Обработка материалов давлением. Сборник научных трудов. №19

Подождите немного. Документ загружается.

Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 241

чистого Ni сплаву. Якщо ж розглядати ущільнюваність к tg нахилу кривої пористість – тиск

[16], то кращу ущільнюваність має суміш 60% наповнювача за нею йде порошок ПНК1-Л6,

потім суміші з 40 та 80% наповнювача і найгірша – у чистого Ni сплаву.

Висновки

Запропонований комплексний критерій формує мості, що досить повно описує

формованість порошкової системи, яка складається з порошків

з суттєво різними

технологічними властивостями.

Як звичайна (ρ

мін

) так і технологічна формованість (Ф) суміші погіршуються зі

збільшенням кількості наповнювача. Зміна ж ущільнюваності не має такого яскраво

вираженого характеру зміни. Криві залежності пористість – тиск мають різний нахил та

перетинаються у багатьох точках. Останнє пов’язане з тим, що ущільнюваність залежить від

комплексу характеристик матеріалів частинок (границь текучості, змінюваностей) та

технологічних властивостей порошків (насипних щільностей), тоді як формовансть в

основному визначається пористістю пресовки і залежить, у нашому випадку, головним

чином, від відносних насипних щільностей порошків.

При 100% наповнювача ущільнюваність зменшується практично припиняючись при

тисках 600-800 МПа, а міцність дорівнює нулю у всьому інтервалі досліджуваних тисків.

ЛІТЕРАТУРА

1. Лашко С.В. Пайка металлов. / С.В. Лашко, Н.Ф. Лашко – М.: Машиностроение. 1988. – 376 с.

Справочник по пайке: Справочник / Под ред. И.Е. Петрунина – М.: Машиностроение, 1984. – 400 с.

Буланов В.Я. Диагностика металлических порошков / В.Я. Буланов, Л.И. Кватер, Т.В. Долгаль, Т.А.

Угольникова, В.Б. Акмменко. – М.: Наука, 1983. –278 с.

Гогаєв К.О. Визначення формованості порошку за допомогою балу формованості / К.О. Гогаєв,

О.К. Радченко, М.Г. Аскеров // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії. –

Краматорск, 2007.

Вязников Н.Ф. Металлокерамические материалы и изделия. / Н.Ф. Вязников, С.С. Єрмаков – М.:

Машиностроение. 1967. – 224 с.

Гогаєв К.О. Вплив схеми випробування на величину міцності неспечених пресовок / К.О. Гогаєв,

О.К. Радченко // Тези доп. Міжнародної наук.-техн. конф. «Застосування теорії пластичності в сучасних

технологіях обробки тиском», 29.05-01.06. 2006. – Вінниця, 2006.– С. 14-16.

Кипарисов С.С. Порошковая металлургия. / С.С. Кипарисов, Г.А. Либенсон – М.: Металлургия,

1980. – 496 с.

8. Claussen N., Jahn J. Green strength of Metal and Ceramic Compacts as Determined by the Indirect

Tensile Test // Powder Met. Int. -1970.-N 3. -P. 87-90.

Радченко А.К. Ленты композиционных припоев на основе системы медь-фосфор // Новое в

получении и применении фосфидов и фосфорсодержащих сплавов. В 2-х томах. – Алма-Ата : Наука – 1988. –

Т.1. – С. 59-63.

10.

Радченко А. К. Механические свойства неспеченных прессовок. II. Влияние относительной

насыпной плотности порошка на прочность прессовок при различных температурных условиях формования //

Порошковая металлургия. ― 2004. ― № 11/12. ― С. 519.

11.

Радченко О.К. Формованість металевих порошків та технологічна міцність одержаних з них

пресовок / О.К. Радченко, К.О. Гогаєв, В.К. Грибков, М.Г. Аскеров // Современные проблемы физического

материаловедения. – Киев: ИПМ НАН Украины, 2006.

– C. 13-23.

12.

Радомысельский И. Д. Разработка стандартной методики прессуемости железных порошков /

И. Д. Радомысельский, Р. 3. Власюк // Порошковая металлургия.— 1965.— .№ 9.— С. 23—27.

13.

Радченко А.К. Формуемость и прочность проката из порошков / А.К. Радченко, О.А. Катрус //

Порошковая металлургия. – 1987. – № 7. – С. 11-18.

14. Ніколенко А.М. Концепція ієрархічної структури матеріалів // Порошковая металлургия– 2002. –

№ 5/6. – С. 105-127.

15.

Мартынова И.Ф. Уплотнение пористого метала при объёмной пластической деформации в

отсутствии упрочнения / И.Ф. Мартынова, В.В. Скороход // Порошковая металлургия– 1976. – № 5. – С.14-17.

16.

Hekcel R.W. An Analisis of Powder Compaction Phenomena // Trans. Met. Soc. AIME. – 1961. – 221,

N 10. – P. 1001- 1008.

Радченко О. К. – старший научный сотрудник ИПМ НАН Украины;

Гогаєв К. О. – д-р техн. наук, проф. ИПМ НАН Украины.

ИПМ НАНУ – Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича

НАНУ, г.Киев.

gogaev@ipms.kiev.ua

Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 242

УДК 669.187.526.001.57

Шаповалов В. А.

Пешков А. Н.

Бурнашев В. Р.

Константинов В. С.

Степаненко В. В.

Колесниченко В. И.

КОМПАКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ

ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ СТАЛЕЙ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА

Общеизвестно, что мировое производство стали с 2004 года превышает отметку

т/год, достигнув в 2007 году исторического рекорда – 1,3435·10

тонн. Из них в странах

СНГ произведено 124,0·10

тонн. В связи с тем, что в среднем коэффициент использования

материала на металлообрабатывающих предприятиях составляет 0,4-0,6, в отходы идет

порядка 0,5·10

тонн металла в мировых масштабах и порядка 60·10

тонн по странам СНГ.

Большую часть этих отходов составляет стружка.

Проблема утилизации металлической стружки до сих пор полностью не решена.

Непосредственное использование стружки, представляющей большой объем с малой

плотностью и специфическими свойствами, определяемыми характером стружки (толщина,

длина, ширина, механические характеристики обрабатываемого металла, способ

механической обработки и т.д.), связано с рядом

трудностей: окисление при хранении,

неудобство перевозки, угар при плавке и т.д. Компактирование металлической стружки и

отходов цветных и чёрных металлов очень эффективно и позволяет приблизить плотность

спрессованного материала до 0,8 плотности исходного, а также резко снизить активную

поверхность стружки, что уменьшает её угар во время плавления в несколько раз. Для

уменьшения затрат на транспортировку и хранение целесообразно производить

компактирование стружки непосредственно у мест ее накопления с последующим возвратом

в производство.

Однако существующие способы не позволяют эффективно перерабатывать стружку,

особенно это касается стружки высокопрочных и жаропрочных сталей и ряда других

высоколегированных сплавов, доля которых составляет порядка 2% в общем объеме

производства. Из-за

большого угара легирующих элементов стружка не может эффективно

использоваться непосредственно в процессе переплава.

Целью работы является анализ нового способа компактирования металлической

стружки для последующего переплава полученной заготовки в качестве расходуемого

электрода.

Известно несколько методов компактирования пористых материалов:

гидростатическое холодное прессование, электроимпульсный способ прессования, взрывной

метод, спекание, штамповка, прокатка. Однако существующие

способы имеют недостатки:

при прессовании в закрытой матрице – малая длина полученной прессовки, недостаточная

прочность заготовки при холодном прессовании, недостаточная плотность брикета при

электроимпульсном компактировании [1, 2, 4]. Получение прессовок массой более 15 кг

затруднительно и связано с использованием мощных прессов с удельным давлением

прессования свыше 500 МПа. А это крупногабаритное и очень дорогостоящее оборудование.

Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 243

Данная проблема может быть решена совмещением процесса прессования с нагревом,

что позволяет повысить пластичность стружки и уменьшить усилия прессования. В ИЭС

им. Е. О. Патона разработаны способ и опытно-промышленная установка для

компактирования шихты способом полунепрерывного горячего прессования (рис. 1, 2),

на которой были отработаны технологические параметры компактирования стружки

различных фракций и материалов

[3].

а) б) в) г) д)

Рис. 1. Технологическая схема процесса компактирования:

I – заготовки сплошного сечения; II – полой заготовки; a – загрузка стружки;

б – предварительное сжатие и нагрев всей порции до температуры выше 0,5 Т

пл

; в – осадка и

приваривание прессуемой порции к предыдущей; г – проталкивание порции вместе

заготовкой вниз; д – подъем пуансона и загрузка следующей порции.

Компактирование стружки совместно с ее прямым электронагревом производят в

проходной матрице специальной конструкции. В отличие от схем, описанных выше способов

ведения процесса, принципиально изменена схема установки. Установка оснащена

механизмом вытягивания прессовки, а также разработана новая конструкция нижнего

токоподвода. Если токоподвод в установках по прессованию брикетов подсоединяют к

днищу матрицы, то в

разработанной установке ток подводят непосредственно к боковой

поверхности формируемой заготовки или к затравке (в стартовый период).

Процесс производится при относительно невысоких усилиях прессования (≈5 МПа),

что существенно сокращает стоимость оборудования.

Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 244

На установке были отработаны технологические параметры компактирования разных

сортов и фракций металлической стружки, а именно стружки углеродистой стали и

жаропрочной стали ЭП609-Ш. В результате проведенных экспериментов были получены

прессованные заготовки большой длины (до 1 м), диаметром 100 мм, которые были

переплавлены в слитки в электрошлаковой и плазменно-дуговой печах (рис. 3).

Рис. 2. Схема установки для компактирования:

1 – гидроцилиндр; 2 – пуансон; 3 – лоток для подачи стружки; 4 – матрица;

5 – токоподводы; 6 – скомпактированная заготовка; 7 – шток.

Затем слиток был разрезан для изучения макроструктуры (рис. 4), механических

свойств и химического анализа. По результатам химических испытаний при комнатной

температуре на длительную прочность установлено, что механические свойства материала

Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 245

слитка удовлетворяют техническим требованиям И 255.105.092-87 для образцов из сплава

ЭП609-Ш. Химический состав материала слитка, определенный на ударных образцах, также

отвечает требованиям И 255.105.092-87 для сплава ЭП609-Ш.

а) б)

Рис. 3. Расходуемый электрод из стальной стружки (а) и слиток, полученный в

результате его переплава способом ЭШП (б).

Таким образом, новая технология позволяет эффективно производить утилизацию

некомпактных металлических отходов, способствуя повышению рентабельности

производства.

Кроме того, предложенным способом можно компактировать стружку или шихту

различных видов легковесного металлолома (листовая обрезь, проволока

, порошки) из

разнообразных металлов и сплавов (в том числе и их смесей), получая электроды для

переплавных процессов специальной металлургии [5]. В отличие от других способов

исключается использование мощного и дорогостоящего прессового оборудования, а также

ряд технологических операций, присущих традиционным схемам холодного прессования

(сваривание, вакуумный отжиг и т.д.).

Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 246

а) б)

Рис. 4. Макротемплет полученного слитка:

а – поперечный; б – продольный.

Выводы

Скомпактированный материал, в отличие от некомпактного (стружка), в меньшей

степени подвержен окислению.

При переплавке скомпактированной металлической стружки практически нет угара,

поскольку плотность брикетов близка к плотности монолитного материала.

Компактирование стружки различных по своему химическому составу металлов

целесообразно производить непосредственно в месте

её накопления, что дает возможность

получить «чистые» брикеты, изготовленные из отходов конкретного материала с известным

химическим составом и сразу после переплава возвращать в производство, создавая

тем самым замкнутый цикл металлооборота.

Предложенная технология позволяет получать длинномерные заготовки высокой

прочности, что позволяет использовать их в качестве расходуемых электродов в процессах

спецэлектрометаллургии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Метод брикетирования металлической стружки / К.Б. Абрамова, С.Д. Самуилов // Рынок

вторичных металлов. – 2005. – № 2/28.

Степанов С.И. Исследование процесса горячего прессования и свойств деталей из стальной

стружки: Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. – Киев, 1967. – 22 с.

Жадкевич М.Л. Получение расходуемых электродов компактированием титановой губки под

током / М.Л. Жадкевич, В.А. Шаповалов, В.С. Константинов, В.В. Степаненко, Г.Ф. Торхов, В.Р. Бурнашев,

Н.В. Рейда, В.И. Колесниченко // Современная электрометаллургия. – 2005. – №3.

Дорофеев Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых материалов. – М.: Наука, 1968. – 120 с.

Пат. №7997 Україна, МПК C22B 1/248. Спосіб компактування металевої шихти / Б.Є. Патон,

М.Л. Жадкевич, В.О. Шаповалов та ін. – Опубл. 10.08.2007, Бюл. №12.

Шаповалов В. А. – сотрудник ИЭС им. Е. О. Патона;

Пешков А. Н. – сотрудник ИЭС им. Е. О. Патона;

Бурнашев В. Р. – сотрудник ИЭС им. Е. О. Патона;

Константинов В. С. – сотрудник ИЭС им. Е. О. Патона;

Степаненко В. В. – сотрудник ИЭС им. Е. О. Патона;

Колесниченко В. И. – сотрудник ИЭС им

. Е. О. Патона.

ИЭС им. Е. О. Патона – Институт электросварки им. Е. О.Патона НАН Украины, г. Киев.

shapovalov@paton.kiev.ua

Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 247

УДК 621.778.01:621.791.04

Гринь А. Г.

Бойко И. А.

Богуцкий А. А.

ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ОБОЛОЧКИ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ

ПРИ ЕЕ ВОЛОЧЕНИИ

В настоящее время актуальным способом восстановления и упрочнения деталей

остается наплавка порошковой проволокой. Главными преимуществами данного способа

являются высокая производительность процесса наплавки, а также возможность получить

практически любой химический состав наплавленного металла. В связи с ростом требований

к качеству наплавленного металла, его химической и механической однородности, все

большее распространение получают

порошковые проволоки с оболочкой из углеродистых и

легированных сталей [1, 2].

При волочении порошковой проволоки происходит нагрев ее оболочки, что

соответствует выражению:

AQ U

′

+Δ , (1)

где

′

– количество выделившегося тепла,

– механическая работа волочения,

UΔ – увеличение внутренней энергии металла.

В зависимости от материала оболочки порошковой проволоки тепловыделение при

волочении будет различным. В работе [3] отмечено, что тепловой эффект при прочих равных

условиях тем больше, чем больше выход тепла, сопротивление деформированию и степень

деформации.

При волочении [3, 4] объем металла остается постоянным, поэтому механическая

работа, затрачиваемая на волочение,

за исключением небольшой части, идущей на

увеличение внутренней энергии, проявляющейся в образовании наклепа, трансформируется

в виде тепла.

По данным А. Эйхингера и В. Люга [5] при волочении низкоуглеродистой проволоки

почти вся механическая работа преобразуется в тепло, а при волочении углеродистой

проволоки (0,6% С) независимо от структуры металла (в патентированном или отожженном

состоянии)

около 10% механической работы идет на увеличение внутренней энергии.

Поэтому при волочении углеродистой проволоки доля тепла, возникающего в очаге

деформации, которая идет на нагрев металла проволоки несколько меньше. Э. Зибель и

Р. Кобич [5] высказали предположение о том, что 80% тепла внешнего трения поглощается

проволокой и 20% волокой.

Тепловое состояние системы «сердечник – оболочка» в

процессе волочения

порошковых проволок и плавления во многом определяют их сварочно-технологические

свойства. Закономерности теплового состояния системы при волочении самозащитных

порошковых проволок с оболочкой из углеродистой ленты, не изучены.

Целью данной работы является анализ тепловыделения при волочении самозащитных

порошковых проволок с оболочками из сталей 08кп и 65Г с целью изучения

его влияния на

составляющие сердечника. Под воздействием тепла, выделяющегося при волочении,

возможен нагрев оболочки порошковой проволоки до таких температур, при которых

неизбежна диссоциация газообразующих компонентов и окисление легирующей части

сердечника.

Оценка степени деформационного разогрева и влияния на него материала ленты

выполнялась по результатам расчета температуры нагрева по сечению оболочки порошковых

проволок.

Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 248

Для экспериментальных исследований были изготовлены порошковые проволоки,

имеющие один состав наполнителя, а в качестве оболочки использовались широко

применяемая лента из стали 08кп, а также 65Г. О применении последней, при изготовлении

порошковых проволок, практически нет информации в литературе. В обоих случаях

использовалась лента размером 0,5х12 мм, что позволило обеспечить одинаковый

коэффициент

заполнения порошковой проволоки.

Волочение осуществляли, используя волоки указанного диаметра (мм) по маршруту:

3,72-3,24-3,00-2,8-2,52,. Сила волочения фиксировалась при помощи тензодатчиков,

встроенных в держатель фильеры, показания регистрировались при помощи тензостанции,

подключенной через аналого-цифровой преобразователь к волочильному стану. Результаты

расчетов и измерений приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты теоретических и экспериментальных исследований

Материал

оболочки

Диаметры

проволок,

мм

Сила

волочения

Р, Н

Мощность

пластической

деформации

W, Вт

Тепловой

эффект

пластическо

деформации

Wт, Вт

Приращение

температуры

Т, С

3,72 1000 100 90 56,6

3,24 2720 272 244,8 173

3,00 1470 147 132,3 98,6

2,80 1040 104 93,6 103

Сталь 08кп

2,52 1160 116 104,4 149

3,72 1500 150 135 90

3,24 4635 463,5 370,4 253,6

3,00 2500 250 200 162

2,80 1380 138 110,4 154

Сталь

65Г

2,52 1610 161 144,9 214

В качестве исходных данных приняли: скорость волочения

6/V ммин= , материалы

оболочек: сталь 08кп (

0,2

230

Па

= ) и сталь 65Г (

0,2

400

Па

), длина очага

деформации принимается равной длине рабочей зоны фильеры. При вычислениях сделано

допущение о том, что процесс волочения адиабатический, следовательно, все тепло

деформационного разогрева передается оболочке порошковой проволоки толщиной

Для нормального (без обрывов) изготовления порошковой проволоки через первую

фильеру волочение производили при вытяжке 3,12,1

−

, что обеспечивает улучшение

условий смазки, в случае большей вытяжки возможно разрушение оболочки. На первом

переходе, где сердечник недостаточно уплотнен (γ=0,4), назначали максимальную

деформацию, превышающую величину разового среднего обжатия. Величина разового

обжатия для проволоки с оболочкой из исследуемых материалов составляла от 16% в

первом до 9%, с уменьшением обжатия в последующих переходах при

этом относительная

плотность (γ) материала сердечника достигает 0,8. Суммарное обжатие проволоки без

термообработки составляет 54%.

Исходя из данных, приведенных в табл.1, максимальная сила волочения наблюдается

на первом переходе 3,72-3,24 мм. Можно предположить, что максимальное тепловыделение

будет на данном переходе. Полная мощность пластической деформации при волочении

равна:

VPW

⋅

, (2)

где Р – сила деформации,

V – скорость волочения.

Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 249

Расчетные величины мощности пластической деформации порошковых проволок с

оболочками из сталей 08кп и 65Г приведены в табл.1, максимальные значения

соответственно равны:

ВтW

кп

272

= ; ВтW

5,463

Тепловые эффекты пластической деформации рассчитаны по формуле:

выхТ

⋅

, (3)

где

W – мощность, превратившаяся в тепло,

W – мощность, воспринятая деформированным телом,

вых

– коэффициент выхода тепла.

На основании данных [7] приняты коэффициенты выхода тепла:

кпвых 08

= 0,9 - для

стали 08кп и

Гвых 65

= 0,8 - для стали 65Г.

С учетом формулы (3) максимальный тепловой эффект пластической деформации при

волочении рассматриваемых материалов составит

ВтW

кп

8,244

ВтW

4,370

(рис. 1). По мере снижения величины прироста обжатия тепловой эффект

уменьшается , причем более интенсивно в оболочке из стали 65Г.

Рис. 1. Влияние относительного обжатия порошковой проволоки на величину

разовой мощности пластической деформации и теплового эффекта.

Интегральная деформация и эффективная тепловая мощность монотонно возрастают

(рис. 2) в обоих случаях. Величину вытяжки рассчитывали как:

, (4)

где

d – текущий диаметр порошковой проволоки;

d – первоначальный диаметр порошковой проволоки.

При адиабатических условиях процесса деформирования, повышение температуры

(Т), в элементарном объеме, происходит в соответствии с зависимостью [7]:

Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 250

⋅

, (5)

где

– время;

с – удельная теплоемкость;

– интенсивность напряжений;

– интенсивность скоростей деформации;

– плотность материала.

Рис. 2. Влияние вытяжки порошковой проволоки на интегральную мощность

пластической деформации и тепловой эффект.

Исходя из условия (4), прирост температуры ввиду деформационного разогрева

можно определить по следующей формуле:

Δ⋅

Ω⋅⋅

=Δ

, (6)

где

Ω – объем нагреваемого контактного слоя порошковой проволоки, равный

произведению площади очага деформации на толщину оболочки порошковой проволоки

на данном переходе (

24,3

= 0,5 мм).

Площадь очага деформации может быть определена как:

калобж

FFF

, (7)

где

обж

F – площадь участка обжатия в фильере,

кал

F – площадь участка калибровки в фильере.