Устройство для получения биметалллических материалов с заданной толщиной рабочего Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.762.669.018

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННОЙ ТОЛЩИНОЙ РАБОЧЕГО СЛОЯ

© 2009 г. С.С. Токарев

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Изучено влияние конструкции загрузочного устройства порошковой шихты при получении биметаллических материалов. Установлено, что тонкостенные биметаллические изделия из меднографитовых материалов можно получить только установкой на загрузочном устройстве вибраторов.

Ключевые слова: порошковая металлургия; биметаллические изделия; время истечения; вибрация.

The influence of loading device design for working mixture while obtaining bimetallic materials has been studied. It has been ascertained that thin-walled bimetallic products from copper-graphitic materials can be obtained only by installing a vibration exciter into the loading device.

Keywords: powder metallurgy; bimetallic products; outflow time; vibration.

При работе многих механизмов и машин детали узлов трения находятся в эксплуатации только до износа трущейся поверхности не более 1,0 - 1,5 мм, и деталь теряет при этом 1-2 % собственной массы [1]. Поэтому достаточно создать материалы с высокими антифрикционными свойствами рабочей поверхности и требуемыми механическими свойствами материала каркаса. Наиболее полно этим требованиям отвечают многослойные порошковые изделия с рабочим слоем из композиционных материалов, с подложкой из недорогой углеродистой или низколегированной стали [1, 2].

Среди известных технологий получения многослойных материалов простой и производительной является технология получения биметаллических материалов, при которой формирование слоев требуемого состава происходит в процессе холодного прессования, так как обеспечивает качественное сращивание слоев в переходной зоне и формирование требуемой структуры изделия при последующем термическом воздействии.

Предварительные эксперименты показали, что биметаллические изделия Cu-Fe с вертикальным расположением слоев (типа втулок), с толщиной любого слоя менее 2,5 - 3,0 мм невозможно получить с помощью предложенного в работе [3] устройства формования биметаллических заготовок. При заполнении матрицы порошок меди не истекает из наружного отсека загрузочного устройства (рис. 1) через зазор между перегородками, равный 3 мм, за счет его пере-давливания порошком сопряженного слоя. Это происходит из-за того, что восстановленный железный порошок обладает намного лучшей текучестью и имеет насыпную плотность почти в два раза большую, чем у порошка меди марки ПМС-1, полученного электролизом. Все это способствует увеличению бокового давления со стороны слоя железа, которое препятствует истечению порошка меди.

В данной работе предложен метод, позволяющий повысить текучесть порошков в результате того, что

при заполнении матрицы загрузочная камера осуществляет колебательные движения. Колебания осуществляются при помощи вибрационного устройства [4].

Для реализации предложенного метода использовали устройство для прессования биметаллических изделий из порошка, состоящее из матрицы 1 с полостью (не показано), в которой помещен составной пуансон, состоящий из наружной 2 и внутренней 3 частей, загрузочной камеры 4 с разделительной перегородкой 5 с загрузочными отверстиями 6. К корпусу загрузочной камеры 4 с помощью двух полуколец 7 закреплен электромагнитный вибровозбудитель 8 (рис. 1).

3

Рис. 1. Устройство для прессования биметаллических изделий из порошка

Устройство работает следующим образом. Камера (загрузочная кассета-питатель, бункер) 4 устанавливается над полостью матрицы 1, в которой помещен составной пуансон 2, 3. В исходном положении тор-

цовые поверхности частей пуансона находятся в одной плоскости с основанием камеры 4 и закрывают полость матрицы 1. На стадии загрузки пуансон 2, 3 плавно опускается, открывая полость матрицы 1 до уровней, соответствующих заданным объемам порошков, при этом порошки заполняют полость матрицы 1, не перемешиваясь, и образуют четкую границу раздела. После заполнения порошками полости матрицы 1, камера 4 перемещается по плоскости основания матрицы 1, для обеспечения прессования порошков в полости матрицы 1 с помощью сжимающего пуансона (не показан). Затем части пуансона 2 и 3 поднимаются в исходное положение, для извлечения биметаллического изделия. При заполнении полости матрицы 1 бункер 4 с порошками осуществляет колебательное движение с помощью электромагнитного вибровозбудителя 8.

Под воздействием вибрации происходит снижение коэффициентов сухого трения между частицами, в результате чего резко уменьшается сопротивление частиц относительному смещению (под воздействием вибрации сыпучая среда становится подобной вязкой жидкости - ее частицы приобретают большую подвижность) [5].

Для изучения воздействия вибрации на текучесть были использованы порошки железа марки ПЖВ 3.160.28 с разным гранулометрическим составом (+160 -200; +0,07 -1,0; +0,07 -0,045 мкм) и порошки меди марки ПМС-1, а также смеси порошка графита и меди марки ПМС-1, содержащей 2,5, 5, 10 % графита.

Для определения времени истечения порошков, а также воздействия вибрации на истечение, используемый порошок подавали в наружный отсек загрузочного устройства, который необходим для подачи порошкового материала при изготовлении биметаллических изделий с вертикальным расположением наружного антифрикционного слоя. Дозировку порошка в наружный отсек загрузочного устройства осуществляли весовым способом. Перед заполнением порошка выпускное отверстие кассеты-питателя закрывали специальной заслонкой. После заполнения порошком камеры 4 открывали заслонку и определяли время истечения порошков. Масса пробы порошка составляла 150 г, который взвешивали на весах ВТ-200 с точностью 0,2 г. Время истечения порошка измеряли с помощью секундомера.

Зазор между стенками бункера 4 составлял 1; 1,5; 3 мм, устанавливался при помощи специальных кассет-насадок. Амплитуда колебаний варьировалась от 0; 1 до 3 мм. Полученные экспериментальные данные представлены в виде гистограмм на рис. 2, 3.

Из представленных графиков видно, что время истечения порошка железа марки ПЖВ 3.160.28 в состоянии поставки из наружной камеры без вибратора составляло в среднем 13 с, а при включении вибратора уменьшилось всего на одну секунду при амплитуде колебаний 1 мм и зазоре между камерами загрузочной кассеты 1 мм (рис. 2, а).

В большей степени на время истечения (4ст) порошков влияет гранулометрический состав порошка железа ПЖВ (рис. 2, а), если /ист у порошков размером

частиц (+160 -200) составляло 15 с, то у мелкодисперсного порошка (+0,07 -0,045 мкм) оно не превышало 8 с, а при включении вибратора 5 с. Как видно из рис. 2, б, при увеличении амплитуды колебаний до 3 мм при зазоре 1 мм время истечения практически не изменилось.

Если зазор (ширина кольцевой щели) составлял 1,5 мм, время истечения порошка железа во всех случаях снижается примерно в 2 раза и при амплитуде колебаний 1 мм и 3 мм (рис. 2, в и г). При увеличении зазора до 3 мм установка вибратора практически не влияет на кинетику движения частиц и наблюдается равномерное заполнение полости матрицы из обеих камер кассеты. Если при истечении порошка железа в состоянии поставки (без вибратора) через зазор, равный 3 мм, и при амплитуде 1 мм, время истечения составило 3 с, то при включенном вибраторе время уменьшилось на 1 с. При увеличении амплитуды колебаний до 3 мм при зазоре 3 мм время истечения уменьшилось незначительно (рис. 2, д, е). Так же на время истечения (/ист) порошков влияет гранулометрический состав порошка железа ПЖВ (рис. 2, д, е) -с уменьшением размеров порошка железа время истечения через установленные зазоры уменьшается, а при включенном вибраторе 4ст уменьшается примерно на 1,0 - 1,5 с.

Восстановленный железный порошок имеет неправильную, осколочную форму. Наличие выступов и неровностей на поверхности частиц порошка, а также увеличение удельной поверхности повышают межчастичное трение и склонность к образованию сводов и контактных мостиков (перемычек). Это затрудняет их взаимное перемещение и приводит к снижению насыпной плотности и текучести порошков. Подобранные нами загрузочные параметры (зазор между стенками бункера - загрузочной камеры 4, амплитуда колебаний) исключает образование сводов и перемычек.

В случае заполнения наружного отсека загрузочного устройства порошком меди марки ПМС-1 и зазоре выходного отверстия меньше 2 мм, из бункера порошок не вытекает без вибратора, если зазор составляет 3 мм, то только часть (примерно 80 %) порошка вытекает из бункера за 10-12 с. Поэтому на рис. 3 показано время истечения порошка меди и смеси Си+Гр. только при колебаниях загрузочного устройства, при разной амплитуде.

Низкая текучесть порошка меди ПМС-1 объясняется тем, что порошок меди, полученный электролизом, имеет дендритную, разветвленную форму. В этом случае нормальному истечению порошка препятствует образование сводов и перемычек, которые визуально видны. Данные своды образуются в зауженной части наружного отсека загрузочного устройства, в районе выпускного отверстия.

В ходе поведенных исследований было установлено, что число сводов увеличивается, а текучесть ухудшается при увеличении содержания графита в порошке меди ПМС-1. Так, время истечения смеси, содержащей порошок меди и 10 % графита, при зазоре (щели) 3 мм увеличивается до 35-38 с. При зазоре

наружного отсека загрузочного устройства 1 мм без вибрации порошок меди марки ПМС-1 не истекает, а при колебаниях с амплитудой 1 мм этот же объем порошка через этот же зазор истекает за 20-25 с, при этом своды не образуются (рис. 3, а). На рис. 3, б видно, что при увеличении амплитуды до 3 мм (при зазоре 1 мм) 4ст порошка меди ПМС-1 уменьшилось на 7 с, и составило 23 с.

Время истечения смеси ПМС-1+2,5 Гр., ПМС-1+5 Гр. и ПМС-1+10 Гр. уменьшилось примерно на 10 с. В случае увеличения щелевого зазора до 1,5 мм (ампли-

туда равна 1 мм) время истечения порошка меди и смесей порошка графита и меди уменьшается примерно на 5 с, а при зазоре 3 мм и амплитуде 3 мм 4ст уменьшается примерно на 10 с (рис. 3, в и г). При увеличении амплитуды колебаний до 3 мм при зазоре 3 мм время истечения порошка меди ПМС-1, а так же смеси ПМС-1+2,5 Гр. и ПМС-1+5 Гр. не превышало 10 с, так, у порошка меди ПМС-1 без графита оно составляло 9 с. При увеличении содержания графита до 10 % (по массе) время истечения всего порошка не превышало 11-12 с (рис. 3 д, е).

14

13

12

о 11

« к 10

и <1> 9

У

И 8

CJ К 7

« 6

S и» 5

ü и 4

3

2

1

и

га

1

1

1

1

1

1

1

Сост. +160-

пост. 200

Зазор 1мм Амплитуда 1мм

И

ш

+0,070,1

+0,070,045

И

ш

ш

ш

Зазор 1мм Амплитуда 3 мм

И

Ш

и

Сост. пост.

+ 160200

+0,070,1

+0,070,045

б

а

14

13

12

о 11

« S 10

и 9

у

а 8

CJ S 7

« 6

S 5

PQ 4

3

2

1

ш

Сост. + 160-пост. 200

Зазор 1,5 мм Амплитуда 1 мм

14 13 12 11 10 9

Зазор 1,5 мм Амплитуда 3 мм

1—1 5 4 1 1—1

1 ш 3 2 — ш 1 ш ш

i 1 — 1 i

+0,07- +0,07- Сост. +160- +0,07- +0,07

0,1 0,045 пост. 200 0,1 0,045

в

с'

14

13

12

о 11

« S 10

и 9

у

а 8

о 7

к

<1> 6 5

PQ 4

3

2

1

Зазор 3мм Амплитуда 1мм

и

и

д

Сост. +160-пост. 200

+0,070,1

+0,070,045

Гранулометрический состав ПЖВ 3.160.28, мкм

д

14 13 12 11 10 9

Зазор 3мм Амплитуда 3мм

И

ш

Сост. +160-пост. 200

+0,070,1

+0,070,045

Гранулометрический состав ПЖВ 3.160.28, мкм

Рис. 2. Влияние гранулометрического состава порошка железа на время истечения из бункера, с (без вибрации - с вибрацией - ЕЭ), при зазоре, мм : а, б - 1; в, г

и амплитуде колебаний, мм : а, в, д - 1; б, г, д - 3

1,5; д, е - 3

L-

З0

m l0

Зазор 1мм Амплитуда 1мм

И

I

¡а

ПMC 1 ПMC 1 ПMC 1 ПMC 1 +2,5 Гр +5 Гр +l0 Гр

З0

10

Зазор 1мм Амплитуда Змм

1 1 1

1

1

1

1

1

1 1 i

ПMC 1 ПMC 1 +2,5 Гр +5 Гр б

ПMC 1 + 10 Гр

Зазор 1,5мм Амплитуда 1 мм

20

П 10-

ПMC 1 ПMC 1 ПMC 1 ПMC 1 +2,5 Гр +5 Гр +10 Гр в

Зазор Змм 20 _ Амплитуда 1 мм

И

ПMC 1 ПMC 1 +2,5 Гр +5 Гр

д

ПMC 1 +10 Гр

20

Зазор 1,5мм Амплитуда Змм

И

20

га

И

ПMC 1 ПMC 1 ПMC 1 ПMC 1 +2,5 Гр +5 Гр +10 Гр

г

Зазор Змм _ Амплитуда Змм

ПMC 1 ПMC 1 +2,5 Гр +5 Гр

ПMC 1 +10 Гр

Рис. 3. Влияние вибрации на время истечения порошка меди ПМС-1, и смеси Си + Гр., при зазоре, мм : а, б - 1; в, г - 1,5; д, е - 3 и амплитуде колебаний, мм: а, в, д - 1; б, г, д - 3

Вывод

Вибрационное воздействие улучшает (ускоряет) текучесть порошков железа и меди, смеси Си+Гр., дендритной и чешуйчатой формы, а следовательно, уменьшается вероятность образования сводов и перемычек между стенками кассеты-питателя, что приводит к уменьшению времени заполнения матрицы на стадии засыпки и дозирования порошков, в результате повышается качество биметаллических изделий. Установлено, что тонкостенные изделия из меднографитовых композиционных материалов можно получать только установкой на загрузочном устройстве вибраторов.

Поступила в редакцию

Литература

1. ГаркуновД.Н. Триботехника. М., 2000. 424 с.

2. Анциферов В.Н., Тимохова А.П., Шатская Т.К. Порошко-

вые конструкционные материалы. Киев, 1980. С. 130-132.

3. А.с. №1569079 СССР. Устройство для прессования биметаллических изделий из порошка / Ю.Г.Дорофеев, Б.Г.Га-санов, А.Ю.Стопченко [и др.] Опубл. 7.06.90. Б.И. №21.

4. Патент №73251, Устройство для прессования биметаллических изделий из порошка/ Б.Г.Гасанов, С.С. Токарев. Опубл. 20.05.2008/ Бюл. № 14.

5. Гячев Л.В. Движение сыпучих материалов в трубах и

бункерах. М., 1968. 182 с.

12 января 2009 г.

Токарев Сергей Сергеевич - аспирант, кафедра АТ и ОДД, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8906-428-58-42.

Tokarev Sergey Sergeevich - post-graduate student, department «Motor transport and traffic management», South Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8906-428-58-42._

i IMC 1

а

UMC 1

ÜMC 1

е