Исследование изменения фракционного состава шихтовых материалов при деформировании порошковой наплавочной проволоки

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.778.01; 621.791.042

Исследование изменения фракционного состава шихтовых материалов при деформировании порошковой наплавочной проволоки

С.К. Захаров,

А.А. Протопопов,

В.А. Ерофеев,

П.И. Маленко,

Е.А. Протопопов,

А.И. Вальтер

Представлены результаты исследования фракционного состава многокомпонентной порошковой смеси шихтовых материалов в процессе ее измельчения в сердечнике наплавочной проволоки при деформировании с изменением поперечного сечения. Произведена оценка возможности и условий образования порошковых наночастиц для получения наномодифицированной проволоки. Результаты получены на базе физико-математической модели процесса измельчения, связывающей размеры частиц порошка с энергетическими показателями процесса формоизменения проволоки. проволока измельчение наплавочный

Ключевые слова: физико-математическая модель, измельчение твердого тела, энергия измельчения, металлические порошки, порошковая наплавочная проволока.

The results of research of fractional composition of mnogokanal-being input powder mixture charge materials in the process of its grinding in a heart condition-Nike surfacing wire deformation with changes in cross-section. The estimation of the possibilities and conditions of education powder nanoparticles to get nanomodified wire. The results obtained on the basis of physico-mathematical model of the process of grinding, connecting sizes of powder particles with energy indicators of process of deformation of a wire.

Key words: physical and mathematical model, grinding of solid body, the pulverization energy, metal powders, powder surfacing wire.

В данной работе представлены результаты теоретического исследования фракционного состава многокомпонентной порошковой смеси шихтовых материалов в процессе ее измельчения в сердечнике наплавочной проволоки при деформировании с изменением поперечного сечения. Также произведена оценка возможности и условий образования порошковых наночастиц для получения наномодифицированной проволоки. Измельчение шихтовых материалов является процессом, сопровождающим деформирование проволоки с уменьшением размеров ее поперечного сечения.

Для проведения исследования была применена физико-математическая модель [1], адаптированная для условий измельчения многокомпонентной смеси без использования специального измельчающего оборудования (мельниц). Данная модель связывает размеры частиц порошка с комплексом его физико-механических свойств, а также энергетическими показателями процесса формоизменения проволоки и рядом других параметров.

На основе указанной модели были определены основные параметры процесса измельчения, сопровождающего волочение при температуре 1100 °C оболочки проволоки из высоколегированной стали 20Х23Н18, с сердечником из высокодисперсной многокомпонентной порошковой смеси, включающей хром, тантал, молибден, кремний, карбид вольфрама. Исследовался процесс измельчения части порошковой смеси массой , локализованной внутри объема , подвергающегося деформированию вместе с металлом проволоки объема . Компоненты смеси различались по размерам частиц, массовой доле физико-механическим свойствам. При этом предполагалось, что каждый компонент смеси имеет преобладающую по количеству частиц размерную фракцию, называемую основной фракцией, и размер частиц в ней средний. Также предполагалось, что суммарная энергия технологического процесса расходуется на совершение работы по пластическому деформированию оболочки проволоки и измельчению порошка, причем данные процессы происходят синхронно, и энергия измельчения, в сущности, представляет собой избыточную энергию, переданную системе сверх энергии деформирования (рис. 1).

Рис. 1. Схема волочения порошковой проволоки: 1 - оболочка проволоки; 2 - порошковый сердечник; 3 - деформирующий инструмент

Ниже приведены адаптированные элементы вышеуказанной модели, необходимые для численного решения поставленной в работе задачи.

Средний размер частиц порошка - го компонента смеси после измельчения (основной фракции)

;

где - обобщенный средний линейный размер частиц порошка - го компонента смеси до измельчения, м; - модуль сдвига, Па; - значение вектора Бюргерса, м; - коэффициент Пуассона; - постоянный для данного вещества коэффициент (, [2]); - микронапряжения, возникающие от присутствия краевых дислокаций; - эмпирический коэффициент пропорциональности; - площадь плоскостей скольжения разделяемого кристалла, м2; - количество межатомных связей; - собственная энергия межатомных связей, Дж. - формфакторы объема и площади поверхности частиц порошка, представляющие собой безразмерные коэффициенты пропорциональности, определяемые геометрией частиц, [1] (); масса компонента порошковой смеси в деформируемой зоне, кг, плотность компонента порошковой смеси , кг/м3; - энергия измельчения, расходуемая на обработку компонента смеси, Дж.

Микронапряжения в кристаллах - го компонента смеси

где , - соответственно, предел прочности при сжатии и модуль упругости для материала компонента смеси при заданной температуре технологического процесса, Н/м2.

Энергия разрыва межатомных связей частицы порошка компонента смеси

где - энергия атомизации материала порошка, Дж · моль-1; - количество кристаллических граней элементарной ячейки материала порошка; - число Авогадро, моль-1.

Энергия измельчения, расходуемая на обработку - го компонента смеси

Доля энергии измельчения, расходуемая на обработку - го компонента смеси из - компонентов

где - предел прочности - го компонента смеси при заданной температуре обработки, Н/м2.

Суммарная энергия измельчения порошковой смеси

где - длина калибрующего участка инструмента, м; относительное удлинение материала оболочки проволоки , %; - коэффициент, учитывающий влияние параллельных дополнительных процессов при продвижении порошковой массы в ходе деформирования оболочки проволоки; - приведенный предел прочности порошковой смеси, Н/м2; ,, - соответственно, внутренние диаметры оболочки проволоки до и после деформирования, длина деформируемого в данный момент участка проволоки, м (рис. 1); - угол наклона образующей калибрующего участка деформирующего инструмента, ° (рис. 1).

Приведенный предел прочности порошковой смеси

где - массовая доля - го компонента смеси; - количество компонентов смеси;

Массовая доля - го компонента смеси

(18)

где - масса порошка одного компонента во всей проволоке, кг; - общая масса порошковой смеси во всей проволоке, кг.

Общая масса порошковой смеси в деформируемой зоне

где - общий объем порошковой смеси во всей проволоке, м3.

Масса порошка одного компонента в деформируемой зоне определяется по выражению

где - общая масса порошковой смеси в деформируемой зоне, кг.

Степень размерного измельчения - го компонента смеси

Величины , , , а также общий объем пространства для порошковой смеси в деформируемой зоне до деформации определяются геометрически по схеме на рис. 1.

Площади плоскостей скольжения в кристаллах были определены ранее с учетом температурного изменения основных линейных расстояний в кристаллических решетках измельчаемых материалов.

Исходные данные для расчета приведены в табл. 1.

Таблица 1. Исходные данные, используемые для расчета параметровпроцесса измельчения

Результаты расчета основных параметров процесса измельчения порошковой смеси представлены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты расчета параметров процесса измельчения порошка смеси

Установлено, что наименьшая основная размерная фракция образовалась для тантала, наибольшая - для кремния. Максимальную степень измельчения имеет хром, минимальную - карбид вольфрама. Следует отметить, что для хрома, тантала и молибдена степени измельчения оказались близкими по величине, хотя данные материалы различаются по своим механическим свойствам. Этот факт можно объяснить комбинированным влиянием как механических характеристик, так и физических, а также массовой доли материала в смеси. Кремний немного отстает по степени измельчения от первых трех компонентов. Наименьшая энергия измельчения была затрачена на кремний, наибольшая на молибден.

Статистическая оценка размерного фракционного состава измельченной порошковой смеси была выполнена для выявления доли заданного фракционного нанодиапазона в общей порошковой совокупности с целью декларирования утверждения о том, что полученная проволока является наномодифицированной. Для решения поставленной задачи было использовано логарифмически нормальное распределение (ЛНР). Расчет долей производился для каждого компонента порошковой смеси с последующим их суммированием для определения общей доли частиц, соответствующей заданному фракционному нанодиапазону. При этом медианой распределения для каждого компонента являлась ранее вычисленная величина среднего размера частиц, априорно рассматриваемого в качестве основной по содержанию фракции внутри общей порошковой массы, табл. 2.

Для установления факта наномодифицированности проволоки использовалось условие

(26)

где - суммарная доля заданного нанодиапазона размерной фракции, %; - заданное пороговое значение доли искомой нанофракции, %. При заданном искомом нанодиапазоне с размерами измельченных частиц меньше или равно 100 нм, величина была установлена на уровне 0,005 %. Суммарная доля заданной размерной фракции по - компонентам порошковой смеси определялась выражением как сумма долей частиц заданного нанодиапазона для - го компонента смеси . Результаты расчета доли частиц заданного нанодиапазона представлены в табл. 2 (пункты 14 и 15). Учитывая, что , условие выполнено, т.е. необходимая суммарная доля размерной фракции порошка в заданном нанодиапазоне достигнута. Этот факт позволяет заявить, что проволока, рассмотренная в процессе расчета, является наномодифицированной. Наименьшее количество фракции, соответствующей заданному нанодиапазону, образовалось у кремния, наибольшее количество у тантала. Для кремния соответствующий результат объясняется тем, что хотя механические свойства его и невысокие, но массовая доля также невелика. Максимальный результат у тантала объясняется наименьшим среди компонентов смеси начальным размером частиц и сравнительно невысокими механическими свойствами.

Зависимости среднего размера образовавшихся частиц от энергии измельчения для компонентов порошковой смеси сердечника проволоки представлены на рис. 2 - 6.

Характер указанных зависимостей нисходящий, т.е. при увеличении энергетических затрат на измельчение основная преобладающая размерная фракция уменьшается. При этом установлено их геометрическое подобие для разных компонентов смеси.

Также для каждого компонента смеси было определены пороговые значения энергии измельчения , при которых частицы порошковых компонентов смеси, соответствующие заданному ранее нанодиапазону (меньше или равно 100 нм), образуют основную преобладающую размерную фракцию. Результаты расчета сравнивались с величиной затраченной энергии на измельчение - го компонента смеси в табл. 2 (пункты 7 и 16).

Рис. 2. Зависимость размерной фракции порошка от энергии, затраченной на измельчение для карбида вольфрама

Рис. 3. Зависимость размерной фракции порошка от энергии, затраченной на измельчение для хрома

Рис. 4. Зависимость размерной фракции порошка от энергии, затраченной на измельчение для тантала

Рис. 5. Зависимость размерной фракции порошка от энергии, затраченной на измельчение для молибдена

Рис. 6. Зависимость размерной фракции порошка от энергии, затраченной на измельчение для кремния

По данным, представленным, в табл. 2 видно, что энергии и значительно различаются. Это в целом указывает на невозможность достижения основной преобладающей фракции с размером 100 нм и менее при измельчении, происходящем в условиях рассмотренного в данной работе технологического процесса из соображений сохранения физической целостности оболочки проволоки.

Тем не менее, частицы указанного нанодиапазона в полученной проволоке присутствуют, а их доля соответствует значению, приведенному в табл. 2, т.е. . Этот факт позволяет заявить, что проволока, рассмотренная в процессе расчета, является наномодифицированной.

Список литературы

1. Курлов А.С., Гусев А.И. Модель размола порошков // Журнал технической физики, 2011, том 81, вып. 7, с.76- 82.

2. Williamson G.K., Smallman R.E. // Phil. Mag. 1956. Ser 8. Vol. 1. N 1. P. 34 -46.

Размещено на Allbest.ru