автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Теоретические и технологические основы повышения эффективности процессов сухого изостатического прессования порошковых материалов

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОНЦЕРН ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

УДК 621.762.4:621.77

РЕУТ Олег Павлович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ СУХОГО ИЗОСТАТИЧЕ-СКОГО ПРЕССОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Минск, 2000

Работа выполнена в Межотраслевом институте повышения квалификации кадров по новым направлениям развития техники и технологии при Белорусской государственной политехнической академии

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Богинский Л.С.

Официальные оппоненты: академик HAH Беларуси,

доктор технических наук, профессор Роман О.В.

академик HAH Беларуси,

доктор технических наук, профессор

Клубович В.В.

доктор технических наук, профессор Капцевич В.М.

Оппонирующая организация: Физико-технический институт HAH

Беларуси

Защита состоится « 21» апреля 2000 г. в 14~ часов на заседании совета по защите диссертаций Д02.40.01 в Белорусском государственном научно-производственном концерне порошковой металлургии по адресу: 220071. г.Минск, ул.Платонова, 41, тел .239-98-42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного научно-производственного концерна порошковой металлургии.

Автореферат разослан « марта 2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций %У\/ ~/ В.М.Горохов

© Реут О.П., 2000

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена вопросам повышения эффективности процессов сухого изостатического прессования (СИП) порошковых материалов (ПМ), развитию моделей деформирования сжимаемых пористых сред, постановке и исследованию задач по расчету напряженно-деформированного состояния изделий и эластичного деформирующего инструмента, представляющих собой в совокупности новые, научно обоснованные разработки в области теории СИП, использование которых способствует решению крупной народно-хозяйственной проблемы - создания высокоэффективных технологий и оборудования для производства изделий широкого целевого назначения на основе металлов, керамики и графита.

Актуальность темы диссертации. В современных условиях при производстве изделий следует стремиться к всемерной экономии на всех стадиях изготовления и использования продукции, широкому внедрению энерго- и ресурсосберегающих технологий. Эту задачу решает порошковая металлургия, позволяющая вести безотходное производство, сберегать энергию и материалы, сокращать трудовые затраты за счет уменьшения количества операций и автоматизации процессов. С переходом на рыночную экономику, когда цены на энергоносители, материалы и оборудование стали мировыми, порошковая металлургия может сохранить свои позиции при условии конкурентоспособности на всех либо определенных этапах производства, исследований и использования ПМ.

Разработка и внедрение высокоэффективных технологий на основе процессов уплотнения дисперсных материалов является важным фактором при издании новых проницаемых, конструкционных изделий на основе металлов, керамики и графита, обладающих уникальными свойствами. Оптимальной для толучения широкой гаммы изделий из порошков является радиальная схема трессования, которая характеризуется уменьшением площади поперечного се-гения прессовки при уплотнении, отсутствием контактного трения между порошком и эластичным инструментом, что обеспечивает равномерность распределения плотности по объему прессовки и, как следствие, требуемое качество х>тового продукта после спекания. Среди прогрессивных направлений получе-тя изделий из уплотняемых материалов особое, место занимает СИП, которое тозволяет получать прессовки с большим отношением длины к поперечным зазмерам, малой толщиной стенок, равномерным распределением плотности по эбъему изделия, и обеспечивает экономию энергетических и материальных рейсов, снижение материалоемкости и стоимости оборудования, повышение 1роизводительности, безопасности и культуры труда.

Совершенствование процессов прессования осуществляется по трем на-травлениям:

•развитие теоретических основ;

• создание и исследование новых технологических процессов;

• совершенствование традиционных способов путем создания новоп оборудования и инструмента.

В трудах отечественных и зарубежных исследователей П.А.Витязя В.М.Горохова, Р.Дж.Грина, Е.А.Дорошкевича, Г.М.Ждановича, Е.В.Звонарева Л.А.Исаевича, Е.М.Макушка, В.Е.Перельмана, О.В.Романа, В.В.Скорохода А.В.Степаненко, Т.Табата, М.Б.Штерна и др. установлено, что описание многофакторного процесса уплотнения необратимо сжимаемых сред может основываться на изучении контактного взаимодействия частиц среды или использовании континуальных представлений о ее реологических свойствах. Достоинством контактных теорий, базирующихся на моделировании процесса уплотнения, является относительная простота оценки энергосиловых параметров и плотности. Вместе с тем, канонизация ряда положений повлекла за собой отказ от поиска новых схем деформации. Появление новых способов формования способствовало переходу от изучения контактного взаимодействия частиц к развивающемуся континуальному представлению. Независимое развитие обоих направлений или использование их в совокупности позволяет получить наиболее достоверную картину поведения порошковой среды и всей прессовки в целом. Уплотнение ПМ следует рассматривать как процесс деформирования сжимаемой среды, свойства которой определяются не только плотностью, но и механическими и структурными характеристиками.

Развитие теоретических представлений о деформационных процессах в уплотняемых порошковых средах необходимо для разработки на их основе новых и совершенствования существующих процессов прессования. В частности, это позволит создать высокоэффективные технологии изготовления керамики с кислородионной и смешанной ионно-электронной проводимостью для новых высокотемпературных электрохимических устройств, которые обеспечивают снижение себестоимости и ресурсоемкое™ традиционных химико-технологических процессов. Перспективным представляется расширение технологических возможностей порошковой металлургии в области создания порошковых проницаемых материалов, используемых для фильтрации, аэрации, глушения шума, в качестве капиллярно-пористых элементов тепловых труб и др. Существенным резервом снижения ресурсозатрат по сравнению с существующими технологиями получения порошковых проницаемых материалов из порошков бронзы, меди, титана, нержавеющей стали, никеля и др. материалов, относительно дорогостоящих и в определенной степени труднодоступных, может стать использование изделий из порошков алюминия и его сплавов. Однако их широкое распространение сдерживается значительными технологическими трудностями. Особенности прессования и спекания порошков алюминия изучены недостаточно, практически отсутствуют теоретические и экспериментальные работы, рассматривающие влияние микроструктуры поверхностной оксидной пленки на механизмы твердофазного спекания порошков алюминия, что подтверждает актуальность исследований в этом направлении.

Представляется целесообразным на основе современных развивающихся теоретических представлений о механизме деформирования дискретных сред, анализа потребности в изготовлении конкретных типов изделий, анализа традиционных процессов уплотнения ПМ определить оптимальные схемы прессования и на их основе усовершенствовать существующие и разработать новые способы и устройства для изготовления изделий широкого целевого назначения. Решение этих вопросов является актуальным, имеющим как научное, так и практическое значение для повышения эффективности процессов производства фильтрующих, капиллярно-пористых материалов, функциональной керамики и изделий из графита.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Научные исследования по теме диссертации проводились в соответствии с заданием 03.06Т целевой комплексной научно-технической программы 0.08.17 в области порошковой металлургии, утвержденной Постановлением ГКНТ и АН СССР №573/137 от 10.11.1985 г., заданиями на проведение НИР Министерства образования РБ (1994-1997 г.г. № гос. регистрации 19973680, 19951998 г.г. № 19973681, 1997-1999, № 19962372, 19973678, № 19973679, 19982000 г.г. № 1998735), заданиями ГНТП «Энергосбережение» (№ 1998737, № 19982275).

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является развитие теоретических и технологических основ процессов сухого изостатиче-ского прессования при уплотнении порошков на матрицу и оправку, направленных на повышение их эффективности, создание и внедрение новых технологических схем, технологий, оборудования и инструмента, обеспечивающих получение изделий широкого целевого назначения с улучшенными :войствами, дающих экономию материальных и трудовых ресурсов, повышение производительности труда.

Для реализации цели поставлены следующие задачи:

1. На основе анализа традиционных процессов уплотнения порошков с >четом современных требований, предъявляемых к технологиям и свойствам торошковых материалов, определить оптимальные схемы прессования, усовершенствовать существующие и разработать новые способы и устройства Ц1Я их изготовления.

2. Развить модели пластичности и контактного взаимодействия частиц уплотняемых порошковых сред, учитывающие особенности их свойств и ме-санического поведения с учетом структурных характеристик, и на основе »того разработать математическую модель, позволяющую при описании ис-¡ледуемых процессов отразить реальную картину напряженно-сформированного состояния и свойств формируемого изделия.

3. Провести комплекс теоретических и экспериментальных исследова-шй напряжений, деформаций, плотности изделий и энергосиловых парамет-юв процессов с учетом влияния промежуточных передающих давление сред 1ля прогнозирования свойств изделий из порошковых материалов и рацио-

нального проектирования технологических процессов и оборудования для сухого изостатического прессования.

4. Теоретически обосновать возможность использования сухого изостатического прессования и активации процесса спекания путем формирования несплошностей в поверхностной оксидной пленке при термообработке порошков алюминия, исследовать кинетику полиморфных превращений, определить влияние микроструктуры на механизмы диффузии при твердофазном спекании алюминия.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать и внедрить в производство технологию и оборудование для сухого изостатического прессования при уплотнении порошков на матрицу и оправку фильтрующих, капиллярно-пористых материалов, функциональной керамики и изделий из графита.

Объект и предмет исследования. Объектом исследований является процесс сухого изостатического прессования при уплотнении порошков на матрицу и оправку. Предмет исследований - повышение эффективности сухого изостатического прессования за счет получения заданных либо улучшенных свойств ПМ, снижения материальных и трудовых затрат, повышения производительности процесса, расширения спектра используемых материалов.

Гипотеза. В работе сформулировано научное предположение о том, что использование модели пластичности дискретных уплотняемых сред с поверхностью нагружения в виде центрального эллипсоида вращения способствуют наиболее адекватному описанию процессов деформирования уплотняемых материалов в диапазоне нагружений от схемы осадки до гидростатического сжатия. При этом явный вид поверхности нагружения может быть определен по расчетным оценкам сопротивления деформированию порошковых прессовок с использованием основных уравнений, разработанных с позиции контактной теории для выбранных схем нагружения. Такой подход обеспечивает возможность учитывать наряду с механическими и структурные характеристики деформируемого тела. Результаты математического моделирования, экспериментальных исследований и опытно-промышленных проверок подтвердили правильность гипотезы, что позволило разработать теоретические и технологические основы повышения эффективности ряда процессов сухого изостатического прессования и создать новые при уплотнении порошков на оправку и матрицу с использованием эластичных оболочек многоразового применения.

Методология и методы проведенного исследования. Математические модели СИП разработаны с применением теории упругости, пластичности, методов синергетики. При выполнении работы использованы современные методы, приборы и оборудование. СИП на матрицу и оправку проводили на оригинальных экспериментальных и опытных установках. Химический состав порошков определяли на атомно-адсорбционном спектрофотометре мо-

дели 503 ("Перкин-Эльмер", Швейцария). Исследование топографии поверхности и микроструктуры порошков и порошковых проницаемых материалов проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа "Нанолаб-7" ("Оптон", ФРГ) и на металлографическом микроскопе модели MeF-2 ("Рейхерт", Австрия). Гранулометрический состав порошков определяли на автоматическом анализаторе частиц модели ТА ("Культроникс", Франция) и с помощью телевизионного микроскопа "Квантимет-720" ("Метал Рисеч", Англия). Удельную поверхность порошков определяли методом БЭТ на приборе модели 2100 D ("Микрометрикс", США). Технологические свойства исходных порошков алюминия исследовали по ГОСТ 20899- 75, ГОСТ 1944074 и ГОСТ 25279- 82. Содержание кислорода в порошках определяли с помощью анализатора модели 02А2002 ("Лейболд - Гереус", ФРГ). По содержанию кислорода и величине удельной поверхности рассчитывали толщину поверхностной оксидной пленки на частицах алюминия. Термические эффекты, возникающие при термообработке порошков алюминия на воздухе и зависящие от строения поверхностной оксидной пленки, исследовали термоаналитическим методом с помощью прибора модели 5100 D ("Паулик", Венгрия). Исследование микроструктуры поверхностной оксидной пленки осуществляли методом просвечивающей электронной микроскопии на приборе модели УЭМВ-100 В с использованием углеродных реплик и усовершенствованной методики препарирования. Статическую прочность порошковых проницаемых материалов на изгиб определяли на универсальной испытательной машине модели 1195 ("Инстрон", Англия) по ГОСТ 18228-72. Косвенную оценку качества спекания осуществляли путем измерения электропроводности порошковых проницаемых материалов методом вихревых токов на приборе ВЭ- 21Н. Пористость, максимальный и средний размер пор, коэффициент проницаемости порошковых проницаемых материалов определяли по ГОСТ 25281- 82 и ГОСТ 25283- 82. Результаты исследований обрабатывались методами математической статистики. Использован современный математический аппарат и программное обеспечение.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Предложена модель пластичности уплотняемых порошковых сред, базирующаяся на уточненном условии текучести с поверхностью нагружения в виде центрального эллипсоида ориентированного вдоль гидростатической оси. Для определения явного вида поверхности нагружения использованы расчетные оценки сопротивления деформированию порошковых прессовок различных плотностей, исходя из основных уравнений, разработанных с позиции контактной теории, что позволило получить относительно простые зависимости для расчета свойств материалов и технологических параметров СИП.

Разработана модель деформирования уплотняемых порошковых сред, построенная с использованием синергетики, что позволило перейти к анализу процесса на всем интервале изменения параметров, а не на некотором этапе формоизменения. В качестве физических параметров определены порис-

тость, сближение, контактная поверхность частиц и среднее нормальное напряжение на ней. Основными технологическими параметрами являются плотность и рабочее давление прессования. Геометрические параметры представляются структурой дискретного тела (форма и взаимное расположение элементов и ориентация структуры относительно прилагаемой нагрузки) и переходом от плоской задачи к объемной.

На базе разработанной модели установлены новые закономерности. Определена связь плотности со сближением в плоской задаче сжатия цилиндров и в объемной задаче сжатия сфер с разными по направлениям активными воздействиями. Зависимость площадки фактического контакта от сближения имеет синусоидальный характер. Установлено, что напряженное состояние, выражаемое зависимостью среднего контактного напряжения от безразмерной контактной площадки, отражает наличие трех стадий процесса, отвечающих вдавливанию элементов друг в друга, переходу от вдавливания к выдавливанию и собственно выдавливанию. Предложена аппроксимирующая функция, связывающая контактные напряжения с безразмерным параметром площадки и учитывающая закономерности развития деформационного процесса. Переход от контактного напряжения к внешнему гидростатическому давлению определяется отношением фактического контакта к номинальному. Определены площадь контакта, объем и форма пор, что особенно важно для порошковых проницаемых материалов, так как рассматриваемые параметры определяют структурные и эксплуатационные свойства порошковых сред.

Предложенная модель многопараметрических процессов прессования обеспечивает переход от общих закономерностей к частным. Определено главное кинематическое уравнение, установлена связь гидростатического давления с плотностью и роль деформационного упрочнения, выявлены взаимопереходы осесимметричного и плоского деформирования, введена промежуточная модель квазисферических элементов.

Поставлена и решена линейная и нелинейная задача поведения эластичной оболочки при последовательном изостатическом прессовании. Выявлены эффекты перетекания эластомера, влияние данного явления на свойства изделий. Показано, что армирование оболочки приводит к повышению плотности и качества изделий.

Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм активации диффузионного массопереноса при твердофазном спекании порошков алюминия, основанный на формировании несплошностей в поверхностной оксидной пленке и плакировании частиц порошка алюминиевой пленкой. Установлено, что структура поверхностной оксидной пленки определяет способность порошка к спеканию. Макродефекты в виде сквозных каналов присутствуют в поверхностной оксидной пленке кристаллического или аморфно-кристаллического строения и полностью отсутствуют в поверхностной оксидной пленке аморфного строения, вследствие чего спеканию частиц алюминия с поверхностной оксидной пленкой аморфного строения

предшествует период времени, в течение которого происходит ее кристаллизация и образование несплошностей.

Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. Результаты проведенных исследований служат основой для оптимизации технологических параметров СИП с целью получения порошковых проницаемых материалов с заданными характеристиками, базой для совершенствования и создания новых эффективных технологий, оборудования и инструмента для изготовления фильтрующих, капиллярно-пористых, керамических материалов и изделий из графита. Установлено, что с точки зрения качества ПМ при прочих равных условиях (плотность, вид материала и геометрия изделий), СИП на матрицу обеспечивает равные свойства изделий относительно СИП на оправку, при этом позволяет в 2-5 раз снизить энергозатраты за счет существенного уменьшения объемов передающих давление промежуточных сред. Практическая направленность проведенных исследований подтверждена внедрением конкретных результатов работы в ряде организаций:

1. Разработана, изготовлена и внедрена на АО «Полема-Тулачермет» производственная установка для СИП порошковых материалов специального назначения с экономическим эффектом 9840 млн. рублей.

2. В научно-производственном предприятии «РЭСТИ» (г. Ижевск, РФ) внедрены технология и оборудование для СИП порошковых проницаемых материалов, совместно разработана и внедрена технология СВС-спекания порошковых проницаемых материалов на основе карбида титана для доочи-стки питьевой воды от примесей. Экономический эффект за период 19921998гг. с учетом личного вклада соискателя составил 6100 млн.рублей.

3. В НИИ импульсных процессов БГ НПК ПМ внедрена технология получения керамических материалов, используемых для обработки горных пород. Экономический эффект составил 1103 млн. руб.

4. Впервые разработан и внедрен в НИИ ПМ с ОП БГ НПК ПМ изостат для СИП порошковых проницаемых материалов, позволяющий получать изделия на основе металлов, керамики с предельными габаритами £><750 мм, ¡<650 мм и равномерным распределением плотности по объему. Ожидаемый экономический эффект на программу N = 1000 штук составляет 26000 млн. руб.

5. Разработана технология изготовления нагревательных элементов на основе термически расщепленного графита и катодов на основе вольфрама и молибдена используемых в приборах контроля качества жидкостей. Ожидаемый экономический эффект в ТОО "Люмекс" (г.Санкт-Петербург) составляет 6480 млн. руб.

6. Разработаны и внедрены в БГУ технология и установка для СИП керамических мембран, обладающих смешенной кислородионной, электронной проводимостью и используемых для получения кислорода из воздуха и окисления углеводородов, дожигания выбросов и получения ценных продуктов.

7. Разработаны капиллярно-пористые материалы на основе титана и алюминия и технологии их изготовления, которые нашли применение в НАНБ (АНК «Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова») для контурных тепловых труб. Ведется подготовка к серийному производству.

8. Разработана и поставлена на ГП МЗАЛ опытная партия фильтров для доочистки питьевой воды. Эффект носит экологический характер.

9. В Брестских тепловых сетях внедрены дренажные проницаемые элементы для засыпных фильтров химводоочистки. По сравнению с существующими они обладают следующими преимуществами: срок эксплуатации увеличен в 3 раза; производительность фильтра увеличилась в 1,5 раза; гидросопротивление уменьшилось на 50%; ёмкость фильтра увеличилась на 20%.

10. На кафедре «Новые материалы и технологии» МИПК при БГПА организован опытный участок по изготовлению порошковых проницаемых материалов.

В 1992 году на международной выставке (ВДНХ, г.Москва) установка для СИП (УРИСП-1) удостоена награды «Мадридская Золотая Звезда» за качество.

Суммарный годовой экономический эффект с учетом личного вклада соискателя составил 17043 млн. рублей, ожидаемый экономический эффект-32480 млн. рублей (по состоянию на 01.01.1999 г.).

Основные результаты работы и методики исследований использованы в учебных курсах «Технология новых материалов» МИПК при БГПА и «Порошковая металлургия и композиционные материалы» БГПА.

Коммерческим продуктом, готовым к реализации, являются способы, составы и технологические процессы получения ПМ широкого целевого назначения, технологическое оборудование и инструментальная оснастка.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Модель пластичности порошковых сред, устанавливающая связь компонент тензора напряжений с пористостью (плотностью), механическими и структурными характеристиками ПМ.

2. Модель контактного взаимодействия частиц сыпучей среды для расчета технологических задач прессования порошков, представленная совокупностью кубически расположенных сферических частиц, каждая из которых деформируется в условном штампе с плоскими подвижными стенками и отсутствием межчастичного трения, отличающаяся возможностью установления взаимосвязей деформаций, напряжений с параметрами контактной площадки, начальной и требуемой плотностями.

3. Методы расчета напряженно-деформированного состояния в ПМ и промежуточных средах, плотности, энергосиловых параметров СИП, позволяющие установить связь давления и работы прессования с плотностью, механическими и структурными параметрами прессовки, геометрией изделий с

учетом сжимаемости промежуточных сред и конструктивных параметров эластичного инструмента.

4. Результаты исследования кинетики полиморфных превращений поверхностной оксидной пленки при термообработке порошков алюминия, исследования влияния микростуктуры поверхностной оксидной пленки на механизмы диффузионного массопереноса при твердофазном спекании порошков алюминия, способ активации спекания, основанный на предложенной модели формирования несплошностей в поверхностной оксидной пленке при термообработке порошка алюминия, вытеснении алюминия на поверхность и плакировании им частиц порошка.

5. Технологии СИП и спекания керамики из твердых электролитов, предназначенной для электрохимических генераторов кислорода из воздуха и керамики из смешанных ионно-электронных проводников, предназначенных для электрохимических кислородных мембран и токоподводов топливных элементов.

6. Новые технологические решения, технологии и оборудование для СИП ПМ на основе металлов, керамики и графита, базирующиеся на результатах научных и экспериментальных исследований.

Личный вклад соискателя. В основу работы были положены новые подходы, направленные на совершенствование теории и практики СИП. Основные положения, выводы и рекомендации принадлежат автору, который выбрал научно-техническое направление, определил цель и задачи исследований, усовершенствовал СИП материалов за счет использования и развития радиальной схемы. Впервые при анализе процессов прессования ПМ использовал идеи нового направления механики твердого тела, основанного на привлечении принципа самоорганизации деформационных процессов, что позволило на основе реперной модели выявить взаимосвязи физических и технологических параметров. Провел аналитические и экспериментальные исследования СИП и установил зависимости энергосиловых параметров от плотности, свойств ПМ и промежуточной среды, геометрии изделия и оболочки, что послужило основой для расчета технологических задач и оборудования. Разработал технологии прессования фильтрующих, капиллярно-пористых материалов, функциональной керамики, изделий из графита и определил пути дальнейшего развития.

Работа, связанная с внедрением СИП, оборудования и порошковых проницаемых материалов проведена совместно с к.т.н. И.Г.Загайгорой, Е.Е.Петюшиком и В.Е.Романенковым.

Апробация результатов диссертации. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах: 12 International Plansee Seminar, 1989; Международной научной конференции «Проблемы промышленной экологии и комплексная утилизация отходов производства», октябрь1995г., г. Витебск; 1-st

Belarussian-German seminar «Advanced Technologies for Material Processing and Repairing of worn-out Parts», Minsk, 1996, s. 118-126; II конференции «HO-MATEX-96» « Материалы, технологии, инструмент», 15-17 мая 1996 г., г. Минск; Joint International Meeting of the Electrochemical Society and the International Society of Electrochemistry (Paris, France, 31.8-5.9.1997); 3 Int. Sem. «Heat Pipes, Heat Pump, Refrigerators», Minsk; 15-17 Sept., 1997; Международном семинаре на базе 1-й Международной выставки «Энергоресурсос-бережение-95» 27-29 марта 1995 (г.Минск), Семинаре «Инженерно-экологические проблемы курортов Беларуси» 1995 г. (г.Минск), 52-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА, «Технические ВУЗы - республике» (г.Минск); Ш-й Республ. НТК «Новые материалы и технологии», 21-22 мая 1998 г. (г.Минск); V НТК «Методы расчета изделий из высокоэластичных материалов», февраль 1989 г. (г.Рига); НТК «Прогрессивные технологические процессы изготовления деталей и узлов ГТД и агрегатов из композиционных порошковых материалов по СВС-технологии», 20-22 сент. 1989 г. (г.Куйбышев); НТК «Ученые Ижевского механического института - производству», 20-23 марта 1990 г. (г.Ижевск); НТК «Новые материалы и технологии», 17-18 мая 1994 г. (г.Минск.); Международном семинаре на базе 1-й Международной выставки «Энергоресурсосбережение-95» 27-29 марта 1995 (г.Минск); Международной конференции по порошковой металлургии 4-7 июля 1996 г., (r.Cluj-Napoca, Румыния); 7-й международной выставке и симпозиуме «Новые материалы и технологии порошковой металлургии» 19-20 марта 1997 г. (г.Минск); 3-й конференции «Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин» июнь

1997 г. (г. Новополоцк); 3 Int. Sem. «Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators», 15-18 Sept., 1997 (Minsk); Международном семинаре «Реологические модели и процессы деформирования пористых и композиционных материалов» 29 сентября-5 октября 1997 г. (г.Луцк, Украина); Ш-й Республ. НТК «Новые материалы и технологии», 21-22 мая 1998 г. (г.Минск); Международной конференции «Прогрессивные технологии обработки материалов», 17-18 сентября

1998 г. (г.Минск).

Опубликованность результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 50 научных трудах, в том числе: 1 монографии, 16 статьях и 23 тезисах докладов на научно-технических конференциях, защищены 9 авторскими свидетельствами и решением ГПК РБ о выдаче патента. Общее количество страниц опубликованных материалов составляет 451.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Полный объем диссертации 454 страницы. Работа содержит 211 страниц машинописного текста, 248 рисунков на 196 страницах, 26 таблиц на 13 страницах, 9 приложений на 20 страницах и спи-

сок используемых источников в количестве 193 наименований на 14 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и общей характеристике работы показана актуальность рассматриваемых задач, представлены основные положения, выносимые на защиту, рассмотрены основные результаты, научная и практическая значимость работы.

В первой главе анализируются современные представления о процессах прессования и традиционные способы изготовления ПМ, обосновывается выбор рациональных схем прессования, позволяющие комплексно реализовать современные требования к производству и качеству изделий, что позволило совершенствовать существующие и разработать новые способы и устройства для СИП ПМ широкого целевого назначения.

Аналитический обзор современных исследований и разработок прогрессивных технологий позволил установить, что в настоящее время определены два направления теоретических исследований процессов прессования. Главной отличительной чертой первого направления является положение об определяющем влияние условий создания контактов между элементами структуры. Процесс прессования трактуется как процесс созидания, т.е. увеличения площадей контакта между частицами при уплотнении материала. При этом из рассмотрения исключается деформация нагруженного тела и влияние этой деформации на уплотнение материала.

Появление новых способов формования (экструзия, различные виды изостатического и гидростатического прессования) способствовало переходу от изучения микроскопических эффектов, связанных с контактными взаимодействиями, к континуальному представлению, что определило второе направление в теории прессования.

Вопрос о форме поверхности нагружения, основном постулате теории течения, имеет несколько отличных трактовок. Прежде всего, это касается влияния эффектов дилатансии, деформационной анизотропии и вида напряженного состояния. Анализ типов поверхностей нагружения показал, что по-зерхность текучести в виде эллипсоида вращения расширяет представления о механизме деформационного поведения пористых сред. Уплотнение ПМ ;ледует рассматривать как процесс деформирования сжимаемых тел, пласти-геские свойства которых определяются плотностью среды, структурными и леханическими характеристиками. Очевидно, что модель пластичности ПМ юлжна быть многопараметрической, учитывающей особенности уплотняемой порошковой среды. При изучении процессов прессования ПМ следует 1Спользовать идеи нового направления механики твердого деформированно-о тела, основанного на привлечении принципа самоорганизации неоднород-[ых деформационных процессов, разработанного для обработки металлов

давлением Е.М.Макушком. Специфика приложения данного принципа применительно к прессованию порошков состоит в том, что изначально устанавливается общая кинематика процесса, состоящая в формировании исходного сферического элемента определенной укладки в конечную форму и задаваемая основным кинематическим уравнением, дающая связь объема присоединенной поры от сближения частиц, что позволяет при дальнейшем развитии анализа перейти к выявлению параметров контактной площадки и среднего напряжения на ней, в том числе связи внешнего давления и требуемой плотности для конкретной схемы прессования.

Существующие направления исследований процессов прессования не являются обособленными, а должны дополнять друг друга. Совместное их рассмотрение позволит получить наиболее достоверную картину поведения уплотняемой среды и всей прессовки в целом.

Традиционные процессы прессования, обладая достоинствами, не решают полностью проблему изготовления длинномерных изделий. Новые технологии должны в современных условиях обеспечить комплекс требований к производству и свойствам ПМ: равномерное распределение плотности, экономия трудовых затрат, безопасность и культура труда, гибкость, возможность использования в различных видах производства и т.д. Этим требованиям удовлетворяет радиальная схема прессования при уплотнении порошков на оправку либо матрицу. Поэтому, она может быть основой для создания новых технологий, оборудования и инструмента.

На основе проведенного анализа предложены новые способы и устройства для СИП ПМ, показанные на рис. 1. Отличительной их особенностью является использование двух разновидностей радиального прессования: СИП в замкнутом объеме и последовательное прессование с применением армированных оболочек многоразового использования в незамкнутом объеме. Выбор материала эластичных оболочек и их размеров осуществляется на основе их стоимости и физических свойств. Малые объемы промежуточных передающих давление сред при СИП позволяют значительно уменьшить энергозатраты, металлоемкость, габариты и стоимость оборудования по сравнению с осевым эластостатическим и гидростатическим прессованием. Наличие промежуточного вкладыша 1 (рис. 1 а) и армированного эластичного инструмента многоразового использования со специальными манжетами 1 (рис. 1 б), обеспечивают герметичность при высоких давлениях, возможность механизации и автоматизации процесса и равномерность распределения плотности по объему. Последовательное СИП в незамкнутом объеме рис. 1(в, г, д) обеспечивает уменьшение габаритов, металлоемкости и, как результат, стоимости оборудования за счет оптимальной схемы прессования и применения армированных эластичных оболочек многоразового использования.

Решение ГПКРБ о выдаче патента по заявке 961179

А.с. 859031; 1068227; 1383610

I

А.с. 1219251

А.с. 816692; 872029; 1006059

с. 1. Способы и устройства СИП ПМ: а - СИП в замкнутом объеме на оправку; б - СИП в замкнутом объеме на матриц; в - последовательное СИП обжатием армированной оболочки с порошком в конусной матрице по перемещению; г - последовательное СИП по давлению; д- непрерывное СИП по давлению.

Определена направленность СИП для получения фильтрующих, капиллярно-пористых ПМ на основе металлов, конструкционных материалов на основе керамики, графита, молибдена и карбида вольфрама.

Во второй главе изложены теоретические и экспериментальные исследования процессов прессования с использованием совмещенных континуальных и дискретных представлений о характере, условиях деформирования порошковых сред и отдельной частицы в целом.

Проблема изучения формы поверхности текучести в процессе деформирования, связанная с определением закономерностей уплотнения порошков с учетом структурных характеристик порошковых проницаемых материалов, является актуальной для дальнейшего развития теории СИП. Экспериментальные исследования, проведенные В.З.Мидуковым и В.Д.Рудем, свидетельствуют о том, что форма поверхности текучести в плоскости р-Т представляется эллипсоидом, сдвинутым вдоль гидростатической оси. Вместе с тем, модель пластичности в виде центрального эллипсоида в диапазоне схем уплотнения порошков от осевого прессования до гидростатического сжатия более предпочтительна, т.к. в основных уравнениях модели отсутствует достаточно сложный параметр смещения центра эллипсоида вдоль гидростатической оси, что позволит получить с достаточной точностью простые зависимости для расчета свойств ПМ и технологических параметров исследуемых схем СИП. Следует также помнить, что поверхности нагружения в виде эллипсоидов имеют тесную связь с энергетическими концепциями, лежащими в основе установления областей предельных состояний.

Для определения математической и физической природы критерия пластичности использован косвенный метод, при котором выбирается научно обоснованный критерий пластичности, а характерные значения параметров среды, согласующихся с выбранным критерием, устанавливаются расчетно. Поэтому, с целью увеличения точности принятой интерполяции критерия текучести для определения его реального вида использовались только две схемы нагружения: осевое прессование без внешнего трения и гидростатическое сжатие. Наиболее точно рассматриваемые схемы уплотнения описываются уравнением Г.М.Ждановича, учитывающим свойства порошка и его упрочнение.

Поверхность нагружения в виде эллипсоида вращения имеет вид:

3Р7 27,2 ,

+ —Г = 1> (О

V <Р

где р - гидростатическое давление; Т - интенсивность касательных напряжений; ц/и (р- функции механических характеристик уплотняемых ПМ.

В результате совместного решения уравнения (1) и расчетных зависимостей по определению сопротивлений деформированию в выбранных схемах нагружения уточнено математическое описание критерия текучести, определяемое зависимостями:

. , ; С2)

1~и<> ^9*1к1-(1+24)г<г1

Р +Г ' 3(1 "МГ' (3)

где и0и и - начальная и конечная плотности прессовок; п, I — показатели упрочнения при гидростатическом и осевом прессовании соответственно; £ -коэффициент бокового давления, определяемый по специальной методике при осевом прессовании и зависящий от параметров порошка и прессовки; К!С - коэффициент приведения осевого давления к гидростатическому (Кгс =0,83-0,89); ркр и р'кр- критическое напряжение при гидростатическом и осевом прессовании соответственно (о -И ).

Предложенная модель пластичности является многопараметрической. Она устанавливает связь компонент тензора напряжения с плотностью, механическими и структурными характеристиками прессовки и может служить основой для расчета технологических параметров СИП. Для определения функций механических характеристик у/иср, входящих в условие пластичности (1), экспериментально изучено по новой методике без применения точечных месдоз влияние плотности порошка, размера частиц, способа получения порошка на коэффициент бокового давления £ который в определенной степени является носителем информации о структурных изменениях в прессовке. Экспериментальные данные достаточно точно согласуются с зависимостью Г.М.Ждановича:

£ = (4)

где ц = ¡iü" - коэффициент Пуассона прессовки определенной плотности (р, и); а - показатель, учитывающий влияние упругих, прочностных свойств и состояние контакта (<з=1,05-1,3); ц - коэффициент Пуассона материала частиц порошка.

Показано, что радиальное СИП с точки зрения силовых затрат занимает промежуточное положение между осевым и всесторонним прессованием.

Для порошков правильной формы (шар), разработана модель прессования, представляющая собой совокупность ортогонально расположенных сфер, каждая из которых деформируется в условном штампе с плоскими подвижными стенками. Вспомогательной моделью явилась модель плоского деформирования цилиндрических элементов. В отличие от предшествующих исследований основное внимание в настоящей работе уделено общей кинематике процесса сжатия элементов с учетом формирования контакта между

частицами и формоизменения свободной поверхности. Поверхность межчастичного контакта, форма пор, плотность в совокупности определяют основные физические и эксплуатационные свойства фильтрующих материалов.

В результате проведенных аналитических исследований установлено, что обобщенная кинематическая зависимость изменения плотности от перемещений имеет вид:

и = 1 + »0-(1-ОМ,)Мг) , (5)

где о „и и - относительные начальная (упаковка) и текущая плотности системы, соответственно; безразмерные перемещения (сближения) по направлениям х, у, г; 8Х *8у ф8:, равно отнесенные к единице размера шара (Д=1).

Для одностороннего, радиального и гидростатического прессования уравнение (5) примет соответственно вид:

и = и = 1+и0-(1-8гУ; и = 1+1д,-(1-<У3)\ (6)

где 8,,<52,<53 - перемещения в направлении приложения активной нагрузки.

Основные кинематические связи между частицами характеризуются зависимостью параметра межчастичной контактной площадки от сближения, устанавливаемой за счет формоизменения элементов и равенства смещенных объемов:

6 = 5* $т2(—); Ъ - — агсзт\/(5, (7)

2 я

где 8*- предельное сближение при и = 1; ^-относительное сближение, рав-■— § —

ное 5 =—; ¿-безразмерный параметр фактической контактной площадки 5

(0<6 <1, £ = -).

Я

Для плоского деформирования (сжатие цилиндров) параметр Ь представляет собой полуширину полосы межчастичного контакта, для псевдосфер - полуширину квадратного контакта между частицами, для взаимодействия сферических элементов вводится поправка, учитывающая геометрию контура квадратного отпечатка при переходе от псевдосферы к сфере. Приведенное обобщение параметров контактной площадки на случай взаимодействия цилиндрических и сферических элементов базируется на возможности применения полей напряжений плоских задач к осесимметричным.

Напряженное состояние всей системы элементов и каждого из них в отдельности характеризуется средним нормальным напряжением на фактическом межчастичном контакте. Оно определяется на основе закономерностей математической теории пластичности и, в частности, ее инженерного варианта - теории линий скольжения. Задаваясь значениями параметра Ь на интервале его изменения 0<6 <1, теоретически определяем отдельные точки для нахождения распределения напряжений на всем интервале изменения параметра контактной площадки через аппроксимирующие функции а-/(Ь). Выявлены три характерные области, в которых напряжения определяются поверхностными очагами вдавливания, перестройкой напряженного состояния от вдавливания к выдавливанию в полости и, наконец, выявлена область выдавливания. На полном интервале изменения контактных площадок 0<6<1 безразмерные нормальные напряжения характеризуются кусочной функцией:

сг„ =1 + Лст„с052[^- ; Ъ =— для О<Ь<Ь,\ " (0,828; 6 1

= 1> ёп = )12 для Ь, <Ъ <Ъ2\

1-

где

для Ь2<Ь < 1,

°п=тЧ-1 (сгД-фЛ; Д<т.=?; Да,

(<гЛ

1,2

2 2 + -

= 0,44.

(8)

Индексы в выражении (8) соответственно отвечают реперным точкам и интервалам между ними. Полученная совокупность выражений (8) является условием изменения контактных напряжений между частицами.

Переход от контактного напряжения а к внешнему изостатическому давлению р учитывает разницу номинальной и фактической поверхностей контакта для плоской и объемной задач соответственно (индексы ц и ш):

Рц ; рц =апЬ ; р,ш = ар; рт = ар, (9)

где р -внешнее гидростатическое давление, р - его безразмерная характеристика = , где к - предел текучести на сдвиг.

Следует отметить, что спецификой идеально пластичного тела является возможность независимого анализа кинематики и напряженного состояния. Полученные в работе кинематические зависимости (6) и (7) и уравнения на-

пряженного состояния (8) и (9), объединяются между собой по параметру контактной площадки.

Предложенное математическое описание процесса, построенное на основе реологической модели идеально пластичного тела, позволяет ввести в расчет деформационное упрочнение без усложнения аппарата. Для этого на основе сближения через смещенные объемы определяется уровень деформированного состояния в любой момент сближения, который относится к кривой упрочнения. Поскольку модель процесса рассматривает кинематику и напряженное состояние на всем интервале изменения контактной поверхности независимо друг от друга, то учет упрочнения при определении внешнего гидростатического давления, усилия и работы пластической деформации происходит за счет коррекции предела текучести.

Расчетные данные, полученные на основе кинематических уравнений и связи средних контактных напряжений на межчастичном контакте, позволили установить зависимость для определения связи внешнего давления и плотности прессовки для структурированной модели:

ской моделей, соответственно; Ка - коэффициент, учитывающий форму час-

Использование принципа самоорганизации неоднородных деформационных процессов и теории механики твердого деформируемого тела, построенной на ее основе, позволяет представить многопараметрические процессы в форме, удобной для количественного анализа. Результаты, полученные при применении этого подхода для анализа процессов гидростатического прессования дискретных структур, и, в частности, изостатического прессования пористых изделий, доказывают справедливость этого утверждения.

В третьей главе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов СИП в замкнутом объеме.

Совместное решение системы уравнений (условия пластичности, уравнения равновесия и ассоциированного закона течения при граничных условиях ег = 0,гг, = 0) позволило определить значение компонент тензора напряжений для радиальной схемы и распределение плотности в прессовках:

(10) (П)

Ри, =Рш'и>

где Кс = ^У); рш и рш - давления ИП для квазисферической и сфериче-

тиц; Ди = -——-; 5' - предельное сближение.

-= Ря, =КГР,

(12)

а

л/г=Д

2Иаг -у1м + ]V- АШа2 _

а, =аг---—!--; ПЗ)

М + Ы ;

/ ч щ2 +(р2

<у2=(аг+а{У г (14)

2 у/ +<р

где Кг - коэффициент, учитывающий влияние радиальной схемы СИП и равный:

М = и N = /(у/,<р).

Для исследуемых порошков (Тл, М, Ре, Си, Т1+С0 5) Л;-0,8 8-0,93, т.е. радиальная схема с точки зрения силовых затрат занимает промежуточное положение между осевым прессованием и гидростатическим сжатием.

СИП требует использование эластичной промежуточной среды, которая указывает влияние на энергосиловые параметры процесса. Совместное решение системы уравнений (равновесия, геометрических и физических соотношений и сохранения массы порошка при граничных условиях) позволило определить напряженно-деформированное состояние оболочки (линейная зада-га) и рабочее давление прессования в зависимости от плотности, геометрии и :войств прессовки, геометрии и свойств промежуточной среды:

/3„ - и1-и'0 ЕИ ( Ь 1

де а, Ъ, к - геометрические параметры оболочки; у - коэффициент Пуассона ластомера (у ^0,5); Е - модуль Юнга (£=30 МПа).

Установлено, что для реальных размеров оболочки из полиуретана до-олнительные силовые затраты с учетом наличия эластомера составляют 3% от давления прессования ПМ, что позволяет считать а = а, = аг, а про-

есс прессования изостатическим.

Решение основных уравнений позволило определить энергозатраты на роцесс изостатического прессования ПМ:

У-Т^а-р , (17)

о 0-ц,У>+1)1 и)

;е Ям, I, Ьо -геометрические параметры прессовки; тп - коэффициент упроч-;ния.

Работа деформирования эластичной оболочки определяется выражением:

А = 7якЕ[—{\ + ^Л;1, (18)

1 + 4 2а0]

где /г - длина оболочки; с = — - соотношение геометрических исходных па-

ьо

раметров оболочки; о0 и Ь0 - соответственно внутренний и наружный радиусы оболочки при р = 0; 11а- перемещение внутренней поверхности оболочки, обеспечивающее уплотнение прессовки до требуемой плотности и.

Для проведения экспериментальных исследований, изготовления опытных образцов разработаны установки и насосная станция высокого давления (р<100МПа) с механическим приводом.

С точки зрения силовых затрат СИП на матрицу при прочих равных условиях не имеет преимуществ перед СИП на оправку. Разработанный процесс СИП за счет небольшого объема реально сжимаемых промежуточных сред позволяет существенно уменьшить энергозатраты.

Предложено выражение для оценки коэффициента эффективности Кэ (энергосбережения) СИП на оправку и матрицу относительно гидростатического прессования с учетом сжимаемости жидкости и эластомера:

сравниваемый _ _ , _ , _

— л + А + А А V + А У + А

% _ £ _ пР°Чесс __ "У ж пР _ "У пУ ж ж пр ^^

3 = Л^СИП = + ^ + = А V + АЖУЖ + А '

матрица '

где А ,Аж,Апу,Аж- работы, затрачиваемые на сжатие промежуточных сред

(полиуретана и жидкости) сравниваемого процесса с СИП соответственно; Апр — работа прессования; Упу,Уж,Упу,Уж - объемы промежуточных сред

сравниваемого процесса и СИП; А ,Аж - удельная работа сжатия полиуретана и жидкости соответственно (Дж/см3), равная:

*пу = КпуР«р • Аж = КжРпр> (2°)

где Кпу и Кж -коэффициенты, учитывающие сжатие промежуточных сред

(полиуретана и жидкости соответственно: Л" =0,014; К =0,03).

У1у ою

Коэффициент эффективности СИП при уплотнении порошков на оправку относительно гидростатического прессования составил Кэ=2,4, на матрицу

- 4,75. Коэффициенты уменьшения габаритов (Кг), металлоемкости (Км) и стоимости оборудования (Кс) равны: К^ =2,2; Кг>= 2,8; Л" =4; Км =6; Кс = 8; /Г = 15 (СИП на оправку и матрицу соответственно).

Таким образом, за счет уменьшения объемов промежуточных сред и трименения инструмента многоразового использования СИП позволяет уменьшить энергозатраты процесса, габариты, металлоемкость и стоимость оборудования, увеличить производительность труда, что свидетельствует о товышении эффективности исследуемых процессов.

Основным параметром ППМ является плотность. Контроль плотности и ;е распределение по длине определяли с помощью прибора неразрушающего сонтроля гамма методом. В результате проведенных аналитических и экспериментальных исследований установлено некоторое изменение плотности (1->%) ПМ по радиусу прессовки. Плотность по длине прессовки распределена эавномерно. Наблюдается определенный краевой эффект в области торцов фессовки, связанный с наличием внешнего трения.

Как видно из рис. 2 результаты расчетов силовых параметров согласуются с экспериментальными данными. Использование пакетного прессования с параллельной или последовательной схемами расположения элементов увеличивает производительность, а отсутствие контакта формы с жидкостью улучшает культуру производства.

. _ Замкнутая гидравлическая система и Рис. 2. Зависимость плотно- с „ ^ _

. , малый ее объем обеспечивают безо-

сти от давления прираоиаль-

ном прессовании пасность труда и'снижение энергоза-

трат.

Четвертая глава посвящена теоретическим и экспериментальным ис-ледованиям последовательного радиального прессования длинномерных из-;елий из порошка с использованием эластичных армированных оболочек см. рис. 1 в, г, д). При последовательном прессовании уплотнение порошка юуществляется в незамкнутом объеме. Поэтому необходимым условием поучения труб с равномерной плотностью является отсутствие осевых дефор-[аций как в промежуточной среде, так и прессовке. Однородное армирова-ие оболочки в продольном направлении стальной проволокой обеспечивает пособность промежуточной среды многократно деформироваться по радиу-у с отсутствием перетекания ее в осевом направлении.

Совместное решение уравнений равновесия, неразрывности, условия ластичности и следствия из ассоциированного закона течения с учетом трагичных условий {и2 = = Л0 =0:ег =0; (чеРт°й обозначены параметры,

тносящиеся к оболочке)) и отсутствия внешнего трения на границе порошка

с оболочкой позволило определить напряженно-деформированное состояние в очаге деформации при радиально-последовательном уплотнении порошка через промежуточную среду конусным инструментом на матрицу и оправку. Для компонент тензора напряжений получены следующие уравнения:

я2н

1

2 +3

ф'

д.

(2 4>\-<р\)

*2н

_1 3

с =

2

3 г

(21) (22)

(23)

(24)

где Я, Ян- радиусы прессовки в зоне очага уплотнения; ^ = /(Яг,М,Ин);

Для рассматриваемых процессов получены уравнения по определению рабочих усилий с учетом трения между оболочкой и инструментом, требуемой плотности прессовки и геометрии, что позволяет производить их аналитические исследования и оптимизацию.

Поставлена и решена нелинейная задача поведения эластичной оболочки при последовательном прессовании по перемещению и давлению (см. рис. 1 в, г, д). В результате решения системы уравнений равновесия, условия несжимаемости, геометрических и физических уравнений определено напряженно-деформированное состояния оболочки. Решение данной задачи выполнено с помощью программ, разработанных в Рижском политехническом институте, методом конечных элементов на основе функционала потенциальной энергии с применением дельта-метода. Использование шагового способа расчета позволило рассматривать непрерывное нагружение оболочки как процесс ступенчатых последовательных нагружений, на каждом шаге которого несжимаемый материал предполагается линейно-упругим. Данный метод дал возможность геометрически нелинейную задачу расчета свести к последовательному решению на каждом шаге линейной задачи теории упругости для тела, конфи1урация которого определяется по результатам решений задач на предыдущих шагах. Деформирование эластичной оболочки рассмотрено как процесс ее взаимодействия с жестким инструментом, с одной стороны, и порошковой средой, упругие свойства которой изменяются, с другой стороны. Результаты расчетов показали, что армирование эластичной

Ь* 120

200 240 I. мм

Рис. 3. Распределение радиальных напряжений по длине оболочки в зависимости от величины радиальной деформации

оболочки устраняет осевое перетекание эластичного материала из очага деформации (рис. 3). Последний имеет большую протяженность, что обеспечивает предварительную подпрессовку порошка за пределами зоны инструмента и отсутствие его вытеснения из данной области. Напряженное состояние армированной оболочки вследствие полученной анизотропии свойств характеризуется неравномерностью и зависит от расположения инструмента. Проведенные экспериментальные исследования поведения промежуточной среды подтвердили правомерность расчетов. Последовательное уплотнение порошка через неармированную эластичную среду невозможно (рис. 4).

Установлено, что при прессовании по давлению (рис. \г, 1д) в армированной оболочке плотность в очаге уплотнения за один цикл распределена неравномерно. Последующий цикл со смещением прессовки на шаг приводит к выравниванию плотности по длине и соединению без трещин двух и последующих участков. Характерной особенностью последовательного формования по давлению является сохранение зависимости плотности от давления прессования, соответствующей данным теории и практики радиального прессования по всей длине изделия. Наблюдается тот же характер изменения плотности по радиусу трубы.

Исследовано влияние степени армирования на плотность и силовые параметры процессов. С увеличением армирования наблюдается улучшение качества прессовки - отсутствие трещин (рис. 5). Однако, существует предел степени армирования, превышение которой су-

Рис. 4. Вид брикета, полученного прессованием в неармирован-ной оболочке (а -за один цикл)

" ч

Рис. 5. Вид брикета, полученного прессованием в армированной оболочке (а - за один цикл)

щественно ограничивает радиальную деформацию оболочки и приводит с ростом давлений к потери ее способности многократно деформироваться. Оптимальная степень армирования с точки зрения качества и долговечности оболочек равна 20+30%. Установлено влияние трения и геометрии инструмента на усилие протягивания для схемы, показанной на рис. 1 в.

Проведенные аналитические и экспериментальные исследования показали, что последовательное радиальное прессование с использованием эластичных армированных оболочек позволяет получать трубы из ПМ с толщиной стенки до 10 мм и длиной 1200 мм с относительной плотностью и< 0,8. Процесс характеризуется уменьшением силовых затрат при прессовании по перемещению и отсутствием зависимости габаритов оборудования от длины изделия.

В пятой главе изложены результаты исследования процесса формирования структуры и свойств порошковых проницаемых материалов из порошков алюминия при СИП и последующем спекании в вакууме. Предполагалось, что особенности СИП с точки зрения создания напряжений в единичном контакте позволят разрушить поверхностную оксидную пленку и тем самым решить проблему спекания. Проведенные исследования показали, что даже при использовании СИП пластическое деформирование контактных областей не позволяет значительно активировать процесс спекания порошков алюминия, в особенности при получении проницаемых материалов, когда степень уплотнения невелика. Поэтому возникла необходимость в проведении комплекса теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования межчастичных контактов на стадии спекания порошковых проницаемых материалов, выявления влияния структуры и свойств поверхностной оксидной пленки на механизмы диффузионного массопереноса. Установлено, что микроструктура и толщина поверхностной оксидной пленки на исходных порошках зависит от их дисперсности и определяется, скоростью охлаждения частиц на стадии распыления. Высокая скорость охлаждения мелкодисперсных частиц порошка ПА-ВЧ-1 обеспечивает формирование поверхностной оксидной пленки аморфного строения, более низкое содержание кислорода в единице поверхности порошка и меньшую толщину поверхностной оксидной пленки по сравнению с крупнодисперсным порошком А-8. Оксид аморфного строения термодинамически неустойчив и при термообработке порошка превращается в кристаллический y-AhO3. В процессе полиморфного превращения происходит уменьшение площади оксидной оболочки, а при термообработке на воздухе - окисление обнажившихся участков металлического ядра частицы. Окисление алюминия сопровождается выделением тепла, о чем свидетельствует наличие экзотермического пика на кривой ДТА, и скачкообразным увеличением массы порошка в интервале температур 520-550 С. Экзотермический пик и увеличение массы отсутствуют, если поверхностная оксидная пленка имеет кристаллическое строение. Термообработка порошка в вакууме позволяет зафиксировать несплошности, обра-

зующиеся в поверхностной оксидной пленке в процессе ее кристаллизации. Термический анализ процесса окисления порошка алюминия на воздухе позволил установить зависимость площади экзотермического пика на кривых ДТА от времени предварительной термообработки в вакууме при температуре 580°С. Была определена взаимосвязь между длительностью термообработки в вакууме и содержанием образующейся при этом кристаллической фазы путем построения зависимости — = /(г),

где 5 - площадь экзотермического пика, образовавшегося при окислении порошка, предварительно термообработанного в вакууме в течение т часов, 5о- площадь экзотермического пика исходного порошка (рис. 6). Полученная графическая зависимость имеет экспоненциальный характер, что свидетельствует о диффузионном механизме процесса кристаллизации аморфной поверхностной оксидной пленки при термообработке порошка в вакууме.

На основании исследований процесса структурных превращений в поверхностной оксидной пленке предложена схема формирования в оксидной пленке несплошностей в виде сквозных каналов при термообработке порошков алюминия. Показана возможность вытеснения алюминия на поверхность частицы порошка через несплошности в поверхностной оксидной пленке под действием термических напряжений, и рассчитана толщина плакирующей частицу металлической пленки. В результате плакирования двухфазная система А1-А1203-А1, представляющая исходный единичный контакт между соприкасающимися частицами порошка алюминия, трансформируется в однофазную А1 - А1, для которой была рассчитана кинетика роста межчастичного контакта по известным уравнениям диффузионного спекания при контролирующих механизмах поверхностной и объемной диффузии для порошков различной дисперсности. Результаты аналитических исследований процессов твердофазного спекания порошков алюминия подтверждены экспериментальными данными. Вытеснение алюминия на поверхность частиц через несплошности в поверхностной оксидной пленке обеспечило необходимые условия для плакирования частиц алюминия металлической пленкой и формирования качественных межчастичных контактов при спекании.

t, ч

Рис. 6. Кинетика кристаллизации аморфной ПОКП при термообработке порошка ПА-ВЧ-1 в вакууме при 580 "С

Сравнение расчетного и экспериментального результатов исследования кинетики спекания порошка ПА-ВЧ-1 при 600 С показало, что экспериментальные данные отстают от расчетных на 2 - 2,2 ч. Обнаруженное отставание подтверждает зависимость процессов диффузии от строения поверхностной оксидной пленки, обусловлено ее кристаллизацией и соответствует времени максимальной скорости кристаллизации, т.е. превращению примерно половины объема исходного аморфного оксида. Процессы вытеснения металла на поверхность частиц, плакирование частиц пленкой алюминия и формирования контактов проиллюстрированы результатами электронномикроскопиче-ских исследований (рис.7).

Рис. 7. Микроструктура поверхности частиц порошка ПА-ВЧ-1 после 2,5 ч (а) и 3,5 ч (б) спекания при 600 "С.

Исследования процессов формирования структуры и свойств порошковых проницаемых материалов, полученных с применением СИП и последующим спеканием в вакууме, показали, что их физико-механические и гидравлические свойства в зависимости от давления прессования и гранулометрического состава порошка могут изменяться в достаточно широких пределах. Механизмы спекания как спрессованных, так и свободно насыпанных порошков алюминия определяются структурой поверхностной оксидной пленки, возможностью образования в ней несплошностей в процессе структурных превращений. Разработанная технология позволила решить проблему изготовления тепловых труб с капиллярной структурой из алюминиевых порошков.

В шестой главе изложены основные аспекты практического использования результатов исследовании, представлены разработанные технологические процессы и оборудование для СИП, показана перспектива развития. Особое место среди продуктов порошковой металлургии занимают проницаемые материалы (фильтры, испарители, аэраторы, капиллярно-пористые материалы, специальная керамика). С точки зрения качества порошковых проницаемых материалов, СИП на матрицу не имеет преимуществ относительно СИП на оправку и гидростатического прессования, однако в 2-5 раз

позволяет уменьшить энергосиловые затраты за счет существенного уменьшения объемов промежуточных сред, в 4 раза габариты, в 6 раз металлоемкость и в 10 раз стоимость оборудования.

Разработана технология СИП многослойных порошковых проницаемых материалов, включающая в себя поэтапную напрессовку слоев друг на друга разного гранулометрического состава, но одной природы материала. Данная технология обеспечивает повышение равномерности порораспределения фильтрующих материалов, их локальную проницаемость. Установлено, что двухслойные порошковые проницаемые материалы, полученные СИП, обладают более высокими коэффициентом проницаемости и параметром эффективности по сравнению с материалами, изготовленными осевым прессованием.

Разработана технология изготовления порошковых проницаемых материалов на основе TiCo,5 в режиме СВС-спекания. Экономический эффект достигается за счет снижения энергосиловых затрат на стадии СИП, использования внутренней энергетики реакции спекания и отсутствия внешней защитной атмосферы.

Разработана новая технология изготовления капиллярно-пористых испарителей тепловых труб на основе Ti. Уникальные свойства тепловых труб при отсутствии движущихся частей, их способностей передавать тепловые нагрузки на большие расстояния и т.д. делают весьма привлекательным применение тепловых труб в системах теплового контроля в космическом оборудовании, для охлаждения электронных устройств, в холодильных машинах на твердых сорбентах и системах двойного использования солнечной энергии для производства тепла и электроэнергии (разработка проведена совместно с ИТМОНАНБ).

Проведен комплекс исследований по применению СИП для получения высокотемпературных электрохимических устройств на основе сложной керамики, обладающей кислородионной либо смешанной ионно-электронной проводимостью. Предложены критерии выбора керамических материалов высокотемпературных электрохимических устройств: кислородных мембран различных типов, токоподводов высокотемпературных топливных элементов, токоподводов и твердоэлектролитной керамики для кислородных насосов. В качестве материала мембран генераторов кислорода высокой степени чистоты были выбраны твердые растворы со структурой перовскита La^SrfioO^ (х= 0,65- 0,70), которые отличаются высокой кислородопрони-цаемостью и стабильностью в окислительных атмосферах. Для мембранных конвертеров углеводородов и токосъемов высокотемпературных топливных элементов рекомендован оксид состава La06Sr0^ MnOy_s. Свойствами данной керамики, определяющими перспективность ее применения, являются стабильность, как в окислительных, так и в восстановительных атмосферах, достаточная проницаемость по кислороду и коэффициент термического расширения (КТР), близкий к КТР стабилизированного диоксида циркония - ос-

новного материала топливных элементов. В качестве твердого электролита для изготовления кислородных насосов был выбран керамический материал (й/0 75 70 25 015)С 95 {2гОг) 0 03 , отличающийся высокой проводимостью и механической прочностью при умеренной стоимости компонентов. Термодинамическая стабильность всех выбранных материалов в интервале температур и парциальных давлений кислорода, при которых предполагается их практическое применение, была подтверждена с использованием методов дифференциально-термического анализа, термогравиметрии, дилатометрических и высокотемпературных рентгенографических исследований.

Предложены методики синтеза и подготовки к прессованию оксидных материалов, выбранных для изготовления керамики высокотемпературных электрохимических устройств. Показано, что удельная кислородопроницае-мость керамики из кобальтитов лантана-стронция 1м^_х5гхСоОъ_ь (х=0,65-0,70) резко возрастает при повышении парциального давления кислорода. На основании анализа полученных результатов и литературных данных были предложены два основных варианта рабочего режима кобальтитовых кислородных мембран, первый из которых обеспечивает наиболее высокую производительность, а второй - наибольшую простоту конструкции генераторов кислорода при максимально возможной в данных условиях производительности. В указанных режимах были проведены ресурсные испытания керамических мембран состава /.а03,5>065СоО3.8. Установлено, что снижение кислоро-допроницаемости в результате старения керамики в течение 450 часов при 1100±10 К не превышает 10% по отношению к первоначальной величине проницаемости.

Разработаны технологии СИП и спекания газоплотной керамики Ьа^СоО^ (х=0,65-0,70), Ьа^г^МпО^ и (&'0 75^25С| 5)095(гг02)005 . Изучены особенности спекания данных материалов. Результаты испытаний изготовленной керамики показали, что она выдерживает более 100 термоциклов без растрескивания и значимого снижения эксплуатационных характеристик.

В результате проведенных исследований показано, что процессы СИП могут быть использованы для получения керамики с кислородной и смешанной ионно-электронной проводимостью, что позволяет создать электрохимические устройства, обеспечивающие снижение себестоимости и ресурсоем-кости традиционных процессов. Изготовлены опытные образцы мембран и изучены их свойства.

Разработана технология получения электронагревателей на основе термически расщепленного графита, включающая в себя: осевое прессование до /з = 0,3+0,5 г/см3, СИП на оправку до /> = 1,6-5-1,8 1/см3, осевую калибровку р = 1,9-ь2,0 1/см3, накатку внутренних канавок и сверление радиального отверстия. В результате использования новой технологии плотность повысилась на 20%, количество циклов работы одной детали увеличилось в 2 раза, улучшилась культура производства за счет отсутствия операции обработки

графита резанием. Коэффициент использования материала по новой технологии составил 99%. Стоимость изделия уменьшилась в 2 раза.

Технологические процессы СИП, оборудование, инструмент, изделия внедрены в НИИ ПМ и НИИ импульсных процессов БГ НПК ПМ, БГУ, ИТ-МО НАНБ, АО «Полема-Тулачермет»,НПП «РЭСТИ» (г. Ижевск, РФ), ТОО «Люмекс» (г.Санкт-Петербург), ГП МЗАЛ. На кафедре «Новые материалы и технологии» МИПК при БГПА организован опытный участок по изготовлению ППМ широкого целевого назначения. Основные результаты и методики исследований использованы в учебных курсах «Технология новых материалов» МИПК при БГПА и «Порошковая металлургия и композиционные материалы» БГПА.

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 17043 млн. рублей, ожидаемый экономический эффект - 32480 млн. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 .Развита модель пластичности уплотняемых порошковых сред с частицами сложной формы, базирующаяся на условии текучести с поверхностью аагружения в виде центрального эллипсоида, ориентированного вдоль гидростатической оси, отличающаяся тем, что в модели, кроме компонент тензора напряжений, плотности и механических характеристик материала среды, присутствует параметр, содержащий информацию о структурных особенно-:тях порошкового тела, упрочнении материала, форме частиц, способе полу-1ения порошка, межчастичном трении, что обеспечивает более высокий уровень достоверности расчетов энергосиловых параметров изостатического прессования и предоставляет возможность управления свойствами изделия ;1,2, 3,5,36,37].

2. Разработана контактная модель прессования сферических порошков, этличающаяся от известных тем, что представляется совокупностью ортогонально расположенных сфер, взаимодействие между которыми определяется гаощадью межчастичной контактной площадки и фактическим напряжением га ней. Геометрическое усложнение этой модели, позволяющее сделать переход от плоского напряженно-деформированного состояния к объемному, осуществляется переходом от сжатия цилиндров к сжатию сфер с введением тромежуточной формы частиц в виде квазисфер, поверхность которых пред-:тавляет собой пересечение трех цилиндров. Разработанная модель позволяет этойти от эмпирических методов и повысить точность технологических рас-1етов за счет теоретически обоснованного комплекса взаимосвязи физических и технологических параметров процесса. Точность расчетов подтверждена экспериментально. Разработанная модель может служить основой для

создания технологических процессов, направленных на стабильное получение изделий с заданными свойствами [1].

3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования ради-ально-изостатического прессования в замкнутом объеме. Путем совместного решения уравнения равновесия, условия пластичности, определены напряженное состояние и распределение плотности в прессовках. Показано, что положение полного вектора напряжений, соответствующее схеме прессования, определяется точкой на поверхности нагружения, лежащей между осевым прессованием в пресс-форме без внешнего трения и всесторонним равномерным сжатием. Определено напряженно-деформированное состояние эластичной оболочки. Впервые установлена связь давления прессования с плотностью, механическими и структурными параметрами прессовки, геометрией изделий с учетом реологических свойств и конструктивных параметров эластичного инструмента. Показано, что сухое изостатическое прессование порошков на оправку и матрицу имеет существенные преимущества по сравнению с осевым прессованием в жесткой матрице. Получены уравнения для расчета энергосиловых параметров. Определён параметр энергетической эффективности разработанных и усовершенствованных процессов прессования относительно традиционных. Показано, что СИП на оправку и матрицу позволяет в 2,5-4,5 снизить энергозатраты по сравнению с гидростатическим прессованием [20,25,29,33,39].

4. Теоретически и экспериментально исследованы процессы последовательного радиально-изостатического прессовании по перемещению и давлению в незамкнутом объеме. Поставлена и решена численными методами нелинейная задача по расчету напряженно-деформированного состояния эластичного инструмента (оболочки) в очаге деформации и за его пределами. Впервые выявлены эффекты перетекания эластомера и влияние этого явления на свойства изделий. Обосновано применение армированных эластичных оболочек для последовательного прессования труб и показано, что без армирования процесс получения качественных изделий невозможен. Установлено, что оптимальная степень армирования оболочки при прессовании на оправку равна 20н-30%, а при уплотнении порошка на матрицу - 40^-50%. Получены зависимости для определения силовых параметров процессов последовательного прессования. Исследовано распределение плотности в получаемых изделиях и ее связь с конструктивными параметрами оборудования и технологическими режимами обработки [3, 18,22, 24, 33].

5. Установлен механизм формирования структуры и свойств ППМ из порошков алюминия в процессе СИП и последующего твердофазного спекания в вакууме. Разработана физическая модель формирования контактов между частицами алюминия, которая в отличие от известных рассматривает процессы полиморфных превращений ПОКП и образования в ней несплош-ностей в виде сквозных каналов, вытеснение алюминия на поверхность частиц и их плакирование металлической пленкой, диффузионный перенос

алюминия в область контакта. Впервые рассчитана кинетика роста межчастичных контактов при контролирующем механизме поверхностной и объемной диффузии для частиц алюминия различной дисперсности. Экспериментально подтверждена предложенная физическая модель, разработан принципиально новый способ активации спекания порошков алюминия, основанный на предложенной модели формирования несплошностей в ПОКП при термообработке порошка алюминия, вытеснении алюминия на поверхность частицы и плакировании частицы алюминием. Установлено, что процессу спекания частиц алюминия, покрытых ПОКП аморфного строения, предшествует период времени, длительность которого составляет 2.,.2,5 ч и соответствует времени кристаллизации 50% объема аморфного оксида. Определены физико-механические и гидравлические свойства ППМ в зависимости от давления прессования [17,31].

6. Для реализации процессов СИП в замкнутом объеме и последовательном уплотнении порошков на оправку и на матрицу разработаны новые спо-:обы и устройства. На основании проведенных расчетов напряженно-реформированного состояния эластичного инструмента с учетом реологиче-жих свойств эластомеров выработаны рекомендации по оптимизации конструкций оборудования с целью минимизации энергозатрат в процессах прес-ювания. Предложена методика расчёта основных параметров, конструктив-1ых особенностей инструмента и способа его изготовления. Показано, что :ИП в замкнутом объеме позволяет получать изделия простой и сложной [юрмы (трубы, стержни, стаканы, детали с развитой наружной и внутренней юверхностями) в широком диапазоне размеров (йн< 200 мм; Ь < 800 мм) и шотностей (и < 0,8) с равномерным распределением плотности по объему. •Использование пакетного прессования с параллельной или последовательной :хемами расположения элементов увеличивает производительность в 3+5 >аз. Процессы последовательного прессования характеризуются отсутствием ависимости габаритов оборудования от длины изделия и позволяют полугать трубы с равномерной плотностью, толщиной стенки до 10 мм, длиной .<1200мм и относительной плотностью и <0,7 [6,7,19,21,22,24,41-50].

7. Установлено, что СИП обеспечивает равномерность порораспределе-[ия однослойных ФМ на 21+37% и увеличивает локальную проницаемость [а 28% по сравнению с осевым прессованием за счет равномерности распре-[еления плотности по объему и отсутствия поверхностного закрытия пор. 'азработана технология СИП многослойных ФМ. Показано, что двухслой-ме изделия обладают коэффициентом проницаемости на 30+50% выше по равнению с фильтрами, изготовленными осевым прессованием. Параметр ффективности двухслойных ФМ на 13+20% выше и на 75+100% превышает налогичный параметр соответственно двухслойных и однослойных ППМ, олученных осевым прессованием за счет повышения равномерности поро-аспределения и локальной проницаемости [9,23,26,27,28].

8. Обосновано применение СИП для изготовления фильтрующих, капиллярно-пористых материалов, функциональной керамики, конструкционных изделий из вольфрама, молибдена, карбида вольфрама, термически расщепленного графита (ТРГ). На основе проведенного комплекса исследований разработаны и внедрены в производство научно обоснованные технологические процессы объемного и последовательного СИП ПМ на основе металлов, керамики и графита, в том числе:

• Технология СИП керамических изделий в форме труб и пробирок состава Ьа1х8гхСоОзг (х=0,65-0,70), Ьа^^^МпО^ и

(Ш У О ) (2г0 ) , предназначенных для применения в качестве 4 0,75 0,25 1,5 0,95 2^0.05 г г

мембран высокотемпературных электрохимических генераторов кислорода и

конвертеров углеводородов и токовых коммуникаций топливных элементов с

оксидными твёрдыми электролитами. Оптимизированы методики синтеза и

подготовки шихты исходных материалов, предложены методики спекания

газоплотной керамики, оптимальные варианты применения кислородных

мембран из кобальтитов лантана-стронция ЬаХ х8гхСоОъ в (х=0.65-0.70). На

основании ресурсных испытаний мембран установлено, что при соблюдении рекомендованных условий эксплуатации снижение кислородионной проницаемости мембран в результате старения керамики составляет не более 10% по отношению к первоначальным величинам проницаемости в течение 450 часов [13,14,15,16,32,35].

• Технология изготовления контурной тепловой трубы на основе порошков 77, позволяющая получать капиллярно-пористый испаритель имитатора цикла Ренкина для производства тепла и электроэнергии с термическим

к

сопротивлением труб Л = 0,03— и тепловой нагрузкой 400-1000 Вт [11,12].

Вт

• Технология, оборудование для получения ППМ при СИП смесей 77 + С0, с последующим спеканием прессовок в режиме СВС (НСо,¡)- За счет использования внутренней энергетики СВС-спекания экономия энергии составила 60% [8,38].

• Технология и оборудование для получения нагревателей на основе графитовых элементов и вольфрамовых катодов в приборах для контроля жидкостей, позволяющие в 2-3 раза снизить энергозатраты, в 3 раза уменьшить стоимость и в 4 раза увеличить производительность. Коэффициент использования материала увеличился в 4,7 раза.

• Технология и оборудование для СИП изделий специального назначения }У + Си ), позволяющие улучшить качество изделий за счет равномерного распределения плотности компонентов, повысить в 2 раза производительность труда по сравнению с гидростатическим прессованием за счет уменьшения объемов промежуточных передающих давление сред.

• Обоснованы области рационального применения и перспективы развития СИП для получения изделий широкого целевого назначения.

Внедрение результатов исследований в РБ и СНГ обеспечило реальный экономический эффект 17043 млн. рублей, ожидаемый экономический эффект составляет 32480 млн. рублей [30,34,40].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Реут О.П., Богинский Л.С., Петюшик Е.Е. Сухое изостатическое прессование уплотняемых материалов. - Минск: «Дэбор», 1998. - 258 с.

2. Степаненко A.B., Богинский Л.С., Реут О.П., Павловская Л.Ф. Исследование процесса гидростатического прессования в полиуретановых оболочках// Металлургия: Сб. ст./ Минск: Вышэйшая школа, 1986.- Вып. 20,- С.93-?5.

3. Богинский Л.С., Реут О.П., Реут Л.Е. Волочение тонкостенной метал-шческой оболочки, заполненной порошковым материалом// Металлургия: 36. ст./Минск: Вышэйшая школа, 1987.-Вып. 21.- С.34-37.

4. G. Jangg, О. Reut. S. Woronow. С. Chanduvi. Dispersionverfestige \luminium-Werkstoffe mit guten Hochtemperaturfestigkeiten und guten hermischer Bestaendigkeit //12 Iternational Plansee Seminar.-1989.- Vol.3, S. S15-331.

5. L.S.Boginsky, E.E.Petiyshik, O.P.Reut, V.E.Romanenkov. Modern echnologies and equipment to obtain powder produkts // Inter. Conf. Pow. Met. :iuj-Napoca, Romania.-l996,- P.285-288.

6. Богинский Л.С., Петюшик E.E., Реут О.П., Куличенков В.П. Оптими-;ация формы и размеров порошковых пористых изделий // Порошковая металлургия,- 1996.- № 11-12. - С. 80-84.

7. Boginsky, Е.Е. Petyushik, O.P.Reut, V.E.Romanenkov. New Technologies n the Production of Powder Materials and Coatings// 1-st Belarussian-German ieminar "Advanced Technologies for Material Processing and Repairing of worn->ut Parts", Minsk.- 1996. - P. 118 - 126.

8. Реут О.П., Петюшик Е.Е., Загайгора И.Г., Богинский Л.С. Получение :омпозиционных покрытий в совмещенных процессах нанесения смесей по-юшков и последующего их СВС-спекания, // Современные материалы, обо-|удование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: Сб. т./ Новополоцк, 1997,- Вып. 3,- С.90-93.

9. Петюшик Е.Е., Реут О.П., Богинский Л.С., Загайгора И.Г. Технология юлучения изделий со специальным поверхностным слоем. // Современные ттериалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления дета-:ей машин: Сб. ст./ Новополоцк, 1997.- Вып. 3.- С.88-89.

Ю.Реут О.П. О принципах теоретического описания прессования порошковых материалов//. Совершенствование технологических процессов и

организации производства в легкой промышленности и машиностроении: Сб ст. XXX научно -техн. конф / Витебск, 1997.- С. 117-118.

11.L.S.Boginsky, O.P.Reut, I.G.Sagaigora, E.E.Petiycshik, L.L.Vasiliev Jr Capillary pumped evaporator.// 3 Int. Sem. "Heat Pipes, Heat Pumps Refrigerators", Mihsk.- 1997. -P.198-202.

12.L.L. Vasilicv, D.A. Mishkinis, A.A. Antukh, L.L. Vasiliev Jr., O.P. Reut V.E. Romanenkov. New solar solid sorption refrigerator//3 Int. Sem. "Heat Pipes Heat Pumps, Refrigerators", Mihsk.- 1997.- P. 24-29.

13.A.V. Kovalevsky, V.V. Kharton, V.N. Tikhonovich, E.N. Naumovich A.A. Tonoyan, O.P. Reut and L.S. Boginsky. Oxygen Permeation Through Sr(Ln)Co03.g (Ln- La, Nd, Sm, Gd) Ceramic Membranes // Materials Science anc Engineering.- 1998.- Vol.52.- P.105-116.

14.V.V. Kharton, A.P. Viskup, D.M. Bochkov, E.N. Naumovich and O.P Reut. Mixed Electronic and Ionic Conductivity of LaCo(M)03 (M= Ga, Cr, Fe oi Ni). III. Diffusion of Oxygen Through LaCo]-x.yFexNiy03±5 Ceramics// Solid State Ionics.- 1998.- Vol.110.- P.61-68.

15.V.V. Kharton, A.P. Viskup, E.N. Naumovich, A.A. Tonoyan and O.P. Reut. Oxygen Ionic Transport in A-Site-Deficient Perovskites La(Pb)Fe03.E //Materials Research Bulletin.- 1998.- Vol.33.- P.1087-1093.

16.V.V. Kharton, A.V. Kovalevsky, A.P. Viskup, E.N. Naumovich and O.P. Reut. Oxygen Permeation Through Perovskite-Like SrCo(M)03_s (M= Ti, V, Cr, Fe, Cu) and Sr(Ln)Co03.6 (Ln= La, Nd, Sm, Gd)// Proc. 3rd Int.Symp. on Ionic and Mixed Conducting Ceramics "Ionic and Mixed Conducting Ceramics III" Eds.T.A.Ramanarayanan, W.L.Worrell, H.L.Tuller, A.C.Krandkar, M.Mogensen and W.Gopel, PV97-24, The Electrochemical Society, Pennington, NJ.- 1998,- P. 736-750.

17.Реут О.П., Романенков B.E. Влияние структуры поверхностной оксидной пленки на механизм спекания порошка алгоминия//Весщ Акад. навук Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. нав,- 1998,- №1,- С. 11-15.

18.Степаненко А.В., Богинский Л.С., Реут О.П. Установка для прессования труб из металлических порошков: Информ. листок/ №85-9, БелНИИН-ТИ.-Минск, 1985,- 1 с.

19.Богинский Л.С., Реут О.П., Павловская Л.Ф. Пресс-форма для гидростатического прессования порошков: Информ. листок/ №85-10, БелНИИН-ТИ.-Минск, 1985.-1 с.

20.Богинский Л.С., Реут О.П., Павловская Л.Ф. Получение и применение полиуретановых оболочек для гидродинамического прессования металлических порошков: Информ. листок/ № 024-1985, БелНИИНТИ.-Минск, 1985.-1 с.

21.Богинский Л.С., Реут О.П., Павловская Л.Ф. Установка для прессования труб из металлических порошков: Информ. листок/ № 86-43, БелНИИН-ТИ.-Минск, 1986.-1 с.

22.Реут О.П., Бобрович Т.А. Выговская Е. Экспериментальная установка для циклического формования длинномерных изделий из металлических порошков/Лез. Докл. на 25 СНТК вуз. Прибалт, респ., БССР и Молд. ССР.-Таллин, 1981,- Т.2.-С.131.

23.Реут О.П., Бобрович Т.А., Кобрина Л. Применение пористых материалов для глушения шума.//Тез. Докл. на 25 СНТК вуз. Прибалт. Респ., БССР и Молд. ССР,- Таллин, 1981.- Т.2.-С. 156-157.

24.Реут О.П., Камилова И.Г., Корогода B.C. Установка для последовательного прессования изделий из металлических порошков//Тез. докл. на 30 СНТК вуз. Прибалт. Респ., БССР и Молд. ССР.- Таллин, 1986,- Т.2.-С.134.

25.Петюшик Е.Е., Богинский Л.С., Реут О.П. Оптимизация энергетических параметров в процессах изостатического прессования//Тез. докл. Международ. семинара на базе 1-й Международ. выставки "Энергоресурсосбережение '95", 27-29 марта 1995 г.- Минск, 1995.-С.125-127.

26.Богинский Л.С., Реут О.П., Петюшик Е.Е., Романенков В.Е. Разработка эффективных устройств для водоподготовки//Инжснерно-экологические проблемы курортов Беларуси: Тез. докл. семинара/ под ред. акад. Г.М.Шутова.- Минск, 1995,- С.31-32.

27.Богинский Л.С., Реут О.П., Петюшик Е.Е., Котковец С.Л., Романенков В.Е. Разработка эффективных фильтрующих устройств для доочистки питьевой воды с использованием порошковых проницаемых материалов//. Проблемы промышленной экологии и комплексная утилизация отходов производства: Тез. докл. международ, науч. конф., 3-4 октября 1995 г.- Витебск, 1995.-С.54-55.

28.Васин Н.В., Петюшик Е.Е., Реут О.П., Богинский Л.С. Разработка новых конструкций пневматических аэраторов для водоочистных сооружений II. Проблемы промышленной экологии и комплексная утилизация отходов производства: Тез. докл. международ, науч. конф., 3-4 октября 1995 г.- Витебск, 1995,- С. 56-57.

29.Богинский Л.С.,Петюшик Е.Е., Реут О.П. Энергосберегающие технологии получения порошковых изделий широкого целевого назначения // Тез. цокл. Международ, семинара на базе 1-й Международ, выставки "Энергоре-:урсосбережение'95", 27-29 марта 1995 г.- Минск, 1995 - С. 124 - 125.

30.Петюшик Е.Е., Шелехина В.М., Реут О.П., Богинский Л.С. Технология и оборудование для получения термостойких керамических изделий // Материалы, технологии, инструмент: Тез. докл.. П-ой Респ. конф. "НОМА-ГЕХ-96", 15-17 мая 1996 г.- Минск, 1996.-С. 50.

31.Богинский Л.С., Романенков В.Е., Петюшик Е.Е., Реут О.П. Особенности формирования проницаемых материалов из порошков алюминия. // Материалы, технологии, инструмент: Тез. докл.. Н-ой Респ. конф. "НОМА-ГЕХ-96", 15-17 мая 1996 г.- Минск,1996.-С. 38-39.

32.Богинский Л.С., Хартон В.В., Реут О.П. Технологии изготовления и применения керамики высокотемпературных электрохимических кислородных мембран// Новые материалы и технологии порошковой металлургии: Тез. докл. 7-й Международ, выставки и симпозиума, 19-20 марта 1997 г.Минск, 1997.- С.89.

33.Реут О.П., Богинский Л.С., Петюшик Е.Е., Загайгора И.Г. Новое направление в области прессования и спекания порошковых проницаемых материалов (llllM) // Новые материалы и технологии порошковой металлургии: Тез. докл. 7-й Международ, выставки и симпозиума, 19-20 марта 1997 г.Минск, 1997.-С.85-86.

34.Александров В.М., Скугарь A.A., Богинский Л.С., Реут О.П., Загайгора И.Г. Новая технология изготовления многофункциональных проницаемых сетчатых материалов// Новые материалы и технологии порошковой металлургии: Тез. докл. 7-й Международ, выставки и симпозиума, 19-20 марта 1997 г.- Минск, 1997.-С.103-104.

35.V. Kharton, A. Kovalevsky, О. Reut, A, Viskup, Е. Naumovich. Oxygen Permeation Through Pervoskite-like SrCa(M)0}.s (M=Ti, V, Cr, Fe and Cu) and Sr(Ln)Co03.s (Ln =La, Nd,Sm and Gd)//Abstracts of 1997 Joint International Meeting of the Electrochemical Society and the International Society of Electrochemistry, 31.8-5.09.1997,- Paris, 1997.- P. 2576.

36.Загайгора И.Г., Реут О.П., Богинский Л.С. Развитие модели пластичности уплотняемой порошковой среды// Реолопчш модел1 та процеси де-формування пористих i композицшних матер1£шв: Тез. докл. Международ. Семинара, 29 сентября - 5 октября 1997 г.- Луцк, 1997,- С. 25 -26.

37.Богинский Л.С., Реут О.П., Петюшик Е.Е., Загайгора И.Г. Развитие процессов изостатического прессования порошковых материалов // Реолопчш модел1 та процеси деформування пористих i композицшних матер1агпв: Тез. докл. Международ. Семинара, 29 сентября - 5 октября 1997 г.- Луцк, 1997.- С. 23 -24.

38.Реут О.П., Коваль О.И., Рыбаков Д.В. Нанесение защитных покрытий с использованием реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтезаУ/Материалы, технологии, инструмент: Тез. докл. III-й Респ. конф. «НОМАТЕХ-98», 21-22 мая 1998 г.- Минск, 1998 г.-Хя 2,- т.З.- С.68.

39.Петюшик Е.Е., Реут О.П., Якубовский А.Ч, Наркевич В.И. Разработка эластичного инструмента для прессования сложных порошковых изделий. // Технические ВУЗы - республике: Тез. докл. Международ. 52-й научно-техн. конф. профессоров, преподавателей, научн. работников, аспирантов и студентов БГПА.- Минск, 1997.-Ч 2. - С.155.

40.Петюшик Е.Е., Богинский Л.С., Реут О.П., Романенков В.Е., Макар-чук Д.В. Технология изготовления многослойных проницаемых сетчатых изделий // Материалы, технологии, инструмент: Тез. докл. III-й Респ. конф. «НОМАТЕХ-98», 21-22 мая 1998 г.- Минск, 1998 г.-№ 2.- Т.З.- С.143.

41.A.c. 816692 СССР, МКИ B22F 3/02. Устройство для прессования металлических порошков/Жданович Г.М., Богинский JI.C., Реут О.П., Плевко \.А. (СССР).-№ 2760550/22-02; Заявлено 03.05.79; Опубл. 10.04.81, Бюл. № 12//Открытия. Изобретения.- 1981.-№12.-С.68.

42.А.С. 859031 СССР, МКИ B22F 3/02. Устройство для формования (линномерных изделий из порошка/Степаненко A.B., Богинский Л.С., Реут Ш. (СССР).- № 2858389/22-02; Заявлено 25.12.79; Опубл. 30.08.81, Бюл. № !2//Открытия. Изобретения.- 1981.-№32.- С.91.

43.A.c. 872029 СССР, МКИ B22F 3/02. Устройство для формования (линномерных полых изделий из металлических порошков/ Степаненко A.B., югинский Л.С., Реут О.П. (СССР).- №2860498/22-024; Заявлено 30.10.79; )публ. 15.10.81, Бюл. № 38// Открытия. Изобретения,- 1981.-№ 38.-С.79.

44.A.c. 1006059 СССР, МКИ B22F 3/02. Устройство для прессования ме-аллических порошков/ Степаненко A.B., Богинский U.C., Реут О.П. (СССР).-^3303303/22-02; Заявлено 11.06.81; Опубл. 23.03.83, Бюл. № 11// Открытия. Ьобретения,- 1983.-№11.-С.88.

45.А.С. 1068227 СССР, МКИ B22F 3/02. Способ прессования трубчатых иделий из порошков и устройство для его осуществления/. Степаненко A.B., югинский Л.С., Реут Л.Е., Реут О.П. (СССР).-№3435339/22-02; Заявлено 2.05.82; Опубл. 23.01.84, Бюл. № 3// Открытия. Изобретения,- 1984.-С.82.

46.A.C. 1219251 СССР, МКИ B22F 3/02. Устройство для изостатического рессования длинномерных изделий из порошка/Степаненко A.B., Богинский I.C., Реут О.П., Павловская Л.Ф. (СССР).-№3808438/22-02; Заявлено 0.10.84; Опубл. 23.03.86, Бюл. № 11// Открытия. Изобретения,- 1986.-С.72.

47.A.c. 1383610 СССР, МКИ B22F 3/02. Устройство для формования линномерных изделий из порошка/. Богинский Л.С., Камилова И.Г., Реут ).П. (СССР).-№4052833/31-02; Заявлено 08.04.86, без права открытой публи-ации.

48.A.C. 1310111 СССР, МКИ B22F 3/04. Пресс-форма гидростатического рессования из порошка полых заготовок/. Степаненко A.B., Богинский Л.С., еут О.П., Одуев В.П. (СССР).-№3966076/31-27; Заявлено 21.10.85; Опубл. 5.05.87, Бюл. № 18//Открытия. Изобретения.- 1987.-С.69.

49.A.c. 1510982 (СССР), МКИ B22F 9/04. Способ получения стального орошка/ Дьяконов О.М., Ивашин В.В., Ульянко Л.А., Хренов О.В., Реут >.П., Романов В.А. (СССР).-№4328203; Заявлено 17.11.87; Опубл. 30.09.89, юл. № 36// Открытия. Изобретения.-1989.-С.80.

50.Положит. решение, о выдаче патента РБ по заявке № 961179 от 7.12.1996 г. Устройство для прессования изделий из порошка. В 22F 3/02, ^04/ Реут О.П., Богинский Л.С., Петюшик Е.Е., Загайгора И.Г.

(

РЭЗЮМЕ РЭУТ АЛЕГ ПАУЛАШЧ

Тэарэтычныя 1 тэхналапчныя асновы павышэння эфектыунасщ працэса^ сухога ¡застатычнага прасаванпя парашковых матэрыялау

Ключавыя словы: эфектыунасць, сухое ¡застатычнае прасаванне, на пружана-дэфармаваны стан, ушчыльняемае дыскрэтнае асяроддзе, кантыну альная 1 кантактная мадэль прамежнаванае асяроддзе, эластамер, ар М1раванне, энергасшавыя выдатш, структура 1 уласщвасщ вырабау, тэхна лопя, абсталяванне, шструмент.

Аб'ект даследавання - працэсы 1 абсталяванне для сухог; ¡застатычнага прасавання пры ушчыльненш парашкоу на матрыцу 1 апрауку.

Мэтаю працы з'яуляедца развщцё тэарэтычных 1 тэхналапчных асноу працэсау сухога ¡застатычнага прасавання пры ушчыльненш парашкоу н; матрыцу \ апрауку, нагараваных на павышэнне эфектыунасщ, стварэнне укараненне новых тэхналапчных схем, абсталявання 1 шстумента, яюя забяс печваюць атрыманне вырабау шырокага мэтавага прызначэння з палепша ным! уласц1васцям1, даюць эканомпо матэрыяльных 1 працоуных рэсурсау павышэнне прадукцыйнасщ працы.

Распрацаваны новыя спосабы 1 прыстасаванш для сухога ¡застатычнап прасавання з прымяненнем эластычных абалонак шматразовага выкарыстан-ня.

Атрымал1 далейшае развщцё мадэл! гшастычнасщ i кантатнага уза-емадзеяння часцшак ушчыльняемых парашковых асяроддзяу з улжам структурных характарыстык (шчыльнасщ, аб'ему 1 формы порау, плошчы кантаюу часцшак), што дазваляе больш дакладна адлюсраваць карцшу напружана-дэфармаванага стану I уласцшасцяу вырабу. Выкананы комплекс тэарэтычных 1 эксперымантальных даследаванняу па разлку напружанняу, дэфарма-цый, шчыльнасщ 1 энергасшавых параметрау з уткам уплыву эластычных перадаючых асяроддзяу для прагназавання уласщвасцяу парашковых матэрыялау I рацыянальнага праектавання тэхналогш 1 абсталявання сухога ¡застатычнага прасавання.

Тэарытычна абгрунтавана актывацыя працэсу спякання парашкоу алюмшш шляхам фарм1равання несуцэльнасцяу у павярхоунай аксщнай плёнцы пры тэрмаапрацоуцы, даследавана юнетыка пал1морфных пе-раутварэнняу, вывучаны уплыу мшраструктуры на мехашзмы дыфузп пры цвердафазавым спяканш алюмшта.

На аснове праведзенных даследаванняу распрацаваныя 1 укаранёныя у вытворчасць тэхналогн I абсталяванне для сухога ¡застатычнага прасавання фшьтруючых, капшярна-порыстых матэрыялау, функцыянальнай керамта I граф^тау. 1х прымяненне забяспечыла рэальны эканам1чны эфект 17 043 млн. рублёу у цэнах на 01.01Л 999г.

РЕЗЮМЕ РЕУТ ОЛЕГ ПАВЛОВИЧ

Теоретические и технологические основы повышения эффективности процессов сухого изостатического прессования порошковых материалов

Ключевые слова: эффективность, сухое изостатическое прессование, напряженно-деформированное состояние, уплотняемая дискретная среда, континуальная и контактная модели, промежуточная среда, эластомер, армирование, энергосиловые затраты, структура и свойства изделий, технология, оборудование, инструмент.

Объект исследования - процессы и оборудование для сухого изостатического прессования при уплотнении порошков на матрицу и оправку.

Целью работы является развитие теоретических и технологических основ процессов сухого изостатического прессования при уплотнении порошков на матрицу и оправку, направленных на повышение их эффективности, создание и внедрение новых технологических схем, технологий, оборудования и инструмента, обеспечивающих получение изделий широкого целевого назначения с улучшенными свойствами, дающих экономию материальных и трудовых ресурсов, повышение производительности труда.

Разработаны новые способы и устройства для сухого изостатического прессования с применением многоразовых эластичных оболочек.

Получили дальнейшее развитие модели пластичности и контактного взаимодействия частиц уплотняемых порошковых сред с учетом структурных характеристик (плотности, объема и формы пор, площади контакта частиц), что позволяет точнее отразить картину напряженно-деформированного состояния и свойств изделия. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по расчету напряжений, деформаций, плотности и энергосиловых параметров процессов с учетом влияния эластичных передающих сред для прогнозирования свойств порошковых материалов и рационального проектирования технологий и оборудования сухого изостатического прессования

Теоретически обоснована активация процесса спекания порошков алюминия путем формирования несплошностей в поверхностной оксидной пленке при термообработке, исследована кинетика полиморфных превращений, изучено влияние микроструктуры на механизмы диффузии при твердофаз-яом спекании алюминия.

На основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство технологии и оборудование для сухого изостатического прессования фильтрующих, капиллярно-пористых материалов, функциональной керамики л графита, что обеспечило реальный экономический эффект 17043 млн. руб-тей в ценах на 01.01.1999г.

SUMMARY REUT OLEG PAVLOVICH

Theoretical and technological aspects of improving the efficiency in the processes of powder materials dry isostatic pressing

Key-words: efficiency, dry isostatic pressing, state of strain and deformation, compressed discrete medium, continuous and contact models, inter-medium, elasticity measurement device, armouring, energy and power consumed, structural and qualitative features of manufactured products, technologies, equipment, instrument.

The object of research: the process and equipment for dry isostatic pressing working with moulds and mandrels.

The purpose of research: enlarging theoretical and technological basis of the dry isostatic pressing processes in order to improve the efficiency of dry isostatic pressing when compressing powders for moulds and mandrels, creating and indroducing new technologies, new technology schemes, equipment and instrument which results in creation of better quality many purpose products, in economizing material and labour resources and in an increase of productivity.

New methods and devices for diy isostatic pressing using multi-disposable elastic casings were developed. Elastic models and models of contact interaction of particles in powders under pressure were developed (taking into consideratoin such structural aspects as density, dimensions and shape of pores, the contact-surface) which makes clearer the study of product features and the strain and deformation state. Theoretical and experimental research on strain, deformation, density, energy and power factors and on their calculation was carried out considering the impact of elastic conductive mediums which helps to forecast powder materials features and optimal innovationas in technologies and equipment for dry isostatic pressing.

Activated alluminium powder clinking due to heat treatment which caused the formations in oxide pellicle on the surface of material was theoretically reasoned, then research on kinetics of polymorphous materials was carried out, microstructure-impact on diffusion and cake-clinking of alluminium was studied.

On the basis of this research, technologies and equipment for dry isostatic pressing filters, capillary-pored materials, functional ceramics and graphite have been introduced into the manufacturing process. The economic efficiency of the research is 17 043 mln Belarusian rubles (the prices of January 1,1999).