При СВС-прессовании

Схема горячего прессования порошковых материалов в жесткой матрице с передачей давления через сыпучие или пористые среды [80], которая используется для получения компактных СВС-материалов, получила название квазиизостатического прессования. Несмотря на высокий современный уровень методов решения технологических задач обработки давлением порошковых материалов, теоретические работы по исследованию закономерностей деформирования при квазиизостатическом и СВС-прессовании ограничиваются простейшими моделями и методами решений.

В работе [26] методом среднеквадратичных напряжений и скоростей деформаций получено кинетическое уравнение уплотнения при квазиизостатическом прессовании пористой нелинейно-вязкой заготовки. При выводе уравнения принималось допущение об однородном напряженно-деформированном состоянии заготовки и оболочки. Размеры оболочки считались бесконечными, и ее влияние учитывалось через коэффициент неизостатичности, представляющий собой отношение бокового давления к осевому давлению на заготовке. При таких допущениях фактически получено уравнение уплотнения нелинейно-вязкого тела при его однородном деформировании для различных схем напряженного состояния. Это уравнение было использовано в работах [27, 28] для анализа влияния размеров оболочки на закономерности уплотнения и формоизменения при квазиизостатическом прессовании. Оболочка считалась пористым линейно- вязким телом. Внешнее трение оболочки не учитывалось. Поле скоростей задавалось из условия однородности напряженного состояния и плотности по объему заготовки и оболочки. Построенная модель позволила получить лишь качественные оценки закономерностей уплотнения и изменения радиальных размеров заготовки.

В известных работах для исследования процесса деформирования при СВС-прессовании рассматривались простейшие модели – одноосное прессование в жесткой матрице пористого материала без учета оболочки и внешнего трения [59, 234, 259]. При этом принималось допущение об однородном характере процесса деформирования и уплотнения заготовки. Естественно, что известные модели процесса СВС-прессования не в состоянии описать закономерности уплотнения и формообразования заготовки при ее деформировании совместно с оболочкой. Одной из причин использования только простейших моделей связано с полным отсутствием исследований механических свойств материалов сыпучей оболочки.

В работах [175-177] на основе механики гетерогенных сред построена математическая модель макроструктурных изменений, в том числе и уплотнения, при СВС в пресс-формах под действием постоянной нагрузки. Однако и в этих работах рассматривались синтез и деформирование в теплоизолированной абсолютно гладкой пресс-форме без оболочки. Кроме того, модель не позволяет учесть главные факторы процесса: кинематические граничные условия, внешнее трение, форму заготовки, охлаждение продуктов СВС и т.д.

В традиционных технологиях порошковой металлургии горячее прессование инертных порошков осуществляется в изотермических условиях с внешним подогревом. При СВС-прессовании заготовка саморазогревается за счет тепла химических реакций, и затем на всех стадиях технологического цикла происходит непрерывное охлаждение продуктов синтеза. В этой связи принципиальную важность приобретают вопросы количественной оценки температурного режима, который, в первую очередь, определяет способность продуктов синтеза к пластическому деформированию и уплотнению.

В работе [234] для оценки температурного поля в продуктах синтеза использовано решение одномерной задачи об охлаждении изохронно и равномерно нагретого бесконечного слоя, помещенного в неограниченную среду с граничными условиями IV рода. Реальный объект имеет конечные размеры, и для него характерен трехмерный теплообмен. Кроме того, подобная схематизация не учитывает подвижность фронта горения и неизохронность разогрева отдельных объемов продуктов синтеза.

Методом конечных разностей в работах [57, 195] решалась осесимметричная задача нестационарного теплообмена при СВС-прессовании с теплоизолирующей оболочкой. На стадии горения плоский фронт горения перемещался вдоль оси симметрии (оси прессования) цилиндрической системы. В этих работах не рассматривался процесс деформирования продуктов синтеза, а основное внимание было уделено анализу теплового режима инструмента и расчету его прочности. Соответственно не были получены данные о температурном режиме продуктов СВС и оболочки.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют подробные теоретические работы и математические модели процесса СВС-прессования, которые позволили бы достоверно прогнозировать тепловой режим, напряженно-деформированное состояние, распределение плотности по объему и форму деформируемого объекта в произвольный момент времени. Кроме того, не решен ряд вопросов общей теории пластичности пористых и порошковых тел. Так, отсутствует теоретическое обоснование условия пластичности, учитывающего несвязанное начальное состояние и локализацию неупругой деформации в контактных объемах частиц порошка; не рассмотрено влияние жидкой фазы на реологические свойства пористых вязких тел. В этой связи в настоящей работе авторы сделали попытку поставить и решить следующие основные задачи:

1) разработка математических моделей процесса нестационарного теплообмена многосвязанных тел конечных размеров с внутренней подвижной границей первого рода и получение расчетных данных о температурном режиме продуктов СВС и оболочки;

2) теоретическое обоснование и экспериментальная проверка реологических моделей твердых и твердожидких порошковых материалов;

3) разработка математических моделей процесса горячего прессования вязких порошковых материалов с передачей давления через сыпучую оболочку;

4) расчетные и экспериментальные исследования закономерностей уплотнения и формообразования заготовок при прессовании с сыпучей оболочкой;

5) практическая реализация полученных научных результатов при разработке технологических режимов СВС-прессования различной формы.