Влияние параметров процессов TMO и TMXO на пластическую деформацию
Деформацию углеродного материала в процессе TMO исследовали при прессовании в матрицу углеродной шихты, состоящей из частиц прокаленного кокса КНПС размерами (-0,16)+(+ 0,08) мм и (-0,063)+(+ 0,04) мм (фракции +0,08 и +0,04 мм соответственно). Деформацию определяли по величине усадки столба углеродной шихты в процессе прессования.
Зависимость относительной линейной усадки столба шихты от времени изотермической выдержки для всех исследованных температур имеет вид, характерный для кривых ползучести (рис. 8.1). Каждая кривая состоит из трех участков: мгновенной деформации, неустановившейся и установившейся ползучести. Мгновенная деформация вносит основной вклад в суммарную величину усадки углеродной шихты. На этом участке усадка осуществляется в основном в результате оптимальной укладки ее частиц. Два последующих этапа связаны с пластической деформацией частиц кокса, что подтверждается данными микроструктурного анализа.
Зависимость относительной усадки шихты от температуры прессования имеет вид прямой для обеих исследованных нами фракций (рис. 8.2). Однако относительная усадка шихты из фракции +0,08 мм при температурах 1800—2400 °С выше, чем у шихты из фракции +0,04 мм. При 2600—2800 °С картина изменяется на противоположную. По-видимому, это связано с тем, что фракция +0,08 мм (по данным микроструктурного анализа) обогащена частицами, имеющими изометрическую форму. На стадии мгновенной деформации происходит более плотная упаковка таких частиц.
Вклад пластической деформации частиц в общую величину усадки столба шихты примерно одинаков для обеих фракций вплоть до температуры 2400 °С. При температурах выше 2600 °C частицы размером (-0,063)+(+0,040) мм деформируются сильнее, о чем свидетельствуют также данные микроструктурного анализа.
Деформацию шихты, содержащей 83 % кокса КНПС фракции — (-0,063)+(+0,040) мм и 17 % карбида циркония, исследовали в тех же условиях. Зависимость относительной усадки шихты от времени изотермической выдержки и температуры процесса TMXO представлена на рис. 8.3. Характер кривых Al/l = f(т) с введением в шихту карбида циркония не изменяется.
Влияние карбида циркония на относительную деформацию шихты начинает проявляться при 2000 °С. Величина относительной усадки шихты при TMXO начиная с этой температуры значительно выше, чем при ТМО. Особенно резкое увеличение относительной деформации наблюдается при 2600 °С.
Зависимость величины относительной усадки от давления прессования исследовали в процессе TMXO при 2400 и 2600 °С (см. рис. 8.3, б). Относительная усадка при 2400 °C прямо пропорциональна прилагаемому давлению 10—40 МПа. При 2600 °С линейная усадка шихты пропорциональна прилагаемому давлению только до 30 МПа.
Результаты проведенных экспериментов позволили оценить энергию активации процесса уплотнения углеродной шихты при термомеханической и термомеханохимической обработках. Для определения энергии активации процесса использовали метод, обоснованный Ф. Зайтцем, Дж. Холлмоном и Л. Джаффе, Т. Фишером и Г. Мак-Грегором. В качестве параметра, характеризующего уплотнение шихты, принята величина относительной усадки столба шихты Al/l в зависимости от времени изотермической выдержки. Эти величины связаны следующим выражением:
где Al/l - относительная усадка столба шихты; т — время; n — коэффициент, определяющий изменение механизма деформации с изменением плотности; А — постоянная; Q — энергия активации; R — газовая постоянная; T — температура прессования.
Прологарифмировав уравнение (8.1), получают
Однако такая запись уравнения (8.2) справедлива только в случае постоянства относительной плотности столба шихты, а следовательно, и параметра Al/1. Это связано с тем, что скорость уплотнения пористого тела при постоянном давлении представляет собой функцию не только температуры, но и пористости.
Энергию активации определяли по углу наклона прямых в координатах lgr = f(1/7) при постоянном значении величины lg(Al/l). Для нахождения lgr, при котором относительная плотность материала имеет одинаковые значения при различных температурах прессования, был построен график в координатах lg(Al/l) = f(lgт); затем графически определено значение логарифма времени при Al/l = const.
Пример расчета энергии активации приведен для случая прессования частиц кокса КНПС размером (-0,063)+(+0,040) мм (рис. 8.4, 8.5). Обработка результатов эксперимента методом наименьших квадратов позволила получить значения величин энергии активации процесса деформации при TMO и TMXO (табл. 8.1)
Значения величин энергий активации процесса деформации кокса КНПС хорошо коррелируют со значениями энергий активации процесса графитации. Это дает основание говорить о идентичности физического механизма указанных процессов.
Величины энергий активации процесса деформации при TMXO выше, чем при ТМО. Наибольшая разница в значениях энергии активации наблюдается при высоких температурах. Существенная разница в значениях энергий активации свидетельствует о различном характере механизмов деформации при TMO и ТМХО.
Таким образом, проведенные исследования показали, что присутствие карбида циркония при TMXO значительно повышает величину относительной деформации по сравнению с процессом ТМО. Наблюдается резкое увеличение относительной деформации при температуре 2600 °С.
