Моделирование формирования материала при электороконтактном уплотнении
Т.
А. ЛитвиноваБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Литвинова
Т.
А.,
Егоров
С.
Н. Моделирование формирования материала при электороконтактном уплотнении // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
2571–2575. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54778.htm.
Аннотация. Проведен ряд экспериментов с использованием компактированных железных порошковых заготовок, при которых расширяется контактная зона различными технологическими режимами электроконтактного уплотнения. Рассмотрена методика изготовления образцов из железографитовой композиции, представлено макромоделирование электроконтактного уплотнения, при котором формируется порошковая сталь.
Текст статьи
Литвинова Татьяна Анатольевна,кандидаттехнических наук, доценткафедры ″Машиностроение и прикладная механика″ Волгодонский инженернотехнический институт –филиал ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Волгодонскbratsk_tanja@mail.ruЕгоров Сергей Николаевич,доктор технических наук, профессоркафедры «Технический сервис» филиал ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет » в г. Волгодонске Ростовской областиyegorov50@mail.ru
Моделированиеформирования материала приэлектороконтактном уплотненииАннотация.Проведенряд экспериментов с использованием компактированных железных порошковых заготовок, при которых расширяется контактная зона различнымитехнологическимирежимамиэлектроконтактного уплотнения. Рассмотрена методика изготовления образцов из железографитовой композиции.Рассмотрено макромоделирование электроконтактного уплотнения при котором формируется порошковая сталь.Ключевые слова.Моделирование, электроконтактное уплотнение, формирование, давление прессования.
В настоящее время отмечается рост потребности в порошковых материалах, который требует совершенствованиятехнологии изготовления порошковых деталей с целью повышения их функциональных свойств. Одним из перспективных технологических методов порошковой металлургии является электроконтактное уплотнение, совмещающее деформационное и термоэлектрическое воздействие на уплотняемую шихту. Одним из важнейших направлений развития метода является определение степени влияния технологических параметров (плотность, длительность пропускания электрического тока, давление прессования) на процесс формирования порошкового материала, что позволит, в дальнейшем, получать материалы с заданными структурой и свойствами.В ранее проведенных исследованиях была доказана применимость этой технологии для изготовления деталей из материалов на основе чистых порошков и порошков –сплавов. Развития этого метода связано с расширением его технологических возможностей, в том числе при использовании в качестве исходных материалов смеси порошков. В качестве исследуемого материала была выбрана порошковая среднеуглеродистая сталь, как наиболее широко используемая в промышленности.Технология электроконтактного уплотнения заключалось в следующем. Навеска шихты, состоящая из порошка железа марки ПЖР 3.200.28 ГОСТ 984986 и графита карандашного марки ГК1 ГОСТ 440478засыпалась в матрицу, помещенную в рабочую камеру, продуваемую аргоном. Герметичность камеры обеспечивалась резиновыми уплотнениями. Стенки матрицы обрабатывались фторидом кальция, а торцы пуансонов, контактирующие с шихтой, графитом.Усилие прессования создавалось лабораторным гидравлическим прессом с максимальным усилием прессования 7600Н, позволяющим регулировать давление масла. В качестве источника тока использовали сварочный выпрямитель для ручной дуговой сварки (РДС) ВДУ1201 (ГОСТ 1382177). Сила тока варьируется от 0 до 1000А, которая измерялась встроенным амперметром. Плотность тока рассчитывалась по номинальному сечению образца. При уплотнении использовали двухстороннюю схему прессования с плавающей матрицей[1]. Для определения возможности получения порошковой стали электроконтактнымуплотнением был применен метод математического планирования эксперимента. В результате был проведен трехфакторный эксперимент, в ходекоторого варьировали плотность идлительность пропускания электрического тока, а такжедавлением прессования. В качестве параметров оптимизации были выбраны плотность порошковой стали и содержание в ней связанного углерода. В результате реализации серии экспериментов было получено требуемые значения параметров оптимизации и установлены технологические режимы рассматриваемого процесса уплотнения, обеспечивающие получение порошкового материала с остаточной пористостью 1,5% и растворением углерода. Также было определено превалирующее влияние плотности электрического тока на пористость получаемого материала и длительности пропускания тока на количество связанного углерода.Для выявления сущности процессов, ответственных за формирования порошкового материала было проведено моделирование контактного взаимодействия реальных частиц порошка, основанное на использовании вместо них компактных тел. При этом исследование контактных явлений производится в расширенной контактной области, что облегчается её идентификацию и препарирование. Компактные цилиндрические образцы изготавливались из порошка железа марки ПЖР 3.200.28 методом горячей штамповки пористой порошковой заготовки [2]. Остаточная пористость образцов составляла менее 1%.
Два образца помещались в керамическую матрицу, заключенную в металлический бандаж, недопускающий их поперечную пластическую деформацию. Режимы ЭКУпри моделированиипредставлены в табл. 1
Таблица 1
Технологические режимы ЭКУ ОбразцыПлотность тока, МА/м2Длительность пропускания тока, сДавление прессования, МПа1.3670
2.
703803.3670380
При использовании первого режима не удалось достичь соединения контактирующих образцов.Образец, полученный притретьем режиме, представлен на рис. 1.При использовании этих режимов образовалось соединение первичных образцов. Однако прочность этого соединения незначительна. Испытания на растяжения показали следующие результаты:режим 2 –σв=37 МПа, режим 3
σв=65 МПа. Полученные результаты свидетельствуют о следующем. Приложение к модельным образцам только электрической составляющей в течение 70 с не приводит к возникновениюметаллических связей на контактной поверхности. При приложения механической нагрузки наблюдается контактное взаимодействие, которое характеризуется низкой прочностью. При совместном приложении механического и электрического воздействия прочность соединения возрастает, но остается на неудовлетворительном уровне.
Рисунок 1 Модельный образец
При совместном приложении механического и электрического воздействия прочность соединения возрастает, но остается на неудовлетворительном уровне. Таким образом, можно заключить, что технологические режимы ЭКУ должны инициировать процессы на контактных поверхностях, обеспечивающие возникновение и развитие металлической связи. Таким процессом является пластическая деформация материала в приконтакной области. Для проверки этого утверждения была проведена серия экспериментов по соединению модельных образцов сосферической торцевой поверхностью, на которой путем механической обработки были образованы плоские поверхности, ограниченные окружностью разного диаметра и, следовательно, различной площадью первоначального контакта.Сферическая поверхность позволяла материалу образцов пластически деформироваться в области контакта. Для проведения этой серии экспериментов был принят режим №3. В качестве аргумента использовали относительную площадь контактного сечения. Качество соединения оценивали по условному пределу прочности составных образцов, который рассчитывался как отношение разрушающей нагрузки к фактической площади контактного сечения.Результаты представлены на рис. 2.
Зависимость предела прочности от исследуемого параметра показывает благоприятное влияние пластической деформации на качество формируемого соединения. По мере повышения относительной площади контактного сечения до критического значения (0,28) наблюдается увеличение предела прочности. В дальнейшем происходит формирование соединения с монотонно снижающейся прочностной характеристикой. Повышение качества контакта можно объяснить увеличением начальной площади контактного сечения. Именно в этой области степень пластической деформации материала наибольшая.
Рисунок 2 Зависимость условного предела прочности от
относительной площади контактного сечения
При критическом значении Sотн, соответствующему экстремуму кривой, происходит образование ювенильных контактных поверхностей, активация поверхностных ионов железа и возникновение металлической связи. Эти процессы протекают в условиях динамической рекристаллизации, также способствующей образованию качественного соединения. При дальнейшем повышении начальной площади контактного сечения ухудшение качества соединения объясняется снижение степени пластической деформации материала приконтактной зоны вследствие уменьшения контактного напряжения. Таким образом, можно констатировать, что решающую роль в формировании материла в условиях ЭКУ играет пластическая деформация уплотняемого материла. Высокий уровень функциональных свойств материалов достигается при образовании качественного соединения между контактирующими металлическими поверхностями происходящимив результате пластической деформации материала со степенью деформации не ниже критической.
Ссылкина источники1.Литвинова Т.А., Егоров С.Н. Формирование порошковой стали в условиях электроконтактного уплотнения [Текст] /Литвинова Т.А., Егоров С.Н. // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функцион. покрытия. 2009. № 2 . С. 2022.2.Дорофеев Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок[Текст] /Дорофеев Ю.Г. // М.: Металлургия.1977.216 с.
Tatiana Litvinova,Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Chair «Mechanical Engineering and Applied Mechanics» Volgodonsk Engineering Technical Institute “National Research Nuclear University "MEPHI" ,VolgodonskSergey Yegorov,Doctor of Technical Sciences, professor, Chair «Technical service» branch of DSTU in the city VolgodonskSimulation of the material with electrocontact seal.Abstract.A series of experiments using compacted iron powder blanks in which the contact area expands various technological regimes electrocontact seal. The method of preparing samples of irongraphite composition. Considered Macromodelling electrocontact seal which formed a powder steel.Keywords.Simulation, electrocontact seal, formation, compaction pressure.
Моделированиеформирования материала приэлектороконтактном уплотненииАннотация.Проведенряд экспериментов с использованием компактированных железных порошковых заготовок, при которых расширяется контактная зона различнымитехнологическимирежимамиэлектроконтактного уплотнения. Рассмотрена методика изготовления образцов из железографитовой композиции.Рассмотрено макромоделирование электроконтактного уплотнения при котором формируется порошковая сталь.Ключевые слова.Моделирование, электроконтактное уплотнение, формирование, давление прессования.
В настоящее время отмечается рост потребности в порошковых материалах, который требует совершенствованиятехнологии изготовления порошковых деталей с целью повышения их функциональных свойств. Одним из перспективных технологических методов порошковой металлургии является электроконтактное уплотнение, совмещающее деформационное и термоэлектрическое воздействие на уплотняемую шихту. Одним из важнейших направлений развития метода является определение степени влияния технологических параметров (плотность, длительность пропускания электрического тока, давление прессования) на процесс формирования порошкового материала, что позволит, в дальнейшем, получать материалы с заданными структурой и свойствами.В ранее проведенных исследованиях была доказана применимость этой технологии для изготовления деталей из материалов на основе чистых порошков и порошков –сплавов. Развития этого метода связано с расширением его технологических возможностей, в том числе при использовании в качестве исходных материалов смеси порошков. В качестве исследуемого материала была выбрана порошковая среднеуглеродистая сталь, как наиболее широко используемая в промышленности.Технология электроконтактного уплотнения заключалось в следующем. Навеска шихты, состоящая из порошка железа марки ПЖР 3.200.28 ГОСТ 984986 и графита карандашного марки ГК1 ГОСТ 440478засыпалась в матрицу, помещенную в рабочую камеру, продуваемую аргоном. Герметичность камеры обеспечивалась резиновыми уплотнениями. Стенки матрицы обрабатывались фторидом кальция, а торцы пуансонов, контактирующие с шихтой, графитом.Усилие прессования создавалось лабораторным гидравлическим прессом с максимальным усилием прессования 7600Н, позволяющим регулировать давление масла. В качестве источника тока использовали сварочный выпрямитель для ручной дуговой сварки (РДС) ВДУ1201 (ГОСТ 1382177). Сила тока варьируется от 0 до 1000А, которая измерялась встроенным амперметром. Плотность тока рассчитывалась по номинальному сечению образца. При уплотнении использовали двухстороннюю схему прессования с плавающей матрицей[1]. Для определения возможности получения порошковой стали электроконтактнымуплотнением был применен метод математического планирования эксперимента. В результате был проведен трехфакторный эксперимент, в ходекоторого варьировали плотность идлительность пропускания электрического тока, а такжедавлением прессования. В качестве параметров оптимизации были выбраны плотность порошковой стали и содержание в ней связанного углерода. В результате реализации серии экспериментов было получено требуемые значения параметров оптимизации и установлены технологические режимы рассматриваемого процесса уплотнения, обеспечивающие получение порошкового материала с остаточной пористостью 1,5% и растворением углерода. Также было определено превалирующее влияние плотности электрического тока на пористость получаемого материала и длительности пропускания тока на количество связанного углерода.Для выявления сущности процессов, ответственных за формирования порошкового материала было проведено моделирование контактного взаимодействия реальных частиц порошка, основанное на использовании вместо них компактных тел. При этом исследование контактных явлений производится в расширенной контактной области, что облегчается её идентификацию и препарирование. Компактные цилиндрические образцы изготавливались из порошка железа марки ПЖР 3.200.28 методом горячей штамповки пористой порошковой заготовки [2]. Остаточная пористость образцов составляла менее 1%.
Два образца помещались в керамическую матрицу, заключенную в металлический бандаж, недопускающий их поперечную пластическую деформацию. Режимы ЭКУпри моделированиипредставлены в табл. 1
Таблица 1
Технологические режимы ЭКУ ОбразцыПлотность тока, МА/м2Длительность пропускания тока, сДавление прессования, МПа1.3670
2.
703803.3670380
При использовании первого режима не удалось достичь соединения контактирующих образцов.Образец, полученный притретьем режиме, представлен на рис. 1.При использовании этих режимов образовалось соединение первичных образцов. Однако прочность этого соединения незначительна. Испытания на растяжения показали следующие результаты:режим 2 –σв=37 МПа, режим 3
σв=65 МПа. Полученные результаты свидетельствуют о следующем. Приложение к модельным образцам только электрической составляющей в течение 70 с не приводит к возникновениюметаллических связей на контактной поверхности. При приложения механической нагрузки наблюдается контактное взаимодействие, которое характеризуется низкой прочностью. При совместном приложении механического и электрического воздействия прочность соединения возрастает, но остается на неудовлетворительном уровне.
Рисунок 1 Модельный образец
При совместном приложении механического и электрического воздействия прочность соединения возрастает, но остается на неудовлетворительном уровне. Таким образом, можно заключить, что технологические режимы ЭКУ должны инициировать процессы на контактных поверхностях, обеспечивающие возникновение и развитие металлической связи. Таким процессом является пластическая деформация материала в приконтакной области. Для проверки этого утверждения была проведена серия экспериментов по соединению модельных образцов сосферической торцевой поверхностью, на которой путем механической обработки были образованы плоские поверхности, ограниченные окружностью разного диаметра и, следовательно, различной площадью первоначального контакта.Сферическая поверхность позволяла материалу образцов пластически деформироваться в области контакта. Для проведения этой серии экспериментов был принят режим №3. В качестве аргумента использовали относительную площадь контактного сечения. Качество соединения оценивали по условному пределу прочности составных образцов, который рассчитывался как отношение разрушающей нагрузки к фактической площади контактного сечения.Результаты представлены на рис. 2.
Зависимость предела прочности от исследуемого параметра показывает благоприятное влияние пластической деформации на качество формируемого соединения. По мере повышения относительной площади контактного сечения до критического значения (0,28) наблюдается увеличение предела прочности. В дальнейшем происходит формирование соединения с монотонно снижающейся прочностной характеристикой. Повышение качества контакта можно объяснить увеличением начальной площади контактного сечения. Именно в этой области степень пластической деформации материала наибольшая.
Рисунок 2 Зависимость условного предела прочности от
относительной площади контактного сечения
При критическом значении Sотн, соответствующему экстремуму кривой, происходит образование ювенильных контактных поверхностей, активация поверхностных ионов железа и возникновение металлической связи. Эти процессы протекают в условиях динамической рекристаллизации, также способствующей образованию качественного соединения. При дальнейшем повышении начальной площади контактного сечения ухудшение качества соединения объясняется снижение степени пластической деформации материала приконтактной зоны вследствие уменьшения контактного напряжения. Таким образом, можно констатировать, что решающую роль в формировании материла в условиях ЭКУ играет пластическая деформация уплотняемого материла. Высокий уровень функциональных свойств материалов достигается при образовании качественного соединения между контактирующими металлическими поверхностями происходящимив результате пластической деформации материала со степенью деформации не ниже критической.
Ссылкина источники1.Литвинова Т.А., Егоров С.Н. Формирование порошковой стали в условиях электроконтактного уплотнения [Текст] /Литвинова Т.А., Егоров С.Н. // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функцион. покрытия. 2009. № 2 . С. 2022.2.Дорофеев Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок[Текст] /Дорофеев Ю.Г. // М.: Металлургия.1977.216 с.
Tatiana Litvinova,Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Chair «Mechanical Engineering and Applied Mechanics» Volgodonsk Engineering Technical Institute “National Research Nuclear University "MEPHI" ,VolgodonskSergey Yegorov,Doctor of Technical Sciences, professor, Chair «Technical service» branch of DSTU in the city VolgodonskSimulation of the material with electrocontact seal.Abstract.A series of experiments using compacted iron powder blanks in which the contact area expands various technological regimes electrocontact seal. The method of preparing samples of irongraphite composition. Considered Macromodelling electrocontact seal which formed a powder steel.Keywords.Simulation, electrocontact seal, formation, compaction pressure.
