Способ прессования порошковых материалов и устройство для его осуществления (варианты)

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам прессования порошковых материалов в присутствии жидкости. Способ прессования порошковых материалов включает введение в порошок летучей жидкости и прессование. Жидкость подают со стороны прессующего пуансона в количестве 0,2-3 объема пор прессовки. Возможно прессование с одновременной подачей жидкости до окончания процесса. Данным способом можно осуществлять прессование непластичных порошков без пластификатора, частичное удаление пластификатора и пропитку. Пресс-форма содержит матрицу, верхняя часть которой содержит внутреннюю полость, полость для жидкости и внешнюю часть. Устройство для подачи жидкости представляет собой цилиндр с симметричными сквозными отверстиями в стенках и содержит поршень для подачи жидкости во внутреннюю полость матрицы. Техническим результатом является повышение качества изделий. 5 н. и 2 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам прессования порошковых материалов в присутствии жидкости.

Известен способ прессования керамических масс, содержащих жидкость (воду), включающий приготовление смеси, увлажнение и прессование [Р.Я.Попильский, Ф.В.Кондрашов / Прессование керамических порошков. М.: Металлургия, 1968, 272 с./].

Известно устройство для мокрого прессования, содержащее матрицу, верхний и нижний пуансоны с приводами, напорное устройство для заполнения матрицы массой, вакуумную систему для отсоса отжатой при прессовании жидкости и узел для съема отпрессованных изделий. Для повышения производительности и качества изделий узел для съема отпрессованных изделий выполнен в виде размещенной между матрицей и верхним пуансоном приводного шибера с отверстием, превышающим по диаметру отверстие в матрице, на позиции выталкивания изделия, а на позиции прессования - с сеткой и с камерой, соединенной с вакуумной системой. В процессе прессования осуществляют отсос жидкости через сетку отверстий камеры и вакуумную систему [Авторское свидетельство СССР №1519841 МКИ В 22 F 3/00. Опубл. 30.10.89. БИ №41].

Наиболее близким техническим решением является способ агломерации металлических частиц, включающий введение в порошок летучей или испаряющейся жидкости, уплотнение влажных частиц и сушку [Патент РФ №2226139 кл. МПИ В 22 F 1/00. Опубл. 27.03.2004, БИ №9].

Недостатком наиболее близкого технического решения является малая производительность способа, т.к. требуется поэтапно добавлять жидкость и при этом осуществлять выдержку в течение 5-16 часов, вибрационное уплотнение от 4 до 20 минут и отстаивание контейнера по меньшей мере 1 час. Формование осуществляют сушкой при нагреве в течение 10-14 часов и более.

Целью предлагаемого изобретения является разработка способа и устройства для повышения производительности процесса уплотнения порошка с добавлением летучей или легко испаряющейся жидкости, качества изделий после прессования и последующего спекания.

Техническим результатом является повышение качества изделий.

Для достижения поставленной цели в способе мокрого прессования, включающем введение в порошок летучей или испаряющейся жидкости, уплотнение влажных частиц и сушку, согласно предлагаемому изобретению, увлажнение смеси производят в пресс-форме со стороны прессующего пуансона, количество жидкости равно 0,2-3 объемам пор в прессовке с одновременным уплотнением порошка пуансоном.

Конструкция пресс-формы выполнена таким образом, что поршень конструктивно связан с пуансоном и подает дозируемое количество жидкости в зону уплотнения порошка через внутренний цилиндр, имеющий систему отверстий (варианты). Поршень, который подает дозируемое количество жидкости, может быть не связан с пуансоном, а иметь дополнительный источник давления (вариант).

Предлагаемое изобретение стало возможным после того, как авторами было установлено, что при прессовании жидкость образует пограничный слой на частицах смеси и поверхности матрицы [Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1985, с. 555-556].

На стадии структурной деформации жидкость, перемещаясь вместе с частицами порошка, уменьшает межчастичное (внутреннее) трение, уменьшает трение порошка о стенки матрицы (внешнее трение), уменьшает неравно плотность после прессования.

На заключительной стадии структурной деформации жидкость продвигается по поверхности частиц и в пограничном слое уменьшает концентрацию пластифицирующей добавки.

Нижний предел расхода жидкости равен - 0,2 объему пор после прессования. Введенная жидкость удерживается в межчастичном пространстве капиллярными силами, не герметизирует воздух в межчастичном пространстве. Устраняет недостаток, который присущ прессованию предварительно увлажненных порошковых масс.

Верхний предел расхода жидкости равен - 3 объемам пор после прессования. Введенная жидкость, перемещаясь вместе с частицами, позволяет погрузить каждую частицу в раствор. Это позволяет частично удалить пластифицирующую добавку, уменьшить остаточную зольность после термического разложения в процессе спекания.

Увеличение количества жидкости более 3-х объемов пор после прессования не дает существенного отличия ни в увеличении плотности прессованного образца, ни в уменьшении остаточного количества пластификатора.

Пример 1. Навеску 10 г гранулированной смеси промышленного твердого сплава ВК6, замешанного с каучуком, засыпали в матрицу диаметром 16 мм и прессовали при давлении 500 кг/см². После прессования измеряли относительную плотность и вычисляли объем пор в образце. Этот объем пор необходим для расчета количества жидкости. В качестве жидкости использовали этанол.

Мокрое прессование проводили следующим образом. Гранулированную смесь засыпали в пресс-форму, сверху заливали 0,1 мл спирта, что соответствовало 20% объема пор при прессовании обычным (сухим) способом, вводили пуансон в полость матрицы и осуществляли прессование. Глубина погружения пуансона составила 8,18 мм по сравнению с 7,49 мм при обычном (сухом) способе прессования.

Увеличение количества спирта от 0,2 мл (40% объема пор) до 0,4 мл (80% объема пор) практически не влияло на изменения глубины погружения пуансона по сравнению с сухим способом и глубина составляла 7,44-7,62 мм.

Увеличение количества спирта до 0,5 мл (100% объема пор) привело к уменьшению глубины погружения пуансона - 5,67 мм.

Полученные результаты подтверждают, что для уменьшения внешнего трения достаточно небольшого (20%) количества спирта от объема пор.

Количество спирта от 40 до 80% от объема пор не успевает однородно пропитать слой засыпанного порошка и распределиться между перемещающимися частицами. Образуются чередующиеся полости, заполненные воздухом и жидкостью. «Закупорка» происходит еще и потому, что каучук, находящийся на поверхности частиц WC и Со «герметизирует» воздух между частицами в пространстве прессуемого образца.

Спекание образцов в водороде при температуре 1340-1450°С и продолжительности 0,5 часа позволило получить плотность 8,50 г/см² для «сухого» и 9,08 г/см² - для образца прессованного с 20% спирта от объема пор.

Пример 2. Навеску 10 г гранулированной промышленной смеси твердого сплава ВК15 прессовали аналогично Примеру 1.

Перед уплотнением в полость пресс-формы на поверхность засыпанного порошка наливали: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и 0,5 мл спирта. При этом глубина погружения пуансона составляла: 7,07 мм, 8,0 мм, 7,82 мм, 6,48 мм и 5,87 мм - соответственно.

Глубина погружения пуансона при обычном (сухом) методе прессования - 6,39 мм.

Из приведенных результатов видно, что количество спирта от 0,1 до 0,3 мл (от 20% до 60% объема пор) позволяет лучше уплотнить смесь ВК15. Максимальное уплотнение достигнуто при 40% спирта от объема пор.

Пример 3. Навеску 10 г гранулированной промышленной смеси твердого сплава ВК20 прессовали аналогично Примеру 1.

Перед уплотнением в полость пресс-формы на поверхность засыпанного порошка наливали: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и 0,5 мл спирта. При этом глубина погружения пуансона составляла: 7,54 мм; 8,0 мм; 7,78 мм; 6,43 мм; и 6,93 мм - соответственно.

Глубина погружения пуансона при обычном (сухом) методе прессования - 5,81 мм.

Из приведенных значений видно, что при всех количествах спирта, от 0,1 до 0,5 мл (от 20% до 100% от объема пор), введенного на поверхность засыпанной смеси ВК20, удается получить лучшее уплотнение, а максимальное значение достигается при 40% от объема пор.

Пример 4. Прессование длинномерных образцов. Штырь для бурового инструмента.

Навеску 8 г гранулированной смеси промышленного твердого сплава ВК6, замешанного с каучуком, засыпали в матрицу диаметром 8 мм и прессовали при давлении 500 кг/см². После прессования измеряли относительную плотность и вычисляли объем пор в образце. Этот объем пор необходим для расчета количества жидкости. В качестве жидкости использовали этанол.

Мокрое прессование проводили аналогично Примеру 1. Гранулированную смесь засыпали в пресс-форму, сверху заливали 0,08 мл спирта, что соответствовало 20% объема пор при прессовании обычным (сухим) способом, вводили пуансон в полость матрицы и осуществляли прессование.

Получали образцы, у которых высота в 2,4 раза больше диаметра. Высота «h» превосходит номинал формы Г54, указанный в таблице 209 [Твердые сплавы. Справочник. /М.Ю.Баженов, С.Г.Байчман, Д.Г.Карпачев, М.: Металлургия, 1978. с.184].

Спекание по режиму Примера 1 показало, что спеченные образцы сохраняют свою форму, имеют однородную усадку и плотность.

Пример 5. На фиг.1-3 изображена кинематическая схема устройства. Матрица состоит из 2-х частей: первая (верхняя) соответствует зоне структурной деформации порошка (1), вторая (нижняя) - окончанию последнего этапа уплотнения (2).

Верхняя часть состоит из внутреннего цилиндра (3), полости для жидкости (4) и внешней части матрицы (5), обеспечивающей герметизацию между двумя частями (1) и (2) (на фиг.1-3 не показано). Внутренний цилиндр (3) представляет собой полость матрицы, в которой происходит объемное перемещение порошка. Стенки цилиндра имеют симметричные сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость матрицы с полостью для жидкости (4). Размер отверстий рассчитан таким образом, чтобы исключить быстрое, самопроизвольное истечение жидкости.

Количество и размер отверстий рассчитывают исходя из двух основных зависимостей:

- формулы потока,

S_k·V_k=ΣS_o·V_o;

где S_k - площадь цилиндра полости, заполняемой жидкостью,

V_k - скорость перемещения поршня,

S_o - площадь одного отверстия,

V_o - скорость истечения жидкости в полость матрицы

(сжимаемостью жидкости под действием приложенного давления пренебрегаем).

Форму отверстий со стороны полости, заполненной жидкостью, рассчитывают с учетом коэффициента истечения [Справочник по физике. / X. Кухлинг, М.: "МИР", 1982. с.114, 122, 123];

- уравнения смачивания,

диаметра отверстий, природу жидкости, материал внутреннего цилиндра матрицы (3), размеры частиц прессуемого порошка и характера взаимодействия порошка с жидкостью.

Кольцевой поршень (6) имеет уплотнение, которое не позволяет жидкости вытекать из полости (4) вверх через зазор между полостью (4) и поршнем (6) (на фиг.1-3 не показано). Поршень (6) закреплен на верхнем пуансоне (7), причем прессующая поверхность пуансона и поршня находятся в одной плоскости.

Внутренний цилиндр (3) имеет штоки, которые проходят через отверстия в верхней, горизонтальной части поршня (6). Эти штоки позволяют опускать внутренний цилиндр (3) вместе с верхней, внешней частью матрицы (5) и удерживать его неподвижно относительно других частей матрицы во время прессования.

На фиг.4-5 показаны варианты расположения отверстий во внутреннем цилиндре (3). Как видно из чертежей, отверстия расположены «послойно», симметрично по окружности, друг под другом во всех «слоях» или с чередованием по «слоям».

На фиг.6-7 показаны варианты расположения отверстий, преимущественно расположенных в верхней или в нижней части внутреннего цилиндра.

На фиг.8 показан вариант расположения отверстий, совпадающий с глубиной погружения пуансона при «сухом» прессовании в зависимости от давления прессования (зависимость представлена на фигуре справа).

На фиг.9 показан вариант расположения отверстий в обратной зависимости от варианта изображенного на фиг.8.

На фиг.10 показаны варианты размеров и формы отверстий. Отверстия могут быть:

- одного диаметра,

- переменного диаметра по высоте внутреннего цилиндра (3),

- с увеличением диаметра, как показано на фиг.10 (правая часть),

- в любой комбинации (с чередованием, смещением и т.д.).

Для увеличения коэффициента истечения отверстия со стороны подачи жидкости имеют требующую форму (левая часть фиг.10). [Справочник по физике. / X.Кухлинг, М.: МИР, 1982. с.122].

Работа устройства. На фиг.1 изображена стадия засыпки порошка в рабочую полость матрицы. Верхняя часть матрицы (1) герметично соединена с нижней частью (2), исключающей самопроизвольное истечение жидкости из полости (4). После засыпки порошка в полость матрицы в полость (4) подают требуемое количество жидкости. Верхний пуансон (7) совместно с поршнем (6) опускают вниз. Скорость перемещения верхнего пуансона (7) и поршня (6) одинаковы. Это позволяет продавливать жидкость из полости (4) под давлением в матрицу, заполненную порошком.

На фиг.2 начало движения пуансона (слева) и окончание стадии прессования (справа). Жидкость под давлением проходит между стенками пресс-формы и порошком. Жидкость проходит между частицами порошка в матрице. Порошок и жидкость уплотняют верхний пуансон. Движение жидкости между стенками матрицы и частицами порошка подобно движению между поверхностями твердого тела.

Слой жидкости между стенками матрицы и порошком значительно уменьшает внешнее трение.

Слой жидкости между частицами порошка уменьшает межчастичное трение, частично растворяет пластификатор, смывает его с поверхности частиц и выводит из объема прессовки.

Жидкость, прошедшая через порошок и зазор между нижней частью матрицы (2) и нижним пуансоном (8), поступает в приемную чашу (9). Чаша (9) закреплена на нижнем пуансоне и снабжена устройством (на чертеже не показано) для удаления жидкости.

На фиг.3 представлен этап выпрессовывания образца. Верхнюю часть матрицы (1), вместе с поршнем (6) и верхним пуансоном (7) поднимают вверх. Нижний пуансон (8) выталкивает изделие из полости матрицы (2).

Возможны следующие варианты конструкции.

Кольцевой поршень (6) имеет возможность перемещения в вертикальном направлении (регулировки) относительно верхнего пуансона (7). Это позволяет регулировать момент подачи жидкости в полость матрицы при прессовании: одновременно, до уплотнения, после уплотнения верхнего слоя, засыпанного порошка.

Приемная чаша (9) имеет возможность перемещения в вертикальном направлении (регулировки) относительно нижнего пуансона (8).

Если необходимо вводить жидкость в количествах меньших, чем объем полости (4), тогда в конструкцию дополнительно вставляют регулировочные кольца, изменяющие объем полости (высоту полости 4), и поднимают поршень (6) на соответствующую высоту. В этом случае на штоки (на чертежах оси) поршня надевают пружины (на чертежах не показаны), которые позволяют ему при упоре в регулировочное кольцо, смещаться вдоль оси верхнего пуансона (7) до тех пор, пока пуансон не опустится до нижней точки прессования.

Если необходимо увеличить давление подаваемой жидкости, то в этом случае (варианте) поршень (6) не закрепляют на верхнем, прессующем пуансоне (7), а через штоки поршня подают дополнительную нагрузку, необходимую для достижения требуемого давления жидкости. В этом случае для контроля и измерения давления жидкости в боковой поверхности верхней, внешней части матрицы (5) устанавливают датчик давления (на чертежах не показан).

Пример 6. Получение пористого спеченного вольфрамового каркаса для последующей пропитки.

Матрица заполнена порошком вольфрама неполностью. В этом случае совпадение торцевых поверхностей верхнего пуансона и поршня приведут к тому, что до начала уплотнения порошка на его поверхность будет подаваться жидкость. На фиг.11 жидкость из отверстий верхних 4-х «слоев» подается на поверхность до уплотнения.

Порошок вольфрама замешивали с различными пластификаторами, гранулировали, засыпали в пресс-форму и прессовали при давлении 1,0 т/см² в стальной пресс-форме.

По предлагаемому способу наносили на поверхность этанол, а затем прессовали при давлении 1,0 т/см². Прессовку извлекали, сушили и спекали.

Для прессования предпочтительно использовать порошок вольфрама без пластификатора.

Под действием сил гравитации и прессующего пуансона проходило «продавливание» жидкости через прессуемый слой порошка.

Спекание порошковых образцов проводили на печи СШВ-1.2.5/25 в вакууме 6,65·10^-3 Па при температуре 1400°С в течение 4,0 часов. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Таблица. 1
Пористость и предел прочности на сжатие после спекания прессованного вольфрамового порошка.
№	Пластификатор	Пористость после спекания, %	Средняя пористость и доверительный интервал	Предел прочности на сжатие, МПа	Средняя прочность и доверительный интервал
1.	ПВС	44; 44; 44; 43; 43; 42; 42	43,14±0,82	30,6; 25,1; 18,5; 26,2; 30,6; 31,7; 35,0	28,24±4,94
2.	ПЭГ	41; 43; 41; 43; 43; 40; 43; 42	42±1,01	29,5; 33,2; 34,5; 29,5; 31,0; 52,5; 27,3; 35,8	34,16±6,73
3.	Глицерин	41; 41; 41; 41; 42; 40; 39	40,86±0,62	37,1; 50,3; 50,3; 47,0; 30,6; 59,0; 66,7	48,71±8,86
4.	Каучук	40; 41; 39; 39; 41; 39; 39	39,71±0,86	79,1; 86,8; 134,1; 180,3; 83,5; 138,5; 127.5	118,54±33,79
5.	«Мокрое прессование» (этанол)	42; 43; 45; 45; 43	43,6±1,68	22,9; 20,7; 20,1; 22,3; 21,8	21,56±1,44

Отсутствие пластификатора не загрязняет спеченный вольфрамовый каркас. Известно, что пластификаторы после своего разложения оставляют нелетучие примеси, которые находятся на поверхности металлических частиц и оказывают существенное влияние на процесс спекания [Физико-металлургические основы спекания порошков / Скороход В.В., Солонин С.М. - М.: Металлургия, 1984. - 159 с.].

Прессование вольфрамового порошка без пластификатора позволяет упростить технологию прессования непластичных материалов, снизить себестоимость производства.

Пример 7. Варианты конструкции внутреннего цилиндра матрицы (3).

Материал, из которого изготавливают внутренний цилиндр матрицы (3):

- тот же, из которого изготовлены все элементы матрицы;

- антифрикционный материал;

- керамика;

- из спеченного материала, который подвергают мокрому прессованию.

Пример 8. В качестве жидкости используют:

1) - жидкость для пропитки прессовки раствором соли. Прессование порошка вольфрама по Примеру №6 без пластификатора. В качестве жидкости использовали 25% водный раствор сульфата иттрия. Водный раствор соли пропитывает прессуемый вольфрамовый порошок, а после сушки, между частицами вольфрама остается твердый сульфат иттрия.

2) - жидкость, содержащую взвесь твердых частиц. Прессование порошка вольфрама по Примеру №6 без пластификатора. В качестве жидкости использовали водную суспензию алюмината бария (3ВаО·Al₂О₃). Свободно засыпанный в матрицу порошок вольфрама омывает водный раствор мелкодисперсной соли, которая оседает на поверхности вольфрамовых. Жидкость и часть суспензии алюмината бария отжимается и вытекает через пространство между нижним пуансоном и матрицей.

1. Способ прессования порошковых материалов, включающий введение в порошок жидкости и прессование, отличающийся тем, что в порошок вводят летучую жидкость, которую подают со стороны прессующего пуансона в количестве 0,2-3 объема пор прессовки.

2. Способ прессования порошковых материалов, включающий введение в порошок жидкости и прессование, отличающийся тем, что осуществляют прессование непластичных порошков без пластификатора, при этом в порошок вводят летучую жидкость в количестве 0,2-3 объема пор прессовки, причем жидкость вводят перед прессованием на верхнюю поверхность порошка и одновременно с прессованием до окончания процесса.

3. Способ прессования порошковых материалов, включающий введение в порошок жидкости и прессование, отличающийся тем, что в порошок вводят летучую жидкость в количестве 0,2-3 объема пор прессовки и пластификатор, причем жидкость вводят перед прессованием на верхнюю поверхность порошка и одновременно с прессованием до окончания процесса, при этом при прессовании осуществляют частичное удаление пластификатора.

4. Способ прессования порошковых материалов, включающий введение в порошок жидкости и прессование, отличающийся тем, что в порошок вводят летучую жидкость, представляющую собой раствор соли, в количестве 0,2-3 объема пор прессовки, причем жидкость вводят перед прессованием на верхнюю поверхность порошка и одновременно с прессованием до окончания процесса, при этом при прессовании осуществляют пропитку прессовки.

5. Пресс-форма для прессования порошковых материалов, содержащая матрицу, верхний и нижний пуансоны и устройство для подачи жидкости, отличающаяся тем, что матрица состоит из верхней и нижней частей, верхняя часть матрицы содержит внутреннюю полость, полость для жидкости и внешнюю часть, обеспечивающую герметизацию между верхней и нижней частями матрицы, а устройство для подачи жидкости представляет собой цилиндр, стенки которого имеют симметричные сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость матрицы с полостью для жидкости, и содержит поршень для подачи жидкости во внутреннюю полость матрицы.

6. Пресс-форма по п.5, отличающаяся тем, что поршень для подачи жидкости конструктивно связан с верхним пуансоном.

7. Пресс-форма по п.5, отличающаяся тем, что для увеличения давления жидкости поршень для подачи жидкости не связан с верхним пуансоном и имеет дополнительный источник давления.