автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка технологии прессования гетерофазных увлажненных механических смесей на основе железа для получения высокоплотных заготовок

4857829

На правах рукописи

КОКОРИН Валерий Николаевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРЕССОВАНИЯ ГЕТЕРОФАЗНЫХ УВЛАЖНЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПЛОТНЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность: 05.16.06 - Порошковая металлургия и

композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

2 0 о "т

С V"! ¿ОН

Санкт-Петербург- 2011

Работа выполнена на кафедре «Пластическая обработка металлов» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» и на кафедре «Материаловедение и обработка металлов давлением» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный технический университет»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН Рудской Андрей Иванович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН Алымов Михаил Иванович

доктор технических наук Толочко Олег Викторович

доктор технических наук, доцент Руднева Виктория Владимировна

Ведущая организация: Ульяновский филиал Всероссийского

института авиационных материалов (Ульяновский ВИАМ)

Защита состоится « 18 » ноября 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.03 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, химический корпус, ауд.51.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан

2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессо

С.Ю. Кондратьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В условиях развития рыночных отношений в России особенно остро стоит проблема развития и модернизации промышленного производства, повышения его эффективности на основе создания и внедрения инновационных технологий и улучшения качества продукции. Основной тенденцией современного машиностроения является создание новых машин и механизмов с высокими рабочими параметрами на основе изготовления деталей и заготовок, обладающих требуемым уровнем физико-механических, технологических и потребительских свойств.

Высокоплотные механические смеси могут применяться в качестве исходных заготовок при изготовлении металлопроката при получении изделий типа «фольга», в процессах интенсивного пластического деформирования по схемам динамического горячего прессования, гидроштамповки, холодной объемной штамповки; в качестве брикетов (вторичное сырье) в процессах промышленного рециклинга твердых техногенных отходов металлургических комбинатов; в качестве деталей конструкционного назначения.

В условиях интенсивно ухудшающейся экологической обстановки, истощения сырьевой базы, постоянного роста производственных и транспортных затрат все более актуальными становятся проблемы утилизации увлажненных отходов металлургических и сталепрокатных производств.

Потребителем высокоплотных заготовок и деталей являются отрасли автомобилестроения, машиностроения и ряд других. В настоящее время потребительским рынком высокоплотных изделий востребованы детали плотностью, приближенной к теоретической; заготовки - плотностью 0,95...0,97; брикеты - плотностью >2,5 г/см3.

Номенклатура заготовок и деталей, полученных формованием и спеканием из порошков на основе железа с использованием традиционных технологий, ограничена из-за невозможности обеспечения высоких механических свойств деталей, имеющих существенный уровень остаточной пористости и низкое качество межчастичных контактов. Перспективный рост промышленного производства определил необходимость изыскания специальных методов повышения комплекса механических свойств порошковых деталей.

Методы порошковой металлургии, а именно процессы компактирования порошковых железосодержащих материалов, позволяют получать механические плотноупакованные системы регламентированной структуры, при этом, следует отметить, что в настоящее время недостаточно развиты теория и практика образования структур теоретической плотности, имеющих прочные межчастичные диффузцрнные связи с образованием эффективного ювенильного контакта.

Анализ схем структурообразования высокоплотных изделий показал, что прямое использование схем традиционного деформирования вызывает появление дефектов, в основном связанных с образованием расслойных перепрессовочных трещин, а также ограничение технологических возможностей при изготовлении деталей широкой гаммы типоразмеров и физико-механических свойств.

В связи с этим возникает необходимость в создании и разработке нового метода получения порошковых структур плотностью, приближенной к теоретической в результате перемещения одной из фаз структурнонеоднородного гетерофазного материала. Предлагаемый способ прессования позволил установить, что при введении жидкости малой вязкости (например, воды, ацетона) в количестве 10... 15% масс.доли создаются условия формования высокоплотных деталей с остаточной пористостью, не превышающей 3%, что позволит использовать данную технологию для изготовления сильно нагруженных изделий машиностроительного назначения. Можно предположить, что именно процессы «схлопывания» пор при транспортировании жидкости и растворенного в ней воздуха, моделируя сдвиговые деформации и образуя новые контактные поверхности, будут доминировать при формировании высокого уровня качества изделий.

Разработка и использование новой технологии консолидации увлажненных железосодержащих дисперсных материалов при обеспечении интенсивного структурообразования и создания условий установления эффекта межчастичного сращивания, образования ювенилыюго контакта позволит существенно повысить:

■ плотность структуры и уровень физико-механических свойств порошковых изделий, приближая по уровню к компактным материалам, благодаря чему существенно расширяется область их применения;

■ эффективность утилизации техногенных отходов при обеспечении существенного ресурсосбережения, снижения энерго- и станкоемкости.

Широкому внедрению метода интенсивного структурного уплотнения металлических порошков в присутствии жидкой фазы в настоящее время препятствует малая изученность данного процесса, отсутствие математических моделей процесса уплотнения, моделей и критериев установления межчастичного сращивания при структурировании.

Таким образом, исследование процесса интенсивного уплотнения металлических порошков в присутствии жидкой фазы представляет важную актуальную научно-техническую проблему, результаты решения которой востребованы практикой.

Работа выполнена как часть научных исследований, проводимых в: - Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (СПб ГПУ) в рамках Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2010-2011 годы)». Мероприятия по разделу 2.1.2. "Проведение фундаментальных исследований в области технических наук"

по проекту № 2.1.2 / 6955. Руководитель чл.-корр. РАН, д.т.н., проф. Рудской А.И.; - Ульяновском государственном техническом университете (УлГТУ) в рамках госбюджетной НИР «Разработка научных основ ресурсосберегающих экологизированных технологий изготовления деталей и заготовок с применением давления»; а также на основании хозяйственных договоров с ПКТБ «Экосистема», ЗАО «Волга-Экопром», ЗАО «Системы водоочистки» и в соответствии с планами НИР кафедры « Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ.

Цель работы: Разработка технологии прессования высокоплотных заготовок при уплотнении гетерофазных механических смесей на основе металлических дисперсных материалов, обеспечивающей эффект межчастичного сращивания структуры с целью повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств, а также технологических решений утилизации увлажненных техногенных отходов черной металлургии.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:

1. Анализ кластерного состояния плотноупакованной гетерофазной смеси, механических схем приложения нагрузок и межконтактных явлений в процессах консолидации увлаженных систем.

2. Теоретическое обоснование и структурно-феноменологическое исследование процесса интенсивного уплотнения увлажненных механических смесей при приложении значительных давлений.

3. Проведение экспериментальных исследований по выявлению деформационных и технологических характеристик процесса прессования гетерофазных увлажненных смесей.

4. Физико-механический анализ технологических схем уплотнения, разработка модели и критерия образования связной межчастичной структуры, выявление параметров, влияющих на уровень физико-механических свойств изделий.

5. В результате выполненных теоретико-аналитических и экспериментальных исследований разработать способ прессования высокоплотных заготовок и деталей из металлического порошка в присутствии жидкой фазы на основе метода интенсивного уплотнения.

6. Разработать технологию прессования увлажненных многофазных механических смесей при уплотнении порошковых материалов и дискретно-дисперсных железосодержащих техногенных отходов производств черной металлургии и устройств их реализации. Научная новизна работы состоит в создании концепции интенсивного

уплотнения металлических дисперсных материалов, развитии научно обоснованных технических решений при производстве заготовок и деталей теоретической плотности, брикетов на переплав, а именно:

1. Предложен и разработан новый способ прессования металлических порошков в присутствии жидкой фазы с образованием структур теоретической плотности.

2. Предложено и дано обоснование рассмотрения процесса уплотнения как пятистадийного, разработана физическая постадийная модель структурообразования. Теоретически разработаны деформационные математические модели постадийного структурообразования, предложена методика расчета энергосиловых параметров процесса уплотнения.

3.Экспериментально исследованы общие закономерности постадийного уплотнения гетерофазных увлажненных механических систем, определен характер изменения физико-механических свойств заготовок.

4. Разработана методика определения границ стадий структурообразования на основе соотносительных величин текущих плотностей и давления.

5. Теоретически разработана математическая модель и критерий образования новых межчастичных контактов, позволяющая производить оценку качества металлических связей; предложена математическая модель роста зерна за счет механизма рассыпания (растворения) границ зерен при перестройке дефектов кристаллической структуры.

6. Предложена математическая модель, описывающая величину бокового давления.

7. Разработаны расчетные модели структурообразования железосодержащих материалов при утилизации техногенных отходов, позволяющие управлять режимами прессования и технологическими условиями получения качественного продукта (брикета).

8. Разработан новый метод оценки пористой структуры и ее топологии с использованием цифрового телекоммуникационного способа обработки визуальной информации.

Достоверность результатов работы обеспечена корректностью постановки задач, обоснованным использованием допущений, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с проведенными экспериментальными исследованиями автора, а также успешной апробацией результатов работы в промышленности.

Практическая ценность и реализация работы:

1. На основе теоретико-аналитических и экспериментальных исследований предложена единая типовая технологическая схема получения высокоплотных заготовок, сильно нагруженных деталей, брикетов на переплав; освоены технологии изготовления деталей конструкционного назначения, а также изготовление брикетов на переплав предприятий машиностроения и черной металлургии.

2. Результаты представленных в работе теоретико-экспериментальных исследований использованы при разработке новых и совершенствовании действующих технологических процессов прессования (брикетирования)

заготовок (брикетов) на ОАО «Димитровградский автоагрегатный завод» (ООО «Димитровградский завод порошковой металлургии»), ЗАО «Системы водоочистки», ОАО «НАППА», ОАО «Саратовский подшипниковый завод», ОАО «Северсталь», ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат». Промышленное внедрение технологий и эксплуатация установки «ВИТА-Ш», а также практика проектирования интегральных технологических систем в ЗАО «Системы водоочистки» подтвердили высокую эффективность технологических решений, что позволило получить общий экономический эффект (годовой) от их применения в размере 4 623 тыс.руб.

Личный вклад автора

Концепция работы, формулирование цели, определение задач и их практическая реализация принадлежат автору. Теоретико-аналитическая и экспериментальная части исследования выполнены при участии сотрудников, аспирантов и студентов старших курсов кафедр «Пластическая обработка металлов» СПб ГПУ и «Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ под руководством и непосредственным участии автора.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на Всесоюзной НТК «Получение и обработка металлов высоким давлением» (г.Минск, 1987), Всесоюзной НТК «Применение методов порошковой металлургии для изготовления деталей и инструмента» (г.Ереван, 1990), Зональной НТК «Порошковая металлургия и композиционные материалы» (г.Ленинград, 1990), Российской НТК «Новые материалы и технологии машиностроения» (г.Москва, 1992), Всероссийской НТК «Отходы производства и потребления» (г. Пенза, 1995), Международной НТК «Новые методы, средства и технологии в науке, промышленности и экономике» (г.Ульяновск, 1998), IV Международной НТК «Экологические проблемы и пути их решения в 21 веке: образование,.наука, техника» (г. С.-Петербург, 2000), Международной НПК «Экономика, экология и общество России в 21 столетии» (г. С.-Петербург, 2002), V Международной НПК «Экономика, экология и общество России в 21 столетии» (г.С.-Петербург, 2003), Всероссийской НТК «Непрерывные процессы обработки давлением» (г. Москва, 2004), Международной НТК «Прогрессивные технологии и оборудование при обработке давлением» (г. Ульяновск, 2007), Международной НТК «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов», (г. С-Петербург,2007), Международной НТК «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования» (г. Самара, 2009), Международной НТК «Математическое моделирование физических, технических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 2009), НТС УлГТУ (г.Ульяновск,2010), научных семинарах кафедр ПОМ СПбГПУ и (С,- Петербург, 2010, 2011), МиОМД УлГТУ (Ульяновск, 2010, 2011).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 102 научные работы, в том числе 17 статей в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, 2 монографии, 1

учебное пособие с грифом УМО, 8 патентов на изобретения, 4 полезные модели.

На защиту выносятся:

1. Новый способ интенсивного уплотнения металлических порошков в присутствии жидкой фазы с образованием структур теоретической плотности.

2. Научно обоснованные принципы интенсивного уплотнения и структурирования за счет физико-механического взаимодействия системы контактирующих объектов гетерофазной механической смеси.

3. Результаты аналитического и экспериментального исследований морфологии и топологии порового пространства, разработка критерия установления качественного межчастичного контакта и эффекта межчастичного сращивания.

4. Методика установления стадийности структурообразования увлажненных механических смесей.

5. Математические модели деформационных и технологических характеристик процесса прессования увлажненных механических смесей, аналитические и экспериментальные исследования величины бокового давления.

6. Метод оценки пористости структуры и ее топологии с использованием цифрового телекоммуникационного способа обработки визуальной информации.

7. Способы интенсификации структурообразования при получении плотностей теоретического уровня и устройства для их осуществления.

8. Результаты разработки и внедрения технологии прессования увлажненных гетерофазных смесей в различных отраслях промышленности.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка

литературы (311 наименований) и трех приложений.

Объем диссертации: 339 страниц машинописного текста, 146 рис., 42 табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, приведена ее краткая характеристика, сформулированы цель, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу потребности промышленности в высокоплотных заготовках, брикетах на переплав, обладающих высоким уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств; существующих современных методов изготовления деталей конструкционного назначения, сильно нагруженных из порошковых материалов и плотноупакованных брикетов на переплав из техногенных отходов на железной основе.

Высокоплотные механические смеси могут применяться в качестве исходных заготовок при изготовлении металлопроката при получении

изделий типа «фольга», в процессах интенсивного пластического деформирования по схемам динамического горячего прессования, гидроштамповки; в качестве брикетов (вторичное сырье) в процессах промышленного рециклинга увлажненных техногенных отходов металлургических комбинатов; в качестве деталей конструкционного назначения.

Номенклатура заготовок и деталей, полученных формованием и спеканием из порошков на основе железа с использованием традиционных технологий, ограничена из-за невозможности обеспечения высоких физико-механических свойств деталей, имеющих существенный уровень остаточной пористости. Использование процессов ДГП, изостатического и вибрационного прессования имеет ряд существенных технологических ограничений. Необходимость повышения качества продукции в сталеплавильном и ферросплавном производствах требует использования прогрессивных процессов брикетирования с целью повышения прочностных и эксплуатационных свойств брикетов.

Перспективный рост промышленного производства определил необходимость изыскания специальных методов повышения комплекса физико-механических свойств порошковых деталей.

Современный уровень теоретической и прикладной разработки процессов уплотнения дисперсных и пористых материалов при получении высокоплотных изделий базируется на ряде фундаментальных работ отечественных и зарубежных исследователей: Бальшина М. Ю., Григорьева А. К., Дмитриева A.M., Друянова Б.А., Ждановича Г.М. , Кипарисова С.С., Колбасникова Н.Г., Либенсона И.Д. , Мартыновой И.Ф., Мертенса К.К., Павлова H.H., Перельмана В. Е., Радомысельского И. Д., Романа О. К., Рудского А. И., Рыбина Ю.И., Штерна М. Б., Шатта В., Цеменко В. Н. и др.

В процессе уплотнения порошкового тела происходит образование физического контакта между частицами порошка и развитие контактной поверхности, сопровождающееся уменьшением общего объема пор.

Вопросы контактного взаимодействия рассмотрены в фундаментальных работах Бальшина М. Ю. и Ждановича Г. М. и развиты в дальнейших исследованиях Дорофеева В. Ю., Павлова Н. Н., Рудского А. П., Цеменко В. Н. и др.

Однако, на сегодняшний день в существующих работах по теоретическому моделированию многофазных пористых структур указанные вопросы разработаны явно недостаточно для построения полной (интегральной) классификации пористых многофазных структур с различным (начальном и текущим) агрегатным фазовым состоянием.

Анализ научной литературы не выявил законченных исследований процессов интенсивного уплотнения и структурообразования механических смесей теоретической плотности с использованием структурных фаз различного агрегатного состояния. Отсутствуют сведения, отражающие природу деформационного и структурного взаимодействия контактирующих

структурных фаз и тип связей, образующихся в результате приложения высоких давлений к увлажненным смесям. Результаты известных исследований, в которых представлены вопросы физико-механического взаимодействия элементов гетерофазных смесей при уплотнении дисперсных железосодержащих материалов, нельзя распространить на процессы получения практически беспористых структур с приложением высоких давлений.

Не установлена взаимосвязь деформационных параметров процесса уплотнения с технологическими характеристиками структурообразования, что не позволяет выделить факторы, оказывающие доминирующее влияние на этот процесс, и выработать рекомендации, направленные на повышение качества межчастичных контактов и уменьшение пористости структуры.

При выборе рациональных методов силового воздействия на уплотняемую среду с целью повышения технологических и эксплуатационных свойств изделий необходима информация о влиянии заполняющей жидкой (паровоздушной) фазы на процесс эволюции структурирования.

•Вне поля зрения исследователей остались вопросы, касающиеся изучения энергосиловых характеристик при нагружении увлажненных смесей, в частности, изучение величины бокового давления; межинструментального зазора; температурного воздействия на заполняющую фазу.

Известные зависимости расчета условий и режимов брикетирования дисперсно- дискретных увлажненных техногенных отходов на основе железа при получении качественного брикета с высокими эксплуатационными свойствами носят ограниченный характер, что затрудняет разработку рекомендаций, направленных на повышение качества продукции.

Все вышеизложенное определило цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе детализированы задачи, методы исследования и разработки, раскрывающие предмет исследования, приведены классификаторы: механических схем процессов уплотнения; структур гетерогенных механических смесей, даны их характеристики и основные дефекты, возникающие при прессовании гетерофазных увлажненных механических смесей.

В третье главе представлены теоретические исследования процесса интенсивного уплотнения гетерогенных увлажненных механических смесей. Формование изделий из порошковых смесей в присутствии жидкой (заполняющая среда) и газообразной (воздух пор) фаз при сравнительно высоких давлениях происходит постадийно: компактирование, преимущественно упругое уплотнение, преимущественно пластическое уплотнение, локальное кавитационное разрушение, залечивание дефектов и консолидация структуры заготовки.

Исходная трехкомпонентная смесь (металл основы - жидкость -воздух) представлена в виде структурносвязанного тела с гибкими связями, которые придают этой смеси свойство наличия предельного напряжения сдвига. Начало сдвига определяется внешней сдвигающей нагрузкой, которой отвечает

соответствующее внутреннее предельное напряжение сдвига. Факторы, влияющие на предельное сопротивление сдвигу, представлены на рис. 1.

Предлагается моделировать среду, включающую твердую фазу и двухкомпонентный флюид, на основе представительного элемента некоего единичного объема.

Сопротивление компаунда «порошок - флюид» уплотнению

Внешние воздействия на компаунд вызывают реактивное сопротивление уплотнению. В первом приближении это сопротивление я

могло бы быть представлено в аддитивной форме <7 = <7., + , где -структурное сопротивление, зависящее от гранулометрического состава, текущей плотности и структуры флюида; - сопротивление, связанное со скоростью деформирования или с интенсивностью деформации (сопротивлением сдвигу).

Структурное сопротивление можно условно разложить на две составляющие, относящиеся к упругому сжатию каркаса из частиц порошка и выдавливанию флюида через поровые полости. Величину структурного сопротивления можно выразить через полные обобщенные деформации материала е, следующим образом: д, = Л ■ е; , где А, у - показатели процесса уплотнения для этапов упругого и пластического уплотнения.

Ясно, что при у = 1 зависимость становится линейной, что отвечает случаю упругого деформирования. При у > 1 происходит процесс уплотнения с упрочнением, в то время как при у < 1 возникает разрыхление порошковой массы. Показатель у чувствителен к изменению напряженно-деформированного состояния, в частности, к граничным условиям (возможности бокового расширения).

Компактирование порошка на первой стадии приводит к устранению дефектов размещения частиц. Для оценки плотности порошковой смеси перед началом упругого деформирования на второй стадии используем следующее модельное представление. Пусть осуществляется деформирование увлажненного порошка в цилиндрической матрице по схеме одностороннего прессования. Будем считать, что к концу первой стадии движение пуансона приводит смесь к уровню плотной укладки частиц порошка. Пусть к этому моменту высота цилиндрической полости будет

Грян/поиет-ричвскми

| Пряность")—" Зпажмоса [-•« 1 ■ Г. О,,,!,..'......у,— /

»яроборсяз*

V/-—-<

I Харгж!ер

Рис. 1. Факторы предельного напряжения сдвига при

равна Н, изначальный же диаметр полости матрицы составляет величину О. При укладке частиц в створе угла 60° в плоскости среза, параллельной основанию цилиндра полости матрицы (рис.2), число частиц ]МР можно подсчитать по формуле

(о

где 1 - число частиц окружного слоя в пределах одного сектора.

Число каверн (пор) Ыс после каждого окружного слоя подсчитывается в соответствии с формулой

^ =и21,(2,'+1)- (2)

Укладка частиц по плоскостям вдоль оси симметрии матрицы происходит с трехточечным контактом каждой частицы последующего слоя с частицами предыдущего. Центры указанных контактирующих частиц являются вершинами тетраэдра со стороной 2г (рис. 3), причем вершина центра частицы последующего слоя проецируется в точку пересечения медиан основания, образованного центрами трех частиц предыдущего слоя. Высота Ь такого тетраэдра определяется по формуле

Рис. 2. Радиальная укладка частиц в плоскости среза

й =

1

(3)

Рис. 3. Контакт сферических частиц и связывающий тетраэдр

Тогда высота Н цилиндрической полости матрицы будет вычисляться с учетом формулы (3) следующим образом:

¡2

Н=т 2гл\-

■2 г

где т - число слоев частиц вдоль оси симметрии цилиндра матрицы. Объем цилиндра можно представить в следующем виде:

(4)

(5)

Объем частиц, заполняющих полость матрицы, с учетом формулы (1) и подсчета суммы числа частиц в плоскости среза определяется следующей зависимостью:

' Р " А

К = 5-Я = 4т1-г2 -Дг2-2г- - + 1

1 V- )

V = — • 71 ■ Г5

р 3

1 + 6-

(6)

Объем каверн в полости цилиндра матрицы с учетом формулы (2) и подсчета суммы их числа в полости среза по плоскости среза, перпендикулярной оси симметрии цилиндра, дается формулой

Ус=6-{М + 2)-Ы-т-АУс, (7)

где ДУС - средний объем каверны, который можно определить на основе соотношений (5) - (7):

У = УР+К. (8)

Объем каверны определяется известной формулой

А У =--к-г; 3

(9)

где гс - радиус каверны.

Тогда из уравнений (8), (9) с учетом соотношений (5) - (7) получаем зависимость

(10)

/ Г?

6-М2

1 » 3 )

(>■ N-т-(Ы + 2)

Принимая во внимание факт, что число частиц порошка в прессовке значительно, можно найти предельное значение правой части уравнения (10), устремляя к бесконечности ши№

г < =1Ю1

N->00

Нш

г

т-А

1 * 3 /

- /я • [1 + 3 • N • (м +1)]

6-N-{N + 2 )т

(И)

или гс =0,6815-г. (12)

Плотность прессовки в соответствии с модельным представлением

Ур-Рр+К-Рг

р' =

гР + К

(13)

где рр, рг- плотности частиц порошка и флюида соответственно.

Предложенная математическая модель первой стадии уплотнения описывает структурную деформацию (переукладку) частиц в присутствии жидкой фазы.

Сопоставление расчетных значений пористости с величинами, полученными при использовании предложенной модели уплотнения, характеризует весьма хорошее приближение к экспериментальным данным (расхождение не превышает 16%). Расчет сил, смещений и размеров контактной зоны

Расчет величины упругого деформирования проводился в соответствии с определением величины смещения при контактном упругом взаимодействии двух частиц (рис. 4).

Связь геометрических параметров для верхней частицы дается формулой х3+щ = tshjl, (14)

где х3 - координата; и3 - перемещение в направлении оси х3; Ahe - величина упругого сжатия частиц.

Учитывая эквизистантность формы шаров, смещения под действием силы F можно представить в следующем виде: . \-ц2 rrF(x|,xj)

ff-

* dx{ * i/^2 ^

(15)

Рис. 4. Схема контактного взаимодействия частиц и геометрические параметры

к-Е г где // - коэффициент Пуассона; Е - модуль Юнга материала порошка; г - текущее значение радиуса; F - величина действующей силы, зависящей от двух координат.

В уравнении (15) сила зависит от координат, так что можно выявить распределение давления в контактной зоне, которое определяется уравнением:

2 \-Ц ffF(X|,x2) к Е " г

■ dx | • dx2 ■■

:Д h~A-x:-B-x:

(16)

Проводя аналогию с теорией потенциала, получим распределение силы по области соприкосновения в виде:

F(x\,x j) =

3 F ж-a-b

/ / > 2 f ' Л

*2

U J UJ

(17)

где а, Ь - полуоси контактной зоны.

Подстановка формулы (17) в (16) дает в левой части интеграл, который тождественно преобразуется следующим образом:

_7t-a-b г 2 '

ff

1-

dx i -dx-,

f ' Л 2 f ' Л x2

UJ UJ

b2+%

dt

(18)

где £ - переменная интегрирования.

Подстановка (18) в (17) дает следующее выражение:

3 F I- ¡и г 2л- ' Е ' '

1 —

а2 Ь2+£,

di; = Ahe - A-x2 - В-хг

(19)

Интегрируя левую часть уравнения (19) с учетом того, что а получено выражение величины сближения частиц:

42 г

1-

Ц'

= ъ,

(20)

ет1]е

ткеу,кI

Формула (20) позволяет выполнять вычисление изменения высоты (и, соответственно, плотности) прессовки при заданных значениях давления на пуансоне, среднего размера частиц и их механических свойств, а также текущей высоты прессовки.

При завершении стадии структурного преобразования и преимущественно упругого деформирования начинается стадия пластического деформирования, которое происходит первоначально на отдельных частицах в силу их различия форм и размеров, что позволяет на локальных участках достигать условия наступления текучести.

Система уравнений (21) для определения параметров напряженно-деформированного состояния без учета массовых и инерционных сил представляется в следующем виде:

(7= 0 (уравнение равновесия); а, = 1|/ СТ, (условие пластичности); £ 1/ = ^"(м ;,/ + и /,/ + И ,И>/М ,„ , ) (связь скоростей деформаций и перемещений), (21)

з

= 0 (условие сплошности); ёк = —"(а* ~ а0) (физические

¿ь,

уравнения, учитывающие условие сжимаемости и граничные условия, определяемые типом решаемой задачи),

где сту - компоненты тензора напряжений; а, - интенсивность напряжений; \|/ - функция модификации условия пластичности за счет сжимаемости порошковой массы; с5 - предел текучести; скорости деформации; и, -скорости перемещений; ету - псевдотензор Леви-Чивиты; Ок - главное значение напряжения; о0 -среднее напряжение; Е'- модуль пластичности.

Данная система уравнений, представленная в тензорном виде в декартовой системе координат, определяет капиллярную прочность структуры и механизм отвода флюида.

Дальнейшие стадии деформирования рассматриваются в приложении к двум важным технологическим задачам деформирования: прессованию в закрытой матрице и выдавливанию с противодавлением. Прессование в закрытой матрице

Для установления закономерностей прессования в закрытой матрице рассмотрим матрицу цилиндрической формы (рис. 5).

Рис. 5. Схема формовки порошковой смсси в матрице

Используем метод прямого интегрирования . Примем следующие допущения: 1. Представительный элемент объёма, образованный вертикальными плоскостями, расположенными эквидистантно от оси симметрии, деформируется в условиях плоской деформации. 2. Упрочнение материала не учитывается. 3. Механические характеристики рассматриваемого массива не отличаются от тех же характеристик материала порошка. 4. Касательные напряжения являются функцией только координаты х3. 5. На границах закон трения учитывается по закону трения Зибеля.

Для каждой стадии деформирования (отслеживается по значению Ь) можно определить распределение напряжений по телу прессовки на основе формул (22) и (23):

2

°з гт' ст-> 'V • (22)

ст3

= * (V + -

(23)

Полная сила на пуансоне Р складывается из силы деформирования Ра и силы преодоления трения Р^

Р = Ра+Рг- (24)

Сила деформирования может быть найдена интегрированием напряжения оз по поверхности пуансона:

Р 2 Г 1, \ I , . а,ЧГ&)2

Ра= ) </ф- ] |а3|-р^р= ---

№

6-й

(25)

(26)

о о

Откуда делением обеих частей соотношения (25) на площадь получим давление деформирования:

Давление от преодоления трения р(- можно найти путём использования метода баланса работ:

Ре1'!- СГ/-Т- .

йк (27)

где из - перемещение в направлении оси хз; Г - коэффициент трения.

Давление на пуансоне получается суммированием давлений, определяемых формулами (22) и (27):

Р= о;

2 ак Н

(28)

На рис. 6 приведено распределение напряжения, действующего вдоль оси хз, а также значение давления на пуансоне. Расчеты, проведенные в среде МаЛСА02001 Рго, относятся ко второй и четвертой стадиям деформирования

центральной части прессовки, что

2,0 1,8 1,6 1.4

и 1.0 0,8 0,6

о-в

о!е

Ру ]---- гертая 5 — — — —Ш Чгадия ■

______ ■_____ ► „.V

Вго рая год шя

т

О

1

з

р, мм-

5

Рис. 6. Распределение напряжения (аз/а*) в теле прессовки и давления на второй и четвертой стадиях

при величине зазора в инструменте 0,2 мм. Отсюда видно, что наибольшая величина давления имеет место в определяет последующее

рассмотрение условий коллапса полостей с флюидом.

Разработанная модель

прессования увлажненной смеси в закрытой матрице на основе метода прямого интегрирования уравнений равновесия для стадий

преимущественно пластического уплотнения (стадии 2-4) позволяет устанавливать распределение

напряжений в теле прессовки, вычислять давление деформирования и величину бокового давления. Выдавливание с противодавлением

Увлажненная порошковая смесь «с» засыпается в контейнер матрицы, а затем сжимается выдавливающим пуансоном «Ь». По достижении определенной степени сжатия, заданного значением я, начинается процесс выдавливания. Задача заключается в определении давления деформирования и анализе условий интенсификации. Рассмотрено влияние схемы нагружения на процесс уплотнения при образовании условий возникновения интенсивных сдвиговых деформаций с учетом схемы действия сил на втором участке (рис.7).

Примем следующие допущения для решения этой задачи: 1. На боковых участках матрицы касательное контактное напряжение, вызываемое трением, равно максимальному касательному напряжению основного материала порошка (квазианалог закона Зибеля). 2. Смещение материала прессовки происходит вдоль радиусов конического участка матрицы. 3. Радиальное перемещение слабо зависит от угла у на верхней границе конического участка матрицы.

Для вычисления давления будем использовать метод баланса работ, для реализации вычислительных процедур которого требуется предварительное определение деформации и перемещений. Считая ир главным перемещением, две компоненты деформаций можно

Рис. 7. Схема выдавливания с противодавлением

определить следующим образом:

диа

во -

Эр ' Р (29)

где Ер, 8о - радиальная и окружная деформация соответственно; р - текущая координата.

Уравнение баланса работ для второго участка имеет следующий вид:

= = Ас! + Л, , ^^

где кг и Р2 - работа и сила соответственно на втором участке; А<] - работа деформирования; А{- работа сил трения; А| - работа сил сопротивления со стороны первого участка.

Работа деформирования даётся следующей формулой:

Як-е,-^,

с) (31)

где dV - элемент объёма шарового сегмента.

Работа сил трения вычисляется по нижеприведенной формуле:

А,= \\к-ир-с!А,

Сл ) (32)

где с!А = 2-п-р-Ар.

Окончательно получаем уравнения, позволяющие рассчитать суммарное давление на основном (выдавливающем) пуансоне (33) и распределение напряжений (34):

р (А) = ст/

4-1п

и] Цз-я

1

л/З'ЫПу 1+С0Бу]

Ф

О

■И

о,)

' 2-к

2-к

+ 1п

(33)

1

, 2 а 1 -т —г

(1 -т^-ф-,

(34)

где ш = 1д(у); а - радиус замкнутой области с флюидом.

Разработанная на основе метода баланса работ модель выдавливания увлажнепной порошковой смеси с противодавлением позволяет определять параметры процесса в зависимости от характеристик нагружения.

В четвертой главе представлены результаты аналитико-экспериментальных исследований процесса интенсивного уплотнения и структурирования гетерофазных механических смесей теоретической плотности (или близких к ней) с использованием жидкости, установление закономерностей и условий образования явления межчастичного

схватывания, обеспечивающего высокий уровень физико-механических свойств и качества изделия.

Учитывая сложность непосредственного наблюдения контактных поверхностей в реальных материалах, для исследования процесса контактного взаимодействия целесообразно использование моделирование контактных систем. В процессах уплотнения порошковых металлических материалов традиционно выделяют три условных этапа деформирования: структурный (I), упругий (II) и пластический (III). Однако механизм образования механических контактов для трех стадий неодинаков. По вопросу о границах и характерных чертах трех стадий процесса уплотнения мнения исследователей расходятся.

Следует отметить отсутствие каких-либо адекватных моделей, описывающих разрушение приконтактных участков за счет воздействия на них зажатой в порах под высоким давлением жидкой фазы, образование локального характера течения материала, моделирующего сдвиговые деформации и характеризующих вышеуказанный процесс в целом, не позволяет рассчитать условия образования структур теоретической плотности.

Моделирование структурообразования при интенсивном пластическом деформировании порошков в гетерогенных увлажнённых механических смесях с использованием эффекта межчастичного сращивания

Введём некоторые определяющие показатели структуры. Под N-мерной уплотняемостыо материала механической смеси понимается способность её кластерных единичных элементов образовывать новые межчастичные контакты при воздействии N-факторов деструкционного (повреждающего) потока: взаимное перемещение частиц; сжатие жидкости в кавернах в условиях закрытой пористости; фильтрация жидкости и газа в условиях открытой пористости; мгновенное разрушение и эрозия межчастичных контактов; локальные образования мозаичных блоков и др. Можно предположить, что в процессе нагружения происходит исчерпание мгновенной равновесности структуры тела с изменением мгновенных топологий как дискретных частиц твердой матрицы, оболочковой (в состоянии засыпки) формы жидкой фазы; так и порового пространства, что приводит к появлению иной (мгновенной) равновесной структуры с новыми межчастичными контактами и обладающей более высоким уровнем относительной плотности и качеством межчастичных соединений (эффект схватывания - «правило бритвы» Оккама).

Таким образом, системный линейный переход: Esn определяет перманентную изменчивость энергетического баланса системы в условиях: равновесное - неравновесное - равновесное состояние механических поверхностных контактов, где р- внешний элемент повреждающего потока, в частности, прикладываемое давление.

Рассматриваемая система энергетического баланса носит необратимый характер последовательности единичных повреждений и создания межзёренных границ при достижении энергетического барьера схлопывания. Энергетический (потенциальный) барьер образования границ (барьер

А У

схватывания металлов) при образовании новой межзёренной границы (—-) -

а-Р

это напряжение, соответствующее образованию новой границы в объёме металла, - возникает при пластической деформации и соответствует, согласно положению, выдвинутому Колбасниковым Н.Г., условию:

<х,,>^ = 0,5 (35)

а* а-г

где ор - значение истинных напряжений в месте разрыва структуры, а гр -толщина слоя металла, участвующая в образовании новой границы.

Очевидно, для преодоления энергетического барьера при межчастичном схлопывании интегральное изменение энергии системы контактирующих поверхностей АЩ. - Щ) должно иметь определённую

величину: А \¥ъ > V При выполнении данного условия энергетический

барьер образования границ превысит критическое значение, т.е. произойдёт изменение поверхности, и соответственно, площади контакта (Бо—>8:).

Учитывая, что в исходном состоянии каждый из объёмов имеет свободную поверхность, по которой происходит взаимодействие ( 5 = К2'3), после соответствующих преобразований получим окончательное выражение критерия, определяющего условие образования повой контактной поверхности (8,) при преодолении энергетического барьера:

0,>[£,]• (36)

1

Таким образом, для образования новой межчастичной границы необходимо иметь энергию не менее, чем та, что определяет критерий (36).

Коррелирующий коэффициент учитывающий растяжение

контактной поверхности при увеличении пограничной энергии и

выражающий соотношение текущей и начальной поверхности

$ $3/2

межчастичного контакта х = — = —— = 1,5 , (37)

где во - начальная поверхность контакта; Б) — площадь поверхности, по которой происходит взаимодействие.

Выражение (37) является аналогом критерия (36), определяющего условие образования новой контактной поверхности при преодолении энергетического барьера и определяет минимально допустимую величину увеличения площади межчастичного контакта в момент образования поверхностного схватывания.

Предельные параметры гетерогенной структуры механической смеси в процессе интенсивного уплотнения

При анализе процесса уплотнения порошковых смесей установлена

количественная оценка влияния различных факторов (в том числе жидкой фазы) на плотность упаковки и прочность связей между частицами после уплотнения. Рассмотрена система: замкнутая пора - жидкость - воздух, находящаяся под внешним давлением. Она согласуется с моделью ядра Гарвея (рис.8), в которой наблюдается локальное замыкание флюида (жидкость и воздух) пластически деформируемым металлом в ограниченной области. Замкнутая пора (каверна) заполнена жидкостью и газом, при этом жидкость носит функцию поглощения и транспортирования газа. При некотором критическом давлении возникают условия внутреннего «прострела», разрушения межчастичных контактов с выходом флюида в один из каналов фильтрации и смыканием полости - эффект «бегущей поры».

В условиях нарушения сплошности замкнутой системы в результате нарушения межчастичных контактов объем жидкости, находящейся под давлением р, несет в себе газовое ядро. Из области невозмущенного потока, где ядро находится в равновесии, этот объем жидкости попадает в зону действия пониженного давления Р) (р[«р). При этом, ядро становится неустойчивым и наблюдаются условия образования расширяющихся пузырьков. Захлопывание пузырьков и их сжатие наблюдается при внедрении транспортирующей жидкости в следующую закрытую пору (рис.9).

»> | г б)

Рис. 9. Схема эффекта структурирования при силовом: раскрытии -схлопывании - раскрытии пор структуры

Установление общих закономерностей постадийного уплотнения механических смесей с различным фазовым состоянием

В экспериментальных исследованиях использовались механические смеси: 1. железный порошок АНС 100.29; 2. железный порошок АНС 100.29 и жидкая фаза (вода) в пропорции по массовой доле (85:15), исходная влажность = 15%; 3. железный порошок АНС100.29 и жидкая фаза

Рис.8 Модель кавитационного ядра по Гарвею.

(ацетон) в пропорции по массовой доле (85:15), исходная влажность \¥о = 15%.

Выбор жидкой фазы определялся характерными свойствами применяемых жидкостей (табл. 1).

Таблица 1

Жидкость Плотность (20 °С), г/смЗ Вязкость (20°С), сП

Вода (Н20) 0,998 1,005

Ацетон (С3Н60) 0,792 0,325

По экспериментальным данным были построены графики (рис. 10) изменения плотности структуры в процессе нагружения (кривые уплотнения) и определены углы наклона касательных к кривой уплотнения в характерных точках (зонах).

Q Теоретическая плотность р=7,87 г/см3

.¿5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Давление прессования, МПа Рис. 10. Экспериментальные кривые уплотнения Угол наклона касательной к кривой уплотнения в характерных точках (зонах) определялся из соотношения:

ХРм -Pi)

а, = arctg-

(38)

(Ям -Ч,) "

Предложен метод фиксирования характерных этапов

структурообразования при различных давлениях, заключающийся в анализе изменения кривых уплотнения.

Характер кривых (рис. 11): I - II - 111 на участке, соответствующем прикладываемому давлению от 0 до 650 МПа - однотипен: монотонно возрастающие; имеющие некоторый перегиб, соответствующий изменению угла наклона касательных (в диапазоне прикладываемых давлений от 0 до

100 МПа - угол а > 50 0 (от 58 до 73°)); при р € [100....500 МПа] - угол а уменьшается (от 73 до 15°); при р € [500....650 МПа] - угол а возрастает (от 15 до 23°). Изменение угла наклона носит общий характер для представленных трех кривых, находящихся в одном диапазоне величин давлений. Очевидно, узловые точки перегибов определяют границы стадий уплотнения в данном диапазоне давлений. Ниспадающий характер изменения наклона кривых II, III (механическая смесь с жидкой фазой на участке давлений, находящихся в диапазоне р € [650....950МПа] , - угол а имеет отрицательную величину, - позволяет сделать вывод о некотором снижении общей плотности материала структуры (на 2-3%). При достижении давления прессования более ЮООМПа отмечено изменение наклона кривых, характер их - монотонен, возрастающий (угол а имеет положительную величину).

II 100 200 300 400 500 600 700 800 900 iííwTÍOO1200 1300 1400 1500 Ц00 Давление прессования, МПа 1

Рис. 11. Изменение угла наклона касательной к кривой уплотнения

При давлении прессования, соответствующем 1600 МПа, величина относительной плотности соответствует 0,98 (от теоретической). Механизм уплотнения на последней стадии - установившийся, заключающийся в разрушении замкнутых пор, транспортировании заполняющей фазы в межинструментальный зазор и их захлопывании, что позволяет сделать вывод о возможности получения беспоровой структуры ((}—>0) при дальнейшем увеличении давления без образования перепрессовочных трещин.

По результатам экспериментов по анализу уплотнения трех видов механических смесей обоснована концепция и предложена модель пятистадийности (критерием стадийности является интенсивность изменения поровой структуры) процесса прессования (интенсивного уплотнения) металлических порошков в присутствии жидкой фазы. Первая стадия уплотнения: от плотности насыпной - рнас=20...40%- характеристика исходного материала) до плотности порового уровня, соответствующего 55... 60% масс.доли; вторая стадия- снижение интенсивности порозаполнения, переукладка частиц завершена, образование контактов:

металл-металл, наблюдается интенсивное транспортирование жидкой фазы на периферийные краевые участки, начало образования крупных каверн; третья стадия - уплотнение характеризуется явно выраженным порозаполнением за счёт интенсивных деформаций элементов металлической основы деформируемой механической смеси, увеличением площади контакта, при этом, возрастает уровень гидростатического давления «запертой» в кавернах малосжимаемой жидкой фазы (пороговая плотность стадии 85...92%); на четвёртой стадии с увеличением внешнего прикладываемого давления наблюдается рост давления схлопнутой внутрипоровой заполняющей смеси (жидкость + воздух), причём, при монотонном нагружении может отмечаться как участок уменьшения плотности укладки частиц (за счёт существенного роста упругих деформаций со стороны заполняющей фазы), так и площадка стагнации; на пятой стадии уплотнения наблюдается разрушение локальных участков запертых пор, интенсивное движение транспортирующейся жидкости и растворенной в ней воздушной среды через материал с истечением (выплеском) в межинструментальный зазор. При давлениях порядка 1100... 1200 МПа наблюдается постепенное увеличение общей плотности материала прессовки за счет структурного («скелетного») схлопывания открытых элементов каверн с образованием явления межчастичного сращивания и появления контактов ювенилыюго характера. Фиксируемое явление моделирует сдвиговые деформации, образуя значительные контактные площади. На пятой, последней стадии уплотнения, плотность прессовки достигает 97...98% от теоретической, что соответствует требованиям, предъявляемым к сильно нагруженным деталям.

В экспериментальных исследованиях было оценено влияние температуры заполняющей среды (Н2О) на характеристики структурообразования. Производилось смешивание железного порошка АНС 100.29 с заполняющей фазой. Нагрев воды производился до температуры 100°С. Была получена экспериментальная кривая уплотнения (рис.12), которая характеризуется интенсивным восхождением на первой стадии, при этом плотность первой конца первой стадии соответствует 6,47г/см3 (относительная плотность 0,824).

Следует отметить, давление, развиваемое на первой стадии уплотнения с фиксируемым температурным воздействием, соответствует силовым режимам роторных валковых брикетировочных прессов, что позволяет получать высококачественный высокоплотный брикет па переплав.

На основании экспериментов по изучению градиентного пороструктурирования предложена постадийная топологическая модель уплотняемой структурнонеоднородной механической смеси с наличием жидкой фазы, разработана интегральная кластерная модель структурного состояния материала (постадийная), позволяющая производить качественную оценку характеристик и свойств, образуемых в процессе нагружения структур.

П íf.82

-6- -♦♦»еле И50 Фмусг») -O- ?«+»ao» ¡20

// S ■fs ск s 9 (X s $

Lis b t> ь b

— — > >

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1 300 1400 1600 1600 Давление прессования, МПа

Рис.12. Экспериментальные кривые уплотнения при температурном воздействии

Эмпирические расчетные модели процесса формообразования и уплотнения

В экспериментальных работах были проведены комплексные исследования с целью выявления функциональных (качественных и количественных) связей между контролируемыми входными технологическими параметрами и выходными откликами, определяющими характеристики формоизменения и уплотнения. Исследовалось влияние физических свойств жидкостей (плотность р при температуре 20°С), величины межинструментального зазора (г) и исходной влажности (ш) механической смеси на процесс консолидации железного порошка при получении высокоплотных структур. В качестве регистрируемых параметров (откликов) были приняты: плотность структуры на четвертой и пятой стадиях уплотнения, а также температура жидкости (Т°С), вытесняемой в зазор (измерение температуры производилось с помощью цифрового мультиметра ДТ-838, погрешность измерения составила ± 1%).

Выявлен эффективный ряд одностороннего зазора (рис.13) при прессовании увлажненной смеси (влажность € (10...20%)), при этом установлено использование эффективного зазора,

находящегося в диапазоне величин 0,005 < 2отн < 0,025, при котором достигается требуемый уровень плотности механической смеси

0.6 0.54 0.5

0.4

' 0.3

02

0.1 0.054

Ат™

0.005 0.01 0.02 0025 0.03 0.04 0.05 0.06

Рис. 13. Величина масспереноса в процессе уплотнения увлажненной смеси

(остаточная пористость пятой стадии уплотнения составила 2...3%) при обеспечении минимизации массоуноса в межинструментальный зазор (Дш<5%).

В проведенных экспериментах было зафиксировано наличие постадийного температурного градиента, при этом отмечено повышение температуры транспортирующейся в зазор жидкости (ЛТ°) до 10°С, причем, наибольшая интенсивность роста температур наблюдается на последней, пятой стадии уплотнения (рис. 14). Опыты проводились путем мгновенного замера температуры жидкости на характерных постадийных участках: (ДТоТН.= (Т°Ж, - Т°Ж „ач) / Т°Ж „а, = ДТ°/ Т°Ж нач ; Т°Ж „а, = 20°С).

Был поставлен и реализован полнофакторный эксперимент N = 23 по изучению уплотнения завершающих стадий прессования (четвертая и пятая): (уплотнение, структурообразование) = ^ (р *„„,.; Zoтн ; \Уотн). Откликами приняты: У| - Тс™ относительная плотность на четвертой стадии уплотнения; У2 -относительная плотность на пятой стадии уплотнения; Уз -относительная температура на

пятой стадии уплотнения. 0™

Получена комплексная

параметрические модель в виде Рис-Постадийный

полиномов множественного температурный градиент

порядка, определяющая влияние плотности, зазора и влажности на плотность и температуру, соответствующих 4-ой, 5-ой стадии прессования железосодержащих порошков:

У,=0.905179-0.241071х,+0.8375х2+0.0975хз,

У2=0.960321-0.071429х,+0.45х2+0.04хз , (39)

Уз=0.144643-0.892857х|+8.75х2+0.75хз.

Исследование бокового давления при осевом погружении

Закономерности возникновения, аналитические модели и количественные величины бокового давления при статическом осевом прессовании были рассмотрены О.В. Романом, В.Н. Анциферовым, С.С. Кипарисовым, М.Ю. Бальшиным, В.Е. Перельманом и др. Следует отметить, на сегодняшний день нет ни единого сообщения о характере бокового давления при прессовании увлажненных порошков, где следует ожидать появления и радиального перемещения фрагментов структуры матрицы.

Рассмотрено упругонапряженное состояние (преимущественная схема) некоторого объема гетерофазного материала в виде трехфазного композита матричного типа, имеющий структурные кластеры различных типов. Известно, деформация упругого сжатия равна частному от деления сжимающей силы (р и р.) на модуль упругости материала и коэффициент объемного сжатия (Ем и еж) матрицы и жидкости (соответственно), а упругое расширение под влиянием упругого сжатия равно деформации

сжатия по соответствующей координатной оси, умноженной на коэффициент Пуассона р.

Стабильность (равновесность) данной механической системы возможна в случае, если деформация упругого сжатия по каждой из координат осей равна сумме деформации упругого расширения под влиянием упругого сжатия по двум другим координатным осям, т.е.

Ем ММ Еж ) Еж

+ (40)

£ ы & иг

р р

гДе -—Мм и ~— еж - упругое горизонтальное расширение под влиянием упругого вертикального сжатия металла матрицы и жидкой фазы (соответственно) от приложенного давления прессования; —-цм и —-еж -

Ем Еж

упругое горизонтальное расширение под влиянием упругого горизонтального сжатия металла матрицы и жидкой фазы (соответственно) от реакции

боковой стенки матрицы; — и — - упругое горизонтальное сжатие от

Ем Еж

реакции боковой стенки матрицы; Еи и Еж - модуль упругости I рода металла матрицы и жидкой фазы (соответственно); ци - коэффициент Пуассона металла матрицы; еж- коэффициент объемного сжатия жидкой (парожидкостной) фазы. Преобразуя выражение (40) с учетом уравнения Р.Камма £ = ра /р < 1, получим:

ж / у^м

После соответствующих преобразований получено значение коэффициента бокового давления при прессовании многофазной плотноупакованной порошковой системы с жидкофазной составляющей:

-и I [ Е,.

(42)

Экспериментальные исследования процессов брикетирования увлажненных железосодержащих техногенных отходов

С целыо создания общих методик и рекомендаций по разработке рациональных технологий промышленного рециклинга техногенных тонкодисперсных железосодержащих отходов (ЖСО) в экспериментальных исследованиях использован материал следующего состава: а) 1/3 масс.доли -обкатной шлам (сухой остаток); б) 1/3 масс.доли - шлифовальный шлам (сухой остаток); в) 1/3 масс, доли - конверторный шлам (сухой остаток). В сухой остаток было внесено 15% масс.доли индустриального масла (это содержание соответствует усреднённому (шах) значению нефтепродуктов

(масла) в шламах), а также 20% масс.доли воды (в соответствии с усреднёнными показателями состава исходного шлама).

В экспериментальных исследованиях был использован шлам ОАО «Орско - Халиловский металлургический комбинат», ОАО «Саратовский подшипниковый завод», ЗАО «Вологодский подшипниковый завод».

В рамках экспериментальных работ проведены комплексные исследования с целью выяснения функциональных связей между контролируемыми входными технологическими параметрами и выходными откликами, определяющими характеристики процесса утилизации.

Определено количественное и качественное влияние масс.доли связующего на водной основе - жидкого стекла (%), давления прессования МПа) и времени перемешивания (Т, мин) на механическую прочность при сжатии брикетов (ствсж, МПа), на относительную плотность (рОТц, %), на ударную прочность (хрупкость) - процент отсева, на относительную высоту брикета (Ь/с1) - характеристику формообразования.

В соответствии с планом эксперимента ^23 выделены и поставлены в безразмерном виде три основных фактора процесса: 1. Масс.доля (%) жидкого стекла - Х|. 2.Давление прессования - х2; 3.Время смешивания - хз.

Отклики представлены в виде: 3Г1 = (1 час); у2 = (3 часа); у3 = о™ (24 час); ул = ротн ; у5 = 1г/й- уй = % отсева где а™ - механическая прочность брикета на сжатие;рохм - относительная плотность брикста;1т/(1 -относительная высота брикета; % отсева пыли - при падении брикета с высоты 2 м.

Получена комплексная параметрическая модель в виде полиномов множественного порядка, определяющая характеристики процесса утилизации увлажненных дискретно-дисперсных техногенных отходов металлургического производства:

У! = -40,35 + 9,7.*! + 0,48*2 + 7,94*^ уг = -15,63 + 9,2*! + 0,53*2 + 7,38*3' Уз = -8,92 + 11,8*! + 0,46*2 + 8*3 у4 = 0,96 + 5*! + 0,13*2 + 0,63*з (43)

у5 = 67,5 - 1,8*! - 0,04*2 - 1,63*3; у6 = 11,88-1,07*! - 0,014*2 - 0,76*з

В пятой главе приведены результаты исследования структурирования, в частности, явления контактного межчастичного сращивания в процессах интенсивного уплотнения.

Интенсификация процесса уплотнения железосодержащих дискретных материалов вплоть до образования явления межчастичного сращивания оказывает существенное влияние на макро-, микроструктуру материала, определяя, как условия получения плотностей теоретического уровня (Оост,—>0) , так и уровень технологических и эксплуатационных свойств материала изделия.

С (е.'«¡рдцябина/

Рис. 15. Зональная схема изучения

структуры (схема разделения образцов по характерным участкам)

Металлографические исследования поровой структуры

„ , г, Проведен анализ изменения

Лмкриферийщ В (ивнятмячк м-«*)

порового пространства в зависимости от стадии прессования. Подготовка образцов заключалась в следующем: проводилось разделение образцов на характерные зоны (центральная и периферийная) согласно представленной схеме (рис. 15). Центральная зона измерений составляла не менее 60% общей площади исследуемой поверхности образца.

Изучение порового пространства структуры производилось на микроскопе МИМ-8 (увеличение х400) с постадийным фиксированием топологии пор механических смесей.

Анализ структур центральной и периферийной стадий прессования механических смесей установил корректное согласование с предложенной физической моделью, представленной в главе 4. Следует отметить характерные «прострелы» - разрывы структуры конца четвертой стадии уплотнения. На пятой стадии уплотнения структура имеет характерный беспоровый характер (наблюдаются отдельные субмикропоры).

Топология порового пространства на второй, третьей, четвертой и пятой стадиях уплотнения хорошо фиксируется на рис. 16. Данные испытания проводились на световом микроскопе «ОЫМРиЗ» (программное обеспечение «81АМ8 700»), с увеличением х100, х 200, х 400.

*

ЧмА «г

Т 4 М

.....«Г ~

-Иг«

а)

V-' 'К

- Г1 41

»

* ** /? * ' ( * ' ? " ^ <, -V

* - Г --

- а. „- ,

б)

в)

:

I

.....

.......

Г)

Рис. 16. Микроструктура нетравленых образцов при постадийном деформировании, увеличение х 400: а) вторая стадия; б) третья стадия; в) четвертая стадия; г) пятая стадия

Анализ представленной структуры позволяет установить изотропность структуры на первой - второй стадиях уплотнения, характеризующимися наличием равнораспределённой на контактной поверхности и меридиональному сечению открытой пористости, рыхлостями (размеры пустот составляют 20...45мкм). На третьей стадии уплотнения отмечается как наличие открытой, так и закрытой пористости, причём, их количественные соотношения примерно равны. Размеры пор находятся в пределах 5...25мкм. Четвёртая стадия уплотнения характеризуется наличием только закрытой пористости, равномерно распределённой по рассматриваемым зонам. Размеры каверн от 5 до 15мкм. На пятой стадии уплотнения выявлены единичные и мелкие хаотичнораспределённые поры (размер не превышает 0,5... 1,0мкм).

Металлографические исследования явления межчастичного сращивания

В экспериментальных исследованиях по изучению явления межчастичного сращивания в процессах, сопровождающихся интенсивным структурным уплотнением, - на третьей, четвёртой и пятой стадиях уплотнения, а также структурной деформацией на первой и второй стадиях проведён анализ структурообразования. Были использованы цилиндрические образцы, полученные прессованием и спеканием в среде эндогаза.

На рис. 17 представлена динамика структурообразования на второй, третьей, четвёртой и пятой стадиях уплотнения.

Рис. 17. Микроструктура травленых образцов при постадийном деформировании, увеличение х200: а) вторая стадия; б) третья стадия; в) четвертая стадия; г) пятая стадия

Анализ структурообразования позволяет установить, что на четвёртой и пятой стадиях уплотнения наблюдается интенсивный рост зёрен

(объединение в единый конгломерат смежных зёрен за счёт межкристаллитного сращивания и образования блоков мозаики структуры).

Интенсивное межкристаллическое сращивание при прессовании механических смесей с использованием жидкой фазы установлено в настоящих исследованиях на четвёртой и пятой стадиях уплотнения, причём, завершение образования блоков зёренных конгломератов наблюдается на пятой стадии, где моделируется регламент экструзии. Микроструктура травленных шлифов была исследована с помощью программы «81АМБ 700», использован анализатор изображений , при помощи которого были получены гистограммы зёрен феррита. В проведённых исследованиях был произведён анализ величин средней площади зерна феррита [мкм2], площади наибольшего зерна [мкм2], среднего балла зерна, балла наибольшего зерна, минимального балла, балла по наибольшей доли величин зёрен, находящихся на площади анализа. На рис. 18-20 представлен анализ интенсивности образования мозаичной блочной структуры в характерных зонах образца (А, В, С).

Проведённые исследования микроструктуры в полной мере подтверждают расчётную модель (формула 37), представленную в главе 4 (согласно данным (рис.18) в зоне С отношение площади наибольшего зерна структуры пятой стадии к площади наибольшего зерна структуры четвёртой

24603,5лши2 „„„ г ,

стадии составило: -=-= ,„„„„„-г = 2,38 >Ш = 1,5, нормативное значение

от„ 10302,3мкм

которого соответствует предложенному критерию преодоления энергетического барьера сращивания межзёренных контактов).

Таким образом, установлено явление межчастичного сращивания на завершающих стадиях интенсивного прессования (уплотнения), что определяет существенное повышение уровня физико-механических свойств отпрессованных заготовок.

Исследование физико-механических свойств консолидированной структуры

Для определения механических свойств полученных структур была использована установка ИМАШ - 20-78. Отпрессованные и спечённые заготовки разрезались по схеме (рис.21), позволяющей получить интегральную оценку уровня механических свойств приконтактных и срединных поверхностей, с последующим шлифованием и полированием.

Нагружение (линейное растяжение) осуществлялось до разрушения, при этом фиксировались текущие значения ширины (Н), толщины рабочей части (Б) образца и общей его длины (Ь). Испытывались образцы, полученные при давлениях нагружения, соответствующим четвёртой и пятой стадиям уплотнения, когда отмечается, во-первых, резкое снижение остаточной пористости и, во-вторых, интенсивно проявляется явление межчастичного сращивания и образование мозаичной блочной структуры.

Рис.18.

4 стадия

5 стадия

Интенсивность образобания мозаичной блочной структура

С (сердие&ина)

Рис.19

2. аюдиа J ащрм 4 стадия 5 атрт Интенсибность образобания мозаичной блочной структура А (периферийная зона)

М, [т/]

2 ащия 3 оюдця 4 агадия 5 стадия Рис.20. Интенсивность образобания мозаичной блочной структура

В (центральная зона)

Анализ полученных результатов (рис. 22,) свидетельствует о значительном повышении механических характеристик полученных изделий в зависимости от стадийности прессования. При этом значение предела прочности на растяжение ав увеличивается в 1,8 раза (от 448 до 810 МПа), относительное удлинение ¿увеличивается в 2,2 раза (от 1,6 до 3,5%), относительное сужение у в 2,5 раза (от 1,5 до 3,7), что свидетельствует о достижении регламентированных механических характеристик, соответствующих сильно нагруженным деталям.

Анализ результатов механических испытаний позволил установить: а) высокий уровень гомогенности структуры; б) соответствие твёрдости полученной структуры твердости беспорового материала (феррита) -НВ60...100 . Твердость полученной структуры (HB) варьировалась в диапазоне: min- шах HB 94... 114.

Проведены исследования по изучению упругого последействия многофазных механических смесей в процессе одностороннего прессования. Использован железный порошок АНС 100.29 «Höganas». Механическая смесь - увлажненная (W=15%). Установлено, что в конце пятой стадии деформирования упругое последействие имеет величину меньшую, чем на стадии структурной переукладки (первая стадия), что свидетельствует о малых значениях упругой составляющей общей деформации брикета, и как следствие, его упругого последействия (1,36%). Незначительная величина упругого последействия (за счет межчастичного сращивания и установления блоков мозаики структуры) обуславливает отсутствие расслойных перепрессовочных трещин при высоких давлениях прессования, и, как следствие, повышение качества отпрессованного изделия. Физические свойства структуры

Рентгеноструктурные исследования железных образцов с различной остаточной пористостью проводились на дифрактометре ДРОН-3. Анализ испытаний по определению физических свойств (интенсивность искажений кристаллографической решетки) отпрессованных деталей в зависимости от стадий прессования, номера кристаллографической плоскости (hkl: 110,200,211) свидетельствует о системном характере монотонного

4-ая Стадия

5-ая с.иаЗи«

Рис. 21. Схема подготовки образцов Рис.22. Гистограмма (постадийная)

механических свойств структуры

увеличения интенсивности I на четвертой стадии прессования и образования нисходящей ветви на переходе на пятую стадию. Установлено, что степень искажения кристаллической решетки, определяемой интенсивностью на пятой стадии прессования, уменьшается в 1,16 раза (кристаллографическая плоскость 110); в 1,31 раза (кристаллографическая плоскость 200); в 1,18 раза (кристаллографическая плоскость 211), что свидетельствует о существенном снижении остаточных напряжений на завершающей стадии уплотнения и, соответственно, уменьшение упругой составляющей деформации.

Анализ испытаний по определению физических свойств (интенсивность искажений кристаллографической решетки, полуширина дифракционного пика (3) отпрессованных деталей в зависимости от схемы испытаний (торцовая поверхность и меридиональная плоскость) свидетельствует о уменьшении интенсивности искажения кристаллографической решетки в меридиональной плоскости в 2,36 раза (от 554 до 235), что характеризует получаемую структуру основного массива отпрессованной заготовки как однородную. При этом величина р увеличивается в 2,05 раза (от 0,19 до 0,39). Данный эффект обуславливает получение равновесной плотноупакованной структуры с минимальным количеством дефектов структуры.

В шестой главе представлены вопросы промышленной апробации технологии прессования дисперсных металлосодержащих материалов на основе железа (железный порошок и железосодержащие отходы ряда промышленных производств) с использованием жидкой фазы.

На основе изучения структурообразования увлажненных смесей с использованием метода интенсивного уплотнения освоены технологии изготовления деталей конструкционного назначения, а также изготовление брикетов на переплав предприятий машшюстроения и черной металлургии.

Результаты представленных в работе теоретико-экспериментальных исследований использованы при разработке новых и совершенствовании действующих технологических процессов прессования (брикетирования) заготовок (брикетов) на ОАО «Димитровградский автоагрегатный завод» (ООО «Димитровградский завод порошковой металлургии»), ЗАО «Системы водоочистки», ОАО «НАППА», ОАО «Саратовский подшипниковый завод», ОАО «Северсталь», ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат». Промышленное внедрение технологий и эксплуатация установки «ВИТА-Ш» (модуль переработки шлама) подтвердили высокую эффективность технологических решений, что позволило получить общий экономический эффект (годовой) от их применения в размере 4 623 тыс.руб.

Результаты исследований используются в практике проектирования технологий в ЗАО «Системы водоочистки», а также в учебном процессе Ульяновского государственного технического университета при обучении студентов старших курсов и аспирантов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Представленные в работе результаты исследований и внедрения их в производство можно резюмировать в следующем виде:

1. В результате проведенных аналитических и экспериментальных исследований осуществлено решение важной научно-технической проблемы по повышению качества высокоплотных порошковых заготовок и деталей на основе интенсивного структурирования уплотняемого материала, а также реализации наукоемких комплексных технологических процессов производства заготовок (деталей) сильно нагруженных и брикетов на переплав. Предложен и разработан новый способ интенсивного уплотнения металлических порошков в присутствии жидкой фазы при образовании структур теоретической плотности.

2. Выявлены интегральные (групповые) особенности структурообразования, предложены модели постадийных траекторий интенсификации диссипации структур. Для получения структур теоретической плотности при изготовлении деталей конструкционного назначения с высоким уровнем физико-механических свойств наиболее целесообразным является применение методов интенсивного уплотнения с использованием гетерофазных механических увлажненных систем.

3. Разработана концепция теоретического анализа постадийного уплотнения увлажненных порошков при реализации приложения высоких давлений на стадиях: переукладки частиц; преимущественного упругого и пластического уплотнения. Предложенные теоретические модели позволяют установить величину давления на пуансоне, обеспечивающего формование высокоплотных заготовок.

4. Экспериментально установлены общие закономерности постадийного уплотнения гетерофазных увлажненных механических систем. Предложено рассматривать процесс уплотнения как пятистадийный. Установлена зависимость плотности и физических свойств структуры от величин межинструменталыюго зазора, массовой доли, температуры и плотности жидкой фазы. Предложены комплексные параметрические модели, определяющие влияние зазора и влажности на массоунос, плотность смеси и характеристики постадийного температурного градиента.

5. Предложена математическая модель, описывающая величину коэффициента бокового давления при прессовании увлажненных механических систем. Разработана методика определения (фиксирования) границ стадий, как характерных этапов структурообразования при различных величинах прикладываемых давлений.

6. Экспериментальные исследования с использованием методов микроскопии и физического материаловедения установили повышение качества отпрессованного изделия: образование структур, близких к теоретической плотности, на пятой стадии уплотнения; интенсивный рост зерен (межкристаллитное сращивание) более, чем в три раза (соотношение между размерами представительного элемента (зерна) тах/шт >

150);снижение упругого последействия до 1,36% (за счет межчастичного сращивания и установления блоков мозаики структуры); отсутствие расслойных перепрессовочных трещин.

7. Установлено явление межчастичного сращивания на завершающих стадиях интенсивного прессования (уплотнения), что определяет существенное повышение уровня физико-механических свойств отпрессованных заготовок. Предложена математическая модель и критерий образования новых межчастичных контактов (преодоление энергетического барьера сращивания) при формировании связной межчастичной блочной структуры. Установлено значительное улучшение механических характеристик изделий: увеличение предела прочности на растяжение в 1,8 раза, относительного удлинения в 2,2 раза, относительного сужения в 2,5 раза, что свидетельствует о достижении регламентированных механических характеристик деталей сильно нагруженных.

8. Предложен новый метод оценки пористости структуры и ее топологии с использованием цифрового телекоммуникационного способа обработки визуальной информации, разработаны способ и устройства интенсификации уплотнения многофазных механических систем.

9. Экспериментальные исследования процессов брикетирования железосодержащих техногенных отходов производств черной металлургии (конвертерный шлам) позволили установить функциональные связи технологических режимов нагружения, состава механической смеси и уровня потребительских свойств. Разработаны расчетные модели брикетирования железосодержащих материалов при утилизации техногенных отходов производств черной металлургии.

10. Освоены технологии изготовления деталей конструкционного назначения, а также изготовление брикетов на переплав предприятий машиностроения и черной металлургии (ОАО «Димитровградский автоагрегатный завод» (ООО «Димитровградский завод порошковой металлургии»)), ЗАО «Системы водоочистки», ОАО «НАППА», ОАО «Саратовский подшипниковый завод», ОАО «Северсталь», ОАО «ЗападноСибирский металлургический комбинат») с общим экономическим эффектом (годовым) от их применения в размере 4 623 тыс.руб. Результаты исследований используются в практике проектирования технологий в ЗАО «Системы водоочистки» и в учебном процессе в Ульяновском государственном техническом университете при обучении студентов старших курсов и аспирантов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Кокорин В.Н. Втулки скольжения подшипниковых узлов из отходов производства / В.Н. Кокорин, А.И. Неумоин, А.Н., Тюлюлюхин // Текстильная промышлешюсть.-1990.- № 5.- С.23-25.

2. Цеменко В.Н. Прессование структурнонеоднородных систем с различным агрегатным состоянием фаз в технологических процессах утилизации тонкодисперсных порошковых отходов черной металлургии / В.Н. Цеменко, В.Н. Кокорин // Вестник УлГТУ. - Ульяновск: УлГТУ, 2004,- №2. - С.39-41.

3. Кокорин В.Н. Аспекты использования методов порошковой металлургии в процессах утилизации техногенных отходов в ИТС / В.Н. Кокорин, Е.М. Булыжев, Е.Г. Ромашкин // Технология металлов. - 2007. - № 12. - С.15-18.

4. Кокорин В.Н. Прессование полндискретных кластерных тел с различным состоянием фаз в технологических процессов утилизации тонкодисперсных порошковых отходов черной металлургии / В.Н. Кокорин // Заготовительные производства в машиностроении. - 2007.- № 5.- С.35-38.

5. Кокорин В.Н. Научные основы и технологическое сопровождение процесса прессования порошков на основе железа в присутствии жидкой фазы / В.Н. Кокорин, В.Н. Филимонов, A.C. Марков, К.К. Мертенс // Изв. Самарского НЦ РАН.- 2008.- Т.4. - С.65-73.

6. Кокорин В.Н. Моделирование процесса уплотнения увлажненных порошков при значительных давлениях / В.Н. Кокорин, В.Н. Филимонов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2008. - № 11.- С.35-37.

7. Кокорин В.Н. Математическая модель прессования порошков на основе железа в присутствии жидкой фазы / В.Н. Кокорин, В.Н. Филимонов И Вестник СГТУ,-

2008.- №4(36).- С. 69-73.

8. Кокорин В.Н. Межчастичное сращивание в процессе консолидации дискретных железосодержащих порошковых материалов // Вестник СГТУ. - 2009. - №1 (37). - С.71-74.

9. Кокорин В.Н. Технология и экономическая эффективность переработки железосодержащих отходов (шламов) конверторного производства ОАО «Северсталь» в прочные брикеты // В.Н. Кокорин, Е.М. Булыжев и др. // Изв. Самарского НЦ РАН. -2009. - Т.Н.- №3(2).- С.404-408.

10. Кокорин В.Н. Прессование структурнонеоднородных плотноупакованных механических смесей с различным фазовым состоянием в технологических процессах утилизации тонкодисперсных отходов черной металлургии / В.Н. Кокорин, A.C. Марков // Технология металлов. - 2009. - № 8. - С.30-33.

11. Кокорин В.Н. Исследование процесса формообразования железосодержащих отходов (шламов) конверторного производства ОАО «Северсталь» при производстве плотноупакованных брикетов / В.Н. Кокорин, О.Г. Крупенников и др.// Изв. Самарского НЦ РАН. -2009. - Т.П.- №3(2).- С. 469-473.

12. Кокорин В.Н. Межкрнсталлитное сращивание при интенсивном пластическом деформировании пористых порошковых заготовок / В.Н. Кокорин, Ю.А. Курганова и др. // Технология металлов,- 2009. - № 5. - С. 23-25.

13. Кокорин В.Н. Способ определения плотности пористых структур с использование телекоммуникационного метода обработки визуальной информации / В.Н. Кокорин, A.C. Марков и др.// Изв. Самарского НЦ РАН. -

2009. - Т.11.- №3(2).- С. 369-372.

14. Кокорин В.Н. Структурообразование в процессе консолидации порошковых материалов в присутствии жидкой фазы / В.Н. Кокорин, A.A. Скворцов и др. // Вестник СГТУ. - 2010. - №3 (37). - С.71-74.

15. Рудской А.И. Внедрение технологии прессования дисперсных металлосодержащих материалов на основе железа с использованием жидких фаз / А.И. Рудской, В.Н. Кокорин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование,- 2010.-№4(110).- С.163-170.

16. Кокорин В.Н. Интенсификация уплотнения структурнонеоднородных механических смесей на основе железа / В.Н. Кокорин, О.Г. Крупенников, H.A. Сизов // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, 2010. - №4(49). - С. 36-39.

17. Рудской А.И. Прессование гетерофазных увлажненных механических смесей для повышения качества высокоплотных заготовок и деталей с использованием метода интенсивного уплотнения / А.И.Рудской, С.Ю. Кондратьев, В.Н. Кокорин // Справочник. Инженерный журнал. - 2011. -№6. -С.32-36.

18. Рудской А.И. Технология прессования структурно-неоднородных увлажненных механических смесей на основе железа / А.И. Рудской, С.Ю. Кондратьев, В.Н. Кокорин //Технология металлов. -2011. -№5.-С.7- 10.

19. Патент № 2083694 РФ. Способ переработки металлосодержащих отходов / В.Н. Кокорин, Е.М. Булыжев .- Опубл. 1997, Бюл.№15.

20. Патент № 2097166 РФ. Способ переработки металлосодержащих шламов / В.Н. Кокорин, Е.М. Булыжев, В.В. Варламов. - Опубл. 1997, Бюл.№33.

21. Патент на полезную модель N10172 РФ. Устройство для прессования шламов / Е.М. Булыжев, В.Н. Кокорин, Г.М. Рябов . - Опубл. 2001, Бюл. №23.

22. Патент на полезную модель № 20512. Устройство для переработки металлосодержащих отходов. / В.Н. Кокорин, Е.М. Булыжев, Г.К. Рябов. -Опу0л.2001, Бюл. №21.

23. Патент N2213153 РФ. Способ переработки промышленных водомаслосодержащих отходов / В.Н. Кокорин, Е.М. Булыжев. - Опубл. 2003, Бюл. N27.

24. Патент № 2217510 РФ. Способ переработки металлосодержащих отходов и устройств для его осуществления / В.Н. Кокорин В.Н.,Е.М. Булыжев, Г.К. Рябов. - 0публ.2003, Бюл. № 33.

25. Патент N2718008 РФ. Способ переработки металлошламов / В.Н. Кокорин, Е.М. Булыжев. - 0публ.2004, Бюл. N12.

26. Патент № 2237544 РФ Способ переработки металлических шламов / В.Н. Кокорин, Е.М. Булыжев. - 0публ.2004, Бюл. № 7.

27. Патент на полезную модель № 100005 РФ. Прессформа для прессования порошковых механических увлажнённых смесей при изготовлении высокоплотных изделий / Кокорин В.Н., Мертепс К.К., Белобородое С.Г. -Опубл. 10.12.2010, Бюл.№34.

28.Патент на полезную модель № 95577 РФ. Устройство для определения бокового давления при осевом прессовании механических смесей с наличием жидкой фазы / Кокорин В.Н., Груздев Д.П., Митюшкин A.A., Сизов Н.А.-Опубл. 17.07.2010, Б юл .№19.

29. Патент 2399458 РФ. Способ прессования высокоплотпых заготовок и деталей из металлического порошка в присутствии жидкой фазы / В.Н. Кокорин. -0публ.2010, Бюл.№26.

30. Патент № 2413015 С2 РФ. Способ очистки оборотной воды систем газоочистки плавильных печей и утилизации металлосодержащих шламов и устройство для его реализации / Е.М. Булыжев, В.Н. Кокорин, Г.К. Рябов. - Опубл. 2011, Бюл. №6.

31. Свидетельство о гос.регистрации программы для ЭВМ №2011611005 РФ. Программа для определения плотности порошковых металлических структур / Магдеев Р.Г., Кокорин В.Н., Сизов H.A. - ФИПС.- опубл.2011.

32. Прессование деталей и заготовок с использованием механических смесей с различным фазовым состоянием: Монография /В.Н. Кокорин. Ульяновск: УлГТУ,

2009.-51 с.

33. Научные основы интенсификации уплотнения металлических порошков: монография / В.Н. Кокорин, В.И. Филимонов, Е.М. Булыжев. Ульяновск: УлГТУ,

2010,-217 с.

34. Промышленный рециклинг техногенных отходов: Учебное пособие / Е.М. Булыжев, В.Н. Кокорин, A.A. Григорьев, О.В. Чемаева . Ульяновск: УлГТУ, 2005,- 58 с.

35. Прокатка листового металла. Технологическое обеспечение процесса прокатки. Новое поколение высокоэффективных систем: Учебное пособие / Е.М. Булыжев, В.Н. Кокорин, A.A. Григорьев. Ульяновск: УлГТУ. 2009.- 176 с.

36. Прокатка листового металла. Экологизированные ресурсосберегающие технологии и системы серии «ВИТА»: учеб. пособие / Кокорин В.Н., Булыжев Е.М., Титов Ю.А. Ульяновск: УлГТУ, 2003,- 230 с.

Подписано в печать 22.06.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 7789Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОПЛОТНЫХ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ В ОТРАСЛЯХ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА.

1.1. Машиностроительная отрасль.

1.2. Отрасль черной металлургии.

1.3. Альтернативные способы и технологии получения высокоплотных заготовок и деталей.

1.4. Производство брикетов.

1.5. Структурно-феноменологический анализ процессов уплотнения порошковых тел.

1.6. Теоретические модели уплотнения при формировании и развитии контактной поверхности.

Выводы.

ГЛАВА 2. ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Предмет исследования.

2.2 Задачи исследования и разработки.

2.3 Методы исследований.:.

2.4. Классификация механических схем процессов уплотнения порошковой смеси, раскрывающая предмет исследования и разработки.

2.4.1 Классификатор структуры гетерогенной механической смеси.

2.4.2 Классификатор дефектов структуры при прессовании многофазной механической смеси.

Выводы.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

ИНТЕНСИВНОГО УПЛОТНЕНИЯ ГЕТЕРОФАЗНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ.

3.1. Компактирование порошка в присутствие жидкости (флюида).

3.1.1. Влияющие факторы и модельное представление.

3.1.2. Сопротивление компаунда «порошок — флюид» уплотнению.

3.2. Преимущественно упругое уплотнение.

3.2.1. Модельное представление структуры упругой среды.

3.2.2. Модели укладки и геометрические параметры.

3.2.3.Силовые факторы, действующие на индивидуальную частицу.

3.2.4. Расчет сил, смещений и размеров контактной зоны.

3.2.5. Определение границ упругой области.

3.3. Отвод флюида при уплотнении порошковой смеси.

3.3.1. Разрешающие уравнения отвода флюида.

3.3.2. Расчёт объёма отвода флюида.

3.3.3. Влияние капиллярных явлений.

3.4. Преимущественно пластическое деформирование увлажненной порошковой смеси.

3.4.1. Прессование в закрытой матрице.

3.4.1.1. Напряжения в теле прессовки.

3.4.1.2. Давление на пуансоне.

3.4.1.3. Изменение плотности прессовки.

3.4.2. Выдавливание с противодавлением.

3.4.3. Влияние схемы нагружения на интенсификацию процесса уплотнения.

Выводы.

ГЛАВА 4. АНАЛИТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ИНТЕНСИВНОМ УПЛОТНЕНИИ УВЛАЖНЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ.

4.1. Программа и средства аналитико-экспериментальных исследований.

4.1.1. Цель и задачи исследований.

4.1.2. Основные факторы процесса и применяемые методы.

4.1.3. Программа исследования и применяемые средства.

4.1.4. Применяемые материалы.

4.2. Исследование механизма структурообразования в процессе интенсивного уплотнения с использованием эффекта межчастичного сращивания.

4.2.1. Моделирование структурообразования при интенсивном пластическом деформировании гетерофазных увлажнённых механических смесях.

4.2.2. Модель роста зерен при межчастичном сращивании.

4.3.Экспериментальные исследования процессов консолидации железосодержащих механических смесей с различным фазовым состоянием.

4.3.1. Технологические и предельные параметры гетерофазных структур механической смеси в процессе интенсивного уплотнения.

4.3.2. Установление общих закономерностей постадийного уплотнения механических смесей с различным фазовым состоянием.

4.3.3 Эмпирические расчетные модели процесса формообразования и уплотнения.

4.4. Исследование бокового давления при осевом нагружении.

4.5. Экспериментальные исследования процессов брикетирования увлажненных железосодержащих техногенных отходов производств черной металлургии.

4.5.1 Материалы и применяемая методика, приспособления и оборудование.

4.5.2 Исследование функциональных связей процессов подготовки и переработки увлажненных техногенных отходов.

4.5.3 Расчетная модель процесса прессования железосодержащих материалов при утилизации техногенных отходов.

Выводы.•.:.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ МЕЖЧАСТИЧНОГО СРАЩИВАНИЯ ПРИ СТРУКТУРИРОВАНИИ В ПРОЦЕССЕ ИНТЕНСИВНОГО УПЛОТНЕНИЯ.

5.1. Металлографические исследования поровой структуры.

5.2. Металлографические исследования явления межчастичного сращивания.

5.3. Исследование физико-механических свойств консолидированной структуры прессовки.

5.3; 1 Механические свойства.;.:.

5.3.2. Искажение кристаллической решетки.!.;.

Выводы.!.

ГЛАВА 6. ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕССОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКИХ ФАЗ.

6.1. Производство деталей конструкционного назначениям.

6.2. Изготовление брикетов из отходов основных производств черной металлургии и машиностроения.

6.2.1. Исходные материалы.

6.2.2. Основные технологические схемы получения-плотных брикетов на переплав:.

6.3. Изготовление деталей конструкционного назначения из техногенных железосодержащих отходов на основе шарикоподшипниковой стали ШХ15.

6.4. Перспективная техника прессования увлажненных порошков при получении высокоплотных изделий.

6. 5. Метод оценки пористости структуры отпрессованного материала с использованием телекоммуникационного метода обработки визуальной информации.

Выводы.

В условиях развития рыночных отношений в России особенно остро стоит проблема развития и модернизации промышленного производства, повышения его эффективности на основе создания и внедрения инновационных технологий и улучшения качества продукции. Основной тенденцией современного машиностроения является создание новых машин и механизмов с высокими рабочими параметрами на основе изготовления« деталей и заготовок, обладающих требуемым уровнем физико-механических, технологических и потребительских свойств.

Основным потребителем высокоплотных заготовок и деталей являются отрасли автомобилестроения, машиностроения, прокатки и-: ряд других. Высокоплотные механические смеси могут применяться в качестве исходных заготовок; при изготовлении: металлопроката при получении изделий типа «фольга», в процессах интенсивного пластического деформирования: по схемам динамического горячего прессования, гидроштамповки, холодной объемной штамповки; в качестве брикетов (вторичное сырье) в процессах промышленного рециклинга твердых техногенных отходов металлургических комбинатов; в качестве деталей конструкционного назначения.

В условиях интенсивно ухудшающейся экологической обстановки, истощения сырьевой базы, постоянного роста производственных и транспортных затрат все более актуальными становятся проблемы утилизации увлажненных отходов металлургических и сталепрокатных производств. Миллионы тонн металлосодержащих отходов, ежегодно образующихся при производстве черных металлов и сплавов, загрязняя окружающую среду, требуют также значительных затрат на их хранение. Поэтому сбор, подготовка и использование этих отходов позволяет значительно уменьшить негативное их воздействие на природу и человека, а также существенно повысить эффективность металлургических процессов.

В настоящее время потребительским рынком высокоплотных изделий востребованы детали плотностью, приближенной к теоретической; заготовки - плотностью 0,95.0,97; брикеты - плотностью >2,5 г/см3.

Дальнейший рост объемов изготовления деталей на основе порошковых материалов, по оценке Международной федерации порошковой металлургии МРШ, будет определяться освоением производства новых науко- и трудоемких видов порошковых изделий (прежде всего высокоплотных) и внедрением новых прогрессивных технологических процессов.

Номенклатура заготовок и деталей, полученных формованием и спеканием из порошков на основе железа с использованием традиционных технологий, ограничена из-за невозможности обеспечения высоких механических свойств деталей, имеющих существенный уровень остаточной пористости и низкое качество межчастичных контактов.

Перспективный рост промышленного производства определил необходимость изыскания специальных методов повышения комплекса механических свойств порошковых деталей.

Методы порошковой металлургии, а именно процессы компактирования порошковых железосодержащих материалов, позволяют получать механические плотноупакованные системы регламентированной структуры, при этом, следует отметить, что в настоящее время недостаточно развиты теория и практика образования структур теоретической плотности, имеющих прочные межчастичные диффузионные связи с образованием эффективного ювенильного контакта.

Анализ схем структурообразования высокоплотных изделий показал, что прямое использование схем традиционного деформирования вызывает появление дефектов, в основном связанных с образованием перепрессовочных расслойных трещин, а также ограничение технологических возможностей при изготовлении деталей широкой гаммы типоразмеров с высоким уровнем физико-механических свойств.

Теоретические работы в области консолидации и пластической деформации полидискретных гетерогенных трехфазных (металл — жидкость — воздух) механических систем, а также существующая практика получения структур теоретической плотности выявили необходимость разработки концепции интенсивного уплотнения дисперсных железосодержащих материалов при получении структур теоретической плотности.

Разработка и использование новой технологии консолидации увлажненных железосодержащих дисперсных материалов при обеспечении» интенсивного структурообразования и создания условий установления эффекта межчастичного сращивания, образования ювенильного контакта позволит существенно повысить:

• плотность структуры и уровень физико-механических свойств порошковых изделий, приближая по уровню к компактным материалам, благодаря чему существенно расширяется область их применения;

• эффективность утилизации увлажненных техногенных отходов при обеспечении существенного ресурсосбережения, снижения энерго-, и станкоемкости.

Для решения этих проблем нами разработан способ прессования металлического порошка в присутствии жидкой фазы [223] при получении порошковых структур плотностью, приближенной к теоретической в результате перемещения одной из фаз структурнонеоднородного гетерофазного материала. Предлагаемый способ прессования позволил установить, что при введении жидкости малой вязкости (например, воды, ацетона) в количестве 10.15% масс.доли создаются условия формования высокоплотных деталей с остаточной пористостью, не превышающей 3%, что позволит использовать данную технологию для изготовления сильно нагруженных изделий машиностроительного назначения. Можно предположить, что именно процессы «схлопывания» пор при транспортировании жидкости и растворенного в ней воздуха, моделируя сдвиговые деформации и образуя новые контактные поверхности, будут доминировать при формировании высокого уровня качества изделий.

Контактные поверхности формируются на всем протяжении уплотнения порошкового материала, поэтому условия, при которых инициируются процессы сращивания поверхностей поликристаллических структур в результате направленного диффузионного потока в области межзеренного контакта, - различны, что обуславливает учет положений теории уплотнения порошковых тел и физического материаловедения. Исследования процессов межзеренного контактного сращивания при получении структур, приближенных к теоретической плотности, показывают, что без обеспечения механизма диффузии на основе интенсивного структурообразования невозможно существенное повышение механических и эксплуатационных свойств при холодном компактировании порошкового материала.

Широкому внедрению метода интенсивного структурного уплотнения металлических порошков в присутствии жидкой фазы в настоящее время препятствует малая изученность данного процесса, отсутствие математических моделей процесса уплотнения, моделей и критериев установления межчастичного сращивания при структурировании.

Проблематичным остается установление связи прикладываемого давления и плотности на стадиях как неустойчивых пространственных структур, так и объемного течения материала.

Таким образом, исследование процесса интенсивного уплотнения металлических порошков в присутствии жидкой фазы представляет важную актуальную научно-техническую проблему, результаты решения которой востребованы практикой.

Цель работы: Разработка технологии прессования высокоплотных заготовок при уплотнении гетерофазных механических смесей на основе металлических дисперсных материалов, обеспечивающей эффект межчастичного сращивания структуры с целью повышения их физикомеханических и эксплуатационных свойств, а также освоение технологических решений по утилизации увлажненных техногенных отходов черной металлургии.

Задачи работы сформулированы в главе 2.

Предметом исследования и разработки являются технологические процессы консолидации (прессования) железосодержащих порошков с установлением эффекта межчастичного сращивания и образования ювенильного контакта при получении высокоплотных изделий с уровнем-физико-механических свойств, близких к компактным материалам-(материалы теоретической плотности), а также процессы утилизации увлажненных техногенных железосодержащих отходов производств черной металлургии.

Методологической И' теоретической основой работы служат классические работы по механике порошковых и сплошных сред, теории пластичности обработки металлов давлением, теории грунтов и фильтрации газов и жидкостей отечественных и зарубежных исследователей: Балыиина М. Ю., Григорьева А. К., Дмитриева A.M., Друянова Б.А., Ждановича Г.М. , Кипарисова С.С., Колбасникова Н.Г., Либенсона И.Д. , Мертенса К.К., Павлова H.H., Перельмана В. Е., Радомысельского И. Д., Романа О. К., Рудского А. И., Рыбина Ю.И., Штерна М. Б., Цеменко В. Н. , Франкле Ф.И., Френкеля Я.И. и др.

Информационной базой работы служили публикации в отечественных и зарубежных журналах, монографии, учебники, справочники по предметной области, описания патентов, информационные ресурсы Интернет и др.

Научная новизна работы состоит в создании концепции интенсивного уплотнения металлических дисперсных материалов, развитии научно обоснованных технических решений при производстве заготовок и деталей теоретической плотности, брикетов на переплав, а именно:

1. Предложен и разработан новый способ прессования металлических порошков в присутствии жидкой фазы с образованием структур теоретической плотности.

2. Предложено и дано обоснование рассмотрения процесса уплотнения как пятистадийного, разработана физическая постадийная модель структурообразования. Теоретически разработаны деформационные математические модели постадийного структурообразования, предложена методика расчета энергосиловых параметров процесса уплотнения.

3.Экспериментально исследованы общие закономерности постадийного уплотнения гетерофазных увлажненных механических систем, определен характер изменения физико-механических свойств заготовок.

4.Разработана методика определения границ стадий уплотнения (структурообразования) на основе соотносительных величин текущих плотностей и давления.

5.Теоретически разработана математическая модель и критерий образования новых межчастичных контактов, позволяющие производить оценку качества металлических связей; предложена математическая модель роста зерна за счет механизма рассыпания (растворения) границ зерен при перестройке дефектов кристаллической структуры.

6.Предложена математическая модель, описывающая величину бокового давления.

7.Разработаны расчетные модели структурообразования железосодержащих материалов при утилизации техногенных отходов, позволяющие управлять режимами прессования и технологическими условиями получения качественного продукта (брикета).

8. Разработан новый метод оценки пористой структуры и ее топологии с использованием цифрового телекоммуникационного способа обработки визуальной информации.

Практическая ценность и реализация работы:

1. На основе теоретико-аналитических и экспериментальных исследований предложена единая типовая технологическая схема получения высокоплотных заготовок, сильно нагруженных и деталей конструкционного назначения, брикетов на переплав; освоены технологии изготовления деталей конструкционного назначения, а также изготовление брикетов на переплав предприятий машиностроения и черной-металлургии.

2. Результаты представленных в работе теоретико-экспериментальных исследований использованы при разработке новых и совершенствовании действующих технологических процессов прессования (брикетирования) заготовок (брикетов) на ОАО' «Димитровградский автоагрегатный завод» (ООО «Димитровградский завод порошковой металлургии»), ЗАО «Системы водоочистки», ОАО «НАППА», ОАО «Саратовский подшипниковый завод», ОАО «Северсталь», ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат». Промышленное внедрение технологий и эксплуатация установки «ВИТА-Ш», а также практика проектирования интегральных технологических систем в ЗАО «Системы водоочистки» подтвердили высокую эффективность технологических решений, что позволило получить общий экономический эффект (годовой) от их применения в размере 4 623 тыс.руб.

Достоверность результатов работы обеспечена корректностью постановки задач, обоснованным использованием допущений, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с проведенными экспериментальными исследованиями автора, а также успешной апробацией результатов работы в промышленности.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на Всесоюзной НТК «Получение и обработка металлов высоким давлением» (г.Минск, 1987), Республиканской НТК «Охрана труда и прогрессивные технологические процессы в литейном производстве, порошковой металлургии и машиностроении» (г. Чебоксары,

1990), Всесоюзной НТК «Применение методов порошковой металлургии для изготовления деталей и инструмента» (г.Ереван, 1990), Зональной НТК «Порошковая металлургия и композиционные материалы» (г.Ленинград, 1990), Российской НТК «Новые материалы и технологии машиностроения» (г.Москва, 1992), Всероссийской НТК «Отходы производства и потребления» (г. Пенза, 1995), Всероссийской НТК «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки» (г. Пенза, 1996), Всероссийской НТК «Ресурсосберегающая технология листовой и объемной штамповки», (г.Ульяновск, 1997),Международной НТК «Новые методы, средства и технологии в науке, промышленности и экономике» (г.Ульяновск, 1998), Международной НТК «Процессы абразивной обработки, абразивный инструмент и материалы» (г. Ульяновск, 1998), IV Международной НТК «Экологические проблемы и пути их решения в 21 веке: образование, наука, техника» (г. С.-Петербург, 2000), Международной НТК «Проблема строительства, обеспечения и экологии городов» (г.Пенза, 2001), Всероссийской НТК «Физика, химия, экология» (г. Н. Новгород, 2001), Международной НТК «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов» (г.Ульяновск, 2001), Международной НПК «Экономика, экология и общество России в 21 столетии» (г. С.-Петербург, 2002), V Международной НПК «Экономика, экология и общество России в 21 столетии» (г.С.-Петербург, 2003), Всероссийской НТК «Непрерывные процессы обработки давлением» (г. Москва, 2004), Международной НТК «Прогрессивные технологии и оборудование при обработке давлением» (г. Ульяновск, 2007), Международной НТК «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов», (г. С-Петербург,2007), Международной НТК «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования» (г. Самара, 2009), Международной НТК «Математическое моделирование физических, технических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 2009), Всероссийской НТК «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации» (г. Ульяновск, 2009), НТС УлГТУ (г.Ульяновск,2010), научных семинарах кафедр ПОМ и МиТОМД СПбГПУ (С.- Петербург, 2010-2011). Работа выполнена как часть научных исследований, проводимых в:

- Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (СПб ГПУ) в рамках Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2010-2011 годы)». Мероприятия по разделу 2.1.2. "Проведение фундаментальных исследований в области технических наук" по проекту № 2.1.2/6955. Руководитель чл.-корр. РАН, Д.т.н., проф. Рудской А.И.;

- Ульяновском государственном техническом университете (УлГТУ) в рамках госбюджетной НИР «Разработка научных основ ресурсосберегающих экологизированных технологий изготовления деталей и заготовок с применением давления»; а также на основании хозяйственных договоров с ПЕСТБ «Экосистема», ЗАО «Волга-Экопром», ЗАО «Системы водоочистки» (г.Ульяновск) и в соответствии с планами НИР кафедры « Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 102 научные работы, в том числе 17 статей в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, 2 монографии, 1 учебное пособие с грифом УМО, 8 патентов на изобретения, 4 полезные модели.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (311 наименований) и трех приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненное теоретико-экспериментальное исследование позволило решить важную научно-техническую проблему по изучению закономерностей и механизма структурообразования при прессовании дисперсных увлажненных железосодержащих смесей до плотностей теоретического уровня, разработки метода интенсивного уплотнения и реализации наукоемких комплексных технологических процессов при производстве качественных заготовок деталей ответственного назначения и брикетов на переплав.

Представленные в работе результаты исследований и внедрения их в производство можно резюмировать в следующем виде:

1. В результате проведенных аналитических и экспериментальных исследований осуществлено решение важной научно-технической проблемы по повышению качества высокоплотных порошковых заготовок и деталей на основе интенсивного структурирования уплотняемого материала, а также' реализации наукоемких комплексных технологических процессов производства заготовок (деталей) сильно нагруженных и брикетов на переплав. Предложен и разработан новый способ интенсивного уплотнения металлических порошков в присутствии жидкой фазы при образовании структур теоретической плотности.

2. Выявлены интегральные (групповые) особенности структурообразования, предложены модели постадийных траекторий интенсификации диссипации структур. Для получения структур теоретической' плотности при изготовлении деталей конструкционного назначения с высоким уровнем физико-механических свойств наиболее целесообразным является применение методов интенсивного уплотнения с использованием гетерофазных механических увлажненных систем.

3. Разработана концепция теоретического анализа постадийного уплотнения увлажненных порошков при реализации приложения' высоких давлений на стадиях: переукладки частиц; преимущественного упругого и пластического уплотнения. Предложенные теоретические модели позволяют установить величину давления на пуансоне, обеспечивающего формование высокоплотных заготовок.

4. Экспериментально установлены общие закономерности постадийного уплотнения гетерофазных увлажненных механических систем. Предложено рассматривать процесс уплотнения* как пятистадийный. Установлена зависимость плотности и физических сбойстВ( структуры от величин межинструментального зазора, массовой доли, температуры и плотности, жидкой фазы. Предложены комплексные параметрические модели, определяющие влияние зазора и влажности на массоунос, плотность смеси и характеристики постадийного температурного градиента.

5. Предложена математическая модель, описывающая величину коэффициента бокового давления при прессовании увлажненных механических систем. Разработана методика определения (фиксирования) границ стадий, как характерных этапов структурообразования при различных величинах прикладываемых давлений.

6. Экспериментальные исследования с использованием методов микроскопии и физического материаловедения установили повышение качества отпрессованного изделия: образование структур, близких к теоретической плотности, на пятой стадии уплотнения; интенсивный рост зерен (межкристаллитное сращивание) более, чем в три раза (соотношение между размерами представительного элемента (зерна) тах/тт > 150);снижение упругого последействия до 1,36% (за счет межчастичного сращивания и установления блоков, мозаики структуры); отсутствие расслойных перепрессовочных трещин.

7. Установлено явление межчастичного сращивания на завершающих стадиях интенсивного прессования (уплотнения), что определяет существенное повышение уровня физико-механических свойств отпрессованных заготовок. Предложена математическая модель и критерий образования новых межчастичных контактов (преодоление энергетического барьера сращивания) при формировании связной межчастичной блочной структуры. Установлено значительное улучшение механических характеристик изделий: увеличение предела прочности на растяжение в 1,8 раза, относительного удлинения в 2,2 раза, относительного сужения в 2,5 раза, что свидетельствует о достижении регламентированных механических характеристик деталей сильно нагруженных.

8. Предложен новый метод оценки пористости структуры и ее ТОПОЛОГИИ; с использованием цифрового телекоммуникационного способа обработки визуальной информации, разработаны способ и устройства интенсификации уплотнения многофазных механических систем.

9. Экспериментальные исследования процессов брикетирования железосодержащих техногенных отходов производств черной металлургии (конвертерный шлам) позволили установить» функциональные связи технологических режимов нагружения, состава механической смеси и уровня потребительских свойств. Разработаны расчетные модели брикетирования железосодержащих материалов при утилизации техногенных отходов производств черной металлургии.

10. Освоены технологии изготовления деталей конструкционного назначения, а также изготовление брикетов на переплав предприятий машиностроения и черной металлургии (ОАО «Димитровградский автоагрегатный завод» (ООО «Димитровградский завод порошковой металлургии»)), ЗАО «Системы водоочистки», ОАО «НАППА», ОАО «Саратовский подшипниковый завод», ОАО «Северсталь», ОАО «ЗападноСибирский металлургический комбинат») с общим экономическим эффектом (годовым) от их применения в размере 4 623 тыс.руб. Результаты исследований используются в практике проектирования технологий в ЗАО «Системы водоочистки» и в учебном процессе в Ульяновском государственном техническом университете при обучении студентов старших курсов и аспирантов.

1. Роман, О.В. Порошковые стали. Машиностроение: Энциклопедия. Т.2. /О. В. Роман. М.: Машиностроение, 2000. - 313 с. Ермаков, С.С. Порошковые стали и изделия / С. С. Ермаков, Н. Ф. Вязников.— Л.: Машиностроение, 1990.-319 с.

2. Шульц, Э. Состояние и потенциал развития металлургического производства/ Э. Шульц, Б. Берсенберг и др. // Металлургическое производство и технология металлургических процессов. — 2002. — №4. — С.12.

3. Фонтана М. Безотходное производство стали / М. Фонтана. Р. Дегель // Металлургическое производство и технология металлургических процессов. 2004. — №2. — С. 46-55. Равич Б. М. Комплексное использование сырья и отходов / Б. М.

4. Равич, В. П. Окладников. М.: Химия, 1988. - 288с.

5. Коликов, А.П. Новые процессы деформации металлов и сплавов: Уч.пособие /А.П. Коликов, П.И. Полухин.— М.: Высш.шк., 1986 -351с.

6. Кудрин, В. А. Теория и технология производства стали / В. А. Кудрин. М.: Мир, 2001. - 528 с.

7. Волков, Ю. П. Технолог-доменщик /Ю.П. Волков. — М.: Металлургия, 1989. 257 с. ,

8. Промышленный рециклинг техногенных отходов: Учебное пособие / Е.М. Булыжев, В.Н. Кокорин, A.A. Григорьев, О.В. Чемаева. Ульяновск: УлГТУ, 2005 58 с.

9. Кокорин В. Н. Анализ промышленного рециклинга твердых техногенных отходов предприятий черной металлургии / В. Н. Кокорин // Экономика, экология и общество России в 21 столетии: Тезисы МНТК. С.Петербург: СПб ГПУ, 2003. - С. 273-274.

10. Мащенко В. Н. Подготовка окисленных никелевых руд к плавке / В. Н. Мащенко В. А. Книсс, В. А. Кобелев. Екатеринбург: УрО РАН, 2005 - 320 с.

11. Мирко В. А. Новые высокотемпературные методы контроля качества железорудного сырья / В. А. Мирко, Г. М. Никитин, В. П. Беляков. — Караганда: Металлургия, 1986. — 48 с.

12. Манохин А. И. Развитие порошковой металлургии / А. И. Манохин, М. X. Шорников. М. : Наука, 1988. - 77 с.

13. Акименко В. Б. Железные порошки. Технология, состав, структура, свойства, экономика. / В. Б. Акименко, В. Я. Буланов, В. В. Рукин. — М.: Наука, 1982.-264 с.

14. Роман О. В. Спекание металл окерамических изделий, спрессованных импульсными нагрузками / О. В. Роман, Е. А. Дорошкевич // Порошковая металлургия. 1966. —№6. — С. 42-48.

15. Шоршоров М. X. Применение эффекта сверхпластичности при деформировании компактных и полученных порошковой металлургией быстрорежущих сталей /М. X. Шоршоров, Т. А. Чернышова, А. С. Базык и др.// XIII Pulvermet. Tagung. Dresden, 1985. -P. 267-276.

16. Финдайзер Б., Фридрих Э., Шатт В. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы / Под ред. В. Шатта. — М.: Металлургия, 1983. 520 с.

17. Радомысельский И. Д. Металлокерамические конструкции детали // Современные проблемы порошковой металлургии /; под ред. Федорченко И. М. Киев: Наукова думка, 1970. — 343 с.

18. Рупчев Р. А. Технология изостатического прессования / Р. А. Рупчев, О. П. Кулик, Э. Т. Денисенко // Порошковая металлургия. -1982.-№2. С. 90-96.

19. Рукин В. В. Металлургия: стали, сплавы, процессы / В. В. Рукин, Ж. И. Дзнеладзе, И. А. Гуляев. М.: Металлургия, 1982. — С. 46—52.

20. Шаталова И. Г. Физико-химические основы вибрационного уплотнения порошковых материалов / И. Г. Шаталова, Н. С. Горбунова, В. И. Лихтман. — М.: Наука, 1965. — 157 с.

21. Жданович Г. М. Теория прессования металлических порошков / Г. М. Жданович. -М.: Металлургия, 1969.- 264 с.

22. Либенсон И. Д. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: Учебник для вузов / И. Д. Либенсон С. С. Кипарисов В. Н. Анциферов и др. М.: Металлургия, 1987. — 729 с.

23. Аксенов Г. И. Прокатка металлических порошков в ленту / Г. И. Аксенов // Порошковая металлургия. Труды ВНИТОМ. — М.: Металлургиздат, 1954.-С.160-168.

24. Ложечников Е. Б. Прокатка в порошковой металлургии. — М.: Металлургия, 1987.-184с.

25. Kandsi К. Powder and Power Metallurgy. / K. Kandsi, J. Powder / 1967. №9, P. 92-96.

26. Уманский, A. M. Прессование порошковых материалов /А. М. Уманский. — М.: Металлургия, 1987. — 80с.

27. Брохин, И. С. Мундштучное прессование твердых сплавов / И. С. Брохин, С. С. Шапиро // Твердые сплавы. М.: 1959. - №1. —С. 100-111.

28. Гольдберг, 3. А. Технологии экструдирования / З.А. Гольдберг // Твердые сплавы. -М.: 1962. №4. -С. 76-74.

29. Злобин Г. П. Формование изделий из порошков твердых сплавов / Г. П. Злобин. -М.: Металлургия, 1980. 244с.

30. Лурье JL А. Брикетирование в черной и цветной металлургии / JI. А. Лурье. М.: Металлургиздат, 1963. — 321 с.

31. Равич Б. М. Брикетирование в цветной и черной металлургии / Б. М. Равич. -М.: Металлургия, 1975. 232с.

32. Пузанов В. П. Структурообразования из мелких материалов с участием жидких фаз / В. П. Пузанов, В. А. Кобел ев. — Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 634с.

33. Дашкевич Я. И. Брикетирование железной руды с применением основных добавок. Способы определения прочности брикетов // Экспресс-информация ВИНИТИ. Сер. Черная металлургия. — 1960. -№2.-С. 8-14.

34. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением / Голенков В.А., Дмитриев A.M., Яковлев С.С. и др.— М.: Машиностроение, 2004. — 464 с.

35. Кунин Н.Ф., Юрченко Б. Д. Чистое давление прессования металлических порошков / Н.Ф. Кунин, Б.Д. Юрченко // Порошковая металлургия. 1986. №8. - С.36-39.

36. Логинов Ю. Н. Влияние формы инструмента на граничные условияуплотнения при валковом брикетировании / Ю. Н. Логинов, С. П. Буркин, Н. А. Байбаков // Сталь. 2000. - №9. - С. 89-91.

37. Мащенко В. Н. Исследование и разработка технологии обогащения окисленных никелевых руд Саровского месторождения. / В. Н. Мащенко, В. А. Кобелев. — Екатеринбург: Отчет ОАО «Уральский институт металлов», 2002. — 240 с.

38. Seeling R.P. The Physics of Power Metallurgy /R.P. Seeling/ New-York, Mc Graw—Hill Book Go, 1951. -P.344-371.

39. Балыпин M. Ю. Основы порошковой металлургии / M. Ю. Балыпин, С. С. Кипарисов. —М.: Металлургия, 1978. 184 с.

40. Trzebiatows К. W.-«Z. phys. Chem.» /K.W. Trzebiatows, 1934. -P.75-86.

41. Костеров А. Г. Контактные явления в пористых волокнистых материалах / А. Г. Костернов, JI. Г. Галстян // Порошковая металлургия. 1983. - №5. -С. 34-40.

42. Балыпин М. Ю. Порошковое металловедение / М. Ю. Балыпин. — М.: Металлургиздат, 1948. 332 с.

43. Дидух Б. И. Упругопластическое деформирование грунтов / Б. И. Дидух. — М: Университет дружбы народов, 1987. С. 166.

44. Гениев Г. А. Динамика пластических и сыпучих сред / Г. А. Гениев, М. И. Эстерин. М: Стройиздат, 1972. - 215 с.

45. Рыбин Ю. И. Теория уплотнения порошковых материалов: учебное пособие / Ю. И. Рыбин. СПб.: СПб ГПУ, 2002. - 109 с.

46. Падалко О.В., Левинский Ю.В. Получение порошков из отходовмашиностроительного и машиностроительного производства. В кн. Итоги науки и техники. Серия: Порошковая металлургия, Т.З, — М.: ВИНИТИ, 1989. С.101- 127.

47. Кокорин В.Н. Промышленный рециклинг техногенных отходов ОАО «Северсталь»//Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства. Сб. трудов IV МНТК. — Череповец: ЧТУ, 2003. С. 202-203.

48. Роман О.В., Богданов А.П. Некоторые вопросы динамического и статического прессования металлических порошков/ О.В.Роман,

49. A.П. Богданов //Изв. АН БССР. Сер. физ. техн. наук. - 1965.— №3- С. 14-18.

50. Атрошенко Э.С. О механизме взрывного прессования порошков / Э.С. Атрошенко, В.А. Косович, М.Х. Шоршоров // Физика и химия обр. материалов. 1974. - №1. - С. 119-123.

51. Shorshorov М. Anvendung der Superplastizität für dia Verformung gesintezten Schnellarbeitsstahles/ M. Shorshorov , T.Thernishova // Neue Hütte. 1985. - №11 - P. 422-424.

52. Солнцев Ю. П. Специальные материалы в машиностроение. Учебник для вузов./ Ю.П.Солнцев, Е.П. Пряхин, В.Ю. Пирайнен . -СПб: Химиздат, 2004.- 640с.

53. Stromgren М., Koos R. MPR: Metal Powder Report.- 1983 -№2. -P38-52.

54. Крупин A.B.Обработка металлов взрывом/ A.B. Крупин, В .Я. Соловьев, Г.С. Попов. — М.: Металлургия, 1991.- 496 с.

55. Роман О.В., Аруначалама B.C. Актуальные проблемы порошковой металлургии / Под ред. О.В.Романа, М.: Металлургия, 1990.— 232с.

56. Кокорин В.Н. Стадийность прессования увлажненных порошков /

57. B.Н. Кокорин, Григорьев A.A., Сизов H.A., Митюшкин A.A. // 45 НТК «Вузовская наука в современных условиях». Ульяновск:1. УлГТУ. 2011. — С.59-60.

58. Виноградов Г. А. Теория листовой прокатки металлических порошков и гранул /Г.А. Виноградов, В.П. Каташинский. — М.: Металлургия, 1979. 227 с.

59. Малыгин A.B. Научные основы и практика совершенствования процесса получения железорудного агломерата с высокими потребительскими свойствами Автореф. дисс. докт. техн. наук. Екатеринбург, 1995. с. 45.

60. Елишевич А.Т. Брикетирование полезных ископаемых. — М.: Недра, 1989.-213 с.

61. Носков В.А. Валковый пресс для брикетирования мелкофракционных отходов производства и сырья // Металлургическая и горнорудная промышленность. — 1999. — J4k2. — С. 100-102.

62. Эйдельман Л.П. Оборудование и технология брикетирования в отечественной и зарубежной черной металлургии // Бюлл. Ин-та «Черметинформация», — М.: Черная металлургия, 1988. Вып. 8. — С.2-12.

63. Кокорин В.Н. Исследование бокового давления при прессовании увлажненных порошков / В.Н. Кокорин, Григорьев A.A., Сизов H.A., Митюшкин A.A. // 45 НТК «Вузовская наука в современных условиях». Ульяновск: УлГТУ. 2011. — С.57- 58.

64. Кокорин В.Н. Оптимизация параметров прессования увлажненных порошков / В.Н. Кокорин, Дьяков И.Ф., Белобородое С.Г. // 45

65. НТК «Вузовская наука в современных условиях». Ульяновск: УлГТУ. 2011. - С.61-62.

66. Седов JI.M. Механика сплошной среды М.: Наука, 1973. т. 1. — 492с.

67. Панин В.Е. Современные проблемы пластичности и прочности* твёрдых сред// Изв. вузов. Физика. 1998. №1. -С.7—32.

68. Кондауров И.И. Механика зернистых сред и её применение в строительстве. JI.: Наука, 1986. -224 с.

69. Цеменко В LH. Процесс порошковой металлургии. Теория и физические основы уплотнения порошковых материалов: учеб.пособие. СПб.: Изд.Политехи, ун-та, 2005.-116 с.

70. Соколкин Ю.В. Механика деформирования и разрушения структурнонеоднородных тел. / Ю.В. Соколкин, A.A. Ташкинов. -М.: Наука, 1984.- 114с.

71. Григорьев А.К. Деформация и уплотнение порошковых материалов/ А.К. Григорьев, А.И. Рудской. — М.: Металлургия, 1992.—168с.78; Павлов H.H. Прессование и прокатка металлических порошков. — Л.: ЛПИ, 1980 63с.

72. Мартынова И.Ф. Влияние морфологии пор на закономерности пластического деформирования пористых тел/ И.Ф. Мартынова, О.В. Михайлов, М.Б. Штерн //Порошковая металлургия. — 1992. №5. — С.13—18.

73. Шермергор Т.Д; Теория упругости микронеоднородных сред. — М.: Наука, 1977. 400 с.

74. Коротич В.И. Микронеоднородность структуры железорудныхагломератов/ В.И. Коротич, В.Т. Баранов, И.П. Худоржков и др. //Изв.вузов. Черная металлургия. 1968. №8. - С. 39-44

75. Коротич В.И. К вопросу об однородности агломерационной с «дихты/ В.И. Коротич, В.Н. Бутивченко, Г.И. Коморников и др. // О гжгаль. — 1970. №1 С. 1-17.

76. Кафаров , В.В. Основы массопередачи / В.В. Кафаров. М.: К^^^ысшая школа, 1962. - 652 с.85.