CC BY
20
УДК 532.546
Канд.техн. наук В. В. Косинский Государственная инженерная академия, г. Запорожье
АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ ПОРИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРИ ИЗОСТАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ЖИДКОСТЯМИ
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Проведен качественный анализ факторов, влияющих на изменение пористости и проницаемости металлических пористых матриц в процессе изостатической пропитки их различными по физическим свойствам жидкими средами под высоким (до 1 ОРа) давлением. Определены степени влияния этих факторов на процессы пропитки и условия, при которых необходимо в технологических расчетах их учитывать. Приведены численные значения технологических параметров оптимизации процессов изостатической пропитки.
Введение
Процессы фильтрации различных по физическим свойствам жидкостей в пористые среды изучаются давно [1]. Особое внимание эти вопросы занимают в нефтегазовой динамике [2].
В настоящее время с развитием и появлением новой техники и технологий в различных областях промышленности (авиация, машиностроение, атомная энергетика) возникает все большая потребность в новых видах материалов со специальными свойствами.
В основном это спецсплавы и композиционные соединения (композиты). Характерная особенность композитов заключается в том, что эти материалы включают в себя совокупность свойств: жесткой матрицы - основы (керамика, металлокерамика, металл, любые сплавы) и более пластичного наполнителя. Наполнитель используется и как связующее, и как материал, который придает изделию специальные дополнительные свойства: физические, прочностные, химические, которые необходимы для решения поставленной технической задачи.
Для создания таких материалов используются процессы, связанные с применением высоких давлений и температур [3]. Одним из технологических направлений изготовления такого рода материалов и изделий являются процессы изостатики.
В ряде технологий для придания изделиям (заготовкам) особых свойств пористую основу пропитывают полностью (по всей глубине) либо частично (на определенную глубину). Если пропитывающие жидкости (инфильтраты) незначительной плотности и вязкости (М- < 1 Ра-Б), то, как правило, необходимое давление пропитки будет в пределах 1.. .10 МРа. Если же необходимо пропитать пористое тело вязкой (М > 50 Ра-Б) средой (этиленоксиды, полиформальдегиды, полипропилен, полистирол, полиамиды, полиуретаны, различные
смолы и т. д.), то необходимое технологическое давление может выражаться в сотнях МРа. Особенно если учесть, что размер пор оснований может колебаться от десятых долей миллиметра до десятых долей микрона. Как правило, пропитка пористых заготовок вязкими средами под давлением осуществляется в изос-татах. Технологическая обработка в них может осуществляться как при обычной (20 °С) температуре, так и с подогревом до 300 °С в зависимости от физических свойств инфильтратов.
Анализ достижений
Технология пропитки различных пористых материалов вязкими средами под высоким давлением рассмотрена автором в ряде работ [4, 5]. В них дана математическая модель пропитки с учетом изменения физических свойств текучих сред (вязкости, плотности, сжимаемости) от величины давления (до 1 вРа) в изо-стате. Рассмотрены и проанализированы основные технологические параметры процесса пропитки с учетом неразрушаемости пористых оснований (скорость подъема давления, время выдержки под максимальным давлением и скорость сброса давления в изоста-те). В этой работе будут рассматриваться вопросы, связанные с изменением физических и прочностных характеристик пористых металлических основ во время пропитки и после вязкими средами под высоким давлением.
Серия первых экспериментов (их описание и результаты приведены ниже) показали, что изменение пористости металлических образцов после пропитки глицерином под давлением (300, 500 и 700 МРа) не соответствует теоретической (рассчитанной по изменению объема металлического пористого основания от всестороннего внутреннего сжатия жидкостью).
Как известно [6], объемное сжатие такого рода материалов, как керамика, значительно меньше, чем ме-
© В. В. Косинский, 2008
76
таллов. Сжимаемость различных материалов (металлы, жидкости, сплавы и др.) исследовалась Бриджме-ном. Изменение объема исследуемых материалов от величины всестороннего давления он выразил зависимостью:
Д = аР + вР
2
(1)
где Д - изменение объема тела;
Р - всестороннее равномерное давление (МРа); а и в - экспериментальные постоянные исследуемого материала.
Н.Н. Малинин [7] дает расчетный анализ процентного отклонения значений сжимаемости материалов по Бриджмену (1) и теоретическому объемному модулю упругости (2)
д = -3. . р,
Е
(2)
где М- - коэффициент Пуассона;
Е - модуль упругости (МРа).
Отклонения (зависимость 2) для металлов не превышает 10 % по сравнению с точными значениями по Бриджмену (1). Из работ [8] следует, что при изоста-тическом давлении до 1 вРа у металлов (железо, медь, никель) объемная деформация будет в пределах 1 %, для алюминия - 1,3 %, свинца - 2,2 %.
Технология пропитки под высоким давлением пористых металлических оснований обеспечивает сохранение общей геометрии (объема) этих оснований, но может и изменять (уменьшать) внутренний объем за счет сжатия, как внутрипоровых перегородок, так и самих частиц металлических порошков, содержащих микропоры, газовые включения и др., что ведет к увеличению пористости.
Технологии, основывающиеся на изостатической пропитке металлических пористых основ жидкотеку-чими средами под высоким (500 МРа и более) давлением могут влиять на физические характеристики данных материалов: увеличение пористости, которое ведет к увеличению проницаемости тела; увеличение прочностных характеристик.
Общее уравнение фильтрации при пропитке пористых тел различными жидкотекучими средами имеет вид [9]:
/ пЧ дР к д ( в дР
(х-РНт = -—ТН-ттРГ
дt м0 дх дх
(3)
ср Ь + Р где М = М0 • е , р = р0-в, в = 1 + а • 1п-
х = -
Ь + Р
1 - а • 1п
Ь + Р
где х, t - координаты длины (шш) и времени (8);
М - динамическая вязкость (Ра-8);
р - плотность (^ш3);
к - коэффициент проницаемости (ш2);
X - сжимаемость (МРа-1);
а, Ь - коэффициенты сжимаемости жидкости Тэйта;
с - пьезокоэффициент вязкости (Ра-1);
М0 , Р0 - вязкость и плотность при обычных условиях (Т = 20 °С).
Постановка задачи
Как видно из уравнения (3), единственной физической характеристикой пропитываемого пористого тела является его к - коэффициент проницаемости, который не зависит от свойств жидкости и является геометрической характеристикой пропитываемой основы [10]
М Ь
к =----ю,
Р Р
(4)
где ю = М/Г4 - проницаемость пропитываемой структуры;
Ь - длина испытываемого образца (шш);
М - масса жидкости, протекшей через образец, площадью поперечного сечения Е за время t.
Как изменяется проницаемость в зависимости от изменения пористости, рассмотрено в ряде работ [10, 11]. Белов [10] определяет эту зависимость так:
Дю =-
2п.
ср
1-П
• 3ДП,
(5)
ср
где Пср - средняя пористость тела (%); ДП - изменение пористости.
Шибряев [11] предлагает использовать аналогичную зависимость в таком виде:
Дю = Дп ю " П '
(6)
где п - экспериментальный коэффициент, для сферических частиц рекомендуется в пределах 2,5.. .3,5; для частиц со сложной геометрией 4.6.
При изменении пористости образца (базовая пористость 37 %) на 1, 2 и 3 % проницаемость изменится по Белову - на 3,5; 7 и 10,5 % соответственно; по Шибряеву - 10, 20 и 30 % соответственно. Согласно выражения (4), коэффициент проницаемости ( к ), являющийся геометрической характеристикой пропитываемой основы и включающий в себя проницаемость (ю) (см. 4), изменится пропорционально этой проницаемости.
а
Ь
Способы решения поставленной задачи
Для рассмотрения влияния изменения пористости на степень пропитки моделируем (уравнение 3) увеличение пористости тела на 1 %, 2 % и 3 % и, согласно выражению (6), определяем соответствующие коэффициенты проницаемости: к\, &2 и &3 соответственно. В качестве пропитывающей жидкости принимаем глицерин с его исходными физическими характеристиками (М, р и X).
Изменение коэффициента проницаемости (к) с увеличением давления носит экспоненциальный характер и выражается зависимостью [2]
к = к0 - е(р, (7)
где к - текущее значение коэффициента проницаемости;
к0 - начальное значение;
( - пьезокоэффициент пористости (МРа-1).
Из справочных данных по спеченым пористым порошковым материалам [10] выбираем по крупности частиц (- 315).. .(250) шкш материал, начальная пористость которого составляет П = 37 %, а коэффициент проницаемости к = 3,3-10-11 ш2. По зависимости (6) рассчитываем значения коэффициентов проницаемо-
Таблица 1
сти для вышеуказанного материала с учетом измененной пористости на 1 %, 2 % и 3 %. Согласно зависимости (7) для подстановки новых значений в уравнение (3), необходимо определить для каждого нового значения к его пьезокоэффициент пористости ((). Данные по вышеуказанным значениям в таблице 1.
Уравнение (3) с учетом изменения коэффициента проницаемости (к) от величины давления (р) и пористости (П) примет вид:
( в) дР к д ( р дР ^
Далее теоретически исследуем, насколько изменится степень пропитки этого тела при изменении его пористости на 1, 2 и 3 %, используя в качестве вязкой жидкости глицерин как жидкость, не «твердеющую» при давлениях Р > 1,1 вРа.
Технологические параметры теоретических исследований принимались: максимальное давление Р = 1 вРа при скорости его увеличения V = 100 МРа/Б. Справочные характеристики глицерина: начальная вязкость М0 = 1,48 Ра-б; коэффициенты сжимаемости (Тэйта) а = 0,117 и Ь = 425 МРа; пьезокоэффициент вязкости с = 0,58 -10-2 МРа-1. По расчетным данным строились графики (рис. 1).
Увеличение пористости (%) Коэффициент проницаемости (к) ( -10-11) ш2 Давление (Р) ОРа Пьезокоэффициент пористости (( ) ( -10-2) ОРа-1
Основа (37) 3,3 -
На 1 % (38) 3,42 1 3,92
На 2 % (39) 3,53 1 6,74
На 3 % (40) 3,65 1 10,1
Рис. 1. Графики зависимости изменения давления глицерина по глубине пористого тела в зависимости от изменения
пористости:
1 - пористость 37 % (базовая); 2 - изменение пористости на 1 %; 3 - изменение на 2 %; 4 - изменение на 3 %
Анализируя положение кривых распределения давления по глубине пористого тела, при максимальном давлении в гидростате 1 вРа можно отметить: первое -разница в давлении жидкости на 75 шш глубины тела с неизменной (базовой) пористостью П = 37 % (кривая 1) и с увеличенной по мере роста давления до 1 вРа, на 1 % пористостью (кривая 2) составит 8 МРа; между базовой и с увеличенной пористостью на 2 % - 14 МРа; и между базовой и с увеличенной пористостью на 3 % -20 МРа; второе - по мере уменьшения глубины проникновения разница между базовым значением и остальными становится меньше.
Как отмечалось ранее, жидкости (органические и неорганические) в процессе увеличения давления изменяют
ср
свою вязкость по экспоненциальному закону (М = М0 • е ). Вязкие (М0 ^ 1 Ра-в), при давлениях Р > 500 МРа способны увеличивать свою начальную вязкость при обычной температуре (20 °С) на 2.3 порядка, т.е. «затвердевать», поэтому процессы пропитки при Т = 20 °С целесообразно производить при давлениях Р < 500 МРа. Далее проводим аналогичный расчет распределения давления по длине пористого тела, но при максимальном давлении Р = 500 МРа и строим графики (рис. 2).
Рис. 2. Графики зависимости изменения давления глицерина по глубине пористого тела в зависимости от увеличения
пористости:
1 - пористость 37 % (базовая); 2 - увеличение на 1 %; 3 - на 2 %; 4 - на 3 %
Рис. 3. Графики зависимости изменения давления различных по вязкости жидкостей по глубине тела с изменяющейся
(от 37 до 40 %) пористостью:
1 - глицерина (М0 = 1,48 Ра-ж); 2 - модельной жидкости (М0 = 50 Ра-ж)
По расположению кривых определяем, что разница в давлении жидкости на 75 мм глубины между образцами с постоянной пористостью П = 37 % (базовая) и образцами, у которых в процессе пропитки под давлением пористость увеличивается - будет составлять: 2 МРа между базовым значением и с увеличенной на 1 % пористостью; 4 МРа между базовой и увеличенной на 2 % пористостью; и 5 МРа между базовой и увеличенной на 3 % пористостью.
Если сравнивать данные (базовой пористости - 37 % и измененной - 40 %) по изменению давления жидкости на 75 шш глубины пористого тела при давлениях в изостате Р = 1 вРа и Р = 500 МРа, то по результатам очевидно, что чем выше давление на границе пористое тело-жидкость, тем большую роль при пропитке играет изменение пористости. При давлении Р = 1 вРа эта разница составит 20 МРа (рис. 1), а при Р = 500 МРа -5 МРа (рис. 2.), т.е. в 4 раза меньше.
Далее анализировалось влияние физических характеристик инфильтратов: плотности (р), сжимаемости (X) и начальной вязкости (М0) на степень пропитки пористых оснований с учетом изменения пористости. В работе [12] было отмечено, что начальная вязкость жидкостей и ее изменение с ростом давления более значимы (на порядок и более), в то время как изменение плотности и сжимаемости вносят изменения при Р = 500 МРа ~ 10.12 %. Поэтому проанализируем степень влияния начальной вязкости (М0) жидкостей на степень пропитки. В качестве сравниваемых по начальной вязкости жидкостей используем глицерин (М0 = 1,48 Ра-б) и «модельную» жидкость (М0 = 50 Ра Б). По полученным результатам строились графики (рис. 3).
По расположению кривых (рис. 3) можно отметить: разница в давлении глицерина (кривые 1) и модельной жидкости (кривые 2) на 75 шш глубины пористого тела составит 238 МРа. Как ранее отмечалось (по глицерину), максимальная разница в давлении на 75 шш глубины между телами с пористостью 37 % и 40 % составит 5 МРа. В сравнении с глицерином, при пропитке пористых тел более вязкой (модельной) жидкостью, аналогичная разница в давлении составит 31 МРа, т.е. более чем в 6 раз.
Сравнивая совместное влияние на степень пропитки изменения пористости тела и вязкости инфильтрата, можно отметить: 1 - чем больше вязкость инфильтрата, тем меньше его давление по всей глубине тела в процессе пропитки при одинаково затраченном времени; 2 - у инфильтратов, обладающих значительной
(|М > 50 Ра- б) вязкостью, разница в давлении по глубине тела с увеличением пористости значительно возрастает (31 МРа), по сравнению с менее вязкими (М ~1,5 Ра -б), (5 МРа).
Анализируя вышерассмотренные факторы, влияю-
щие на распределение давления жидкостей по глубине пористого тела с учетом изменения пористости, отмечаем, что как величина максимального давления в изостате (сравнить рис. 1 и рис. 2), так и начальная вязкость пропитывающего инфильтрата (рис. 3) в значительной мере влияют на процесс пропитки.
Еще одной важной характеристикой пористых тел, от которой в значительной мере зависит коэффициент проницаемости ( к ), является составляющая структуры. В это понятие входят: количество фракций используемых металлических порошков, каких типоразмеров частицы каждой фракции их % содержание в общем объеме, способы прессования и условия спекания, вид связующих добавок и их % отношение ко всей массе изделия.
В данной работе рассматривалось пористое металлическое (бронза) основание с пористостью П = 37 % и коэффициентом проницаемости 3,3-10-11 ш2, изготовленное прямым прессованием с добавкой связующего (усилие прессования 0,2 МРа) в металлической форме [10], а также пористые основания, изготовленные аналогично, прямым прессованием в металлической форме при различных давлениях порошка меди с последующим их спеканием.
По данным работы [13] известно, что коэффициент проницаемости ( к ) зависит: 1 - среднего размера частиц фракции порошка, формируемого тело; 2 - количества используемых в формировании тела фракций (одной, двух или трех) и их % содержания в общей массе.
Как правило, для создания изделий с максимальными прочностными свойствами и минимальной пористостью используют два подхода.
1 - многофракционный состав - две, три и более фракции, причем отличие среднего размера частиц одной фракции от другой должно быть 8.10-кратным. В процентном отношении оптимальный двух фракционный состав состоит - 70.75 % крупная фракция, остальное мелкая, при таком составе пористость может отличаться от однофракционных изделий на 10.15 %, в трехфракционном составе 65.70 % крупная, 20.25% средняя и до 10 % мелкая фракции, отличие в пористости при сравнении с однофракцион-ным - 15.20 %.
2 - использование для получения пористой основы микропорошков со средним размером частиц от 10 шкш и менее (не касаясь нанопорошков). Общая пористость таких основ, особенно после спекания, будет незначительной.
Зависимость пористости и коэффициента проницаемости от гранулометрического состава рассмотрим на примере стандартных пористых изделий из бронзы, выпускаемых промышленностью [10]: фракция
-800...+600 шкш, П = 0,41, к = 25,4 -10-11 ш2; фракция -125...+80 шкш, П = 0,3, = 0,4 -10-11 ш2, т.е. Исходя из
данных примера можно отметить: при изменении среднего размера частиц используемых фракций в 7 раз, пористость изменится в 1,37 раза, в то время как коэффициент проницаемости в 63,5 раза, т.е. пористые однофракционные основания, изготовленные из порошка, частицы которого одинаковы по размеру, при небольшом изменении пористости могут значительно отличаться коэффициентом проницаемости. Известно, что с увеличением удельной поверхности порошка (чем меньше размер частиц, тем больше удельная поверхность) усадка при спекании возрастает, а проницаемость уменьшается.
Из вышеприведенных данных делаем вывод: коэффициент проницаемости пористой основы зависит как от процентной составляющей пор в теле, так и от типоразмера частиц, его формирующих. Чем мельче используемая фракция, тем меньше будет коэффициент проницаемости.
Далее анализировалось распределение давления жидкости по глубине пористого тела в зависимости от изменения его коэффициента проницаемости. За базовое принималось значение коэффициента проницаемости стандартного изделия из бронзы, выполненного из порошка фракции -315...+250 шкш, пористостью П = 0,37 и =3,3-10-11 ш2. Остальные коэффициенты проницаемости выбирались в сторону уменьшения, кратностью 5, 10 и 50. По результатам вычислений строились графики (рис. 4).
Как видно из рис. 4, изменение коэффициента проницаемости в значительной мере влияет на степень распределения давления жидкости (глицерина) по глубине пористых оснований. Анализируя пористые основания по величине коэффициента проницаемости
(к), отмечаем: если за базовое (к0 = 3,3-10-11ш2) принималось основание с фракцией -315.. .+250 шкш., то к1 будет соответствовать фракция -200...+125 шкш.,
к2 соответственно -63...+50 шкш., и к3 - порошки менее 10 шкш. Разница в давлении на 75 шш глубины пористого тела (отсчет от базового значения к0 = 3,3-10-11ш2) составит 61 МРа между телами с к0 и к1; 111 МРа между телами с к0 и к2 ; 286 МРа между
телами с к0 и к3 .
По данным анализа приходим к заключению: чем меньше частички структурной составляющей пористого тела, тем меньше и его коэффициент проницаемости и тем сложнее (в определении величины максимального давления, скорости его подъема и времени выдержки под максимальным давлением, а также в скорости сброса давления в изостате) будет определиться в оптимальных параметрах процесса.
Для проведения экспериментов по определению изменения пористости образцов из медного порошка состава: 306 шкш - 21 %, 200 шкш - 56 %, 160 шкш -23 % методом изостатической обработки при различных давлениях, создавались образцы по следующей технологии. Изначально порошок меди обрабатывали 3 % раствором щелочи в горячей (80 °С) воде с последующей промывкой и сушкой.
Технические характеристики меди: модуль упругости Е = 132-103 МРа; модуль сдвига О = 42,4-103 МРа; коэффициент Пуассона М = 0,35; плотность р = 8,98 предел текучести стт = 70 МРа; предел прочности
Рис. 4. Графики зависимости изменения внутрипорового давления глицерина по глубине пористого тела в зависимости от
величины коэффициента проницаемости:
1 - к0 = 3,3$10-11ш2; 2 - к1 = 6,6$10-12 ш2; 3 - к2 = 3,3$10-12 ш2; 4 - к3 = 6,6$10-13 ш2
= 220 МРа; температура плавления Тл = 1083 °С.
Далее, прессованием в металлической форме изготавливались образцы цилиндрической формы с отношением диаметра к высоте Б / Н = 2 в количестве 3 штук. Давление прессования: 1-й образец - 180 МРа; 2-й образец - 230 МРа; 3-й образец - 280 МРа. Внутренний диаметр формы Б = 30 тт. Спекание осуществлялось в обычной атмосфере при температуре Тсп = 950 °С. Выдержка по времени при Тсп = 950 °С составляла 0,5 часа, затем вместе с печью образцы остывали и извлекались.
Спеченные образцы выравнивались с учетом параллельности оснований и с соблюдением условия Б /Н = 2 и замерялись: Ф = 29,3 тт, Н1 = 15,1 тт; н2 = 15,1 тт; и н3 = 15,0 тт.
Для дальнейших исследований по определению изменения пористости образцов от величины давления пропитывающей его жидкости необходимо выявить начальную пористость. По данным работы [13] у тел, состоящих из сферических частиц, при общей пористости > 20 % тупиковая и закрытая пористость отсутствует либо минимальна (до 2 %).
Пористость (П) определяли методом гидростатического взвешивания - дистиллированной водой.
Используемое оборудование: изостат (контейнер высокого 1,5 вРа давления производства ВНИИМетМаш) Фн = 55 тт, рабочая зона Ь^ = 200 тт; гидравлический пресс Д2434А, усилием 2,5 ММ; весы ВЛР - 100; микрометр МК; лабораторная установка для определения коэффициента проницаемости (к).
Начальную пористость спеченных исследуемых образцов определяли по выражению (8)
П0 =
М2 - Мх V -Р
(8)
где м1 - масса сухого пористого образца (я);
м2 - масса пористого образца, пропитанного водой (я);
V = Бт3 - объем исследуемого образца (Бт3); р = 1,0 я/Бт3 - плотность дистиллированной воды. Первая серия экспериментов Все три образца помещались в изостат, заполненный глицерином, и обрабатывались под давлением 300 МРа, далее образцы из изостата извлекались и поочередно
подключались к установке по определению коэффициента проницаемости с предварительной промывкой дистиллированной водой под давлением 0,1 МРа в течение 15 минут, затем определялись коэффициенты
проницаемости к и пористость. Перед каждой новой
изостатической обработкой все три образца продувались аргоном (давление 0,3 МРа) и просушивались Т = 80 °С в течение 0,5 часа.
Вторая серия экспериментов
Давление обработки образцов в изостате составляло 500 МРа. Далее, как указывалось выше, определялись новые значения коэффициентов проницаемости к и пористости.
Третья серия экспериментов.
Давление обработки образцов в изостате составляло 700 МРа. Далее, аналогично определялись новые
значения коэффициентов проницаемости к и пористости.
Данные экспериментальных замеров и расчетов заносились в таблицу 2.
Пористость (п) изучаемых образцов определяли по предложенной А. С. Беркманом методике [14] - определение пористости по экспериментально определенному значению коэффициента проницаемости.
Технологические параметры обработки: скорость увеличения давления глицерина в изостате составляла ~ 28 МРа/Б; техническая выдержка по времени -2.3 б; сброс давления от Ртх до 0 (атмосферного) ~ 1 б.
Данные измерений заносились в таблицу 2.
Как видно из данных таблицы 2, по первому образцу относительное (относительно базового Р = 0) изменение коэффициента проницаемости образца после обработки давлением Р = 300 МРа составит 3 %, что будет соответствовать изменению (увеличению) пористости на 2,1 %. После обработки давлением Р = 500 МРа, относительное (относительно Р = 300 МРа) изменение коэффициента проницаемости составит -0,67 %, пористость изменится на 0,4 % и, соответственно, после обработки давлением Р = 700 МРа относительное (относительно Р = 500 МРа) изменение коэффициента проницаемости - 0,1 % и пористости 0,1 %.
По второму образцу - относительное (относительно базового Р = 0) изменение коэффициента проницаемости образца после обработки давлением Р = 300 МРа
Таблица 2
Давление (МРа) 1-й образец (Р = 180 МРа) 2-й образец (Р = 230 МРа) 3-й образец (Р = 280 МРа)
Пористость (%) к прониц. (-10-14) т2 Пористость (%) к прониц. (-10-14) т2 Пористость (%) к прониц. (-10-14) т2
0 19,7 8,68 19,1 8,56 18,7 8,53
300 21,8 8,94 20,9 8,81 20,5 8,76
500 22,2 9,0 21,5 8,88 20,8 8,81
700 22,3 9,01 21,7 8,9 20,8 8,81
составит 2,9 %, что будет соответствовать изменению (увеличению) пористости на 1,8 %. После обработки давлением Р = 500 МРа относительное (относительно Р = 300 МРа) изменение коэффициента проницаемости составит - 0,8 %, пористость изменится на 0,6 % и, соответственно, после обработки давлением Р = 700 МРа относительное (относительно Р = 500 МРа) изменение коэффициента проницаемости - 0,2 % и пористости 0,2 %.
По третьему образцу - относительное (относительно базового Р = 0) изменение коэффициента проницаемости образца после обработки давлением Р = 300 МРа составит 2 %, что будет соответствовать изменению (увеличению) пористости на 0,8 %. После обработки давлением Р = 500 МРа, относительное (относительно Р = 300 МРа) изменение коэффициента проницаемости составит - 0,57 %, пористость изменится на 0,3 % и, соответственно, после обработки давлением Р = 700 МРа относительное (относительно Р = 500 МРа) изменение коэффициента проницаемости - 0 % и пористости 0, %.
Из данных таблицы 2 следует, что при давлении обработки Р = 300 МРа происходит максимальное изменение коэффициента проницаемости и, соответственно, пористости. Далее, при давлении обработки Р = 500 МРа эти изменения становятся менее значительны и после обработки давлением Р = 700 МРа изменения минимальны или отсутствуют.
Анализируя полученные экспериментальные данные, можно заключить:
1 - при изостатической обработке (давление жидкости должно превышать предел текучести ат используемого материала желательно в 1,2.1,3 раза) металлических пористых тел изменение коэффициента проницаемости и, соответственно, пористости происходит в большей мере не от изостатического изменения объема самого металла как основы (это десятые доли %), а от уменьшения количества внутренних и наружных дефектов (задавливание внутренних микро-пор, газовых и других видов включений, разрушение и удаление микронагаров и т. д.), содержащихся в частицах порошков. В проведенных экспериментах используемые давления (300, 500 и 700 МРа) превышали предел текучести используемого порошка меди стт = 70 МРа [15].
2 - в расчетах пропитки пористых металлических матриц жидкими средами при давлениях жидкости превышающей предел текучести материала матрицы в 1,2.1,3 раза необходимо учитывать изменение пористости (ур-е 8).
Заключение
Исследования по поведению пористых металлических основ при их пропитке различными вязкими инфильтратами под высоким давлением показали:
1. Изменение пористости, как и степень (качество) пропитки, в значительной мере зависит от величины
максимального давления инфильтрата в изостате.
2. Степень пропитки, и соответственно, ее качество в значительной мере зависит от структурной составляющей пористой основы, т.е. от коэффициента проницаемости и в меньшей мере от пористости. Так, при изменении (уменьшении) среднего размера частиц используемых фракций в 7 раз пористость изменится в 1.37 раза, в то время как коэффициент проницаемости в 63,5 раза, что приведет к усложнению общей технологии пропитки.
3. Изменение коэффициента проницаемости и пористости при высоких давлениях инфильтрата происходит в большей мере не от изменения объема самих частиц металла как основы (это десятые доли %), а от уменьшения количества внутренних дефектов (выдавливание внутренних пор, газовых и других видов включений, разрушение и удаление микронагаров на частицах т. д.), содержащихся в частицах порошков.
4. Для проведения качественной (100 %) пропитки пористых металлических матриц с увеличением их прочности должно выполняться условие: минимальное изостатическое давление инфильтрата должно превосходить предел текучести используемого металла в 1,2.1,3 раз, т. е. Р > 1, 2.1,3 [стт ].
«Слабым» звеном в широком использовании такого рода технологий является ограниченность размеров камер высокого (~ 1 ГПа) давления, что связано с использованием специальных марочных сталей и сплавов и спецификой (многослойные или мотанные) их изготовления. Кроме этого, многие жидкие среды, имеющие значительную начальную вязкость при давлениях ~ 500 MPa близки к переходу в «твердую фазу», и чтобы провести качественный процесс пропитки, необходимо использовать температурный фактор, что ведет к удорожанию всего процесса.
Таким образом, в данной работе дается теоретический (по ур-ю 3) и экспериментальный анализ поведения металлических пористых основ при их пропитке вязкими инфильтратами под высоким давлением. Проанализированы основные технологические факторы, влияющие как на изменение пористости металлических основ, так и на качество пропитки. Выявлена численная зависимость величины минимально необходимого изостатического давления пропитки от прочностных свойств используемого металлического порошка. Указаны наиболее слабые места в использовании данных процессов. Сделаны основные выводы и даны рекомендации по определению основных технологических факторов.
Перечень ссылок
1. Лойцянский Г.П. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1973. - 848 с.
2. Босниев К.С., Дмитриев Н.М., Розенберг Г.Д. Нефтегазовая гидромеханика. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005. - 544 с.
3. Влияние высоких давлений на вещество / Под ред. Пи-лянкевича А.Н. - Киев: Наукова думка, 1987. - Т. 1. - 232 с.
4. Косинский В. В., Косинский В.Ф. Проникновение жидкостей в пористые тела под высоким давлением. Физика и техника высоких давлений. Сб. научных трудов АН УССР. - № 34. - Донецк, 1990. - С. 90-94.
5. Косинский В.В. Разрушение пористых тел жидкостью под высоким давлением. Проблемы прочности. АН УССР. - 1991. - № 4. - С. 69-73.
6. Бриджмен П.В. Новейшие работы в области физики высоких давлений. - М.: ИЛ, 1948.
7. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. - М.: Машиностроение, 1968. - 400 с.
8. Бриджмен П.В. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. - М.: ИЛ, 1955.
9. Косинский В. В. Нелинейные законы Дарси и критерий Рейнольдса при течении сжимаемых жидкостей под высоким давлением в пористых телах. Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. Запорожский государственный технический университет. - № 1. - 2007. - С. 60-69.
10. Пористые проницаемые материалы. Справочник под ред. Белова С.В.- М.:Металлургия, 1987. - 336 с.
11. Шибряев Б.Ф. Пористые проницаеые спеченные материалы. - М.: Металлургия, 1982. - 168 с.
12. Косинский В. В. Влияние физических свойств жидкостей на процесс пропитки пористых тел под высоким давлением. МЕТАЛЛУРГИЯ. Труды запорожской государственной инженерной академии. - Выпуск 8. -2003. - С. 75-79.
13. Витязь П.А. Пористые порошковые материалы и изделия из них. - Минск: Вышейшая школа, 1987. - 164 с.
14. Беркман А.С., Мельникова И.Г. Пористая проницаемая керамика. - Л.: Стройиздат, 1969. - 141 с.
15. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев: Наукова думка, 1975. - 704 с.
Одержано 10.09.2008
Проведено анал1з факторiв, що впливають на 3MiHy nopucmocmi й npoHUKHOcmi металевих пористих матриць у процеci i-зостатичного просочення ixразними за фгзичними властивостями рiдкими середовищами nid високим (до 1 GPa) тиском. Визначенг cтупенi впливу цих факторiв на процеси просочення й умови, при яких необxiдно в теxнологiчниx розрахунках ix ураховувати. Наведено чиcельнi значення теxнологiчниx nараметрiв оnтимiзацii проце^в i-зостатичного просочення.
The qualitive analysis of factors that influence the change of porosity and permeability of metallic porous matrixes during isostatic impregnation by fluid mediums with different physical properties under high pressure (up to 1 GPa) was conducted. The levels of influence of these factors on impregnation processes and its conditions, at which it is necessary to take them into account in technological calculations, are determined. The numerical values of technological parameters for optimization ofprocesses of isostatic impregnation are given.
