Теоретические и экспериментальные зависимости плотности от усилий компактирования порошковых заготовок

Теоретические зависимости

Уже в середине ХХ века в порошковых технологиях возникла потребность в теоретических зависимостях плотности порошковых заготовок от усилий их компактирования в пресс-формах. В тот период все порошковые материалы, а в первую очередь металлические порошки, относили к дискретным средам, и ученые пытались построить дискретно-контактную теорию формования порошков.

Первым такую зависимость для контактной теории дискретных сред в 1948 г. предложил известный русский ученый М.Ю. Бальшин [1, 2] в виде уравнения lgp = mlgp+lgpmax , (1) где Pmax — удельное усилие формования, необходимое для получения заготовки 100 % плотности; р - действующее удельное усилие формования; т - фактор формования; р - относительная плотность заготовки.

При выводе этой зависимости, основанной на анализе контактного взаимодействия частиц порошка, приняты следующие допущения:

• а)    упрочнение в процессе формования порошка отсутствует и удельное усилие формования на поверхности контакта порошка с пуансоном постоянно;

• б)    деформируемая среда в процессе формования описывается физическим законом Гука для упругой среды;

• в)    напряженное состояние прессуемой заготовки близко к схеме одноосного сжатия.

После М.Ю. Бальшина многие зарубежные и отечественные ученые также стали предлагать свои эмпирические зависимости для контактной теории, связывающие плотность заготовки с усилием формования в пресс-форме.

Среди них можно назвать немецких ученых [3, 4], известных чешских и английских ученых [5, 6]. Предложенные этими учеными зависимости подробно анализируются в капитальной монографии Г.М. Ждановича [7], активного приверженца «контактной теории» формования порошков. Г.М. Жданович полагает, что частицы порошка представляют собой обособленные физические тела, подчиняющиеся законам статистической механики. С помощью этих законов Г.М. Жданович получил ряд зависимостей плотности прессовок от усилий формования порошков в пресс-формах. Вот одна из его зависимостей [7]:

„ _ „ pLzEl.

• ^{р    p} max _{л H}n , ⁽²⁾

±-Рн где р” - относительная насыпная плотность порошка; n – фактор формования, подсчитываемый по формуле

• "    = ^{1 +} П^ н , (3) где П_н – пористость насыпки порошка.

Следует отметить, что дискретно-контактные представления о формовании порошков и получение на этой основе зависимости подробно анализируются в монографии украинских ученых [8].

Из этого анализа следует, что для перехода от контактного взаимодействия отдельных частиц друг с другом и описания процесса компактирова-ния порошковых заготовок требуются специальные гипотезы.

М.Ю. Бальшин в качестве единичной частицы рассматривает конический пирамидальный твердый индентор, внедряющийся в более мягкую частицу, ограниченную плоской поверхностью. При этом определяются геометрические и силовые параметры взаимодействия указанных частиц, и строится основа контактной теории формования порошков [9]. Конечно, в настоящее время специалисту в области формования порошковых материалов очень трудно поверить в описанный механизм взаимодействия частиц при их компакти-ровании и принять контактную теорию. Однако уравнение (1), выведенное М.Ю. Бальшиным в результате обработки экспериментальных кривых «давление–плотность» для целого ряда порошковых материалов достаточно точно описывает реальные процессы формования порошков. Это доказано учеными кафедры МиТОМД ЮУрГУ в результате выполнения большого объема экспериментальных исследований на порошках молибдена, выполненных в промышленных условиях [10–12].

Самодурова М.Н., Барков Л.А., Мымрин С.А., Иванов В.А., Джигун Н.C.

Рис. 1. Пресс-форма для прессования штабиков из порошка молибдена: 1, 2 – щеки пресс-формы; 3 – боковые пластины; 4 – пальцы; 5 – упругие элементы

Таблица 1

Параметры исследованных порошков

№ партии	Насыпная плотность Р н , т/м3	Сред н ий разм е р зер ен по Ф ише р у d , мкм	Содержание примесей, не более, %
			Fe + Al	Ni	Si	O 2	Ca + Mg
1 2 3	1,104 1,378 1,488	4, 1 0 4, 9 5 7, 8 0	0,018	0,005	0,014	0,3	0,014

Экспериментальные зависимости

Из по р о шков мо л иб дена мар ки МЧ ко м пак ти- ровали в холо дно м состоя ни и шт аби ки сечен ие м 18 x 18 м м и дл и но й 6 0 0 мм на пр о мы ш лен ных ги д рав л ич ес ких пр есс ах специально й конструкции марки П- 8 0 1 [13] . Т акие штаб и ки и спольз у ются в качестве ис ходных за г ото во к по сл е спе к а н ия д л я г о р я че й обра б о т к и д ав л е нием , а по л уч е н ная из ни х п р о в о л ока прим е ня ет с я в электронной и д руг их с о в р еменных о т раслях промы шл енности. В кач естве технологич еской о снас тки исполь з ов ал и пр омышленные пресс- ф о р м ы, к онстр у кции а в т о р ов и ссл ед о вани я [ 1 4 ]. В со б р анн ом для з а сы п ки п орошка виде пресс-фо р ма по к а з а на на рис. 1.

Сборка пресс- формы в ыполн я ет с я п утем пр и л о жен ия го р изонтал ь ных у сил ий Р _г от горизонтального п л у нжера специал из ир о в ан ог о пр есс а П- 801. Пр е ссо в ание шт аб иков о с уществля ет ся за с ч ет дв и жени я в ертикал ь ного пуа нс она со ско ро с т ь ю 2 ,5 мм/ с о т у с ил и я в е р т ика л ьного плу н жер а гидравлического пресса.

Осно вны е пар ам е т р ы и со д ержание примесей в порошках мо л иб дена мар ки МЧ р азных п ар тий даны в табл. 1. З на чен и я насыпной пл о тно сти р_н вар ь ир о вали намер енно с ц ел ью иссл е дования е е вл ия ни я н а плотно ст ь ш т аб и к ов . Удельное дав ле н ие пр есс о в ан ия на х одил о с ь в пр ед ела х о т 200 до 315 МПа. Мас су засыпк и порошка дл я п о лучения шт аб ик о в кв адратн о г о сечения оп р е д е л яли в за висимости от р_н и у д ельного д ав л е ния пресс о ва н ия р .

Пл отно с ть пр есс о в а нных штаб и ко в изм е ря л и с пец иальным р адио и з о то п ным изм ер ител ем п ло т н о сти констр у кци и со т рудников пр ед прия тия [ 1 5].

По результатам исследова н и й по с троен а гр а ф и чес к ая за ви с и мость относ и тель н ой пло т н о сти ш та би к о в о т у дель н ых давлен и й пре с сова н и я .

Как видно из рис. 2, логарифмические функции lg р = /(lgp) прямолинейны для всех исследованных значений р_н. Уравнение М.Ю. Бальшина достаточно точно описывает процесс холодного прессования штабиков молибдена. Графики на рис. 2 позволяют определить значения фактора m и удельного усилия р _тах в уравнении (1), равных соответственно тангенсу угла наклона прямой к оси lg p и отрезку, отсекаемому этой прямой от оси lg р .

Рис. 2. Изменение относительной плотности штаби-ков от удельного давления прессования в логарифмических координатах для порошков молибдена с ρ н =1,104 т/м³ (1); ρ н =1,378 т/м³ (2); ρ н =1,488 т/м³ (3)

Значение фактора m оказалось постоянным и не зависящим от р_н, равным для всех случаев значению 5,29, а значения p max зависят от р_н и уменьшаются с увеличением значений р_н от 3119,1 до 2552,7 МПа.

Результаты экспериментальных исследований использовали также для подсчетов удельных уси-

Параметры порошка и процесса прессования штабиков длиной 503 мм

Параметры порошка		р , МПа	Усилие прессования, кН	Параметры штабиков, мм		Плотность штабиков, т/м3
ρ н, т/м3	d зерна, мкм			Высота	Ширина
Л 90		4 41, 6 2	2815,3	13,27	12,67	12,125
		5 00, 5 0	3190,7	13,03	12,66	12,320
		3 , 87,73	2439,9	13,17	12,70	12,238
4,55	4,10	4 41, 6 2	28,15,3	13,0	12,69	12,451
		5 00, 5 0	3190,7	12,80	12,69	12,640
		3 82, 7 3	2439,9	12,94	12,67	12,527
5,18	4,55	4 41, 6 2	2815,3	12,72	12,66	12,738
		5 00, 5 0	3190,7	12,51	12,66	12,922

Рис. 3. Пресс-форма для прессования штабиков из порошков вольфрама: 1 – щеки; 2 – боковые пластины; 3 – пальцы; 4 – упругие элементы

Рис. 4. Зависимость плотности штабика от удельного давления прессования вольфрама марки ВЧ: 1 – ρ н = 4,29 т/м³; 2 – ρ н = 4,55 т/м³; 3 – ρ н = 5,18 т/м³

л ий п рес с ов ани я по урав н е нию К . К онопицкого, прив еде н ного в источн ике [ 3], уравне н ию С . То рр е , при в е денного в источни ке [4], ура вне ни ю Агте – П е трдл и ка , при в е д ен н ого в ис точн ике [6]. В с е эти ура вне н ия дают у дов л е т в орител ьные результаты только при м а л ы х з на чени ях у дел ь ных усилий, в основном до 120 МПа.

В пром ышл е нны х у с л овия х порошок чис того мол и бдена м арк и МЧ пре с су ют при мин им а л ь ных у дел ь н ых усили ях , ра в ны х 200 МПа , а пор ошки гетерогенных марок м оли б де на ти па М Т, МИ и М Л тре б у ют у с и лий пре сс ов а ни я до 500 МПа [1 5].

П о этой пр и чин е урав нени я з а ру бе жны х у ченых д л я п одс чета пл от нос т и пре с с ов ок из м оли бде на п р и за д а н ны х уси л ия х испол ьз ов а ть не с ледует.

П р о вер к а з ав и с и мо с т и Г .М . Ж дан ович а ( 2 ) п оказала, ч т о при зад а нн ых уд ел ь ны х ус и л иях п о л уч аю т ся з ан и ж енн ы е в д ва р а за п о ср а вн е ни ю с э к сп ери мент а льн ы м и д а нн ы м и зн ач е ни я пло тн о с т и .

Учеными кафедры МиТОМД ЮУрГУ на основе теории вероятности и результатов промышленного многофакторного эксперимента по ком-пактированию порошка вольфрама марки ВЧ получено уравнение регрессии (4) [12], предназначенное для определения значения относительной плотности штабика р в зависимости от выбранного удельного усилия прессования р и относительной насыпной плотности рн. Параметры порошка марки ВЧ и процесса прессования даны в табл. 2.

р = 4,7054 + 0,00017р -

-4,2872 _е -°-¹⁴⁸⁶ Р н . (4)

Штабики указанных размеров прессовали на специализированном промышленном гидравлическом прессе марки К25.033 с горизонтальным и вертикальным плунжерами [13]. В качестве технологической оснастки использовали разборную пресс-форму конструкции авторов публикации [12]. Общий вид этой пресс-формы по изобретению [16] показан на рис. 3.

На основе регрессионного уравнения (4) выполнены расчеты и построены графические зависимости плотности от давления для разных значений насыпной плотности, приведенные на рис. 4.

Таким образом, представлены полученные еще в 40–60 годы прошлого века учеными России и зарубежных стран зависимости плотности от усилий прессования порошковых заготовок и выполнена проверка их применимости в промышленных условиях прессования штабиков из порошков молибдена и вольфрама.

Исследования выполнены при поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение 14.В37.21.0077.

Самодурова М.Н., Барков Л.А., Мымрин С.А., Иванов В.А., Джигун Н.C.