ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2013
УДК 621.762.22
© 2013 г. Рева В.П., Онищенко Д.В.
МЕХАНОХИМИЧЕСКОЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ МЕТАЛЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ ДЕСТРУКТИРУЕМОГО ПОЛИМЕРА
Измельчение металлической стружки в присутствии механически деструктируе-мого высокомолекулярного соединения способствует интенсификации процесса диспергирования и пластифицированию металла, сопровождается протеканием восстановительных реакций и десульфоризацией дисперсного металла.
Интенсивное развитие приоритетных отраслей машиностроения, радикальное увеличение объема производства и потребления жаропрочных и высокопрочных сталей, автоматизация процессов обработки резанием с каждым годом выдвигают все большие требования к высоким механическим и технологическим характеристикам режущего инструмента. Поставленную задачу можно решить путем значительного увеличения объема производства комплексно легированных быстрорежущих сталей. Однако, возможности повышения механических свойств сталей только за счет легирования уже недостаточны. Применение технологий порошковой металлургии для получения быстрорежущих сталей открывает перспективы как в области утилизации отходов металлообработки, так и для повышения эксплуатационных свойств порошковых сталей [1, 2].
Обработка металлов резанием является ключевым и наиболее применяемым в промышленности процессом размерной обработки деталей. Точность и чистота поверхности деталей машин в большинстве случаев обеспечиваются только обработкой резанием на металлорежущих станках, при этом в металлообрабатывающих производствах ежегодно накапливаются миллионы тонн стружки. Традиционным способом рециркуляции стружки является переплав, но при этом угорает около 30% металла, прежде всего, легирующих элементов. В отличие от переплава, механохимическая технология не приводит к потере дефицитных легирующих элементов.
Размол вязкоупругих тел и металлов требует больших энергетических затрат, поэтому его осуществляют с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Применение ПАВ обусловлено необходимостью предотвращения интенсивного агрегатирования высокоактивных частиц и ускорения процесса измельчения. Использование жидких ПАВ не позволяет полностью исключить окисление измельчаемого материала. Этому способствует нагрев смеси до 60—80°, наличие воды и растворенный в ПАВ кислород, а также воздух, имеющийся в рабочем пространстве измельчительного оборудования. По окончании процесса измельчения поверхностно-активные вещества приходится удалять сушкой и возгонкой, поэтому существует необходимость изыскать такие вещества, которые не характеризовались бы приведенными недостатками. При диспергировании металл необходимо освобождать и от вредных примесей — кислорода и серы.
В качестве механически деструктируемых органических веществ, облегчающих диспергирование металла, можно использовать твердофазные высокомолекулярные соединения. В условиях вибрационной обработки они подвергаются механодеструк-
Марка
Содержание химических элементов, %
материала C W Cr Ni V Mo Mn Si S, < P, < Fe
Стружка стали Р6М5 0,82-0,90 5,5-6,5 3,8-4,4 <0,4 1,7-2,1 5,0-5,5 0,4 0,5 0,03 0,035 ост.
ции с образованием летучих (мономеров, свободных радикалов, водорода и других составляющих), которые активно участвуют в процессах диспергирования металла. Продукты механодеструкции высокомолекулярного соединения проникают в поверхностные микротрещины и на их гранях начинают происходить процессы полимеризации с образованием высокомолекулярного продукта, который стремится превзойти объем полости микротрещины. Однако выходу полимеризата препятствуют силы адгезии между ним и твердой поверхностью граней микродефекта, что приводит к резкому росту напряжений в тупиковой области микротрещины и продвижению фронта трещины в глубь металла. Кинетика развития трещины определяется скоростью меха-нохимических процессов и концентрацией продуктов механо- и термодеструкции, образующихся в механореакторе, в качестве которого выступает сама микротрещина [3].
Исходя из изложенного, целью настоящей работы являлось изучение механохими-ческих процессов, реализуемых при диспергировании "металл — полимерной системы".
Методика эксперимента. Размол стальной стружки (химический состав приведен в табл. 1) проводили в энергонапряженной вибромельнице [4], работающей при частоте колебаний контейнера 650, ..., 850 мин-1 и амплитуде 90 мм в присутствии твердофазного высокомолекулярного соединения.
Применяли эмульсионный полиметилметакрилат (ПММА) с молекулярной массой 600000 в количестве от 0,1 до 5 масс. %. Интенсивность измельчения (отношение массы исходных материалов к массе разламывающих шаров) составляла 1 : 20, время размола 3-40 мин. Перед измельчением стружку предварительно центрифугировали, затем промывали в бензине Б-70 и ацетоне, после чего просушивали при температуре 60-80° в течение 2 часов.
Рентгенографические исследования проводили на монокристальном дифрактомет-ре Bruker X8 APEX (Германия). Рентгенофазовый анализ был выполнен в автоматическом режиме с помощью базы данных порошковых дифракционных эталонов PDF-2.
Содержание кислорода в исследуемых порошках определяли по убыли их веса при прокаливании в водороде (ГОСТ 18897-98). Содержание углерода в металле определяли по количеству двуокиси углерода, образующейся при прокаливании полученного порошка в токе кислорода (ГОСТ 16412.7-80). Содержание серы в металле определяли в соответствии с методикой, описанной в ГОСТ 16412.5-91.
Температуру стенок механореактора в процессе размола фиксировали с помощью лазерного инфракрасного пирометра С-20.1.
Влияние ПАВ на степень измельчения стружкоотходов стали P6M5 оценивали по гранулометрическому составу получаемых порошков в соответствии с методикой, описанной в ГОСТ 18318-94.
Удельную поверхность порошков определяли по методу газопроницаемости на приборе Т-3.
Микротвердость порошков определяли на шлифах с помощью прибора ПМТ-3 по стандартной методике (ГОСТ 9450-76).
Результаты и их обсуждение. В качестве высокомолекулярной среды, способной подвергаться механодеструкции и генерировать низкомолекулярные активные компоненты, был выбран полиметилметакрилат, который характеризуется дефицитом связанного кислорода, является крупнотоннажным продуктом высокомолекулярной
Изменение удельной поверхности и размеров блоков мозаики порошковой быстрорежущей стали в зависимости от содержания полимера в обрабатываемой системе (время виброобработки 10 мин)
Характеристика Содержание ПММА, масс. %
0 0,5 1 2 3 4 5
Удельная поверхность £уд, м2/г 0,055 0,087 0,115 0,15 0,13 0,09 0,06
Размер блоков мозаики Б, А 1100 890 710 380 400 430 480
химии, обладает относительно низкой энергией активации термодеструкции 60 ккал/моль, а следовательно, и механодеструкции. Последнее обстоятельство ценно, так как в процессе диспергирования снижаются энергозатраты на механокрекинг органической среды. Принято считать, что загрязняющим компонентом в ПММА является мономер [5]. В данных условиях присутствие мономера не является вредным, так как последний активно участвует в процессах механокрекинга — механосинтеза и, тем самым, способствует диспергированию сплава. Такие вещества в условиях виброобработки подвергаются механокрекингу с образованием летучих (водорода, мономеров) и других составляющих [6]. Эти компоненты активно участвуют в процессах диспергирования металла. Продукты механокрекинга проникают в поверхностные трещины, формируя на гранях тонкие пленки и предотвращая их смыкание [3].
Исследовали эффективность применения механически деструктируемого полимера в качестве поверхностно-активного вещества при диспергировании стружки из быстрорежущей стали Р6М5. Для определения оптимального содержания полимера, необходимого для интенсификации процесса диспергирования стружкоотходов, исследовано изменение удельной поверхности порошка быстрорежущей стали в зависимости от концентрации ПММА в системе "стружка стали Р6М5 — полимер" (табл. 2). Максимальная удельная поверхность соответствует введению в стружку 2 масс. % ПММА, при дальнейшем увеличении содержания полимера последний выполняет роль демпфера, в результате чего происходит рассеивание подводимой механической энергии и, соответственно, снижение величины удельной поверхности.
Проявление демпфирующих свойств ПММА подтверждается результатами по определению величины кристаллических блоков (табл. 2). Видно, что введение в систему более 2 мас. % ПММА приводит к увеличению размеров кристаллических блоков. Однако во всем интервале концентраций полимер интенсифицирует процесс измельчения по сравнению с измельчением стружки без добавки ПММА.
Об этом же свидетельствуют и результаты по измерению температуры стенок меха-нореактора. Максимальная температура механореактора фиксируется при измельчении стружки стали Р6М5 совместно с 2 масс. % ПММА. Следовательно, при данной концентрации полимера уровень подводимой энергии к единичной частице диспергируемого металла также наибольший.
Окончательному выбору ПММА в качестве ПАВ предшествовали сравнительные испытания. Изучали диспергирующую способность этилового спирта, машинного масла, уайт-спирита и ПММА (рис. 1; q — суммарная доля фракции).
О диспергирующем действии веществ судили по изменению гранулометрического состава порошка через 12 минут виброобработки. Наилучший фракционный состав достигается при измельчении металла с 2 масс. % ПММА. Сравнительно высокое содержание доли крупных фракций связано с агломерацией высокодисперсных (менее 5 мкм) частиц металла.
При адсорбции поверхностно-активных веществ происходит ослабление связей поверхностных атомов с другими атомами, в результате чего облегчается образование зародышевых микротрещин. Адсорбционное понижение прочности тем сильнее, чем выше дефектность структуры. В присутствии ПАВ разрушение твердых тел происхо-
% 100
80
60
40
20
10
1,2 1,0
0,05 0,10 0,20 0,30 а, мм
6
12
18 т, мин
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 1. Гранулометрический состав порошка стали Р6М5 в зависимости от вида используемой поверхностно-активной среды: 1 — этиловый спирт; 2 — уайт-с
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.