научная статья по теме ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЕРЕРАБОТКИ СТРУЖКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЕРЕРАБОТКИ СТРУЖКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ»

цветные металлы

УДК 621.771:621.777

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЕРЕРАБОТКИ СТРУЖКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

© Загиров Николай Наильич, канд. техн. наук; Сидельников Сергей Борисович, д-р техн. наук; Лопатина Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук

ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». Россия, г. Красноярск. E-mail: sbs270359@yandex.ru; eslopatina@mail.ru Статья поступила в окончательном виде 08.06.2011 г.

Изложена методология и приведены технологические схемы переработки сортного вторичного сырья цветных металлов и сплавов в виде сыпучей стружки, минуя ее переплав. Рассмотрены особенности технологии получения деформированных полуфабрикатов из композиционных стружковых материалов на основе сплавов алюминия и меди с применением операций брикетирования, дискретного и непрерывного прессования, а также холодной прокатки или волочения. Приведен пример реализации одной из предложенных схем для производства сварочной проволоки из стружки сплава АК12, даны механические характеристики полученных деформированных полуфабрикатов.

Ключевые слова: цветные металлы и сплавы; технологическая схема; сортная сыпучая стружка; проволока; брикетирование; прессование; волочение; структура; механические свойства.

В условиях рыночной экономики для многих

отраслей промышленности основной проблемой и одновременно задачей продолжает оставаться создание конкурентоспособной металлопродукции. При этом заметная роль в обеспечении высокого уровня физико-механических свойств и приемлемой себестоимости металлоизделий отводится технологиям их производства. Современные тенденции их развития связаны с экономией материальных ресурсов путем наиболее полного и комплексного использования существующих источников сырья, изыскания новых нетрадиционных его видов и с организацией на их базе малоотходных производств [1].

Уровень развития науки и техники требует разработки новых материалов для различных отраслей промышленности, обеспечивающих достаточно стабильный уровень эксплуатационных свойств изделий и минимизирующих применение дорогостоящих материалов, а также создания принципиально новых технологий их производства с использованием современных научных достижений, в частности, в области наноиндустрии.

В этой связи особый интерес представляют композиционные или структурно-неоднородные материалы, изготовление которых базируется на консолидации различного рода дискретных сред с определенным сочетанием компонентов в твердой фазе. Основу таких материалов должны составлять сортные сыпучие стружковые отходы, образующиеся при обработке изделий на металлообрабатывающих станках и агрегатах. Термин «сортные» в целом характеризует стружковые от-

ходы цветных металлов и сплавов по видам, засоренности и размерам, хотя и предполагает некоторую произвольность форм, размеров и свойств частиц. Обязательным в этом случае является выполнение критериев достоверности и определенности химического состава исходного сырья, а также степени чистоты поверхности частиц по загрязнениям особого рода, которые обычно не учитываются при соблюдении общих требований по химическому составу. Особенно это относится к материалам с сильно развитой удельной поверхностью - типа металлических опилок.

Перед переработкой стружку в обязательном порядке проверяют на засоренность неметаллическими материалами, которая осуществляется в соответствии с ГОСТ 28053-89. Если расчетные показатели превышают допустимые, стружку либо подвергают дополнительной обработке путем промывки в водяном содовом растворе определенной концентрации, либо полностью отказываются от ее переработки по предлагаемой технологической схеме (рис. 1).

Разработка материалов с ультрамелкой зерен-ной структурой связана с осуществлением технологий термической и деформационной обработки стружки, обеспечивающих формирование наноф-рагментов в твердой матрице. Существенная роль в формировании необходимых структуры и уров- ° ня свойств получаемых из стружки изделий отво- ^ дится реализуемой технологической схеме, включающей в себя этапы брикетирования, спекания, £

с;

дополнительных процессов горячей и холодной 5 пластической деформации, а также термообра- г

ботки. В совокупном виде они должны обеспечить как заданную организацию движения макропотоков металла, связанную с развитием значительных деформаций сдвига, так и интенсификацию процессов, характерных для протекания механически активируемой тепловой диффузии, а также диффузии, обусловленной генерацией и перемещением неравновесных дефектов. При этом уменьшение объемного содержания пор вызывается, главным образом, изменением относительного положения контактирующих микрообъемов материала, сопровождающимся интенсивными сдвиговыми деформациями по контактирующим поверхностям деформируемых частиц и внутренним сдвигом в деформируемом материале. При такой деформации создаются благоприятные условия для разрушения и диспергирования поверхностных оксидных пленок, обнажения ювенильных поверхностей в зоне пор и на поверхностях отдельных частиц, а также для образования на этих поверхностях узлов схватывания. Роль высокотемпературного нагрева, помимо снижения общего уровня прочностных характеристик частиц компактируемого материала, дополнительно сводится к растворению, разложению и перекристаллизации компонентов, а также развитию диффузионных процессов.

Для схватывания (соединения) частиц дискретной среды при термодеформационной обработке можно предположить следующую постадийную последовательность развития кон-

тактных явлений: механическое соприкосновение частиц, физический контакт, активация поверхностей, образование химических связей.

В идеальном случае любой контакт двух частиц, прежде чем он перейдет от механического соприкосновения к химическому соединению, должен пройти все эти стадии. Однако на практике, что вполне естественно, этого не наблюдается, т.е. в любой момент времени могут существовать все виды межчастичных контактов, причем преобладающим будет тот, который характерен для конкретного этапа технологической цепочки. Кроме того, вид межчастичных контактов при выполнении одной и той же операции технологической схемы существенно зависит от геометрических и механических характеристик частиц стружки, а также от значений параметров осуществления самих операций. В некоторых случаях на ранних этапах обработки не обязательно добиваться перехода от одной стадии схватывания к другой. Это объясняется тем, что даже частицы одной природы, а также одинаковых размеров и формы, в силу особенностей технологий, используемых для их изготовления, имеют заметные различия в физических и механических свойствах. Это касается и тех случаев, когда рассматриваются композиции, состоящие из компонентов с резко различающимися свойствами, не предполагающие молекулярного и химического взаимодействия между частицами.

Рис. 1. Общая технологическая схема получения продукции на основе переработки стружки цветных металлов и сплавов

Из вышесказанного следует, что для получения изделий из композиционных стружковых материалов не существует единого универсального варианта осуществления технологического процесса (цепочки технологических операций), предполагающего к тому же использование однотипного оборудования и приемов, характерных, например только для процессов порошковой металлургии. Для разработки и опробования такого рода технологий следует использовать комплексный подход, подразумевающий всесторонний последовательный анализ потенциальных возможностей решения конкретных задач каждой из включенных в схему операций, а также оценку экономически целесообразных путей практической их реализации.

Технологический процесс получения продукции из композиционных стружковых материалов в общем случае включает в себя стадии, показанные на схеме (см. рис. 1). Каждая из представленных на схеме стадий характеризуется определенными средствами воздействия на те или иные особенности макро- и микростроения в деформируемом материале, поэтому свой законченный вид она в каждом конкретном случае приобретает

только после проведения соответствующего широкомасштабного полнофакторного эксперимента. При этом практическое воплощение основных технологических операций носит вариативный характер, что обусловлено видом и спецификой обрабатываемого материала, размерами и конфигурацией получаемых изделий, уровнем достигаемых механических свойств и рядом других факторов.

На рис. 2 представлены некоторые варианты конкретной реализации укрупненной общей схемы для получения изделий круглого поперечного сечения на основе переработки сыпучей стружки алюминиевых и медных сплавов, которые прошли практическую апробацию в лабораторных условиях кафедры ОМД Института цветных металлов и материаловедения СибФУ.

Как следует из приведенных на рис. 2 схем, измельчение стружки каким-либо способом и получение из нее дисперсных порошков с заданными химическими и физико-технологическими свойствами ни по одному из вариантов не предусмотрено. Это объясняется тем, что, как известно, при измельчении стружки в порошок оксиды, присутствующие в ней в виде относительно легко

Рис. 2. Технологические

схемы получения изделий из стружковых материалов, апробированные в лаборатории кафедры ОМД ИЦМиМ СФУ

удаляемых тонких пленок на поверхности частиц, переводятся в высокодисперсное состояние, равномерно распределяются по всему объему, в том числе закупориваются внутри частиц порошка, т.е. переводятся в кинетически трудновосстановимую форму. Процесс измельчения стружки на промышленном размольном оборудовании всех видов осуществляется при комнатной температуре на воздухе или в жидких средах, содержащих растворенный кислород воздуха. Поэтому продукт дополнительно окисляется, и содержание кислорода в порошке на порядок и более превышает его содержание в стружке.

Кроме того, большинство металлов и сплавов, стружка которых требует измельчения, проявляют себя в процессе измельчения как пластичные. В результате частицы измельченного материала оказываются сильно наклепанными, выход годных фракций составляет 40-70%.

Нагрев стружки перед брикет

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком