Исследование и создание композиций на основе порошков металлов, их оксидов и углерода для получения фасонных заготовок с заданными свойствами

где и – сопротивления пластической деформации меди и гранул;

Исходя из общей зависимости плотности от составляющих и при их соответствующей концентрации и или получены зависимости для плотности составляющих компонентов при заданной плотности заготовки и изделия:

По сопротивлению пластической деформации + определяется абсолютная прочность полуфабриката . Аналогичные исследования проведены для других процессов получения полуфабрикатов в виде цилиндров с полостями, ступенчатых изделий, трубчатых изделий. Эти исследования позволили определить оптимальное соотношение концентраций для установления заданной прочности.

При постановке задачи достижения требуемой твердости по Бринеллюбыли установлены модели, связывающие твердость и прочность для каждого компонента на примере высадки цилиндрической головки:

и . (14)

Затем по композиционной модели осуществляется установление общей твердости и ее сравнение с необходимым нормативом.

Завершающей операцией является проверка изделий на отсутствие несплошностей.

К большинству медно-гранульных композиций предъявляются требования по получению заданной электропроводности, равной не менее 85% электропроводности меди. Проведенные вариационные исследования позволили установить общую модель для оптимизации данной зависимости и отработать нужную концентрацию по критериальному уравнению:

Для изделий, работающих при повышенных температурах, была экспериментально определена среднестатистическая модель распределения температуры по сечению изделия из данного композита и получены аналитические зависимости радиальных , тангенциальных и осевых напряжений для медно-гранульных композиционных изделий. При модуле упругости изделия , коэффициенте Пуассона , коэффициенте температурного расширения установлены контрольные радиальные и тангенциальные напряжения: ; ; ; ; ;.

Проверка по эквивалентным напряжениям установила для наших материалов существенный запас прочности по сравнению с допустимыми значениями.

Таким образом, выявленные экспериментальные и теоретические зависимости, подкрепленные технологическими режимами получения данных изделий, позволяют оптимизировать задачи изготовления изделий с заданным уровнем физико-механических свойств.

Далее изучались композиты на основе медных гранул с повышенным содержанием и порошка железа. Экспериментальные исследования установили сопротивление пластической деформации порошка железа , показатель пористости , сопротивление пластической деформации гранул 880 МПа и их показатель пористости . При этих данных получена критериальная модель композита:

и . (16)

Отработка составов проводилась на ряде деталей. Так, для процесса компактирования брикета, размером H_брхBхl (16,5х68х625), определялось среднее давление

которое сравнивалось с давлением компактирования . Исследования показали, что при концентрации железного порошка ≤ 0,6 среднее давление составляет не менее 0,5-0,6 сопротивления деформации железного порошка.

В качестве простых моделей для исследования давлений использовался прямоугольный брикет, размером H_брхBхl. Для отношений ширины к высоте готового изделия используется известная зависимость, по которой вычисляется относительное среднее давление:

– при трех зонах

и – при двух зонах, когда ,

где .

На этом этапе производится расчет прочности сначала полуфабриката, а затем изделия с различной концентрацией компонентов. Вновь используется расчетно-экспериментальная методика отработки технологического маршрута и термической обработки для достижения заданного уровня твердости. Работа композитов данной группы, как правило, проходит при повышенных температурах, поэтому разрабатываются новые зависимости для расчета относительных плотностей гранул и порошка железа. С этими результатами и новыми контактными условиями исследуются силовые и деформационные параметры обработки давлением материала при формообразующих процессах. Как показали наши исследования, при горячих процессах обработки основное правило композитного построения характеристик не изменяется, однако существенно отличаются количественные параметры.

В заключении главы приводятся исследования, направленные на повышение эксплуатационных параметров изделий из композиционных материалов. Приводится методика поверочных исследований: на сплошность композиционных материалов, безобрывность элементов конструкции, градиенты температурного поля по сечениям изделий и распределение термических и остаточных напряжений. Как показали данные исследования, термические и остаточные напряжения при соответствующем подборе концентрации компонентов не превышают допустимые величины. Таким образом, исследования на стадии проектирования позволяют отработать фазовый состав композита, оптимизировать технологический процесс в соответствии с требуемыми нормами для получения изделия с высокими эксплуатационными свойствами.
В седьмой главе дан анализ инженерных и экономических аспектов реализации в промышленности результатов исследований, изложенных в предыдущих главах.

Эффективность технологии получения заготовок путем изготовления композиций «металлы – оксиды – ФФС», формования указанных композиций, их термической обработки и спекания обеспечивается за счет снижения затрат по сравнению с получением заготовок другими методами. Сравнение показывает, что преимущество разработанной технологии заключается в уменьшении стоимости сырья на 20 – 30 % за счет замены части дорогих металлических порошков их оксидами, а при использовании распыленного водой железного порошка-сырца возможно снижение стоимости МИМ-фидстоков в 2,5 – 3,5 раза. Кроме того, за счет увеличения скорости удаления связующего снижаются в несколько раз затраты на эту операцию.

Кроме указанных выше преимуществ, применение композиций «металлы – оксиды – ФФС» в совокупности с использованием прямого компрессионного прессования позволяет получать заготовки с большой площадью прессования на обычных прессах для прессования изделий из пластмасс. Так, на стандартном прессе усилием 100 тонн можно сформовать заготовки площадью 250 – 300 см² и соответственно применять многоместную оснастку. Высокая прочность прессовок, полученных с использованием термореактивных смол, позволяет спекать их в печах толкательного типа, производительность которых значительно выше производительности камерных печей. В связи с этим автором предложена конструкция толкательной печи с муфелем из карбида кремния, обеспечивающая рабочую температуру . Печь спроектирована, изготовлена и внедрена в производство в ООО «Наномет» (г. Йошкар-Ола).

Результаты отработки технологии и ее освоения для производства изделий различного назначения, испытаний этих изделий на промышленных предприятиях (ООО «Наномет», ОАО «Завод им. Г. И. Петровского» и др.) и их промышленной поставки позволяют рекомендовать широкое применение композиций «металлы – оксиды – ФФС» для производства металлоизделий с различными габаритами, формой и заданными механическими, триботехническими, теплофизическими и электрическими характеристиками как с целью ресурсосбережения, так и с целью создания более эффективных конструктивных решений в продукции машиностроения и других отраслей.

Инженерные и экономические предпосылки практического применения композиций Cu – CuO – Al – C, полученных реакционным размолом, определяются высокой жаропрочностью и износостойкостью получаемых из них материалов при приемлемой стоимости этих материалов по сравнению с аналогами. К таким областям относятся инструмент для сварки, детали кристаллизаторов, направляющие втулки и седла клапанов двигателей, электрические контакты и др. С 2000 по 2008 гг. в рамках маркетинговых исследований ООО «Завод «Диском» (г. Йошкар-Ола), ООО ИНТЦ «Диском» (г. Чебоксары), ООО «Завод «Купол» проведены широкие промышленные испытания материалов на отечественных автомобильных заводах (ОАО «ГАЗ», ОАО «УАЗ», ОАО «ВАЗ», в атомной промышленности (ЗИО г. Подольск), предприятиях стройиндустрии, в металлургической промышленности (ОАО «Северсталь») и других предприятиях, давшие положительный результат.

На ООО «Завод «Купол» создано и функционирует опытно-промышленное производство гранул и поковок, прутков и профилей мощностью 100 тонн/год. Продукция поставляется на десятки предприятий России и за рубеж.

Полученные в результате опытной эксплуатации производства данные позволили сформулировать требования к промышленному комплексу оборудования. Разработано техническое задание на механизированный комплекс оборудования для реакционного размола, включающий 12 аттриторов с объемом камеры 45 л, устройства загрузки-выгрузки гранулята и шаров, конвейерную линию для транспортировки гранулята, систему управления. Разработана рабочая конструкторская документация на комплекс.

При выполнении работы получены шесть патентов на разработанные материалы и способы их изготовления, пять из которых внедрены в производство.

2. Разработаны, исследованы, запатентованы и внедрены в производство, в зависимости от назначения, два типа композиций:

- для получения сложнопрофильных фасонных заготовок из порошков металлов, их оксидов, легирующих элементов и термореактивной фенол-формальдегидной смолы;

- для получения жаропрочных дисперсно-упрочненных материалов в виде гранул, сложных кованых заготовок, прутков и сложных профилей с применением реакционного размола порошка матричного металла, его оксида, порошков легирующих элементов и углерода.

Полученная из указанных композиций металлопродукция широко используется в машиностроении, автомобильной, строительной, металлургической и атомной промышленности и поставляется как на предприятия России, так и за рубеж.

3. На основе разработанных физических и математических моделей установлены аналитические зависимости, определяющие фазовый состав композиций в зависимости от назначения изделий, их реологических свойств и роли углерода как восстановителя оксидов и позволяющие оптимизировать технологический процесс для получения стабильных и устойчивых качественных показателей продукции.

4. Установлены температурные режимы термической обработки композиций. Так, процессы термодеструкции фенолформальдегидной смолы в сформованных композициях завершаются в интервале , соответственно скорость нагрева прессовок может в несколько раз превышать скорость нагрева для удаления связующего в МИМ-фидстоках на основе термопластов, при гарантии сплошности заготовок, тем самым создавая возможность образования при термодеструкции фенолформальдегидной смолы высокодисперсного аморфного углерода, являющегося активным внутренним восстановителем.

5. Установлен оптимальный режим низкотемпературного, в интервале , вакуумного восстановления оксидов, расположенных в матрице из металлических частиц углеродом, полученным при термическом разложении фенолформальдегидной смолы, при котором обеспечивается минимальный расход углерода в количестве 0,56 на единицу массы кислорода в композиции (или в 2,5-3 раза меньше, чем в существующих технологиях получения губчатого железа) и значительное сокращение времени восстановления.

6. Установлены физические закономерности двухстадийной кинетики процесса изменения дисперсности продуктов реакционного размола композиций отличающейся скоростью роста гранул, размер которых линейно зависит от времени на каждой из стадий, что позволяет на основе разработанной физической модели, во-первых, определять размеры гранул в зависимости от времени реакционного размола и, во-вторых, в зависимости от особенностей протекания режима реакционного размола и термической обработки композиций формировать высокодисперсные фазы с активной ролью углерода как восстановителя оксидов матричного металла и регулятора размеров гранул.

7. Установлено, что при реакционном размоле композиций окислительно-восстановительные процессы не заканчиваются и фазовый состав реакционной системы не достигает оптимального, что связано с уменьшением интенсивности пластической деформации по мере роста гранул; отжиг продукта реакционного размола завершает процесс окисления алюминия и восстановления оксида матричного металла углеродом и существенно (до 2 раз) повышает электропроводность, до 3 раз относительное удлинение и с 700 ºС до 870 ºС увеличивает температуру рекристаллизации, что обеспечивается эволюцией фазового состава, происходящей при отжиге.

8. Установлены методические закономерности спекания материалов, полученных восстановлением композиций , позволяющие установить корреляцию между составом композиций, режимом спекания и плотностью. Существенные отличия в характере уплотнения при спекании композиций, имеющих в исходной рецептуре различное количество оксида, наблюдаются при относительно низких температурах спекания (1050…1150 ^оС) и выражаются в уменьшении плотности при увеличении содержания оксидов более 11% масс. Вместе с тем, применяя температуры спекания, обычно используемые при спекании МИМ-фидстоков на основе стальных порошков (1250…1350 ^оС), материалы спекаются до достижения относительной плотности 0,95 – 0,97, разница в плотности спеченных композиций, имеющих в исходном составе различное количество оксидов, незначительна, что создает условия для получения заготовок с заданными свойствами.

9. На примере композиции установлено, что механические свойства материала, имеющего после спекания по оптимальному режиму состав (%масс.): Ni – 2%, C – 0,2%, Fe – остальное, не уступают легированной никелем спеченной стали аналогичного состава, полученной из МИМ-фидстока Catamold^® – наиболее применяемого в мировой практике материала.

10. Разработаны аналитические зависимости для выбора концентраций составляющих композиционных материалов из дисперсно-упроч-ненных гранул и металлических порошков в зависимости от заданных физико-механических свойств (предела прочности, твердости, электропроводности, теплопроводности) и их требуемых сочетаний у получаемых металлоизделий после обработки давлением.

11. Для композиционных материалов из дисперсно-упроченных гранул и металлических порошков разработаны технологические режимы (обжатия, давления, усилия) компактирования и последующей обработки давлением, обеспечивающих у металлоизделий равномерное распределение свойств по всему их объему при гарантированной прочности, сплошности и термоустойчивости.

12. Для металлоизделий, изготовленных из многокомпонентных композиционных материалов, разработаны методические основы установления нормативных эксплуатационных характеристик (твердости, износостойкости, заданного уровня физических свойств) в зависимости от заданных требований к металлоизделиям и оптимизации способа их изготовления.

13. Разработаны аналитические зависимости для расчета размерной точности заготовок, получаемых спеканием, и проведен анализ влияния на размерные отклонения вариаций характеристик исходных материалов, технологических режимов спекания и условий обеспечения заданного поля допусков размеров заготовок из материалов различного состава.

1. 
   Довыденков, В. А. Обработка композиционных материалов на основе гранул и металлических порошков / В. А. Довыденков, Л. С. Ко-хан. – Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2009. – 143 с.
   
2. 
   Довыденков, В. А. MИM-технология: новые возможности изготовления заготовок / В. А. Довыденков, М. А. Крысь, Г. П. Фетисов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2006. – № 8. – С. 47-50.
   
3. 
   Довыденков, В. А. Влияние технологических факторов на размерную точность стальных заготовок, изготовляемых по MIM-технологии / В. А. Довыденков, М. А. Крысь, Г. П. Фетисов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2006. – № 12. – С. 43-46.
   
4. 
   Довыденков, В. А. Получение металлических деталей путем формования и спекания металлополимерных композиций / В. А. Довыденков, М. А. Крысь, Г. П. Фетисов // Технология металлов. – 2008. – №6. – С. 28-31.
   
   
   жүктеу/скачать 0.58 Mb.
   
   Достарыңызбен бөлісу: