Анализ процессов уплотнения и пластической деформации при получении заготовок из стружки магниевых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Замоздра Максим Юрьевич

• Замоздра Максим Юрьевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Замоздра Максим Юрьевич

Введение

1. Анализ особенностей горячей пластической деформации магниевых сплавов и процессов рациональной переработки отходов производства в виде стружки методами порошковой металлургии

1.1. Сплавы на основе магния. Температурные режимы горячей пластической деформации, условия протекания рекристаллизацонных процессов при пластической деформации и термической обработки

1.2. Способы переработки магниевой стружки и возможности получения полуфабриката холодным брикетированием с последующей горячей пластической деформацией заготовки

1.3. Особенности уплотнения и пластической деформации дисперсных сред при различных схемах нагружения

1.4. Обоснование использования технологической последовательности деформирования стружки магниевых сплавов в замкнутых и незамкнутых объемах

Выводы по главе

2. Определение основных исходных характеристик стружки магниевого сплавов

2.1. Химический и гранулометрический составы, насыпная плотность, плотность утряски, используемые методики определения исходных свойств

2.2. Уплотняемость стружки, обоснование параметров уплотнения в замкнутой матрице

2.3. Установление наиболее рациональных параметров холодного деформирования и соотношения диаметра и высоты заготовки для дальнейшей горячей экструзии заготовки

Выводы по главе

3. Физическое моделирование процессов горячей пластической деформации магниевых сплавов, определение реологических параметров процессов деформирования литой заготовки МА2

3.1. Методика проведения физического моделирования на комплексе ИееЫе

3.2. Результаты экспериментов и их анализ

3.3. Обоснование реологических и температурных параметров для практической реализации горячей пластической деформации магниевых сплавов и

проектирования оснастки

Выводы по главе

4. Математическое моделирование процесса горячей экструзии порошкового тела, установление основных параметров процесса и конструктивных размеров оснастки

4.1. Обоснование использования программного пакета Deform 3D для моделирования деформации порошкового тела в незамкнутом объеме

4.2. Выбор оптимальных параметров моделирования и оценка результатов моделирования процесса

4.3. Разработка модели инструмента в программе KOMnAC-3D

4.4. Анализ напряженных деформационного состояния заготовки в процессе горячей экструзии на полученной модели

Выводы по главе

5. Экспериментальное исследование процесса получения заготовок из сплава МА5

5.1. Методика проведения экспериментальных исследований получения заготовки из МА5

5.2. Исследование механических свойств заготовок и структуры после горячей экструзии стружки МА5

5.3. Оценка основных факторов, влияющих на анизотропию механических свойств и технологических режимов их устранения

5.4. Уменьшение влияния анизотропии

Выводы по главе

6. Анализ структурообразования в процессах получения заготовок из стружки магниевых сплавов и разработка практических рекомендаций по этапам технологического процесса

6.1. Моделирование режимов горячей уплотняющей прокатки заготовок из МА5

6.2. Проведение горячей уплотняющей прокатки. Оценка структуры и механических свойств конечного продукта

6.2.1. Распределение и размер пор

6.2.2. Структура зерна

6.2.3. Межчастичные границы

6.2.4. Механические свойства

6.3. Разработка практических рекомендаций по реализации получения заготовок

из магниевой стружки высоких физико-механических свойств

Выводы по главе

Выводы

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ процессов уплотнения и пластической деформации при получении заготовок из стружки магниевых сплавов»

ВВЕДЕНИЕ

Производство деталей и изделий механической обработкой связано с получением большого количества стружковых отходов, в том числе и при использовании магния и его сплавов. В особенности это касается специальных сплавов с четко выверенным химическим составом - деформируемых сплавах, состоящих из комбинации четырёх элементов в определенной пропорции: Mg, М, Zn, Mn.

Переплав стружки, помимо лишнего потребления энергии, имеет такой серьезный недостаток, как значительный угар - окисление и потеря со шлаком магния (до 30-50%). Переплав опасен возгоранием магния и требует применения специальных печей с защитной газовой атмосферой. Теряются энергетические и трудовые затраты на эту обработку. В ходе переплава загрязняется химический состав и теряется необходимая составляющая пропорции вышеуказанных элементов.

В настоящее время актуально внедрение экономичных технологий переработки стружки в компактную форму, среди которых горячая экструзия магниевых отходов является весьма перспективной областью технологии порошковой металлургии как для массового серийного производства в различных отраслях промышленности, так и для получения изделий специального назначения с заданными свойствами [1]

Этим способом с минимальным количеством стадий переработки и хорошими экономическими показателями из стружки можно получать профиль - круг, уголок и более сложные формы, и использовать в тех областях техники, где требуются материалы малой плотности и средние по величине показатели прочности [2].

Технология горячей экструзии обладает общеизвестными достоинствами методов классической порошковой металлургии - высоким коэффициентом использования материала, низкими капитальными вложениями. При этом спрессованные порошковые детали обладают равной и даже большей прочностью, чем детали, полученные традиционной технологией литья и

обработки давлением. Горячая экструзия позволяет избежать применения такой важной для порошковой металлургии операции, как спекание [3].

Интенсивное пластическое деформирование при повышенных температурах при экструзии разрушает и диспергирует оксидный слой на поверхности частиц магния и его сплавов, что позволяет компактировать изначально дискретный материал до сравнительно высокой плотности.

Магниевые сплавы обладают узким температурным интервалом обработки. В частности, относительно благоприятный диапазон температур деформации слитков сплава МА5 в литом состоянии ограничен 300-350 °С. При повышении температуры до 360-380 °С происходит резкое снижение пластических свойств сплава, что на практике приводит к разрушению литой заготовки в процессе деформации. Это связано с оплавлением легкоплавких эвтектических составляющих по границам зёрен [4].

Значительное влияние на пластические характеристики магниевых сплавов оказывает скорость деформации, повышение которой вызывает снижение пластичности сплавов и может явиться причиной образования трещин на прессованных изделиях. Увеличение пластических свойств легированных сплавов отмечается при температурах полного перехода легирующих компонентов сплава в твердый раствор.

Путём изменения температуры и скорости прессования можно получать изделия с различной структурой, характеризующейся разной величиной зерна и степенью рекристаллизации. С увеличением скорости деформации благодаря тепловому эффекту деформации происходит повышение температуры, что сопровождается образованием более крупнозернистой структуры и понижением механических свойств сплава. При этом в изделиях малого сечения, скорость охлаждения которых на воздухе значительно выше, это проявляется в меньшей степени [5]

В прессованных полуфабрикатах наблюдается значительная анизотропия механических свойств, она существенно зависит от формы сечения изделия, степени деформации и состава сплава. В основном свойства сплавов при

растяжении в продольном направлении выше, чем в поперечном; однако анизотропия механических свойств высоколегированных сплавов может быть и более значительной [6]. Эти особенности следует учитывать при проектировании технологических процессов деформирования магниевых сплавов и тем более при уплотнении стружки из них.

В последнее время появились работы, посвященные исследованию переработки магниевой стружки в брикеты для дальнейшего переплава, либо получения полуфабрикатных изделий без углублённого изучения механических, реологических и структурных свойств. В связи с этим, актуальным является комплексный анализ практического применения методов уплотнения и пластической деформации при получении полуфабрикатов из стружки магниевых сплавов. Приоритетом ставится не сам факт получения полуфабриката, а анализ реологических параметров, определения механических свойств и отслеживание эволюция макро- и микроструктуры на всех этапах передела. Для этого могут быть использованы современные методы исследования, основанные на физическом и компьютерном моделировании термомеханических процессов деформирования. Это позволит построить рекомендационную модель технологической обработки различных магниевых сплавов для получения заготовок с заранее заданными структурой и механическими свойствами.

Актуальность темы исследования подтверждена её выполнением при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-33-90241.

Таким образом в соответствии с вышеизложенным была сформулирована цель работы.

Цель работы: разработка практических рекомендаций для получения заготовок из стружки магниевых сплавов на основе анализа процессов структурообразования и формирования физико-механических свойств при уплотнении и пластической деформации методами физического и компьютерного моделирования технологического процесса.

В ходе работы были поставлены и решены следующие задачи:

1) анализ особенностей горячей пластической деформации магниевых сплавов и процессов рациональной переработки отходов производства в виде стружки методами порошковой металлургии;

2) определение основных характеристик исходной среды - стружки, и физическое моделирование процесса горячей пластической деформации магниевых сплавов;

3) компьютерное моделирование процесса экструзии пористого тела, установление основных геометрических и технологических параметров инструмента;

4) экспериментальное исследование процессов получения заготовок из стружки магниевого сплава: исследование структуры и физико-механических свойств вторичного материала;

5) разработка практических рекомендаций по рациональной переработке стружки магниевых сплавов в компактные заготовки.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Выполнен комплексный анализ формирования макро- и микроструктуры в процессах уплотнения и пластической деформации заготовок из стружки магниевых сплавов при температурных и деформационных режимах, полученных на основе физического моделирования.

2. Установлено, что при горячей экструзии в диапазоне температур 300400 оС, относительной деформации от 33 до 66% происходит доуплотнение при пластической деформации частиц и рекристаллизация материала без нарушения макросплошности заготовки.

3. Установлено, что причиной хрупкого разрушения образцов при механических испытаниях является недостаточная прочность межчастичных контактов при статическом сжатии и остаточная пористость при растяжении. Анизотропия свойств и дефекты структуры формируются при горячей экструзии по направлению течения частиц материала в объеме всего тела.

4. Выполнена оценка предельных обжатий в валках прокатного стана с помощью программы Deform 3D при использовании критерия Кокрофта-Латама. Установлено, что предельная относительная деформация не должна превышать 27% для заготовок, полученных экструзией с редукцией <16 и не более 18% для прутков с редукцией >16.

5. Показано, что по сравнению с заготовками, полученными сразу после горячей экструзии, отжиг и уплотняющая прокатка приводят к снижению пористости с 3% до практически беспористого состояния, уменьшению разнозернистости структуры заготовок, устранению межчастичных границ. Это позволяет получить заготовки, которые по механическим характеристикам не уступают требованиям ГОСТ для прессованных прутков из магниевых сплавов.

Практическая значимость:

1. Разработаны практические рекомендации для получения заготовок из магниевой стружки с высокими физико-механическими свойствами сопоставимые с литыми и деформированными, представленные в виде технологической схемы переработки отходов производства.

2. На основе результатов моделирования процесса горячей экструзии, определены угол конусности, коэффициент вытяжки (основные технологические параметры). Спроектирована оснастка для осуществления горячей экструзии уплотнённых холодным прессованием заготовок. В программе Компас-ЗД воссозданы геометрические параметры экструдера и создана многокомпонентная сборка, имитирующая взаимодействия всех компонентов: матрица + пуансон + заготовка + фильера.

3. Проведённые исследования методами физического, математического моделирования и практической реализации позволили рекомендовать режимы для процессов рациональной переработки магниевых сплавов системы Mg-Al-Zn-Mn.

4. Показано, что использование горячей уплотняющей прокатки заготовок в калибрах позволяет не только сформировать высокие физико-механические свойства, но и получать заданный профиль изделия.

Положения, выносимые на защиту:

1. Основные закономерности формирования макро- и микроструктуры, физико-механических свойств в процессах уплотнения и пластической деформации заготовок из стружки магниевых сплавов.

2. Предложенная последовательность технологических операций переработки стружки в заготовки методами порошковой металлургии и обоснование параметров процессов на основе физического и математического моделирования.

3. Практические рекомендации для получения заготовок из стружки магниевых сплавов со свойствами, сопоставимыми со свойствами литых и деформированных сплавов того же химического состава.

В работе применялись следующие методы исследования: компьютерное моделирование процессов пластической обработки пористых и порошковых материалов методом конечных элементов, физическое моделирование процессов уплотнения порошковых материалов на комплексе Gleeble-3800, экспериментальное исследование с применением современных средств измерений, оптической и электронной микроскопии, компьютерная обработка результатов эксперимента.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: XLIV Неделя науки СПбПУ (СПб, 2015); XLV Неделя науки СПбПУ (СПб, 2016); Современные металлические материалы и технологии СММТ'2017 (СПб, 2017); XLVII Неделя науки СПбПУ (СПб, 2018); Современные материалы и передовые производственные технологии СМППТ-2019 (СПб, 2019); Perspective materials and technologies:

from invention to implementation (СПб, 2019); International Scientific Conference Material Science: Composites, Alloys and Materials Chemistry MS-CAMC-2019 (СПб, 2019); METAL 2020 - 29th International Conference on Metallurgy and Materials (Брно, 2020); VII Международная научно-практическая конференция «Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2020 (СПб, 2020); Современные материалы и передовые производственные технологии СМППТ-2021 (СПб, 2021).

По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, из них 2 статьи опубликованы в рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК РФ, а также 4 - в изданиях, входящих в международные цитатно-анлитические базы Scopus и Web of Science.

Личный вклад автора заключается в участии в разработке экспериментальных методов исследования и их осуществлении, в проведении численных расчетов, написании научных статей и их подготовки к публикациям.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; шести глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 131 страница, включая 22 таблицы и 62 рисунка. Список использованной литературы содержит 73 наименования.

1. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ГОРЯЧЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ И ПРОЦЕССОВ РАЦИОНАЛЬНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА В ВИДЕ СТРУЖКИ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ.

1.1. Сплавы на основе магния. Температурные режимы горячей пластической деформации, условия протекания рекристаллизационных процессов при пластической деформации и термической обработки.

Сплавы на магниевой основе по физическим и механическим характеристикам могут успешно конкурировать с другими легкими конструкционными материалами, в первую очередь в тех областях, где снижение массы имеет первостепенную значимость: авиационная, ракетно-космическая и оборонная промышленность, а в последние годы и транспортное машиностроение. Деформируемые магниевые сплавы были и остаются наиболее легкими из конструкционных материалов на металлической основе [7,8]. Сплавы на магниевой основе могут составить значительную конкуренцию алюминиевым. Наиболее значимыми требованиями, предъявляемыми к конструкционным материалам, применяемым в изделиях авиационной и космической отраслях, являются: низкая плотность, технологичность, высокий уровень удельной прочности и жесткости, хорошая свариваемость.

Магниевые сплавы отвечают поставленным требованиям: они обладают высокими удельной прочностью и удельной жесткостью, демпфирующими свойствами, технологичностью, многие сплавы хорошо свариваются, что представляется весьма перспективным для применения материалов на основе магния в отраслях современной техники. При этом плотность магниевых сплавов составляет всего 65-70% от плотности серийных алюминиевых сплавов. Практически значимым является тот факт, что замена деталей и узлов из алюминиевых сплавов на магниевые позволяет снизить их вес на 25-30% [9,10].

Немаловажное значение приобретает экономическая составляющая. На рисунке 1.1 изображены графики роста стоимости сбыта магниевого

производства по рынкам РФ и импорта за границу, а на рисунке 1.2 - прирост массы производимого магниевого продукта за последние несколько лет. Данные взяты из финансовых отчетов Соликамского магниевого завода, производящего 60% магниевой продукции в РФ. Так, из рисунка 1.2 видно, что на 1000 т. чистого магния производится 16000 т. магниевых сплавов. Такую разницу довольно легко объяснить малой необходимостью потребления чистого магния как конечного продукта ввиду его низких механических и конструкционных свойств, а также сложности в эксплуатации из-за пожаро- и взрывоопасности и высокой степени окисления на воздухе, по сравнению даже с малолегированными магниевыми сплавами.

С 1960-х годов по настоящее время создано свыше 15 марок отечественных деформируемых магниевых сплавов, которые по своему назначению делятся на несколько групп: сплавы повышенной прочности - высокопрочные сплавы МА5, МА14, МА15, МА22/ВМД10 (ав>300 МПа), сплавы средней прочности МА2, МА2-1, МА20, МА20-СП (ав>225-300 МПа), жаропрочные сплавы МА12, МА22 (пригодны для длительной эксплуатации при 200 °С, кратковременной - до 300350 °С), гранулированные сплавы МА14гр., МА2-1гр. с повышенными характеристиками ударной вязкости и удельной прочности, ультралёгкие сплавы МА18, МА21 (плотность <1.60 г/см3) [11].

Магниевые сплавы с улучшенными эксплуатационными свойствами, как правило, являются сложнолегированными, нередко содержат дорогостоящие элементы (например, редкоземельные металлы).

Группа экономнолегированных сплавов системы Mg-Al-Zn-Mn до сих пор является наиболее широко применяемыми как за рубежом (сплавы группы AZ:AZ31, AZ80, AZ91 и др.), так и у нас в стране (деформируемые сплавы МА2-1, МА2-1п.ч., МА5 и проч.). Примеры сплавов и их химические составы приведены в таблице 1.1.

Сбыт продукции магниевого производства по рынкам

4000 3500 3000

I 2500 2000

ю

¿Р 1500

1000 500

0

2 009 2 010 2 011 2 012 2 013 2 014 2 015 2 016 2 017 2 018

Рисунок 1.1 - Сбыт продукции магниевого производства по рынкам с 2009 по 2018гг

Отгрузка продукции магниевого производства по

видам

1000 900 800 700 600 500 • 400 300 200 100 0

2011

16000

□

• 14000

12000 Z m

10000 § и

8000 2 л

6000 а

4000 £

2000

0

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

• Магниевые сплавы □ Магний

Рисунок 1.2 - Отгрузка продукции магниевого производства по видам за последние

несколько лет

Высокопрочный сплав МА5 предназначен для изготовления полуфабрикатов по схеме неравномерного всестороннего сжатия (прессование, ковка в фигурных бойках на гидравлических прессах, штамповка в закрытых штампах и т.п.). Сплав МА5 способен термически упрочняться. В течение длительного времени этот сплав находит применение в конструкциях отечественных летательных аппаратов (для справки - масса деталей из магниевых сплавов в самолёте Ту-95МС составляет 1550кг, в Ту-22 - 820кг) [12].

Его химический состав указан в таблице 1.1, механические свойства различных изделий указаны в таблице 1.2.

Таблица 1.1 - Наименования и химические составы деформируемых и литейных магниевых сплавов, выраженный в мас.%

Наименование Легирующие компоненты Примеси, не более

сплава Л1 Мп Zn ^ № Si Fe Прочие

2 МА2 3,0-4,0 0,15-0,5 0,2-0,8 0,05 0,005 0,1 0,05 0,3

и МА2-1 3,8-5,0 0,3- 0,7 0,8-1,5 0,05 0,004 0,1 0,04 0,3

К МА2-1 п.ч. 3,8-5,0 0,2- 0,6 0,8-1,5 0,01 0,001 0,01 0,005 0,1

О -е- МА3 5,5-7,0 0,15- 0,5 0,5- 1,5 0,05 0,005 0,1 0,05 0,3

МА5 7,8-9,2 0,15- 0,5 0,2- 0,8 0,05 0,005 0,1 0,05 0,3

« МЛ3 2,5-3,5 0,15-0,5 0,5-1,5 0,01 0,01 0,25 0,06 0,5

Л К « МЛ4 5,0-7,0 0,15-0,5 2,0-3,5 0,01 0,01 0,25 0,06 0,5

« н к МЛ5 7,5-9,0 0,15-0,5 0,2-0,8 0,01 0,01 0,25 0,06 0,5

Ч МЛ6 9,0-10,2 0,1-0,5 0,6-1,2 0,01 0,01 0,25 0,06 0,5

По общей коррозионной стойкости промышленные сплавы системы Mg-Al-Zn-Mn находятся примерно на одном уровне. С повышением содержания алюминия от сплава МА2 (3,0 - 4,0 мас.%) к сплаву МА5 (7,8 - 9,2 мас.%) увеличивается склонность сплавов к коррозионному растрескиванию под напряжением; это дало основание в технических условиях на полуфабрикаты из магниевых сплавов указать, что детали из сплава МА2 должны иметь толщину стенки не менее 4мм, а детали из сплава МА5 - не менее 7мм. Стоит отметить, что свариваемость сплава пониженная, склонен к образованию трещин при сварке [13].

Одной из особенностей деформируемых магниевых сплавов является анизотропия свойств, обусловленная характером деформации, вследствие ориентации плоскостей скольжения.

Анизотропия свойств в прессованном состоянии зависит от сечения изделия и состава сплава, причем она более ярко выражена для сплавов, содержащих цирконий. В основном свойства сплавов в прессованном состоянии

в продольном направлении выше, чем в поперечном. Особенно эта разница заметна в величине предела текучести [14].

Таблица 1.2 - Механические свойства прессованных полуфабрикатов из сплава МА2 и МА5 [11]

Сплав Полуфабрикаты Е 00,2 Ов 5 ¥ Тср 0-1 НВ ан

ГПа МПа % МПа Дж/см2

МА2 Прутки 42,1 167 245 11 27 142 98 45 1,2

Поковки, штамповки 42,1 167 265 12 25 145 98 45 1,0

МА5 Прутки 42,1 215 304 8 20 174 126 55 4,8

Поковки, штамповки 42,1 215 304 12 20 176 89 70 5

Магниевые деформируемые сплавы при комнатной температуре обладают твердостью НВ от 40 до 60, однако основным методом испытания магниевых сплавов является испытание на растяжение. Однозначной связи между прочностью и твердостью магниевых сплавов не существует.

Модуль упругости при сжатии для магниевых сплавов незначительно отличается от модуля упругости при растяжении. Предел текучести деформируемых магниевых сплавов при сжатии ниже предела текучести при растяжении, как правило, на 15-40%. От температуры прессования предел текучести при сжатии почти не зависит, однако, при больших скоростях прессования он немного понижается [15].

Магний и его сплавы сравнительно хорошо обрабатываются горячим прессованием. Этому способствует благоприятная схема напряженного состояния - всестороннее неравномерное сжатие. Однако значительная неравномерность деформации при прессовании приводит к тому, что в поверхностных слоях прессуемого изделия возникают на выходе матрицы растягивающие напряжения, которые могут вызывать появление поверхностных трещин и разрывов [16-18].

Так как магний обладает гексагональной кристаллической решеткой, магниевые сплавы наиболее чувствительны к появлению даже незначительных растягивающих напряжений в поверхностных слоях. Эта повышенная чувствительность особенно проявляется при деформации слитков с крупнокристаллической структурой в возникновении на поверхности так называемой рябизны, представляющей собой мелкие поверхностные надрывы, вытянутые в направлении прессования [13,19].

С увеличением степени деформации до 90-95% механические свойства вдоль и поперек волокна сближаются, и анизотропия значительно уменьшается: при этом общий уровень механических свойств прессованных полуфабрикатов повышается. Рекомендуется прессование прутков и профилей, идущих непосредственно в конструкции, проводить со степенью деформации не менее 90-95%, а для прутков, являющихся промежуточной заготовкой для последующей ковки и штамповки, - не менее 60-65% [13, 20].

1.2. Способы переработки магниевой стружки и возможности получения полуфабриката холодным брикетированием с последующей горячей пластической деформацией заготовки.

В чем заключается необходимость брикетирования стружки? Не подверженная этому процессу стружка, накапливаясь, способна занимать большие площади, которые более целесообразно использовать для размещения основного оборудования. Стружка, хранящаяся навалом - пожароопасна, и неправильное её хранение может привести к воспламенению, а правильное хранение требует дополнительных затрат. Неспрессованную стружку нужно вывозить в крупных контейнерах при относительно небольшой загрузке транспорта. Брикетирование стружки позволяет в зависимости от ее типа уменьшить объем исходного материала до 20 раз, а в результате - более рационально использовать производственные площади, снизить транспортные издержки, при этом задействовать контейнеры меньшего размера.

Высокая целесообразность применения технологии брикетирования стружки также проявляется при ее переработке путем плавления - за счет снижения угара металла, который является значительной проблемой переработки стружки различных сплавов. В частности, для магниевых сплавов масса выгоревшего металла при переплаве может достигать 30% от начальной. При прессовании снижается контактная поверхность стружки, что уменьшает её угар при плавлении в несколько раз. При этом снижается опасность пожара из-за возможного самовозгорания мелкой металлической стружки (из таких материалов, как магний, алюминий и др.). Также брикеты легко и быстро загружать в плавильную печь. Брикетирование стружки дает значительную экономию энергии при ее переплавке и снижает риск отложений металла на стенках печи.

С необходимостью переработки стружки путем ее прессования сталкиваются многие металлообрабатывающие производства. На крупнейшем в России заводе по производству и переработке магния и его сплавов [21] при производстве труб, полос и профилей в большом количестве получаются отходы в виде стружки. После брикетирования удаётся переплавлять магниевую стружку и, таким образом, получать полноценный металл, годный для производства.

Проблема переработки магниевой стружки возникла уже давно и носит международный характер. Так, для примера, можно привести одну из самых ранних статей на эту тему, написанную исследователями южно-китайского технического университета Гуанжоу. [22]. Ещё в 2002 году была обозначена проблема всеобщего подхода к экструзии стружки магния как к отходам производства для дальнейшего переплава, когда как авторы настаивали на подходе порошковой металлургии для осознанного получения полуфабриката с известными, изученными заранее свойствами. Отмечается, что стружка представляет собой отдельные, зачастую довольно крупные частицы с индивидуальной структурой и порой незначительно отличающимся химическим составом. Поэтому, подход классической порошковой металлургии, где частицы

примерно идентичны друг-другу, не совсем подходит для исследования и вызывает дополнительные трудности в процессе экструзии. Авторами продемонстрированы результаты микроструктуры и механических свойств экструдированной стружки в брикет при коэффициенте обжатия 25 и температуре 330 оС. Авторы делают вывод, что горячая экструзия пригодна для переработки магниевой стружки в полуфабрикат, однако требуется систематический подход в изучении влияния параметров процесса экструзии на свойства продукта.

В статье 2006 года [23], авторы варьируют температуру экструзии (330 и 380 оС) и отмечают, что изменение в температуре процесса оказывает значительное влияние на микроструктуру экструдата. При этом, по всей видимости, достигаются условия динамической рекристаллизации, вследствие чего образуются интерметаллиды и выпадает вторая фаза между границ зёрен, которые неоднозначно влияют на механические свойства.

Современные работы в основном направлены на усовершенствование методов брикетирования для увеличения плотности брикетов или автоматизации процесса. Примерами таких работ могут послужить разработка установки полуавтоматического брикетирования стружки непрерывного действия [24] производства АО «ПО «Завод им. Серго» («Позис»), входящего в АО «НПК «Техмаш» Госкорпорации «Ростех».

В другом исследовании представлена многоканальная двухступенчатая экструзия для получения плотных поковок [25]. Авторы статьи демонстрируют процесс двухэтапной экструзии с изменением угла на 45о дважды (итого 90о). При этом варьируется температура процесса (250, 280, 300 оС), без изменения степени обжатия (коэффициент вытяжки 9). Необходимость двухступенчатой экструзии авторы объясняют следующим: «Полученные после экструзии образцы оставались пористыми с отсутствием межчастичной связи. Они расслаивались и рассыпались при порезке на фрагменты. В поверхностном слое образцов наблюдалась хорошая консолидация материала, который сформировал своеобразную капсулу, содержащую в себе плохо уплотненные частицы

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Замоздра Максим Юрьевич, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волкова Е. Ф. Современные деформируемые сплавы и композиционные материалы на основе магния (обзор) / Е. Ф. Волкова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2006. - № 11 (617). - С. 5-9.

2. Рудской А.И. Теория и моделирование процессов деформирования порошковых и пористых материалов / А.И. Рудской, Ю.И. Рыбин, В.Н. Цеменко, - СПб : Наука, 2012, - 416 с.

3. Промышленный рециклинг техногенных отходов : учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 120400 / [В. Н. Кокорин и др.]; Федеральное агентство по образованию, Ульяновский гос. технический ун-т. - Ульяновск : УлГТУ, 2005 (Ульяновск : Тип. УлГТУ). - 42 с.

4. Лебедев, В.А. Металлургия магния / В. А. Лебедев, В. И. Седых ; Урал. гос. техн. ун-т - УПИ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. — Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2010. — 173 с.

5. Suh, J.S. Effect of Extrusion Temperature on Mechanical Properties of AZ91 Alloy in Terms of Microstructure and Texture Development / J.S. Suh, B.C.Suh, J.O. Choi, et al., - Met. Mater. Int. 27, 2696-2705, 2021. https://doi.org/10.1007/s12540-020-00642-8

6. Волкова Е.Ф. Сравнительный анализ анизотропии механических свойств и микроструктуры деформированных полуфабрикатов из высокопрочных магниевых сплавов с РЗЭ / Е.Ф. Волкова, И.В. Мостяев, М.В. Акинина // Труды ВИАМ. 2018. №5 (65).

7. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г.» // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1 (34). С. 3-33.

8. Николас А., Рольник С. Применение магниевых компонентов в аэрокосмической индустрии // Аэрокосмический курьер. 2011. № 1. С. 42-44.

9. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники// Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. № 6. С. 520-530.

10. Савич, В. В. Магниевые сплавы в приборостроении и в медицинской технике / В. В. Савич // Приборостроение-2020 : материалы 13-й Международной научно-технической конференции, 18-20 ноября 2020 года, Минск, Республика Беларусь - Минск : БНТУ, 2020. - С. 296-299.

11. ГОСТ 14957-76. Сплавы магниевые деформируемые. Марки

12. Садков В.В., Лапонов Ю.Л., Агеев А.П. и пр. // Металлургия машиностроения. 2007. № 4. С. 19-23.

13. Альтман М. Б., Антипова А. П., Блохина В. А. и др. Магниевые сплавы. Справочник. В 2 ч. Ч. 1. Металловедение магния и его сплавов. Области применения. - М.: Металлургия, 1978. - 232с.

14. Xie, Q. G. Influence of Deformation on Precipitation and Recrystallization in an AZ80 Magnesium Alloy / Q.G. Xie, Ping Yang, F.E. Cui // Materials Science Forum, vol. 546-549, Trans Tech Publications, Ltd., May 2007, pp. 293-296

15. Васильев Е.В. Кинетические особенности механизмов деформации магниевых сплавов при статическом и циклическом нагружении : диссертация ... кандидата Физико-математических наук: 01.04.07 / Васильев Евгений Викторович, Самара, 2018. - 125с.

16. Prakash P. Effect of temperature on the hot deformation behavior of AZ80 magnesium alloy / P. Prakash, D. Toscano, S.K. Shaha, M.A. Wells, et al. // Materials Science and Engineering : A, Volume 794, 2020. https://doi.org/10.1016Zj.msea.2020.139923

17. He B. et al. Microstructure and Mechanical Properties of Aged and Hot Rolled AZ80 Magnesium Alloy Sheets // Crystals. MDPI AG, 2019. Vol. 9, № 5. P. 239.

18. Meng S. et al. Enhancing the Mechanical Properties of AZ80 Alloy by Combining Extrusion and Three Pass Calibre Rolling // Metals. MDPI AG, 2020. Vol. 10, № 2. P. 249.

19. Qin J.N. Effect of pre-extrusion on microstructure and mechanical properties of caliber-rolled AZ80 alloy // Materials Research Express, IOP Publishing, 2021, Vol. 8, № 1.

20. Bai Sh. Experimental and numerical investigation into rectangular tube extrusion of high-strength magnesium alloy // International Journal of Lightweight Materials and Manufacture,Vol.3, № 2, 2020, P. 136-143

21. https: //www.smw.ru/

22. Liu, Yanki & Yang, Chao & Zhang, D.-T & Ngai, Tungwai & Chen, W.-P. (2002). Microstructure and properties of AZ80 magnesium alloy prepared by hot extrusion from recycled machined chips. Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition). 12. 882-885.

23. Lu, L.-L & Yang, P. & Wang, F.-Q & Zhong, W.-Z. (2006). Effects of thermomechanical treatments on microstructure and mechanical properties of AZ80 magnesium alloy. 16. 1034-1039.

24. https://www.solver.ru/downloads/pdf/solver-pozis-briket.pdf

25. Ю. С. Сынков, А. С. Сынков, Я. Е. Бейгельзимер. Процесс переработки магниевой стружки методом многоканальной экструзии // Металл и литье Украины, № 2 (249), 2014. - С.29-31.

26. Смирнов B.C., Павлов Н.И., Целесин H.H. Исследование соотношения, отражающего переход от структурной к упруго-пластической деформации зернистой среды. Тр. ЛПИ. № 296., 1969.

27. Рыбин Ю.И., Рудской А.И., Золотов А.М. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением. СПб.: Наука, 2004. 640 с.

28. Друянов Б.А. Прикладная теория пластичности пористых тел. М.: Машиностроение, 1989.

29. Кайбышев P.O., Галиев А.М., Соколов Б.К. Влияние размера зерна на пластическую деформацию и динамическую рекристаллизацию магниевого сплава // Физика металлов и металловедение. 1994. Т. 78, № 2. С. 126-139.

30. Кочубей, А. Я. Влияние термомеханических параметров на формирование текстуры и структуры при горячей обработке давлением сплава системы Mg-Al-Zn / А. Я. Кочубей, В. Н. Серебряный // Технология легких сплавов. - 2007. - № 2. - С. 105-109.

31. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков, «Металлургия», М.,1969

32. Рассказов Н.И. Труды МИХМ, XXIX научно-техн. конф. М., 1968.

33. Живов Л.И., Павлов В.А., Макагон В.И. и др. Технологические режимы горячей экструзии порошкового титана. / В кн.: Теория и практика прессования порошков, Киев: Наукова думка, 1975

34. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. 420

с.

35. Томсэн Э., Янг и., Кобаяши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов. М.: Машиностроение, 1969. 503с

36. Шатт, В. Порошковая металлургия / В. Шатт. - Москва : Металлургия,1983.

37. Stanley G. Selig, Darrel A. Doman. A Review of Finite Element Simulations of Metal Powder Die Compaction //Journal of Machinery Manufacturing and Automation. 2014.

38. Oyane, M., Plasticity theory for porous metals and application/ Oyane M., Kawakami T., Shima S J il. lap. Soc. Powder and Powder Met. 1973. - 20. - № 5. - p.142-146.

39. Gurson A.L. Continuum Theory of Ductile Rupture by Void Nu-cleation and Growth: Part I - Yield Criteria and Flow Rules for Porous Ductile Materials. Journal of Engineering Materials and Technology, 1977, vol. 99, pp. 215.

40. O. Coube and H. Riedel, "Numerical simulation of metal powder die compaction with special consideration of cracking" Powder Metallurgy, vol. 43, pp. 123-131, 2000.

41. M. Liu, W. Xia, Z. Zhou, and Y. Li, "Numerical simulation of met-al powder compaction considering material geometrical nonlinearity," in 2007 IEEE International Conference on Control and Automation, ICCA, May 30, 2007 - June 1, 2007, Guangzhou, China, 2008, pp. 908-912.

42. M. C. Lee, S. H. Chung, J. H. Cho, S. T. Chung, Y. S. Kwon, H. J. Kim, and M. S. Joun, "Three-dimensional finite element analysis of powder compaction process for forming cylinder block of hydraulic pump," Powder Metallurgy, vol. 51, pp. 89-94, 2008.

43. L. Ma, T. Zahrah, and R. Fields, "Numerical three dimensional simulation of cold compaction and springback for prealloyed powder compo-sites," Powder Metallurgy, vol. 47, pp. 31-6, 2004.

44. K. H. Roscoe, A. N. Schofield, and A. Thurairajah, "Yielding of clays in states wetter than critical," Geotechnique, vol. 13, pp. 211-240, 1963.

45. PM ModnetResearch Group. Comparison of computer models representing powder compaction process. Powder Metallurgy. - 1999. - 42(4). - P. 301-311.

46. Coube, O.Numerical simulation of metal powder die compaction with special consideration of cracking / O. Coube, H. Riedel // Powder Metal-lurgy. -2000. - 43(2). - P. 123-154.

47. Wall frictioncoefficient estimation through modeling of powder die pressing experiment / B. Wikman [et al] // Powder Metallurgy. - 2000. - 43(2). - P. 132-140.

48. Doremus, P. Simple tests and standard procedure for the characterization of green compacted powder / P. Doremus, F. Toussaint, O. Alvain // Recent Developments in Computer Modeling of Powder Metallurgy Processes, 2000. - P. 29-41.

49. Chtourou, H. Modeling of the metal powder compaction process using the cap model. Part I. Experimental material characterization and valida-tion / H. Chtourou, M. Guillot, A. Gakwaya // International Journal of Solids and Structures.

- 2002. - 39(4). - P. 1059-1075.

50. Chtourou, H. Modeling of the metal powder compaction process using the cap model. Part II. Numerical implementation and practical applica-tions / H. Chtourou, M. Guillot, A. Gakwaya // International Journal of Solids and Structures.

- 2002. - 39(4). P. 1077-1096.

51. Иванов Е.В. Исследование процессов получения деформированных полуфабрикатов из стружковых отходов сплавов алюминия и изучение их свойств [Электронный ресурс] : диссертация ... кандидата технических наук / Иванов Евгений Владимирович. — Красноярск : СФУ, 2019.

52. Костин Н. А. Динамика процесса экструзии при брикетировании стружки алюминиевых сплавов : диссертация ... канд. тех. наук : 01.02.06 / Костин Николай Анатольевич. Курск, 1998. - 122 с.

53. Загиров, Н. Н. Разработка технологии изготовления сварочной проволоки СВАК12 из стружковой заготовки / Н. Н. Загиров, И. Л. Константинов, Е. В. Иванов // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2012. -№ 2. - С. 36-41.

54. Шнейберг, А. М. Экспериментальное исследование процесса компактирования хрупкой и пластичной стружки по схеме сжатие плюс вращение / А. М. Шнейберг, О. С. Кошелев, Ф. П. Михаленко // Кузнечно-штамповочное производство. - 2014. - № 9. - С. 8 -12.

55. Загиров, Н. Н. Изготовление прутков и проволоки из стружки силумина с использованием прямой горячей экструзии цилиндрических брикетов / Н. Н. Загиров, Ю. Н. Логинов, Е. В. Иванов, Р. Р. Ризаханов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2019. - № 4. - С. 168-174.

56. Wang Y. Effect of extrusion ratio on the microstructure and texture evolution of AZ31 magnesium alloy by the staggered extrusion / Y.Wang, F.Li,

Y.Wang, X.Li // Journal of Magnesium and Alloys, Vol. 8, № 4, 2020. - C. 13041313.

57. Liu M. et al. Finite Element Analysis of Extrusion Process for Magnesium Alloy Internal Threads with Electromagnetic Induction-Assisted Heating and Thread Performance Research // Materials. MDPI AG, 2020. Vol. 13, № 9. P. 2170.

58. Mahmoodkhani, Y., Chen, J., Wells, M.A. et al. The Effect of Die Bearing Geometry on Surface Recrystallization During Extrusion of an Al-Mg-Si-Mn Alloy // Metall Mater Trans A 50, 2019. - P. 5324-5335.

59. Lee S.W. et al. Microstructural characteristics of AZ31 alloys rolled at room and cryogenic temperatures and their variation during annealing / Journal of Magnesium and Alloys, Vol. 8, № 2, 2020. - P. 537-545.

60. Роговой, А. А. Численное исследование термомеханического поведения и эволюции микроструктуры заготовки из никелевого сплава в процессе ее осадки / А. А. Роговой, Н. К. Салихова // Вычислительная механика сплошных сред, 14(2), 2021. - C. 177-189.

61. Churyumov, A.Y., Pozdniakov, A.V. Simulation of Microstructure Evolution in Metal Materials under Hot Plastic Deformation and Heat Treatment / Phys. Metals Metallogr. 121, 2020. - P. 1064-1086.

62. Lee, S.C. Densification behavior of aluminum alloy powder under cold compaction / Lee, S.C., Kim, K.T. // International Journal of Mechanical Sciences. - 2002. - 44(7). - P. 1295-1308.

63. ГОСТ 18318-94. Порошки металлические. Определение размера частиц сухим просеиванием.

64. ГОСТ 19440-94. Порошки металлические. Определение насыпной плотности.

65. ГОСТ 25279-93. Порошки металлические. Определение плотности после утряски.

66. ГОСТ 25280-90. Порошки металлические. Метод определения уплотняемости.

67. Андриевский, Р.А. Порошковое материаловедение /Р.А. Андриевский М.: Металлургия, 1991. - 208 с.

68. Колбасников Н.Г., Безобразов Ю.А. Влияние температуры правки готового проката на конечные свойства труб большого диаметра // Глобальная энергия. 2014. №1 (190).

69. Барышников М.П., Ишимов А.С., Барышникова А.М. Физическое и математическое моделирование реологических свойств в процессах горячей пластической деформации с учетом динамической рекристаллизации с использованием комплекса Gleeble 3500 // Заготовительные производства в машиностроении. 2019. Том 17. № 6

70. Третьяков А. В., Зюзин В. И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. Справочник. 2-е изд. М.:«Металлургия», 1973, 224 с.

71. Фук Д.В, Цеменко В.Н, Ганин С.В. Моделирование процесса осадки порошкового материала в оболочке // Глобальная энергия. 2015. №3 (226).

72. Петров А.А., Сперанский К.А. Магниевые сплавы: перспективные отрасли применения, преимущества и недостатки (обзор). Часть 2. Механизм деформации и анизотропия механических свойств магниевых сплавов // Труды ВИАМ. 2021. №11 (105).

73. Матвеев Михаил Александрович Оценка вероятности разрушения металла при горячей пластической деформации с помощью критерия Кокрофта — Латама // Глобальная энергия, №2, 2017. - С.109-126.