПРАВЛЕНИЕ, СОВПАДАЮЩЕЕ С НАПРАВЛЕНИЕМ ПРЕССОВАНИЯ

© 2011 г. Е.Н. Бессарабов

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Представлены оригинальные результаты исследования, расширяющие технологические возможности получения многослойных формовок с вертикальным расположением разнородных слоев и различной их плотностью в насыпном, холоднопрессованном, спеченном состоянии, что обеспечивает их дифференцированное уплотнение и получение равновысокой заготовки с заданными относительными плотностями наружного и внутреннего слоев без искривления и «размывания» переходного слоя.

Ключевые слова: порошковые материалы; многослойная формовка; относительная плотность; холодное прессование; горячая допрессовка; дифференцированное уплотнение.

The article concerns particular research outputs expanding technological opportunities for obtaining multilayer moldings with vertical heterogeneous layers varying in density and in the bulk and cold pressing sintering state that ensures their differential compaction providing equal blanks with given relative densities of outer and inner layers without curving and «blurring» the transition layer.

Keywords: powders; multilayered forming; relative density; cold pressing; hot repressing; differential compaction.

При изготовлении биметаллических двухслойных порошковых заготовок со слоями, имеющими направление, совпадающее с направлением прессования и различное функциональное назначение за счет разно-плотности слоев, а следовательно, и различное сопротивление поперечной деформации, наблюдаются искажение формы переходной поверхности заготовки, перемешивание слоев на этапе холодного прессования и горячей допрессовки, что приводит к снижению качества изделий [1 - 4].

В этой связи представляется целесообразной разработка способов, расширяющих технологические возможности получения многослойных формовок с вертикальным расположением разнородных слоев и различной их плотностью в насыпном, холоднопрессованном, спеченном состоянии и одинаковым сопротивлением деформированию в поперечном направлении перед началом горячего доуплотнения при высоте наружного слоя, отличной от высоты внутреннего слоя, что обеспечивает их дифференцированное уплотнение и получение равновысокой заготовки с заданными относительными плотностями наружного и внутреннего слоев.

При изготовлении изделий с антифрикционным или износостойким рабочим слоем динамическим горячим прессованием представляется целесообразным [5, 6] использовать «плавающую» матрицу (рисунок), что позволяет осуществлять двухстороннее прессование заготовки в два этапа: на первом этапе происходит подпрессовка наружного (рабочего) слоя заготовки с целью выравниваия относительных плотностей

слоев, а на втором происходит их совместное прессование.

А В

Пошаговое прессование биметаллической заготовки, реализованное на базе лабораторной подкладной пресс-формы: 1 - корпусная часть бойка; 2 - трубчатый элемент; 3 - наружный слой изделия; 4 - наполнительная подвижная планка; 5 - упругий элемент; 6 - стержень; 7 - упор; 8 - нижний внутренний пуансон; 9 - нижний внешний (трубчатый) пуансон; 10 - опора матрицы; 11 - матрица; 12- внутренний слой изделия; 13 - верхний цельной пуансон

На рисунке приведены два последовательных положения (А и В), причем изображение разделено осью симметрии: слева начало первого этапа, справа начало второго этапа. При этом засыпка порции шихты наружного слоя осуществляется в полость, образованную основным нижним пуансоном в верхнем положении и доуплотнительным нижним пуансоном в нижнем положении, а верхний торец стержня и матрицы смещен на Д ^ выше положения начала совместного прессования слоев. Верхним наружным пуансоном производится осадка наружного слоя на величину Д ^, а нижнего - опусканием матрицы на Д hн. Таким образом, начальная высота наружного слоя больше высоты внутреннего слоя на величину Д h = Дйв + Д^, где Д^н = kДйн , 0 < k < 1 - коэффициент, характеризующий величину осадки матрицы на этапе подпрессовки внешнего слоя и зависящий от коэффициента жесткости упругого элемента матрицы и механических свойств прессуемого порошка.

В связи с этим возникает необходимость оценить величину Д h , представляющую собой сумму толщины наполнительной планки Д ^ и величины осадки матрицы Д ^.

Пусть уно - насыпная плотность шихты наружного слоя, Рн1 - относительный объем шихты наружного слоя, который требуется получить после осадки наружного слоя на величину Д h и который должен быть приближенно равен относительной плотности шихты внутреннего слоя; гн и гв - наружный и внутренний радиусы рабочего (наружного) слоя; h - высота наружного слоя после осадки перед началом совместного прессования.

Массу шихты наружного слоя можно найти по формуле: m = уно¥0, где ¥0 = л(гн2 -гв2)(> + ДЬ) -объем шихты наружного слоя до осадки.

После подпрессовки необходимо получить заданное значение рн1 относительного объема наружного слоя.

Учитывая, что Рн1 =укн/ун1 , где укн - плотность компактного материала наружного слоя, ун1 - плотность наружного слоя после подпрессовки, находим

Ун1 = Укн/ Рн1.

Так как масса шихты наружного слоя в результате подпрессовки осталось неизменной, получаем

У шУо = У н^ ,

где У1 = я(гн2 - гв2 )h - объем наружного слоя после подпрессовки.

Преобразуя условие неизменности массы наружного слоя, последовательно получаем

л(гн2 - Гв2)^ + Щ У но = л(гн2 - Гв2 )hУ н1 ,

(h + Щ У но = h1 н

Д h =

h (У н1 -Ун0) У н0

Д h = h( -1).

У но

Учитывая, что относительные объемы наружного

У

слоя до и после подпрессовки равны: Рно =

У но

У У У

Рн1 = —, получаем ую = Ун1 = тогда

Ун1 Рно Рн1

Ун1 _ У кн Укн _ Рно У но Рн1 но Рн1

Таким образом, величина Дh находится по форму-

(

ле Дh = h

Рн

уРн1

Л

-1

Для достижения требуемого относительного объема рн1 при допрессовке наружного слоя необходимое для этого давление прессования можно рассчитать по формуле, предложенной М.Ю. Бальшиным [7]

p =-

рн

где р - приложенное давление прессования; ртах -давление прессования, обеспечивающее получение беспористой прессовки; п - постоянная, учитывающая природу прессуемого материала и называемая показателем прессования. Показатель прессования п характеризует свойства порошка и может быть определен опытным путем или, ориентировочно, по формуле п = 2 + 6/Д6, где Д6=6-60, а 60 - относительная

плотность исходного порошкового тела до приложения нагрузки к нему. Для многих порошков железа и меди величины показателя прессования п сохраняют примерно постоянные значения в довольно большом интервале давлений.

Г.М. Жданович теоретически [8] и экспериментально доказал, что простой и достаточно точной интерполяционной формулой уравнения прессования идеального процесса уплотнения (без учета влияния внешнего трения) может быть принята зависимость

P = Pm

Р0" -Р" Р" (Р0 -1)

Показатель прессования п зависит от всех основных факторов, определяющих характер и особенности процесса прессования металлических порошков. К таким факторам относятся механические свойства материала порошка стТ , ств, Рк, коэффициент межчастичного трения, относительная плотность порошка 60. По мнению М.Ю. Бальшина [7], среднее «интегральное» значение п составляет п = 1 + 2/(1 - 60), или

о = -

3Ро -1 Ро -1

Таким образом, получены зависимости, позволяющие определить условия прессования слоев двухслойных порошковых заготовок, повышающие качество изделия за счет уменьшения искажения формы переходной поверхности заготовки, перемешивания слоев на этапе холодного прессования и горячей до-прессовки.

Литература

1. Дорофеев Ю.Г., Бессарабов Е.Н. Новые материалы и изделия из металлических порошков. Производство. Технология // Двухслойные порошковые заготовки и изделия, получаемые горячей штамповкой: материалы III междунар. науч.-практ. семинара. Йошкор-Ола, 2011. С. 101 - 104.

2. Дебеева С.А. Влияние характеристик порошковых материалов и деталей на прочность прессовых соединений // Порошковая металлургия и композиционные материалы: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2009. 18 с.

3. Дорофеев В.Ю., Егоров С.Н. Межчастичное сращивание при формировании порошковых горячедеформирован-ных материалов. М., 2003. 152 с.

4. Богословская Д.А. Теоретические основы формирования прессовых соединений из порошковых и компактных деталей и факторы, обеспечивающие их требуемое качество : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2009. 18 с.

5. Гасанов А.Б. Разработка биметаллических и порошковых материалов для нагруженных узлов трения с рабочими слоями, на основе бронзы : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 1995. 16 с.

6. Пресс-форма / Ю.Г. Дорофеев [и др.]. Заявка 3882895/2202. А/ 1315131 SU МПК И22 F 3/02 В30 В15/02. Опубл. 07,06,87, Бюл № 21.

7. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. М., 1972. 536 с.

8. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков. М., 1969. 264 с.

Поступила в редакцию 28 июля 2011 г.

Бессарабов Евгений Николаевич - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-4-09, (928) 130-23-10. E-mail: mitm2010@rambler.ru, bess_555en@mail.ru

Bessarabov Evgeniy Nikolaevich - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-4-09, (928) 130-23-10. E-mail: mitm2010@rambler.ru, bess_555en@mail.ru