способ импульсного прессования твердых порошковых материалов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ импульсного прессования твердых порошковых материалов, включающий загрузку порошка в разборную матрицу, сопряженную по конической поверхности с охватывающей ее обоймой и связанной стяжками, отличающийся тем, что при загрузке в рабочей полости матрицы размещают по меньшей мере с одной из торцевых сторон засыпанного порошка элемент для фиксации торцевой поверхности прессовки в виде одной или двух пластин, затем порошок уплотняют приложением импульсной односторонней нагрузки к верхнему пуансону при неподвижной подкладке или двусторонней нагрузки к верхнему и нижнему пуансонам с последующей выпрессовкой полученной заготовки из матрицы путем приложения стационарного усилия к верхнему пуансону и подкладке или верхнему и нижнему пуансонам вдоль оси прессования, освобождают стяжки, снимают обойму воздействием на матрицу усилием в направлении расширения конуса и на обойму в противоположном направлении, удаляют матрицу и снимают стационарное усилие.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при одностороннем прессовании в рабочей полости матрицы размещают одну пластину со стороны рабочего торца верхнего пуансона, а при двустороннем прессовании в матрице размещают две пластины со стороны рабочих торцов верхнего и нижнего пуансонов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что уплотнение проводят с предварительным вакуумированием и подогревом.

4. Устройство для импульсного прессования твердых порошковых материалов, содержащее разборную матрицу с наружной конической поверхностью, заключенную в сопрягающуюся с ней по конической поверхности обойму и связанную с помощью стяжек, прессующие элементы, выполненные в виде верхнего и нижнего пуансонов или прокладки, отличающееся тем, что оно снабжено фиксирующим торцевые поверхности спрессованной заготовки элементом, выполненным в виде одной или двух пластин из эластичного материала, толщина которых _фmin выбирается из условия

_фmin~(0,02-0,04)d_ф,

где d_ф минимальный поперечный размер пластины,

а обойма и подкладка при одностороннем прессовании или обойма и основание при двустороннем прессовании соединены жестко посредством стяжек.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что элемент для фиксации торцевой поверхности прессовки выполнен в виде одной пластины, расположенной со стороны рабочего торца верхнего пуансона при одностороннем прессовании или в виде двух пластин, расположенных со стороны рабочих торцов верхнего и нижнего пуансонов при двустороннем прессовании.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что пластина и подкладка со стороны укладки порошка и рабочая полость матрицы защищены антиадгезионным покрытием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам и устройствам для импульсного прессования различных твердых порошковых материалов, в том числе наноразмерных.

Известен способ прессования изделий из порошковых материалов, в котором импульсное давление генерируется с помощью импульсного магнитного поля.

Устройство для осуществления этого способа прессования включает пресс-форму, состоящую из поршня, обечайки, основания, жестко закрепленных направляющих колонн [1]

Известен способ динамического прессования в пресс-формах с использованием высоких импульсных давлений при высоких скоростях хода пуансона. Способ осуществляют в круглых пресс-формах с разборной матрицей и с матрицей, состоящей из сборных деталей щек, верхнего и нижнего пуансонов, обоймы и стяжек (гаек) [2, 3]

Этот способ и устройство для его осуществления приняты в качестве наиболее близких аналогов изобретения.

Цель изобретения увеличение выхода годных изделий и повышение плотности прессуемых заготовок.

Цель достигается тем, что в способе прессования твердых порошковых материалов при одностороннем или двухстороннем приложении усилия, включающем освобождение образца путем снятия обоймы с разъемной обечайки, осуществляют фиксацию верхней и нижней торцевых поверхностей спрессованной заготовки, а перед снятием обоймы с разъемной обечайки прикладывают стационарное усилие к верхнему поршню и наковальне или нижнему поршню по оси прессования и только после этого снимают обечайку. Затем снимают стационарное усилие.

Применение предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволяет увеличить выход годных изделий до 70 и повысить плотность прессуемых образцов из твердых керамических порошков до 85 что достигается возможностью использования высоких импульсных давлений.

На фиг. 1 показано устройство для способа импульсного прессования твердых порошковых материалов по схеме "поршень-наковальня"; на фиг. 2 устройство для способа по схеме "поршень-поршень"; на фиг. 3 работа фиксирующей пластины.

Пресс-форма, с помощью которой реализуется предлагаемый способ прессования по схеме одностороннего приложения нагрузки, состоит из разъемной обечайки 1, выполненной в виде усеченного конуса, обоймы 2, стягивающей обечайку, верхнего поршня 3, неподвижного нижнего поршня-наковальни 4, жестких стяжек 5, фиксирующей пластины 6, на поверхность контактирующих деталей наносится антиадгезионное покрытие 8.

Пресс-форма для способа прессования по схеме двустороннего приложения нагрузки состоит из разъемной обечайки 1, выполненной в виде усеченного конуса, обоймы 2, стягивающей обечайку, верхнего пуансона 3, нижнего пуансона-наковальни 4, жестких стяжек 5, фиксирующих пластин 6 и 6", неподвижной нижней плиты 7, на поверхность контактирующих деталей наносится антиадгезионное покрытие 8.

Обечайка 1 имеет вертикальные плоскости разъема.

Способ прессования по схеме одностороннего приложения нагрузки осуществляют следующим образом.

Обечайку 1, состоящую из трех одинаковых секторов, пришлифованных друг к другу широкой стороной конуса, размещают на наковальне 4. Снаружи на обечайку 1 надевают обойму 2 с внутренней конической поверхностью, притертой к поверхности обечайки 1, которая стягивает три сектора обечайки 1 в единое целое, формируя цилиндрический канал. Посредством стяжек 5, стягивающих обойму 2 и наковальню 4, обечайку 1 прижимают к наковальне 4 по оси конструкции. В образованную таким образом камеру укладывают порошок и закрывают его фиксирующей пластиной 6 из пластичного материала, после этого в камеру устанавливают поршень 3.

Толщину фиксирующей пластины _фmin выбирают из условия:

_фmin~(0,02-0,04)d_ф,

где d_ф минимальный поперечный размер фиксирующей пластины или диаметра в случае диска. Импульсное прессование порошка производят давлением порядка 20 30 кбар, которые соответствуют пределу прочности современных прочных материалов.

Такие материалы могут выдерживать без разрушения и более высокие импульсные давления, но только в течение короткого времени нагружения, измеряемого микросекундами. Импульс магнитной силы F_m локализуется на поверхности поршня 3, через который передаются в камеру обечайки 1 к сжимаемому порошку, закрытому фиксирующей пластиной 6. В сечении пуансона 3 создается наибольшее сжимающее давление P_m F_m/S_m.

Такому уровню давлений подвержены также внутренние стенки обечайки 1 и фиксирующая пластина 6, поэтому материал фиксирующей пластины 6 переходит в пластическое состояние и перекрывает весь канал перед пуансоном 3 и после его остановки запирает в канале и надежно фиксирует спрессованный образец, при этом оказывает давление на боковые стенки обечайки 1. На фиг. 1 показана работа фиксирующей пластины 6. Материал фиксирующей пластины выбирают таким, чтобы выполнялось условие

,

где _т.ф,_т.o.п динамические пределы текучести материалов, из которых изготовлены, соответственно, фиксирующая пластина и обечайка и пуансоны. Фиксирующая пластина оказывает на стенки обечайки 1 давление N, которое определяет максимальную силу трения F_f KN, обеспечивающую жесткую фиксацию пластины при действии осевых усилий меньше силы трения F_f. В ходе прессования изделия возникают статические радиальные сжимающие напряжения по двум причинам: во-первых, как результат одноосного сжатия порождаются напряжения внутри прессовки, во-вторых, в результате реакции обечайки 1 на ее расширение в процессе прессования. Радиальные напряжения в образце могут вызвать его разрушение, если после импульсного процесса прессования пуансон 3 подвижен в канале обечайки 1 или удален из канала. Разрушение носит характер слоения образца перпендикулярно оси прессования и раскалывание слоев на небольшие пластинки. Фиксирующая пластина 6 надежно запирает изделие. В случае прессования керамических порошков получение прессовок без фиксирующей пластины невозможно. Форма фиксирующей пластины в сечении соответствует сечению изготавливаемого изделия. При выпрессовке готового изделия должен быть соблюден принцип первоначального удаления обечайки 1 для устранения механического усилия с ее стороны на изделие. Выпрессовку готового изделия выполняют следующим образом: производят стационарное сжатие пресс-формы двухсторонним усилием прикладываемым к верхнему пуансону и наковальне (см. фиг. 1), освобождают стяжки 5 и воздействием усилия B на обечайку 1 в направлении расширения конуса, а на обойму 2 в противоположном направлении, снимают обойму 2 с обечайками 1, затем удаляют обечайку 1. После этого снимают стационарное усилие Выполнение установленной последовательности действий при выпрессовке изделий позволяет предохранить готовое изделие от разрушения.

Способ прессования по схеме двухстороннего усилия.

Обечайку 1, состоящую из трех одинаковых секторов, пришлифованных друг к другу широкой стороной конуса, размещают на неподвижной нижней плите 7, в отверстии которой с возможностью осевого перемещения установлен нижний пуансон 4. Обойму 2 надевают на обечайку 1 и с помощью стяжек 5 прижимают к нижней плите 7 по оси конструкции. В образованную таким образом камеру на нижний пуансон 4 помещают фиксирующую пластину 6" и укладывают порошок, который закрывают сверху фиксирующей пластиной 6. После этого в камеру устанавливают пуансон 3. Импульсное прессование выполняют приложением деформирующего усилия на верхний пуансон 3, а также на нижний пуансон 4. При этом фиксирующие пластины 6 сверху и 6" снизу, выполненные из пластичного материала, перекрывают канал перед пуансонами и после их остановки надежно фиксируют изделие. Выпрессовку готового изделия производят по схеме, аналогичной для варианта одностороннего прессования. Прикладывают стационарное усилие по оси прессования к верхнему 3 и нижнему 4 пуансонам (см. фиг. 2), освобождают стяжки 5 и воздействием усилия на обечайку 1 в направлении расширения конуса, а на обойму 2 в противоположном направлении, снимают обойму 2 с обечайки 1, затем удаляют обечайку 1. После этого снимают стационарное усилие Выполнение установленной последовательности действий при выпрессовке изделия позволяет предохранить готовое изделие от разрушения.

Форма фиксирующих пластин соответствует форме торцевых поверхностей изготавливаемых образцов.

Для предохранения деталей, контактирующих с порошком от прилипания, а также для предотвращения миграции в прессуемый порошок легколетучих компонентов материалов, из которых изготовлены детали пресс-формы, применяют антиадгезионное покрытие 8.

Возможно применение способа прессования по схемам одностороннего и двухстороннего приложения нагрузки для компактирования твердых наноразмерных керамических материалов, при этом для удаления из порошка адсорбированных газов и воды, прессование производят в вакууме с предварительным прогревом пресс-формы до 200 600^oC.

Таким образом, увеличение выхода годных изделий и повышение плотности прессуемых заготовок при импульсном прессовании твердых порошковых материалов осуществляется в результате

жесткой фиксации спрессованного образца с помощью фиксирующих пластин;

соблюдения установленной последовательности операций при выпрессовке готового образца;

применения антиадгезионного покрытия, например TiN.

Применение предлагаемого способа и конструкции пресс-формы при компактированных твердых наноразмерных керамических порошков позволяет получать качественные изделия с выходом годных до 70 и плотностью прессовок до 85 что достигается возможностью использования высоких импульсных давлений.

Пример. В пресс-форму по схеме одностороннего приложения нагрузки наноразмерный порошок окиси алюминия с плотностью засыпки 10 45 Сверху на порошок устанавливают фиксирующий диск из нержавеющей стали 12х18H10T и пуансон из твердого сплава с твердостью 65 ИРС.

Диаметр канала матрицы D_o 15,30 мм

Диаметр поршня d_o 15,25 мм

Диаметр фиксирующего диска d_o 15,25 мм.

Толщина фиксирующего диска d_ф (0,8 1,2) мм

Матрица и пуансон-наковальня изготовлены из инструментальной стали P18 с твердостью 60 65HRC. Контактирующие детали покрыты хромом. Производили прогрев порошка в пресс-форме в вакууме со степенью 10^-2 Торр до температуры 450^oC в течение 1 ч с целью удаления адсорбированных веществ, массовая доля которых в сыром порошке составляет 4 мас.

Производили воздействия на пуансон импульсным давлением амплитудой 1 - 2,5 ГПа при комнатной температуре.

Выпрессовку готового образца производили следующим образом.

1. Первоначально прикладывали небольшое стационарное усилие, сжимающее изделия по оси прессования давлением 10 50 МПа.

2. Снимали стяжки.

3. Снимали обойму с обечайки путем приложения стационарного усилия к обечайке в направлении расширения конуса, а к обойме в противоположном направлении.

4. Удаляли обечайку и снимали стационарное усилие, приложенное к верхнему пуансону и наковальне.

После прессования готовое изделие имел вид правильного цилиндра диаметром 15,4 15,55 мм с плотностью 62 83