Влияние температурного режима на спекание медных порошковых материалов с карбидом кремния в машинах и механизмах сельскохозяйственного назначения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Влияние температурного режима на спекание медных порошковых материалов с карбидом кремния в машинах и механизмах сельскохозяйственного назначения

Т.В. Рожкова, к.т.н, Н.И. Смолин, к.т.н, профессор, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья

Порошковая металлургия, как один из способов изготовления деталей, относится к безотходным технологиям, что имеет важное значение для сельскохозяйственного и общего машиностроения. Исследователи пытаются создать новые композитные материалы, необходимые для получения изделий, эксплуатирующиеся в различных машинах и механизмах сельского хозяйства. Метод электроконтактного спекания, как разновидность порошковой металлургии, давно используется не только для изготовления, но и для восстановления изношенных поверхностей деталей. Простота и дешевизна специального приспособления, установленного на сварочную машину МРС-50, позволяет применять его для ремонта различных деталей сельскохозяйственной техники [1]. Поршневые кольца, втулки и другие изделия простой формы, восстановленные на ремонтных базах сельхозпредприятий, значительно увеличивают срок службы данных деталей, ускоряют и удешевляют процесс. Покрытия из порошковых материалов на основе меди с добавлением карбида кремния, нанесённые электроконтактным методом, позволяют получать изделия, которые по своим физико-механическим свойствам не уступают литому материалу. Полученное покрытие обеспечивает износостойкость поверхностного слоя и не приводит к выкрашиванию упрочняющих частиц в процессе эксплуатации.

Порошковая заготовка (или покрытие из порошкового материала) представляет собой соединение частиц различных размеров и формы. Основное влияние на процесс прессования порошкового материала вносят контакты, образующиеся между частицами.

Моделирование температурного процесса порошкового материала можно рассматривать как для элементарного объёма, так и для всей сплошной среды. Для рассмотрения процесса моделирования как при предварительном холодном прессовании, так и при электроконтактном спекании под воздействием электрического тока необходимо выделить частицу порошкового материала в качестве отдельного структурного элемента.

Цель исследования — рассмотреть изменение температуры в зоне контакта двух частиц при предварительном холодном прессовании медного порошкового материала.

Материал и методы исследования. Исследование процесса деформационного механизма при предварительном холодном прессовании необходимо для дальнейшего изучения особенностей

взаимодействия и деформации частиц внутри элементарных объёмов, что позволяет рассмотреть физическую основу процесса уплотнения. К числу особенностей при прессовании можно отнести неоднородную деформацию, обусловленную одновременным скольжением и поворотом частиц внутри представленной сплошной среды порошкового материала [2].

В качестве исследуемого материала использовали порошок меди со средними размерами частиц 23 мкм. В качестве упрочнителя был добавлен порошок зелёного карбида кремния (от 5,1 до 20,5% масс) с размерами фракций 8 + 26 мкм. Исходными параметрами являются: при предварительном прессовании и электроконтактном спекании давление 35 МПа, при электроспекании напряжение 3,34 В [3]. Введение в состав медного порошкового материала карбида кремния позволяет значительно улучшить физико-механические свойства и упрочить спекаемую заготовку, что необходимо для последующей механической обработки и эксплуатации полученных деталей.

Представим математическую модель порошкового материала в виде контакта сферических частиц одинакового размера. Форма частиц после прессования приближена к шаровидной (или сферической). Такая модель более полно даёт представление о структуре и исходной плотности порошкового материала.

На предварительном этапе, когда частицы порошковой смеси располагаются свободно в пресс-форме, температура соответствует комнатной, т.е.:

^ = гк » 25°С = 298°К, где 1ч — температура частицы;

4 — температура комнатная.

При приложении внешнего двустороннего давления (35 МПа) частицы порошка не только вступают в контакт друг с другом, но и претерпевают некоторую деформацию. При этом в зоне контакта возникают температурные градиенты. У поверхности раздела частиц выделяется теплота, которая первоначально сконцентрирована в зоне контакта, а затем распределяется по всему их объёму и далее распространяется на соседние частицы (рис. 1). Тепловые потоки встречаются в центре частицы, что приводит к повышению температуры и возникновению пластической деформации. Механическое взаимодействие в месте контакта частиц приводит к выделению тепловой энергии, происходит нагрев и слипание частиц друг с другом. Результатом процесса деформации является уплотнение порошкового материала и изменение формы частиц, тогда как их объём остаётся неизменным [4]. При этом происходит

Рис. 1 - Распределение тепловых потоков

смещение и пластическая деформация частиц, что приводит к заполнению пустот и в конечном итоге к изменению объёма самой прессовки.

Модель процесса характеризуется параметрами и условиями, как геометрическими, так и физическими. К геометрическим параметрам относятся формы и размеры самой порошковой системы, а также её отдельной частицы. Физические параметры учитывают свойства порошкового материала: мощность и её законы изменения во времени, внутренние источники энергии и их распределения в пространстве, плотности температурных полей и тепловых потоков, а также характер влияния окружающей среды на модель [5]. Смоделируем процесс теплового баланса в результате предварительного холодного прессования порошковой смеси (рис. 2).

мкм при диаметре матрицы 4,7 мм. Рассмотрим процесс прессования при прямом приложении внешнего давления.

Внешнее давление Рвн при прямолинейном его приложении будет распределяться по зонам контакта и рассеиваться в порошковом материале. Вектор этого давления Рвн раскладывается на две составляющие: Рвн=Рвн1 + Рвн2. При этом давление (прямое) Рвн1 будет направлено вдоль оси сферической частицы, давление Рвн2 (косвенное) будет направлено под углом ф (рис. 3) [7].

Рис. 3 - Концентрация температурных градиентов в зонах контактов под действием прямого и косвенного давлений

Зависимость изменения температуры АТ от количества теплоты, выделяемой в объёме зоны контакта Ук, определится соотношением:

2

АТ. =-

срУк

(1)

Дж

Рис. 2 - Моделирование процесса теплового баланса: — контакты частица-частица; • контакты частица-пуансон

Величина температурных градиентов в зоне контакта зависит от усилия прессования. На модели видно, что наибольшее распределение температуры происходит к центру частицы, расположенной в среднем ряду по линии приложенного давления. Перпендикулярно линии действия силы в зонах контактирования частиц также происходит повышение температуры. В свою очередь контакты частица — пуансон тоже вносят свой вклад в изменение температуры [6]. При этом графитовая прослойка между пуансоном и порошковой смесью будет являться своего рода изолятором и при моделировании её влияние на распределение температуры нами не рассматривается [1].

Результаты исследования. Рассчитаем температуру в зоне контакта двух частиц (материал — медь) в процессе предварительного холодного прессования. Расчёт проведём для диаметра частицы 44

где ср — объёмная удельная теплоёмкость, 3 .

см ■ К

Тогда количество теплоты 0, выделившейся в объёме за время I,

2 = N = ^ и = р8к и, (2)

где N — мощность, Вт;

? — время продолжительности деформации частиц, с;

¥ — усилие прессования, Н; и — скорость деформации частиц, м/с; р — давление прессования, МПа; 8к — площадь контакта, м.

Следовательно, изменение температуры АТ в зоне контакта за счёт выделившейся теплоты определится как:

АТ =

_ Р^кК _ Рн

(3)

срук срУк сР

Тогда при прямом приложении внешнего давления Рвн1 изменение температуры А Тк1 в зоне контакта для частицы диаметром 44 мкм будет равно:

Р

АТК1 == 9,589 = 10°К, (4)

сР

где внешнее давление Рвн1 = 35 МПа, объёмная удельная теплоёмкость меди ср = зб5 Дж при температуре Т0 =25°С = 298°К. ' смъ К

Таким образом, температура в зоне контакта 2 частиц повышается на 9,589°К и становится равной Т1 = То +АТК1 = 307,589° К. (5)

Значения изменения температуры в зоне контакта для различного вида давлений

Параметр С учётом прямого давления при диаметре матрицы С учётом косвенного давления при диаметре матрицы С учётом бокового давления от влияния сил

5,7 13,7 20,5 5,7 13,7 20,5 Рвн1 Рвн2

Давление, МПа 35 35 35 30,31 30,31 30,31 18,9 16,36

Сила, Н 892,5 5155,5 11546,4 772,9 4465,7 9999,2 481,95 417,18

Изменение температуры в зоне контакта ДТ, °К 9,589 9,589 9,589 5,178 5,178 5,178 2,42 2,09

Конечная температура в зоне контакта Т, °К 307,59 303,178 300,42 300,09

Данный расчёт выполнен для прямого приложения внешнего давления. В большинстве случаев на изменение температуры в зоне контакта ATK будет также действовать косвенное давление Реи2, которое действует под углом ф = 60°:

Р = Р - cos ф = 30,31 МПа. (6)

вН2 вЩ Т 5

Тогда изменение температуры будет равно:

P

ДТК == 5,178 = 5°К. (7)

2 ср

Таким образом, температура в зоне контакта 2 частиц в момент действия косвенного давления повышается на 5,178°Х и становится равной:

Т2 = То + ДТКг = 303,178° К. (8)

Кроме прямого и косвенного давлений на боковые стенки матрицы действует боковое давление, которое зависит от вышеназванных параметров:

Рб«1 =t Рв„1 = 18,9 МПа,

=t Рвн2 = 16,36 МПа.

(9)

где — коэффициент бокового давления (для меди I = 0,54).

Тогда изменение температуры в зоне контакта при действии бокового давления от влияния прямого и косвенного давлений будет равно:

'8тФ.

ДТ„

ДТ

ср

^ sin ф ср

-= 2,42°К,

= 2,09°К.

(10)

Таким образом, температура в зоне контакта частица — матрица повышается на 2,43°Х и ста-

новится равной:

Т = Т.

-ДТ^= 300,42° К, ~ДТк6ощ = 300,09° К.

Т 2 = Т0 +АТкбоК2 = 300,09° К. (11)

Проведём расчёт силы прессования ¥ при диметре матрицы 1 =5,7 мм, когда давление прессования составляет Рвн = 35 МПа:

^ = Рвн• 5 = 35 106 • 25,5 • 10-6 = 892,5Я, (12) где S — площадь поперечного сечения матрицы,

S =

п-d2 3,14- 5,72

= 25,5 мм2.

4 4

Аналогичные расчёты выполним для диаметра матрицы 13,7 и 20,5 мм [8].

Расчёт силы прессования ¥, когда действует боковое давление, проведём только при диметре матрицы 1 = 5,7 мм:

F = Рвщ •S = 18,9 106 • 25,5 • 10-6 = 481,95#,

F = Рвщ • S = 16,36 • 106 25,5 10-6 = 417,18Я. Полученные данные сведём в таблице. При расчёте изменения температуры в зоне контакта не учитывалась пористость порошкового материала. Это предстоит выполнить на этапах исследования.

Выводы. В результате проведённого исследования было выяснено следующее:

1. Температурное поле в зоне контакта частиц неравномерно и распределяется к центру частицы обратно пропорционально силе приложенного давления.

2. Значительный вклад в повышение температуры в зоне контакта вносит прямое давление Pm1.

3. Изменение температуры под влиянием косвенного и бокового давлений уменьшается в 2 и в 5 раз соответственно по сравнению с изменением АТ под действием прямого давления.

4. Изменение температуры не зависит от диаметра матрицы, при этом давление остаётся неизменным, а усилие будет меняться в зависимости от сечения пресс-формы.

Литература

1. Рожкова Т.В. Исследование новых способов электроконтактного спекания порошковых материалов // Вестник государственного аграрного университета Северного Зауралья.

2016. № 2. С. 122-129.

2. Цеменко В.Н. Теория порошковой металлургии. Теория и физические основы уплотнения порошковых материалов: учеб. пос. СПб.: изд-во СПбГПУ, 2005. 180 с.

3. Рожкова Т.В. Физико-механические характеристики порошковых материалов на основе меди // Вестник государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2016. № 1. С. 150-155.

4. Рожкова Т.В., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Исследование влияния межчастичных контактов на процесс предварительного прессования порошкового материала // Агропро-довольственная политика России. 2017. № 11. С. 140-144.

5. Ковтун В.А., Пасовец В.Н. Моделирование и исследование теплового состояния порошковой системы на разных уровнях температурного воздействия в процессе электроконтактного спекания // Молодые учёные-2008: матер. V Междунар. науч.-технич. школы-конф. М., 2008. Ч. 3. С. 97-102.

6. Плескачевский Ю.М., Ковтун В.А. Основы технологии электроконтактного спекания наноструктурированных металлополимерных покрытий триботехнического назначения // Автоматическая сварка. 2013. № 10-11. С. 72-79.

7. Рожкова Т.В., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Исследование деформационного механизма порошкового материала на основе меди // Агропродовольственная политика России.

2017. № 12.

8. Рожкова Т.В. Формирование структуры и свойств материалов на основе меди с карбидом кремния при электроконтактном спекании: дисс. ... канд. техн. наук. Тюмень, 2004. 160 с.