Способ получения изделий из порошковых материалов и устройство для его осуществления

 

Сущностью изобретения является способ получения изделий из порошковых материалов, включающий приготовление экзотермических смесей порошков, прессование смеси в брикет, размещение его в теплоизолирующей пористой оболочке и в матрице, инициирование реакции горения и горячее прессование продуктов горения совместно с оболочкой, причем прессование продуктов горения осуществляют с большей скоростью деформации, чем прессование оболочки. Устройство для осуществления способа содержит пуансон и закрытую матрицу, заполненную сыпучим теплоизолятором и состоящую из основания, корпуса и размещенного между ними кольца с устройством зажигания, причем на дне основания установлена жесткая опора, выполненная в виде призмы, поперечное сечение которой имеет форму и размеры поперечного сечения прессуемого изделия. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения твердосплавных материалов и изделий.

Известен способ получения твердосплавных изделий, включающий прессование брикета из экзотермической смеси порошков металлов и неметаллов, поджигание, горение брикета и прессование горячих продуктов горения (Боровинская И.П. Вишнякова Г. А. Маслов В.М. и Мержанов А.Г.) О возможности получения композиционных материалов в режиме горения. В кн. Процессы горения в химической технологии и металлургии. Черноголовка, 1975, с. 141-149).

Инструмент для осуществления известного способа состоит из закрытой матрицы и пуансона, изготовленных из графита. Брикет из экзотермической смеси порошков и продукты горения непосредственно соприкасаются с пуансоном и внутренней поверхностью матрицы. Для уменьшения теплопотерь стенки матрицы нагревают индукционным нагревом.

Недостаток известного способа и инструмента заключается в том, что из-за низкой прочности графитовой матрицы давление прессования незначительно и составляет 5-6 МПа. Этого давления недостаточно для получения высокоплотного материала. Максимальная относительная плотность спрессованных образцов составляет 0,83. Кроме того, происходит схватывание разогретых до высоких температур (2000^оС и выше) продуктов горения со степени матрицы. Поэтому для извлечения изделия необходимо разрушать матрицу, т.е. инструмент является одноразовым.

Известен способ получения твердосплавных изделий, включающий приготовление экзотермических смесей порошков, прессование смеси в брикет, размещение его в защитной пористой теплоизолирующей оболочке и в матрице, инициирование реакции горения и горячее прессование продуктов горения (Питюлин А.Н. СВС-компактирование твердосплавных материалов и изделий. Обзор N 5110. М. ЦНИИТЭИ, 1990. 72 с.). Теплоизолятор (речной песок) исключает соприкосновение горения продуктов горения с внутренней поверхностью матрицы и пуансона. Инструмент изготавливается из стали, что позволяет существенно увеличить давление прессования (до 150-200 МПа) и получать практически беспористый материал.

Устройство для осуществления известного способа содержит пуансон и закрытую матрицу, состоящую из основания с плоским дном, корпуса и размещенного между ними кольца с инициирующим устройством, в котором устанавливается спираль-нагреватель (Разработка технологии получения методом СВС-прессования твердосплавных материалов: Отчет о НИР (закл. ). Самарск.политехн. ин-т (СамПтИ); Руководитель А. П.Амосов. Шифр 47-215/89; N гр 018900-83575. Самара, 1991, 54 с.).

Недостаток известного способа и устройства для его осуществления состоит в том, что осевое прессование теплоизолятора и продуктов горения осуществляется с одинаковой скоростью деформации. В качестве теплоизолятора используется речной песок, у которого прочность на сдвиг твердой фазы выше, чем у горячих продуктов горения. Поэтому при одинаковой скорости осевой деформации теплоизолятор становится прочнее продуктов горения. Более прочный теплоизолятор образует вокруг продуктов горения труднодеформируемое кольцо, которое воспринимает на себя практически все усилие прессования. В результате осадка продуктов горения не может быть больше, чем у теплоизолятора, расположенного по периметру синтезируемого изделия. Ограниченные величины осевой деформации приводит к неполному уплотнению продуктов горения. С уменьшением радиальных размеров синтезируемого изделия снижается доля усилия прессования, приходящаяся на продукты горения, и повышается пористость материала. Кроме того, уменьшается КПД пресса. Одинаковая скорость осевой деформации продуктов горения и теплоизолятора при известном способе обусловлена тем, что в устройстве дно основания матрицы выполнено плоским. Плоским выполнен и пуансон. Тогда уплотняемые объемы имеют одинаковую высоту h и скорость осевой деформации e_z, которая при прессовании в закрытой матрице равна e_z= где скорость перемещения пуансона.

Существо изобретения заключается в том, что для получения изделий из порошковых материалов приготавливают экзотермические смеси порошков, прессуют смеси в брикет, размещают его в теплоизолируемой пористой оболочке и в матрице, инициируют реакцию горения и горячее прессование продуктов горения совместно с оболочкой, причем прессование продуктов горения осуществляют с большей осевой скоростью деформации, чем прессование оболочки.

Для осуществления этого способа предлагается новое устройство, которое содержит пуансон и закрытую матрицу, заполненную сыпучим теплоизолятором и состоящую из основания, корпуса и размещенного между ними кольца с устройством зажигания, причем на дне основания установлена жесткая опора, выполненная в виде призмы, поперечное сечение которой имеет форму и размеры поперечного сечения синтезируемого изделия.

Использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволяет за счет более высокой скорости осевой деформации повысить скорость уплотнения и упрощения продуктов горения по сравнению с материалом теплоизолятора. В результате возрастает доля усилия прессования, расходуемая на уплотнение продуктов горения, увеличиваются плотность синтезируемого материала и КПД прессового оборудования.

На чертеже изображено устройство для осуществления способа, общий вид.

Устройство содержит пуансон 1 и закрытую матрицу, которая в свою очередь состоит из основания 2, корпуса 3 и промежуточного кольца 4. На дне основания установлена жесткая опора 5, выполненная в виде призмы. В кольце 4 установлено устройство зажигания, снабженное спиралью-нагревателем 6. Полость матрицы заполнена сыпучим теплоизолятором, внутри которого соосно с опорой 5 помещена шихтовая заготовка 7. Поперечное сечение опоры 5 и заготовки 7 имеют одинаковые форму и размеры.

Изделие получают следующим образом.

Полость основания 2 заполняют сыпучим теплоизолятором, например песком. На песок соосно с опорой 5 помещают шихтовую заготовку 7, представляющую собой спрессованный брикет из электротермической смеси порошков. Относительная плотность шихтовой заготовки составляет 0,6-0,65. На основание 2 устанавливают промежуточное кольцо 4 со спиралью 6, подключенной к источнику питания постоянного или переменного тока. Затем полость кольца 4 засыпают песком и тем самым формируют теплоизолирующую оболочку для заготовки 7. Сборка устройства завершается установкой корпуса 3 и пуансона 1.

При подаче электрического импульса на спираль 6 осуществляют поджиг шихтовой заготовки 7. Горение экзотермической смеси протекает в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. После прохождения волны горения по всему объему заготовки 7 производят прессование горячих продуктов горения совместно с пористым теплоизолятором. Затем осуществляют выдержку в течение заданного промежутка времени, снимают давление прессования и готовое изделие извлекают из прессового инструмента. Разборка устройства выполняется в порядке, обратном сборке. Жесткая опора 5 разделяет полость матрицы на дне зоны А и Б с разной высотой уплотняемого материала. Зона А, расположенная вокруг заготовки 7 и опоры 5, имеет большую высоту, чем зона Б, находящаяся над опорой 5. В результате или прессовании скорость осевой деформации материала теплоизолятора, расположенного по периметру изделия, будет меньше, чем скорость осевой деформации продуктов горения (заготовка 7). Уплотнение и упрочнение материала теплоизолятора в зоне А будет происходить медленнее, чем упрочнение продуктов горения, имеющих более низкую прочность твердой фазы. За счет высокой скорости уплотнения продуктов горения становятся прочнее теплоизолятора. Усилие прессования распределяется пропорционально прочности уплотняемых зон. Соответственно деформирование зоны Б с продуктами горения осуществляется при большем усилии, чем зоны А. Увеличение доли усилия прессования, приходящейся на продукты горения, приводит к повышению плотности синтезируемого материала. Кроме того, снижение энергосиловых затрат на уплотнение теплоизолирующей оболочки позволяет получать беспористые материалы при умеренных давлениях прессования. Изменения скорости осевой деформации и уплотнения материала в зоне А осуществляется путем изменения высоты жесткой опоры 5.

П р и м е р. Получают твердосплавное изделие из смеси порошков состава Ti + C + 20% Ni при стехнометрическом соотношении титана и углерода. После смешивания порошков в шаровой мельнице в течение 24 ч прессуют шихтовые заготовки диаметром 78 мм, высотой 22 мм с относительной плотностью 0,65. Высокотемпературный синтез в режиме горения твердого сплава ТiC + 20% Ni осуществляют в матрице диаметром 125 мм на прессе Д 1932 с усилием 1600 кН. Теплоизолятором является речной песок, просеянный через сито 1,0. При прессовании в матрице с плоским дном толщина синтезированного изделия составила 15 ± 0,2 мм. При прессовании в матрице с жесткой опорой диаметром 78,0 мм и высотой 20 мм толщина синтезированной заготовки составила 14,3 ± 0,2 мм.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют за счет перераспределения усилий деформирования продуктов горения и теплоизолятора увеличить плотность синтезированного материала и повысить КПД прессового оборудования.

Формула изобретения

1. Способ получения изделий из порошковых материалов, включающий приготовление экзотических смесей порошков, прессование смеси в брикет, размещение его в теплоизолирующей пористой оболочке и в матрице, инициирование реакции горения и горячее прессование продуктов горения совместно с оболочкой, отличающийся тем, что прессование продуктов горения осуществляют с более высокой скоростью деформации, чем прессование оболочки.

2. Устройство для получения изделий из порошковых материалов, содержащее емкость, выполненную в виде корпуса с основанием, размещенный в нижней части емкости узел зажигания, выполненный в виде спирали-нагревателя, отличающееся тем, что оно снабжено жесткой опорой, установленной на дне основания и выполненной в виде призмы с поперечным сечением, имеющим форму и размеры поперечного сечения получаемого изделия.

РИСУНКИ

Рисунок 1