Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском
З використанням методу скінчених елементів виконано моделювання температурного поля в робочій комірці технологічної установки високошвидкісного спікання під тиском (ВШСТ) порошкових заготовок із карбіду бору. Враховано залежність властивостей порошкової заготовки від пористості та температури. Прове...
Saved in:
| Published in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Date: | 2019 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2019
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159992 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском / В.А. Дутка, А.Л. Майстренко, В.Г. Кулич // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2019. — Вип. 22. — С. 418-427. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-159992 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Дутка, В.А. Майстренко, А.Л. Кулич, В.Г. 2019-10-19T18:50:06Z 2019-10-19T18:50:06Z 2019 Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском / В.А. Дутка, А.Л. Майстренко, В.Г. Кулич // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2019. — Вип. 22. — С. 418-427. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159992 622.24.051:536.2 DOI: 10.33839/2223-3938-2019-22-1-418-427 З використанням методу скінчених елементів виконано моделювання температурного поля в робочій комірці технологічної установки високошвидкісного спікання під тиском (ВШСТ) порошкових заготовок із карбіду бору. Враховано залежність властивостей порошкової заготовки від пористості та температури. Проведено комп’ютерне дослідження впливу схеми комірки на перепад температури в заготовці. За результатами моделювання вибрано схеми робочої комірки установки ВШСТ і відповідні режими нагрівання, при яких протягом 100–150 с досягається температура спікання 2000 ºС, а перепад температури в заготовці на стадії витримки дорівнює 13–30 градусів. Реалізація вибраних схем робочої комірки в технологічній установці ВШСТ дала змогу отримати однорідність мікротвердості матеріалу спеченого виробу. С использованием метода конечных элементов выполнено моделирование температурного поля в рабочей ячейке установки высокоскоростного спекания под давлением (ВССД) порошковых заготовок из карбида бора. Учтены зависимости свойств порошковой заготовки от пористости и температуры. Проведено компьютерное исследование влияния схемы ячейки на перепад температуры в заготовке. По результатам моделирования выбрано схемы рабочей ячейки установки ВССД и соответствующие режимы нагрева, при которых в течение 100–150 с достигается температура спекания 2000 °С, а перепад температуры в заготовке на стадии выдержки составляет 13–30 градусов. Реализация выбранных схем рабочей ячейки в технологической установке ВШСТ позволила получить однородность микротвердости материала испеченного изделия. Using the finite element method, a simulation of the temperature field in the work cell of the technological unit during high-speed sintering under pressure (HSSP) of the powder boron carbide samples was performed. The dependence of the properties of the powder billet on porosity and temperature is taken into account. A computerized study of the effect of the cell circuit on the temperature drop in the B4C-sample is carried out. According to the results of simulation, the schemes of the working cell of HSSP-unit and the corresponding heating regimes have been selected, during which the temperature reach 2000 ºС within 100–150 s, and the temperature drop in the preform during the dwell stage is 13–30 degrees. Implementation of the selected schemes of the working cell of HSSP in the technological unit allowed to obtain homogeneity of the microhardness of the material of the sintered product. uk Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Разработка и внедрение оборудования и инструмента, оснащенного твердыми сплавами, в различных отраслях промышленности Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском Using of modelling for minimization of temperature drop in b4c-sample during high-speed sintering under pressure Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском |
| spellingShingle |
Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском Дутка, В.А. Майстренко, А.Л. Кулич, В.Г. Разработка и внедрение оборудования и инструмента, оснащенного твердыми сплавами, в различных отраслях промышленности |
| title_short |
Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском |
| title_full |
Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском |
| title_fullStr |
Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском |
| title_full_unstemmed |
Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском |
| title_sort |
використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском |
| author |
Дутка, В.А. Майстренко, А.Л. Кулич, В.Г. |
| author_facet |
Дутка, В.А. Майстренко, А.Л. Кулич, В.Г. |
| topic |
Разработка и внедрение оборудования и инструмента, оснащенного твердыми сплавами, в различных отраслях промышленности |
| topic_facet |
Разработка и внедрение оборудования и инструмента, оснащенного твердыми сплавами, в различных отраслях промышленности |
| publishDate |
2019 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Using of modelling for minimization of temperature drop in b4c-sample during high-speed sintering under pressure |
| description |
З використанням методу скінчених елементів виконано моделювання температурного поля в робочій комірці технологічної установки високошвидкісного спікання під тиском (ВШСТ) порошкових заготовок із карбіду бору. Враховано залежність властивостей порошкової заготовки від пористості та температури. Проведено комп’ютерне дослідження впливу схеми комірки на перепад температури в заготовці. За результатами моделювання вибрано схеми робочої комірки установки ВШСТ і відповідні режими нагрівання, при яких протягом 100–150 с досягається температура спікання 2000 ºС, а перепад температури в заготовці на стадії витримки дорівнює 13–30 градусів. Реалізація вибраних схем робочої комірки в технологічній установці ВШСТ дала змогу отримати однорідність мікротвердості матеріалу спеченого виробу.
С использованием метода конечных элементов выполнено моделирование температурного поля в рабочей ячейке установки высокоскоростного спекания под давлением (ВССД) порошковых заготовок из карбида бора. Учтены зависимости свойств порошковой заготовки от пористости и температуры. Проведено компьютерное исследование влияния схемы ячейки на перепад температуры в заготовке. По результатам моделирования выбрано схемы рабочей ячейки установки ВССД и соответствующие режимы нагрева, при которых в течение 100–150 с достигается температура спекания 2000 °С, а перепад температуры в заготовке на стадии выдержки составляет 13–30 градусов. Реализация выбранных схем рабочей ячейки в технологической установке ВШСТ позволила получить однородность микротвердости материала испеченного изделия.
Using the finite element method, a simulation of the temperature field in the work cell of the technological unit during high-speed sintering under pressure (HSSP) of the powder boron carbide samples was performed. The dependence of the properties of the powder billet on porosity and temperature is taken into account. A computerized study of the effect of the cell circuit on the temperature drop in the B4C-sample is carried out. According to the results of simulation, the schemes of the working cell of HSSP-unit and the corresponding heating regimes have been selected, during which the temperature reach 2000 ºС within 100–150 s, and the temperature drop in the preform during the dwell stage is 13–30 degrees. Implementation of the selected schemes of the working cell of HSSP in the technological unit allowed to obtain homogeneity of the microhardness of the material of the sintered product.
|
| issn |
2223-3938 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159992 |
| citation_txt |
Використання моделювання для мінімізації перепаду температури в заготовці з карбіду бору при високошвидкісному спіканні під тиском / В.А. Дутка, А.Л. Майстренко, В.Г. Кулич // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2019. — Вип. 22. — С. 418-427. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT dutkava vikoristannâmodelûvannâdlâmínímízacííperepadutemperaturivzagotovcízkarbíduboruprivisokošvidkísnomuspíkannípídtiskom AT maistrenkoal vikoristannâmodelûvannâdlâmínímízacííperepadutemperaturivzagotovcízkarbíduboruprivisokošvidkísnomuspíkannípídtiskom AT kuličvg vikoristannâmodelûvannâdlâmínímízacííperepadutemperaturivzagotovcízkarbíduboruprivisokošvidkísnomuspíkannípídtiskom AT dutkava usingofmodellingforminimizationoftemperaturedropinb4csampleduringhighspeedsinteringunderpressure AT maistrenkoal usingofmodellingforminimizationoftemperaturedropinb4csampleduringhighspeedsinteringunderpressure AT kuličvg usingofmodellingforminimizationoftemperaturedropinb4csampleduringhighspeedsinteringunderpressure |
| first_indexed |
2025-11-24T16:49:10Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:49:10Z |
| _version_ |
1850487040222691328 |
| fulltext |
Выпуск 22. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
http:/altis-ism.org.ua
418
17. Denisov, M. A. (2011). Matematicheskoe modelirovanie teplofizicheskikh protsessov: ANSYS
i CAE-proyektirovaniye [Mathematical modeling of thermophysical processes: ANSYS and
CAE-design]. Yekaterinburg, Ural'sk. Federal'n. Un-t [in Russian].
18. Sosedov, V. P. (Eds). (1975). Svoistva konstruktsionnykh materialov na osnove uhleroda:
spravochnik [Properties of carbon-based construction materials: a Handbook]. Moscow:
Metallurgy [in Russian].
19. Paterson, M. S., & Edmond, J. M. (1972). Deformation of graphite at high Pressures. Carbon,
10, 29–34.
УДК 622.24.051:536.2 DOI: 10.33839/2223-3938-2019-22-1-418-427
В. А. Дутка, канд. техн. наук; А. Л. Майстренко, чл.-кор. НАН України;
В. Г. Кулич, канд. техн. Наук
1Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України,вул. Автозаводська 2,
04074 м. Київ; E-mail: vadutka@ukr.net
ВИКОРИСТАННЯ МОДЕЛЮВАННЯ ДЛЯ МІНІМІЗАЦІЇ ПЕРЕПАДУ
ТЕМПЕРАТУРИ В ЗАГОТОВЦІ З КАРБІДУ БОРУ ПРИ ВИСОКОШВИДКІСНОМУ
СПІКАННІ ПІД ТИСКОМ
З використанням методу скінчених елементів виконано моделювання температурного поля в
робочій комірці технологічної установки високошвидкісного спікання під тиском (ВШСТ) порошкових
заготовок із карбіду бору. Враховано залежність властивостей порошкової заготовки від пористості
та температури. Проведено комп’ютерне дослідження впливу схеми комірки на перепад
температури в заготовці. За результатами моделювання вибрано схеми робочої комірки установки
ВШСТ і відповідні режими нагрівання, при яких протягом 100–150 с досягається температура
спікання 2000 ºС, а перепад температури в заготовці на стадії витримки дорівнює 13–30 градусів.
Реалізація вибраних схем робочої комірки в технологічній установці ВШСТ дала змогу отримати
однорідність мікротвердості матеріалу спеченого виробу.
Ключові слова: високошвидкісне спікання під тиском, карбід бору, моделювання,перепад
температури, однорідність мікротвердості
Вступ
Високу міцність виробів на основі карбіду бору B4C вдається отримати при умовах,
коли спечений матеріал має високу щільність, малий розмір зерна структури [1] та
однорідність термомеханічних властивостей. Для цього спікання сумішей на основі B4C
необхідно проводити при високих температурах під тиском та при якнайменшій тривалості
спікання. Актуальним при таких умовах є забезпечення допустимого – не більше 50 градусів
– перепаду температури в заготовці на стадії витримки.
Порошкові суміші на основі карбіду бору залежно від добавок та розмірів зерен
спікають в графітових прес-формах при тиску 30–100 МПа за температури 1800–2200 ºС [1,
2]. Температуру спікання можна знизити на 200...300 градусів, а тривалість спікання
скоротити, використовуючи спосіб високошвидкісного спікання під тиском (ВШСТ) при
збільшенні тиску до 500 МПа [3] з використанням пуансонів із матеріалів, міцніших ніж
графіт. На даний час є широкий спектр способів швидкісного спікання під тиском [4, 5]
металевих та керамічних композицій.
mailto:vadutka@ukr.net
РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО
ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ, В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
419
В даній роботі для зменшення перепаду температури в заготовці в процесі ВШСТ
виконано комп’ютерне моделювання температурного поля в робочій комірці технологічної
установки для різних схем її робочої комірки.
Математична модель
В комп’ютерній моделі вибрано чверть осьового перетину робочої комірки
технологічної установки (рис. 1).
5
C
A B
r, м
z, м
0,010 0,02
0,072
0,052
0,010
0,002
0,050 О
2
1
3
4
10
8
7
12
9
6
11
13
5
C
A B
r, м
z, м
0,010 0,02
0,072
0,052
0,010
0,002
0,050 О
2
1
3
4
10
8
7
12
9
6
11
13
5
C
A B
r, м
z, м
0,010 0,02
0,072
0,052
0,010
0,002
0,050 О
2
1
3
4
10
8
7
12
9
6
11
а б в
Рис. 1. Схеми робочої комірки технологічної установки ВШСТ (чверть осьового
перетину): а – схема І, б – схема ІІ, в – схема ІІІ; 1 – графітова прокладка (МПГ-6) ,2 – брикет
(В4С); 3 – пуансон (Mo), 4 – прес-форма (МПГ-6), 5 – контейнер (літографський камінь), 6 –
повітряні порожнини, 7 – контактна пластина (латунь), 8 – пластина пресу (сталь 35ХГСА),
9 – пружний наповнювач (термостійка гума), 10 – роздільна пластина (сталь 35ХГСА), 11 –
електроізоляційна пластина (кварц), 12 – обойма (сплав ЕІ); 13 – теплоізоляційний диск (б –
графіт МПГ-6, в – ZrO2
Для моделювання електричного і температурного полів використовується зв’язана
система рівнянь квазістаціонарної електропровідності та нестаціонарної теплопровідності
0Ugradσdiv , 2U)(gradσTgradλdiv
t
Tcγ
(1)
з початковими умовами
00 )z,U(r, , 00 T)z,T(r, (2)
і граничними умовами на зовнішніх поверхнях ABS і BCS розрахункової області
),(),,( tftzrU
ABC S(r,z)T),(Tαt)(r,z,
n
Tλ
2
, (3)
,t)(r,z,
n
Uσ 0
BCC S(r,z)T),(Tαt)(r,z,
n
Tλ
1
, (4)
умовами симетрії на поверхні OCS
,t)z,U(r, 0 OCSz)(r,,t)(r,z,
n
T
0 (5)
Выпуск 22. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
http:/altis-ism.org.ua
420
та на осі симетрії Oz
AOzrtzr
n
Ttzr
n
U
),(,0),,(,0),,( , (6)
де ),,( tzrUU , ),,( tzrTT – відповідно діюча величина електричного потенціалу і температура
в момент часу t в точці з координатами r і z в циліндричній системі координат; σ, γ, с і λ –
питома електропровідність, густина, питома теплоємність і коефіцієнт теплопровідності
відповідно, які є функціями температури і координат точки; Т0 – початкова температура (20
ºС), CT – температура зовнішнього повітряного середовища (20 ºС); 151 α Вт/(м2·град) –
коефіцієнт конвективного теплообміну; 502 α Вт/(м2·град) – ефективний коефіцієнт
теплообміну із плитою від пресу. В (1) – (6) використано загальновживані позначення. Між
поверхнями, що утворюють повітряні порожнини 6 (рис. 1), враховується променевий
теплообмін із коефіцієнтами випромінювання: для графіту – 0,8, латуні – 0,7, молібдену – 0,8,
сталі і латуні – 0,7, літографського каменю і кварцу – 0,6.
На поверхнях контакту: пуансону і заготовки, пуансону і прес-форми, пуансону і
контейнера, пуансону і роздільної пластини; заготовки і прес-форми, заготовки і прокладки;
прес-форми і контейнера; контейнера і обойми задаються умови електричного і теплового
контактів [6, 7]
)TT(T,p,r,z)(λqq CCC 2121
, (7)
)UU(T,p,r,z)(σjj CCC 2121
, (8)
де
Cq і
Cj – відповідно тепловий потік та густина електричного струму на поверхні контакту,
індексами 1 і 2 позначено значення величин по одну та по другу сторони поверхні контакту;
Cλ і Cσ – контактні коефіцієнт теплопровідності та питома електропровідність, p – тиск.
Величини контактних тепло- та електропровідностей були задані як функції температури з
урахуванням тиску на поверхнях контакту та використанням даних [6, 7]:
величину контактної теплопровідності було вибрано рівною 3,0·104,Вт/(м2·град), а величину
контактної питомої електропровідності Cσ вибрано залежною від температури (табл. 1).
Таблиця 1. Залежність контактної електропровідності від температури
T, ºC 0 100 300 500 800 1000 1400 1900 2500
610Cσ , Ом–1м–2 3,0 3,2 3,4 3,5 4,2 5,0 5,3 6,1 7,4
Відомо [1, 2], що високої щільності зразки з карбіду бору отримують при температурі
2050–2150 ºС, а при використанні добавок її можна знизити до 1800–2000 ºС. В комп’ютерних
експериментах було вибрано температуру спікання заготовки 2000 ºС. Значення
теплофізичних властивостей матеріалів було вибрано за даними [1, 8–11].
При моделюванні теплофізичних властивостей матеріалу заготовки враховується їх
залежність від пористості [12]
θ(T)(T)CC(T) c 1 ,
(T)θθ(T)(T)λλ(T) c
2
2
1
2
3
1 ,
θ(T)
θ(T)
(T)σσ(T) c 21
1
(9)
РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО
ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ, В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
421
і від температури, де (T)Cc , (T)λc ,
)(Tσc
– питома теплоємність,
коефіцієнт теплопровідності,
питома електропровідність
суцільного матеріалу відповідно.
При цьому, використовуючи
експериментальні дані [12],
враховується зміна пористості від
температури. Графік функції
θ(T)θ наведено на рис. 2.
Формули для )λ(T і σ(T) були скореговані таким чином
K,T,(T)θθ(T)(T)λ
K,TT,K(T)θθ(T)(T)λ
λ(T)
c
T
T
b
λc
σ
2273
2
1
2
3
1
2273273101
2
1
2
3
1
2
0
1
2
K,T,
θ(T)
θ(T)
(T)σ
K,TT,K
θ(T)
θ(T)
(T)σ
σ(T)
c
T
T
a
σc
σ
2273
21
1
2273273101
21
1
0
1
( 7
σ 10667,5 K , 753,10a , K2273σ T , Kλ = 16,866, b = –3,680), що значення коефіцієнту
теплопровідності при 20 ºC дорівнює 1,97 Вт/(м∙град), електропровідності – 1,342∙10–4 Ом–1∙ м–1
(виміряне при 20 ºC і 500 МПа), а при температурі 2000 ºC величини (T) і σ(T) відповідно
дорівнюють коефіцієнту теплопровідності і питомій електропровідності ущільненого матеріалу
з карбіду бору B4С, обчисленим за формулами (9) при залишковій пористості 0,02. Детальний
опис моделювання властивостей B4C-зразка в процесі спікання наведено в [13].
Результати обчислень та їх обговорення
Для розв’язання задачі (1) – (8) використовується метод скінченних елементів у
комплексі ANSYS [14]. Розрахункова область (рис. 1) розбивається на 8-вузлові елементи з
квадратичною апроксимацією електричного потенціалу та температури. Розв’язання
результуючої системи нелінійних рівнянь відносно вузлових значень потенціалу та
температури виконується методом Ньютона-Рафсона у поєднанні з методом випромінювань.
Обчислення проведено з відносною похибкою 10–2.
Спочатку було виконано обчислення для трьох схем І, ІІ і ІІІ технологічної установки
(рис. 1). При переході від схеми І до схеми ІІІ перепад температури в заготовці на стадії
витримки при 2000 ºC зменшується від 310 до 50 градусів – криві 1, 2 і 3 на рис. 3. Якщо в
0 500 1000 1500 2000 2500
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
T, oC
Рис. 2. Зміна пористості від температури в
процесі спікання [12]
Выпуск 22. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
http:/altis-ism.org.ua
422
схемі ІІІ збільшити висоту теплоізоляційного диску із ZrO2 від 0,008 м до 0,012 м, то перепад
температури в заготовці можна
зменшити на 30% – до 35 ºC (крива 4
на рис. 3). Для цього випадку на рис.
4 наведено графіки зміни в часі
електричного потенціалу пластини
пресу та температури в чотирьох
точках поверхні зразка, а на рис. 5 і 6
– картини температурного поля в
комірці і в заготовці. З рис. 4 б і 6
видно, що під час нагрівання до
температури витримки 2000 ºC
перепад температури в заготовці ΔT
доходить до 290 ºC, однак по мірі
досягнення 2000 ºC величина ΔT
суттєво зменшується і прямує до
35 ºC. Це є підставою для
забезпечення однорідності фізико-
механічних властивостей спеченого
виробу.
0 50 100 150 200 250
1,35
1,40
1,45
1,50
1,55
1,60
t, c
U
,
B
а б
Рис. 4. Зміна електричного потенціалу (а) та температури (б) в точках 1, 2, 3 і 4 зразка
в процесі спікання при використанні схеми ІІІ (рис. 1в): товщина стінки графітової прес-
форми Δr = 0,015 м, висота диску hд = 0,012 м
100 150 200 250
30
80
130
180
230
4
3
2
1
T
,
o
C
t, c
Рис. 3. Зміна в часі обчисленого перепаду
температури ΔT в заготовці при використанні
схеми ІІІ (із ZrO2-диском, рис. 1в) при різній
товщині Δr стінки графітової прес-форми: 1 – Δr
= 0,005 м, 2 – Δr = 0,010 м, 3 – Δr = 0,015 м, висота
диску hд = 0,008 м; 4 – Δr = 0,015 м, hд = 0,012 м
РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО
ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ, В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
423
а б
Рис. 5. Розрахований розподіл температури Т (ºС) в технологічній установці зі схемою ІІІ в
різні моменти спікання: а – 100 с, б – 250 с
а б
Рис. 6. Розрахований розподіл температури Т (ºС) в заготовці в установці зі схемою ІІІ в
різні моменти спікання: а – 100 с, б – 250 с
Схему ІІІ робочої комірки технологічної установки було використано при ВСШТ
брикетів на основі карбіду бору В4С. В дослідженнях використовувався порошок карбіду бору
виробництва ПАТ ”Запорізький абразивний комбінат” із середньою зернистістю 3,15 мкм. Два
брикети з порошкової суміші на основі В4С одночасно спікались в технологічній установці під
тиском 185 МПа. Вимірювалась густина спечених зразків, зернистість і твердість. Густину
спечених зразків вимірювали методом гідростатичного зважування. Рентгеноструктурний
аналіз фазового складу проводився в центрі рентгеноструктурного аналізу “RIGAKU”
Національного технічного університету України ”KПІ” на універсальному дифрактометрі
Ultima IV RIGAKU і дифрактометрі ДРОН–4.13001. Дослідження структури матеріалу
Выпуск 22. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
http:/altis-ism.org.ua
424
спеченого зразка і вимірювання твердості проводились у площині осьового перетину зразка.
Твердість визначали методом індентування з використанням алмазної піраміди Кнупа при
навантаженні на індентор 9,8 Н. Густина дослідних зразків дорівнює 2,43…2,46 г/см3. Завдяки
швидкоплинності процесу ВШСТ зернистість матеріалу в результаті спікання зростає
незначно і її середня величина становила 3,67 мкм. На рис. 7 зображено фрагмент
мікроструктури спеченого зразка та результати вимірювання мікротвердості в площині
осьового перетину спеченого зразка.
34,0
34,7 35,0
34,0 33,5
34,5
z
O
а б
Рис. 7. Фрагмент мікроструктури спеченого зразка із В4С (домішки заліза від 3 до 8%)
– (a) та розподіл мікротвердості (ГПа) в площині осьового перетину спеченого зразка із В4С
діаметром 20 і висотою 10 мм – (б)
З рис. 7 а видно, що матеріал спеченого зразка має рівномірно розподілену
мікроструктуру. На рис. 7 б чорними кружечками позначено точки площини, в яких
вимірювалась мікротвердість.
Видно, що різниця між максимальним і мінімальним значеннями мікротвердості
знаходиться в межах 5% від її середнього значення, що свідчить про практично рівномірний
розподіл мікротвердості в об’ємі спеченого зразка. Таким чином, наведені дані підтверджують
доцільність використання схеми ІІІ комірки технологічної установки для забезпечення
невеликого перепаду температури в об’ємі зразка на стадії витримки в процесі ВШСТ і
отримання рівномірного розподілу мікротвердості та інших фізико-механічних властивостей
в спеченому зразку.
Як бачимо з рис. 5 і 6, перепад температури в зразку зумовлений неоднорідністю
потужності теплових джерел в прес-формі. Цю неоднорідність можна іще зменшити,
змінивши форму зовнішньої поверхні прес-форми, зменшивши зовнішній радіус її торця до
0,015 м (рис. 8 а, б). В результаті перепад температури в зразку зменшується іще в 2,5 рази і
на момент завершення витримки 250 с дорівнює 14 градусів (рис. 8 в), що є ще більш
сприятливою умовою для забезпечення однорідності властивостей спеченого зразка.
Зауважимо, що ідею зменшення неоднорідності теплових джерел у прес-формі можна
реалізувати також за допомогою інших схем, крім запропонованої схеми IV.
РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО
ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ, В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
425
13
5
C
A B
r, м
z, м
0,01 0,02
0,072
0,052
0,010
0,002
0,05 О
2
1
3
4
10
8
7
12
9
6
11
0,015
а б в
Рис. 8. Розрахункова схема ІV комірки (а), розрахований розподіл температури в ній (б)
та в зразку (в) в момент 250 с завершення витримки
Висновки
1. Виконано комп’ютерне моделювання температурного поля в робочій комірці
технологічної установки ВШСТ порошкових заготовок із карбіду бору. Враховано залежність
властивостей порошкової заготовки від пористості та температури. Встановлено, що на
перепад температури в заготовці суттєво впливає товщина стінки графітової прес-форми, її
конфігурація та висота теплоізоляційного диску на шляху відтоку тепла від заготовки.
2. За результатами моделювання показано, що шляхом вибору схеми комірки можна на
стадії витримки отримувати в заготовці однорідне температурне поле (із перепадом
температури 14 градусів), що є важливою умовою забезпечення однорідності фізико-
механічних властивостей в спеченому виробі.
3. За результатами лабораторних експериментів встановлено, що використання однієї
зі схем комірки дає змогу отримати практично однорідний розподіл мікротвердості матеріалу
спеченого виробу.
С использованием метода конечных элементов выполнено моделирование температурного
поля в рабочей ячейке установки высокоскоростного спекания под давлением (ВССД) порошковых
заготовок из карбида бора. Учтены зависимости свойств порошковой заготовки от пористости и
температуры. Проведено компьютерное исследование влияния схемы ячейки на перепад
температуры в заготовке. По результатам моделирования выбрано схемы рабочей ячейки установки
ВССД и соответствующие режимы нагрева, при которых в течение 100–150 с достигается
температура спекания 2000 °С, а перепад температуры в заготовке на стадии выдержки составляет
13–30 градусов. Реализация выбранных схем рабочей ячейки в технологической установке ВШСТ
позволила получить однородность микротвердости материала испеченного изделия.
Ключевые слова: высокоскоростное спекание под давлением, карбид бора, моделирование,
перепад температуры, однородность микротвердости
Выпуск 22. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
http:/altis-ism.org.ua
426
V. A. Dutka, A. L. Maystrenko, V. G. Kulich
V. N. Bakul Institute for Superhard Materials of National Academy of Sciences of Ukraine
USING OF MODELLING FOR MINIMIZATION OF TEMPERATURE DROP IN B4C-SAMPLE
DURING HIGH-SPEED SINTERING UNDER PRESSURE
Using the finite element method, a simulation of the temperature field in the work cell of the
technological unit during high-speed sintering under pressure (HSSP) of the powder boron carbide samples
was performed. The dependence of the properties of the powder billet on porosity and temperature is taken
into account. A computerized study of the effect of the cell circuit on the temperature drop in the B4C-sample
is carried out. According to the results of simulation, the schemes of the working cell of HSSP-unit and the
corresponding heating regimes have been selected, during which the temperature reach 2000 ºС within 100–
150 s, and the temperature drop in the preform during the dwell stage is 13–30 degrees. Implementation of
the selected schemes of the working cell of HSSP in the technological unit allowed to obtain homogeneity of
the microhardness of the material of the sintered product.
Key words: high-speed sintering under pressure, boron carbide, modeling, temperature difference,
uniformity of microhardness
Література
1. Кислый П. С., Кузенкова М. А., Боднарук Н. И., Грабчук Б. Л. Карбид бора. – К.:
Наукова думка, 1988. – 216 с.
2. Уплотнение порошка карбида бора при горячем прессовании / И. Т. Остапенко, В. В.
Слезов, Р. В. Тарасов и др. // Порошковая металлургия. – 1979. – № 5. – С. 38–43.
3. Майстренко А. Л., Иванов С. А., Переяслов В. П., Волошин М. Н. Интенсивное
электроспекание алмазосодержащих композиционных материалов // Сверхтвердые
материалы. – 2000. – № 5. – С. 39–45.
4. Wang X., Fang Z., Sohn H. Y. Nanocrystalline Cemented Tungsten Carbide Sintered by an
Ultra-High-Pressure Rapid Hot Consolidation Process // Int. Conf. on Powder Metallurgy
& Particulate Mater. Engquist. – Denver, US. – 2007. – P. 8–10.
5. Ultrahigh-pressure consolidation and deformation of tantalum carbide at ambient and high
temperatures / D. Lahiri, V. Singh, G. R. Rodrigues et al. // Acta Materialia. – 2013. – V.
61. – P. 4001–4009.
6. Electric Contact Resistance in Spark Plasma Sintering Tooling Setup / X. Wei, D. Giuntini,
A. L. Maximenko, et. al. // J. of the American Ceramic Society. – 2015.– N 3 – P. 1–35.
7. Rothe S., Kalabukhov S., Frage N. Hartmann S. Field assisted sintering technology. Part I:
Experiments, constitutive modeling and parameter identification // GAMM-Mitt. – 2016. –
39. – N 2. – P. 114–148.
8. Thevenot F. A review on Boron Carbide // Key Engineering Materials. – 1991. – V. 56–57.
– P. 59–88.
9. Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. – М.: Металлургия, 1969. – 752 с.
10. Самсонов Г. В., Виницкий И. М. Тугоплавкие соединенния: справочник. – М.:
Металлургия, 1976. – 560 с.
11. Моргунова Н. Н., Клыпин Б. А., Бояршинов В. А. Сплавы молибдена. – М.:
Металлургия, 1975. – 392 с.
12. Continuum modeling of B4C densification during Spark Plasma Sintering / J. Liu, F. Zeng,
Z. Zou, et al. // J. Mater. Res. – 2017. – P. 1–9. – режим доступу:
https:/www.cambridge.org/core.
13. Дутка В. А., Майстренко А. Л., Кулич В. Г. Вплив конструктивних параметрів
технологічної установки на перепад температури в заготовці при високошвидкісному
спіканні під тиском // Сверхтв. Материалы. – 2019. – (Прийнято до друку).
14. Денисов М. А. Математическое моделирование теплофизических процес-сов: ANSYS
и CAE-проектирование. – Екатеринбург: Уральск. Федеральн. Ун-т, 2011. – 149 c.
Надійшла 24.06.19
РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО
ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ, В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
427
References
1. Kislyi, P. S., Kuzenkova, M. A., Bodnaruk, N. I., & Hrabchuk B. L. (1988). Carbid bora
[Boron carbide] . Kyiv: Naukova dumka [in Russian].
2. Ostapenko, I. T., Slezov, V. V., Tarasov, R. V. et al. (1979) Uplotneniye poroshka karbida
bora pri goryachem pressovanii [Compaction of boron carbide powder during hot pressing].
Poroshkovaya metallurgia. – Powder Metallurgy, 5, 38–43 [in Russian].
3. Maystrenko, A. L., Ivanov, S. A., Pereyaslov, V. P., & Voloshin, M. N. (2000).
Intensivnoye elektrospekaniye almazosoderzhashchikh kompozitsionnykh materialov
[Intensive electropacking of diamond-containing composite materials]. Sverkhtverdye
materialy. – J. of Superhard materials, 5, 39–45 [in Russian].
4. Wang, X., Fang, Z., & Sohn H. Y. (2007). Nanocrystalline Cemented Tungsten Carbide
Sintered by an Ultra-High-Pressure Rapid Hot Consolidation Process. Int. Conf. on Powder
Metallurgy & Particulate Mater. Engquist. (pp. 8–10). Denver, US.
5. Lahiri, D., Singh, V., Rodrigues, G. R. et al. (2013) Ultrahigh-pressure consolidation and
deformation of tantalum carbide at ambient and high temperatures. Acta Materialia, 61,
4001–4009.
6. Wei, X., Giuntini, D., Maximenko, A. L. et. al. (2015) Electric Contact Resistance in Spark
Plasma Sintering Tooling Setup. Journ. of the American Ceramic Society. – 3, 1–35.
7. Rothe, S., Kalabukhov, S., Frage, N., Hartmann, S. (2016) Field assisted sintering
technology. Part I: Experiments, constitutive modeling and parameter identification.
GAMM-Mitt., 39, 2. 114–148.
8. Thevenot F. (1991) A review on Boron Carbide / Key Engineering Materials, 56-57, 59–88.
9. Khimushin F. F. (1969) Zharoprochnyye stali i splavy [Heat-resistant steels and alloys].
Moskva: Metallurgiia [in Russian].
10. Samsonov, G. V., & Vinitskiy, I. M. (1976) Tugoplavkiye soyedinenniya: spravochnik
[Refractory Connections: a Handbook]. Moskva: Metallurgiia [in Russian].
11. Morgunova, N. N., Klypin, B. A., & Boyarshinov, V. A. (1975) Splavy molibdena
[Molybdenum alloys]. Moskva: Metallurgiia [in Russian].
12. Liu, J., Zeng, F., Zou, Z., et al. (2017) Continuum modeling of B4C densification during
Spark Plasma Sintering. J. Mater. Res, 1–9. Retrieved from
https:/www.cambridge.org/core.
13. Dutka, V. A., Maystrenko, A. L., Kulich V. H. (2019) Vplyv konstruktyvnykh parametriv
tekhnolohichnoyi ustanovky na perepad temperatury v zahotovtsi pry vysokoshvydkisnomu
spikanni pid tyskom [Influence of structural parameters of the technological unit on the
temperature difference in the preform at high-speed sintering under pressure]. Sverkhtverdyye
materialy. – J. of Superhard materials, (Accepted for publication) [in Ukrainian].
14. Denisov, M. A. (2011) Matematicheskoye modelirovaniye teplofizicheskikh protsessov:
ANSYS i CAE-proyektirovaniye [Mathematical modeling of thermophysical processes:
ANSYS and CAE-design]. Yekaterinburg, Ural'sk. Federal'n. Un-t [in Russian].
|