Способ получения высокоплотных материалов и изделий реакционным спеканием под давлением

 

Способ включает приготовление смеси порошков экзотермического состава, прессование из смеси шихтовых заготовок, размещение их в пористой теплоизолирующей оболочке, инициирование реакции горения и спекание продуктов горения под давлением в оболочке, причем шихтовые заготовки плакируют экзотермическим веществом с газообразными продуктами горения. Способ позволяет уменьшить толщину теплоизолирующей оболочки и повысить жесткость деформирующей среды и размерную точность изделий.

Способ относится к порошковой металлургии, в честности к способам получения компактных тугоплавких соединений и твердых сплавов из экзотермических порошковых смесей.

Известен способ получения компактных материалов из экзотермических порошковых смесей, включающий прессование смеси в брикет, размещение его в графитовой закрытой матрице, инициирование реакции горения и горячее прессование продуктов синтеза. Для уменьшения теплопотерь стенки матрицы нагревают с помощью индукционного нагрева /И.П.Боровинская, Г.А.Вишнякова, В.М.Маслов, А. Г. Мержанов. О возможности получения компактных материалов в режиме горения. В кн.: Процессы горения в химической технологии и металлургии. - Черноголовка, 1975, с. 148/.

Недостаток известного способа состоит в том, что из-за низкой прочности графитовой матрицы давление прессования незначительно и составляет 5 - 6 МПа. Такого давления недостаточно для получения беспористого материала. Максимальная относительная плотность изделий составляет 0,83.

Известен способ получения высокоплотного материала реакционным спеканием под давлением, включающий приготовление смеси порошков экзотермического состава, прессование из нее шихтовых заготовок, размещение их в пористой теплоизолирующей оболочке, инициирование реакции горения и спекание продуктов горения под давлением в оболочке /Сб. аннотаций N 3 "Самораспространяющийся высокотемпературный синтез", Черноголовка, 1989, с. 15, реферат заявки Японии N 63 - 170274, 1988, кл. C 04 B 35/64/. В качестве теплоизолирующей оболочки используется песок или подобные ему сыпучие материалы, имеющие низкую теплопроводность. Пористый теплоизолятор исключает соприкосновение горячих продуктов горения с внутренней поверхностью матрицы и пуансоном. Инструмент изготавливается из стали, что позволяет существенно увеличить давление прессования (до 150 - 200 МПа) и получать практически беспористый материал.

Недостаток известного способа состоит в том, что теплозащитная оболочка имеет нормальную температуру и находится в непосредственном контакте с горячими продуктами синтеза, температура которых составляет 2000^oC и выше. Поэтому несмотря на низкую теплопроводность пористой оболочки из-за сверхвысокого градиента температуры в пограничном слое скорость охлаждения продуктов горения довольно велика. Быстрое охлаждение, особенно в начальный момент времени, приводит к потере способности целевого продукта к пластическому деформирования и уплотнению. Второй недостаток обусловлен тем, что эффективность теплоизоляции определяется в основном толщиной оболочки. Но увеличение толщины оболочки приводит к снижению ее жесткости как деформирующей среды. В свою очередь, "мягкий" инструмент не позволяет осуществлять точное формоизменение деформируемого объекта. Например, в известном способе из-за низкой жесткости деформирующей среды нельзя обеспечить равномерную деформацию при неоднородном распределении температуры в уплотняемых продуктах горения. Эта неоднородность обусловлена прежде всего несинхронным нагревом и охлаждением отдельных объемов при движении волны горения по шихтовой заготовке. Температура объемов, прореагировавших в первую очередь, будет ниже, чем температура объемов, через которые только что прошел фронт горения. Поэтому к моменту приложения давления прессования в продуктах горения формируется неоднородное температурное поле - при приближении к эпицентру волны горения температура материала уменьшается. Противоположным образом изменяется прочность материала и реакция на инструмент-оболочку. Из-за податливости деформирующей среды деформация холодных объемов будет меньше, чем горячих, и изделие имеет клинообразную форму - высота заготовки увеличивается при приближении к точке поджига. Неравномерная толщина приводит к увеличению припуска на механическую обработку. Кроме того, из-за меньшей деформации материал в охлажденных объемах имеет пониженную плотность. Попытки увеличить жесткость деформирующей среды за счет уменьшения толщины теплоизолирующей оболочки приводит к уменьшению ее температурного сопротивления и увеличению скорости охлаждения синтезированного материала.

Существо изобретения заключается в том, что для получения высокоплотных материалов и изделий реакционным спеканием под давлением производят приготовление смеси порошков экзотермического состава, прессование из смеси шихтовых заготовок, размещение их в пористой теплоизолирующей оболочке, инициирование реакции горения и спекание продуктов горения под давлением в оболочке, причем шихтовые заготовки плакируют экзотермическим веществом с газообразными продуктами горения.

Существенное отличие предлагаемого способа состоит в том, что шихтовую заготовку покрывают оболочкой из экзотермического вещества с газообразными продуктами горения. Горение оболочки происходит синхронно с горением шихтовой заготовки. Газы, образующиеся при горении экзотермической оболочки, являются, во-первых, эффективным теплоизолятором, и, во-вторых, действуют как дополнительный источник тепла в зоне контактного теплообмена. В результате существенно уменьшается теплоотдача от продуктов горения и они длительное время сохраняют способность к пластическому деформированию. Образование высокотемпературной атмосферы вокруг синтезированного материала позволяет уменьшить толщину пористой теплоизолирующей оболочки, а в некоторых случаях, при достаточно высокой тепловой мощности плакирующего слоя проводить процесс уплотнения непосредственно в жесткой матрице. Уменьшение толщины пористого теплоизолятора приводит к увеличению жесткости размерной точности изделия.

Способ осуществляется следующим образом. Приготавливают смесь порошков экзотермического состава, при горении которой образуются тугоплавкие соединения (карбиды, бориды) или материалы на их основе (металлокерамические сплавы). Из полученной смеси холодным прессованием изготавливают шихтовую заготовку заданной формы. Шихтовую заготовку покрывают оболочкой из экзотермического вещества, которое при горении образует только газообразные продукты. Этому требованию в наибольшей степени отвечают взрывчатые нитросоединения, в частности пироксилин. Шихтовую заготовку, плакированную пироксилином, размещают в пористой теплоизолирующей оболочке и в стальной матрице. Затем в заготовке инициируют реакцию горения. При движении волны горения по заготовке происходит воспламенение экзотермического плакирующего слоя. При сгорании плакирующего слоя горячие газы образуют защитную атмосферу вокруг синтезированного материала и нагревают поверхность деформирующей среды. В совокупности эти процессы приводят к уменьшению скорости охлаждения целевого продукта во время технологической паузы, необходимой для сгорания всего объема шихтовой заготовки, и при его взаимодействии с деформирующей средой. Продуктами горения пироксилина являются азот, вода и окислы углерода, т. е. те же вещества, из которых состоит воздух. Поэтому при проведении процесса в воздушной атмосфере плакирование шихтовой заготовки пироксилином или другими взрывчатыми нитросоединениями не оказывает качественного влияния на химические реакции между реагентами экзотермической смеси и состав целевого продукта. После сгорания всего объема шихтовой заготовки осуществляют горячее прессование продуктов синтеза и получают высокоплотный материал или изделие заданной формы. Удаление газообразных продуктов горения плакирующего слоя при прессовании осуществляется путем фильтрации через пористый теплоизолятор.

Пример. Получают изделие из смеси порошков, соответствующей твердому сплаву марки СТИМ-5. Готовят экзотермическую смесь порошков титана, углерода, никеля и легирующих компонентов. После смешивания порошков в шаровой мельнице в течение 24 ч прессуют квадратные шихтовые заготовки со стороной 70х70 мм, высотой 11 мм и относительной плотностью 0,65. Реакционное спекание под давлением сплава СТИМ-5 осуществляют в матрице диаметром 125 мм на прессе Д 1932 с усилием прессования 1600 кН. Сравнивают два варианта получения твердосплавного изделия. В I-ом варианте используют обычную шихтовую заготовку. Во II-ом варианте шихтовую заготовку покрывают слоем пироксилина толщиной 0,2 мм. Заготовки помещают в специальные пресс-формы с песчаной теплоизолирующей оболочкой. Толщина теплоизолятора для обычной заготовки составляет 10 мм, для плакированной заготовки - 2 мм. В шихтовых заготовках инициируют реакцию горения и после сгорания прессуют горячие продукты синтеза. После выдержки под давлением в течение 15 с твердосплавные изделия извлекают из пресс-формы и охлаждают. При использовании обычной шихтовой заготовки и массивного теплоизолятора разнотолщинность изделия составляет 2,3 мм. В варианте плакирования шихтовой заготовки пироксилином и применения тонкослойного теплоизолятора разнотолщинность изделия равна 0,8 мм.

Приведенный пример показывает, что применение плакирования шихтовой заготовки экзотермическим веществом с газообразными продуктами горения позволяет уменьшить толщину теплоизолирующей оболочки и повысить жесткость деформирующей среды и размерную точность изделий.

Формула изобретения

Способ получения высокоплотных материалов и изделий реакционным спеканием под давлением, включающий приготовление смеси порошков экзотермического состава, прессование из смеси шихтовых заготовок, размещение их в пористой теплоизолирующей оболочке, инициирование реакции горения и спекание продуктов горения под давлением в оболочке, отличающийся тем, что шихтовые заготовки плакируют экзотермическим веществом с газообразными продуктами горения.