способ горячего прессования изделий из порошкообразного материала и устройство (варианты) для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ горячего прессования изделий из порошкообразного материала пуансонами через промежуточную порошковую среду и разделительную легкодеформируемую стенку, отличающийся тем, что прессование свободно насыпанного порошкообразного материала между легкодеформируемой разделительной стенкой и смазанным, передающим теплоту формообразующим пуансоном осуществляют посредством нагружения промежуточной порошковой среды, без ее нагрева, конусной поверхностью нагружающего пуансона при перемещении его в направлении, перпендикулярном направлению прессования, в сторону от вершины угла конусности конусной поверхности пуансона.

2. Устройство для горячего прессования полых изделий из порошкообразного материала, содержащее формообразующий пуансон, нагружающий пуансон в виде конусной обоймы и основание, отличающееся тем, что оно снабжено промежуточной порошковой средой и разделительной легкодеформируемой стенкой, нагревательными элементами, установленными в полости формообразующего пуансона, фиксатором, вкладышем и смазкой, укладываемой на наружной поверхности формообразующего пуансона, при этом в основании вкладыша выполнены каналы для отвода газов, а нагружающий пуансон выполнен из двух частей - верхней и нижней, причем на нижней части нагружающего пуансона выполнена направляющая поверхность, сопрягаемая с поверхностью основания, а внутренняя поверхность верхней части нагружающего пуансона ступенчато сопряжена с конусной поверхностью нижней части.

3. Устройство для горячего прессования полых изделий из порошкообразного материала, содержащее нагружающий пуансон в виде конусной оправки, имеющей верхнюю и нижнюю направляющие части, обойму, крышку и поддон, отличающееся тем, что оно снабжено промежуточной порошковой средой и разделительной легкодеформируемой стенкой, нагревательными элементами, установленными на наружной поверхности формообразующего пуансона, при этом в поддоне и крышке устройства выполнены каналы для отвода газов, а верхняя направляющая часть нагружающего пуансона ступенчато сопряжена с конусной поверхностью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной индустрии и может быть использовано для изготовления высокопрочных бетонных и железобетонных изделий (труб, опорных конструкций и т.д.).

Известно использование горячего прессования для прессования цементного камня давлением 50/250 МПа, что позволяет формировать цементный камень, превосходящий по прочностным показателям марку цемента в 8-10 раз, т.е. получается материал по прочностным показателям в 3-5 раз прочнее стали (см. А.А. Пащенко, чл-кор АН УССР и др. "Формирование структуры прессованного цементного камня. Журнал "Цемент" N 1, 1990 г., с.21-22).

При этом горячее прессование цементного камня осуществлялось в лабораторных устройствах, которые не позволяют изготавливать крупные изделия в виде труб, опорных конструкций и т.д.

Таким образом, горячее прессование изделий из бетона позволяет снизить расход бетона и цемента за счет увеличения прочностных показателей бетона. Например, увеличение прочности бетона позволяет уменьшить толщину стенки трубы, т.е. снизить расход материала на изготовление труб.

Известен способ горячего прессования изделий из металлических порошков, включающий предварительное формование заготовки и ее горячее изостатическое прессование в пресс-форме путем передачи давления через сыпучую среду с предварительным нагревом и прессованием сыпучей среды под давлением, равным давлению изостатического прессования при температуре, не превышающей температуру начала спекания материала заготовки (см. а.с. 1007731, МКИ B 22 F 3/14).

Недостатком указанного способа горячего прессования является сложность в осуществлении из-за необходимости предварительного формования заготовок (требуется оборудование для предварительного и окончательного прессования заготовок), что ведет к повышенным энергозатратам, а также низкой производительности труда (затрачивается время на предварительное формование заготовок).

Известен также способ и установка для спекания порошка в порошковом наполнителе, заключающийся в том, что спекаемый металлический порошок внедряют в пористую массу сыпучего огнеупорного наполнителя, который равномерно передает давление на спекаемый порошок, а затем пористый наполнитель помещают в установку, с помощью которой осуществляют многоосное сжатие порошка, сообщая массе усилия, оси которых пересекаются в центре пористой массы, причем каждая ось направлена под прямым углом к смежным осям, одновременно с приложением давления пористый наполнитель нагревают, спекая внедренный в него металлический порошок. На первой стадии спекания к пористому наполнителю одновременно прикладывают независимые усилия первой величины, которые действуют последовательно и циклично на спекаемый порошок, на третьей завершающей стадии к наполнителю одновременно прикладывают усилия третьей величины, которые превышают величины усилий на второй стадии спекания (см. патент США 4414028, МКИ В 22 F 3/14, В 22 F 3/16, НКИ 419/31).

Однако указанный способ горячего изостатического прессования порошков обладает следующими недостатками.

Во-первых, указанный способ сложно осуществить, т.к. многостороннее приложение давления пуансонами требует сложного оборудования (гидроцилиндров, матриц и т. д.), при этом движение пуансонов в указанном способе требует сложной наладки прессующего оборудования.

Во-вторых, указанный способ нагружения пуансонами промежуточной порошковой среди строго по направлению перемещения пуансонов требует значительных энергозатрат.

В-третьих, указанный способ не позволяет изготавливать полые изделия (трубы), что снижает область применения указанного способа, т.е. технологические возможности способа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство по а.с. N 1016068, кл. В 22 F 3/02, 1981 г., содержащее эластичную матрицу, формообразующий пуансон, обойму с внутренней конической поверхностью, вставку, верхние и нижние сегменты и устройство по а.с. N 1265010, кл. В 22 F 3/02, 1986 г., содержащее эластичную матрицу, пуансон, выполненный в виде конусной оправки, обойму, крышку, поддон, пружинные кольца, сегменты и крепежные элементы.

Указанный способ за счет клина позволяет прикладывать значительные давления к прессующему материалу (до 700 MПa) при сравнительно невысоких внешних давлениях на торец клина.

Недостатком указанного способа прессования является то, что его нельзя использовать для горячего прессования из-за того, что эластичная матрица разрушается при температуре свыше 100^oC. Кроме этого, устройства известного способа не позволяют подводить теплоту к прессуемой порошкообразной смеси.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей, снижение энергозатрат, материалоемкости спрессованных изделий, повышение производительности и упрощение устройств способа горячего прессования изделий.

Указанная задача решается тем, что прессование свободнонасыпанного порошкообразного материала между легкодеформируемой разделительной стенкой и смазанным передающим теплоту формообразующим пуансоном осуществляют посредством нагружения промежуточной порошковой среды без ее нагрева конусной поверхностью нагружающего пуансона при перемещении его в направлении, перпендикулярном направлению прессования, в сторону от вершины угла конусности конусной поверхности пуансона, при этом устройство горячего прессования с напрессовкой порошкообразного материала на наружную поверхность формообразующего пуансона снабжено промежуточной порошковой средой, легкодеформируемой разделительной стенкой, нагревательными элементами, установленными в полости формообразующего пуансона, фиксатором, вкладышем и смазкой, укладываемой на наружной поверхности формообразующего пуансона, при этом в основании вкладыша выполнены каналы для отвода газов, а нагружающий пуансон выполнен из двух частей - верхней и нижней, причем на нижней части нагружающего пуансона выполнена направляющая поверхность, сопрягаемая с поверхностью основания, а внутренняя поверхность верхней части нагружающего пуансона ступенчато сопряжена с конусной поверхностью нижней части. Устройство горячего прессования полых изделий с напрессовкой порошкообразного материала на внутреннюю поверхность формообразующего пуансона снабжено промежуточной порошковой средой, легкодеформируемой разделительной стенкой, нагревательными элементами, установленными на наружной поверхности формобразующего пуансона, при этом в поддоне и крышке устройства выполнены каналы для отвода газов, а верхняя направляющая часть нагружающего пуансона ступенчато сопряжена с конусной поверхностью.

Предлагаемый способ горячего прессования иллюстрируется на работе следующих устройств.

Пример 1.

На фиг. 1 изображено устройство для горячего прессования полых изделий в виде труб с напрессовкой порошкообразного материала на наружную поверхность формообразующего пуансона.

Устройство содержит полый нагружающий пуансон в виде конусной обоймы, состоящей из верхней 1 и нижней 2 частей, промежуточную порошковую среду 3, легкодеформируемую стенку 4, основание 5, формообразующий пуансон 6, нагревательные элементы 7, смазку 8, укладываемую на наружной поверхности формообразующего пуансона 6, вкладыш 9 и фиксатор 10.

Устройство работает следующим образом.

Вначале на формообразующий пуансон 6 наносят смазку 8, а затем на основание 5 с формообразующим пуансоном 6 устанавливают разделительную стенку 4. После этого в зазор между формообразующим пуансоном 6 и стенкой 4 засыпают прессуемый порошок. Далее устанавливают нижнюю часть 2 нагружающего пуансона и в полость, образуемую стенкой 4 и внутренней поверхностью нижней части 2 нагружающего пуансона, засыпают промежуточную порошковую среду 3, устанавливают вкладыш 9, фиксируют его фиксатором 10 и производят досыпку огнеупорной массы 3 до верхнего торца нижней части 2 нагружающего пуансона. После этого надевают верхнюю часть 1 прессующего пуансона. Закончив сборку устройства, включают нагревательные устройства 7 и нагревают формообразующий пуансон 6, который в свою очередь подводит тепло к прессуемому порошкообразному материалу (порошку). Затем к верхней части 1 нагружающего пуансона прессом (на фиг. не изображен) прикладывают усилие. Под действием пресса верхняя 1 и нижняя части нагружающего пуансона перемещаются по вертикали в сторону от вершины угла конусной поверхности пуансона и конусной поверхностью прижимают прессуемый порошок через порошковую среду 3 и разделительную стенку 4 к формообразующему пуансону 6. При этом для усиления эффекта прессования и выравнивания давления по высоте прессуемого изделия часть сыпучей массы между внутренней поверхностью части 2 нагружающего пуансона и вкладышем 9 ступенью верхней части 1 нагружающего пуансона перемещается внутрь камеры устройства.

В процессе прессования порошкообразного материала при высокой температуре из него выделяется воздух и газы, которые отводятся по специальным каналам, выполненным в основании 5 и вкладыше 9.

По окончании процесса прессования отключают нагревательные элементы 7 и остужают устройство. После этого снимают нагружающий пуансон (части 2 и 1), порошковую среду 3, снимают также фиксатор 10 с вкладышем 9 и извлекают спрессованное изделие.

Для получения следующего изделия цикл повторяют заново.

Пример 2.

На фиг. 2 изображено устройство для горячего прессовании изделий с напрессовкой порошкообразного материала на внутреннюю поверхность формообразующего пуансона.

Устройство содержит нагружающий пуансон 1 в виде конусной оправки со ступенью и с верхней и нижней направляющими частями, промежуточную порошковую среду 2, легкодеформируемую разделительную стенку 3, формообразующий пуансон 4, на внутреннюю поверхность которого нанесена смазка 5, крышку 6, поддон 7, фиксирующие элементы 8 и нагревательные элементы 9.

Устройство работает следующим образом.

Вначале в отверстие поддона 7 вставляют нагружающий пуансон 1, нагружающая часть которого выполнена сопрягаемой с отверстием поддона 7, а затем на поддон 7 устанавливают формообразующий пуансон 4, прикрепив его к поддону 7 фиксирующими элементами 8 и нанеся смазку 5 на его внутреннюю поверхность. После этого на поддон 7 устанавливают разделительную стенку 3 и в полость, образуемую стенкой 3 и внутренней поверхностью формообразующего пуансона, засыпают прессуемый порошкообразный материал (порошок), а в полость между нагружающим пуансоном 1, разделительной стенкой 3 и крышкой 6 засыпают промежуточную порошковую среду 2. Далее устанавливают верхнюю крышку 6 и крепят ее фиксирующими элементами 8 к формобразующему пуансону 4. Закончив сборку, включают нагревательные элементы 9 и нагревают формообразующий пуансон 4, который в свою очередь подводит тепло к прессуемому порошку. После этого к нагружающему пуансону 1 прессом (на фиг. 2 не изображен) прикладывают усилие. Под действием пресса пуансон 1, перемещаясь вдоль оси устройства, разжимает конусной поверхностью промежуточную порошковую среду 2, которая в свою очередь через разделительную стенку 4 передает давление на прессуемый порошок. При этом для усиления эффекта прессования и выравнивания давления по высоте прессуемого изделия часть сыпучей массы 2 между поверхностью отверстия крышки 6 и поверхностью нагружающего пуансона 1 перемещается ступенью нагружающего пуансона 1 внутрь камеры устройства.

В процессе прессования порошкообразного материала при высокой температуре из него выделяется воздух и газы, которые отводятся по специальным каналам, выполненным в поддоне 7 и крышке 6.

По окончании процесса прессования отключают нагревательные элементы 9 и остужают устройство. После этого возвращают нагружающий пуансон 1 в исходное положение, снимают крышку 6, ссыпают порошковую среду 2, извлекают изделие.

Для получения следующего изделия цикл повторяют заново.

В качестве материала разделительной стенки (4 на фиг. 1 и 3 на фиг. 2) можно использовать жесть из стали Х18Н9Т, а в качестве промежуточной порошковой среды (3 на фиг. 1 и 2 на фиг. 2) можно, например, использовать порошок кристаллического графита марки ГЛ-1 по ГОСТ 5279-74.

Указанные устройства были разработаны для прессования изделий в виде труб. В качестве материала труб использовались следующие материалы:

1) портландцемент с в/ц = 0.125.

2) "сухие" бетонные смеси (состав смесей будет патентоваться).

Использовалось давление прессования 50 МПа при температуре 200^oC. Прочность образца труби из портландцемента в сравнении с ГОСТ увеличилась на 200%. Прочность бетонных образцов в сравнении с ГОСТ увеличилась на 100%.

Для изготовления граненых полых изделий формообразующий пуансон может быть выполнен граненым, и соответственно нагружающий пуансон может быть выполнен в виде граненой конусной призмы или конусной обоймы с гранями.

Для изготовления сплошных изделий формобразующий пуансон выполняется плоским.

Выполнение ступени (ступеней) на нагружающем пуансоне ведет к равномерному распределению давления по высоте изделия (трубы), т.е. к изостатичности процесса прессования, при этом ступеней на нагружающем пуансоне может быть выполнено несколько (при прессовании крупногабаритных изделий).

Из вышеприведенного описания способа видно, что предлагаемый способ горячего прессования позволяет изготавливать изделия самой различной формы (трубы, полые и сплошные опорные конструкции), что расширяет технологические возможности предлагаемого способа и сравнении с известным, и тем самым достигается цель изобретения - расширение технологических возможностей способа.

Далее, вышеприведенные примеры осуществления способа показывают, что нагружение прессуемого порошка через промежуточную порошковую среду конусной поверхностью нагружающего пуансона (детали 1,2 на фиг.1, деталь 1 на фиг.2) позволяет в сравнении с известным способом уменьшить энергозатраты на изготовление одного изделия за счет приложения к нагружающему пуансону меньшего внешнего давления, чем при прямом прессовании в известном, путем использования в предлагаемом способе эффекта клина, т.е. достигнуть цели изобретения - снижения энергозатрат.

Кроме этого, расположение нагревательных элементов непосредственно у формообразующего пуансона ведет к сокращению теплопотерь, т.е. нет необходимости в нагревании промежуточной порошковой среды. В известном же способе при прессовании нагревается и промежуточная порошковая среда. Таким образом также снижаются энергозатраты на изготовление изделий.

Выполнение газоотводящих каналов в устройствах способа ведет к устранению операции вакуумирования прессуемого порошкообразного материала, что ведет к повышению производительности, т.е. к достижению цели изобретения - повышению производительности.

Вышеприведенные примеры 1 и 2 показывают, что в предлагаемым способе в сравнении с известным отпала необходимость в гидроцилиндрах, матрицах, предварительном уплотнении прессуемого порошка, операции вакуумирования и т.д., чем и достигается цель изобретения - упрощение способа горячего прессовании.

Далее, как уже указывалось выше, горячее прессование позволяет увеличить прочность цементного камня в 8-10 раз, что в свою очередь позволяет в 2-3 раза уменьшить толщину стенки бетонной трубы в среднем по сравнению со стенками труб, получаемых традиционными технологиями, и, таким образом, снизить материалоемкость трубы.

Таким образом, предлагаемый способ горячего прессования снижает материалоемкость изделий, чем и достигается цель изобретения - снижение материалоемкости изделий.

Из вышеизложенного следует, что новые признаки предлагаемого способа создают положительный эффект и тем самым соответствуют критерию "существенные отличия".