автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и разработка процесса получения профилей из композиционных материалов прокаткой в закрытом калибре

МАГНИТОГОРСКИЙ ГОРНО-.ШАШРП1ЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЙМ.1 Г.Й.НОСОЗА

На правах рукопиои

ГОЛУБЧИК ЭДУАРД ЩЩДОВИЧ

Щ 621.762. 001

ЛССЛЕШАНЛЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПРОШЕЙ ИЗ КОМПОЗДОНШХ МАТЕРИАЛ03 ПРОКАТКОЙ 3 ЗАКРЫТОМ КАЛИБРЕ

05.16.05 - обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандядага технических наук

Магнитогорск 1УУЗ

Работа выполнена в Магнитогорском горно-металлургическсм институте им,' Г. й. Носова^

Научные руководители? доктор технических наук, профессор

Гун Г.С.1;

кандидат технических'наук, доценг Бахматов

Официальные оппоненты: доктор технических науке профеосор

Арефьев Б .'А.;

кандидат технических наук, доценг Каюков А.€о<

Ведущее предприятие: Ревдинский метизно-мегаллургический

завод, г.*Ревда.>

*

Защите, состоится " 28 » октября 1993г. в 1500 часов на заседании специализированного совета К 063.04,01 при Магнитогорском горнометаллургическом институте по адресу:

455000, г.Магнитогорск,, пр.Ленина,38 Магнитогорский горно-металлургический институт, малый актовый зал

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского горно-металлургического института.5

Автореферат разослан оу^пуЛсГ&л 1993 г.'

Учений секретарь специализированного

совета К.063.Л ' /;

к.т.н. , доцент у/Х, В.Н. Селиванов

ОБЩАЯ ХАРМТЕРЛСТМА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Создание новых материалов и изделия с повышенной износостойкость», долговечностью, расширяющих диапазон применения и улучшающих комфортность при их использовании, связано о разработкой и внедрением новейших технологических процессов обработки давлением деформируемых сред»

Интенсификация современного производства, переход его на ресурсосберегающее технологии обуславливает широкое развитие высокопроизводительных и экономически целесообразных способов деформирования композиционных материалов. К таким процессам относятся прокетка и экструзия. Использование композиционных материалов обуславливается рядом их преимуществ: экономичность, сникзние стоимости изготовления и уменьшение потерь металла в стружку, повышение физико-механических свойств за счет введения различных добавок.

Вопросам прокатки композиционных материалов посвящено большое количество теоретических и экспериментальных разработок. Тем не менее, к настоящему времени недостаточно исследо£ани возможности получения прокаткой композиционных профилей, которые в последнее время находят широкое применение вместо дефицитных лигах» Примером такого профиля могут служить поршневое кольцо ДБС, торцевое уплотнение ро-торно-поршневого двигателя и т.п. Однако, практически отсутствуют технические решения, позволяющие получать высокоплотний профиль о точной ^геометрией в нелреривном процессе.' Кроме того, недостаточно изучены прсцесш, протекающие при сортовой прокатке композиционных [атериалов,- д частности, не исследовано распределение плотности в очаге деформащи, практически отсутствуют данные по изучению деформаци-» онного механизма, явления упругого последействия при сортовой прокатке, энергосиловых параметров процесса,

д этой связи совершенствование технологии производства ррофи-

t

лей из композиционных материалов, ог ли чающихся повышенными физико-механкческики к эксплуатационника свойствами ¡, прокаткой в закрытом калибре является актуальной задачей.

Цель работы заключается в экспериментально-аналитических исследованиях процесса сортовой прокатки композиционного материала в закрытом калибре к а разработке новой схемы прокатки шеокоплогного композиционного профиля.' Для достижения поставленной цели необходимо реиенке следующих задач: разработка способа и устройств для профильной прокатки поровксвых материалов и закрытом калибре с высоким значением гидростатической составляющей тензора напряжений; экспериментально-аналитическое исследование параметров прокатки к их взаимосвязь при деформировании композиционных материалов в закрытом калибре; разработка технологического процесаа получения высокоплотного порошкового профиля»

На.учная новизна работы заключается в следующем:

- выявлены закономерности язления ynpjroro последействия при прокатке порошкового материала в закрытой калибре, исключающим

уширение проката;

- разработана методика расчета показателей деформации, исходя из особенностей, возникающих при профильной прокатке порошковых материалов в закрытом калибре;

установлена возможность расширения диапазона фактора формы очага деформации в области малых значений, что приближает процесс прокатки порошковых материалов в закрытом калибре, о одной стороны, к сортовой прокатке компактных материалов, с другой - к процессам изостагического формования;

- определены закономерности деформационного механизма при прокатке поровкового материала в закрытом калибре до плотностей, близких к плотности компактного кат ери ал а.'

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны:

- устройства для получения прокаткой выоокопяотного, осебогочно-г» пороиковго профиля;

- рекомендации для инженерного проектирования прокатного оборудования по производству композиционного copra;

- технология производства торцевой планки роторно-порщневогв двигателя.' *

Внедрение результатов работы. Результат работы нашли практическое применение в СКБ РПД АО "АвтоВАЗ" (г.Тольятти).'

Апробация работы. Результаты, полученные прк выполнении даосер-гационной работы, докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Проблемы повышения качества металлопродукции по соиовным переделам черной кегагаургии" (г.Днепропетровск, 1939); П Российской школе "Проблемы проектирования неоднородных конструкций" (г.Миаос, 1992); Международной конференции "Новае технологии получения слоистых материалоз и композиционных покрытий" (г.Сочи, 1992); Г/ Международной специализированной выставке "Оборудование и приборы для изгогведения и исследования порошковых композиционных материалов и спеченных изделий" (г.-Минск, 1993); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Магнитогорского горно-металлургического института (г.Магнитогорск, 193У-1993гг.); Международной конкуренции "йоаые технологии получения слоистых маг ери ал оь" (г.Сочи, IS93).

Публикации» Основное содержание диссертации опубликовано в ? работах.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на J07 страни-' цах машинописного текста, содержит Э2 рисунка, 5 таблиц; оостоит из введения, 'j глав, заключения, списка литературы из 75 наименований и приложений.

- б-

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТА

В главе I приводится литературный анализ современного соетод-ния теории и практики получения профилей из композицяонних материалов.! Расширение области использования поровкошх кемпозициоы.лх материалов обуславливает необходимость создания специальных изделий, отвечающих повышенным эксплуатацк он ним требованиям. В работе показано, что из всего мно-побразия способов их производства наиболее нрсиэ водительнимя и экономически целесообразными является непрерывные,, в частности, прокатка порошковых материалов. Несмотря на широкое применение порошковой прокатки, практически отсутствуют технические решения, позволяющие получать профи льни й прокат с широким диапазглом плотностей и толщи: из различных комдозициеннкх материалов,1

Далее рассмотрены вопросы теории уплотнения и деформирования некомпактных сред. В настоящее аремя существующие модели описания процессов деформирования порошковых материалов можно разделить на два типа:' континуальные и дискретно-контактные. Первые с помощью- определенных допущений позволяют использовать уравнения механики сплошные сред. Второй вид моделирования связан с конгакноп теорией деформирования пористых геометрических моделей дискретного тела.5 Отсутствие границ применения указанных направлений затрудняет разработку новых процессов обработки давлением композиционных материалов.* С этой точки зрения более приемлемыми являются теории, позволяющие проводить модельное описание деформации среды. При этом процесс делят на отдельные уровни к описание ведут на данном выбранном уровне о учетом эволюции всей системы.

В работе рассмотрены основные параметры деформации порошковых материалов прокаткой. Имеющиеоя в настоящее время способы описания деформационного механизма при прокатке некомпактных сред достаточно полно освещают процессы листовой прокатки порошкоаых материалов^

исследованные в работах Каташинского В.П., Виноградова Г.А., Ложеч-никова Е.Б., Катруса O.A., Аксенова Г.й,, Петросяна Г.Л.- При раоче-га деформационных показателей оперируют угловыми параметрами, основными из которых являются угол захвата, угол прокатки и угол спрессовывания, определявшие границы очага деформации при листовой прокатке порошков.1 При этом анализ научно-технической и патентной литературы показывает, что из-за непостоянства формы порошкового материала существующие подходы к описанию прокатки порошков носят противоречива* характер, отражающий неоднозначность в различных моделях деформирования функциональной зависимости

В заключении обзора сформулирована цель и поставлены задачи исследований.

Во згорой главе приводится описание разработанного автором опо~ соба деформирования порошкового материала прокаткой в закрытом ка- . либре.1 Предложена геометрия очага деформации, позволяющая исключить уширение при прокатке в калибре (выпуск калибра равен нулю).' При этом повышается гидростатическая (шаровая) составляющая тензора напряжений, что является основным фактором, определяющим степень уплотнения пористого тела. Проведение процесса деформирования в подобных . условиях приближает прокатку порошков к прессованию, с той лишь разницей, что уплотнение является непрерывным,и показатель фактора формы очага деформации (¿^/Л^,) изменяется в широких пределах.' Сортовая прокатка порошковых материалов при отсутствии у ширен и я профиля в очаге деформации позволяет получать высокоплотный профиль с равномерным распределением свойств по ееченкв проката.

Автором разработаны устройства для получения пороакоедо проклт-

где Р - относительная плотность теяаД 9 - технологические параметры.

- а -

ного профиля в закрытом калибре, защищенное авторскими свидетельствами (рис. 1,2), представляющие собой валковые комплекты к состоящие из верхнего бандажа с б/ртом и нижнего баадекга с врезным ручьем, в котором помещен набор трех колец - двух боковых и центрального. Диаметр боковых колеи превышает диаметр низшего бандажа» Боковые кольца имеют наружную поверхность, соответствую:^ поверхности ручья нижнего банадшкаг при этом выпуск ручья отличен от ¡гуля.: внутренняя поверхность боковых колец выполнена таким образом, чтобы в совокупности с центральным кольцом и буртом верхнего бандажа выпуск образованного калибра был равен кулю.'

Процесс прокатки осуществляется следующим образом. Порошковый материал задается в калибр.' Так как в оч&гз деформации боковые кольца и центральное кольцо установлена в ручье бандгаа, то обеспечивается надежное закрытие калибра»' что препятствует выходу порошка из него (отсутствие урения). Кроме того, выполнение подыгных боковых и центрального колеи разного диаметра существенно покидает значение сил трения, что улучиаег условия захвата валками пороакс-вого материала.! Таким образом, происходи? уменьшение зоны предварительного уплотнения порошка. Показаны возможности реализации предлагаемого способа обработки давлением некомпактных сред.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований прокатки порошковых материалов в закрытом калибре, исключающему уширениа проката.

На примере прокатки порошков железа и меда в закрытом калибре исследован характер распределения плотности в очаге деформации (рис,| 3,^).: Показано, что сортовая прокатка имеет существенные от-дйчия от градационных способов деформирования нако ¡.шахтных сред. В частности, установлено:

- повышение гидростатической составляющей тензора напряжения за счет исключения ути рения значительно укорачивает длину очага де-

Рио. I. Валковый комплект для I - валок с буртом; 2 3 - боковые кольца; 4

прокатки порошковых профилей

- валок о ручьем;

- центральное кольцо.

прокатки порошковых профилей

Аиния цен/греб балкоб

Рис. 3. Изолинии равной плотности при прокатко порошкового материала в закрытом калибре I - ПМС-1; 2 - ШРВ 2.200.26.

ТЁ/'яроблеше фассшлгг

Рис. Распределение плотности по длине очага деформации I - ПМС-1; г - ГШРЗ 2.200.26.

- II .формации, Угол недокага (угол образования заднего жесткого клина) составляет 13-17 град, что превышает угол спрессовывания при прокатке на гладкой бочке в сопоставимых условиях.* При этом диапазон получаемых толщин расширяется и характеризуется соотношением

• 0,016 + 0,02 Т>$ .< Кроме того, отношение ¿р/^,"* 1,5 ♦ что приближает сорговув прокатку к изостатическому прессовании;

- интенсивность уплотнения носит равномерный характер,- при этом нарастание плотности происходит практически до сечения выхода проката из валков.] Максимально достигаемая плотность прибликается к плотности компактного материала и составляет 96 •» %%.

■ В работе также проведено изучение явления упругого последействия при получении прокаткой порошкового профиля (рис.! 5)/ Установлено:

- величина упругого последействия по толщине проката ниже

(I + 3%), чем по ширине (4*10$), что связано с различным характером трения порошка о поверхность инструмента;

- в широком диапазоне получаемых толщин (• I ♦ 4 мм)и плотностей ( & » 70 4- не происходит разрушение прокатного профиля (отсутс_вие "перепрессовки1').'

Далее в работе на ооновании экспериментальных исследований . проводится разработка физической модели деформирования порошкового материала прокаткой в закрытом калибре.' Предложено процесс разделить на 3 стадии, границы которых совпадает о углом захвата, углом прокагкя и углом недокага ¡(образование эадиего жесткого клина) (рис.1 б)«} Принято, что углу прокатки соответствует плотность утряски порошкового материала,' /читывал незначительную протяженность . стадий предварительного уплотнения при прокатке в закрытом калибре, _ а также на основании существушэдх, представлений об очаге деформации> выведены основные деформационные параметры Сортовой про.кагки поров-: • коаых материалов,- При этом установлена Гранина очага деформации; определяемая углом недокага, на длине дуги которой происходит фор-

калибра I - по ширине калибре; 2-по высоте калибра.

в - прокатка в гладких валках; б - прокатка в закрытом калибре.

мированиз проката

где кп - толщина проката;

- диаметр валков; ^ рг - плотность проката и плотность утряски материала • пороака соответственно?

Л - коэффициент-виталлии

Исходя из анализа условий уплотнения и деформации некомпактной среды в закрытом калибре, разработана методика определения энзр-госилогых параметров сортовой прокатки пороков.' йопользовалоя подход Г.С.'Аркулиса к определении уплотняемосги коипозяционного материала под действием гидрссгагического'дбвлекия

В качестве допупения принимались следуивде:

- дуга, на которой происходит деформация порошка, заменяется хордой»

- стадия предварительного уплотнения отсутствует (структурная деформация уже прошла);

~ принимается гипотеза плоских сечений, уширенке отсутствует (плоская задача);

- материал изотропен (норы распределены разномерно);

- порошок имеет воможнесгь перемещаться в направлении прокатки?

- внутреннее rpeirae порошка рренсбре&иио мало; Используя баланс работ в виде

(2)

¡¿мугр ¿„СШ

А--А9+Аг

где А^ пабога, затрачиваемая на деформацию материала,

/

- й -

А7 - работа, затрачиваемая на преодоление внутреннего трения;

- работа, затрачиваемая на преодоление внешнего трения.

Получено аналитическое выражение для определения давления прессования при изготовлении порошкового профиля в закрытом калибре

(гТе\ с н € }>

где (/-■!*) е~ - прочностной параметр;

^ - коэффициент, определяемый условиями получения порошка;

^ - коэффициент бокового давления; ' ^ - коэффициент внешнего труни я;

~ геометрический фактор (размеры профиля), или для усилия прокатки

р оп57 я & п , ШЬё*)) (5) Р^ 0,05? Я 6---{(- € ). ^

Четвертая глава посвяцена разработке технологии производства высокоплотного профиля из антифрикционного материала. Технологический процесс получения торцевой пленки роторно-порашезого двигателя (РАД) прокаткой состоит из следующих основных операций: приготовление шихты, формующая прокатка, спекание, калибрующая прокетяа, тормофиксация. С целью сниленкя габаритов прокалкой липни, а также сокращения времени спекания предложено операцию спекания проводить методом прямого нагрела заготовки в меж лотовом пространстве - метод электросопротивления (.решение о выдаче патента по заявке 5065562У02).

Исследование- влияния состава материала на эксплуатационные сиочспи готовых изделий позволило разработать рациональные ре-&\:ми пгоиа^йдотво то^иезоЛ планки РПД:

-15- формующая прокатка: скорость прокатки 0,013 и/о;

угол наклона клети к горизонту 55-00 град;1 относительная плотность "сырого" п?о&!ля

92 * 9^

- спекание: температура нагрева профиля ГОсОсС;

время изотермической выдерет при температуре спэ~-какия 2 мин;

защитная атмосфера аргона

- калибрувдая прокатка: скорость прокатки 0,013 м/с••

единичное обжатий 3 * 4 5; температура профиля на входа в калибрующую клеть <800 ^ 30)°С„1

05ЯИЕ йзбода

Ъ С цедыа улучиения свойств готовых изделий предложен способ деформирования композиционных материалов сортовой прокаткой;5 соглаоно которому за счет исключения уширения увеличивается гидростатическая составляйся тензора напряжений, чго позволяет получать высокопдотный С 9 ■ 95 * 93%) профиль с равномерен распределением свойств по сечении проката.1

2. Разрабсганы валковые комплекта для получения проки--:ой высокоточного порошкового профиля с плотностью, близкой к плотности компактного материалам Предложенные устройства защищены авторскими свидетельствами.( Я 1704921, а.с^ » 1743694).''

3.1 ¿первые в практике сортовой прокяткк пороякозых материалов в закрытом калибре, исключавшем уваренке профиля, исследовано явление упругого поОледейсгдая.' Установлено, что при деформация порошкового материала в подобных условиях происходит изменение линейных размеров проката, но на.наблюдается разрушение проф*ля в ли роком диапазоне получаемых толщин и плотностей (отсутствие, яме-

пая перепресоовки).«

Исследован характер распределения плотности вдоль очага деформации при получении порошкового профиля прокаткой.' При этом в отличии от традиционных схем прокатки порошков, интенсивность уплотнения по длине очага деформации имеет более равномерный характер. Причем, нарастание плотности происходит практически до оечения выхода проката из валков.'

5. На основании результатов экспериментальных исследований процесса прокатки порошкового профиля в закрытом калибре установлено,' чго фактор формы очага деформации (4*/'Ц») изменяется в широких пределах.! При эгом в области малых значений ((у //¡ср « 1,5-3) сортовая прокатка порошков приближается к процессам прессования и сортовой прокатки компактных материалов.! Выявлено, что связь между максимально достигаемой голвдйой проката и диаметром валков определяется соотношением кл « 0,016 •» 0,02

6.* В ходе экспериментальных исследований лроведе теоретический анализ механизма формоизменения композиционных материалов

при прокатке в закрытом калибре о высоким значением гидростатической составляющей тензора напряжений, на основании которого:

- получеки формулы для определения границ очага деформации;

- выведены уравнения, позволяющие рассчитать энергосиловые параметры сортовой прокатки порошков.

7. Разработана технология производства высокоплотисго антифрикционного композиционного профили - торцевой планки рогорно-поршневого двигателя - обеспечивающая повышенные механические и эксплуатационные свойства изделия,- Предложенная наш; технология зацицена пагентом.- По эксплуатационным показателям полученное изделие превосходит нирозые аналоги, йзготопленная по разработанной технологии торцевая планка РПД прошла успешные испытания в составе двигателя а РИД АО "АигойАЗ" (г.Тольятти).

Ооновноа с оде ¡мани в работы изложено в следующих публикациях:

1.1 Бахмагов Ю.Голев ЗЛ.1, Хайкин С.-Н.'в Голубчик ЗЖ' Прокатка высокоточных профилей в закрытом калибре // Материалы научно-технической конференции "Проблема повышения качества металлопродукции по основным передедам черной металлургии".« - Днепропетровска - 1939,- - С. ¿Э-дЬ.

Голубчик Э.'М.', Бахмагов Сортовая прокатка порошков.' // Тезисы П Российской школы-семинара "Проблемы проектирования неоднородных конструкций" .! - Ми ас с.' - 1992.- - С.'53.' 3.4 А.;с.- 1704У21 (СССР) МКИ В 22 Р 3/18.- Валковый комплект для прокатки профилей из порошковых материалов./ Бахмагов Ю.'Ф.'; Голубчик Э.'М., Киглин М.Я... Голев В Л.* Опубч.1 в Б.И.» 1952,-

^ А.!с.1 1743694 (СССР) ОТ 3 22 Р 3/18; Валковый комплект для прокатки профилей #з порошковых материалов.1 / Бахмагов Голубчик Э.'М.;, Митлин М.Я/, Голев ВЛ.' Опубл.1 в Б.И; 1992, № 24.,

Голубчик Э.'М.', Гун Г.С., Бахмагов Получение порошкового профиля методом прокатки // Материалы международной конференции "Новые технологии получения слоистых материалов и композиционных покрытий". - Сочи. - 1992. - С.-Зд-ЗЭ.*

6.: Голубчик ЭА, Бахматов Ю.З. Способ получения профильного порошкового проката. Решение о выдаче патента Р$ от 26.01.93

по заявке $ 5055562/02.)

7.\ Голубчик Э.'М., Бахматов ¡0.$.', Гуи Г.С. Разработка и исследование технологии изготовления сортовых порошковых профилей про»

каткой// Материалы международной конференции "Новые технологии получения слоистых материалов и композиционных покрытий?— Сочи»1 - 1993.* - С.-35.*