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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича

УДК 621.762

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

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

05.16.06 - Порошкова металургія

та композиційні матеріали

Радченко Олександр Кузьмич

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної Академії Наук України

Науковий консультант: доктор технічних наук, чл.-кор. НАН України Гогаєв Казбек Олександрович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ зав. відділу диспергування матеріалів та пластичної деформації прокатуванням

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Бейгельзімер Яків Юхимович, Донецький фізико-технологічний інститут ім. А.А. Галкіна НАН України, м. Донецьк, головний науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор Штерн Михайло Борисович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ зав. відділу мікромеханіки, реології та обробки тиском порошкових та композиційних матеріалів;

доктор технічних наук, професор Санін Анатолій Федорович Дніпропетровський Національний державний університет ім. Олеся Гончара, м. Дніпропетровськ професор кафедри технології виробництва

Захист відбудеться «21» грудня 2009 р. о 13 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.03 Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижановського, 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

Автореферат розісланий «20» листопада 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н. Мінакова Р.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В порошковій металургії з'являється все більше матеріалів для яких пресування є остаточною операцією (тобто ці матеріали не підлягають подальшому спіканню). Це, наприклад, припої, що включають флюсуючи матеріали, модифікатори, що включають розкислюючі компоненти, електроди для електрошлакового переплаву та інші. Клас цих матеріалів можна характеризувати таким чином: це матеріали, спікання яких не відбувається тому, що до їх складу входять компоненти з суттєво різними властивостями, зокрема температурою плавлення, типом хімічного зв'язку та іншими. Під час спікання такої порошкової системи при температурах, що відповідають температурам спікання одних компонентів, інші будуть хімічно перетворюватися, випаровуватися, розкладатися або відбуватиметься інший процес, який змінить їх властивості та зробить непридатними для подальшого використання. Це також матеріали, що одержують у вигляді багатошарових композитів, які після формування потребують спеціальної механічної обробки та укладання, а потім підлягають гарячому пресуванню (в'язка кераміка, магнітні матеріали та інші). Для таких матеріалів недостатньо попередньої оцінки формованості, а необхідні показники, що включають міцність формовки. Такі характеристики потрібні також при формуванні інших багатокомпонентних систем, наприклад антифрикційних, фрикційних, електроконтактних та інших матеріалів.

Різними авторами (М.Ю. Бальшин, R.P. Seelig, І.Д. Радомисельский і ін.) раніше зазначалася важлива роль форми частинок при формуванні порошків, але це не було підтверджено експериментально. Більшість фундаментальних робіт з пресування металевих порошків це монографії М.Ю. Бальшина, Г.М. Ждановича, В.Є. Перельмана, І.Д. Радомисельського, Г.А. Виноградова, А.Г. Косторнова, М.Б. Штерна та інших вчених, присвячені вивченню однокомпонентних порошкових систем, тоді як у практиці порошкової металургії використовуються головним чином багатокомпонентні системи. Пресованість багатокомпонентних систем майже не досліджена. Пряме перенесення теоретичних положень розроблених для однокомпонентних порошкових систем на багатокомпонентні потребує ретельної перевірки. Для деяких багатокомпонентних систем, зокрема, що містять важкопресовані порошки, потребні нові підходи. З іншого боку розвиток суміжних наук, зокрема фізики металів, дозволяє досить чітко класифікувати метали за тими процесами, які відбуваються в них під час деформуванння, це стосується поділу процесу деформування за температурними ознаками на гарячий, теплий та холодний, використовуючи гомологічну температуру деформування. Такий підхід вже застосовується у порошковій металургії. Компактні матеріали поділяють також за станом матеріалу при їх деформуванні на пружно-крихкий, пружно-пластичний та пластичний. Ці підходи мають спільне (температури переходу у пластичний стан та до гарячого процесу визначаються температурою початку рекристалізації) та відмінне (температура в'язко-крихкого переходу визначається температурою холодноламкості, а переходу з холодного до теплого процесу - характеристичною температурою). Який з підходів виявиться більш ефективним при формуванні багатокомпонентних порошкових систем не з'ясовано.

Способи поліпшення формованості порошків і підвищення міцності неспечених формовок поділяються, головним чином, на два великих класи: зміна характеристик самого порошку і зміна умов формування. Більшість методів першої групи, як хімічних, так і деформаційних, спрямована на зміну форми частинок порошків, тобто її пакування. Методи другої групи як деформаційні, так і термочасові, спрямовані головним чином на підвищення густини, а також її однорідності в об'ємі пресовки. Ускладнення форми частинок призводить до підвищення тиску виштовхування при пресуванні в закритих прес-формах. Тому в кожному конкретному випадку необхідно підбирати порошок з оптимальними параметрами, зокрема формою частинок, користуючись принципом достатності, тобто в даному випадку, достатньої технологічної міцності та зусилля обладнання для одержання формовки потрібної густини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження проводилися згідно з Національною програмою 04.00 «Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології» за напрямком 04.07 «Економічні порошкові технології в металургії, металообробці та інших галузях виробництва». Результати дисертаційної роботи були отримані при виконанні таких наукових держбюджетних тем «Изучение закономерностей формирования структуры и физико-механических свойств слоистых композиционных материалов, получаемых методами порошковой металлургии и литья» - номер державної реєстрації 0194V019895 (1995), «Експериментальний та теоретичний аналіз граничного деформування пористих неспечених матеріалів з позицій механіки стисливого континуума» - номер державної реєстрації 0101U001489 (2001) «Вивчення механізмів підвищеної технологічної пластичності порошкових легованих сталей» - номер державної реєстрації 0103U005195, «Розробка технологічних основ формування багатокомпонентних систем з важкопресуємих порошків» - номер державної реєстрації 0106U004142, (2006). В роботу також увійшли результати одержані за програмою «Ресурс» - тема «Визначення складу компонентів модифікаторів для високоміцного чавуну з феритною основою, та розробка технологічних параметрів виготовлення композиційних модифікаторів прокатуванням. Виготовлення дослідних зразків для визначення механічних властивостей та зносостійкості» (2007), а також за партнерським проектом Р-081 «Шаруваті композити на базі нітриду кремнію і функціональні градієнтні керамічні композити для інженерного застосування».

Мета та задачі роботи. Вирішення важливої науково-прикладної проблеми в галузі порошкової металургії - створення науково-технологічних основ пресування та прокатування важкопресованих порошків, а також сумішей, що їх включають, і на базі цього оптимізація технологічного процесу одержання та підвищення якості кінцевого продукту.

Для реалізації поставленої мети у роботі сформульовано наступні задачі дослідження:

- провести оцінку окремих компонентів міцності формовки, одержаної з порошків середньої тонкості та крупних, матеріал яких має різний тип хімічного зв'язку; змоделювати різні температурні умови формування, підбираючи відповідні порошки та формуючи їх при кімнатній температурі і змінюючи лише тиск формування. Ранжувати за значимістю компоненти міцності пресовок;

– встановити функціональний зв'язок між міцністю пресовок та технологічними властивостями порошків, а також формою їх частинок;

– експериментально дослідити формованість і міцність пресовок з порошків з різним типом хімічного зв'язку і температурним станом матеріалу частинок та сумішей порошків, використовуючи при цьому як існуючі критерії формованості так і нові вперше запропоновані, а також визначити функціональні зв'язки (залежності) між формованістю та іншими технологічними або фізичними властивостями порошків;

– розробити науково обґрунтовану класифікацію порошків за їх формованістю, яка б охоплювала увесь інтервал технологічних властивостей порошків, зокрема за відносною насипною густиною (ВНГ), та запропонувати комплексну оцінку формованості порошків та їх сумішей, яка б характеризувала не лише здатність порошку до формування, а також міцністні властивості одержаних формовок;

– вибрати і обґрунтувати методи визначення форми частинок порошку та критерії форми, які б корелювали з кількісною характеристикою формованості або іншими технологічними властивостями порошків і могли бути легко розраховані по визначеній кількості частинок порошку;

– провести порівняльні дослідження між параметрами процесу прокатування металевих та керамічних порошків або їх сумішей при однакових умовах прокатування (з використанням вертикальної схеми прокатування та гравітаційної подачі порошку);

– для порівняння результатів випробування на міцність, з використанням різних схем випробування, застосувати моделі другого граничного напруженого стану та встановити функціональний зв'язок між параметрами моделей та технологічними властивостями порошків;

– встановити залежності між показниками формованості та показниками (параметрами), що характеризують ущільнення порошків та їх сумішей;

– знайти співвідношення, які б однозначно характеризували формованість двох або багатокомпонентних порошкових систем з різним станом матеріалу частинок;

– виробити методичні підходи для опису міцності багатокомпонентних порошкових систем. Класифікувати багатокомпонентні порошкові системи у відповідності з вмістом в них різних компонентів;

– розробити нові технологічні процеси попередньої обробки важкопресованих порошків з метою підвищення їх формованості;

– розробити технологічні основи та принципи формування багатокомпонентних систем і реалізувати їх на різних об'єктах.

Об'єкт дослідження - поведінка порошків та порошкових сумішей при різних температурних умовах формування, механічна поведінка пресовок та прокату з порошків та порошкових сумішей під час їх випробування.

Предмет дослідження - формування багатокомпонентних порошкових систем і оптимізація технологічного процесу одержання та підвищення якості кінцевого продукту.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше проведено системні дослідження формованості та міцності неспечених формовок, одержаних з порошків переважного розміру від 10 до 1000 мкм із залученням великої кількості статистичних порошкових систем, матеріал яких мав різний тип хімічного зв'язку, а умови формування відповідали холодним, теплим або гарячим.

1. Вперше (2009 р.) проведено оцінку внеску окремих компонентів міцності пресовок при різних температурних умовах пресування порошків металів та неметалів середньої тонкості та крупних (від 40 до 1000 мкм). Оцінено величини молекулярної компоненти міцності (розраховані за існуючими формулами, при цьому порівняно різні підходи запропоновані Гамакером та Ліфшицем), хімічної компоненти (за площами пластичного відриву на фрактограмах пресовок, досліджених за допомогою скануючої електронної мікроскопії після випробування на розрив), механічної компоненти (по різниці між міцністю пресовки на розрив та молекулярною складовою за відсутності зон схоплювання на фрактографічних поверхнях). Різні температурні умови створювали відповідним підбором порошків. Нормальні умови формування для порошків Mo, FeSi відповідали холодним, Zn, Cu, Ni теплим, а Sn гарячим температурним умовам формування.

2. Показано, що існуючі критерії оцінки формованості потребували проведення великої кількості випробувань для визначення мінімальної відносної густини пресовки (МВГП) і результат залежав від умов формування, а стандартизована методика визначення МВГП за методом скошеного пуансона (ГОСТ 25280-82) мала обмеження по МВГП від 0,26 до 0,92 і не давала змоги визначати формованість низки порошків та їх сумішей. На прикладі 47-ми досліджених порошків та їх сумішей, що охоплюють весь існуючий інтервал технологічних властивостей, показано, що з усіх існуючих критеріїв формованості лише величина МВГП має прямо пропорційну лінійну кореляційну залежність від ВНГ порошку або суміші порошків (коефіцієнт кореляції R²= 0,81). Встановлено, що порошки з ВНГ більшою за 0,59 за звичайних технологічних умов не формуються. Показник формованості, в якому для розрахунку використано міцність при стисненні, не відображав когезійної (аутогезійної) здатності порошку, а характеризував лише конструкційну міцність пресовки, а міцності на згин та на зріз не давали можливості порівнювати порошки з різним матеріалом частинок та їх суміші. Враховуючи вищеозначене, вперше розроблено класифікацію порошків за їх формованістю, та вперше (2007 р.) запропоновано в якості геометричного критерію формованості бал формованості (попередня експрес оцінка формованості), а в якості міцностного критерію - показник міцності, запропонований автором у 1987 році (відношення міцності пресовки на розрив визначеної непрямим методом до тиску пресування). Встановлено, що на показник міцності впливають температурні умови формування, матеріал та форма частинок, а на бал формованості - лише ВНГ порошку. Це пояснюється тим, що на початку формування визначальну роль відіграє форма частинок порошку, а при збільшенні густини пресовки починає впливати стан матеріалу частинок.

3. Вперше вибраний та обґрунтований метод визначення та критерій форми часток порошку з точки зору його формованості (2009 р.), який по різному корелює з кількісними характеристиками формованості (балом формованості та показником міцності), а також з ВНГ порошку. Встановлено, що таким критерієм є фактор круглості контуру пласкої проекції частинки. Це пояснюється тим, що фактор круглості являє собою відношення довжини кола площею, що дорівнює площі прооекції частинки, до периметра її контуру і співвідноситься з раніше відомим фактором Салтикова (1958), як корінь квадратний з останнього, але метод розрахунку фактора Салтикова набагато складніший. Шелегом та Капцевичем (1992) було показано зв'язок між фактором Салтикова та ВНГ порошку, але велика трудомісткість його визначення завадила широкому використанню у порошковій металургії, на противагу цьому фактор круглості може бути легко і швидко розрахований з використанням напівавтоматичної системи аналізу зображень SIAMS-600 і для його визначення не треба виготовляти спеціальні шліфи.

4. Вперше до моделі Друккера-Прагера, що описує граничний напружений стан (руйнування) неспечених пресовок, введений технологічний параметр порошку - його ВНГ (2005 р.), яка для порошків середньої тонкості та крупних залежить, головним чином, від форми їх частинок. Це дало змогу, визначивши форму частинок і використовуючи вираз моделі, що включає ВНГ порошку, прогнозувати міцність одержаних з нього пресовок при різних видах випробування.

5. Одержало подальший розвиток дослідження формованості двохкомпоненних порошкових систем з різним станом матеріалу частинок кожного з компонентів та експериментально встановлені і теоретично обґрунтовані оптимальні співвідношення між крихкою та пластичною складовими при створенні міцних і технологічних формовок одержаних з порошків методами пресування та прокатування. Показано, що оптимізація співвідношення між складовими багатокомпонентних систем залежить в першу чергу від об'ємного співвідношення компонентів, а також від форми частинок порошків та їх абсолютних розмірів.

6. Вперше (2009) для двохкомпонентних порошкових систем з суттєво різними технологічними властивостями компонентів встановлено обернено пропорційний зв'язок між кількістю непластичної (мало пластичної) складової та вихідною (початковою) величиною границі зсувної текучості, вираз для розрахунку якої запропоновано М.С. Ковальченком (2009), та величинами балу формованості та критерію міцності. Це пов'язане з тим, що на початковому етапі формування ускладнення форми частинок підвищує бал формованості порошку та коефіцієнт міцності, а також підвищує коефіцієнт внутрішнього тертя порошку, що призводить до збільшення границі зсувної текучості.

7. Дістало подальшого розвитку дослідження процесу прокатування керамічних порошків зі зв'язуючим при гравітаційному способі їх подачі (1999). Встановлено, що, при прокатуванні керамічних порошків зі зв'язуючим, коефіцієнт сортаменту прокату (добуток відносної густини прокату та відношення його товщини до діамеру валку), запропонований О.А. Катрусем (1981), для характеристики продуктивності процесу прокатування, збільшується в 3-3,5 разів у порівнянні з коефіцієнтом сортаменту прокату з металевих порошків, це пов'язане з тим, що на нього найбільше впливають не пластичні властивості зв'язуючого, а його фрикційні властивості (коефіцієнт тертя між металом валка та зв'язуючим у твердому стані).

8. Всі багатокомпонентні порошкові системи в залежності від їх поведінки при формуванні розділені за вмістом у них порошків, матеріал який під час формування знаходиться у пружно-крихкому стані (у об'ємних процентах): докритичні (<40 %), критичні (~40-70 %) та закритичні (>70 %). При цьому враховується, що ущільнення порошків, матеріал яких під час формування знаходиться у пружно-крихкому стані відбувається за рахунок пружної деформації або руйнування частинок, а порошків, матеріал частинок яких під час формування знаходиться у пружно-пластичному або пластичному станах - за рахунок деформування частинок. Міцність формовок з критичних порошкових систем може бути забезпечена або за рахунок переведення цих системи у докритичні при відповідному підборі об'ємних співвідношень порошків або за рахунок вибору відповідної форми їх частинок.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблений критерій формованості (бал формованості) дозволив оптимізувати режими обробки порошків, включаючи й важкопресовані, для підвищення їх формованості. На прикладі досліджених газорозпилених порошків інструментальних сталей запропоноване співвідношення між ВНГ вихідного порошку з нульовою формованістю та ВНГ обробленого порошку з задовільною формованістю ВНГ_обр 0,75ВНГ_вих (патент України № 53203 від 15 квітня 2005 року). Так, після обробки газорозпиленого порошку швидкорізальної сталі (ГРП ШС) Р6М5Ф3 у валках прокатного стану бал його формованості збільшувався з 1 до 3 і порошок з неформованих переходив у розряд формованих, причому запропонована обробка на відміну від інших не погіршувала хімічного складу порошку (зокрема за домішками кисню).

2. Розроблені у роботі положення дозволили за рахунок підбору відповідних об'ємних характеристик порошків підвищити надійність процесу формування та підвищити механічні властивості формовок з багатокомпонентних сумішей порошків до складу яких входять важкопресовані компоненти.

3. Сформульовані у роботі уявлення являються науковою основою створення технології одержання композиційних модифікаторів комплексних (КМК) нового покоління, що включають легкі компоненти і дозволяють одночасно (за одну операцію) проводити модифікування, мікролегування та розкислення сплавів системи Fe-C поза піччю (патент України № 288530 від 36.10.09 р.).

4. Знайдені оптимальні режими відпалу тонкодисперсних карбонільних нікелевих порошків для покращення їх технологічних властивостей (бал формованості підвищився з 9 до 10).

5. Вперше запропоноване (2002 р.) напівсухе прокатування керамічних порошків, оптимізовано процес введення зв'язуючого, його кількість, склад та режими прокатування, що дозволило підвищити рівнощільність та рівнотовщинність стрічок та смуг і підвищити якість багатошарових градієнтних керамічних матеріалів на основі нітриду кремнію, карбіду бора та інших. Розроблено методику проміжного контролю при виготовленні градієнтних матеріалів (контроль кількості розчинника у шихті).

6. Запропонований прилад та спосіб для визначення кута обвалювання порошку в якому враховано та виправлено недоліки існуючих методик визначення кутів природного укосу та обвалювання порошків (патент України № 86891 від 25.05.09 р.)

7. Завдяки проведеному дослідженню зміни середнього арифметичного показника форми частинок та коефіцієнту варіації від кількості частинок у вибірці вдалося встановити оптимальний об'єм вибірки для розрахунку середніх величин показників форми контуру пласкої проекції частинок. Оптимальний об'єм вибірки становить від 60 до 100 частинок в залежності від показника та порошку.

8. Ряд положень роботи можуть бути включені до курсу «Порошкової металургії», що викладається у технічних вузах, це, зокрема, опис моделей другого граничного напруженого стану порошкових заготовок та розрахунок за їх допомогою міцності пресовок, визначеної різними методами.

9. Рекомендовано виробникам порошків складати паспорт порошку, який включатиме такі характеристики порошку, як гранулометричний склад, відносну насипну густину, текучість, бал формованості та показник міцності, а також температуру плавлення та тип хімічного зв'язку матеріалу частинок.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на наукових симпозіумах, конференціях, семінарах, серед них: міжнародні конференції «Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии» (м. Київ, 1997 р.), «Nowe kierunki technologii i badan materialowych» (м. Warszawa,1999 р.), «Перспективные материалы» (м. Київ, 1999 р.), «Передовая керамика - третьему тысячелетию» (м. Київ, 2001 р.), «Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges». (Kyiv, 2002), «Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні» (м. Краматорськ, 2004, 2005, 2006 та 2008 рр.), «Современное материаловедение: достижения и проблемы» (м. Київ, 2005 р.), «Материалы и покрытия в экстремальных условиях» (АР Крим, м. Жуківка, 2006 р.), «HighMatTech» (м. Київ, 2007 та 2009 рр.), 9-й міжнародний семінар «Новое в разработке, производстве и применении инструментальных материалов» (м. Запоріжжя, 2002 р.), семінар «Электронное строение и свойства тугоплавких соединений, сплавов и металлов» (м. Київ, 2004 р.), міжнародні науково-технічні конференції «Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском», (м. Віниця, 2006 р.), «Физико-механические проблемы формирования структуры и свойств материалов методами обработки давлением» (м. Краматорськ, 2007 р.), 26-а міжнародна конференція та виставка „Композиционные материалы в промышленности», (АР Крим, м. Ялта, 2006 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано більше 60 робіт. Список із 46 основних праць наведено в авторефераті, з них 34 статті опубліковані у наукових виданнях зареєстрованих ВАК України. Новизну результатів підтверджено 9 патентами України.

Структура і обсяг роботи. Робота складається із вступу, шести розділів, висновків, списку літератури та додатків. Повний обсяг роботи становить 450 сторінок, у тому числі 140 рисунків, 89 таблиць, список використаних джерел з 410 найменувань, 2 додатки.

Основний зміст

У вступі розкрито стан наукової проблеми, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету та задачі дослідження, відображено наукову новизну і практичну цінність роботи.

У першому розділі «Фізико-хімічні та феноменологічні основи формування порошкових систем (стан проблеми)» з позицій термодинаміки і молекулярної кінетики проаналізовано чинники, що впливають на адгезійну і когезійну взаємодії. Розглянуті гіпотези і моделі другого граничного напруженого стану компактних, пористих та порошкових матеріалів стосовно до формування порошків та випробування пресовок. Проведений порівняльний аналіз теоретичних і феноменологічних підходів до опису міцності неспечених пресовок, а також розглянуті існуючі технологічні методи поліпшення формованості порошків шляхом їх попередньої обробки. Показано, що залучення теоретичних положень адгезійної і когезійної взаємодії дозволяє виділити компоненти міцності пресовки, але не дає можливості прогнозувати її величину. Феноменологічні залежності, що описують міцність неспечених пресовок, включають міцність матеріалу частинок, тиск пресування, густину пресовок і ВНГ порошку, але підтверджені у вузькому інтервалі досліджених параметрів і лише на чистих порошках. Теоретичні залежності, що описують міцність пресовок, включають силу, що розраховується за константою Гамакера матеріалу частинок Коректніше в розрахунках використовувати константу Лівшиця-Ван-дер-Ваальса., проте розбіжність між розрахованими та експериментальними величинами становить один і більше порядок.

Інші залежності включають поверхневу енергію та форму частинок, середній розмір та площу контакту між ними, але мають ті ж недоліки, що і феноменологічні. пресування порошок прокатування суміш

Для прогнозування появи дефектів при пресуванні порошків використовують лінійну модель Друккера-Прагера.

Встановлено, що питання, які стосуються опису міцності пресовок з порошкових сумішей, незважаючи на їх велику практичну потребу, майже не висвітлені. Проаналізовано переваги та недоліки всіх існуючих показників формованості порошків. Показано, що у практиці порошкової металургії для поліпшення формованості порошків найчастіше змінюють форму частинок.

У другому розділі «Матеріали та методики дослідження» обгрунтовано вибір порошків та методик досліджень. Наведені властивості порошків металів, сплавів, керамічніх та інших матеріалів. Враховуючи те, що залучені у дослідження порошки мають суттєво різні температури плавлення, різний тип хімічного зв'язку та інші властивості їх розбито на 4 групи, використовуючи в якості критеріїїв температурні умови формування та деформаційний стан матеріалу частинок: гарячі (пластичний), теплі (пружно-пластичний), холодні (пружно-пластичний) та холодні (пружно-крихкий). З 23-х розглянутих критеріїв форми частинок вибрані чотири нормовані показники контуру пласкої проекції частинки на горизонтальну площину: фактор круглості (F_с), фактор порізаності (F_r), фактор подовженності (F_l) та фактор компактності (F_k)

Певному морфологічному типу частинок відповідає певна величина фактора Салтикова (формула 6): сферичні - 0,9-1,0; округлі - 0,6-0,9; пластинчаті - 0,3-0,6; дендритні - 0,2-0,3 та губчасті - 0,2-0,5. У нашому випадку розрахований фактор Салтикова має величину: для нікелевого електролітичного порошку з дендритною формою частинок - 0,659; для залізного відновленого порошку з губчастою формою частинок - 0,626. Тобто розрахований фактор Салтикова має завищену величину, яка викликана оцінкою тіньового зображення, а не зображення перерізу на шліфі.

На порошках з дендритною (Ni) та губчастою (Fe) формами частинок встановлено, що частотний розподіл вибраних факторів не відповідає нормальному закону, а корегування розподілу за допомогою кривих А (Грамма-Шарльє) лише іноді дає позитивний результат, тому оптимальну величину вибірки при визначенні фактору форми частинок встановлювали по стабілізації його середньої величини.

Для з'ясування зв'язку між формованістю та технологічними властивостями порошків, зокрема кутом обвалювання та коефіцієнтом внутрішнього тертя, запропоновано удосконалену методику та прилад для визначення кута обвалювання сипких матеріалів (патент України № 86891 від 25.05.2009 р.).

У третьому розділі «Вплив різних факторів на формованість та міцність формовок з однокомпонентних порошкових систем» проведене системне дослідження міцності пресовок та формованості при різних температурних умовах формування.

Компоненти у_е та у_м можуть виникати при намагнічуванні або зарядженні порошків і ці випадки у дослідженні не розглядаються. у_х - виникає лише при спеціальній деформаційній обробці порошкових заготовок в умовах високих температур, а при звичайних умовах теплого та холодного пресування компонентою у_х можна знехтувати. Таким чином міцність пресовки у нашому випадку буде визначатися головним чином молекулярною та механічною компонентами, а також величиною пружної післядії.

За одержаними з літератури величинами констант Ліфшиця-Ван-дер-Ваальса (Zn, Cu, Al, Мо) та Гамакера (Ni, Cu, Al) матеріалів досліджуваних порошків (за винятком феросиліцію, для якого використовувалася наближена величина), проведені порівняльні дослідження внеску міжмолекулярних сил та міцності пресовок (бразильський тест). Вперше проведені розрахунки ван-дер-ваальсової компоненти міцності пресовки для порошків металів цинку марки ПЦ1, міді розпиленої і електролітичної марки ПМС-1, нікелю карбонільного марки ПНК1-Л6, і електролітичного марки ПНЕ-1, алюмінію марки ПА-2 та молібдену марки МПЧ) і неметалу (FeSi подрібнений литий сплав марки ФС-75) з розмірами частинок від 10 до 500 мкм, по двох існуючих методиках. Причому порошки були підібрані таким чином, що їх матеріал при формуванні за нормальних умов знаходився в різному температурному стані: Zn - практично гарячий процес, Ni, Cu, Al - теплий, Мо і FeSi - холодний. Вперше вдалося порівняти максимальні величини молекулярної компоненти міцності пресовок з двох порошків Cu з різними відносними густинами (від 0,177, що відповідає вільно насипаному електролітичному порошку, до 0,978, що відповідає тиску пресування 800 МПа та сферичному порошку) та порошку Al розраховані з використанням констант Ліфшиця-Ван-дер-Ваальса і Гамакера (тобто врахувати різні існуючі підходи до розрахунку сили Ван-дер-Ваальса) і для порошку Al в інтервалі тисків від 200 до 800 МПа величина розрахована з використанням константи Ліфшиця-Ван-дер-Ваальса (0,11 МПа) виявилась майже на порядок більшою за розраховану з використанням константи Гамакера (0,02 МПа), а для порошку Сu розпиленого - на два порядки: 0,363 та 0,0035 МПа відповідно.

По зміні співвідношення між молекулярною компонентою і «загальною» міцністю вдалося простежити за еволюцією механічної компоненти із зростанням тиску пресування, у випадку холодного і теплого пресування. Стрибкоподібне зростання співвідношення у_вн/у_ВВ із зростанням тиску показує як у пресовках (Ni, Cu, Мо) починає «працювати» механічна компонента, а у разі Zn - або зварювання або заклинювання частинок, у разі FeSi також має місце заклинювання частинок, на що вказує зростання співвідношення у_вн/у_ВВ із зростанням тиску пресування.

Детальне фрактографічне дослідження пресовок дозволило встановити, що в умовах гарячого пресування мають місце окремі ділянки схоплювання, які для порошків з округлою формою частинок забезпечують до 90 % міцності:

В умовах теплого та холодного формування практично 100 % міцності забезпечується механічною компонентою на контактах за рахунок розгалуженої форми частинок, а її величина (бразильський тест) може досягати до 50 МПа. Аналогічні результати одержані на порошках нікелю, молібдену та інших.

На прикладі 47-ми порошків випробуваних за методикою скошеного пуансона, розглянуті переваги і недоліки існуючих показників формованості. Показано, що лише МВГП лінійно зв'язана з ВНГ порошку та не залежить від температури формування матеріалу частинок. У якості критерію, за яким можна ранжувати сухі порошки в усьому інтервалі МВГП, запропонований бал формованості (БФ).

Суть БФ полягає у тому, що весь інтервал МВГП, який відповідає початку формування, тобто від 0 до 1, розділяється на 10 рівних частин. Кожній частині відповідає певний бал (всього 10 балів). Порошкам з найгіршою формованістю відповідає бал 1, а порошкам з найкращою - бал 10. Першому балу відповідає інтервал МВГП від 0,9 до 1,0. Десятому - від 0 до 0,1 (табл. 2, колонки 1 та 2). Кожному БФ відповідає певний інтервал ВНГ порошків з середньою формованістю (колонка 3). Лінійна залежність МВГП від ВНГ порошку, що одержана при апроксимації експериментальних даних за методом найменших квадратів, описується формулою:

Таблиця 2. Бал формованості (БФ) сухих порошків без зв'язуючого і МВГП та ВНГ порошків з середньою формованістю, що йому відповідають

Для більш повної оцінки формованості вперше запропоновано застосувати комплексну її оцінку, використовуючи розроблені для цього характеристики: бал формованості (табл. 2) та показник міцності:

На основі БФ і його зв'язку з ВНГ порошків, запропонована класифікація всіх існуючих сухих порошків за їх формованістю (табл. 3).

Таблиця 3. Характеристики формованості деяких з досліджених порошків

Примітки:

* - фракційний склад (мм);

** - склад (мас%): 65 Cu (ПМС-1) + 33 Cu-P _{розпилений} + 2 Sn (ПО-1);

*** - склад (мас%): 60 Cu (ПМС-1) + 30 Cu-P _{розпилений} + 4 Zn (ПЦ1) + 6 флюс 209х.

Показник міцності представляє собою tg кута нахилу лінійної залежності у_в.н. (бразильський тест) від тиску формування (рис. 8) і названий на честь вчених, які вперше звернули увагу на наявність лінійної залежності між міцністю пресовок та тиском пресування, модифікованим показником Бальшина-Вязнікова-Єрмакова. Всі залежності мають досить високий коефіцієнт кореляції і їх можна використовувати для визначення тиску при якому пресовка матиме достатню технологічну міцність (~1МПа). Цей тиск можна визначити за графіком або з використанням формул, що наведені на цьому графіку. Результати розрахунку для, отриманих за стандартною методикою визначення ущільнюваності порошків (ГОСТ 25280-82), в залежності від величини тиску пресування. При низьких тисках пресування може дещо зменшуватися.

На тлі різних температурних умов пресування порошків показаний вплив ВНГ на міцність пресовок. Встановлено особливості набуття міцності пресовками при холодному, теплому та гарячому пресуваннях, при цьому враховуючи величину міцності пресовок, її розкид та форму кривих залежності міцності від відносної густини пресовок, уточнено, що у подальшому для температурного розмежування порошків у багатокомпонентних сумішах краще використовувати не характеристичну температуру, а температуру в'язко-крихкого переходу або температуру холодноламкості, що знаходять за допомогою діаграми Іоффе-Орована. Враховуючи останнє, виділено характерні групи порошків по стану в якому знаходиться матеріал частинок при формуванні: пружно-крихкий, пружно-пластичний та пластичний.

Для теплого пресування, міцність пресовок на вигин і міцність на розрив, визначена непрямим методом, зв'язані обернено пропорційною лінійною залежністю з ВНГ порошку (с_н), причому кут її нахилу визначається матеріалом частинок, методом випробування і відносною густиною пресовки.

Максимальна величина міцності пресовки (бразильський тест), якої вдалося досягти, становить приблизно 50 МПа (карбонільний нікелевий порошок) і перевищує приблизно на 2 порядки величину, яку може забезпечити молекулярна взаємодія, що може бути пояснене лише внеском механічної взаємодії на контактах. Цей висновок був підтверджений результатами двох незалежних досліджень: фрактографічного аналізу випробуваних пресовок та порівнянням внесків у міцність пресовок ван-дер-ваальсової компоненти та пружної післядії, враховуючи, те, що остання має від'ємний знак, а також відсутністю, за інших рівних умов, кореляції між поверхневою енергією матеріалу частинок і міцністю пресовок.

Для гарячих умов формування (пластичний стан) характерний великий розкид міцності пресовок, що не дозволяє визначити вид залежності, а для теплих (пружно-пластичний стан) характерна зміна у_вн від відносної густини у вигляді степеневої залежності.

Бал формованості, що залежить головним чином від форми (геометрії) частинок, корелює лише з фактром круглості. Для вибірки з випадково вибраних 6-ти порошків (електролітичного нікелю, відновленого заліза, магнію, силікобарію, швидкорізальної сталі вихідного та обробленого) R²=0,905. Існує також нелінійна залежність між та F_c. Стрілочками показаний зсув величини фактора форми частинок за рахунок існування їх внутрішньої порової структури, яку не відчуває тіньовий контур.

Для порівняння результатів одержаних при різних схемах випробування використовували моделі, які описують другий граничний напружений стан (ГНС), що відповідає руйнуванню. Більша частина моделей, розроблених для компактних матеріалів, показала значну розбіжність розрахункових граничних напружень для різних схем випробування неспечених формовок. Кращий результат дають моделі Мора та Друккера-Прагера, а також коефіцієнт м'якості (Я. Б. Фрідман, 1946) та критерій жорсткості (Г.Л. Смірнов-Аляєв, 1961) схем випробування компактних матеріалів. При гарному збігу з експериментальними даними показано, що коефіцієнт жорсткості є кращим і більш наочним, а у вираз моделі Друккера-Прагера вперше введений матеріальний параметр - ВНГ порошку.

ВНГ порошку функціонально зв'язана з фактором форми частинок Салтикова, який (як показано спільно з О.І. Гетьман) для пласкої проекції частинок може бути визначений за допомогою напівавтоматичної системи аналізу зображений SIAMS-600 (м. Єкатеринбург). Таким чином, визначивши форму частинок і використовуючи модель Друккера-Прагера, можна прогнозувати міцність пресовок при різних видах випробування. Параметри лінії ГНС приведені в табл. 4. Кут ц, що ототожнюється з кутом внутрішнього тертя порошку, з якого були виготовлені пресовки, майже не змінюється з ростом тиску пресування. З'ясувати зв'язок кута з технологічними властивостями порошків можна, порівнявши лінії ГНС для двох різних порошків на залізній основі. Порошки, що мають близькі ВНГ, мають і близькі не дивлячись на їхню різну природу і хімічний склад. Причому для залізного порошку Distaloy AE, механічно легованого міддю, нікелем та молібденом, точки на лінії руйнування лежать набагато правіше точок для ГРП ШС Р6М5Ф3, що може бути обумовлене більш високою міцністю пресовок з порошку Distaloy AE.

Таблиця 4. Параметри лінії граничного напруженого стану ГНС моделі Друккера-Прагера

Таблиця 5. Характеристики порошку марки Р6М5Ф3 та порошку Distaloy AE

Залежності міцності пресовок від величини тиску, при якому вони були одержані, приведені на рис. 10, однак порівнювати різні матеріали за таких умов не було змоги, так як вони мали різну відносну густину і різні властивості матеріалу частинок. Нормування міцності пресовки на розрив визначеної непрямим методом (у_вф) по міцності на розрив матеріалу частинок (у_в) та тиску пресування (Р) по границі плинності матеріалу частинок (у_0,2) дало змогу співставляти міцності пресовок одержаних з різних матеріалів та при різних тисках формування. Залежність має напівлогарифмічний характер з досить високим коефіцієнтом кореляції (0,82) та описується рівнянням:

Точка, що відповідає мідному порошку ПМС-1 лежить вище приведеної залежності, що пояснюється більш суттєвим внеском механічної компоненти у порівнянні з іншими дослідженими порошками. Тобто чим вище точка лежить по відношенню до описаної залежності тим краще реалізується механічна компонента міцності пресовки. Запропонована залежність (20) дозволяє порівнювати міцності пресовок одержаних з різних порошків при різних тисках пресування.

У четвертому розділі «Закономірності пресування та прокатування сумішей порошків з різними температурними умовами формування» досліджено ущільнення порошкових сумішей у стандартній циліндричній прес-формі та міцність одержаних пресовок на стиснення у напрямку пресування. По оцифрованих кривих побудовані залежності відносної густини пресовок (с) у прес-формі від тиску пресування (P) та середньої зсувної границі текучості матриці пресовок від її середньої квадратичної зсувної деформації. При низьких тисках залежність lgс-lgP відхиляється від лінійної. Зі зменшенням кількості важкопресованого порошку нікелевого сплаву у суміші кривизна залежності збільшується, але при тиску близькому до 500 МПа всі вони збігаються в одну точку. Різна кривизна залежності lgс-lgP характерна і для порошків інших металів, так при тиску близькому до 800 МПа криві для порошків магнію та алюмінію майже збігаються в одну точку, а для порошку заліза крива відхиляється вниз, що свідчить про зменшення його ущільнюваності. Детальний аналіз графіка дозволив виділити на ньому три характерні ділянки між якими існує суттєва відмінність - різна величина n, яка змінюється зі зміною кількості важкопресованого порошку. Залежність показника n від кількості порошку нікелевого сплаву у суміші на різних ділянках ущільнення має різний характер: на першій ділянці його величина мало змінюється, на другій ділянці простежується найбільший вплив домішки на ущільнення, на третій ділянці простежується практично лінійна залежність типу n = n₀ (1 - КW), що також спостерігали раніше. Інтервал впливу домішок досліджених раніше обмежувався приблизно 30-35 об.%, у нашому ж випадку суміші включали до 80 мас. % порошку нікелевого сплаву (тобто приблизно 70 об.%). Величина n відповідає tg кута нахилу залежності lgс - lgР і залежить не лише від властивостей матеріалу частинок, а і від об'ємних співвідношень окремих компонентів.

Розглянуті характеристики (залежності lgс - lgР, величини n) не несуть інформації про фізичний стан матеріалу частинок, а якраз він, при інших рівних умовах, визначає ущільнюємість порошку. Встановити параметри фізичного стану матеріалу частинок, зокрема середні зсувні напруження текучості матеріалу частинок порошку (_s) та його середню квадратичну деформацію (е_m), дозволяють залежності одержані М.С. Ковальченком. Аналіз цих залежностей дозволяє визначити особливості деформаційного зміцнення матеріалу частинок (матриці) та його вплив на ущільнення порошкового тіла при пресуванні у прес-формі.

Тобто величини _s та е_m характеризують ущільнювальність порошку. Для нікелевого карбонільного порошку марки ПНК1-Л6 на початковій стадії ущільнення спостерігається екстремально висока величина _s, що вказує на високу жорсткість цього порошку, пов'язану з особливостями будови і малим розміром частинок. Руйнування структури цих частинок і подальша їх деформація вимагає додаткового високого зсувного напруження. Додавання до нікелевого карбонільного порошку сферичного порошку нікелевого сплаву (4 мас. % Si, 3 мас. % B, інше Ni) суттєво знижує величину початкового _s (так званого зуба текучості), а у випадку суміші з 60 мас. % порошку сплаву спостерігається навіть зменшення початкового _s. Загальний же нахил кривих _s - е_m найбільший для складів з 60 та 80 % порошку сплаву, тобто для цих складів зміцнення матриці під час формування максимальне. У порівнянні з порошком нікелю, деформаційне зміцнення порошку заліза, суттєво менше. Крім цього, встановлено обернено пропорційний зв'язок між кількістю сплаву та вихідною (початковою) величиною _s, а також балом формованості та. Збільшення кількості сферичного порошку нікелевого сплаву у суміші призводить до того, що знижується коефіцієнт її внутрішнього тертя, а це знижує _s, та бал формованості порошку. Для порошків Al і Mg на залежності _s - е_m, при величині е_m, що перевищує 0,35-0,40, спостерігається істотний спад величини _s. Залежність _s - е_m для порошкового магнію також характеризується початковим зубом текучості, що може бути викликано наявністю щільних оксидних плівок на поверхні частинок. Це підтверджується хімічним аналізом порошку. Отримані результати дозволяють зробити висновок, що характер ущільнення і досягнення кінцевої густини пресовок визначається величинами зсувного напруження текучості матриці, яка утворює порошкове тіло, і її підвищенням в процесі ущільнення під зовнішнім тиском внаслідок деформаційного зміцнення матриці або пониженням у разі деформаційного розміцнення.

У двохкомпонентній порошковій системі Al з FeSi залежність текучості від кількості FeSi має екстремальний характер з максисумом при 20 мас. % FeSi, що відповідає мінімальному куту обвалювання, а залежність ВНГ від кількості FeSi близька до адитивної. Залежність відносної густини утряски (ВГУ) від кількості FeSi в системі Al з FeSi має два екстремуми приблизно при 20 та 80 мас. % FeSi, які відповідають екстремумам на залежності фрикційного індексу від кількості FeSi (не показана). В системі Fe відновлене + FeSi розмелений текучість, ВНГ та ВГУ зростають зі збільшенням кількості FeSi, а криволінійний характер залежностей ВНГ та ВГУ обумовлений зміною коефіцієнта внутрішнього тертя в суміші, який корелює з фрикційним індексом (залежність не показана).

У двокомпонентних порошкових системах, що включають компоненти матеріал яких під час формування знаходиться у пружно-крихкому та проужно-пластичному (пластичному) станах, на залежність міцність - кількість крихкого порошку крім густини пресовок впливає також гомологічна температура пластичного компонента і чим вона ближча до температури початку рекристалізації тим більше залежність відрізняється від монотонно убуваючої. Так нормальні умови для заліза та алюмінію відповідають гомологічним температурам 0,161 та 0,314 відповідно. Для двох (багато) компонентних порошкових систем, в яких компоненти під час формування знаходяться в різних деформаційних станах та включають важкопресовані порошки, встановлено, що на міцність пресовок впливають як технологічні властивості пластичних порошків, так і фізичні властивості непластичних порошків (пружно-крихкий стан) і їх сукупний внесок (ефект) призводить до того, що формовка зберігає певний необхідний ресурс міцності навіть при кількості крихкої фази 70 об'єм. %.

Залежності міцності пресовок при діаметральному стисненні («бразильський тест») від кількості порошку FeSi у об'ємних % (фракція 100-200 мкм) у суміші з залізним відновленим порошком (фракція 160-200 мкм). Вони носять нерівномірний спадаючий характер, причому, якщо при тиску 200 МПа міцність пресовок при збільшенні у суміші порошку FeSi до 35 об'ємних % майже не змінюється, то при збільшенні тиску криві спадають більш круто (кривизна збільшується зі збільшенням тиску).

Певну міцність за бразильським тестом (0,1-0,3 МПа) мають пресовки з чистого порошку FeSi, тоді як міцність на розрив у них практично дорівнює нулю. Зі збільшенням ВНГ порошку матриці змінюється форма кривих за рахунок зменшення міцності порошку матриці у чистому вигляді від 9 18 МПа (рис. 19, а) для заліза до 1 4,8 МПа для порошку алюмінію, тому для суміші FeSi-Al при об'ємній долі порошку FeSi - 40 % на кривих утворюється максимум.

У п'ятому розділі досліджено ефективність методів підвищення формованості порошків на прикладі тонкодисперсних порошків пластичних металів. Встановлено, що оптимальна гомологічна температура агломерувального відпалу карбонільних порошків складає 0,43, вище за цю температуру відбувається збільшення ВНГ порошку, зменшення фрикційного індексу (і), текучість (ф) трохи збільшується, а бал формованості залишається практично без змін.