Введение к работе
Актуальность темы. Исключительно важное место в развитии отраслевой технологии занимают новые конструкционные материалы. Как показывает опыт порошковой металлургии, в повышении прочности и улучшении иных свойств сплава системы Al-Zn-Mg-Cu, применяемого в отрасли, может оказаться полезным метод распыления металла из жидкого состояния.
Высокие скорости охлаждения алюминиевых сплавов (закалка из жидкого состояния), достигающие 1(г\..105 К/с и характерные для порошковой металлургии, усиливают эффект бездиффузионной кристаллизации, делают возможным легирование сплавов переходными и другими металлами и пересыщение их в твёрдом растворе в существенно больших количествах, чем при литье слитков. Такая технология способствует упрочнению материала. В связи с этим была поставлена задача создать порошковый сплав системы Al-Zn-Mg-Cu с пределом текучести Сто 2 ^ 667 МПа, относительным удлинением 8 > 3% в сочетании с повышенной длительной и конструктивной прочностью.
Совместные исследования Всероссийского института авиационных материалов (ВИАМ, г. Москва) и Уральского электрохимического комбината (УЭХК, г. Новоуральск) показали, что порошковый метод позволяет на основе алюминия получить сплавы с высокими механическими и принципиально новыми свойствами. Так, предел прочности прессованных полуфабрикатов из порошкового сплава системы Al-Zn-Mg-Cu достигает 735...833 МПа, пластичность в 1.5...2.0 раза превышает возможности литого варианта, каковым является сплав типа В 96ц с пределом прочности 627 МПа. Удается значительно повысить ударную вязкость, антифрикционные и иные свойства. Из исследованных сплавов рекомендован к внедрению новый сплав ПВ 90, как имеющий наибольшую прочность.
Успешное осуществление промышленного варианта технологии производства изделий из порошковых сплавов требует решения целого комплекса проблем. Первое место среди них занимает отработка температурно-временного режима вакуумного нагрева и дегазации с учётом таких факторов, как спекаемость материала и остаточное газосодержание в нём. Необходимо также существенно сохранить в сплаве равномерность распределения избыточных фаз и степень их дисперсности. При этом порошок может находиться в состояниях свободной насыпки, предварительного уплотнения или в условиях механического перемешивания.
Естественно, что для изготовления систем нагрева и дегазации необходимо
понимание процессов теплообмена и молекулярного течения в материале и
знание соответствующих им констант, как функций температуры, давления газа,
пористости. Исходя из актуальности стоящей задачи, был проведён анализ
литературы по вопросам теплофизики и газопроницаемости дисперсных сред
вообще и порошков сплавов на основе алюлЯПЩй. ЬдйСТЙЙрИ..,1?1'0 позволило
сделать некоторые выводы. БИБЛИОТЕКА
УВЯ0Г;
В области определения теплофизических свойств дисперсных материалов накоплен значительный опыт. В стране функционирует большое количество приборов и установок индивидуального изготовления для измерения теплофизических свойств и газовой проницаемости зернистых материалов. Несмотря на актуальность, проблема серийного выпуска рабочих средств определения указанных характеристик практически не решена.
Следует отметить, что некоторые расчётные методы дают совпадение с экспериментальными на уровне 5...20 % , но они, как и установки, применимы только в конкретных, специфичных условиях.
Целью работы явилось решение следующих задач:
-
Выбор методов и разработка установок для определения теплопроводности и газопроницаемости порошков алюминиевых сплавов в состоянии свободной насыпки и предварительного уплотнения;
-
Выбор метода и разработка установки для определения теплопроводности порошков алюминиевых сплавов в условиях механического перемешивания;
-
Проведение измерений теплопроводности и газопроницаемости порошков алюминиевых сплавов;
-
Изучение взаимосвязи между теплопроводностью и газопроницаемостью.
Научная новизна заключается в следующем:
-
Обосновывается связь между воздухопроницаемостью и величиной газовой составляющей теплопроводности при нагреве порошков алюминиевых сплавов в состоянии свободной насыпки, предложено математическое выражение зависимости с учётом теплопроводносп воздуха;
-
Обосновывается правомерность использования критерия газопроницаемости в качестве определённой альтернативы пористости;
-
Разработано новое устройство для определения коэффициента теплопроводности дисперсных материалов при давлениях газовой среды от 1-Ю5 Па и ниже;
-
Осуществлён новый способ определения момента спекания порошков в условиях механического перемешивания;
-
Получены данные по теплопроводности порошков алюминиевых сплавов при давлении газовой среды 5,3...98,9-10 Па в состоянии свободной насыпки и после предварительного уплотнения;
-
Определена воздухопроницаемость при давлениях газовой среды от 98,9-105 Па и ниже на порошках алюминиевых сплавов в состоянии свободной насыпки и после предварительного уплотнения;
-
Определена теплопроводность в условиях механического перемешивания порошков.
Практическая значимость: 1. Предложены и внедрены в исследовательскую практику новый тип устройства для определения теплопроводности дисперсных материалов в вакууме и новый способ исследования спекания металлических порошков в условиях механического перемешивания;
-
Получены исходные данные для расчёта нагревательного оборудования и для оптимизации температурно-временных интервалов дегазации порошков алюминиевых сплавов;
-
Экспериментальные данные по теплопроводности и воздухопроницаемости 5 составов сплавов являются справочным материалом для оформления паспортов на порошковые алюминиевые сплавы.
Достоверность и обоснованность результатов, приведённых в диссертации, обеспечены соблюдением общепринятых требований к разработке и комплектации установок, оптимизацией размеров испытуемых проб, определением точек контроля измерительного процесса, а также многократностью его проведения.
Автор защищает:
устройства и способы исследования тепловых и физических свойств металлических порошков;
результаты исследования эффективной теплопроводности и воздухопроницаемости порошков алюминиевых сплавов при различной плотности упаковки частиц;
результаты исследования эффективной теплопроводности порошков алюминиевых сплавов при механическом перемешивании;
результаты термогравиметрических исследований порошков.
Основные результаты, полученные лично автором:
-
Разработаны устройства и методики исследования теплофизических свойств металлических порошков, защищенные авторскими свидетельствами (3 изобретения) и одним патентом;
-
С помощью термогравиметрических исследований определены температурные интервалы нагрева порошков алюминиевых сплавов при их дегазации;
3. Определены эффективная теплопроводность и воздухопроницаемость
порошков алюминиевых сплавов при различных плотностях упаковки частиц;
4. Получены данные по эффективной теплопроводности порошков алюминиевых
сплавов при механическом перемешивании.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы в центральной печати, выпущено 5 отчётов УЭХК, получено 3 авторских свидетельства и 1 патент.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 167 страницах текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы 125 наименований, иллюстрирована 82 рисунками, имеет 10 таблиц.
