Практическая работа_1

Практическая работа
РАСЧЕТ УСЛОВИЙ ПРЕССОВАНИЯ ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ.
ЗАВИСИМОСТЬ ПЛОТНОСТИ ПРЕССОВКИ ОТ ДАВЛЕНИЯ
ПРЕССОВАНИЯ
Цель работы: ознакомление с процессом прессования порошков
металлов, расчет условий прессования. Краткие теоретические сведения
Прессование порошка – это формование порошка в пресс-форме под
воздействием давления. Прессовка – порошковая формовка, полученная
прессованием порошка. Порошки отличаются от компактных твердых тел
значительной подвижностью частиц и способностью сохранять приданную
им форму только при определенных условиях, свойством оказывать давление
на
ограждающую
поверхность,
незначительной
способностью
сопротивляться растягивающим усилиям и пр. [2]. Поверхность порошинок
характеризуется шероховатостью (часто значительной) и наличием
микроскопических или субмикроскопических трещин. В результате контакт
между соприкасающимися частицами при отсутствии внешнего давления
возможен только в отдельных точках. В связи с этим действительные
контактные давления в силу малости начальных поверхностей
соприкосновения (0,001–0,01 % от общей поверхности контактирующих
частиц) достигают таких значений, при которых возникают пластические
деформации или местные разрушения, то есть напряженное состояние
материала частицы в окрестностях зоны контакта должно быть близким к
предельному. По подсчетам при среднем напряжении в массе песка 0,1 МПа
наибольшее контактное давление составляет 2 000 МПа. При таких
давлениях первоначальный точечный контакт переходит в контакт по
некоторой поверхности, хотя и малой. Сущность процесса прессования
заключается в деформировании некоторого объема сыпучего порошкового
тела обжатием, при котором происходит уменьшение первоначального
объема и формирование заготовки (прессовки) заданных формы, размеров и
свойств. Объем порошкового тела при прессовании изменяется в результате
смещения отдельных частиц, заполняющих пустоты между ними, и
деформации частиц. Если построить график, на котором по оси ординат
отложить относи- тельную плотность порошка или прессовки, а по оси
абсцисс – давление прессования, то зависимость между этими величинами в
общей форме можно было бы выразить идеализированной кривой
уплотнения с тремя характерными участками.
Из подобного графика было бы видно, что наиболее интенсивное
уплотнение порошкового тела должно происходить на первой стадии
процесса, связанной с перемещением частиц и их более плотной упаковкой
под действием внешних сил. Однако это перемещение происходит
неравномерно. Частицы, находящиеся в особо благоприятных условиях,
перемещаются в близ- лежащие пустоты в известной степени свободно, без
существенного трения о поверхности соседних частиц, с которыми они слабо
соприкасаются. Перемещение других частиц, находящихся в менее
благоприятных условиях, мо- жет тормозиться значительным трением их о
поверхности соседних частиц, с которыми они находятся в плотном контакте,
и о поверхность стенок пресс- формы. По окончании первой стадии процесса
получается упаковка, близкая к максимально плотной. Вторая стадия
процесса уплотнения при прессовании характеризуется тем, что частицы
порошка, упакованные максимально плотно, оказывают определенное
сопротивление сжатию, давление прессования возрастает, а плотность
порошкового тела некоторое время не увеличивается. Наконец, когда
давление прессования превысит сопротивление сжатию частиц порошка,
начинается их пластическая деформация и процесс уплотнения вступает в
третью стадию. С этого момента пластическая деформация охватывает весь
объем каждой частицы, смещение межчастичных контактов фактически
прекращается и они фиксируются.
На практике в процессе прессования происходит взаимное наложение
указанных стадий уплотнения порошкового тела, так как они протекают
одновременно. Неравномерная плотность прессовки может привести к
искажению ее формы и размеров при спекании, а также вызвать
нежелательные изменения свойств спеченного порошкового тела. При
выводе основного уравнения прессования, связывающего давление
прессования и плотность прессовки, возможны два основных подхода.
Первый из них характеризуется рядом упрощающих допущений, которые
позволяют решать ту или иную задачу элементарным путем с
использованием достаточно простых уравнений прессования, описывающих
рассматриваемый процесс с удовлетворительной точностью. Второй подход
базируется на большей физической обоснованности решения поставленной
задачи. Для описания процесса уплотнения порошкового тела в данном
случае требуются весьма сложные математические зависимости, решение
которых далеко не всегда приводит к результатам, имеющим практическое
значение. Четко разграничить эти направления нельзя, так как они зачастую
взаимно дополняют друг друга.
Доказано, что количественная зависимость плотности прессовки от
давления прессования может быть выражена уравнениями
lg P = – L(β – 1) + lgPmax (1) и
lg P = – m lgβ + lgPmax (2) или
lg P = m lgθ + lgPmax, (3)
где P – приложенное (текущее) давление прессования; Pmax – давление
прессования, обеспечивающее получение беспористой прессовки; L, m –
постоянные, учитывающие природу прессуемого материала и называемые,
соответственно, фактором и показателем прессования; β, θ – относительный
объем и относительная плотность прессовки.
Фактор прессования L связан с контактным давлением σк
зависимостью
L = 0,434 K′ hк / σк h0, (4)
где К' – постоянный коэффициент; hк – приведенная высота прессовки,
т.е. высота прессовки при ее плотности 100 %; h0 – первоначальная высота
порошка в пресс-форме.
Следовательно, фактор прессования L может быть постоянным только
при σк = соnst, так как hк и h0 для взятой навески порошка – величины
постоянные. На самом деле σк ≠ соnst и растет как вследствие упрочнения
материа- ла частиц в процессе прессования, так и вследствие изменения
схемы напряженного состояния материала (замена одноосного сжатия более
сложным) в окрестностях зоны межчастичного контакта. Однако фактор
прессования L значительно изменяется даже в сравнительно небольших
интервалах давлений, в связи с чем невозможно привести уравнение
прессования с постоянными коэффициентами во всем интервале давлений. В
ряде случаев можно получить уравнения с коэффициентами более или менее
постоянными в достаточно широком интервале давлений прессования. Для
идеального процесса прессования (т.е. при отсутствии внешнего трения)
формулы (2), (3) примут вид
Pβm = Pmax = Pк = const (5)
P/θm = Pmax = Pк = const, (6)
где Pк – максимальное (критическое) давление прессования,
соответствующее максимальному уплотнению и равное по величине
давлению истечения, то есть напряжению, при котором цилиндрический
пуансон быстро погружается в испытываемый металлический образец.
Численно это твердость материала при максимальной степени его
упрочнения. Показатель прессования m характеризует свойства порошка и
может быть определен опытным путем или рассчитан по формуле
m = 2 + θ/∆θ, (7)
где ∆θ = θ – θ0, а θ0 – относительная плотность исходного порошкового
тела до приложения нагрузки к нему.
Для многих порошков железа и меди величина m сохраняет примерно
постоянное значение в довольно большом интервале давлений прессования.
Для любых металлических порошков m ≥ 3. Наиболее приемлемо для анализа
поведения порошков при прессова- нии уравнение (8.2). В графической
форме при σк = соnst уравнение имеет вид прямой линии. Тангенс угла
наклона прямой к оси абсцисс численно равен показателю прессования m, а
отрезок, отсекаемый прямой от оси ординат, ра- вен логарифму
максимального давления прессования Pmax или в идеальном случае –
логарифму Pк. При прессовании различных порошкообразных материалов
часто наблюдают отклонения от прямолинейной зависимости lgβ по lgP.
Если кривая имеет изгиб выпуклостью вниз, то в процессе прессования
наблюдается упрочнение материала в области межчастичного контакта,
увеличение эффекта межчастичного трения. Когда кривая имеет выпуклость
вверх, то это означает, что наружные слои частиц порошка оказались более
твердыми, чем внутренние (из-за окисленности или по другим причинам). Из
уравнения (8.5) следует, что для получения беспористых прессовок
необходимы давления прессования, равные Pк. Для получения прессовок
небольшой плотности из порошков с боль- шей насыпной плотностью
требуются меньшие давления, чем для их получения из более легких
порошков. При увеличении степени уплотнения это различие уменьшается и
при 100 %-й плотности давление для одинаковых по химическому составу
порошков с различной насыпной плотностью становит- ся приблизительно
одинаковым. Для получения прессовки заданной плотности необходимое
давление прессования увеличивается вместе с ростом дисперсности порошка.
Доказана возможность описания процесса уплотнения порошкового тела
через коэффициент прессования:
К = dγ / dP = К0 е -αр , (8)
где К0 – начальный коэффициент прессования (при P = 0); α –
коэффициент потери сжимаемости, характеризующий относительное
уменьшение К при возрастании давления P на единицу.
При достаточно больших давлениях прессования уплотнение
порошкового материала происходит в результате истечения его в поры.
Теоретически и экспериментально доказано, что простой и достаточно
точной формулой уравнения прессования идеального процесса уплотнения
(без учета влияния внешнего трения) может быть принята зависимость
P = Pк (θn – θn 0) / (1 – θ0) = Pк(βn 0 – βn ) / [βn (βn 0 – 1)]. (9)
Показатель степени n в уравнении (9) зависит от всех основных
факторов (механических свойств материала частиц порошка, коэффициента
меж- частичного трения, относительной плотности насыпки порошка),
определяющих
характер
и
особенности
процесса
прессования
металлического порошка, и может быть вычислен по уравнению
n = 1 + 2 / П0, (10)
где П0 = 1 – θ0.
Контрольные вопросы
1.Чем отличается процесс прессования порошкового тела от прессования компактного металла?
2. Какие факторы определяют выбор условий прессования порошков?
3. Назовите основные стадии процесса уплотнения порошкового тела.
4. Напишите уравнения, характеризующие количественную зависимость плотности прессовки от давления прессования.
5. Что учитывают такие показатели процесса прессования, как фактор и
показатель прессования?
6. Напишите уравнение, позволяющее определить фактор прессования.
Поясните его.
7. Напишите уравнение прессования для идеального процесса уплотнения (без учета влияния внешнего трения). Поясните его.