С. С. Кипарисов, в. Е. Перельман, О. В. Роман

ЗАКОНОМЕРНОСТИ УПЛОТНЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Широко распространенные зависимости, устанавливающие ту или иную однозначную связь между давлениями прессования и плотностью порошкового материала, относятся, строго говоря, только к тем схемам прессования, для которых они были получены, и не могут трактоваться как некие всеобщие закономерности. Ряд данных, отмеченных при описании таких процессов формования, как прессование тонкостенных втулок с подвижной иглой (матрицей), прокатка порошковых материалов и их экструзия, уплотнение в установках трехосного нагружения и т. д., свидетельствует о том, что изменение плотности пористого (порошкового) материала существенно зависит не только от усилий прессования, но и от условий деформирования материала.

В настоящей работе поставлена задача определить влияние совокупности указанных факторов на ход процесса уплотнения пористых сред.

Увеличение плотности прессовки неотделимо от того факта, что в формируемом материале имели место необратимые, т.е. неупругие деформации. Следовательно, тело, имеющее некоторую текущую пористость, было нагружено таким образом, что его прочность оказалась не­достаточной, чтобы деформация материала оставалась в упругой области. Действительно, в любой фиксированный момент процесса прессования прочность уплотняемого материала, характеризуемого определен­ным расположением частиц и связей между ними, составом, формой и т. д., является достаточной, чтобы выдержать внешние нагрузки, сформировавшие рассматриваемую пористую пространственную конструкцию; и естественно, что дальнейшего уменьшения пористости прессовки нельзя достигнуть без разрушения последней [1]. Это обстоятельство позволяет принять следующие основные положения:

1)     порошковый (пористый) материал в течение всего процесса уплотнения находится в предельном напряженном состоянии;

2)    интенсивность процесса уплотнения не только зависит, а определяется условиями деформации материала.

Последнее для процессов прессования пористых сред является своего рода трактовкой общеизвестного факта, что способность материала сопротивляться нагрузкам в значительной мере связана не столько с величиной этих нагрузок, сколько с характером их приложения.

Таким образом, на первом этапе исследование сводится к установлению условий, при которых в пористых материалах начинаются необратимые деформации. Эта часть работы проведена на установке (рис. 1), где в сравнительно тонком слое материала (h≈1÷1,5 мм) создавались сдвиговые деформации в заранее отформованном образце [9].

Эксперименты проводились на брикетах, спрессованных из порошков различных материалов (как чистых, так и с добавками некоторых смазок). Кроме этого, варьировались формы частиц, их размеры и процентное содержание добавок. Образцы деформировались как вдоль оси прессования, так и в перпендикулярном направлении. Некоторые типовые графики зависимости предела сопротивления порошковых материалов деформациям сдвига () от величины нормального напряжения () на поверхности сдвига показаны на рис. 2. Идентичный вид указанных зависимостей, являющихся касательными к большим кругам напряжений на диаграмме Мора, наблюдался во всей серии экспериментов.

1-корпус установки, 2-срезающтй нож, 3-прессовка, 4- сжимающий пуансоны.

Рисунок 1- Схема установки для определения прочностных свойств порошковых материалов

а-титана, б-вольфрама, в-бронзы, г-ПЖ2М2

Рисунок 2-  для брикетов различной плотности (1-55, 2-60, 3-65, 4-70, 5-75, 6-80%) спрессованных порошков

Как видно из рисунков, для порошковых материалов некоторой фиксированной плотности эта зависимость хорошо описывается прямо­линейной функцией с двумя явно выраженными отрезками, имеющими свои угловые коэффициенты.

Для второго участка функции принята следующая форма записи:

где К- коэффициент сцепления; ρ - угол внутреннего трения, под которым понимают угол, определяющий пропорциональность изменения величин и

Зона перехода между двумя прямолинейными участками функции весьма незначительна и вид ее специально не исследовался.

Как показала запись изменения осевого размера брикетов в процессе их деформации, для каждого из участков функции (1) характерны свои физические явления, протекающие в деформируемом слое материала. На первом участке (до точки перегиба функции) зафиксировано (рис. 2,в,г)  увеличение осевого размера брикета, что объясняется

Рисунок 3- Характер изменения плотности в зоне развитых сдвиговых деформаций (h=3,5) в пористом образце из ПЖ2М2 (υ=70%) при : 1-50.0; 2- 75,0; 3- 125,0; 4- 150,0 Мн/м²

разрыхлением структуры пористого материала при разрушении образца. Уменьшение же объема прессовки (см. рис. 2, в, г), наблюдаемое на втором участке указанной зависимости, является следствием того, что

Рисунок 4- Макрофотография шлифа зоны развитого течения материала в прессовке.

в этой части графика величина сжимающих напряжений  достаточна, чтобы уплотнить разрушенную при деформировании структуру материала, т. е. здесь имеет место типичная схема уплотнения пористой среды в процессе прессования.

Непосредственный замер характера изменения пористости дефор­мированной зоны материала проводился на «Квантимете-720». Шлиф в осевой плоскости в направлении деформации приготовляли после пропитки его эпоксидной смолой в вакууме и под давлением. Обработанные результаты измерений для брикетов из ПЖ2М2, имевших среднюю плотность до испытаний 70%, приведены на рис. 3. Из графиков следует, что уплотнение материала сопровождает его деформацию при всех сочетаниях напряжений  и , лежащих на функции =f() за точкой ее перегиба. Таким образом, подтвержден сделанный выше важный вывод о том, что уплотнение пористой среды не зависит непосредственно от величины  и наблюдается вдоль всего второго участка зависимости (1), а отсюда и сама зависимость является границей перехода к более плотному материалу.

Наглядно иллюстрируют вышесказанное рис. 4 и 5, на которых по­казаны микро- и макрофотографии деформированных и недеформированных зон образца. Столь значительные изменения плотности, как при­веденные на рис. 3-5, объясняются большой сдвиговой деформацией исследованных образцов, уменьшением площади их сечения и, соответственно,

Рисунок 5- Микрофотографии зоны развитых сдвиговых деформаций материала, деформированного при различных сжимающих нагрузках

 повышением удельных давлений на 10÷15% (авторами пре­следовалась цель показать эффект уплотнения в явном, гипертрофированном виде).

Описанные выше результаты легли в основу построения в координатах  и  диаграммы уплотнения пористых (порошковых) материалов.

Рисунок 6- Диаграмма уплотнения пористых материалов

Как видно из рис. 6, на диаграмме можно выделить три области, гра­ницами которых являются линия OA, соединяющая точки перегиба функции =f(), и линия ОВ, огибающая семейства указанных функций. Последняя является функцией υ =f(), и весьма близка к кривой уплотнения материала υ=f(σ_г). Верхняя граница диаграммы АВ характеризует сопротивление исследуемого материала ~ 100% плотности деформациям сдвига.

Как отмечалось ранее, область ОАС определяет такие сочетания напряжений в пористых телах, при которых наблюдается только разрушение материала без его уплотнения.

Комбинации напряжений, попадающие в зону ОАВ, вызывают уменьшение пористости порошкового материала, сопровождающееся наличием сдвиговых деформаций в последнем.

Интенсивность сдвиговых деформаций весьма значительна у левой границы ОА, которая и показывает наиболее рациональные сочетания напряжений в теле. В схемах прессования, реализующих такие комбинации нормальных и касательных напряжений, обеспечивается достижение высоких плотностей деформируемой среды при минимальных величинах воздействующих нагрузок. Следовательно, при разработке новых схем прессования следует основные усилия направлять на реализацию именно таких оптимальных сочетаний напряжений в материале в процессе уплотнения. Правая часть области у границы ОВ определяет соотношения напряжений в пористом теле при прессовании в традиционных схемах нагружения, где развитие сдвиговых деформаций в среде весьма затруднено (прессование в жестких матрицах и гидростатах). Если в начальных этапах прессования, даже в условиях всестороннего равномерного нагружения, имеют место сдвиговые деформации, вызванные перестройкой (смещением) частиц, то с созданием устойчивой структуры способность материала сопротивляться деформации в таких схемах нагружения резко возрастает и разрушение структуры материала происходит при больших давлениях прессования.

На диаграмме степень воздействия развитых сдвиговых деформаций в этих схемах прессования на процесс уплотнения оценивается расстоянием между линиями ОА и ОВ. Это дает возможность объяснить описанное в литературе [4] деление на три этапа процесса формования изделий в жестких матрицах и гидростатах. Действительно, в зоне, прилегающей к точке О, линии OA и ОВ, т. е. линии, ограничивающие область прессования, почти сливаются. Это свидетельствует о структурных перемещениях, переукладке частиц (т. е. сдвиговой деформации на начальных этапах прессования и в условиях гидростатического нагружения). В области диаграммы, прилегающей к верхней границе АВ, начинается наиболее интенсивное расхождение линий ОА и ОВ,что связано со значительным ростом сопротивления сдвиговым деформациям уплотненного материала в схемах прессования, близких К равномерному всестороннему нагружению брикета. Тот факт, что в схемах, реализующих уплотнение вдоль линии OA, имеет место только один этап прессования - прессование со сдвигом, не требует дополнительных комментарий. Таким образом, различные этапы процесса уплотнения в традиционных схемах можно рассматривать как последовательное уменьшение влияния сдвиговых деформаций (можно не учитывать причину их возникновения) на процесс уплотнения.

Область ОВD, где величина касательных напряжений в теле меньше прочности материала, может быть названа псевдожесткой областью, по аналогии с компактными материалами.

Следует отметить, что для исследованных материалов в диапазоне изменения плотности υ от 60 до 80% зависимость коэффициентов уравнения (1) К и ρ от пористости материала близка к линейной. При этом возникает возможность с достаточной для практических нужд точностью установить взаимосвязь этих параметров и кривой уплотнения, в том числе и определить тип функции, описывающей эту кривую в указанном диапазоне уменьшения пористости. В зонах более низких либо более высоких плотностей, как показали эксперименты, К и ρ меняются значительно интенсивнее, т. е. следует ожидать изменения не только коэффициентов в уравнении прессования, но, возможно, и самого типа зависимости, связывающей плотность с давлением прессования в жестких матрицах и гидростатах.

Анализ экспериментальных данных и выделение области уплотнения пористого материала, в которой пористость может уменьшаться по любой траектории (в отличие от принятого ранее принципа установления однозначной связи давление - плотность), представляет хороший фундамент для разработки рациональных схем формования порошковых материалов. Возможность существенного увеличения интенсивности процесса уплотнения, особенно в области высоких значений плотности, иллюстрируется рис. 7, где приведен ряд используемых на практике

Рисунок 7- Схемы рационального уплотнения порошковых материалов: а-с подвижной конической иглой; б-матрица с обратным конусом; в-установка трехосного нагружения. 

схем, в которых инициируется развитие сдвиговых деформаций в прессуемом материале. На схеме а показано формование тонкостенных втулок в матрицах с подвижной иглой [5].

Дополнительные сдвиги в материале возникают за счет сил трения материала о стенки пресс-формы, имеющие разно знаковое направление движения. В схемах б [6] и в [7] такие деформации возникают потому, что боковые размеры брикетов, в процессе уплотнения по этим схемам, имеют возможность увеличиваться.

Безусловно, в настоящее время количество таких схем не ограничивается приведенными примерами и может быть легко дополнено.

Рисунок 8-  Компрессионные кривые для порошка МН-100, полученные в установке трехосного нагружения при боковых давлениях:1-239,0; 2-244,0; 3-195,2; 4-146, 4; 5-97,6; 6-58,5 Мн/м²

Наибольший интерес для исследования влияния условий деформации материала на его уплотнение представляет, несомненно, схема трехосного нагружения, позволяющая получать точные и достоверные данные о величинах нагрузок, действующих на прессовку. На рис. 8 показаны полученные в работе [7] зависимости изменения плотности брикетов из порошка МН-100 от величины девиаторной составляющей тензора напряжений. Аналогичные результаты наблюдались и при исследовании уплотнения материалов на основе А1₂0₃ [8]. Как следует из рис. 8, наиболее интенсивный рост плотности образцов наблюдался при меньшей величине шаровой составляющей тензора напряжений, что находится в соответствии с изложенным выше анализом механизма уплотнения пористого материала (чем меньше шаровой тензор напряжени тем ближе траектория υ=f(),к линии ОА диаграммы уплотнения).

Однако недостаточно ясное представление о сущности процессов, протекающих при деформации порошковых (пористых) тел, привело авторов работы [7] к отождествлению отмеченного эффекта с исходной пористостью образца, т. е. к выводу о том, что наибольшее уменьшение усилий прессования имеет место при уплотнении по указанной схеме брикетов малой плотности и, как следствие, к снижению эффективности метода с ростом плотности образца. Такой вывод объясняется принятой в работе [7] методикой эксперимента. Так как образцы различной исходной пористости прессовались гидростатическим давлением непосредственно в установке трехосного нагружения (более плотные образцы, естественно, требовали и больших давлений прессования) и достигнутое при этом давление с приложением осевой нагрузки не меняло свою величину, то деформация образцов с малой пористостью проводилась при больших боковых давлениях. Последнее, как и следовало ожидать, сдвигало траекторию υ=f(), вправо, т. е. к линий ОВ  на диаграмме уплотнения.

Контрольные опыты, проведенные при более оптимальных значениях боковых давлений в установке трехосного нагружения, подтвердили как достоверность диаграммы уплотнения, так и правильность приведенного выше анализа. Результаты этих опытов сведены в таблицу.

υ *-плотность предварительно уплотнённого брикета, υ’- плотность образца после деформирования его в установке трёхосного нагружения.

Выводы

Плотность формуемой пористой (порошковой) среды является функцией тензора напряжений, она не связана однозначно с наибольшей компонентой последнего, и интенсивность процесса уплотнения брикета непосредственно зависит от относительной величины девиаторной составляющей тензора напряжений.

1.Уменьшение пористости материала может идти по любой из множества траекторий внутри области ОАВ диаграммы, ограничивающей в координатах нормальных и касательных напряжений такие сочетания действующих в материале напряжений, при которых идет уплотнение прессовки.

2.Вид функций, описывающих связь между давлением прессования и плотностью материала в традиционных схемах прессования, а также коэффициенты этих функций определяются характером зависимости параметров К и ρ от изменения плотности брикета и являются по отношению к ним вторичными.

3.Уравнения K—Kυ и ρ~р(υ) близки к линейным для исследованных материалов только в сравнительно узком диапазоне изменения плотности (между υ≈60% и υ≈80%). Это дает основание предполагать различный тип связи между давлением и плотностью при прессовании в жестких матрицах и гидростатах в течение всего процесса уплотнения.

ЛИТЕРАТУРА

1.   Перельман В.Е., Перлин П.И., Роман О.В. Расчет полей напряжений и плот ности при прессовании металлических порошков.— Порошковая металлургия, 1971, № 9, с. 14—18.

2.  Большин М.Ю. Порошковое металловедение. М., Металлургиздат, 1948. 332 с.

3.  Федорченко И.М., Андриевский Р. А., Основы порошковой металлургии. К., Изд-во АН УССР, 1961. 420 с.

4.   Джонс В.Л., Основы порошковой металлургии, ч. 2. М, «Мир», 1965. 403 с.

5.  Богиский Л.О., Ложное П.И., Исследование процесса радиального уплотнения порошковых материалов в жесткой пресс-форме.— В кн.: Прогрессивные способы изго­товления металлокерамических изделий. Минск, «Полымя», 1971, с. 44—48.

6.  Лейл Дж.Р., Сабалек В.С. Изготовление высокопрочных изделий из алюминиевых порошков.— В кн.: Порошковая металлургия материалов специального назначения. М., «Металлургия», 1977, с. 218—242.

7.  Кoerner R.M., Quirus F./. High Density Р/М Compacts Utilisiny Shear Stresses.— Int. J. Powder Metallyrgy, 1971, № 7,  p. 3—9.

8.   Кoerner R.M. A new pressing method: triaxial Compaction.— Ceramic Bulletin, 1973, 52, 7, p. 47—53.

9. Кипарисов С.,Перельман В.Е, Роман О.В, Диаграмма уплотнения порошковых материалов.— В кн.: Спеченные конструкционные материалы. К., ИПМ АН УССР, 1976, с. 19—24.