Зависимость параметров структуры прессовки от технологических режимов формования

Влияние технологических факторов на однородность структуры прессовок изучали на модельных образцах с использованием порошков магния марок МПФ1, МПФ2, МПФЗ, МПФ4 ГОСТ 6001-79 , реально применяемых при прессовании ПС.

Выбор в качестве объекта исследования порошки магния типа МПФ обусловлен несколькими причинами:

• порошки МПФ изготавливают методом фрезерования, вследствие чего они имеют неправильную форму; металлические порошки неправильной формы широко используются в пиротехнике;

• при высоком содержании металлов в ПС (более 40%) частицы, как правило, образуют металлическую матрицу, физико-механические свойства которой определяют свойства прессовки;

• однородность распределения добавок и пор в металлической матрице, а также однородность микроструктуры самой матрицы, влияют на обеспечение требуемых свойств.

На рис.2.1 приведена микроструктура образцов порошков МПФ разных марок в исходном состоянии.

Образцы изготавливали путем смешения частиц порошков МПФ с эпоксидным герметиком в соотношении 1:3, т.е. изготавливали псевдосплав, который после затвердевания подвергали шлифовке и полировке. По полученным таким образом срезам частиц можно определить их размеры и форму. При этом, используя оптический контраст и не применяя химическое травление, можно применить ААИ, оценить форму и размеры частиц и получить гистограммы распределения частиц по размерам, а также измерить их средние размеры (диаметры) и удельные поверхности, т.е. оценить дисперсность компонентов.

а) МПФ1; ув.50^х.

б) МПФ2; ув.50^х.

в) МПФ3; ув.50^х.

г) МПФ4; ув.50^х.

Рис.2.1. Частицы порошка МПФ в исходном состоянии.

Как видно из приведенных фотографий частицы порошков магния марки МПФ всех фракций имеют неправильную форму и представляют собой пластинки с неровным контуром.

Средние размеры частиц измеряли ситовым и микроскопическими методами при этом определяли средние диаметры частиц и их удельные поверхности. Данные измерений приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Марка	Ситовой метод	Микроскопический метод
	Средний диаметр, мкм	Средний диаметр, мкм	Удельная поверхность, м2/г
МПФ1	303,2	305,4	0,031
МПФ2	182,9	165,0	0,043
МПФ3	118,6	131,2	0,059
МПФ4	66,7	69,2	0,086

В соответствии с матрицей планирования эксперимента (табл.2.2) методом одностороннего глухого прессования в жесткую матрицу были изготовлены образцы диаметром 16 и высотой 8мм. В качестве варьируемых факторов технологии были выбраны: давление прессования Р=100-500МПа (X₁) , скорость прессования V= 4-100мм/мин (Х₂), дисперсность частиц порошков магния d- от 66,7мкм (МПФ4) до 303,2 мкм (МПФ1) (Х₃).

Диапазоны изменения варьируемых факторов выбраны с учетом широко применяемых факторов в пиротехнике, в настоящее время.

Размеры образцов (соотношение высоты к диаметру 0,5) оптимальны с точки зрения возможности получения наиболее однородной структуры.

Количественную оценку изменения состояния микроструктуры под влиянием указанных факторов прессования выполняли путем измерения и сопоставления следующих структурных параметров: пористость – П (%); коэффициент вариации пористости - К; дисперсность пор или удельная поверхность пор- S_n (1/мм), площадь контактных поверхностей металлических частиц – S_к (1/мм) и степень плоскостной ориентации граничных поверхностей металлических частиц – α (%).

Обработку результатов эксперимента выполняли с помощью регрессионных и корреляционных методов [19].

Таблица 2.2

№ вари­анта

Кодированные переменные

Натуральные переменные

Тип мате-риала

Выходные параметры

Х1

Х2

Х3

Р

V

d

П

К

α

Sк

Sп

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

- - + + - - + + -1,682 +1,682 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

- + - + - + - + 0 0 -1,682 +1,682 0 0 0 0 0 0 0

- - - - + + + + 0 0 0 0 -1,682 +1,682 0 0 0 0 0

180 180 420 420 180 180 420 420 100 500 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300

23 80 23 80 23 80 23 80 52 52 4 100 52 52 52 52 52 52 52 52

124,8 124,8 124,8 124,8 277,8 277,8 277,8 277,8 201,3 201,3 201,3 201,3 73 330 201,3 201,3 201,3 201,3 201,3 201,3

МПФ3 МПФ3 МПФ3 МПФ3 -0355+025 -0355+025 -0355+025 -0355+025 МПФ2 МПФ2 МПФ2 МПФ2 МПФ4 МПФ1 МПФ2 МПФ2 МПФ2 МПФ2 МПФ2 МПФ2

28 28 7,3 8,2 17,7 28 7,9 6,4 40,5 5 19,4 14,9 22,3 16,3 19,5 15,5 17,5 18,4 15,4 18,3

0,17 0,19 0,54 0,33 0,34 0,25 0,44 0,47 0,13 0,51 0,27 0,31 0,17 0,32 0,26 0,28 0,24 0,25 0,31 0,25

21,6 - - 22,7 19,2 17,7 24,8 23,6 12,7 28,3 22 16,5 26,3 16,6 - - - - - -

13,4 - - 32,8 8,5 5,5 17,8 17,6 - 20,3 15,4 10,9 16,3 9,8 - - - - - -

126,9 144,9 217,6 197,1 100 78 138,7 179,3 87,6 214,9 101,7 144,5 167,1 99,7 - - - - - -

Фотографии микроструктуры некоторых из исследованных образцов приведены на рис.2.2.

В центральной части образцов (d= 12мм) частицы преимущественно располагаются большей осью перпендикулярно оси прессования. В боковых слоях ближе к верхнему торцу частицы сильно деформированы и развернуты к оси прессования под углом примерно 30°. Степень ориентации граничных поверхностей в центральной части образцов из МПФ2 при скорости прессования 52мм/мин возрастает с 12,7% до 28,3% с увеличением давления прессования от 100МПа до 500МПа. При давлении 300МПа (МПФ2) с увеличением скорости прессования с 4мм/мин до 100мм/мин степень ориентации уменьшается с 22,0% до 16,5%. При скорости прессования 52мм/мин и давлении 300МПа переход от порошка МПФ4 к МПФ1 снижает степень ориентации с 26,3% до 16,6%.

Пористость распределяется в объеме прессовки неравномерно, как по высоте, так и по диаметру.

В слоях прессованного порошка, прилегающих к нижнему торцу (у поддона) наблюдается максимальная пористость. Этим зонам свойственно отсутствие какой-либо ориентации частиц.

а) МПФ-1, Р=300МПа, V=52мм/мин; ув.150^х.

б) МПФ-2, Р=100МПа, V=52мм/мин; ув.150^х.

в) МПФ-3, Р=420МПа, V=23мм/мин; ув.150^х.

г) МПФ4, Р=300МПа, V=52мм/мин; ув.150^х.

Рис.2.1. Микроструктура образцов, прессованных из порошков МПФ различной

дисперсности.

При давлении 180МПа (МПФЗ) величина зоны пониженной плотности составляет 1,4мм на скоростях прессования от 23 до 80мм/мин. С увеличением давления до 420МПа и скорости до 100мм/мин величина этой зоны уменьшается до 0,2мм. При давлении 500МПа (МПФ2) образцы пропрессованы полностью, однако их структурная неоднородность выражена высокой разноплотностью боковых слоев (К=0,508) и степенью ориентации частиц (> 28,3%).

Пример типичного распределения пористости по диаметру и в боковом слое образца приведен на рис.2.3 и 2.4.

Для всех исследованных образцов характерна разноплотность: в слоях порошка, прилегающих к пуансону (под пуансоном), пористость уменьшается от центра к боковой поверхности прессовки (рис.2.3а); в центральной части объема образцов поры распределены относительно равномерно (рис.2.3б); в слоях порошка, прилегающих к поддону (у поддона), пористость увеличивается от центра к боковой поверхности (рис.2.3в). Соответственно, боковых слоях образцов пористость увеличивается от пуансона к поддону, где наблюдаются максимальные значения пористости по образцу (рис.2.4).

а ) под пуансоном.

б) в центре.

в) у поддона

Рис.2.3. Распределение пористости (П, %) по диаметру (d,мм) образца 3.

Рис.2.4. Распределение пористости П (%) по высоте Н (мм) образца 3.

Максимальная разноплотность сосредоточена в боковых слоях толщиной 2-3мм (рис.2.5).

а)

б)

Рис.2.5. Распределение разноплотности (К) по высоте (а) и радиусу (б) образца 3.

На рис.2.6 приведены зависимости структурных параметров от давления прессования.

С увеличением давления прессования снижается средняя величина пористости прессовок независимо от дисперсности частиц (рис.2.6а), при этом увеличивается величина контактной поверхности между металлическими частицами (рис.2.6 б), а размер пор уменьшается (рис.2.6в). Коэффициент вариации пористости увеличивается с увеличением давления прессования (рис.2.6г).

Как видно из табл.2.2, после прессования дисперсность частиц практически не изменяется независимо от выбранных режимов. Однако под действием усилия прессования частицы магниевых порошков деформируются и степень их деформации тем выше, чем выше прилагаемая нагрузка (рис.2.6д).

а)

б)

в)

г)

д)

Рис.2.6. Зависимость структурных параметров от давления прессования.

1- МПФ1; 2 - МПФ2; 3 - МПФ3.

На рис.2.7-2.9 приведены зависимости коэффициента вариации пористости (однородность пористости по объему образца) от исследуемых факторов. Каждая точка на графиках соответствует структурным параметрам вертикального слоя образца на определенном расстоянии от центра.

С увеличением давления и скорости прессования, а также при укрупнении частиц однородность пористости уменьшается как в центре, так и в боковых слоях. Это подтверждается также регрессионным анализом.

Для центральной части образцов уравнение регрессии (в кодированных величинах) имеет вид:

К_±6 = 0,22 + 0,02Х₁ + 0,04Х₂ + 0,05Х₃ (2.1)

Для боковых слоев толщиной 1 -2 мм:

К₇-₈ = 0,5 + 0,08X₁ + 0,15Х₂ - 0,1Х₂Х₃ (2.2)

Из приведенных зависимостей следует, что разноплотность можно уменьшить за счет снижения усилия и скорости прессования, а также за счет оптимального сочетания скорости прессования с дисперсностью частиц.

Рис.2.7. Зависимость разноплотности от давления прессования (МПФ2, V=52мм/мин).

1- Р=100МПа; 2- Р=300МПа; 3- Р=500МПа.

Рис.2.8. Зависимость разноплотности от скорости прессования (МПФ2, Р=300МПа).

1- V=4мм/мин; 2- V=52мм/мин; 3- V=100мм/мин.

Рис.2.9. Зависимость разноплотности от дисперсности частиц (Р=300МПа, V=52мм/мин).

1- d=72мкм; 2- d=201,3мкм; 3- d=330мкм.