CC BY
0
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
Научная статья УДК 621.762; 544.023
http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-3-111-116
Влияние гранулометрических характеристик порошка на формирование контактной поверхности на начальной стадии уплотнения
C.H. Миронова, Р.А. Егоров, Л.М. Белянкина, С.Н. Егоров, В.Ю. Дорофеев
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Исследовано влияние гранулометрических характеристик порошков на формирование контактной поверхности на начальной стадии уплотнения на примере меди и алюминия. Выявлено влияние размера частиц на критическую пористость, характеризующую образование контактной поверхности и перевода шихты в электропроводное состояние. Определено минимальное значение давление прессования, по достижении которого допускается пропускание электрического тока при электроконтактном уплотнении.
Ключевые слова: пористость, уплотнение, удельное электросопротивление, контактная поверхность
Для цитирования: Влияние гранулометрических характеристик порошка на формирование контактной поверхности на начальной стадии уплотнения / C.H. Миронова, Р.А. Егоров, Л.М. Белянкина, С.Н. Егоров, В.Ю. Дорофеев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2024. № 3. С. 111-116. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-3-111-116.
Original article
Influence of granulometric characteristics of powder onformation of contact surface at initial stage of compaction
S.N. Mironova, R.A. Egorov, L.M Belyankina, S.N. Egorov, V.Yu. Dorofeyev
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. The purpose of the work is to investigate the influence of the granulometric characteristics of powders on the formation of the contact surface at the initial stage of compaction using the example of copper and aluminum. The influence of particle size on the critical porosity characterizing the formation of the contact surface and the transfer of the charge to an electrically conductive state has been revealed. The minimum value of the pressing pressure has been determined, after which electric current is allowed to pass during the electric contact seal.
Keywords: porosity, compaction, electrical resistivity, contact surface
For citation: Mironova S.N., Egorov R.A., Belyankina L.M., Egorov S.N., Dorofeyev V.Yu. Influence of granulometric characteristics of powder onformation of contact surface at initial stage of compaction. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2024;(3): 111-116. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-3-111-116.
Электроконтактное уплотнение (ЭКУ) относится к прогрессивным технологическим процессам порошковой металлургии. Технология ЭКУ основана на совместном воздействии электрического тока и механической нагрузки на
Введение
формируемый материал на основе порошковой шихты [1, 2]. Развитие ЭКУ, связанное с определением чередования и временных параметров приложения усилия прессования и импульса электрического тока и направленное на расширение номенклатуры получаемых материалов, базируется на закономерностях протекания
© ЮРГПУ (НПИ), 2024
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
электрического тока через порошковую шихту, определяемых физико-механическими свойствами шихтовых компонентов, состоянием межчастичного сращивания в контактных областях [3-5]. Протяженность и качество межчастичного контакта оказывают влияние на значения структурно-чувствительных свойств материала, к которым относится электросопротивление. Резистометрические методы широко используются для оценки плотности, качества спекания и межчастичного сращивания, однородности гетерогенных структур и других показателей порошкового материала [6-9]. Теория перколя-ции рассматривает вопросы электропроводности в условиях надежного электрического контакта в проводящей фазе. Реальные металлические порошки вследствие значительной удельной поверхности покрыты адсорбированными и хемосорбированными пленками с экранирующим эффектом, снижающим электропроводность, что требует анализа влияния этих поверхностных слоев на формирование контактного межчастичного взаимодействия.
В последнее время на основе медного и алюминиевого порошков формируются дисперсно-упрочненные сплавы, модифицированные включениями упрочняющей фазы (оксиды, нитриды, карбиды, бориды металлов). В ЮРГПУ (НПИ) проводится комплекс исследований по разработке и промышленному внедрению порошковых материалов этого класса с применением карбидных добавок.
Цель работы - исследование влияния гранулометрических характеристик порошков на формирование контактной поверхности на начальной стадии уплотнения и определение значения критической плотности порошковой шихты на основе меди и алюминия.
Постановка задачи
В насыпном состоянии шихты отсутствует металлический контакт между частицами порошка, так как последние покрыты оксидной пленкой. При этом создается перколяционная система проводник - диэлектрик, свойства которой зависят от гранулометрического состава порошка. Для достижения поставленной цели необходимо исследовать трансформацию исходной перколяционной системы проводник - диэлектрик в электропроводную, рассмотреть изменение электропроводности высокопористой формовки в условиях уплотнения, исследовать
влияние гранулометрических характеристик порошков на начальный этап формирования контактной поверхности.
Материалы и методы исследования
В работе использованы порошки меди марки ПМС-1 ГОСТ4960-2017 и алюминия марки ПА-4 ГОСТ 6058-2022. Выбор порошков обусловлен их изготовлением в промышленном масштабе, стабильным гранулометрическим составом, хорошими технологическими свойствами. Ситовым методом на вибраторе ВТ-30Т отсеяны следующие фракции: 100 мкм, 71 мкм и 45 мкм порошка ПМС-1 и 63 мкм, 45 мкм, 25 мкм порошка ПА-4.
Средний размер частиц определен при помощи лазерного дифракционного анализатора размера частиц Analysette 22 NanoTec, фирма Fritsch, Германия. Принцип действия прибора основан на методе лазерной дифракции - зависимости угла рассеяния света от размеров частиц (чем больше размер, тем меньше рассеяние). Сквозь кювету с исследуемым образцом проходит лазерный луч, интенсивность рассеянного света снимается с фоточувствительного детектора.
Учитывая значительное различие в значениях плотности применяемых карбидов, подобраны величины их массовой концентрации для обеспечения близких значений объемной концентрации (табл. 1).
Таблица 1 Table 1
Концентрации металлокарбидных композиций Concentrations of metal-carbide compositions
Компоненты Массовая Объемная
шихты концентрация, % концентрация, %
Cu+WC 10 6
20 12,5
Cu+SiC 2 6
5 12,5
Al+WC 27 6
45 12,4
Al+SiC 7 6
14 12
Смешивание проведено в двухконусном смесителе и планетарной центробежной мельнице САНД-1 в течение 30 мин. Для предотвращения окисления шихты добавлен этиловый спирт. Отношение массы шаров к массе шихты составило 2,5:1. Неоднородность шихт по содержанию компонентов не превысило 8 %.
Насыпная плотность и плотность после утряски фракций порошков определена по
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
ГОСТ 19440-94 «Порошки металлические. Определение насыпной плотности» и ГОСТ 25279-93 «Порошки металлические. Определение плотности после утряски».
Формование брикетов осуществлено методом одностороннего прессования на лабораторном гидравлическом прессе с осевым давлением прессования в диэлектрической цилиндрической матрице пуансонами с электрическими контактами, изолированными от рабочих плит пресса. Диаметр матрицы 4 мм.
Выбор данного метода формования обусловлен технологичностью осуществления, простотой конструкторского исполнения, возможностью получения формовки заданных размеров и пористости [10].
Пористость формовок рассчитана на основе измерения индикатором часового типа хода подвижного пуансона.
Электросопротивление формовки измерялось непосредственно в матрице омметром постоянного тока HELPASS HPS2511.
Результаты исследования
Электропроводность шихты на начальной стадии уплотнения зависит не столько от физических свойств материала частиц порошка, сколько от геометрических параметров и состояния поверхности частиц, определяющих возможность создания ювенильного контакта, являющегося основой перколяционного скелета. Характер изменения электропроводности при уплотнении порошковых шихт различного фракционного состава показан на рис. 1. р, Омм
100 10 1
0, 1 0,001 0,001
%
Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления формовок из порошков меди и алюминия от пористости для фракций со средним размером частиц, мкм: 1 - 100; 2 - 71; 3, 5 - 45; 4 - 63; 6 - 25
Fig. 1. Dependence of the resistivity of molds made of copper and aluminum powders on porosity for fractions with an average particle size, microns: 1 - 100; 2 - 71; 3, 5 - 45; 4 - 63; 6 - 25
С практической точки зрения создание перколяционного скелета определяет минимальную степень уплотнения формовки, позволяющей эффективно использовать протекание электрического тока для формирования порошкового материала в условиях ЭКУ.
Основываясь на выявленной зависимости изменения обобщенной проводимости порошковых материалов при их уплотнении и экспериментальных результатах, можно определить критическую пористость формовки, соответствующую образованию надежного электрического контакта - перколяционного кластера, проходящего через ее объем [5, 7].
Математическое представление указанной выше зависимости коррелирует с выражением, описывающим относительное контактное сечение как функцию характеристик пористого тела [11].
На рис. 2 представлены зависимости насыпной пористости, пористости после утряски и критической пористости от размера частиц исследуемых порошков.
Рис. 2. Зависимость насыпной пористости (1), пористости после утряски (2) и критической пористости (3) от размера частиц порошка d Fig. 2. Dependence of bulk porosity (1), porosity after shaking (2) and critical porosity (3) on the size of powder particles d
Теоретически возможно, что при контактировании металлических частиц с поверхностью, свободной от оксидной пленки, минимально возможным значением критической плотности порошковой системы является ее насыпная плотность, что характерно для порошков с достаточно чистой поверхностью, между частицами которых образуется надежный электрический контакт. Данное обстоятельство может трактоваться как появление очага межчастичного сращивания в зоне контактного взаимодействия. В шихте образуется токопроводя-щий скелет, способствующий реализации эффекта пропускания электрического тока через
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
пористое тело. В реальности поверхность про-мышленно изготавливаемых металлических порошков экранирована оксидной пленкой и, согласно пленочной теории твердофазного соединения, сращивание определяется не атомно-кри-сталлическим строением металла, а состоянием его поверхности. В качестве критерия сращивания предложено отношение твердости поверхностной пленки к твердости самого металла [12, 13]. Согласно данным, представленным на рис. 2 критическая пористость рассматриваемых фракций порошков ниже не только насыпной пористости, но и пористости шихты после утряски. Данное обстоятельство свидетельствует о недостаточности контактного давления для деформирования или разрушения поверхностной оксидной пленки с образованием металлического контакта между частицами, и для достижения критической пористости требуется приложение давления уплотнения. Согласно пленочной теории сращивания, величина этого давления зависит от толщины и прочности оксидного поверхностного слоя. Зависимости критической пористости от размера частиц порошка имеют идентичный характер для ПМС-1 и ПА-4, с уменьшением размера частиц значения критической пористости понижаются. Следовательно, для разрушения оксидной пленки на более мелких порошках требуется приложения большего давления уплотнения. Причем у алюминиевого порошка критическая пористость ниже, чем у медного. С технологической точки зрения необходимо указать давление уплотнения, положение которого достаточно для достижения критической пористости (табл. 2).
Таблица 2 Table 2
Давление уплотнения для достижения критической пористости
Com pation pressure to achieve critical porosity
Марка порошка Средний размер частиц фракции, мкм Давление уплотнения, МПа, эксперимент/расчет
ПМС-1 45 19,1/19
71 16,9/17
100 14,2 /14
ПА-4 25 13/13,1
45 11,5/11,4
63 10,5/10,6
Экспериментальные результаты согласуются с теоретическими значениями, вычисленными по уравнениям прессования [14, 15]. Указанные значения давления уплотнения достигаются на стадии подпрессовки без включения ос-
новной насосной станции. Данный технологический прием целесообразно включить в технологический процесс ЭКУ.
Рассмотрим влияние модифицирования порошка основы упрочняющими карбидными добавками на критическую пористость (табл. 3). В графе материал указана объемная концентрация карбидов.
Таблица 3 Table 3
Критическая пористость шихты с карбидными частицами Critical porosity of the charge with carbide particles
Материал Средний размер Критическая
частицы, мкм пористость, %
45 57
Cu+6%WC 71 60
100 63
45 55
Cu+12,5%WC 71 56
100 58
45 57
Cu+6%SiC 71 60
100 63
45 56
Cu+12%SiC 71 56
100 58
25 55
Al+6%WC 45 57,5
63 58
25 53
Al+12,4%WC 45 54
63 55
25 55
Al+6%SiC 45 57,5
63 58
25 52
Al+12%SiC 45 52
63 54
С увеличением размера частиц порошка величина критической пористости повышается. При объемном содержании карбидов на уровне 6 % значения критической пористости шихты практически не отличаются от величин критической пористости, определенных для чистых металлов. С повышением содержания карбидных включений критическая пористость понижается. Данное обстоятельство может быть следствием попадания карбидной частицы в контактную зону, при этом уменьшается площадь металлического контакта, что сказывается на значениях электросопротивления.
Отметим, что электросопротивление карбидов значительно превышает электросопротивление металлов.
При значениях пористости формовки на уровне критической не удается определить долю контактной поверхности в ее сечении прямым
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
измерением. Используя аналитические зависимости относительного контактного сечения от пористости, можно рассчитать ее значение. В интервале изменения критической пористости 52-63 % относительное контактное сечение составляет 0,7-1,78 %.
Заключение
На основании экспериментальных зависимостей электропроводности отдельных фракций чистых порошков меди и алюминия и шихт на основе этих металлов с карбидами вольфрама и кремния определены значения критической пористости формовки. При проведении ЭКУ пропускание электрического тока целесообразно после подпрессовки шихты.
Значения критической пористости зависят от размера частиц порошка. При уменьшении размера частицы увеличивается экранирующий эффект оксидной поверхности, что обусловливает повышение давления уплотнения, необходимого для формирования перколяционного скелета формовки.
Повышение объемной концентрации карбидных включений свыше 10 % уменьшает критическую пористость формовки.
Список источников
1. Патент на изобретение № 2210460 РФ. Способ изготовления изделий из шихты на основе металлического порошка / Егоров С.Н., Медведев Ю.Ю., Егоров М.С., Егорова И.Ф. 06.12.2001.
2. Патент на изобретение № 2766562 РФ, Способ изготовления изделий из шихты на основе металлического порошка, модифицированного диэлектрическими порошками / Егоров С.Н., Миронова С.Н., Миронова А.С. Егорова Р.В. 01.02.2022.
3. Ханикаев А.Б., Грановский А.Б., Клерк Ж. -П. Влияние распределения гранул по размерами притяжения между гранулами на порог перколя-ции в гранулированных сплавах // Физика твердого тела. 2002. Т. 44. Вып. 9. С. 1537-1539.
4. Довженко А.Ю., Бунин В.А. Влияние формы и размера частиц электропроводящей фазы на образование перколяционного кластера в керамической композиции // Журнал технической физики. 2003. Т. 73. Вып. 8. С. 123-125.
5. Мокрушин В.В. Закономерность обобщенной проводимости нагружаемых порошковых материалов // Докл. АН. 1999. Т. 357. №3. С. 332-334.
6. Simchi A., Danninger H., Weiss B. Microstructural modeling of electrical conductivity and mechanical properties of sintered ferrous materials// Powder Metallurgy. 2000. Vol. 43. N 3. P. 219-227.
7. Царев М.В., Мокрушин В.В. Влияние гранулометрических свойств порошка металлического скандия на его электропроводность // Журнал технической физики. 2007. Т. 77. Вып. 3. С. 80-86.
8. Грабой И.Э., Можаев А.П., Третьяков Ю.Д. Сравнение химической однородности композитов, полученных различными методами, на основании измерения удельной электропроводности // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1991. Т. 27. № 4. С. 870-872.
9. Электросопротивление и теплопроводность порошковых смесей на основе титана для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов / A.H. Емельянов, В.М. Шкиро, А.С. Рогачев и др. // Изв. вузов. Цветная металлургия. 2002. № 2. С. 67-70.
10. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии. В 2-х т. Т. 1. М.: МИСиС, 2002. 213 с.
11. БальшинМ.Ю., Кипарисов С.С. Основы порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1978. 184 с.
12. Баранов И.Б. Холодная сварка пластичных металлов. Л.: Машиностроение, 1969. 208 с.
13. Основы теории сварки давлением / С.Б. Айбин-дер, Р.К. Глуде, А.Я. Логинова и др. // Автоматическая сварка. 1964. № 5. С. 21-27.
14. Андреева Н.В., Радомысельский И.Д., Щербань Н.И. Исследования уплотняемости порошков // Порошковая металлургия. 1975. №6. С. 32-42.
15. Исследование уплотняемости порошковой шихты на основе меди с карбидными добавками / С.Н. Миронова, Л.М. Белянкина, Р.А. Егоров, С.Н. Егоров // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2023. №2. С. 48-53. DOI 10.17213/15603644-2023-2-48-52.
References
1. Egorov S.N., Medvedev Yu.Yu., Egorov M.S., Egorova I.F. A method for manufacturing products from a charge based on a metal powder. Patent RF, no. 2210460. 2001.
2. Egorov S.N., Mironova S.N., Mironova A.S. Egorova R.V. A method for manufacturing products from a charge based on a metal powder modified with dielectric powders. Patent RF, no. 2766562. 2022.
3. Khanikaev A.B., Granovsky A.B., Clerk J.P. The effect of granule size distribution and attraction between granules on the percolation threshold in granular alloys. Solid State Physics. 2002;44(9):1537-1539. (In Russ.)
4. Dovzhenko A.Yu., Bunin V.A. The influence of the shape and size of particles of an electrically conductive phase on the formation of a percolation cluster in a ceramic composition. Journal of Technical Physics. 2003;73(8):123-125. (In Russ.)
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
5. Mokrushin V.V. Regularity of generalized conductivity of loaded powder materials. Dokl. AN. 1999;357(3):332-334. (In Russ.)
6. Simchi A., Danninger H., Weiss B. Microstructural modeling of electrical conductivity and mechanical properties of sintered ferrous materials. Powder Metallurgy. 2000;43(3):219-227.
7. Tsarev M.V., Mokrushin V.V. Influence of granulometric properties of metallic scandium powder on its electrical conductivity. Journal of Technical Physics. 2007;77(3):80-86. (In Russ.)
8. Graboy I.E., Mozhaev A.P., Tretyakov Yu.D. Comparison of chemical homogeneity of composites obtained by various methods based on measurement of specific electrical conductivity. Izv. AN USSR. Inorganic materials. 1991;27(4):870-872. (In Russ.)
9. Yemelyanov A.H., Shkiro V.M., Rogachev A.S. and others. Electrical resistance and thermal conductivity of titanium-based powder mixtures for self-propagating high-temperature synthesis of materials. Izv. vuzov. Non-ferrous metallurgy. 2002;(2):67-70. (In Russ.)
10. Libenson G.A., Lopatin V.Yu., Komarnitsky G.V. Processes of powder metallurgy. In 2 vols. Volume 1. Moscow: MISiS; 2002. 213p. (In Russ.)
11. Balshin M.Yu., Kiparisov S.S. Fundamentals of powder metallurgy. Moscow: Metallurgy; 1978. 184 p. (In Russ.)
12. Baranov I.B. Cold welding of plastic metals. Leningrad: Mechanical engineering; 1969. 208 p. (In Russ.)
13. Einbinder S.B., Glude R.K., Loginova A.Ya. et al. Fundamentals of the theory of pressure welding. Automatic welding. 1964;(5):21-27. (In Russ.)
14. Andreeva N.V., Radomyselsky I.D., Shcherban N.I. Studies of compaction of powders. Powder metallurgy. 1975;(6):32-42. (In Russ.)
15. Mironova S.N., L.M. Belyankina, Egorov R.A., Egorov S.N. Investigation of compactability of powder charge based on copper with carbide additives. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki= Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region.Technical Sciences. 2023;(2):48-53. (In Russ.). DOI 10.17213/15603644-2023-2-48-52.
Сведения об авторах
Миронова Светлана Николаевная - аспирант, ст. преподаватель, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», mironova_svetlan@mail.ru
Егоров Роман Александрович - аспирант, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», e.r.a-09@mail.ru
Белянкина Лилия Михайловна - аспирант, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», lilya-bel@yandex.ru
Егоров Сергей Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», yegorov50@mail.ru
Дорофеев Владимир Юрьевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», dvyu56.56@mail.ru
Information about the authors
Svetlana N. Mironova - Graduate Student, Senior Lecturer, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», mironova_svetlan@mail.ru
Roman A. Egorov - Graduate Student, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», e.r.a-09@mail.ru
Lilia M. Belyankina - Graduate Student, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», lilya-bel@yandex.ru
Sergey N. Egorov - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», yegorov50@mail.ru
Vladimir Yu. Dorofeyev - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», dvyu56.56@mail.ru
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 19.06.2024; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 02.07.2024; принята к публикации / accepted for publication 04.07.2024.
