Способ изготовления прутков из порошков металлов и сплавов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению прутков из порошков металлов и сплавов методами обработки давлением. Способ изготовления прутков из порошков металлов и сплавов включает нагрев и изотермическое прессование через каналы равного сечения, расположенные под углом 90°, и наклонный канал с матрицей с дифференцированным нагревом каналов. Наклонный канал образует с горизонтальным тупой угол 2Θ = 180-150° . Вытяжку в матрице регулируют в диапазоне 2,45...13. Суммарную деформацию в наклонном канале берут в диапазоне 3,2...13, а величину вытяжки в матрице при текущем значении угла наклона Θ определяют из соотношения, приведенного в описании. С целью стабилизации температурных условий деформации температурный режим истечения в наклонном канале регулируется с помощью микроЭВМ. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению прутков из порошков металлов и сплавов методами обработки давлением.

Известны способы производства заготовок из порошков методом равноканального углового прессования (РУП) (Малышев В.Ф. и Сегал В.М. ТЛС, 1981, N 3, с. 32...38, а.с. N 831362, 1981). Однако при использовании РУП не удаляется получить качественные полуфабрикаты из-за расслаивания продукта обработки на шайбы, торцовые плоскости которых образуют с осью выдавливания угол, равный половине угла наклона плоскости сдвига, образующегося при пересечении вертикального и горизонтального каналов. Для устранения этого недостатка используют пробки из твердых материалов, что лишает возможности получения длинномерных прутков и приводит к дополнительному расходу материала пробок. Кроме того, процесс ведется в неизотермических условиях колебания температуры по сечению и длине каналов, что не позволяет достичь установившегося силового режима деформации порошка, обуславливает появление брака и снижение технологических возможностей процесса. Отсутствуют также возможности автоматического регулирования силовых параметров процесса, которые из-за изменений сил контактного трения в горизонтальном канале колеблются в широких пределах.

Известно устройство для горячей экструзии изделий из порошка (а.с. N 1482767, 1989), содержащее матрицу и пуансон, выполненные из электроизоляционного материала и мундштук из токопроводящего материала, причем мундштук снабжен нагревателем в виде индуктора, установленного вокруг мундштука. Однако это устройство не имеет системы стабилизации температурных условий экструзии, не обеспечивает изотермичность процесса и высокие степени деформации за один цикл обработки порошка.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления прутков и профилей из металлической стружки и устройство для его осуществления по а.с. N 1247160, 1986.

Согласно способу-прототипу, брикеты из стружки прессуют посредством истечения в направлении, перпендикулярном оси прессования при одновременной экструзии с вытяжкой 14-30. Высокие противодавления из-за наличия матрицы в сочетании со сдвиговыми деформациями и обжатием заготовки по площади обеспечивают высокое качество компактных полуфабрикатов. Существенным недостатком способа-прототипа является существенное уменьшение площади сечения конечных заготовок, что лишает процесс РУП его основного преимущества - получения продукта обработки больших сечений.

Особенностями устройства в прототипе является наличие матрицы в горизонтальном канале контейнера на расстоянии 0,6...0,7 диаметра канала от оси прессования. Недостатком устройства является то, что для установки и смены матрицы необходим вертикальный разъем штампа, который и предусмотрен в конструкции.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей способа, выражающееся в увеличении сечения компактных порошковых полуфабрикатов.

Для достижения цели при изготовлении прутков из порошков металлов и сплавов по способу-прототипу истечение продукта обработки ведут через наклонный канал, следующий за горизонтальным, имеющий равное с ним сечение и образующий тупой угол 2Θ =150...180^о, матрицу устанавливают в наклонном канале и регулируют в ней обжатие (вытяжку, λ_мат) в диапазоне 2,45...13,0 так, чтобы максимальному тупому углу соответствовало максимальное, а минимальному - минимальное обжатие в матрице, при этом суммарную деформацию (вытяжку) в наклонном канале ( λ_сум), равную произведению деформаций при сдвиге и обжатии, берут в диапазоне 3,2...13,0, а необходимую деформацию в матрице при текущем значении угла наклона определяют по выражению λ_мат = (3,2...13,0)/ехр [(2ctg Θ)/ ] (1.1) Изложенные в способе технологические приемы позволяют увеличить сечение компактных порошковых полуфабрикатов, снизить сравнительно с прототипом обжатие матрицы за счет введения дополнительных сдвиговых деформаций в наклонном канале. При этом расположение матрицы в наклонном канале позволяет повысить равномерность качества продукта обработки по сечению и увеличить выход годного, устранив образование торцовых кромок, наклоненных к оси истечения.

Ограничительные параметры способа связаны между собой.

Максимальное значение тупого угла, равное 180^о, означает отсутствие наклонного канала. В этом случае качество компактного материала, помимо сдвига во взаимно перпендикулярных каналах, определяется только вытяжкой в матрице. В этом случае различие между прототипом и заявляемым способом сводится к различиям в обжатии в матрице. Согласно способу для порошков типичного гранулометрического состава (pазмеp, частиц не более 500 мкм) минимальная вытяжка в матрице 3,2 в сочетании со сдвиговой деформацией во вазимно перпендикулярных каналах вполне достаточна для получения высокого качества готового полуфабриката. С другой стороны, увеличение вытяжки в матрице свыше 13,0 сопровождается неоправданным возрастанием потребного усилия процесса, в силу чего прессовый инструмент работает с недопустимыми перегрузками.

При угле 2Θ меньшем 180^о, часть деформации реализуется путем сдвига в наклонном канале так, что с уменьшением величины тупого угла необходимая (и возможная) вытяжка в матрице также снижается. Угол 2Θ не может быть меньше 150^о, так как это потребовало бы чрезмерного увеличения толщины вставки крепления матрицы. При угле наклона 150^оминимальное значение вытяжки в матрице, при которой обработанный полуфабрикат имеет высокое качество, составляет 2,45.

Задаваемый способом диапазон суммарных деформаций в наклонном канале λ_сум, равный 3,2...13,0, отвечает условию суперпозиции деформаций при сдвиге λ_Θ и в матрице λ_мат, если принять, что λ_Θ=ехр[(2ctgΘ)/] (Cегал В.М., Чомова Н.Г, Копылов В.И., Панин П.Б/МиТОМ, 1982, N10, с.30-33, и позволяет для любого конкретного значения угла наклона найти диапазон обжатий в матрице, при котором процесс будет технологически возможен, а материал отвечает требованию компактности, то есть является сплошным, монолитным и обладает высокими механическими свойствами. Тогда из условия суперпозиции имеем: λ _мат = (3,2...13,0)/ехр [(2ctgΘ)/].

Это означает, что при максимальном угле наклона (2Θ = 180^о) минимальное обжатие в матрице не может быть меньше 3,2, а при минимальном угле наклона (2Θ = 150^о) - больше 9,3. С другой стороны, максимальная вытяжка в матрице при 2Θ= 180^о составляет λ_мат = 13,0, в минимальная вытяжка при 2Θ = 150^о - λ_мат = 2,45. Кроме того, представленное соотношение позволяет установить возможный диапазон обжатий в матрице для каждого наперед заданного угла наклона канала и выбрать тем самым величины 2Θ и λ_мат, наиболее удобные из конструктивных, экономических или технологических соображений.

На фиг.1 показано устройство для реализации заявляемого способа.

Устройство включает обогреваемый составной контейнер 1 с блоками 2, 3, в которых находятся вертикальный 4 и горизонтальный 5 каналы равного сечения, пуансон 6. Наклонный канал, находящийся во вставке 7, присоединен к горизонтальному с помощью сменной вставки 8. Матрица 9 устанавливается в наклонном канале. Сменная вставка 8, вставка с наклонным каналом 7, матрица 9 подпираются фланцем 10. При такой конструкции установка для смены матрицы, вставки с наклонным каналом не требуется полного разъема штампа: для этого достаточно снять фланец 10. Расстояния между точкой пересечения осей вертикального и горизонтального каналов и точкой пересечения осей горизонтального и наклонного каналов лежат в диапазоне от Ф/2 + 15 мм при величине тупого угла Θ= 179^о до Ф+15 мм при 2Θ=150^о. Расстояние L между точкой пересечения осей горизонтального и наклонного каналов и точкой пересечения оси наклонного канала с фронтальной плоскостью матрицы вычисляется по формуле L = Ф/2 [1 + tg(π/2-Θ)] (1.2) При меньших расстояниях нарушается ламинарность течения материала при подходе к матрице; при больших - резко возрастает необходимое давление процесса.

Нагрев контейнера 1 осуществляется индуктором 11, вставок 7, 8 и матрицы 9-индуктором 12. В подштамповой плите 13 имеется индуктор 14. Индукторы представляют собой набор призм из жаропрочной керамики, в которых размещены нагревательные элементы.

На фиг.2 показана блок-схема системы терморегулирования узла наклонного канала по силовым параметрам процесса деформации. Она состоит из генератора ТПЧ, соединенного с микроЭВМ МС 1201.02, производящей его включение и выключение в зависимости от значений усилия прессования, регистрируемого датчиком, сигнал от которого сравнивается с заданным диапазоном изменения усилия, после чего микроЭВМ управляет системой нагрева. Система терморегулирования позволяет, с одной стороны, точно выдерживать заданный температурный режим процесса, добиваясь стабилизации качества продукта обработки, а с другой - предотвращать перегрузку пресс-оснастки.

В совокупности предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют получать качественные заготовки из порошковых материалов сечением, близким к сечению исходных порошковых брикетов. Это дает возможность получать из порошков высококачественные заготовки, пригодные для изготовления крупногабаритного режущего инструмента и штамповки разнообразных деталей в машиностроении, исключив их промежуточную осадку, необходимую для увеличения сечения.

П р и м е р 1. Порошок алюминия марки АД1, полученный газовым распылением с размером фракций 60...300 мкм, брикетировали односторонним прессованием под давлением 800 МПа при комнатной температуре в брикеты Ф18 мм и высотой, равной диаметру. Относительная плотность брикетов 0,86. Брикеты нагревали до 400^оС и прессовали сдвигом в устройстве, внешний вид которого приведен на фиг. 1. Значения переменных параметров приведены в таблице 1. Как видно из табл.1, вариант с 2Θ = 180^о и λ_мат= 16,0 соответствует способу-прототипу. Результаты обработки оценивали путем выявления макродефектов и определения механических свойств готовых полуфабрикатов. Установлено, что при любых углах наклона наклонного канала существуют минимальные и максимальные значения обжатий (вытяжек) в матрице, в интервале которых можно получать качественный пруток; минимальные сжатия минимизируются условием нарушения макросплошности продукта обработки (поры, расслоения), а максимальные - условием предельно допустимого нагружения прессовой оснастки; минимально допустимые обжатия (вытяжки) в матрице в зависимости от угла наклона (2Θ) представлены в табл.2).

Из табл.2 видно, что обжатие снижается по мере уменьшения угла наклона. Минимальное значение вытяжки в матрице, при которой полуфабрикат имеет высокое качество, соответствует минимальному углу (2Θ = 150^о) и составляет λ_мат = 2,45.

Максимально допустимые обжатия в матрице в зависимости от угла наклона представлены в табл.3: Из приведенных данных видно, что способ-прототип (2Θ = 180^о, λ_мат = 16,0) при экструзии распыленного порошка не реализуется из-за отсутствия истечения даже при недопустимо высоких напряжениях в пресс-оснастке.

Максимально допустимые значения вытяжки, при которых прессовый инструмент работает при нагрузках, меньше допустимых тем выше, чем больше 2Θ.

При максимальном значении тупого угла, равном 180^о, т.е. при отсутствии наклонного канала, максимально возможная вытяжка в матрице λ_мат = 13,0, что меньше минимальной вытяжки в прототипе. При λ_мат>13,0 нагрузки на прессовый инструмент превышает минимально допустимые, равные 300 МПа (Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургиздат, 1952).

В отличие от обжатий (вытяжек) в матрице λ_мат и сдвиговой деформации λ_Θ общая вытяжка в наклонном канале λ_сум = λ_мат λ_Θ, где λ_Θ = ехр [(2ctgΘ)/], соответствующая высокому качеству полученных прутков, при всех исследованных значениях тупого угла находится в пределах 3,2 ... 13,0. Следовательно, этот эффект является результатом суперпозиции деформаций при вытяжке в матрице и сдвиге при повороте. Из изложенного условие суперпозиции должно быть записано в виде: λ_мат = ехр [(2сtgΘ)/] = 3,2...13,0, откуда λ_мат = (3,2. . .13,0)/ехр [(2ctgΘ)/]. Из табл.1 видно, что в случае выполнения (1.1) удается получить качественный полуфабрикат, а пресс-оснастка работает при напряжениях, меньших предельных. Таким образом доказывается справедливость (1.1).

Вытяжка материала в матрице, установленной в наклонном канале и обеспечивающей получение качественного материала, зависит от угла наклона и колеблется в диапазоне 2,45...13,0, причем минимальному значению тупого угла Θ= 150^о соответствует минимальная вытяжка ( λ_мат = 2,45), а максимальному - максимальная ( λ_мат = 13,0).

По способу-прототипу не удается обеспечить истечение материала через матрицу из-за чрезвычайно высоких напряжений в пресс-оснастке.

Суммарная деформация материала в наклонном канале, равная произведению деформаций при сдвиге и обжатии, должна быть в пределах 3,2...13,0.

Необходимую деформацию в матрице в зависимости от угла наклона канала Θ следует определять по выражению λ_мат = (3,2...13,0)/exp [(2ctgΘ)/].

П р и м е р 2. Использовали порошки меди ПМА (ГОСТ 4960-75), железа ПЖРВ2.200.26 (ГОСТ (9849-86), распыленный порошок стали марки 10Р6М5 фракций-315 мкм и порошок композиционного материала с матрицей из алюминиевого сплава Д16 (-50 мкм) и армирующими частицами карбида кремния. Все материалы в виде брикетов обрабатывали по заявляемому способу при λ_мат = 2,45 2Θ = 150^о и λ_мат= 13,0 2Θ = 180^о. Для сравнения проведено опробование способа-прототипа.

Температуры обработки выбраны на основе литературных данных и опытным путем, исходя из соотношения между сопротивлением деформации, различными физико-химическими процессами (старение, огрубление структуры окисление и т.п.), условиями контактного трения и стойкостью оснастки (табл.4).

В результате проведенных технологических экспериментов установлено, что по обоим вариантам обработки по предлагаемому способу удается получить компактные прутки без микро- и макроразрушений, обладающие механическими свойствами на уровне соответствующих ТУ; по способу-прототипу, т.е. при 2Θ = 180^о, λ_мат = 16, прутки из исследованных материалов получить не удалось, т. е. при максимальных давлениях пресса материал не деформировался.

В отличие от способа-прототипа предлагаемый способ позволяет осуществить процесс компактирования широкой номенклатуры порошковых материалов.

П р и м е р 3. Стружку аюминиевого сплава Ак5М2 промывали в ацетоне, сушили, брикетировали при комнатной температуре и давлении 50-80 МПа до плотности 0,75 теоретической, нагревали до 450^оС и выдавливали при 2Θ = 150^о, λ_мат = 4,5 ( λ_сум = 6,1) на установке, изображенной на фиг.1. Для сравнения ту же стружку после очистки и брикетирования выдавливали при λ_мат= 14, 2Θ = 180^о (прототип) при тех же температурных условиях. Оценку качества полученного материала вели с помощью внешнего осмотра, а также по плотности и механическим свойствам. Установлено, что в случае использования как прототипа, так и предлагаемого способа, получаются качественные полуфабрикаты, не имеющие видимых дефектов. Плотность материалов в обоих случаях 2,73-2,75 г/см³, механические свойства также близки между собой (табл. 5).

Следовательно, при компактировании алюминиевой стружки по способу-прототипу и предлагаемому способу продукт обработки имеет практически одинаковое качество. Однако и в этом случае наблюдаются два существенных различия между известным и заявляемым способами.

По способу-прототипу из брикета диаметром 30 мм получен пруток ⊘ 7,5 мм, тогда как по заявляемому способу - пруток ⊘ 14,1 мм, то есть при применении заявляемого способа удалось увеличить диаметр прутка в 1,9 раза при равном качестве.

Процесс выдавливания проводили на 160-тонном гидравлическом прессе. Суммарное усилие на пресс-штемпель при работе по прототипу составило 15 тс, что дает напряжение в пресс-оснастке порядка 2100 МПа, что близко к предельно допустимому для применяемой для этих целей инструментальной стали марки 3Х2В8. По заявляемому способу максимальное усилие-100 тс и напряжение в пресс-оснастке-1400 МПа, что на 30% ниже, чем в прототипе.

Таким образом, использование предлагаемого способа взамен прототипа позволяет при равном качестве продукта уменьшить нагрузку на пресс-штемпель и увеличить сечение готового полуфабриката.

Формула изобретения

1. Способ изготовления прутков из порошков металлов и сплавов, включающий нагрев, изотермическое прессование через каналы равного сечения, расположенные под углом 90^o, и выдавливание через матрицу, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, выдавливание осуществляют через матрицу, расположенную в наклонном канале, следующем за горизонтальным и имеющем равное с ним сечение, при этом нагрев во взаимно перпендикулярных и наклонном каналах ведут дифференцированно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наклонный канал располагают относительно горизонтального под тупым углом 2Θ , где 150^o≅ 2Θ < 180^o.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что вытяжку в матрице регулируют в диапaзоне 2,45 - 13,0, при этом большему тупому углу наклона соответствует большее значение вытяжки.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что суммарную деформацию в наклонном канале берут в диапозоне 3,2 - 13,0, а величину вытяжки в матрице при текущем значении угла наклона определяют по соотношению
λ_мат= (3,2...13,0)/exp[(2ctgΘ)/ ].
5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что, с целью стабилизации температурных условий деформации, температурный режим истечения в наклонном канале регулируют с помощью микроЭВМ.

6. Устройство для изготовления прутков из порошков металлов и сплавов, содержащее контейнер с вертикальным и горизонтальным каналами равного диаметра и матрицу, отличающееся тем, что оно снабжено сменной вставкой, изолированной от контейнера и имеющей наклонный канал, соединенный с горизонтальным каналом под тупым углом, причем расстояние между точкой пересечения осей вертикального и горизонтального каналов и точкой пересечения осей горизонтального и наклонного каналов лежит в диапозоне d/2+15 при максимальной величине тупого угла, а при минимальной величине тупого угла - d+15, при этом расстояние L между точкой пересечения осей горизонтального и наклонного каналов и точкой пересечения оси наклонного канала с фронтальной плоскостью матрицы устанавливают из соотношения
L = d / 2[1+tg(π/2-Θ)] .

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что величина тупого угла составляет 2Θ , где 150^o ≅ 2Θ < 180^o .

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно снабжено подштамповой плитой для размещения контейнера, выполненной в виде набора призм из жаропрочной керамики с установленными в призмах нагревательными элементами.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно снабжено индуктором для нагрева матрицы, соединенным с управляющей системой нагрева, и матрица выполнена из токопроводящего материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4