Механізм пресування порошкоподібних мас

Процес пресування порошкоподібних мас під дією зовнішніх сил супровод­жується істотною зміною первісного об’єму, що відрізняє його деформування від де­формування компактного монолітного тіла, що спостерігається при руйнуванні порід. При стисканні порошкоподібних мас з різними физикомеханічними характеристика­ми (гранулометричним складом, насипною масою, пластичністю і т. п.) спостеріга­ється загальна закономірність - экспоненціальна залежність зміни об'ємної щільності прессовки від тиску пресування Р. Це наочно виявляється при побудові діаграмм пресування (рис. 4.12), отриманих при ущільненні порошків у замкнутій матриці.

Рис. 4.12. Діаграма пресування порошкоподібних мас

До початку ущільнення порошкоподібна маса має велику пористість (малу на­сипну щільність) обумовлену тим що частки матеріалу, які взаємодіють між собою і стінками матриці, утворюють аркі і зводи, що створює внутрішні порожннини. На першій стадії пресування (ділянка ОА) під дією зовнішньої сили Р відбувається структурне ущільнення матеріалу - частки змішуються відносно одна іншої і запов­нюють порожнини.

Зусилля, які долаються при цьому, звичайно незначні. Енергія витрачається на подолання сил тертя часток одна відносно іншої і на тертя об стінки пресформ ,а також на руйнування деякої частини крупних часток. Тому ущільнення матеріалу по висоті засипання відбувається не однаково. Спочатку ущільнюється шар матеріалу біля самого штемпеля, а потім тиск передається на нижній шар, причому тиск і ступінь ущільнення з глибиною зменшуються.

Тривалість першої стадії залежить від кількості порожнин (порозности) шихти в її насипному стані і визначається гранулометричним складом і механізмом аутогезионної взаємодії часток.

На другій стадії пресування (ділянка АВ), після того як укладання часток в ос­новному завершилася, ущільнення матеріалу відбувається за рахунок деформації час­ток. Частина енергії, що подводиться ззовні, витрачається на подалання внутріш­нього і зовнішнього тертя часток, а основна - на пружно-пластичне деформування зерен, що вимагає підвищеної витрати енергії. Під впливом зусилля, що пресує, від­бувається зближення часток, збільшення поверхні їхнього контакту як за рахунок взаємного зіткнення зерен суміші, так і за рахунок появи нових поверхонь при крих­ких руйнуваннях часток.

Міцність спресованого тіла обумовлена механічним зчепленням, дією електро­статичних сил, а також міжмолекулярною взаимодією як самих часток, так і речовин, адсорбованих на їхній поверхні. Сили електростатичної і міжмолекулярної взаємодії часток прямо пропорційні поверхні контакту і зворотньо пропорційні квадрату від­стані між ними. Остання взаємодія проявляеться лише на відстані порядку 10^-10 м. Із збільшенням тиску пресування дія зазначених сил зростає.

Третя стадія процесу пресування (ділянка ВС) характеризується стисканням міцного тіла, що утворилося, і зростаючою часткою пружних деформацій. Пружна деформація відновлює систему в колишній стан після зняття тиску (ділянка СЕ) і приводить до порушення структури спресованого тіла й ослабленню зв'язків між частками. При збільшенні часу витримки суміші під тиском пружні деформації мо­жуть переходити в решткові.

Таким чином, формування спресованого тіла - результат процесів ущільнення, що послідовно протікають, і зміцнення порошкоподібного матеріалу під дією при­кладеного тиску (ділянка ОВ) і ослабления його структури після зняття тиску (ді­лянка BD).

На діаграмі пресування (див. рис. 4.12) крива ОВ характеризує властивість ма­теріалу ущільнюватися при стисканні. Робота, витрачена на стискання еквівалентні площі F₁, фігури ОВК. Крива BD характеризує пружні властивості матеріалу (здат­ність його до розширення після стиску) а площа F₂ фігури KBDN - роботу, здійснену стиснутим матеріалом при його пружному розширенні.

Відношення вихідної висоти матеріалу Н₀ у прес-формі до висоти його під тиском Н₁, називається коефіцієнтом ущільнення:

К_ущ = Н₀/Н₁.

Відношення висоти прессовки Н₁ після пружного розширення до її висоти під тиском Н₁, називається коефіцієнтом пружного розширення:

К_ущ=Н₁/Н₁.

Виходячи з умов сталості мас

,

де ₀, ₁, ₁ - щільність матеріалу, відповідно у вихідному, ущільненому станах і після зняття тиску.

По величинам К_у і К_упр можна судити про здатність матеріалів пресуватись. З підвищенням пресуемості суміші коефіцієнт К_ущ зростає, а коэфіцієнт К_упр зменшу­ється. По діаграмі пресування визначається кількісне співвідношення між корисною енергією Е₁, яка витрачається на пластичні деформації, у результаті яких матеріал ущільнюється й зміцнюється, та енергією пружних деформацій Е₂ стиснутого мате­ріалу при знятті тиску, що послабляють структуру пресованого тіла. Більш повно про пресуємість матеріалів можна судити по показнику пластичності k:

.

У сумішей гарної пресуємості показник пластичності складає 14...19. Для забез­печення раціональних режимів обробки тиском порошкообразных сумішей необхід­но знати їх реологичні властивості і фізикомеханічні характеристики в процесі ущільнення.