способ получения заготовок из порошковых металлических и композиционных материалов

Формула изобретения

1. Способ получения заготовки из порошкового материала, включающий размещение порошка в рабочей зоне пресс-формы, ограниченной контейнером, пуансоном и контрпуансоном, последующее приложение уплотняющих усилий к пуансону и контрпуансону для консолидации порошка, отличающийся тем, что обработку ведут при температуре, не выше температуры рекристаллизации материала порошка, в два этапа, при этом на первом этапе проводят консолидацию порошка путем одновременного создания в объеме получаемой заготовки схемы напряженно-деформированного состояния всестороннего объемного сжатия и деформации сдвига в плоскостях, составляющих угол 45° 90° с направлением уплотняющих усилий, а на втором этапе сконсолидированную заготовку, находящуюся в контейнере, калибруют и дополнительно уплотняют пуансоном и контрпуансоном с рабочими торцевыми поверхностями, перпендикулярными направлению уплотняющих усилий, после чего заготовку удаляют из контейнера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе обработку ведут в несколько циклов, при этом на каждом цикле перед приложением к пуансону и контрпуансону уплотняющих усилий их поворачивают относительно вертикальной оси на одинаковый угол, равный 5-180°.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут с возможностью выдавливания части объема заготовки в облой.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рабочую зону пресс-формы с размещенным в ней порошком перед его консолидацией подают среду, восстанавливающую окислы на поверхности частиц порошка, например, водород.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления заготовок под последующую обработку давлением - ковку, штамповку, прессование, а также для изготовления деталей обработкой резанием.

Известен способ получения деталей из порошка методом горячего изостатического прессования, включающий наполнение контейнера дегазированным порошком, герметизацию контейнера, размещение его в автоклаве с приложением к контейнеру давления и высокой температуры, удаление после компактирования порошка из контейнера, контроль, термическую и механическую обработку полученной детали [Деформация и свойства материалов для авиационной и космической техники. Труды международной конференции. Хоулдсворт. 1977. Перевод с англ. Под ред. проф. С.Г. Глазунова. Москва: «Металлургия», 1982. С.302-303].

К недостаткам этого способа следует отнести высокую стоимость получаемых деталей и низкую производительность технологического процесса в связи с необходимостью изготовления для каждой детали индивидуального контейнера.

Известен также способ получения заготовок из порошковых материалов, включающий размещение порошка в рабочей зоне пресс-формы, ограниченной контейнером, пуансоном и контрпуансоном, последующее приложение уплотняющих усилий к пуансону и контрпуансону для консолидации порошка, который принят за прототип [Утяшев Ф.З. Современные методы интенсивной пластической деформации: учебное пособие. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2008. С.246].

К недостаткам данного способа следует отнести невысокую плотность получаемых заготовок.

Задачей изобретения является улучшение физико-механических свойств заготовки за счет повышения плотности заготовок и измельчения микроструктуры материала.

Указанный технический результат достигается способом получения заготовок из порошковых материалов, включающим размещение порошка в рабочей зоне прессформы, ограниченной контейнером, пуансоном и контрпуансоном, последующим приложением уплотняющих усилий к пуансону и контрпуансону для консолидации порошка, в котором в отличие от прототипа обработку ведут при температуре, не выше температуры рекристаллизации материала порошка, в два этапа, при этом на первом этапе проводят консолидацию порошка путем одновременного создания в объеме получаемой заготовки схемы напряженно-деформированного состояния всестороннего объемного сжатия и деформации сдвига в плоскостях, составляющих угол 45°< >90° с направлением уплотняющих усилий, а на втором этапе сконсолидированную заготовку, находящуюся в контейнере, калибруют и дополнительно уплотняют пуансоном и контрпуансоном с рабочими торцевыми поверхностями, перпендикулярными направлению уплотняющих усилий, после чего заготовку удаляют из контейнера.

Согласно изобретению на первом этапе обработку ведут в несколько циклов, при этом на каждом цикле перед приложением к пуансону и контрпуансону уплотняющих усилий их поворачивают относительно вертикальной оси на одинаковый угол, равный 5 180°.

Согласно изобретению обработку ведут с возможностью выдавливания части объема заготовки в облой.

Согласно изобретению в рабочую зону пресс-формы с размещенным в ней порошком перед его консолидацией подают среду, восстанавливающую окислы на поверхности частиц порошка, например, водород.

Способ иллюстрируется эскизами:

На фиг.1 представлено конструктивное исполнение пресс-формы и размещение порошка в ее рабочей зоне;

на фиг.2 представлена схема консолидации порошка на первом этапе обработки;

на фиг.3 показаны переходы первого этапа в случае многоцикловой обработки;

на фиг.4 изображена схема калибровки и дополнительного уплотнения заготовки на втором этапе;

на фиг.5 представлена схема подачи восстанавливающей среды. Способ реализуют следующим образом.

Для получения заготовок используют пресс-форму (фиг.1), состоящую из контейнера 1, пуансона 2, контрпуансона 3. В рабочей зоне пресс-формы размещают порошок 4.

Пресс-форму нагревают до температуры не выше температуры рекристаллизации материала порошка и прикладывают к пуансону 3 уплотняющие усилия Р для консолидации порошка 4 (фиг.2).

На первом этапе обработки в объеме консолидируемой заготовки (фиг.2) создается схема напряженно-деформированного состояния всестороннего объемного сжатия под воздействием нормального усилия P_n=Pcos и происходит деформация сдвига в плоскостях, составляющих угол 45°< >90° под воздействием сдвигающего усилия P =Psin . Деформация сдвига в объеме заготовки под воздействием усилия P интенсифицирует процесс консолидации частиц порошка за счет более активного их перемещения относительно друг друга, а также способствует измельчению их микроструктуры. Критерием для выбора значения угла является ресурс технологической пластичности материала сконсолидированной заготовки. При последующей калибровке меньшее значение угла соответствует большей степени деформации заготовки.

Затем проводят второй этап обработки, на котором без извлечения сконсолидированной заготовки, находящейся в контейнере, ее калибруют и дополнительно уплотняют (фиг.4) пуансоном 2 и контрпуансоном 3 с рабочими торцевыми поверхностями, перпендикулярными оси уплотняющих усилий Р, и удаляют ее из контейнера.

Для увеличения в заготовке 5 степени накопленной деформации на первом этапе обработку можно вести в несколько циклов (фиг.3), при этом на каждом цикле перед приложением к пуансону 2 и контрпуансону 3 уплотняющих усилий Р их поворачивают относительно оси прикладываемых усилий на одинаковый угол , равный 5 180°. Большее значение угла поворота применяют для высокопластичных материалов, например, порошка меди, меньшее - для малопластичных, например, порошка железа.

Для повышения интенсивности перемещения частиц порошка относительно друг друга обработку ведут с возможностью выдавливания части объема заготовки 5 в облой.

С целью повышения плотности получаемой заготовки 5 перед консолидацией порошка в рабочую зону пресс-формы подают среду, восстанавливающую окислы на поверхности частиц порошка, например, водород (фиг.5). При этом для подвода восстанавливающей среды и отвода продуктов восстановительной реакции (паров) в контейнере 1 выполнены каналы 6.

Пример конкретного выполнения.

В качестве обрабатываемого материала использовали порошок меди M1 с дисперсностью 140-180 мкм с размером микрозерна 120-140 нм и температурой рекристаллизации 180°C. Обработку проводили по способу - прототипу и по предложенному способу.

В первом случае (по прототипу) была получена заготовка с плотностью 0,85 монолитного материала и микротвердостью H_v=2150 МПа.

Во втором случае обработку проводили согласно изобретению в два этапа. На первом этапе консолидацию порошка вели при температуре прессформы t=140°C с приложением уплотняющего усилия P к пуансону и контрпуансону с обеспечением воздействия его составляющих P_n и P под углом =75° к поверхности заготовки. Для этого использовали пуансон и контрпуансон с наклонными торцевыми поверхностями, составляющими угол =75° относительно их вертикальных осей (фиг.2). Обработку проводили в 3 цикла с одновременным поворотом пуансона и контрпуансона на угол =45° между циклами (фиг.3).

На втором этапе проводили при той же температуре калибровку и дополнительное уплотнение заготовки пуансоном и контрпуансоном с торцевыми поверхностями, перпендикулярными их вертикальным осям.

В результате обработки получили заготовку с плотностью 0,96 монолитного материала и микротвердостью H_v=2150 МПа.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики заготовки из порошкового материала за счет повышения плотности и измельчения микроструктуры материала.