Створення науково-технологічних основ формування багатокомпонентних порошкових систем і оптимізація технологічного процесу одержання та підвищення якості кінцевого продукту

Таблиця 6. Тенхнологічні властивості вихідного та відпалених нікелевих порошків ПНК-1Л6

Примітка. * - гомологічна температура відпалу.

Важливе значення мають методи і режими дезагрегації порошків. Використовуючи запропонований раніше О.А. Катрусем метод обробки сферичних порошків середньої тонкості та крупних, встановлено, що для одержання важкопресуємого монодисперсного порошку із задовільною формованістю (міцність пресовок вище мінімальної технологічної міцності, а бал формованості 3 та вище) його ВНГ після обробки повинна дорівнювати або бути менше 0,75 початкової (підтверджено на газорозпилених порошках швидкорізальних та інших інструментальних сталей). Захищено патентом України № 53203.

У шостому розділі представлені технологічні основи формування багатокомпонентних порошкових систем (докритичних, критичних та закритичних). Використовуючи отримані у попередніх розділах роботи результати, вдалося вийти на 3 різних технологічних процеси в основі яких лежить прокатування порошків:

· технологію отримання композиційних матеріалів (докритичні системи), а саме припоїв, що є матричнонаповненими матеріалами. Встановлено, що при їх формуванні відбувається істотне зміцнення матеріалу порошку матриці (його ВНГ не повинна перевищувати 0,45), а величина міцності формовок завжди вища за технологічно допустиму.

· технологію отримання комплексних композиційних модифікаторів (ККМ) (критичні системи) - встановлено оптимальне співвідношення між важкопресуємими компонентами та компонентами матеріал яких формується в теплому або гарячому стані, і за рахунок цього максимізована кількість компонентів, що діють і мінімізована кількість баластних компонентів.

Властивості порошків, що входять до складу модифікаторів наведені у табл. 7.

Таблиця 7. Густина, насипна та відносна насипна густини порошків

Примітка. * - склад, мас. % : 10ч11 - La₂O₅, 40ч43 - CaO, 4 - Cr, 3 - SiO₂, 2 - TiO₂, 2,5 - P₂O₅, 37ч38 - F.

Було досліджено чотири склади модифікаторів з різним вмістом порошків компонентів матеріал яких під час формування знаходився у пружно-крихкому стані. З кожного складу (табл. 8) були одержані пресовки (по 3 штуки) при тиску 800 МПа і випробовані на діаметральне стиснення. Встановлено, що оптимальними складами МКК є склади 2 та 3, які мають достатню технологічну міцність при мінімальному вмісті залізного порошку. Зі складу 3 були прокатані смуги. Застосування прокатування при виготовленні МКК має ряд переваг у порівнянні із традиційним способами їхнього виготовлення: невелика товщина і гарна розчинність, висока продуктивність процесу, стабільність хімічного складу та інші.

Для прокатування смуг модифікатора використовували прокатний стан з горизонтальним розташуванням валків діаметром 500 мм. Швидкість прокатування становила 1,5 м/хв. Випробування пресовок на діаметральне стиснення та смуг на подвійний зріз проводили на машині для механічних випробувань CERAM test system. Швидкість переміщення штока становила 2 мм/хв.

Таблиця 8. Склади модифікаторів та вміст пластичної складової

Примітки: * - матеріалу частинок; ** - порошку; *** - міцність пресовок на діаметральне стиснення одержаних при тиску 800 МПа.

Загальний вміст пластичних складових модифікаторів, вдалося знизити до 40-46 мас. % і тим самим забезпечити нормальну роботу модифікатора при введенні його в кількості не більше 2,5 % від маси рідкого металу. Це має велике значення для зниження собівартості процесу модифікування та підвищення якості металу. Міцність неспечених стрічок перевищують межу мінімальної технологічної міцності формовок 1 МПа і МКК, отримані даним методом, можуть транспортуватися та зберігатися у відповідному впакуванні. МКК, виготовлені прокаткою, випробовувалися при модифікуванні рідкого чавуну, який використовували для виготовлення лемешів та зубчастих зірочок приводу транспортерів. Склад вихідного чавуну був наступним: C - 3,1-3,2 %; Si - 1,6-1,7 %; Mn - 0,6-0,8 %; Ni - 0,15 %; Cu - 0,12 %; S - 0,04 %; P - 0,02 %. Плавка здійснювалася в індукційній електропечі ІСТ-0,4. Розливання металу здійснювалося ковшами ємністю 50 кг.

Порівнювали два типи модифікаторів: МКК у вигляді прокатних стрічок (8 % Mg; 8 % Ca; 1,9 % Ba; 2,6 % РЗМ; 12 % CaF₂; 17 % Fe; 15 % Al інше кремній і супутні елементи, кальцій, кремній, РЗМ) та Фсмг-9, виробництва Гельмязівського РТП, що виготовлявся у вигляді плиток сплаву та подрібнювався до фракції 5-8 мм. У структурі металу після модифікування МКК практично відсутній вибіл і увесь графіт кулястої форми. У випадку модифікування стандартним модифікатором Фсмг-9 вибіл є і вільна карбідна фаза займає 5-7 % площі шліфа. Карбідні області спостерігаються навколо графітових включень та окремо, розмірами більше 100 мкм. Форма графіту куляста й компактна.

Таблиця 9. Характеристики стальних лемешів та лемешів виготовлених з високоміцного модифікованого чавуну з кульовидним графітом (ВМЧКГ)

Проведені випробування показали, що модифікатори МКК, виготовлені прокатуванням добре засвоюються, мають стабільність дії та забезпечують одержання високоміцного чавуну без вибілу.

При дослідженні прокатування керамічних стрічок (закритичні системи за рахунок високої адгезії зв'язуючого (адгезиву) до матеріалу керамічного порошку, вдалося понизити його вміст до 10-12 об'ємних %, причому, чим менше концентрація зв'язуючого в суміші з розчинником, тим менше зв'язуючого потрібно. Встановлено, що кількість зв'язуючого (V, мл), необхідного для стійкого прокатування пов'язана з величиною питомої поверхні керамічного порошку (S_пит, м³_/г) прямо пропорційною параболічною залежністю.

При різних шорсткостях поверхні валків, починаючи від R_z=7,5 (притирання валків абразивом) до R_z=5 (шліфування валків) усі значення коефіцієнта сортаменту прокату з металевих порошків знаходяться між обмежуючими їх лініями, а стрічок з керамічних порошків приблизно у 3,5 разів виші.

Пропозиції та рекомендації по роботі

Запропоновано виробникам порошків для їх характеристики використовувати розроблений паспорт порошку в якому відображати інформацію необхідну технологам для розрахунку технологічного процесу та висновку про придатність порошку.

Висновки

В дисертації вирішено важливу науково-технологічну проблему - на основі розроблених підходів до визначення формованості та міцності формовок (пресовок та прокату) створено науково-технологічні основи формування багатокомпонентних порошоквих систем з суттєво різними компонентами, що дозволило оптимізувати технологічний процес одержання та підвищити якість комплексних композиційних модифікаторів нового покоління («легких») і інших виробів, що не піддаються подальшому спіканню.

1. Критичний аналіз теоретичних положень адгезійної та когезійної взаємодій різних матеріалів при їх з'єднанні показав, що їх залучення до опису міцності неспеченої формовки стримується специфікою порошків одержаних за звичайних умов (без застосування складної вакуумної технології), а саме наявністю різноманітних забруднюючих шарів на поверхні порошку як хімічного так і фізичного характеру, які унеможливлюють пряму хімічну або молекулярну взаємодію між матеріалами частинок. З цим пов'язані і певні проблеми, що виникають при встановленні математичних залежностей між міцністю пресовок та фундаментальними характеристиками матеріалу частинок (зокрема енергією міжатомної взаємодії). На сьогоднішній день рівень досліджень міцності неспечених пресовок дозволяє говорити лише про кореляційні зв'язки між чинниками, що на неї впливають та величиною самої міцності, використовуючи при цьому статистичний математичний аналіз. Серед факторів, що впливають на міцність пресовок можна виділити два головних, які діють на різних ієрархічних рівнях: атомарна (молекулярна) взаємодія на контактних поверхнях частинок (субмікрорівень), та механічна взаємодія (зачеплення, заклинення, переплетення) частинок порошку (мікрорівень).

2. Систематизовано підходи, методи та критерії формованості. Запропоновано формованість розглядати на двох рівнях: попередній оціночний геометричний рівень, який запропоновано зв'язувати з відносною насипної густиною (ВНГ) порошку, та технологічний міцностний більш глибокий та повний рівень оцінки формованості, що включає залежність показника формованості як від ВНГ, так і від механічних властивостей матеріалу частинок порошку. Механічні властивості пресовок запропоновано розглядати у відповідності з температурним станом матеріалу частинок. При оцінці міцносного критерію вибрано схему випробування пресовок на розрив непрямим методом (бразильський тест).

3. На основі результатів дослідження формованості 47-ми порошків та їх сумішей за методикою скошеного пуансона, вперше запропоновано нову характеристику формованості - «бал формованості», яка лінійно зв'язана з ВНГ порошку. За допомогою цієї характеристики можна оцінити формованість порошків в усьому діапазоні їх ВНГ. Її доцільно використовувати при обробці порошків з метою встановлення напрямку покращення формованості. Для комплексної оцінки формованості та міцності неспечених формовок з порошків з різним типом хімічного зв'язку запропоновано комплексну характеристику, що включає «бал формованості» та «показник міцності».

4. Встановлено кореляцію між факторами форми частинок та показниками формованості. При певному тиску пресування (близькому до 400 МПа) існує лінійна прямо пропорційна залежність показника міцності пресовок з порошків різного хімічного складу від коефіцієнту шорсткості частинок (перевірено в інтервалі величин від 1 до 5), а також обернено пропорційна лінійна залежність показника міцності від показника круглості пласкої проекції частинки (перевірено в інтервалі величин від 0,92 до 0,75). При інших тисках пресування лінійність втрачається.

5. Вперше для порівняння міцності неспечених формовок (пресовок та прокату), визначеної різними методами, запропоновано використовувати коефіцієнти м'якості та жорсткості схем випробування компактних матеріалів, причому коефіцієнт жорсткості виявився більш зручним для розрахунків. Також до моделі Друкера-Прагера, яка оперує абстрактними величинами, вперше введений безрозмірний матеріальний параметр порошку, його відносна насипна густина. При застосуванні цієї моделі для опису граничного напруженого стану неспечених формовок одержаних з порошків середньої тонкості та крупних, показаний зв'язок параметрів моделі з фізичними властивостями порошків, зокрема формою їх частинок.

6. Для порошків з матеріалом частинок у пружно-пластичному або пластичному станах встановлено обернено пропорційну лінійну кореляційну залежність між міцністю на розрив циліндричних пресовок, визначену непрямим методом, та відносною насипною густиною порошку (підтверджено для порошків заліза і міді різного способу виробництва при незмінній відносній густині пресовок 0,76), та прогнозується існування такої залежності для інших порошків. Кут нахилу таких залежностей зв'язаний з властивостями матеріалу частинок, самою величиною густини пресовок та схемою їх випробування.

7. При оцінці формованості та міцності неспечених формовок всі багатокомпонентні порошкові системи, у відповідності з об'ємним вмістом складових, що знаходяться при формуванні у теплому та гарячому станах, запропоновано розділити на 3 групи: докритичні (менше 40 %), критичні (від 40 до 70 %) та закритичні (більше 70 %). Для двох (багато) компонентних порошкових систем, що представляють собою змішаний випадок формування теплий (гарячий) та холодний процес і включають важкопресуємі порошки, на міцність пресовки впливають як технологічні властивості пластичних порошків так і фізичні властивості непластичних порошків і їх сукупний ефект призводить до того, що формовка зберігає певний ресурс міцності навіть при порушенні матричності по пластичній компоненті (тобто в області за критичних систем).

8. Встановлено, на прикладі карбонільного нікелевого порошку марки ПНК1-Л6, що гранична гомологічна температура агломерувального відпалу карбонільного нікелевого порошку дорівнює 0,43, вище цієї температури недоцільно проводити відпал так як відпал матеріалу частинок вже відбувся, а відбувається збільшення відносної насипної густини порошку, що негативно впливає на формованість. Текучість же порошку залишається практично незмінною.

9. Запропонований у роботі метод обробки порошку середньої тонкості дозволяє регулювати його насипну густину і одержувати порошок як для виготовлення конструкційних виробів методом пресування, так і для виробництва виробів прокатуванням.

10. Для закритичних порошкових систем (керамічні матеріали) за рахунок високої адгезії зв'язуючого (пластичної складової системи) до матеріалу керамічного порошку вдалося знизити його кількість до 10-12 обємних відсотків, при чому, чим менша концентрація зв'язуючого в суміші з розчинником тим менше звязуючого треба. Іншим чинником, що впливає на кількість зв'язуючого в керамічній суміші, поряд з його концентрацією, є питома поверхня керамічного порошку. Встановлено, що кількість зв'язуючого, що необхідна для сталого формування (зокрема прокатування) в залежності від величини питомої поверхні керамічного порошку описується квадратичною функцією.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Анотація

Радченко О.К. Створення науково-технологічних основ формування багатокомпонентних порошкових систем і оптимізація технологічного процесу одержання та підвищення якості кінцевого продукту. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.06 - Порошкова металургія та композиційні матеріали. - Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2009.

Створено науково-технологічні основи формування багатокомпонентних порошкових систем та підвищено якість формовок. Вперше оцінен внесок молекулярного, хімічного та механічного компонентів міцності пресовок при різних температурних умовах пресування, які створювали за рахунок використання порошків, що при нормальних умовах формування моделювали холодні (Mo, FeSi), теплі (Cu, Ni) або гарячі (Sn, Zn) температурні умови. Підтверджено вирішальний внесок у міцність пресовок механічної взаємодії на контактах. Вперше для чистих порошків та їх сумішей розроблено комплексну характеристику формованості, що включає в якості геометричного критерію - бал формованості, а в якості міцністного критерію - показник міцності. Встановлено, що на показник міцності впливають температурні умови формування, матеріал та форма частинок, а на бал формованості - лише відносна насипна густина (ВНГ) порошку. Завдяки використанню балу формованості вдалося оптимізувати режими обробки порошків, для підвищення їх формованості. Теоретично обґрунтовані та експериментально встановлені оптимальні співвідношення між крихкою та пластичною складовими при виготовленні міцних та технологічних формовок, одержаних з порошків методами пресування та прокатування. Показано, що міцність формовок залежить від об'ємного співвідношення компонентів, які під час формування знаходяться у пружно-крихкому та пружно-пластичному (або пластичному) станах. Сформульовані положення лягли в основу створення технології виготовлення композиційних модифікаторів комплексних (КМК) нового покоління (запатентовані в Україні), що включають легкі компоненти і дозволяють одночасно проводити модифікування, мікролегування та розкислення сплавів системи Fe-C поза піччю та інших. Дістало подальшого розвитку дослідження процесу прокатування керамічних порошків зі зв'язуючим при гравітаційному способі їх подачі. Встановлено, що, коефіцієнт сортаменту прокату з таких порошків, при інших рівних умовах, збільшується в 3-3,5 рази у порівнянні з коефіцієнтом сортаменту прокату з металевих порошків.

Ключові слова: порошок, частинка, формованість, пресованість, ущільненість, міцність пресовки, форма частинок, матеріал частинок, другий граничний напружений стан пресування, прокатування.

Аннотация

Радченко А.К. Создание научно технологических основ формования многокомпонентных порошковых систем и оптимизация технологического процесса получения и повышения качества конечного продукта. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы. - Институт проблем материаловедения им. И.М. Францевича НАН Украины, Киев, 2009.

Решена важная научно-техническая проблема - созданы научно-технологические основы формования (прессования и прокатки) многокомпонентных порошковых систем, которые включают труднопрессуемые порошки, и повышено качество формовок для потребностей металлургической, машиностроительной, сельскохозяйственной и других отраслей промышленности.

Впервые проведеная оценка взноса отдельных компонентов прочности пресовок при разных температурных условиях прессования порошков металлов и неметаллов дисперсностью менее 0,001. Оценено величины молекулярной компоненты прочности (ее величина рассчитана по формулам предложены Гамакером и Лифшицем), химической компоненты (ее величина оценена по площадям пластичного отрыва на фрактограмах пресовок, исследованных с помощью сканирующей электронной микроскопии, после испытания на разрыв), механической компоненты (ее величина оценена по разнице между прочностью пресовки на разрыв и молекулярной составляющей при отсутствии зон схватывания на фактографии). Разные температурные условия создавали за счет использования порошков, которые при нормальных условиях формования моделировали холодные (Mo, FeSi), теплые (Cu, Ni) или горячие (Sn, Zn) температурные условия.

Впервые для чистых порошков и их смесей разработана комплексная характеристика формуемости, которая включает в качестве геометрического критерия, - балл формуемости (начальная приближенная оценка формуемости), а в качестве прочностного критерия - показатель прочности. Установлено, что на показатель прочности влияют температурные условия формирования, материал и форма частиц, а на балл формуемости - лишь относительная насыпная плотность порошка (или форма частиц). Разработанный балл формуемости позволил оптимизировать режимы обработки порошков, включая и труднопрессуемые, для повышения их формуемости. На соотношение между относительной насыпной (ОНП) исходного порошка с нулевой формуемостью и УНП обработанного порошка с удовлетворительной формуемостью (ОНП_обр 0,75·ОНП_исх) получен патент Украины № 53203 от 02.04.2009 года. При обработке в валках прокатного стана газораспыленного порошка быстрорежущей стали марки Р6М5Ф3 удалось повысить балл формуемости с 1 до 3, причем предложенная обработка не ухудшила химический состав порошка (по примесям кислорода). Выбран и обоснован метод определения и критерий формы частиц порошка (фактор круглости контура плоской проекции частицы) связанный с его формуемостью. В ряду зависимостей балла формуемости, показателя прочности и ОНП порошка, от фактора круглости величина коэффициента корреляции уменьшается.

Получили дальнейшие развитие исследования формуемости двохкомпонених порошковых систем. Так экспериментально установленные и теоретически обоснованы оптимальные соотношения между хрупкой и пластичной составляющими при создании прочных и технологичых формовок, полученных из порошков методами прессования и прокатывания. Показано, что оптимизация соотношения между составляющими многокомпонентных систем зависит главным образом не от размера частиц, как считалось раньше, а от объемного соотношения компонентов, которые во время формования находятся в упруго-хрупком и упруго-пластичном (или пластичном) состояниях, а также формы частиц порошков. Для двухкомпонентных порошковых систем с существенно разными технологическими свойствами компонентов установлена обратно-пропорциональная зависимость между количеством порошка, материал которого находится в упруго-хрупком состоянии, и исходной (начальной) величиной среднего напряжения сдвига матрицы прессовки, величинами балла формуемости и критерия прочности. Сформулированные в работе представления явились научной основой создания технологии изготовления композиционных модификаторов комплексных (КМК) нового поколения, которые включают легкие компоненты и позволяют одновременно (за одну операцию) проводить внепечное модифицирование, микролегирование и раскисление сплавов системы Fе-C.

Получили последующее развитие исследования процесса прокатывания керамических порошков со связующим при гравитационном способе их подачи. Установлено, что, коэффициент сортамента проката из таких порошков, при других равных условиях, увеличивается в 3-3,5 раза в сравнении с коэффициентом сортамента проката из металлических порошков.

Подтверждена выраженная раньше гипотеза о том, что решающий вклад в прочность пресовок, формующихся из порошков, материал которых во время формования находился в упруго-пластичном и упруго-хрупком состояниях, вносит механическое взаимодействие на контактах. Показано, что величина других компонентов прочности прессовки намного меньше величины упругого последействия.

Разработанные теоретические положения позволили решить ряд практических вопросов при прессовании порошков (патенты Украины № 47661, № 47659 А, № 47798, № 47659, № 86891А).

Ключевые слова: порошок, частица, формуемость, уплотняемость, прочность прессовки, форма частиц, материал частиц, второе предельное напряженное состояние, прессование, прокатывание.

Summary

Radchenko O.K. Creating science & technology fundamentals for producing multi-component powder systems and simplification of the process of making a finite product and also improving its performance. - Manuscript.

Doctor's thesis to gain the doctor' degree, specialty 05.16.06 - Powder Metallurgy and Composite Materials. - Frantsevich Institute for Problems of Materials Science of NAS of Ukraine, Kyiv, 2009.

Science & Technology fundamentals have been created relative to forming multi-component systems and improving the compact quality. The molecular, chemical and mechanical constituents that contribute the compact strength at different pressing temperatures have been first evaluated due to the use of powders which simulated cold (Mo, FeSi), warm (Cu, Ni) or hot (Sn, Zn) temperature conditions at normal formation condition. The mechanical interaction between the contacts was confirmed as decisive contribution to the compact strength. For pure powders and their mixtures, a comprehensive characteristic of compacting capability has been first formulated that includes compactibility rank as geometric criterion and strength index as strength criterion. The stength index was found to be influenced by the compacting temperature conditions, material and particle shape, whereas the compactibility rank is only influenced by the relative bulk density (RBD) of the powder. The use of the compactibility rank enabled optimization of the powder processing conditions to improve their compacting capability. Optimal relationships between the brittle component and the plastic component of compacts prepared from powders by pressing and rolling techniques have been theoretically substantiated and experimentally established. It was shown that the optimal relashionship between the brittle and the plastic constituents depended on the volume ratio of components being in the elastic/brittle and elastic/plastic (or plastic) states during their formation. The formulated principles were used as baseline for the development of the technology of manufacturing of complex composite modifying agents (CCMA) of new generation (patented in Ukraine) that include lightweight components and enable simultaneous modification, microalloying and deacidification of the Fe-C system alloys beyond the furnace. The rolling process for ceramic powders together with binder using the gravy-type method of feeding has been further developing. The gauge coefficient of rolled products prepared from such powders was found to be enlarged by 3 to 3.5 times in comparison to the metal powder range rolled at other conditions being similar.

Key words: powder, compactibility, compactness, particles, particle shape factors, particle material, forming, compacts, rolled products, rolling capability, strength, modifying agent.

Размещено на Allbest.ru