Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов
Исследуется деформация порошковых материалов методом винтовой экструзии (ВЭ). Экспериментальные исследования выполнены на образцах порошковой меди. Показано, что ВЭ с противодавлением приводит к интенсивному и достаточно однородному уплотнению порошковых материалов. В частности, относительная плотно...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70443 |
| 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: | Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов / Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 92-97. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859717751134748672 |
|---|---|
| author | Бейгельзимер, Я.Е. Михайлов, О.В. Сынков, А.С. Штерн, М.Б. |
| author_facet | Бейгельзимер, Я.Е. Михайлов, О.В. Сынков, А.С. Штерн, М.Б. |
| citation_txt | Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов / Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 92-97. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Исследуется деформация порошковых материалов методом винтовой экструзии (ВЭ). Экспериментальные исследования выполнены на образцах порошковой меди. Показано, что ВЭ с противодавлением приводит к интенсивному и достаточно однородному уплотнению порошковых материалов. В частности, относительная плотность заготовок из порошковой меди, деформированных одним проходом ВЭ с противодавлением 200 MPa при комнатной температуре, составила 95% в центре сечения и 98% – на ее периферии. Эти данные хорошо соответствуют теоретическому расчету, выполненному в первой части работы, в результате которого были получены следующие значения плотности: 86–88% для центральной области и 98–99% – для периферии.
Deformation of powder materials is studied by the method of twist extrusion (TE). Powder copper samples have been experimentally studied. It is shown that the TE with backpressure results in intensive and uniform enough compaction of powder materials. In particular, the relative density of powder copper billets deformed in one TE pass with backpressure of 200 MPa, under the room temperature conditions, was equal to 95% in central part of the cross-section and 98% at the periphery. The results are in a good correspondence with theoretical calculation done in the Ist part of the paper: 86–88% density in the central part and 98–99% for the periphery.
|
| first_indexed | 2025-12-01T08:31:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3
92
PACS: 81.40.Vw
Я.Е. Бейгельзимер1, О.В. Михайлов2, А.С. Сынков1, М.Б. Штерн2
ВИНТОВАЯ ЭКСТРУЗИЯ ПОРОШКОВЫХ ЗАГОТОВОК.
II. ЭКСПЕРИМЕНТ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
1Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
2Институт проблем материаловедения НАН Украины
ул. Кржижановского, 3, г. Киев, 03142, Украина
Статья поступила в редакцию 18 июля 2008 года
Исследуется деформация порошковых материалов методом винтовой экструзии
(ВЭ). Экспериментальные исследования выполнены на образцах порошковой меди.
Показано, что ВЭ с противодавлением приводит к интенсивному и достаточно
однородному уплотнению порошковых материалов. В частности, относительная
плотность заготовок из порошковой меди, деформированных одним проходом ВЭ
с противодавлением 200 MPa при комнатной температуре, составила 95% в цен-
тре сечения и 98% – на ее периферии. Эти данные хорошо соответствуют тео-
ретическому расчету, выполненному в первой части работы, в результате кото-
рого были получены следующие значения плотности: 86–88% для центральной об-
ласти и 98–99% – для периферии.
Введение
Винтовая экструзия – метод интенсивных пластических деформаций
(ИПД), который используется для создания в материалах субмикрокристал-
лических структур [1–3]. Как правило, с этой целью обрабатывают монолит-
ные заготовки, в которых при ИПД происходит образование фрагментов
субмикронных размеров с большими углами разориентации. Дополнитель-
ные и очень широкие возможности открывает обработка порошковых заго-
товок. Однако при неоспоримых достоинствах ВЭ порошковых заготовок
сопряжена с целым рядом вопросов и проблем, осложняющих ее реализа-
цию. Прежде всего речь идет о возможности эффективного уплотнения по-
рошка. Исследования показывают [4], что при ВЭ материалы, склонные к
локализации деформации, слабо деформируются в приосевой зоне. По этой
причине порошковые материалы, в которых при малом уровне давления
происходит локализация сдвигового течения [5], при ВЭ могут плохо уплот-
няться, если уровень противодавления недостаточен для исключения лока-
лизации.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3
93
В первой части статьи [5] осуществлена постановка задачи численного
исследования ВЭ порошковых заготовок на основе теории необратимой де-
формации порошковых тел; выполнен конечно-элементный анализ напря-
женно-деформированного состояния заготовки и распределения пористости
в ней. Показано, что при достаточно высоком уровне противодавления (по-
рядка предела текучести частиц порошка) ВЭ является эффективным мето-
дом уплотнения материала.
Во второй части представлены и проанализированы результаты экспери-
ментальных исследований ВЭ заготовок порошковой меди.
Цель работы – экспериментальное изучение степени неравномерности
уплотнения порошкового материала по объему заготовки при ВЭ. Идея экс-
перимента состояла в применении слоистой порошковой заготовки и оценке
степени уплотнения каждого слоя в отдельности.
В работе показано, что при высоком уровне противодавления винтовая
экструзия приводит к достаточно однородному уплотнению по объему заго-
товки.
Методика экспериментальных исследований
Исходным материалом для исследований служила порошковая медь мар-
ки МОб с размером частиц 0.2–0.3 mm (рис. 1). Порошок был получен путем
распыления расплава с последующей быстрой кристаллизацией.
Рис. 1. Общий вид порошинок меди марки МОб
Заготовки для ВЭ подготавливали по методике, описанной ниже. Поро-
шок предварительно разделили на три порции, две из которых окрасили в
черный и белый цвета, и упаковали в алюминиевые оболочки таким обра-
зом, чтобы сформировать концентрические слои разных цветов. Схема упа-
ковки порошка слоями показана на рис. 2. Стакан 1 для упаковки порошка
был выполнен с концентрическими проточками в донной части. Для того
чтобы при упаковке разделить порошок на слои разного цвета, использовали
тонкостенные трубки 5, которые вставляли в проточки в донной части ста-
кана. В результате между трубками образовывались полости, имеющие вид
концентрических цилиндров.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3
94
Окрашенный порошок взвешивали на элек-
тронных весах. Масса слоя белого цвета со-
ставила 18.9 g, черного – 25.9 g, красного –
79.1 g. В порошок, перемешивая, добавляли
5%-ный раствор силикатного клея в воде до
тех пор, пока смесь не достигала консистен-
ции густой пасты. Затем полости заполняли
смесями 2, 3 и 4 соответствующего цвета, по-
сле чего осуществляли подпрессовку смесей
стальными втулками 6 и пуансоном 7. Не
снимая нагрузку, тонкостенные трубки извле-
кали, и стакан со слоистым материалом по-
мещали на 15 min в сушильный шкаф, предва-
рительно разогретый до температуры 150°C.
Затем стакан плотно запечатывали заглушкой
цилиндрической формы и закатывали роликом
на токарном станке. Операцию закатки произ-
водили для того, чтобы герметизировать заго-
товку. Относительная плотность порошка пе-
ред экструзией составляла 63–65%. Ее опре-
деляли по формуле:
ρ = (ρ′/ρCu)⋅100, (1)
ρ′ = M/Sh, (2)
где ρ′ и ρ – соответственно плотность (g/cm3) и относительная плотность
(%) порошка; ρCu – теоретическая плотность меди, g/cm3; M, S, h – соответ-
ственно масса (g), площадь сечения (cm2) и высота (cm) порошкового слоя.
Таким образом, было подготовлено 2 заготовки, которые имели одинако-
вые размеры и вес. Высота заготовок составляла 110 mm, наружный диаметр –
27 mm, масса – 230 g.
На первом этапе заготовки подвергали деформации прямой экструзией
через профильную коническую матрицу с каналом, начальное сечение кото-
рого представляло собой круг диаметром 27 mm, а ко-
нечное сечение – профиль, показанный на рис. 3.
После прямой экструзии длина заготовок составила
120 mm. От одной из заготовок с торцов отрезали по 20 mm,
что гарантировало удаление нестационарных участков.
Об этом свидетельствовали идентичные картины слоев в
верхнем и нижнем торцах заготовки (рис. 4,а). Порошок
с отрезанных участков заготовки собирали и взвешивали.
Это позволило определить вес порошка в оставшейся
части заготовки, который составил 101 g.
Рис. 2. Схема упаковки по-
рошка слоями
Рис. 3. Сечение
профильной кони-
ческой матрицы
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3
95
а б
В исходной заготовке плотность всех слоев порошка была практически
одинаковой, что обеспечивалось технологией их уплотнения. Так как высота
слоев одинакова, то массы порошка в слоях относятся как площади их сече-
ния в исходной заготовке, т.е.:
0 0 0: : : :w b r
w b rM M M = λ λ λ , (3)
где 0
wM , 0
bM , 0
rM – исходная масса соответственно белого, черного и крас-
ного слоев; λw, λb, λr – удельная площадь (отнесенная к площади сечения
заготовки) соответствующих слоев порошка.
В нашем случае: λw = 0.15, λb = 0.22, λr = 0.63.
Очевидно,
1 1 1 0 0 0: : : : : :w b r w b r
w b rM M M M M M= = λ λ λ , (4)
где 1
wM , 1
bM , 1
rM – масса соответственно белого, черного и красного слоев
после прямой экструзии.
Таким образом, нам удалось определить массу каждого слоя отдельно по-
сле прямой экструзии: 1
wM = 15.15 g; 1
bM = 22.22 g; 1
rM = 63.63 g.
Плотность порошка в отдельных слоях заготовки после прямой экструзии
оценивали по формуле:
ρl = Ml/Slhl, (5)
где ρl, Ml, Sl, hl – соответственно плотность, масса, площадь поперечного се-
чения и высота порошкового слоя.
Относительная плотность центрального и среднего слоев составила 81%,
периферийного – 83%.
Таким образом, исследования показали, что разработанная нами методика
позволяет получить слоистые заготовки с плотностью слоев ∼ 82 ± 1%.
Эти данные были использованы при обработке результатов эксперимен-
тов по деформации второй заготовки методом ВЭ.
Вторую заготовку деформировали методом ВЭ через винтовую матрицу с
углом наклона образующей винтовой линии к оси деформации β = 60°. Про-
тиводавление составило 200 MPa, температура – 20°С.
Рис. 4. Поперечное сечение слоистого
образца после прямой экструзии (а) и по-
сле ВЭ (б)
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3
96
Так же как и после прямой экструзии, после ВЭ от торцов заготовки отре-
зали по 20 mm материала для исключения областей нестационарной дефор-
мации.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 4,б показано поперечное сечение слоистой заготовки после ВЭ.
Плотность слоев, вычисленная так же, как в предыдущем разделе, составила:
98% для наружного и среднего слоев и 95% – для центрального.
Значение средней плотности по сечению заготовки после ВЭ составило
96.6%. Это показывает, что при ВЭ процесс уплотнения металлического по-
рошкового материала протекает весьма интенсивно. Однако следует отме-
тить, что полная консолидация с образованием металлических связей между
частицами материала не произошла. Порошинки не образовали между собой
прочной связи. Отсутствие схватывания частиц материала связано с тем, что
экструзию проводили при комнатной температуре. В работе [6] показано,
что консолидация данного материала происходила при деформации ВЭ при
температуре 200°С.
Выводы
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что ВЭ с
противодавлением приводит к интенсивному и достаточно однородному уп-
лотнению порошковых материалов. В частности, относительная плотность
заготовок из порошковой меди, деформированных одним проходом ВЭ с
противодавлением 200 MPa при комнатной температуре, составила 95% в
центре сечения и 98% – на ее периферии. Эти данные неплохо соответству-
ют выполненному в первой части работы теоретическому расчету, в резуль-
тате которого были получены следующие значения плотности: 86–88% для
центральной области и 98–99% – для периферии.
1. Я.Е. Бейгельзимер, В.Н. Варюхин, Д.В. Орлов, С.Г. Сынков, Винтовая экструзия –
процесс накопления деформаций, ТЕАН, Донецк (2003).
2. Я.Е. Бейгельзимер, С.Г. Сынков, Д.В. Орлов, А.В. Решетов, КШП № 6, 15
(2004).
3. В.В. Столяров, Х.Ш. Салимгареев, Е.П. Сошникова, Я.Е. Бейгельзимер, Д.В. Ор-
лов, С.Г. Сынков, А.В. Решетов, ФТВД 13, № 1, 54 (2003).
4. Я.Е. Бейгельзимер, А.В. Решетов, С.Г. Сынков, Д.В. Орлов, Р.Ю. Кулагин, Н.С.
Кулаков, в сб.: Совершенствование процессов и оборудования обработки дав-
лением в металлургии и машиностроении, Краматорск (2005), с. 39–44.
5. Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн, Е. Олевский,
ФТВД 18, № 1, 69 (2008).
6. Я.Е. Бейгельзимер, А.С. Сынков, Т.Т. Мороз, Т.П. Заика, Н.Н. Белоусов, А.А. Ко-
валенко, Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті, Т. 8. Пластична
деформація металів. Системні технології, Дніпропетровськ (2005), с. 508–510.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3
97
Ya.E. Beygelzimer, O.V. Mikhailov, A.S. Synkov, M.B. Shtern
TWIST EXTRUSION OF POWDER BILLETS.
II. EXPERIMENT AND DISCUSSION
Deformation of powder materials is studied by the method of twist extrusion (TE). Pow-
der copper samples have been experimentally studied. It is shown that the TE with back-
pressure results in intensive and uniform enough compaction of powder materials. In par-
ticular, the relative density of powder copper billets deformed in one TE pass with back-
pressure of 200 MPa, under the room temperature conditions, was equal to 95% in central
part of the cross-section and 98% at the periphery. The results are in a good correspon-
dence with theoretical calculation done in the Ist part of the paper: 86–88% density in the
central part and 98–99% for the periphery.
Fig. 1. General view of МOб-type copper powder particles
Fig. 2. Scheme of powder packing in layers
Fig. 3. Cross-section of shaping conical die
Fig. 4. Cross-section of layered sample after direct extrusion (а) and TE (б)
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70443 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T08:31:19Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бейгельзимер, Я.Е. Михайлов, О.В. Сынков, А.С. Штерн, М.Б. 2014-11-06T09:26:08Z 2014-11-06T09:26:08Z 2008 Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов / Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 92-97. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.Vw https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70443 Исследуется деформация порошковых материалов методом винтовой экструзии (ВЭ). Экспериментальные исследования выполнены на образцах порошковой меди. Показано, что ВЭ с противодавлением приводит к интенсивному и достаточно однородному уплотнению порошковых материалов. В частности, относительная плотность заготовок из порошковой меди, деформированных одним проходом ВЭ с противодавлением 200 MPa при комнатной температуре, составила 95% в центре сечения и 98% – на ее периферии. Эти данные хорошо соответствуют теоретическому расчету, выполненному в первой части работы, в результате которого были получены следующие значения плотности: 86–88% для центральной области и 98–99% – для периферии. Deformation of powder materials is studied by the method of twist extrusion (TE). Powder copper samples have been experimentally studied. It is shown that the TE with backpressure results in intensive and uniform enough compaction of powder materials. In particular, the relative density of powder copper billets deformed in one TE pass with backpressure of 200 MPa, under the room temperature conditions, was equal to 95% in central part of the cross-section and 98% at the periphery. The results are in a good correspondence with theoretical calculation done in the Ist part of the paper: 86–88% density in the central part and 98–99% for the periphery. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов Гвинтова екструзія порошкових заготовок. ІІ. Експеримент і обговорення результатів Twist extrusion of powder billets. II. Experiment and discussion Article published earlier |
| spellingShingle | Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов Бейгельзимер, Я.Е. Михайлов, О.В. Сынков, А.С. Штерн, М.Б. |
| title | Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов |
| title_alt | Гвинтова екструзія порошкових заготовок. ІІ. Експеримент і обговорення результатів Twist extrusion of powder billets. II. Experiment and discussion |
| title_full | Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов |
| title_fullStr | Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов |
| title_full_unstemmed | Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов |
| title_short | Винтовая экструзия порошковых заготовок. II. Эксперимент и обсуждение результатов |
| title_sort | винтовая экструзия порошковых заготовок. ii. эксперимент и обсуждение результатов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70443 |
| work_keys_str_mv | AT beigelʹzimerâe vintovaâékstruziâporoškovyhzagotovokiiéksperimentiobsuždenierezulʹtatov AT mihailovov vintovaâékstruziâporoškovyhzagotovokiiéksperimentiobsuždenierezulʹtatov AT synkovas vintovaâékstruziâporoškovyhzagotovokiiéksperimentiobsuždenierezulʹtatov AT šternmb vintovaâékstruziâporoškovyhzagotovokiiéksperimentiobsuždenierezulʹtatov AT beigelʹzimerâe gvintovaekstruzíâporoškovihzagotovokííeksperimentíobgovorennârezulʹtatív AT mihailovov gvintovaekstruzíâporoškovihzagotovokííeksperimentíobgovorennârezulʹtatív AT synkovas gvintovaekstruzíâporoškovihzagotovokííeksperimentíobgovorennârezulʹtatív AT šternmb gvintovaekstruzíâporoškovihzagotovokííeksperimentíobgovorennârezulʹtatív AT beigelʹzimerâe twistextrusionofpowderbilletsiiexperimentanddiscussion AT mihailovov twistextrusionofpowderbilletsiiexperimentanddiscussion AT synkovas twistextrusionofpowderbilletsiiexperimentanddiscussion AT šternmb twistextrusionofpowderbilletsiiexperimentanddiscussion |