Введение к работе
Актуальность темы
В условиях развития рыночных отношений в России особенно остро стоит проблема развития и модернизации промышленного производства, повышения его эффективности на основе создания и внедрения инновационных технологий и улучшения качества продукции. Основной тенденцией современного машиностроения является создание новых машин и механизмов с высокими рабочими параметрами на основе изготовления деталей и заготовок, обладающих требуемым уровнем физико -механических, технологических и потребительских свойств.
Высокоплотные механические смеси могут применяться в качестве исходных заготовок при изготовлении металлопроката при получении изделий типа «фольга», в процессах интенсивного пластического деформирования по схемам динамического горячего прессования, гидроштамповки, холодной объемной штамповки; в качестве брикетов (вторичное сырье) в процессах промышленного рециклинга твердых техногенных отходов металлургических комбинатов; в качестве деталей конструкционного назначения.
В условиях интенсивно ухудшающейся экологической обстановки, истощения сырьевой базы, постоянного роста производственных и транспортных затрат все более актуальными становятся проблемы утилизации увлажненных отходов металлургических и сталепрокатных производств.
Потребителем высокоплотных заготовок и деталей являются отрасли автомобилестроения, машиностроения и ряд других. В настоящее время потребительским рынком высокоплотных изделий востребованы детали плотностью, приближенной к теоретической; заготовки - плотностью 0,95...0,97; брикеты - плотностью >2,5 г/см3.
Номенклатура заготовок и деталей, полученных формованием и спеканием из порошков на основе железа с использованием традиционных технологий, ограничена из-за невозможности обеспечения высоких механических свойств деталей, имеющих существенный уровень остаточной пористости и низкое качество межчастичных контактов. Перспективный рост промышленного производства определил необходимость изыскания специальных методов повышения комплекса механических свойств порошковых деталей.
Методы порошковой металлургии, а именно процессы компактирования порошковых железосодержащих материалов, позволяют получать механические плотноупакованные системы регламентированной структуры, при этом, следует отметить, что в настоящее время недостаточно развиты теория и практика образования структур теоретической плотности, имеющих прочные межчастичные диффузионные связи с образованием эффективного ювенильного контакта.
Анализ схем структурообразования высокоплотных изделий показал, что прямое использование схем традиционного деформирования вызывает появление дефектов, в основном связанных с образованием расслойных перепрессовочных трещин, а также ограничение технологических возможностей при изготовлении деталей широкой гаммы типоразмеров и физико-механических свойств.
В связи с этим возникает необходимость в создании и разработке нового метода получения порошковых структур плотностью, приближенной к теоретической в результате перемещения одной из фаз структурнонеоднородного гетерофазного материала. Предлагаемый способ прессования позволил установить, что при введении жидкости малой вязкости (например, воды, ацетона) в количестве 10...15% масс.доли создаются условия формования высокоплотных деталей с остаточной пористостью, не превышающей 3%, что позволит использовать данную технологию для изготовления сильно нагруженных изделий машиностроительного назначения. Можно предположить, что именно процессы «схлопывания» пор при транспортировании жидкости и растворенного в ней воздуха, моделируя сдвиговые деформации и образуя новые контактные поверхности, будут доминировать при формировании высокого уровня качества изделий.
Разработка и использование новой технологии консолидации увлажненных железосодержащих дисперсных материалов при обеспечении интенсивного структурообразования и создания условий установления эффекта межчастичного сращивания, образования ювенильного контакта позволит существенно повысить:
плотность структуры и уровень физико-механических свойств порошковых изделий, приближая по уровню к компактным материалам, благодаря чему существенно расширяется область их применения;
эффективность утилизации техногенных отходов при обеспечении существенного ресурсосбережения, снижения энерго- и станкоемкости.
Широкому внедрению метода интенсивного структурного уплотнения металлических порошков в присутствии жидкой фазы в настоящее время препятствует малая изученность данного процесса, отсутствие математических моделей процесса уплотнения, моделей и критериев установления межчастичного сращивания при структурировании.
Таким образом, исследование процесса интенсивного уплотнения металлических порошков в присутствии жидкой фазы представляет важную актуальную научно-техническую проблему, результаты решения которой востребованы практикой.
Работа выполнена как часть научных исследований, проводимых в: - Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (СПб ГПУ) в рамках Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2010-2011 годы)». Мероприятия по разделу 2.1.2. "Проведение фундаментальных исследований в области технических наук" по проекту № 2.1.2 / 6955. Руководитель чл.-корр. РАН, д.т.н., проф. Рудской А.И.; - Ульяновском государственном техническом университете (УлГТУ) в рамках госбюджетной НИР «Разработка научных основ ресурсосберегающих экологизированных технологий изготовления деталей и заготовок с применением давления»; а также на основании хозяйственных договоров с ПКТБ «Экосистема», ЗАО «Волга-Экопром», ЗАО «Системы водоочистки» и в соответствии с планами НИР кафедры « Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ.
Цель работы: Разработка технологии прессования высокоплотных заготовок при уплотнении гетерофазных механических смесей на основе металлических дисперсных материалов, обеспечивающей эффект межчастичного сращивания структуры с целью повышения их физико - механических и эксплуатационных свойств, а также технологических решений утилизации увлажненных техногенных отходов черной металлургии.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:
-
-
Анализ кластерного состояния плотноупакованной гетерофазной смеси, механических схем приложения нагрузок и межконтактных явлений в процессах консолидации увлаженных систем.
-
Теоретическое обоснование и структурно-феноменологическое исследование процесса интенсивного уплотнения увлажненных механических смесей при приложении значительных давлений.
-
Проведение экспериментальных исследований по выявлению деформационных и технологических характеристик процесса прессования гетерофазных увлажненных смесей.
-
Физико-механический анализ технологических схем уплотнения, разработка модели и критерия образования связной межчастичной структуры, выявление параметров, влияющих на уровень физико - механических свойств изделий.
-
В результате выполненных теоретико-аналитических и экспериментальных исследований разработать способ прессования высокоплотных заготовок и деталей из металлического порошка в присутствии жидкой фазы на основе метода интенсивного уплотнения.
-
Разработать технологию прессования увлажненных многофазных механических смесей при уплотнении порошковых материалов и дискретно-дисперсных железосодержащих техногенных отходов производств черной металлургии и устройств их реализации. Научная новизна работы состоит в создании концепции интенсивного
уплотнения металлических дисперсных материалов, развитии научно обоснованных технических решений при производстве заготовок и деталей теоретической плотности, брикетов на переплав, а именно:
-
-
-
Предложен и разработан новый способ прессования металлических порошков в присутствии жидкой фазы с образованием структур теоретической плотности.
-
Предложено и дано обоснование рассмотрения процесса уплотнения как пятистадийного, разработана физическая постадийная модель структурообразования. Теоретически разработаны деформационные математические модели постадийного структурообразования, предложена методика расчета энергосиловых параметров процесса уплотнения.
3.Экспериментально исследованы общие закономерности постадийного уплотнения гетерофазных увлажненных механических систем, определен характер изменения физико-механических свойств заготовок.
-
-
-
-
Разработана методика определения границ стадий структурообразования на основе соотносительных величин текущих плотностей и давления.
-
Теоретически разработана математическая модель и критерий образования новых межчастичных контактов, позволяющая производить оценку качества металлических связей; предложена математическая модель роста зерна за счет механизма рассыпания (растворения) границ зерен при перестройке дефектов кристаллической структуры.
-
Предложена математическая модель, описывающая величину бокового давления.
-
Разработаны расчетные модели структурообразования железосодержащих материалов при утилизации техногенных отходов, позволяющие управлять режимами прессования и технологическими условиями получения качественного продукта (брикета).
-
Разработан новый метод оценки пористой структуры и ее топологии с использованием цифрового телекоммуникационного способа обработки визуальной информации.
Достоверность результатов работы обеспечена корректностью постановки задач, обоснованным использованием допущений, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с проведенными экспериментальными исследованиями автора, а также успешной апробацией результатов работы в промышленности.
Практическая ценность и реализация работы:
-
-
-
-
-
На основе теоретико-аналитических и экспериментальных исследований предложена единая типовая технологическая схема получения высокоплотных заготовок, сильно нагруженных деталей, брикетов на переплав; освоены технологии изготовления деталей конструкционного назначения, а также изготовление брикетов на переплав предприятий машиностроения и черной металлургии.
-
Результаты представленных в работе теоретико-экспериментальных исследований использованы при разработке новых и совершенствовании действующих технологических процессов прессования (брикетирования) заготовок (брикетов) на ОАО «Димитровградский автоагрегатный завод» (ООО «Димитровградский завод порошковой металлургии»), ЗАО «Системы водоочистки», ОАО «НАППА», ОАО «Саратовский подшипниковый завод», ОАО «Северсталь», ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат». Промышленное внедрение технологий и эксплуатация установки «ВИТА- Ш», а также практика проектирования интегральных технологических систем в ЗАО «Системы водоочистки» подтвердили высокую эффективность технологических решений, что позволило получить общий экономический эффект (годовой) от их применения в размере 4 623 тыс.руб.
Личный вклад автора
Концепция работы, формулирование цели, определение задач и их практическая реализация принадлежат автору. Теоретико-аналитическая и экспериментальная части исследования выполнены при участии сотрудников, аспирантов и студентов старших курсов кафедр «Пластическая обработка металлов» СПб ГПУ и «Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ под руководством и непосредственным участии автора.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на Всесоюзной НТК «Получение и обработка металлов высоким давлением» (г.Минск, 1987), Всесоюзной НТК «Применение методов порошковой металлургии для изготовления деталей и инструмента» (г.Ереван, 1990), Зональной НТК «Порошковая металлургия и композиционные материалы» (г.Ленинград, 1990), Российской НТК «Новые материалы и технологии машиностроения» (г.Москва,1992), Всероссийской НТК «Отходы производства и потребления» (г. Пенза, 1995), Международной НТК «Новые методы, средства и технологии в науке, промышленности и экономике» (г.Ульяновск, 1998), IV Международной НТК «Экологические проблемы и пути их решения в 21 веке: образование, наука, техника» (г. С.-Петербург, 2000), Международной НПК «Экономика, экология и общество России в 21 столетии» (г. С.-Петербург, 2002), V Международной НПК «Экономика, экология и общество России в 21 столетии» (г.С.-Петербург, 2003), Всероссийской НТК «Непрерывные процессы обработки давлением» (г. Москва, 2004), Международной НТК «Прогрессивные технологии и оборудование при обработке давлением» (г. Ульяновск, 2007), Международной НТК «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов», (г. С-Петербург,2007), Международной НТК «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования» (г. Самара, 2009), Международной НТК «Математическое моделирование физических, технических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 2009), НТС УлГТУ (г.Ульяновск,2010), научных семинарах кафедр ПОМ СПбГПУ и (С.- Петербург, 2010, 2011), МиОМД УлГТУ (Ульяновск, 2010, 2011).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 102 научные работы, в том числе 17 статей в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, 2 монографии, 1 учебное пособие с грифом УМО, 8 патентов на изобретения, 4 полезные модели.
На защиту выносятся:
-
-
-
-
-
-
Новый способ интенсивного уплотнения металлических порошков в присутствии жидкой фазы с образованием структур теоретической плотности.
-
Научно обоснованные принципы интенсивного уплотнения и структурирования за счет физико-механического взаимодействия системы контактирующих объектов гетерофазной механической смеси.
-
Результаты аналитического и экспериментального исследований морфологии и топологии порового пространства, разработка критерия установления качественного межчастичного контакта и эффекта межчастичного сращивания.
-
Методика установления стадийности структурообразования увлажненных механических смесей.
-
Математические модели деформационных и технологических характеристик процесса прессования увлажненных механических смесей, аналитические и экспериментальные исследования величины бокового давления.
-
Метод оценки пористости структуры и ее топологии с использованием цифрового телекоммуникационного способа обработки визуальной информации.
-
Способы интенсификации структурообразования при получении плотностей теоретического уровня и устройства для их осуществления.
-
Результаты разработки и внедрения технологии прессования увлажненных гетерофазных смесей в различных отраслях промышленности.
Структура и объем работы
Похожие диссертации на Разработка технологии прессования гетерофазных увлажненных механических смесей на основе железа для получения высокоплотных заготовок
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
