CC BY
79
УДК 621.762.04
ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ ПРОНИЦАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕКАНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ, ВОЛОКОН И СЕТОК
THE PROCESS OF OBTAINING OF POROUS PERMEABLE MATERIALS BY ELECTRIC CURRENTT SINTERING OF METAL POWDERS, FIBERS AND NETS
А. Ф. Ильющенко1, 2, И. Н. Черняк2, Р. А. Кусин 3, А. Р. Кусин2, Е. Н. Еремин4
'Государственное научно-производственное объединение порошковой металлургии, г. Минск, Беларусь
2Государственное научное учреждение «Институт порошковой металлургии имени академика О. В. Романа», г. Минск, Беларусь 3Белорусский государственный аграрный технический университет, г. Минск, Беларусь 4Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A. Ph. Ilyushchanka1, 2, I. M. Charniak 2, R. А. Kusin 3, A. R. Kusin 2, E. N. Eremin 4
'State research and production powder metallurgy association, Minsk, Republic of Belarus 2State Scientific Institution "O. V. Roman Powder Metallurgy Institute", Minsk, Republic of Belarus 3Belarusian State Agriculture Technical University, Minsk, Republic of Belarus 4Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Представлены результаты процесса получения пористых проницаемых материалов на основе металлических порошков, волокон и сеток методом спекания электрическим током. Приведена методика изготовления пористых материалов на основе порошка оловянно-фосфористой бронзы марки БрO10Ф1, волокон и сеток из коррозионностойкой стали. Реализация метода не требует специального оборудования: использовалась распространенная машина точечной сварки. Представлены фотографии внешнего вида и структуры образцов и результаты исследования их свойств: пористости, коэффициента проницаемости, размеров пор. Показано, что изготовленные методом спекания электрическим током проницаемые материалы обладают удовлетворительным комплексом фильтрующих свойств и могут быть использованы для очистки жидкостей и газов.
Ключевые слова: пористые проницаемые материалы, спекание электрическим током, металлические порошки, волокна и сетки, свойства.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-191-196
I. Введение
Развитие машиностроения и других отраслей промышленности требует разработки материалов с определенным комплексом физико-химических, механических и функциональных свойств. Производство изделий методами порошковой металлургии открывает возможности регулирования структуры и исследования их свойств. Спекание электрическим током, основано на комбинированном действии электрической энергии и механического давления и позволяет осуществлять одновременное спекание и прессование порошковых материалов, в отличие от традиционных технологических процессов порошковой металлургии с раздельным выполнением этих операций [1]. Методы спекания электрическим током привлекают своей экономичностью, низкой энергоемкостью, возможностью автоматизации, высокой производительностью [2]. По сравнению с традиционными методами порошковой металлургии, они позволяют отказаться от дорогостоящей оснастки, защитной атмосферы, что обеспечивает существенную экономию энергоресурсов [1]. Кроме того, при использовании методов спекания электрическим током имеется возможность корректировки технологических режимов на этапе изготовления каждого изделия в партии.
Нагрев металлов до температуры плавления при помощи электрического тока применял русский исследователь Н.Г. Славянов в 1888 г. [3]. Спекание металлических порошков путем пропускания через них электрического тока запатентовано в 1933 г. Тейлором [4], в 1944 г. Кремер опубликовал работу [5], в которой описан метод электроконтактного спекания порошков под давлением с использованием машины для контактной сварки. Появились различные методы спекания электрическим током, которые существенно отличаются характером физических процессов [6]. Методы спекания электрическим током сгруппированы по характеру основных реализуемых электрофизических явлений с учетом некоторых принципиальных особенностей, отличающих их от
традиционных технологических методов порошковой металлургии [1]. К ним относятся различные по схемному и аппаратному оформлению и назначению методы, основанные на использовании электрической энергии или специфических физических явлений, создаваемых этой энергией. Основы процесса спекания порошков электрическим током, использование технологического оборудования и оснасток для выполнения работ рассмотрены автором [7]. При спекании прямым нагревом через порошок с помощью электродов -пуансонов пропускают электрический ток [8]. Спекание при косвенном нагреве порошка происходит за счет специфических явлений, создаваемых электрическим током [9]. Спекание комбинированным нагревом совмещает методы прямого и косвенного нагрева порошка [10]. Показано использование высоковольтного электрического разряда (ВЭР) для получения металломатричных композитов на основе порошка титана [11]. На характер протекания и результаты прямого нагрева оказывают влияние многие факторы, например, электрические параметры подводимых к электродам импульсов напряжения и тока (форма, частота, мощность и др.), конструктивно -технологические особенности электродов.
Как показал анализ известных методов спекания электрическим током пористых порошковых материалов, перспективными для получения пористых проницаемых материалов из металлических порошков являются: электроимпульсное спекание (ЭИС) [12] и электроразрядное спекание (ЭРС) [13], однако в известных источниках спекание электрическим током используется как предварительная либо промежуточная обработка порошковых материалов [13]; вопросы получения проницаемых материалов за одну стадию спекания электрическим током в них не рассматривались.
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Целью настоящей работы является исследование процесса получения пористых проницаемых материалов на основе металлических порошков из оловянно-фосфористой бронзы марки БрО10Ф1 и волокон и сеток из коррозионностойкой стали марки 12Х18Н10Т методом спекания электрическим током.
III. ТЕОРИЯ
Процесс получения проницаемых материалов в данной работе осуществляли методом спекания электрическим током на машине точечной сварки типа МТ-2201 УХЛ4 (рис. 1). Образцы изготавливали с помощью разработанной оснастки, состоящей из специальных медных токопроводящих электродов и пуансонов, и графитовой матрицы [14], которая позволяет получать образцы в виде диска диаметром 12 и толщиной до 20 мм. Внешний вид и чертеж оснастки представлены на рис. 2.
Рис. 1. Машина точечной сварки МТ-2201 УХЛ4
Давление, при котором производился процесс спекания частиц, могло регулироваться в диапазоне от 1 до 25 МПа, что позволяло обеспечить плотное соприкосновение частиц по всему объему заготовки, и, следовательно, равномерно распределить проходящий по сечению заготовки электрический ток.
^ б) в)
Рис. 2. Оснастка для спекания электрическим током а) схема оснастки: 1 - матрица; 2 - пуансоны; 3 - токопроводящие электроды;
4 - спекаемый материал; б) оснастка для спекания образцов; в) оснастка для спекания образцов электрическим током, установленная в машину точечной сварки
В качестве исходных материалов использовали порошок оловянно-фосфористой бронзы марки БрО10Ф1 (собственного изготовления), волокна и сетку из коррозионностойкой стали марки 12Х18Н10Т. Порошок имел размеры частиц (минус 1,0+0,63) мм, морфология поверхности порошка приведена на рисунке 3. Волокна (резанные из проволоки) имели диаметр 0,2 и длину от 2 до 7 мм, их морфология поверхности представлена на рис. 3б, в. Сетка имела диаметр проволоки 1,2 мм и размер ячейки 2,5 мм. Исследования морфологии поверхности исходных материалов проводили на сканирующем электронном микроскопе с высоким расширением CamScan (Англия) (рис. 4).
Рис. 3. Морфология поверхности а) частиц порошка оловянно-фосфористой бронзы фракции (минус 1,0 + 0,63) мм, полученного распылением расплава газовым потоком;
б) волокон из коррозионностойкой стали марки 12Х18Н10Т, х 100;
в) волокон из коррозионностойкой стали марки 12Х18Н10Т, х 500
Технология изготовления образцов была следующей. В графитовую матрицу устанавливали нижний пуансон. Навеску порошка или волокон засыпали в полость матрицы и устанавливали верхний пуансон, оснастку устанавливали между токопроводящими электродами машины точечной сварки (рисунок 2 в). К пуансонам через электроды прикладывали давление 5-20 МПа и производили спекание путем пропускания электрического тока. Для изготовления образцов из сеток, вырубали заготовки размером 27x27 мм и укладывали послойно непосредственно между токопроводящими электродами и пропускали электрический ток.
IV. Результаты экспериментов
Процесс спекания образцов из порошка бронзы проводили при силе тока от 7,5 до 12,3 кА и длительности пропускания тока - от 0,4 до 3,6 с. Действующее значение тока составляло 8,9 кА, плотность тока 7,87 кА/см2, число импульса сварочного тока 120, время нагревания 2,4 с.
Процесс спекания образцов из волокон проводили при силе тока от 7,5 до 11,6 кА и длительности пропускания тока - от 0,4 до 3,6 с. Действующее значение тока составляло 8,9 кА, плотность тока 7,87 кА/см2, число импульса сварочного тока 60, время нагревания 1,2 с.
Процесс спекания образцов из сеток проводили при силе тока от 6 до 12 кА и длительности пропускания тока - от 0,4 до 3,6 с. Действующее значение тока составляло 8,9 кА, плотность тока 7,87 кА/см2, число импульса сварочного тока 120, время нагревания 2,4 с.
Металлографические исследование структур проводили на световом микроскопе "MeF-3" фирмы "Reichert" (Австрия) (рис. 5). Как видно на фотографиях, процесс спекания всех материалов характеризуется хорошим образованием контактов. Внешний вид полученных образцов приведен на рис. 6, их структуры - на рис. 7.
Рис. 5. Световой микроскоп "MeF-3" фирмы "Reichert" (Австрия)
в) г)
Рис. 6. Внешний вид пористых материалов, полученных спеканием электрическим током: а, б) образец на основе порошка бронзы;
в) образец на основе волокон коррозионностойкой стали марки 12Х18Н10Т;
г) образец на основе сетки из коррозионностойкой стали марки 12Х18Н10Т
а)
б)
в)
Рис. 7. Структуры образцов, полученных спеканием электрическим током, х 50: а) из порошка оловянно-фосфористой бронзы;
б) из волокна коррозионностойкой стали марки 12Х18Н10Т;
в) из сеток из коррозионностойкой стали марки 12Х18Н10Т
V. Обсуждение результатов
На полученных образцах определялись пористость (по ГОСТ 18898-89), коэффициент проницаемости (по ГОСТ 25283-82) и размеры пор (по ГОСТ 26849-93). Результаты исследований показали, что для образцов из порошков оловянно-фосфористой бронзы марки БрО10Ф1 пористость находится в диапазоне 28-36 %, коэффициент проницаемости - (250-1850)-10-13м2, размер пор - 150-250 мкм, предел прочности при срезе -32 МПа; для образцов из волокон коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т пористость находится в диапазоне 30-39 %, коэффициент проницаемости - (40-51)-10-13м2, размер пор - 80-164 мкм, предел прочности при срезе - 35 МПа ; для образцов из сеток из коррозионно-стойкой стали пористость находится в диапазоне 27-36 %, коэффициент проницаемости - 920-1000-10-13, м2, размер пор - 350-1000 мкм, предел прочности при срезе -39 МПа.
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что полученные методом спекания электрическим током образцы проницаемых материалов обладают удовлетворительным комплексом фильтрующих свойств и могут быть использованы для очистки жидкостей и газов.
Результаты исследований были использованы для изготовления сетчатого фильтра в виде диска. Основа сетчатого фильтра была изготовлена из компактного материала коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т толщиной 1,5 мм с девятью отверстиями диаметром 2,7 мм и накладки из сетки коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т (рис. 8а). Спекание сетчатого фильтра производили при действующем значении тока - 8,9 кА, плотности тока 7,87 кА/см2, длительности пропускания тока - 2,4 с, число импульса сварочного тока составляло 120, время модулирования переднего фронта импульса тока 0,2 с, время нагревания 2,4 с. Фотографии металлографического исследования показали, что припекание накладки из сетки к компактной основе наблюдается по всему периметру изделия (рис. 8б, в), что свидетельствует о хорошем контактообразовании.
а) б) в)
Рис. 8. Сетчатый фильтр после спекания электрическим током компактной основы и сетчатой накладки из коррозионностойкой стали марки 12X18H10T: a) со стороны припеченной накладки из сетки к компактной основе; б) металлографическое исследование фильтра, со стороны компактной основы; в) металлографическое исследование фильтра на границе раздела компактная основа-отверстие
В результате можно сделать вывод, о том, что метод спекания электрическим током позволяет получать изделия с заданными свойствами, которые могут быть использованы в качестве фильтров для очистки жидкостей.
VI. Выводы и заключение
Апробирован процесс получения проницаемых материалов на основе металлических порошков на примере порошка оловянно-фосфористой бронзы марки БрО10Ф1 и волокон и сеток из коррозионностойкой стали марки 12Х18Н10Т методом спекания электрическим током за одну стадию. Исследованы структуры и свойства образцов, изготовленных из распыленного сферического порошка бронзы марки БрО10Ф1 и волокон и сеток из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т. Установлено, что полученные образцы обладают удовлетворительным комплексом фильтрующих свойств: для образцов из порошков оловянно-фосфористой бронзы марки БрО10Ф1 пористость находится в диапазоне 28-36 %, коэффициент проницаемости -(250-1850)-10-13м2, размер пор - 150-250 мкм, предел прочности при срезе - 32 МПа; для образцов из волокон коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т пористость находится в диапазоне 30-39 %, коэффициент проницаемости - (40-51)-10-13м2, размер пор - 80-164 мкм, предел прочности при срезе - 35 МПа ; для образцов из сеток из коррозионно-стойкой стали пористость находится в диапазоне 27-36 %, коэффициент проницаемости - 920-1000-10-13, м2, размер пор - 350-1000 мкм, предел прочности при срезе - 39 МПа.
Подтверждена возможность спекания электрическим током проницаемых материалов на основе порошков бронзы и волокон из коррозионностойкой стали за одно спекание.
ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ
Работа финансировалась ГПНИ «Функциональные и композиционные материалы, наноматериалы» подпрограмма «Материалы в технике», задание 4.3.01, Республика Беларусь.
Научный руководитель д-р техн. наук, профессор, член-корр. НАН Беларуси А.Ф. Ильющенко.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Витязь П. А. Капцевич В. М., Белявин К. Е., Шелег В. К., Минько Д. В. Состояние и перспективы развития технологии спекания порошковых материалов электрическим током / Обзорная информация. Мн.: БелНИ-ИНТИ, 1987. 35 с.
2. Денисов Ю. А., Кочева Г. Н.,. Маслов Ю. А. Справочник сварщика / под ред. В. В. Степанова. 4-е изд., пе-рераб. и доп. М.: Машиностроение, 1983. 560 с.
3. Истомин С. В. Самые знаменитые изобретатели России. М.: Вече, 2000. 469 с.
4. Patent 1896854 US Apparatus for making hard metal compositions / Taylor G. F. 1933.
5. Lenel F. V. Resistance sintering under pressure // JOM Trans. AIME. 1955. Vol. 203. P. 158-167.
6. Райченко А. И. Основы процесса спекания порошков пропусканием электрического тока. М.: Металлургия, 1987. 127 с.
7. Дудина Д. В. Закономерности формирования фазового состава и структуры композиционных материалов и покрытий в условиях неравновесного компактирования и импульсных воздействий: дис. ... д-ра. техн. наук. Новосибирск, 2017. 305 c.
8. Кипарисов С. С., Либенсон Г. А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1972. 528 с.
9. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы / под ред. В. Шатта. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1983. 250 с.
10. Патент 31525 Япония. Способ агломерации. 1970.
11. Белявин К. Е., Минько Д. В., Кузнечик О. О., Решетников Н. В. Электроимпульсные процессы получения пористых материалов и покрытий // Пористые проницаемые материалы: технологии и изделия на их основе: материалы III Междунар. симпоз. Минск, Беларусь, 21-22 октября 2008 г. С. 191-196.
12. Сизоненко О. Н., Зайченко А. Д., Присташ Н. С., Липян Е. В., Торпаков А. С. Электроразрядный метод получения металломатричных композитов // Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка: материалы 13 -й Международной науч. -техн. конф., Минск, 16-18 мая 2018 г. Минск: Беларуская навука, 2018. С. 378-381.
13. Решетников Н. В. Получение пористых порошковых титановых имплантатов повышенной прочности методом электроразрядного спекания: дис. ... канд. техн. наук. Минск, 2009. 149 с.
14. Ильющенко А. Ф., Кусин Р. А., Черняк И. Н., Дечко М. М., Кусин А. Р., Жегздринь Д. И., Голяков М. В. Получение фильтрующих элементов методом спекания электрическим током // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: сб. докл. 9-го Междунар. симп., Минск, 8-10 апр. 2015. В 2 ч. Ч. 1. Минск: Беларуская навука, 2015. С. 109-113.
