И формообразования заготовки. Сыпучая оболочка является основным технологическим элементом процесса СВС-прессования

Сыпучая оболочка является основным технологическим элементом процесса СВС-прессования. Функциональное назначение оболочки состоит в теплоизоляции саморазогревающихся продуктов СВС от холодного жесткого инструмента, дренажировании примесных газов, деформировании и формообразовании заготовки. Выполнение этих функций напрямую зависит как от размеров, так и от физических свойств материала оболочки. В известных работах оболочка как объект исследования рассматривалась исключительно с точки зрения ее теплофизических свойств и газопроницаемости [134, 236]. Соответственно для математического описания процесса деформирования при СВС-прессовании использовались простейшие одномерные модели без оболочки [59, 234, 259]. Случайным можно считать экспериментально установленный факт о низкой плотности малогабаритных заготовок, спрессованных в пресс-формах большого диаметра. Дело в том, что исследователи, как правило, в одной и той же пресс-форме проводят синтез и прессование заготовок разных размеров. С целью экономии материальных ресурсов на стадии разработки рецептур новых СВС-материалов ориентируются на малогабаритные заготовки-образцы диаметром до 40 мм. При таких исследованиях и было установлено проявление масштабного фактора, связанного с низкой плотностью и механическими свойствами образцов малых размеров. Этот результат в научной литературе связывают с быстрым остыванием продуктов синтеза в малогабаритных заготовках и потерей способности к пластическому деформированию и уплотнению [156]. Вместе с тем анализ теплового режима показывает, что с уменьшением радиальных размеров средняя температура заготовок Т _1ср увеличивается (рис. 5.15). Соответственно причину низкой уплотняемости малогабаритных заготовок следует искать в особенностях процесса совместного деформирования заготовки и оболочки.

Если влияние соотношения радиальных размеров заготовки и оболочки в силу практической необходимости, связанной с материальными затратами на экспериментирование, в определенной мере рассматривалось, то вопрос о роли высоты оболочки остался вне поля зрения исследователей. На уровне качественного анализа увеличение высоты оболочки рассматривается как увеличение объема бесполезно деформируемого материала. Естественно, что при таком подходе не проводились соответствующие экспериментальные и теоретические исследования.

T1 ср, 0C

Р и с. 5.15. Влияние радиуса R 1 на среднюю температуру заготовок Т 1ср при центральном зажигании

Таким образом, отсутствие в настоящее время научно обоснованных рекомендаций по абсолютным размерам заготовок-образцов и по соотношению размеров заготовки и оболочки (соответственно и размеров пресс-формы) приводит к неоправданным материальным затратам как при проведении материаловедческих исследований, так и при отработке технологических режимов процесса СВС-прессования конкретного типоразмера заготовки.

При исследовании теплового режима авторами установлено, что низкая теплопроводность песка обеспечивает надежную теплоизоляцию горячих продуктов синтеза при толщине песчаной оболочки в пределах 2, 5-4 мм. С точки зрения энергозатрат и массогабаритных характеристик пресс-инструмента также необходимо ориентироваться на минимальные размеры оболочки. Однако нет ответа на вопрос, какими именно должны быть размеры оболочки для получения заданной плотности и формы заготовки.

Для изучения влияния размеров оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки был выполнен цикл вычислительных экспериментов. Рассматривалось прессование заготовок из сплава TiC-20% Ni при среднем давлении прессования q = 120 МПа. Геометрические, температурные и физические параметры процесса приведены в подразд. 5.1.

Сначала исследовали влияние абсолютных размеров заготовки на ее среднюю относительную плотность. Варьировался радиус заготовки R ₁ при постоянном радиусе матрицы R ₂ = 62, 5 мм. Толщина нижнего h _2н и верхнего слоя h _2в оболочки (см. рис. 4.3) составляла
h _2н = h _2в = 10 мм. Температура деформирования принималась одинаковой для всех вариантов. Эксперименты и расчеты показали, что с уменьшением радиуса шихтовой заготовки R ₁ высота спрессованной заготовки h ₁ увеличивается, а средняя по объему относительная плотность r ₁ уменьшается (рис. 5.16).

Р и с. 5.16. Влияние абсолютных радиальных размеров на толщину центра h 1 (1) и среднюю относительную плотность заготовки r 1 (2, 3): 1, 2 – R 2 = 62, 5 мм = const; 3 – R 1/ R 2 = 0, 8 = const; · - эксперимент

Теоретически беспористая заготовка с r ₁ = 1 получается при радиусе заготовки R ₁ ³ 50 мм. С уменьшением радиальных размеров относительная плотность заготовки монотонно уменьшается и в области малогабаритных заготовок (R ₁ < 20 мм) асимптотически приближается к предельному значению r ₁» 0, 87. Так как температура для всех значений R ₁ была одинаковой, то рассмотрим условия деформирования заготовки.

Выше было показано, что при прессовании сплава TiC-20% Ni в песчаной оболочке вокруг заготовки образуется высокоплотная кольцевая зона. Эта зона препятствует деформированию и уплотнению центральной зоны оболочки и находящейся в ней заготовки. При постоянном радиусе матрицы с уменьшением радиальных размеров заготовки увеличиваются ширина кольцевой зоны и силовые затраты на ее деформирование. Соответственно будут уменьшаться деформирующие напряжения в центральной зоне и на заготовке. В приближении одномерной механической модели уплотнение заготовки определяется величиной осевых напряжений s_z. На рис. 5.17 показано распределение осевого давления q_z = - s_z на верхней опорной поверхности заготовок различного радиуса. Давление q_z приблизительно постоянно в центральной части, но резко возрастает в области боковой поверхности заготовки. Последнее обусловлено концентрацией поля напряжений и плотности в области ребра заготовки с нулевым радиусом кривизны (см. поздразд. 4.3). Видно, что с уменьшением радиальных размеров величина осевого давления q_z на заготовке также уменьшается. Соответственно уменьшение деформирующего напряжения приводит к уменьшению плотности прессованной заготовки. Отметим, что среднее давление q_z на заготовке в 2-4 раза меньше, чем среднее давление прессования q =120 МПа на пуансоне.

Р и с. 5.17. Распределение напряжений на верхней поверхности заготовок: 1 – R 1 = 15 мм; 2 – R 1 = 20 мм; 3 – R 1 = 30 мм; 4 – R 1 = 39 мм; 5 – R 1 = 50 мм

Таким образом, одной из причин низкой плотности малогабаритных заготовок являются большие размеры жесткой кольцевой зоны оболочки, и проявление масштабного фактора не связано с тепловым режимом процесса. Соответственно для получения высокоплотного материала в малогабаритных заготовках необходимо уменьшить ширину кольцевой зоны, т. е. использовать малогабаритные пресс-формы. Найдем количественное соотношение между радиальными размерами заготовки и оболочки, при котором продукты синтеза уплотняются до беспористого состояния. Из данных
рис. 5.16 следует, что при прессовании в матрице с R ₂=62, 5 мм беспористый материал получается в заготовке радиусом R ₁=50 мм, и отношение радиусов заготовки R ₁ и оболочки R ₂ составляет
R ₁/ R ₂ = 0, 8.

Расчеты, выполненные при указанном соотношении радиальных размеров заготовки и оболочки, показали, что в этом случае плотность заготовок заметно увеличивается (кривая 2 на рис. 5.16). Однако малогабаритные заготовки не спрессовываются до беспористого состояния. Для выяснения механизма проявления масштабного фактора следует рассмотреть характер формообразования заготовок. На рис. 5.18 представлена форма меридионального сечения заготовок с радиусами R ₁ = 10 мм и R ₁ = 30 мм. В последнем случае материал является практически беспористым: расчетная относительная плотность r ₁ = 0, 993. В обеих заготовках из-за различия реологических свойств продуктов СВС и песчаной оболочки формируются две зоны– центральная и периферийная. Как отмечалось выше, плотность периферийной зоны меньше, чем центральной зоны. Абсолютные размеры высокопористой периферийной зоны практически не зависят от радиальных размеров заготовки, и ее ширина составляет в среднем 3-5 мм. Расчетная и экспериментальная плотности материала определяются путем осреднения неоднородного поля плотности по всему объему заготовки. Естественно, что при уменьшении габаритных размеров возрастает удельная доля пористого материала периферийной зоны, поэтому, несмотря на идентичные условия прессования, малогабаритные заготовки имеют низкую среднюю плотность.

Таким образом, основная причина проявления масштабного фактора связана с периферийной высокопористой зоной, которая образуется в заготовке из-за различия реологических свойств продуктов синтеза и песчаной оболочки. Результаты расчетов показывают, что длина зоны влияния краевого эффекта на боковой границе заготовки составляет около l _кр» 5 мм и не зависит от абсолютных размеров заготовки. Если при проведении исследований известен габаритный размер образца l _об, то для исключения влияния краевого эффекта габаритный размер шихтовой заготовки l _заг должен быть увеличен примерно на 10 мм: l _заг» l _об + 10 мм.

а б

Р и с. 5.18. Форма сечения заготовок с R 1 = 10 мм (а) и R 1 = 30 мм (б)

При разработке технологических параметров процесса СВС-прессования известны размеры заготовки. В задачу технологического проектирования входит определение осевых и радиальных размеров оболочки и давления прессования q. Специальные экспериментальные или теоретические исследования влияния геометрических размеров инструмента на свойства получаемых изделий не проводились. В настоящее время радиальные размеры назначают исходя из накопленного опыта получения методом СВС-прессования различных материалов. Традиционно процесс проводят при давлении прессования в пределах q = 100-150 МПа и на основании этого давления назначают радиальные размеры пресс-формы. В отношении осевых размеров оболочки, как уже отмечалось выше, никаких рекомендаций нет. Толщина нижнего и верхнего слоев оболочки принимается равной
5-10 мм, и общая высота оболочки вместе с шихтовой заготовкой составляет обычно 35-40 мм.

Следуя работе [213], рассмотрим влияние осевых и радиальных размеров оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки заданных размеров.

В направлении вертикальной оси прессования z начальная высота оболочки h ₂₀ включает начальную высоту заготовки h ₁₀, а также толщину нижнего слоя h _2н и верхнего слоя h _2в оболочек: h ₂₀ = h ₁₀ + h _2н + h _2в (рис. 5.19). Конструкция штатной пресс-формы-реактора позволяет проводить прессование при размещении заготовки в нижней части матрицы и варьировании толщины оболочки над заготовкой, поэтому толщина нижнего слоя оболочки оставалась постоянной
(h _2н = 5 мм), а варьировалась только толщина верхнего слоя оболочки. Причем максимально возможная начальная высота оболочки в пресс-форме составляет h ₂₀ = 40 мм.

а

б Р и с. 5.19. Геометрические характеристики оболочки

На рис. 5.20 показано влияние начальной высоты оболочки h ₂₀ на толщину средней части h ₁ и относительную плотность r ₁ заготовки. Согласно расчетам (сплошная линия на рис. 5.20) максимальная плотность заготовки r ₁ обеспечивается при начальной толщине оболочки h ₂₀ = 45 - 55 мм.

а	б
Р и с. 5.20. Влияние начальной высоты оболочки на толщину h 1 (а) и относительную плотность r 1 заготовки (б): · – эксперимент

С увеличением начальной высоты оболочки h ₂₀ свыше 50 мм плотность заготовки уменьшается. В этом случае проявляется влияние сил внешнего трения оболочки. В п. 5.3 уже отмечалось, что из-за внешнего трения порошкового материала давление прессования уменьшается от верхней к донной части матрицы, где находится заготовка, и плотность заготовки снижается.

Следует отметить резкое уменьшение плотности прессованной заготовки при h ₂₀ < 40 мм. Для объяснения этого явления рассмотрим процесс совместного деформирования и уплотнения заготовки и оболочки в рамках одномерной механической модели. Эта модель представляет собой два параллельно соединенных элемента – центральную зону оболочки с заготовкой и кольцевую зону оболочки. Пусть заготовка имеет начальную относительную плотность r ₁₀ и начальную высоту h ₁₀. Тогда для уплотнения до беспористого состояния с r ₁ = 1 заготовку необходимо осадить на величину

D h ₁ = h ₁₀ (1 - r ₁₀). (5.7)

Совместно с осадкой заготовки происходит осадка кольцевой зоны оболочки. Максимальная осадка кольцевой оболочки по аналогии с (5.7) составляет

D h ₂= h ₂₀ (1 - r ₂₀). (5.8)

Конечная плотность заготовки будет определяться соотношением перемещений D h ₁ и D h ₂. Рассмотрим предельный случай, когда заготовка и оболочка имеют одинаковую начальную высоту: h ₁₀ = h ₂₀ (см. рис. 5.18, б). Если начальная плотность заготовки выше, чем у оболочки (r ₁₀ > r ₂₀), то получим D h ₁ < D h ₂, и теоретически возможно получение беспористой заготовки. Напротив, при более высокой начальной плотности оболочки (r ₁₀ < r ₂₀) имеем D h ₁ > D h ₂, и сначала до беспористого несжимаемого состояния уплотняется кольцевая оболочка, а заготовка остается пористой. Именно этот случай имеет место при СВС-прессовании сплава TiC-20% Ni в песчаной оболочке. Начальная относительная плотность продуктов синтеза составляет r ₁₀ = 0, 5; песка – r ₂₀ = 0, 61. В рамках одномерной модели для получения беспористой заготовки необходима осадка на половину ее начальной высоты: D h ₁ =0, 5 h ₁₀. Но кольцевая оболочка уже после осадки на 39% исчерпывает запас сжимаемости. С увеличением начальной высоты оболочки h ₂₀ повышается ресурс сжимаемости кольцевой зоны D h ₂ и величина осадки заготовки D h ₁. В итоге плотность спрессованной заготовки увеличивается. Таким образом, для получения методом СВС-прессования высокоплотных или беспористых заготовок необходимо обеспечить определенный ресурс сжимаемости оболочки, который характеризуется осевыми размерами оболочки. Минимально допустимая высота оболочки h _2min зависит от начальной высоты заготовки и начальной плотности уплотняемых материалов. Для рассматриваемого процесса расчетная величина этого параметра составляет h _2min = 45 - 55 мм.

Сопоставим размеры песчаной оболочки, необходимые для обеспечения надежной теплоизоляции и получения высокоплотного материала для заготовки из сплава TiC-20% Ni радиусом R ₁ = 39 мм, начальной высотой h ₁₀ = 14 мм и начальной относительной плотностью r ₁₀ = 0, 5. Согласно результатам решения тепловой задачи минимальная толщина песчаной оболочки сверху h _2в и снизу h _2н заготовки составляет примерно 5 мм и общая начальная высота оболочки равна h ₂₀ = h ₁₀ + h _2в + h _2н = 24 мм. Результаты решения механической задачи и эксперимента показывают, что при таком значении h ₂₀ ресурса сжимаемости песчаной оболочки недостаточно для получения максимально плотного материала заготовки. Начальная высота оболочки должна быть примерно в 2 раза больше и составлять h ₂₀ = 50 мм. Таким образом, для рассматриваемого материала, размеров и начальной плотности заготовки оптимальной будет начальная высота песчаной оболочки, полученная из решения задачи механики.

Результаты качественного анализа закономерностей совместного уплотнения заготовки и оболочки на одномерно механической модели позволяют сделать общий вывод: если начальная относительная плотность заготовки меньше начальной относительной плотности оболочки, то при выборе начальной высоты оболочки ведущим является процесс совместного пластического деформирования заготовки и оболочки, а процесс теплообмена имеет второстепенное значение. Как правило, именно этот вариант имеет место в практике СВС-прессования различных материалов и изделий.

Рассмотрим влияние радиальных размеров оболочки (радиуса матрицы R _м) на закономерности уплотнения и формообразования заготовки. Выбор радиальных размеров матрицы имеет принципиальное значение, так как усилие пресса ограничено по величине и именно радиус матрицы определяет рабочее давление прессования. В табл. 5.2 приведены результаты численного анализа влияния радиуса матрицы R _м на плотность заготовок, спрессованных при постоянном усилии прессования, равном Q = 1480 кН. Исследование проводилось при толщине оболочки h ₂₀ = 40 мм и расположении заготовки в средней части матрицы. С уменьшением радиуса матрицы R _м при
Q = const давление прессования q увеличивается и средняя плотность заготовки r₁ возрастает (см. табл. 5.2).

Для получения высокоплотных заготовок естественна ориентация на использование малогабаритных пресс-форм и высоких давлений прессования. Вместе с тем плотность заготовки – не единственный показатель качества процесса СВС-прессования. Важной технической характеристикой является размерная точность заготовки, которая определяет трудоемкость последующих операций механической обработки. Различие реологических свойств продуктов СВС и песка приводит к искажению формы заготовки – высота ее центральной части меньше, чем периферийной, и опорные поверхности являются вогнутыми. Количественной мерой размерной точности может служить разность высот боковой поверхности h _б заготовки и ее центра h _ц: D h _заг = h _б - h _ц. Изменение формы и размерной точности D h _заг заготовок в зависимости от радиуса матрицы представлено в
табл. 5.2. Минимальное значение D h _заг соответствует прессованию в матрице с радиусом R _м = 45 мм, однако при этом происходит существенное искривление самих опорных поверхностей. Такое искажение следует связать с краевым эффектом от боковой поверхности матрицы с трением. Объемы оболочки вблизи поверхностей с трением характеризуются сильной неоднородностью напряженно-деформированного состояния и поля плотности, поэтому при уменьшении радиальных размеров оболочки часть заготовки попадает в область неоднородного поля напряжений и ее размерная точность уменьшается. С точки зрения размерной точности оптимальным для заготовки радиусом R ₁ = 39 мм является прессование в матрице с
R _м = 50 мм.