способ получения изделий из порошковых материалов

Формула изобретения

1 Способ получения изделий из порошковых материалов, включающий приготовление экзотермической смеси порошков, прессование заготовки, размещение ее в теплоизолирующей пористой оболочке, инициирование реакции горения и спекание продуктов горения под давлением совместно с оболочкой, отличающийся тем, что размещение заготовки осуществляют в оболочке из разнородного материала, причем размещение заготовки в ней проводят путем загрузки в матрицу, заполнения рабочего объема со стороны верхней и нижней торцевых поверхностей заготовки материалом, который прочнее продуктов горения, и окружающего заготовку по периметру объема материалом, прочность которого равна или меньше прочности продуктов горения, а спекание под давлением проводят путем горячего прессования в матрице.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ получения твердосплавных изделий, включающий прессование брикета из экзотермической смеси порошков металлов и неметаллов, горение брикета и прессование горячих продуктов горения в графитовом стакане. Для уменьшения теплопотерь стенки стакана нагревают с помощью индукционного нагрева [1]

Недостатком указанного способа является невозможность применения высокого давления прессования для достижения большей степени уплотнения материала. Это связано с тем, что из-за низкой прочности графитового стакана давление прессования получаемых изделий незначительно и составляет всего 5-6 МПа. Максимальная относительная плотность получаемых изделий составляет 0,75-0,83.

Наиболее близким аналогом описываемого способа является способ получения высокоплотного материала реакционным спеканием под давлением, включающий приготовление смеси порошков экзотермического состава, прессование из нее заготовок, размещение их в пористой теплоизолирующей оболочке, инициирование реакции горения и спекание под давлением в оболочке [2]

Недостаток этого способа состоит в том, что заготовка помещается в однородную среду, прочность которой при уплотнении становится выше прочности горячих продуктов горения. Это, во-первых, нарушает равенство радиальных напряжений на границе заготовки и теплоизолятора, что приводит к низкому качеству формы получаемого изделия. Во-вторых, неэффективно используется усилие пресса.

В предлагаемом способе получения изделий из порошковых материалов производят 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 в неоднородной среде: оболочку выше и ниже опорных плоскостей заготовки выполняют из материала, который прочнее продуктов горения, а оболочку, окружающую заготовку, по периметру выполняют из материала, прочность, которого равна или меньше прочности продуктов горения.

Существенное отличие предлагаемого способа состоит в том, что заготовка помещена в неоднородную пористую среду. Объемы, расположенные выше и ниже опорных плоскостей заготовки, заполнены материалом, например, песком, который прочнее продуктов горения. Прочность объемов, окружающих заготовку по периметру, равна или меньше прочности продуктов горения. Тем самым, во-первых, при прессовании обеспечивается равенство радиальных напряжений на границе заготовки и теплоизолятора. Боковая поверхность сохраняет свою первоначальную форму (цилиндрическая или плоская). Вследствие повышения размерной точности заготовки уменьшается объем механической обработки и увеличивается выход годного. Во-вторых, снижается усилие, затрачиваемое на совместное деформирование продуктов горения и теплоизолятора, окружающего заготовку по ее периметру. Это позволяет получать максимальное уплотнение материала при сравнительно небольших усилиях пресса.

Существо предлагаемого способа поясняется чертежом.

Пресс-форма для осуществления способа состоит из основания 1, промежуточного кольца 2, корпуса 3 и пуансона 4. Промежуточное кольцо 2 снабжено инициирующим устройством со спиралью 5 для поджига шихтовой заготовки 6.

Изделие получают следующим образом. Полость "А" основания 1 заполняют теплоизолирующим пористым материалом, например, песком. На песок в центр основания 1 помещают заготовку 6, представляющей собой спрессованный брикет из экзотермической смеси порошков. На основание 1 устанавливают промежуточное кольцо 2 со спиралью 5, подключенной к источнику питания постоянного или переменного тока. Затем полость "В" промежуточного кольца 2 заполняется пористым материалом, прочность которого меньше или равна прочности горячих продуктов горения. Высота слоя пористой среды пониженной прочности равна высоте шихтовой заготовки 6. Оставшуюся полость "С" промежуточного кольца 2, как и основание 1, заполняют песком. В итоге заготовка 6 оказывается помещенной в неоднородную пористую среду: прочность объемов "А" и "С" выше прочности объема "В". Сборка пресс-формы завершается установкой корпуса 3 и пуансона 4. При подаче электрического импульса на спираль 5 осуществляют поджиг шихтовой заготовки 6. Горение экзотермической смеси протекает в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. После прохождения волны горения по всему объему заготовки производят прессование горячих продуктов горения совместно с пористой средой. Затем осуществляют выдержку в течение заданного промежутка времени, снимают давление прессования и готовое изделие извлекают из пресс-формы. Если оболочка "В" и продукты горения одинаково сопротивляются деформации, то радиальные напряжения на границе заготовки и теплоизолятора будут уравновешены в течение всего времени прессования. В этом случае в изделии с высокой точностью воспроизводится форма, которая была задана исходной шихтовой заготовке. При уменьшении прочности оболочки "В" увеличивается доля усилия прессования, приходящаяся на продукты горения, и повышается прочность синтезированного материала. Таких же положительных результатов следует ожидать при осуществлении способа в однородной среде, если всю теплоизолирующую оболочку (т.е. объемы А. В и С) выполнить из материала с разной или меньшей прочностью, чем у продуктов горения. Однако необходимо учесть следующее. Условием получения беспористого материала является наличие жидкой фазы при деформировании продуктов горения. Прессование проводят при непрерывном теплоотводе от заготовки. Поэтому время прессования должно быть меньше времени существования жидкой фазы. Время прессования отсчитывается от начала рабочего хода пуансона 4 до набора заданного давления компактирования и зависит от скорости упрочнения пористой среды. Так как скорость упрочнения объемов "А" и "С" выше, чем объема В, то время прессования в неоднородной среде будет меньше по сравнению с временем прессования в однородной среде с низкой прочностью. По этой причине предпочтительнее осуществление способа в неоднородной среде.

Способ поясняется следующими примерами.

Пример 1. Получают твердосплавное изделие из смеси порошков состава Ti + C + 20% Ni при стехиометрическом соотношении титана и углерода. После смешивания порошков в шаровой мельнице в течение 24 часов прессуют шихтовые заготовки диаметром 78 мм, высотой 22 мм с относительной плотностью 0,65. Синтез и прессованрие производят в пресс-форме диаметром 125 мм на прессе Д1932 с усилием 1600 кН. Слои теплоизолятора, расположенные сверху и снизу опорных плоскостей заготовки, формируют из речного песка. Объемы, окружающие заготовку по ее периметру, заполняют смесью шамотной крошки с песком в соотношении 5: 1 (по объему). После сборки пресс-формы осуществляют сжигание шихтовой заготовки и прессование горячих продуктов горения совместно с теплоизолятором усилием 1600 кН. Толщина синтезированной заготовки равна 12 мм, боковая поверхность является цилиндрической: значения диаметров по высоте заготовки составляют 780,2 мм. Данный состав теплоизолятора имеет одинаковую прочность с продуктами горения.

Пример 2. Получают твердосплавное изделие по примеру 1, но объемы, окружающие заготовку по периметру, заполняют исключительно шамотной крошкой. В этом случае изделие высотой 12 мм было получено при усилии 1300 кН. Боковая поверхность изделия имеет бочкообразную форму, что свидетельствует о более низкой прочности теплоизолятора по сравнению с продуктами горения.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет за счет повышения размерной точности изделий увеличить выход годного, а также уменьшить усилие прессования при уплотнении продуктов горения на заданную величину.