Способ брикетирования металлической стружки

Изобретение относится к области брикетирования металлической стружки и может быть использовано при изготовлении брикетов для дальнейшей переработки, например, ковкой или электрошлаковым переплавом. Стружку измельчают, прессуют и осуществляют электроразрядное спекание с одновременным воздействием сжимающего давления. При этом величину сжимающего давления при прессовании варьируют от 0,06 до 0,15 предела прочности исходного брикетируемого материала, количество импульсов варьируют от 2 до 8. Продолжительность одного импульса устанавливают от 0,5 до 2,0 с, продолжительность промежутка между двумя отдельными импульсами - от 0,2 до 1,0 от продолжительности импульса, а суммарная продолжительность импульсов - от 1 до 16 с. Удельную энергию, подведенную при электроразрядном спекании, определяют по формуле Е_уд= к · Т_пл · С, где к - коэффициент, выбранный в пределах от 0,6 до 0,95; Т_пл - температура плавления металла, К; С - удельная теплоемкость, кДж/(кг·К). Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат и повышение прочностных характеристик брикетов. 4 табл.

 

Изобретение относится к области брикетирования металлической стружки и может быть использовано при изготовлении брикетов для дальнейшей переработки, например, ковкой или электрошлаковым (ЭШП) переплавом.

Известны способы брикетирования металлической стружки с использованием пропускания электрического тока через брикетируемый материал.

Например, в способе [1] используется воздействие импульсным током плотностью до 2000 кА/см², продолжительностью от 2 до 20 мкс. К недостаткам этого способа следует отнести значительный локальный перегрев материала, обусловленный высокой плотностью тока, приводящий к образованию микродефектов в виде сквозных отверстий, что ухудшает механические характеристики получаемого брикета.

В способе [2] используется суперпозиция постоянного тока плотностью 0,4 кА/см² и переменного тока плотностью 0,1 кА/см², частотой 2 кГц в течение 60 с. Недостатком способа является высокая остаточная пористость (до 15-20)%, вызванная недостаточной интенсивностью подвода энергии.

В качестве прототипа принят способ брикетирования, включающий измельчение стружки, ее прессование, печное и электроразрядное спекание (ЭРС) путем пропускания через материал брикета постоянного электрического тока плотностью 2-3 кА/см² в течение 20 - 30 с при одновременном воздействии сжимающего давления 200-300 МПа [3].

К недостаткам прототипа относятся: большой расход энергии 1500-2000 кДж/кг и 7500-8000 кДж/кг для брикетов из стальной и титановой стружки соответственно и низкая величина прочностных характеристик.

Техническим результатом изобретения является разработка способа брикетирования металлической стружки, обеспечивающего снижение энергозатрат и повышение прочностных характеристик материала.

Технический результат достигается за счет того, что в способе брикетирования металлической стружки, включающем измельчение стружки, ее прессование и электроразрядное спекание с одновременным воздействием сжимающего давления, согласно изобретению сжимающее давление при прессовании варьируют от 0,06 до 0,15 предела прочности исходного брикетируемого материала, количество импульсов варьируют от 2 до 8, продолжительность одного импульса от 0,5 до 2 с, продолжительность промежутка между двумя отдельными импульсами от 0,2 до 1 продолжительности импульса, при этом суммарная продолжительность импульсов составляет от 1 до 16 с, а удельную энергию, подведенную при электроразрядном спекании, определяют по формуле

E_yд=к·T_пл.·C,

где к - коффициент, выбранный в пределах от 0,6 до 0,95;

Т_пл - температура плавления металла, К;

С - удельная теплоемкость, кДж/(кг·К).

В частности, суммарная энергия для сплавов на основе железа и титана варьируется в пределах 430-690 кДж/кг и 590-940 кДж/кг, соответственно.

В основе изобретения лежит использование неравномерности распределения температур по объему пористого материала при пропускании через него импульсного электрического тока. Наибольшая плотность тока и, соответственно, количество выделяемой энергии приходится на границы пор. В частности, для пор шаровой формы удельное выделение энергии, согласно теоретическим расчетам, в 4 раза превышает среднее по объему брикета. Нагрев способствует повышению уплотняемости брикета за счет снижения прочностных характеристик материала и повышения пластических характеристик.

Наличие сжимающего давления приводит к интенсивной деформации материала по границам пор, к увеличению площади контакта между частицами, повышению прочности и плотности материала брикетов, что очень важно при его дальнейшей переплавке.

Авторами предлагаемого технического решения установлен оптимальный диапазон сжимающего давления. Использование давления ниже 0,06 от предела прочности не приводит к заметной деформации материала. Использование давления свыше 0,15 от предела прочности приводит к неравномерной деформации, появлению трещин и снижению прочностных характеристик.

Воздействие импульсного электрического тока снижает суммарную потребляемую величину энергии на переплав брикета.

Использование импульса продолжительностью больше 2 секунд приводит к перераспределению тепла по всему объему материала и делает менее эффективным нагрев границ пор.

Использование импульса продолжительностью менее 0,5 секунд недостаточно для нагрева границ пор до температуры пластической деформации.

Подвод энергии менее 0,6Т_пл·С приводит к недостаточному нагреву граничных областей фрагментов стружечных металлических отходов (СМО).

Подвод энергии свыше 0,95Т_пл·С вызывает появление расслойных трещин вследствие неравномерности деформации металла и приводит к снижению прочностных характеристик и к перерасходу энергии.

Количество импульсов менее 2 неэффективно и недостаточно для повышения прочностных характеристик материала.

Использование более 8 импульсов приводит к перерасходу энергии и к снижению прочностных характеристик из-за образования микротрещин.

Промежуток между импульсами меньше 0,2 длительности импульса вызывает перегрев образца и перерасход энергии.

Промежуток между импульсами, превышающий длительность одного импульса, не обеспечивает нагрева границ между фрагментами частиц до температуры пластической деформации из-за рассеяния энергии в окружающее пространство.

Ниже приведены примеры реализации предлагаемого способа брикетирования металлической стружки.

Были исследованы образцы размером 55×10×10 мм, объемом 5,5 см из измельченных до размера меньше 3 мм фрагментов СМО трех составов из Ст3 ГОСТ 380, меди М2 ГОСТ 855 и титана ВТ1-2 ГОСТ 1987.

Измельченные фрагменты СМО были спрессованы при давлении 600 МПа, 300 МПа и 500 МПа, соответственно, и спечены при температуре 1000°C в диссоциированном аммиаке (сталь и медь) и в вакууме 0,133 Па (титан).

Определены основные характеристики материала брикетов: плотность по ГОСТ 18898, прочность по ГОСТ 1497, удельное электросопротивление (в соответствии с аттестованной методикой МВИ №26107.17.038/2009).

Напряжение, необходимое для подвода соответствующего количества энергии, рассчитывалось по формуле:

$$U=\sqrt{\frac{E_{уд}\cdot \rho \cdot \frac{\iota }{s}\cdot d\cdot v}{n\cdot \tau }}$$ , где:

U - напряжение, В,

Е_уд - удельная энергия, кДж/кг,

ρ - удельное сопротивление, Ом-м,

ι - длина образца, м,

s - площадь поперечного сечения образца, м²,

d - плотность образца, кг /м³,

v - объем образца, м,

n - количество импульсов, шт,

τ - продолжительность одного импульса, с.

Исходные данные для подсчета по формуле приведены в таблице 1.

Таблица 1
Результаты примеров реализации изобретения приведены в таблицах №2,3,4.
№	Материал	Исходные компоненты	Брикет
п/п	теплоемкость, кДж /(кг·К)	температура плавления, К	прочность, МПа	плотность, кг/м3	удельное сопротивление, мкОм·м
1	CT3 ГОСТ 380	0,473	1808	360	6400	0,36
2	Медь М2 ГОСТ 859	0,389	1356	160	7300	0,056
3	Титан ВТ1-2 ГОСТ 19807	0,595	1933	340	3700	1,66

Таблица 2
Пример реализации изобретения (Ст 3 ГОСТ 380)
Характерные признаки способа и полученные результаты	Предлагаемый способ	Сравнение с прототипом
нижнее значение	среднее значение	верхнее значение
Характерные признаки способа	Удельная энергия	кДж/кг	513	662	812	2400
	Коэффициент варьирования удельной энергии	-	0,6	0,78	0,95	-
	Подаваемое напряжение	В	1,89	0.88	0,59	0,82
	Сжимающее давление	МПа	22	38	55	250
	Количество импульсов	шт.	2	5	8	1
	Продолжительность одного импульса	с	0,5	1,2	2	25
	Промежуток между импульсами	с	0,1	1,0	2	-
Суммарная продолжительность импульса	с	1	6	16	25
Получаемые результаты	Плотность материала	кг/м3	7100	7300	7500	6800
Прочность растяжения	МПа	280	340	330	180

Таблица 3
Пример реализации изобретения (Медь М 2 ГОСТ 859)
Характерные признаки способа и полученные результаты	Предлагаемый способ	Сравнение с прототипом
нижнее значение	среднее значение	верхнее значение
Характерные признаки способа	Удельная энергия	кДж/кг	316	435	554	1880
	Коэффициент варьирования удельной энергии	-	0,6	0,78	0,95	-
	Подаваемое напряжение	В	0,61	0,29	0,20	0,29
	Сжимающее давление	МПа	96	60	24	200
	Количество импульсов	шт	2	5	8	1
	Продолжительность одного импульса	с	0.5	1	2	5
	Промежуток между импульсами	с	0.1	1	2	-
Суммарная продолжительность импульса	с	I	6	16	25
Получаемые результаты	Плотность материала	кг/м3	8200	8400	8500	7600
Прочность растяжения	МПа	128	147	144	86

Таблица 4
Пример реализации изобретения (Титан ВТ 1-2 ГОСТ 19807)
Характерные признаки способа и полученные результаты	Предлагаемый способ	Сравнение с прототипом
нижнее значение	среднее значение	верхнее значение
Характерные признаки способа	Удельная энергия	кДж/кг	690	851	1092	9280
	Коэффициент варьирования удельной энергии	-	0,6	0,78	0,95	-
	Подаваемое напряжение	В	3,58	1,66	1,12	2,39
	Давление сжатия	МПа	20	34	51	300
	Количество импульсов	шт.	2	5	8	1
	Продолжительность одного импульса	с	0,5	1	2	30
	Промежуток между импульсами	с	0,1	0,5	2	-
Суммарная продолжительность импульса	с	1	5	16	30
Получаемые результаты	Плотность материала	кг/м3	4000	4200	4300	3800
Прочность растяжения	МПа	260	323	306	166

Как следует из данных, приведенных в таблицах №2,3,4, использование параметров ЭРС, заявленных в изобретении, приводит к улучшению свойств материалов при уменьшении расхода энергии, по сравнению с прототипом, в 3-3,5 раз для СТЗ и в 8,5-12,5 раз для сплава на основе титана ВТ1-2 и в 3,4-5,4 для меди М2.

Увеличение параметров выше заявленных пределов приводит к перерасходу энергии и получению более низких характеристик материала брикетов.

Снижение параметров ниже заявленных пределов также приводит к снижению характеристик материала брикетов, склонности к осыпанию и поломкам, что недопустимо для использования при прецизионных методах переплавки.

Технико-экономический эффект характеризуется снижением энергозатрат при изготовлении брикетов.

Источники информации

1. Ю.И. Головин, В.М. Финкель, А.А. Слетков. В журнале «Физика и химия обработки материалов», №3, 1977 г., с.17-22.

2. А.И. Райченко, М.З. Кольчинская, Д.А. Левин. В Сб. «Порошковая металлургия», Рига, Лат.Инти, 1975 г., с.124-126.

3. В.П. Курочкина, М.В. Романовский, В.П. Пупынин. В кн. «Основные конструкционные материалы». Труды Всесоюзного семинара по спеченным конструкционным материалам, стр.45-50. Киев, апрель 2005 г. - прототип.

Способ брикетирования металлической стружки, включающий измельчение стружки, ее прессование и электроразрядное спекание с одновременным воздействием сжимающего давления, отличающийся тем, что величину сжимающего давления при прессовании варьируют от 0,06 до 0,15 предела прочности исходного брикетируемого материала, количество импульсов варьируют от 2 до 8, при этом продолжительность одного импульса устанавливают от 0,5 до 2,0 с, продолжительность промежутка между двумя отдельными импульсами - от 0,2 до 1,0 от продолжительности импульса, при этом суммарную продолжительность импульсов устанавливают от 1 до 16 с, а удельную энергию, подведенную при электроразрядном спекании, определяют по формуле Е_уд= к · Т_пл · С,
где к - коэффициент, выбранный в пределах от 0,6 до 0,95,
Т_пл - температура плавления металла, К,
С - удельная теплоемкость, кДж/(кг·К).