способ взрывного прессования порошков

Формула изобретения

1. СПОСОБ ВЗРЫВНОГО ПРЕССОВАНИЯ ПОРОШКОВ, включающий последовательное расположение слоев инертного материала, взрывчатого вещества, порошка и последующую обработку взрывом, отличающийся тем, что толщина слоя инертного материала составляет более половины толщины слоя взрывчатого вещества, плотность инертного материала превосходит плотность взрывчатого вещества, взрывчатое вещество располагают с зазором к инертному материалу, причем толщина зазора не превышает десяти толщин взрывчатого вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зазор заполняют невзрывчатым веществом с меньшим ударным импедансом, чем ударный импеданс инертного материала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что зазор заполняют дополнительным взрывчатым веществом с меньшей скоростью детонации по отношению к основному взрывчатому веществу.

4. Способ по. пп. 1 3, отличающийся тем, что обработку порошка взрывом производят через слой дополнительного инертного материала, расположенного между взрывчатым веществом и порошком.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к использованию взрывчатых веществ для прессования порошков.

Целью обработки является получение высокоплотных изделий из различных порошков, нанесение покрытий из порошковых материалов. Изобретение может быть применено в различных областях промышленности и использовано для производства массивных и прочных изделий из металлических, керамических, аморфных порошков, материалов с полезными физическими, например, магнитными, износостойкими свойствами.

Известна цилиндрическая схема прессования порошков, в которой прессуемый порошковый материал помещается в контейнер и окружается слоем взрывчатого вещества. Все материалы устанавливаются коаксиально. Рассмотрим поведение материальных частиц, находящихся в сечении, перпендикулярном оси симметрии.

Детонационная волна, распространяющаяся по слою взрывчатого вещества в направлении оси симметрии системы, создает сходящуюся ударную волну в пористом материале, которая, двигаясь к центру и отражаясь, формирует другую, отраженную расходящуюся ударную волну с давлением более чем в два раза превышающем начальное. Эта ударная волна еще более увеличивает плотность прессовки, которая может превышать теоретическую плотность в нормальных условиях, если давление и продолжительность импульса сжатия достаточно велики.

После выхода отраженной ударной волны на границу раздела с низкоплотными газообразными продуктами детонации в спрессованном образце формируется волна разряжения, распространяющаяся в направлении центральной оси. Таким образом, ввиду спада давления на свободной поверхности контейнера из-за быстрого разлета продуктов детонации, а также из-за значительных давлений в центральной части образца возникает большой градиент давления от свободной поверхности к центру. Материал начинает расширяться с увеличением радиальной составляющей скорости, направленной от центра. Первыми в такое движение вовлекаются периферийные зоны образца вместе с распространением вовнутрь волны разряжения.

Достигнув состояния, когда давление и плотность близки к нормальным, материал в силу инерции продолжает свое радиальное расширение, приводящее к возникновению растягивающих напряжений и, как следствие, к возможному появлению трещин.

Предложено использовать высокоплотный материал снаружи от взрывчатого вещества для увеличения продолжительности импульса сжатия до времен, превышающих 10 мкс. Причины эффективности предлагаемого метода заключаются в создании условий для установления теплового равновесия между частицами ввиду охлаждения и затвердевания их поверхностей и, следовательно, в увеличении прочности прессовки до появления опасных растягивающих напряжений и в более плавном снижении давления от продуктов детонации на поверхности прессовки из-за противодействия высокоплотного материала, окружающего взрывчатое вещество, что несколько снижает мощность волны разгрузки, однако не изменяет качественной картины процесса.

С практической точки зрения трудности возникают при получении массивных изделий из твердых порошков, например керамических или аморфных. Такие вещества требуют с одной стороны более высоких давлений по сравнению, например, с металлами из-за значительных микротвердостей, с другой стороны увеличение давлений прессования при использовании, например, высокоскоростных взрывчатых веществ приводит к более мощным волнам разгрузки, разрушающим образец из-за его хрупкости.

По этим причинам предлагается для получения керамических образцов без трещин использовать взрывчатые вещества с низкой скоростью детонации, что ограничивает сверху область применяемых давлений и, как следствие, приводит к значительным пористостям получаемых изделий и ухудшению многих полезных физических свойств материала.

С целью предотвращения разрушения аморфных образцов в волнах разгрузки предлагается использовать взрывчатые вещества со скоростью детонации до 3 км/с для прессования в цилиндрической схеме.

Известна схема двухсторонней обработки плоского образца, при которой после прихода и отражения первой ударной волны в образце возникает вторая ударная волна, генерируемая ударником, расположенным с противоположной стороны. Эта ударная волна достигает образца до прихода первой волны разгрузки со свободной поверхности. Однако данный способ нетехнологичен, не предотвращает волны разгрузки от противоположной поверхности и не позволяет получать массивные изделия.

Наиболее близким к изобретению является способ, где используется передаточная среда, находящаяся в зазоре между двумя трубками, расположенными между взрывчатым веществом и порошком. Такая схема приводит к многократному отражению ударных волн в передаточной среде и нагружению исследуемого материала серией волн сжатия, что улучшает качество прессовок, однако эта схема трудоемка для применения в промышленности и не позволяет эффективно преодолеть трудности, связанные с разлетом продуктов детонации и с волной разряжения в прессовке.

Данным техническим решением процесс сжатия создается таким образом, чтобы к поверхности разгрузки до появления опасных растягивающих напряжений была приложена дополнительная нагрузка в виде ударной волны, распространяющейся через газообразные продукты детонации внутрь образца и, как следствие, предотвращающей его разрушение.

Данная схема реализуется следующим образом. Инертный материал и взрывчатое вещество находятся с зазором друг к другу. Продукты детонации расширяются со свободной поверхности сразу после прохождения фронта детонации в направлении инертного материала. Известно, что при косом сверхзвуковом соударении струи газа по другому веществу в точке соударения образуется наклонная ударная волна, разворачивающая газовую струю и двигающаяся от точки соударения вглубь газового потока. Далее сформированная ударная волна достигает поверхности скомпактированного материала до появления опасных растягивающих напряжений и образует преломленную ударную волну в прессовке.

Известно, что массовая скорость вещества имеет разрыв на фронте ударной волны. В данном случае, когда прессуемое вещество движется от оси симметрии, а ударная волна сходящаяся, происходит скачкообразное уменьшение радиального расширения. Радиальная компонента скорости становится значительно меньше. В некоторых случаях возможно даже повторное сжатие материала, однако давление в формируемой волне много меньше, чем в первой волне прессования и обрабатываемый материал уже имеет плотность, близкую к теоретической. Следовательно, повторное нагружение прессовки не приведет к появлению трещин. Таким образом, данный способ предотвращает появление опасных растягивающих напряжений и сохраняет целостность изделия.

Эта ударная волна должна достигать поверхности компакта. При малом удельном весе инертного материала по отношению к взрывчатому веществу или при малой толщине инертного материала или при большой величине зазора сформированная ударная волна постепенно затухает при ее продвижении по продуктам детонации и не достигает поверхности прессовки.

Установлено, что ударная волна в продуктах детонации достигает поверхности компакта, если толщина инертного материала превосходит половину толщины взрывчатого вещества и плотность инертного материала превосходит плотность взрывчатого вещества и толщина зазора не превышает десяти толщин взрывчатого вещества. Если же толщина инертного материала менее половины толщины взрывчатого вещества или плотность инертного материала меньше плотности взрывчатого вещества или толщина зазора более десяти толщин взрывчатого вещества, то эта ударная волна либо затухает, не достигнув поверхности прессовки, либо ее влияние на процесс разгрузки прессовки очень мало.

Предлагаемый способ позволяет, например, получать массивные изделия из хрупких материалов, а также использовать мощные взрывчатые вещества в цилиндрических схемах без образования трещин в прессовке.

П р и м е р 1. Порошок карбида кремния (SiC) помещают в цилиндрический металлический контейнер. В центральной части контейнера устанавливают медный стержень для предотвращения маховского отражения ударных волн в обрабатываемом порошке. Контейнер окружают слоем взрывчатого вещества толщиной 4 мм со скоростью детонации 7,6 км/с и плотностью 1,6 г/см. Вокруг взрывчатого вещества с зазором величиной 4 мм располагают цилиндр из стали с плотностью около 7,8 г/см, скоростью звука 4,6 км/с и толщиной 6 мм. После взрыва получен образец в виде свободного от трещин цилиндра с наружным радиусом около 20 мм, внутренним 5 мм и плотностью около 97% от теоретической.

П р и м е р 2. То же как в примере 1, с той лишь разницей, что зазор заполняют тем же самым взрывчатым веществом. После взрыва найдены более десятка подобных осколков прессуемого материала.

П р и м е р 3. То же как в примере 1, с той лишь разницей, что вместо зазора располагают стальной цилиндр толщиной 4 мм. Результаты аналогичны примеру 2.

Существуют различные модификации предлагаемого способа. Например, зазор может быть заполнен другим инертным материалом с меньшим ударным импедансом, определяемым как произведение начальной плотности и скорости ударной волны в материале. Известно, что при переходе ударной волны из среды 1 с меньшим ударным импедансом в среду 2, образуется отраженная ударная волна в среде 1. Далее, отраженная ударная волна в дополнительном инертном материале, дойдя до границы раздела с продуктами детонации, формирует в них ударную волну, предотвращающую разрушение прессовки.

П р и м е р 4. То же, как в примере 1, с той лишь разницей, что зазор заполняется водой, имеющей плотность 1 г/см и скорость звука около 1 км/с. Плотность полученной прессовки превосходит 98% от теоретической.

П р и м е р 5. То же, как в примере 4, с той лишь разницей, что между взрывчатым веществом и порошком помещают слой резины для улучшения качества поверхности прессовки.

Определение начальных геометрических и физических параметров, при которых данная схема ударно-волнового взаимодействия осуществима, очень сложная задача, зависящая более чем от десяти параметров процесса. В некоторых случаях существование схемы регулярного отражения невозможно и образуется маховская головная ударная волна.

Аналогичные рассуждения и соответствующая им схема реализуется в способе, когда зазор заполняется другим взрывчатым веществом с меньшей скоростью детонации. В этом случае в дополнительном взрывчатом веществе образуется косая детонационная волна, отражение которой от инертного материала и приводит к формированию ударной волны, движущейся по продуктам детонации к прессовке. Здесь также возможно нерегулярное отражение, но детонационной волны.

П р и м е р 6. То же, как в примере 1, с той лишь разницей, что зазор заполняется аммонитом 6ЖВ, имеющим скорость детонации около 1 км/с. Результат примерно такой же как и в примере 4.

Из приведенных примеров следует, что предлагаемый способ качественно изменяет процесс разгрузки и позволяет предотвратить появление трещин в порошковых материалах при их взрывном прессовании.

Данный способ может быть также применен в другой, например плоской геометрии с двухсторонней нагрузкой порошков или при расположении порошков на металлической подложке. В обоих случаях в прессуемом материале образуется отраженная ударная волна, которая после выхода на свободную поверхность прессовки также формирует волну разряжения и может приводить к образованию трещин.