CC BY
3
УДК 669
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-548-549
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ЭЭД ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ХРОМСОДЕРЖАЩЕГО ПОРОШКА ИЗ ОТХОДОВ СТАЛЕЙ
Е.В.Агеева, И.В. Ворначева, С.В. Хардиков
Одним из основных направлений развития технологии машиностроения в настоящее время является совершенствование существующих и разработка новых безотходных, экологически чистых, материалосберегающих производственных процессов. Порошковая металлургия занимает значительное место в создании перспективных современных материалов, обладающих высокой прочностью, жаростойкостью, твердостью, износостойкостью, малой плотностью, специальными магнитными и оптическими характеристиками. Свойства порошковых материалов, кроме того, в большой мере определяются еще и свойствами исходных порошков. Целью исследования является изучение режимов порошкообразования процесса получения порошков из отходов хромсодержащих сталей методом электроэрозионного диспергирования в воде дистиллированной. Процесс получения порошков осуществляется на установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов. В статье представлены графики зависимости массы получаемого порошка от электрических параметров установки для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов. Экспериментально установлены прямо пропорциональные зависимости массы получаемого порошка от изменения электрических параметров установки ЭЭД при получении порошка из отходов стали Х13. Установлены прямо пропорциональные зависимости массы получаемого порошка от напряжения и частоты тока установки ЭЭД при получении порошка из отходов стали ШХ15. Также установлена прямо пропорциональная зависимость массы получаемого порошка от ёмкости разрядных конденсаторов в интервале до 48 мкФ для порошка из отходов ШХ15,дальнейшее увеличение ёмкости разрядных конденсаторов приводит к уменьшению процесса порошкообразования. В итоге можно сделать вывод о том, что при использовании отходов стали Х13, производительность процесса ЭЭД выше, чем при использовании отходов ШХ15.
Ключевые слова: сплав; электроэрозионное диспергирование; хромсодержащая сталь, производительность процесса ЭЭД.
Одним из основных направлений развития технологии машиностроения в настоящее время является совершенствование существующих и разработка новых безотходных, экологически чистых, материалосберегаюшдх производственных процессов, т.е. таких процессов, которые обеспечивают получение заготовок с минимальными припусками под последующую механическую обработку либо вообще без них при одновременном снижении расхода дефицитных материалов. В решении этой проблемы определенная роль принадлежит порошковой металлургии.
Порошковая металлургия - это отрасль техники, включающая изготовление порошков из металлов и их сплавов и получение из них заготовок и изделий без расплавления основного компонента. Методами порошковой металлургии можно создавать материалы из различных компонентов с резко отличающимися свойствами и температурами плавления, новые материалы с разнообразным комплексом физико-механических свойств. Порошковая металлургия используется как для создания принципиально новых материалов и изделий из них, так и для изготовления самой широкой номенклатуры конструкционных деталей общего назначения. Порошковая металлургия занимает значительное место в создании перспективных современных материалов, обладающих высокой прочностью, жаростойкостью, твердостью, износостойкостью, малой плотностью, специальными магнитными и оптическими характеристиками и т.п. [1]. Свойства порошковых материалов определяются структурой и строением, которые в свою очередь зависят от химического состава, технологии получения и последующей обработки посредством механических, термических, химических, физических и других комбинированных воздействий.
Свойства порошковых материалов, кроме того, в большой мере определяются еще и свойствами исходных порошков. Поэтому при разработке и применении порошковых материалов важная роль принадлежит характеристикам исходных порошков, а также структуре, составу самих порошковых материалов и, следовательно, методам их исследования и оценки [2].
Существующая на сегодняшний день проблема дефицита невозобновляемого сырья ведет к повышенному промышленному и научному интересу к поиску новых способов переработки материалов с невысокими энергетическими затратами, экологической чистотой процесса, низкими потерями исходного материала. Очень перспективным методом получения металлического порошка практически из любого токопроводящего материала, отличающимся относительно невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса, является метод электроэрозионного диспергирования (ЭЭД). [3-6]. Тем не менее широкое использование метода электроэрозионного диспергирования сдерживается отсутствием справочного материала по оптимизации режимов порошкообразования и свойствам полученных медных порошков. Для широкого использования данного метода требуются обширные теоретические и экспериментальные исследования [7-10].
Целью исследования является изучение режимов порошкообразования процесса получения порошков из отходов хромсодержащих сталей методом электроэрозионного диспергирования в воде дистиллированной.
Процесс получения порошков осуществляется на установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов. Установка содержит реактор электроэрозионного диспергирования для загружаемых в него токопроводящих материалов, регулятор напряжения и генератор импульсов [12]. Для получения порошка методом электроэрозионного диспергирования использовали отходыхромсодержащих сталей. Лом сталей стали загружали в реактор, заполненный рабочей жидкостью - дистиллированной водой, процесс проводили, изменяя электрические параметры: напряжение на электродах, частоту следования импульсов и ёмкость разрядных конденсаторов. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение лома хромсодержащих сталей с образованием частиц порошкового материала.
На рис. 1-3 представлены графики зависимости массы получаемых порошков от электрических параметров установки для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов.
553
На рис. 1 представлен график зависимости массы получаемого порошка от рабочей частоты генератора импульсов при напряжении на электродах U = 120 В и ёмкости разрядных конденсаторов С = 58 мкФ.
22 А 21
14 у/
_
25 20
я:
I"
о с
к ю
и
и ге
¡2 5
о
О 20 40 60 80 100 120
Частота следования импульсов, Гц
—*—Масса Х13 -»-Масса 111X15
Рис. 1. Зависимость массы получаемого порошка от рабочей частоты установки ЭЭД
На рис. 2 представлен график зависимости массы получаемого порошка от ёмкости разрядных конденсаторов при напряжении на электродах U = 100 и частоте следования импульсов и = 100 Гц.
25
Н. 20 Й
| 15 &
О
л 10 О
у
(С
о
О 10 20 30 40 50 60 70
Ёмкость разрядных конденсаторов, мкФ
-•-Масса Х13 -»-Масса ШХ15 Рис. 2. Зависимость массы получаемого порошка от ёмкости разрядных конденсаторов
На рис. 3 представлены график зависимости массы получаемого порошка от напряжения на электродах реактора установки ЭЭД при частоте следования импульсов и = 100 Гц и ёмкости разрядных конденсаторов С = 58 мкФ.
18 23 21
16
а «
о 15 а о с « 10
21 У
у 19
11
6
О 20 40 60 80 100 120
Напряжение на электродах. В
-•-Масса Х13 -»-Масса Ш.Х15 Рис. 3. Зависимость массы получаемого порошка от напряжения на электродах ректора
Экспериментально установлены прямо пропорциональные зависимости массы получаемого порошка от изменения электрических параметров установки ЭЭДпри получении порошка из отходов стали Х13. Установлены прямо пропорциональные зависимости массы получаемого порошка от напряжения и частоты тока установки ЭЭД при получении порошка из отходов стали ШХ15. Также установлена прямо пропорциональная зависимость массы получаемого порошка от ёмкости разрядных конденсаторов в интервале до 48 мкФ для порошка из отходов ШХ15,дальнейшее увеличение ёмкости разрядных конденсаторов приводит к уменьшению процесса порошкообра-зования. В итоге можно сделать вывод о том, что при использовании отходов стали Х13, производительность процесса ЭЭД выше, чем при использовании отходов ШХ15.
554
Список литературы
1. Витязь П.А. Порошковые материалы на основе железа и меди. Атлас структур. Минск: Белорус, наука,
2008. 155 с.
2. Корчагина М.В., Науменко А.А., Липкин В.М. Закономерности получения электролитических порошков меди на виброкатоде и исследование их свойств // Вестник Донского государственного технического университета. 2015. Т. 15, № 3 (82). С. 41-46.
3.Агеев Е.В., Семенихин Б.А., Латыпов Р.А. Разработка генератора импульсов установки электроэрозионного диспергирования // Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы. Диагностика- 2009: сб. матер. Междунар. науч.-техн, конф. Курск, 2009. С. 144-147.
4. Pereverzev A.S. CarWindshieldProtection / A.S. Pereverzev, B.A. Semenikhin // 2nd International Conference-on Industrial Engineering (ICIE-2016), Chelyabinsk, 19-20 мая 2016 года. Chelyabinsk: ElsevierLtd, 2016. P. 1227-1232. DOI 10.1016/j.proeng.2016.07.122.
5. Алехин Ю.Г. Инновационная технология восстановления изношенных деталей автотракторной техники путем применения электроискровых покрытий на основе электроэрозионных наноматериалов / Ю.Г. Алехин, С.А. Грашков, А.С. Угримов // Сб.: Прогрессивные технологии и процессы. Сборник научных статей 3-й Международной молодежной научно-практической конференции. Ответственный редактор Горохов А.А., 2016. С. 14-17.
6. Ageev E.V., Loktionova O.G., Altukhov A.Y. Obtaining and research of additive products from electro-erosive cobalt-chrome powders. MaterialsScienceForum. 2020. Т. 989. С. 801-805.
7. Ageev E.V., Altukhov A.Y., Pereverzev A.S. Study of the additive products of electroerosive cobalt-chrome powders by x-ray methods. Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2020. Т. 14. № 6. С. 1279-1286.
8. Ageev E.V., Pereverzev A.S. Microstructure and phase composition of electroerosion materials based on bronze used for the application of metallization and galvanic coatings. Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2020. Т. 14. № 6. С. 1287-1289.
9. Ageev E.V., Altukhov A.Y., Valguzov D.I. Microanalysis of additive products from electro-erosion cobalt-chrome powders. Solid State Phenomena. 2020. Т. 299. С. 508-512.
10. Ageev E.V., Altukhov A.Y., Korolyov M.S. The phase composition of products from electro-erosive cobalto-chrome powders, obtained by additive technologies. SolidStatePhenomena. 2020. Т. 299. С. 611-616.
11. Pykhtin A.I., Ageev E.V., AltukhovA.Yu., Emelyanov I.P. X-ray spectral microanalysis of sintered samples from electroerosive cobalt-chromium powders. Journal of Applied Engineering Science. 2018. Т. 16. № 1. С. 83-86.
12. Ageev E.V., Altukhov A.Y., Pikalov S.V., Serebrovskii V.I., Safronov R.I. Research of mechanical properties of the sintered samples from electro-erosion cobalt-chromium powder. International Journal of Engineering and Technology (UAE). 2018. Т. 7. № 2. С. 28-29.
13. Пат. 2449859 РоссийскаяФедерация, C2, B22F9/14. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов / Агеев Е. В.; заявитель и патентообладатель Юго- Западный государственный университет. №2010104316/02; заявл.08.02.2010; опубл. 10.05.2012. 4 с.
Агеева Екатерина Владимировна, д-р техн., наук, профессор, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Ворначева Ирина Валерьевна, канд. техн. наук, доцент, vornairina2008@yandex. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Хардиков Сергей Владимирович, канд. техн. наук, старший преподаватель, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет
INVESTIGATION OF THE PERFORMANCE OF THE EED PROCESS IN THE PRODUCTION OF CHROMIUM-
CONTAINING POWDER FROM STEEL WASTE
E.V. Ageeva, I. V. Vornacheva, S. V. Hardikov
One of the main directions of the development of mechanical engineering technology at present is the improvement of existing and the development of new waste-free, environmentally friendly, material-saving production processes. Powder metallurgy occupies a significant place in the creation of promising modern materials with high strength, heat resistance, hardness, wear resistance, low density, special magnetic and optical characteristics. The properties of powder materials, in addition, are also largely determined by the properties of the initial powders. The aim of the study is to study the modes of powder formation of the process of obtaining powders from waste chromium-containing steels by the method of electroerosive dispersion in distilled water. The powder production process is carried out at a facility for producing nano-disperse powders from conductive materials. Powder metallurgy is used both for the creation offundamentally new materials and products from them, and for the manufacture of the widest range of general-purpose structural parts. The article presents graphs of the dependence of the mass of the powder obtained on the electrical parameters of the installation for the production of nanodisperse powders from conductive materials. The directly proportional dependences of the mass of the obtained powder on the pulse repetition frequency and the mass of the obtained powder on the voltage at the electrodes have been experimentally established. A directly proportional dependence of the mass of the powder obtained on the capacitance of the discharge capacitors in the range up to 48 UF has also been established. A further increase in the capacity of discharge capacitors leads to a decrease in the powder formation process.
Key words: alloy; electroerosive dispersion; chromium-containing steel, performance of the EED process.
Ageeva Ekaterina Vladimirovna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Varnacheva Irina Valeryevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, Kursk, Southwest State University,
Hardikov Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, senior lecturer, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University
УДК 621.785.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-551-552
ДЕФОРМИРОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. С МИКРОПОВРЕЖДЕНИЯМИ
Т.И. Дородных, А.В. Парамонов
В настоящей работе рассматривается модель, описывающая деформирование пьезоэлектрических поликристаллических материалов с использованием стохастических уравнений электроупругости микронеоднородной среды (метод условных моментов). Использована структурная модель накопления микротрещин Даниэля для прогрессирующей микроповреждаемости. Предполагается, что при деформации трещины не растут и не взаимодействуют. Применительно к трансверсально-изотропному материалу, который рассматривается в данной статье, можно использовать критерий прочности Мизеса-Хилла. В качестве примера, иллюстрирующего представленный подход, рассматривается трансверсально-изотропная пьезокерамика при одноосном растяжении материала в направлении поляризации и с заданной составляющей электрического поля
Ключевые слова: пьезоэлектрические материалы, пьезокерамика, микроповреждаемость, критерий прочности, эффективные постоянные материала.
Пьезоэлектрические материалы широко применяются в технике, например, в датчиках, приводах, устройствах памяти и системах сбора энергии благодаря их электромеханическим характеристикам и поляризации. Пьезоэлектрические материалы могут использоваться как в мезомасштабе так и в наномасштабе. Однако, под воздействием нагрузки материалы могут преждевременно выйти из строя из-за распространения дефектов или дефектов, возникших в процессе производства, а также в результате электромеханического нагружения в процессе эксплуатации. Поэтому необходимы модели, описывающие процесс деформирования и предсказывающие электроупругие свойства таких пьезоэлектрических материалов.
Решению подобных задач посвящено немало работ, использующих различные подходы. В ряде работ экспериментально исследуются электромеханические свойства конкретных пьезокерамических материалов [1]. Другие посвящены поведению пьезоэлектриков в сильных электрических полях или при воздействии температур [2,3]. Касательно разрушения, в том числе усталостного, композитных материалов и пьезокерамик следует отметить работы [4,7]
Разрушение материалов является сложным многоэтапным процессом, включающим рассеянное разрушение структурных элементов, которое может происходить путем образования плоских микротрещин отрывом, сдвигом либо при наличии обоих механизмов. Микроскопические повреждения при разгрузке не исчезают и на макроуровне проявляются в виде изменения механических свойств материала, например, по деформируемости.
В настоящей работе представлена модель, описывающая деформацию электроупругохрупких трансвер-сально-изотропных материалов, сопровождающуюся накоплением повреждений в виде микротрещин, стохастически распределенных по объему. Модель построена с учетом совместного процесса повреждаемости и деформирования материала с последующим определением эффективных электроупругих свойств поврежденной среды на основе метода условных моментов. Считается, что при деформации трещины не растут, не взаимодействуют. Объемная плотность (концентрация) микродефектов изменяется с увеличением уровня средних напряжений из-за особенности ориентации анизотропных материалов. Разрушение структурных элементов происходит при разных уровнях напряжения из-за случайного характера ориентации и различия значений предела прочности структурных элементов в разных направлениях.
Плотность микротрещин и их распределение по ориентациям соответственно связаны с ростом эквивалентного напряжения, определяющего характер разрушения структурных элементов, и видом напряженного состояния в материале. Для определения плотности микротрещин вводится параметр р , который обозначает относительную объемную долю разрушенных путем растрескивания структурных элементов.
Совместное деформирование и трещинообразование. Рассмотрим поляризованную пьезокерамику трансверсально-изотропной симметрии. Для описания прогрессирующего накопления микроповреждений используется структурная модель Дэниэлса [5,6].
В отношении трансверсально-изотропного материала можно использовать критерий прочности Мизеса-Хилла. Пусть в лабораторной (фиксированной) системе координат заданы средние напряжения, связанные с представительным объемом материала, тогда этот критерий можно записать в виде
12 Л ' - * '
Л°13 + а2з)
Z Z х z 1
11 22 + °33 + 12 1
2 2 2 2 2 a(bi)11 a(bi)11 (bi)33 (bi)12 (bi)13
1
22 <J(bi)11 a(bi)33
сг11сг22 "
(bi)33
-(P22g33 + сг11сг33) = 1
1
