Способ изготовления порошковых многослойных изделий

 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления триметаллических порошковых изделий типа "бронза - железо - бронза". Способ включает подготовку компактной подложки, формование трехслойной заготовки "порошок - подложка - порошок", ее спекание, кратковременный нагрев перед горячим доуплотнением токами высокой частоты при напряженности магнитного поля 10-20 кА/м и частоте 8-20 кГц и горячее доуплотнение. Причем подготовка компактной подложки включает формирование на ее поверхностях, обращенных к порошковым слоям, остроугольных рифлений, расположенных концентрически с шагом 2-5 мм, с углом при вершине 40-60°, высотой 0,5-1,5 мм, одна из боковых поверхностей которых параллельна направлению действия внешних сил при прессовании. Способ позволяет повысить качество порошковых многослойных изделий "бронза - железо - бронза" за счет формирования бездефектных заготовок, характеризующихся отсутствием расслоения между поверхностями порошкового покрытия и подложки, и уменьшения трудоемкости получения изделий. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способу изготовления триметаллических порошковых изделий типа "бронза - железо - бронза".

Известен способ изготовления триметаллических пластин (Ю.Г. Дорофеев. Динамическое горячее прессование в металлокерамике. - М: Металлургия, 1972, 176 с.), включающий подготовку подложки из малоуглеродистой стали путем пробивки отверстий по всей поверхности листовой жести, формирование трехслойной заготовки "порошок - жесть - порошок", ее спекание, кратковременный нагрев в электропечи перед горячим доуплотнением и горячее доуплотнение.

Данная технология характеризуется низким качеством получаемых изделий ввиду низкой прочности соединения компактной подложки и порошкового слоя.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления порошковых многослойных изделий (пат. N 2090371, В 22 F 7/04, 1997, бюл. N 26). Способ включает подготовку компактной подложки путем формирования в ней цилиндрических отверстий, имеющих заходные конические, а также переходную цилиндрическую поверхности, расположенные с шагом, равным диаметру основания конуса, и обеспечивающих повышение объема внутренних полостей до 30 - 60 об.% подложки, формирование трехслойной заготовки "порошок - подложка - порошок", ее спекание, кратковременный нагрев в электропечи перед горячим доуплотнением и горячее доуплотнение.

Недостатком данного способа является невозможность получения качественных многослойных изделий "бронза - железо - бронза" в случае, когда толщина железного слоя значительно превышает толщину бронзовых слоев.

Решаемые задачи - повышение качества порошковых многослойных изделий "бронза - железо - бронза" за счет формирования бездефектных заготовок, характеризующихся отсутствием расслоения между поверхностями порошкового покрытия и подложки и уменьшение трудоемкости получения изделий.

Задачи решаются путем подготовки компактной подложки, формирования трехслойной заготовки "порошок - подложка - порошок", ее спекания, кратковременного нагрева перед горячим доуплотнением и горячего доуплотнения. Причем подготовка компактной подложки включает формирование на ее поверхностях, обращенных к порошковым слоям, остроугольных рифлений, расположенных концентрически с шагом 2 - 5 мм, с углом при вершине 40 - 60^o, высотой 0,5 - 1,5 мм, одна из боковых поверхностей которых параллельна направлению действия внешних сил при прессовании. В отличие от известного способа кратковременный нагрев заготовки перед горячим доуплотнением производится токами высокой частоты в индукторе при напряженности магнитного поля 10 - 20 кА/м и частоте 8 - 20 кГц.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что оно отличается от известного способом подготовки компактной подложки, а также способом кратковременного нагрева многослойной заготовки перед горячим доуплотнением с использованием токов высокой частоты.

Предлагаемый способ подготовки компактной подложки имеет следующие преимущества перед описанным в прототипе: не ослабляет сечение подложки большим количеством отверстий; значительно производительнее; рифления, деформируясь в процессе горячего доуплотнения, захватывают бронзовый слой и обеспечивают качественное соединение слоев при различных соотношениях толщин подложки и порошковых слоев.

Предлагаемый способ нагрева многослойной заготовки перед горячим доуплотнением при напряженности магнитного поля 10-20 А/м и частоте 8-20 кГц имеет следующие преимущества в сравнении с нагревом в электропечи, применяемым в прототипе. Нагрев трехслойной заготовки токами высокой частоты обеспечивает получение в теле заготовки градиента температур, при котором большая часть объема компактной подложки нагревается до температуры, превышающей температуру плавления бронзы, в то время как нагреваемые за счет теплопередачи от подложки бронзовые слои остаются в твердом состоянии. При этом улучшаются условия пластического деформирования компактной подложки при горячем доуплотнении, что, в свою очередь, обеспечивает повышение качества соединения слоев. Кроме того, значительно сокращается время нагрева.

На чертеже представлена схема осуществления предлагаемого способа: а - нижний порошковый слой в насыпном состоянии; б - компактная подложка с рифлениями, установленная на нижний порошковый слой; в - трехслойная заготовка с порошковыми слоями в исходном насыпном состоянии; г - спрессованная давлением P_хп пористая трехслойная заготовка; д - трехслойная заготовка после горячего доуплотнения с деформированными рифлениями.

Примеры конкретного выполнения.

Изготовление порошковых трехслойных цилиндрических образцов производят по следующей технологии: засыпка в пресс-форму бронзового порошка БрО5Ц5С5; установка на слой бронзового порошка компактной подложки с рифлениями, засыпка бронзового порошка верхнего слоя; совместное холодное прессование трехслойной заготовки давлением P_хп = 300 МПа, ее спекание при температуре 830^oC в течение 2 ч в среде диссоциированного аммиака; кратковременный индукционный нагрев перед горячей штамповкой; горячая штамповка при удельной работе деформации 200 МДж/м³. Примеры изготовления трехслойных цилиндрических образцов приведены в таблице.

Пределы варьирования параметров рифлений определены в соответствии с требованием обеспечения качества соединения порошковых слоев с компактной подложкой, которое оценивалось по трем критериям: отсутствие расслоения при холодном прессовании, спекании и горячем доуплотнении, захват рифлениями бронзового слоя и порошковых слоев с компактной подложкой: τ_ср = 145...160 МПа, что превышает прочность бронзового слоя.

Уменьшение шага рифлений менее 2 мм не приводит к возрастанию прочности соединения (пример 1), а увеличение шага более 5 мм снижает прочность и вызывает образование расслоений между поверхностями порошкового покрытия и подложки (пример 4) (см. таблицу).

Уменьшение угла при вершине менее 40^o и высоты рифлений менее 0,5 мм уменьшает напряжение среза (пример 1), а увеличение высоты рифлений более 1,5 мм не приводит к его росту (пример 4). Увеличение угла при вершине рифлений более 60^o уменьшает длину, на которой рифления захватывают бронзовый слой, поскольку при этом затрудняется их деформация в процессе горячего доуплотнения (пример 4).

Интервал варьирования напряженности магнитного поля и частоты при индукционном нагреве определен из условий обеспечения требуемого градиента температур в теле заготовки и неоплавления бронзовых порошковых слоев. Уменьшение напряженности магнитного поля менее 10 кА/м и частоты менее 8 кГц не обеспечивает создания в теле заготовки требуемого градиента температур. Увеличение напряженности магнитного поля более 20 кА/м и частоты более 20 кГц приводит к оплавлению бронзового слоя.

Формула изобретения

Способ изготовления порошковых многослойных изделий, включающий подготовку компактной подложки, формирование трехслойной заготовки "порошок - подложка - порошок", ее спекание, кратковременный нагрев перед горячим доуплотнением и горячее доуплотнение, отличающийся тем, что на поверхностях компактной подложки, обращенных к порошковым слоям, формируют остроугольные рифления, расположенные концентрически с шагом 2-5 мм, с углом при вершине 40-60^o, высотой 0,5-1,5 мм, одна из боковых поверхностей которых параллельна направлению действия внешних сил при прессовании, а кратковременный нагрев производят токами высокой частоты при напряженности магнитного поля 10-20 кА/м и частоте 8-20 кГц.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2