способ изготовления изделия со сквозным отверстием методом порошковой металлургии

Формула изобретения

1. Способ изготовления изделия со сквозным отверстием методом порошковой металлургии, в частности полой заготовки для инструмента или толстостенной трубки, отличающийся тем, что в капсуле размещают оправку в виде трубки, имеющей одинаковую длину с капсулой и проходящей с зазором по ее длине, и расположенный с зазором внутри трубки такой же длины стержень, пространство между трубкой и внутренней поверхностью капсулы заполняют металлическим порошком, из которого формируют изделие, а пространство между стержнем и внутренней поверхностью трубки заполняют неметаллическим порошком, капсулу герметично закрывают и подвергают горячему изостатическому прессованию при температуре более 1000^oС до достижения абсолютной плотности спрессованной из металлического порошка заготовки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование проводят с уплотнением металлического порошка в пространстве между стержнем и трубкой до получения практически плотного материала, передающего изостатическое давление, прикладываемое к внешней поверхности капсулы, на стержень через металлический порошок до спрессовывания последнего до абсолютной плотности.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после горячего изостатического прессования капсулу с ее содержимым охлаждают с разуплотнением неметаллического материала путем его разрушения и/или перехода в порошкообразное состояние.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что после горячего изостатического прессования перед охлаждением капсулу с ее содержимым подвергают горячей обработке путем штамповки и/или прокатки.

5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что в качестве неметаллического порошка используют материал, способный изменять объем при фазовых переходах с появлением внутренних напряжений при охлаждении материала от температуры, превышающей 1000^oС, до комнатной температуры.

6. Способ по любому из пп. 1 5, отличающийся тем, что в качестве по меньшей мере части неметаллического порошка используют дикальциевый силикат Ca₂SiO₄.

7. Способ по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что в качестве оправки используют трубку, изготовленную из листового металла, или втулку, полностью или частично изготовленную из картона, или стеклянную трубку.

8. Способ по любому из пп. 1 7, отличающийся тем, что в качестве металлического порошка используют стальной порошок или порошок тугоплавкого металла, а в качестве стержня используют стальной пруток.

9. Способ по любому из пп.1 8, отличающийся тем, что в качестве металлического порошка используют порошок из быстрорежущей стали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу изготовления изделия, имеющего сквозное отверстие, в частности полой заготовки для инструмента или толстостенной трубки, методом порошковой металлургии.

Полые заготовки для инструмента из быстрорежущих сталей, сталей холодной и горячей обработки для конструкционных сталей улучшенного качества широко используются для производства различной продукции. Примерами такой продукции являются режущие инструменты, содержащие сквозные отверстия, в частности фрезы, а также штампы, прокладки в экструзионных процессах, шестерни и другие детали машин. Среди прочих технических областей применения можно упомянуть военную промышленность, где полые заготовки могут быть использованы для производства оружейных стволов.

Изготовление указанных заготовок путем высверливания соответствующих полостей является дорогостоящей задачей, в особенности, если это касается материалов, которые с трудом поддаются обработке резанием, например быстрорежущих и других инструментальных сталей, усовершенствованных конструкционных материалов и т.п. независимо от того, была ли изготовлена заготовка способом порошковой металлургии или по обычной технологии. Традиционный способ порошковой металлургии, основанный на изготовлении неспеченного изделия с его последующим спеканием и обработкой, предоставляет хорошие возможности для производства полых заготовок, несмотря на то, что их изготовление путем, горячего изостатического прессования металлического порошка связано со значительными практическими трудностями. Порошок можно загрузить в капсулу, имеющую форму трубы, и подвергнуть его горячему изостатическому прессованию, однако, изготовление и сварка таких капсул являются относительно сложными, что существенно повышает стоимость производства.

Возможно также разместить в капсуле, которую заполняют металлическим порошком, подвергаемым последующему горячему изостатическому прессованию, стержень. После окончательного уплотнения металлического порошка путем горячего изостатического прессования стержень может быть удален. Однако вся сложность заключается именно в удалении стержня, который соединяется в одно целое с прессованным изделием, формируемым из металлического порошка при горячем изостатическом прессовании.

Главной задачей предлагаемого изобретения является решение данной проблемы, что оказывается возможным, если разместить во внешней капсуле трубку, имеющую практически одинаковую длину с капсулой и проходящую практически вдоль всей длины капсулы, при этом внутри трубки содержится стержень, также проходящий через капсулу вдоль всей длины трубки, пространство между трубкой и внутренней стороной стенки капсулы заполняют металлическим порошком, из которого формируется требуемое изделие, пространство в трубке между стержнем и внутренней стороной стенки трубки заполняют неметаллическим порошком, капсулу герметично закрывают и закрытую капсулу вместе с ее содержимым подвергают горячему изостатическому прессованию при температуре более 1000^oC таким образом, чтобы металлический порошок был спрессован до достижения абсолютной ( истинной) плотности. Изобретение основано на принципе получения разъединяющего агента из неметаллического порошка, находящегося между отвердевшим металлическим изделием и стержнем, несмотря на то, что неметаллический порошок в пространстве между стержнем и внутренней стороной трубки также отвердевает в процессе горячего изостатического прессования до состояния практически плотного материала и может передавать изостатическое давление, которое прикладывают к внешней стороне капсулы, на стержень через металлический порошок, спрессованный до достижения истинной плотности. Согласно прелагаемому изобретению этого можно достичь, если капсулу, прошедшую вместе с ее содержимым горячее изостатическое прессование, после горячей обработки путем штамповки и/или проката охладить до комнатной температуры или по меньшей мере до такой температуры, когда объектом можно практически манипулировать, т.е. ниже 100^oC, при этом практически плотный материал, полученный при уплотнении указанного неметаллического порошка путем горячего изостатического прессования, разрушается на куски и/или снова принимает порошкообразную форму.

Способ стимуляции такого разрушения уплотненного неметаллического материала основан на выборе неметаллического порошка из группы материалов, которые, самопроизвольно разрушаются при фазовом переходе в процессе охлаждения от температуры, превышающей 1000^oC, до комнатной температуры, при этом фазовый переход вызывает такие большие внутренние напряжения, что они приводят к указанному разрушению. При охлаждении готового изделия, которое формируется из металлического порошка при горячем изостатическом прессовании, трубка, неметаллический порошок, стержень, уплотненный неметаллический материал, сформированный из неметаллического порошка, будут разделяться за счет тенденции к разрушению неметаллического материала, размещенного в замкнутом пространстве между стержнем и трубкой, но с другой стороны будут удерживаться прессованным изделием, полученным из металлического порошка.

Таким образом, указанный неметаллический материал следует выбирать среди материалов такого типа, которые, с одной стороны, могут быть спрессованы до получения практически плотного изделия путем изостатического прессования при температуре свыше 1000^oC, а с другой разрушаются при охлаждении от температуры свыше 1000^oC до комнатной температуры. В настоящее время автору известен только один неметаллический порошок, обладающий указанными свойствами, а именно, дикальциевый силикат Ca₂SiO₄, который иногда обозначают также как ортосиликат кальция (CaO)₂SiO₂. Однако автор не исключает существования других неметаллических материалов, удовлетворяющих указанным требованиям. В таком случае эти материалы также включаются в предлагаемое изобретение.

Что касается силиката кальция Ca₂SiO₄, то его фазовый переход происходит при охлаждении до температуры около 600^oC и при сильной тенденции к увеличению объема материала, При этом возникают настолько высокие внутренние напряжения, что материал самопроизвольно разрушается и в большей или меньшей степени принимает исходную порошкообразную форму. Однако не следует исключать возможности разрушения вследствие внутренних напряжений также материалов, имеющих существенную тенденцию к усадке при фазовом переходе в процессе охлаждения в диапазоне температур от 1000^oC до комнатной температуры. Такие материалы, в принципе, также могут быть использованы согласно предлагаемому изобретению.

Трубку, размещенную в капсуле и окружающую стержень на некотором расстоянии от него, как правило, можно изготавливать из различных материалов. Обычно используют тонкостенную трубку из металлического, в частности стального листа. Втулка, полностью или частично состоящая из картона, также может быть использована. Применима и стеклянная трубка, хотя по практическим соображениям стекло может оказаться менее пригодным материалом.

Для того, чтобы закрепить стержень и окружающую его трубку в нужном месте, обычно в центре капсулы, можно предусмотреть соответствующие средства для закрепления и центрирования. Например, дно капсулы и ее крышка могут быть снабжены выступами и/или выемками, которые являются, соответственно, закрепляющими и центрирующими средствами. Как дополнение к этому или как другое конструктивное исполнение могут быть использованы специальные кольца, которые имеют утолщение в радиальном направлении, соответствующее ширине желаемого зазора между стержнем и трубкой, при этом указанные кольца присоединяют к внутренней стороне дна и крышки капсулы путем сварки, приклеивания, пайки или другим приемлемым способом.

Поскольку задачей изобретения является изготовление полых заготовок из материалов повышенного качества, в качестве металлического порошка используют стальной порошок, предпочтительно порошок легированной стали, в частности быстрорежущей стали, стали холодной и горячей обработки, нержавеющей стали или тугоплавкого материала, например сплава на основе кобальта или никеля.

В качестве стержня может использоваться, например, пруток из обычной конструкционной стали, однако могут применяться и другие однородные материалы, не расплавляются при температуре горячего изостатического прессования и не разрушаются при выполнении данной операции. Возможно также применение стержня из какого-либо керамического материала, однако стержень из простой конструкционной стали является вполне приемлемым.

Более подробно реализация изобретения поясняется ниже со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором показано продольное сечение заполненной капсулы до выполнения прессования.

На чертеже изображена капсула 1 из листового металла, обычно применяемая для прессования металлического порошка. Она состоит из цилиндрической стенки 2, дна 3 и крышки 4, соединенных сваркой. Перед сваркой крышки 4 и капсулы 1, в последней размещают стержень 5, который может представлять собой стальной пруток. Коаксиально со стержнем 5 на некотором расстоянии от него размещают трубку 6, изготовленную из тонкой листовой стали. Стержень 5 и трубку 6 центрируют в капсуле 1 с помощью соответствующих средств, которые конструктивно представляют собой канавки 7 и 8 в дне 3 и крышке 4 капсулы.

После размещения стержня 5 и трубки 6 в капсуле 1 пространство между стенкой 2 капсулы и трубкой 6 заполняют металлическим порошком 9, из которого впоследствии формируется требуемое изделие, содержащее сквозную полость, а в кольцеобразный зазор 10 между трубкой 6 и стержнем 5 помещают неметаллический порошок 11 таким образом, чтобы зазор 10 был целиком заполнен указанным порошком. В частности, порошок состоит из дикальциевого силиката Ca₂SiO₄, который известен также как ортосиликат кальция (CaO)₂SiO₂. После этого заполненную капсулу 1 закрывают крышкой 4, которую присоединяет методом сварки, обеспечивая герметичность капсулы.

Затем заполненную и закрытую капсулу подвергают горячему изостатическому прессованию с обычной скоростью приложения нагрузки. Эту операцию начинают с холодного прессования капсулы вместе с ее содержимым под давлением около 400 МПа. При этом порошки 9 и 11 до некоторой степени уплотняются, что облегчает последующий нагрев. В результате операции холодного прессования объем капсулы несколько уменьшается. Далее капсулу с ее содержимым нагревают до температуры, превышающей 1000^oC, обычно около 1150^oC, в прессе для горячего изостатического прессования. После этого капсулу с ее содержимым подвергают прессованию во всех направлениях, т.е. изостатическому прессованию, под давлением около 100 МПа и температуре более 1000^oC, обычно около 1150^oC, в прессе для горячего изостатического прессования, например, в прессе производства фирмы Asea Brown Boweri (ABB), имеющем товарный знак Q1H80. При этом металлический порошок 9 спрессовывается в полностью уплотненное беспористое металлическое изделие, в то время как порошок 11 дикальциевого силиката также спрессовывается в плотный и практически беспористый материал.

Обычно после этого капсулу с ее содержимым охлаждают практически до комнатной температуры или по меньшей мере до температуры, позволяющей без проблем манипулировать объектом, В процессе охлаждения уплотненный дикальциевый силикат имеет тенденцию увеличения объема, характерную для фазового перехода дикальциевого силиката, что вызывает разрушения материала из дикальциевого силиката, в результате чего он в большей или меньшей степени принимает исходную порошкообразную форму. Затем капсула 1 может быть вскрыта по меньшей мере в зоне слоя дикальциевого силиката со стороны дна 3 и крышки 4, а стержень 5 удален, при этом дикальциевый силикат, который в процессе охлаждения разрушается на куски и/или принимает порошкообразную форму, играет роль разъединяющего агента между стержнем 5 и окружающим прессованным металлическим изделием. После очистки стержень 5 может быть использован повторно. Прессованное металлическое изделие, содержащее сквозную полость, после очистки его внешней и внутренней поверхностей можно подвергать горячей обработке до достижения требуемых окончательных размеров. При необходимости, в зависимости от последующего применения прессованное металлическое изделие может быть обработано резанием до или после возможной горячей обработки для получения требуемых заготовок.

Возможно также осуществлять горячую обработку прессованного материала до его охлаждения от температуры горячего изостатического прессования, а затем производить охлаждение, при этом дикальцевый силикат разрушается и/или превращается в порошок, обеспечивая разъединение прессованного металлического изделия и стержня.