СПОСОБ МОКРОГО ПРЕССОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
THE METHOD OF WET PRESSING AND THE EQUIPMENT FOR ITS IMPLEMENTATION (VARIANTS)

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам прессования порошковых материалов в присутствии жидкости.
7
Известен способ прессования порошковых материалов и устройство для его осуществления (варианты) [пат. РФ №2275274, МПК B22F 3/02 (2006.01); B22F 3/03 (2006.01); B30B 15/02 (2006.01). Способ прессования порошковых материалов и устройство для его осуществления / Звонецкий В.И. и др.; заявитель и патентообладатель, Московский институт стали и сплавов. - №2004133614/02; заявл. 18.11.2004; опубл. 27.04.2006, Бюл. №12. - 18 с.: ил.].
7
Известен способ мокрого прессования (варианты) и устройство для его осуществления [пат. РФ №2321474, МПК B22F 3/02 (2006.01); B22F 3/03 (2006.01); B30B 15/02 (2006.01). Способ мокрого прессования и устройство для его осуществления (варианты) / Звонецкий В.И. и др.; заявитель и патентообладатель, Московский институт стали и сплавов. - №2006129352/02; заявл. 14.08.2006; опубл. 10.04.2008, Бюл. №10. - 9 с.: ил.], в котором для интенсификации процесса создают разрежение под нижним пуансоном.
Известно устройство для мокрого прессования, содержащее матрицу, состоящую из герметично соединенных верхней и нижней частей, верхний и нижний пуансоны, размещенное в матрице устройство для подачи жидкости, представляющее собой цилиндр, в стенках которого выполнены сквозные каналы, соединяющие внутреннюю полость матрицы и полость для жидкости.
7
Наиболее близким техническим решением является способ мокрого прессования (варианты) и устройство для его осуществления [пат. РФ №2323803, МПК B22F 3/02 (2006.01); B22F 3/03 (2006.01); B30B 15/02 (2006.01). Способ мокрого прессования (варианты) и устройство для его осуществления / Звонецкий В.И. и др.; заявитель и патентообладатель, Московский институт стали и сплавов. - №2006124437/02; заявл. 10.07.2006; опубл. 10.05.2008, Бюл. №13. - 13 с.: ил.], в котором жидкость подают через отверстия в стенках внутреннего цилиндра по всей боковой поверхности порошка.
Известно, что процесс смачивания чистого твердого вещества жидкостью обычно сопровождается выделением тепла - теплоты смачивания [А.Адамсон. Физическая химия поверхностей. М.: «МИР», 1979, 568 с.].
Недостатками наиболее близкого технического решения являются малая степень отмывки пластификатора, что приводит к низкому качеству изделий.
Недостатком пресс-формы для реализации способа являются отсутствие возможности регулировать давление и температуру подаваемой жидкости, которая отмывает пластификатор при прессовании порошка.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа и устройства для повышения степени отмывки пластификатора, повышение качества изделий после прессования при уплотнении порошка с добавлением летучей или легко испаряющейся жидкости. Разработка устройства, позволяющего регулировать давление и температуру подаваемой жидкости, которая отмывает пластификатор при прессовании порошка.
Техническим результатом является повышение качества изделий за счет увеличения степени отмывки пластификатора.
Для решения поставленной задачи в способе прессования порошковых материалов, включающем засыпку гранулированного пластифицированного порошка во внутреннюю полость матрицы, подачу летучей или легко испаряющейся жидкости со стороны прессующего пуансона, прессование и выпрессовывание, осуществляют подачу двух разных жидкостей, выделяющих при смешении тепло, превышающее теплоту смачивания, причем жидкости подают при разной температуре, под разным давлением через сквозные каналы, выполненные симметрично в стенках кольцевых полых камер, образующих внутреннюю полость матрицы, и соединяющие ее с полостью для жидкости, причем жидкости подают на верхнюю и/или по всей боковой поверхности засыпанного порошка в количестве 0,2-3 объема пор в состоянии свободной насыпки порошка.
При реализации заявленного способа по одному из возможных вариантов жидкость в результате смешения в прессуемом образце может вызывать разогрев.
Известно, что компактирование металлических частиц в присутствии воды и солей щелочных металлов проходит с выделением достаточного количества тепла для разложения нежелательных веществ [«Способ термического разложения нежелательных веществ с использованием композиции металлических частиц». Пат. США №6117206, МПК B22F 1/00. Заявл. 23.08. 1999. Опубл. 12.09.2000]. Использование соотношения частиц железа и магния, алюминия и цинка позволяет создать температуру 200-300°С. Такие композиции приводят к выделению водорода и паров воды.
Пресс-форма для прессования порошковых материалов, содержащая герметично соединенные верхнюю и нижнюю части матрицы, верхний и нижний пуансон и источник для подачи жидкости, отличающаяся тем, что части матрицы содержат набор полых кольцевых камер, образующих внутреннюю полость матрицы, в стенках которых выполнены симметричные сквозные каналы, соединяющие внутреннюю полость матрицы с полостью для жидкости, причем каждая кольцевая камера имеет собственный источник для подачи жидкости, а между кольцевыми камерами и источниками для подачи жидкости расположены вентили и устройства для создания давления.
Предлагаемое изобретение стало возможным после того, как авторы установили общие закономерности уплотнения порошковых гранул и применили к ним теорию А.В.Лыкова [А.В.Лыков. Тепломассобмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. 479 с.]. Обычно структуры пористых сред характеризуются однородностью, анизотропностью и гетерогенностью. Все эти признаки присутствуют в порошковых телах, состоящих более чем из одного компонента и прессуемых в стальных пресс-формах.
Введение понятия - проницаемость [А.В.Лыков. Тепломассобмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. с.290-297] позволяет теоретически обосновать возможность отмывки пластификатора с поверхности порошковых гранул, засыпанных в матрицу перед уплотнением и в процессе их прессования.
Прессуемый гранулированный материал в состоянии засыпки имеет проницаемость в элементарном объеме, независимую то направления, и представляет собой изотропную среду. Поэтому введение жидкости перед уплотнением позволит ей пройти через слой порошка без особого сопротивления.
При уплотнении пуансоном засыпанного порошка и одновременной подачей жидкости происходит изменение проницаемости в элементарном объеме в зависимости от направления. Порошковая среда переходит из изотропного в анизотропное тело. Причем анизотропия этого тела лимитирована по высоте и диаметру [Г.А.Либенсон, В.Ю.Лопатин, Г.В.Камарницкий. Процессы порошковой металлургии, том 2. М.: Изд. МИСиС. 2002. с 31-33].
В предлагаемом способе на поверхность засыпанного порошка: только на верхнюю, верхнюю и боковую, только на боковую (варианты) подают две жидкости разного состава, которые смешиваются и образуют единый поток, а при смешении выделяют тепло, значительно превышающее теплоту смачивания, которое увеличивает растворение пластификатора, образовавшийся раствор вакуумируют со стороны нижнего пуансона до приложения давления на порошок при подаче жидкости на верхнюю поверхность во время его уплотнения (варианты).
Варианты предполагают подачу двух жидкостей, причем четные кольцевые камеры для жидкости одного состава, а нечетные - для жидкости второго состава.
Дополнительные варианты способа представляют собой число сочетаний из числа кольцевых камер, например из 10-ти (фиг.4б): по одному, по два, по три, по четыре, по пять, по шесть, по семь, по восемь, по девять - для одного раствора. При этом оставшиеся камеры - для второго раствора из 11-ти (фиг.5б).
Подача двух жидкостей на верхнюю поверхность засыпанного порошка перед его уплотнением, например воды и этанола, приведет к разогреву образующегося потока (фиг.1) и ускоряет растворение пластификатора, что вызовет распад гранул на отдельные частицы (группы частиц меньшего, чем исходные гранулы размера). Ликвидируется явление несмешивающихся потоков (фиг.2). Вакуумирование со стороны нижнего пуансона позволяет потоку жидкости преодолеть рециркуляцию (фиг.3) (вариант 1).
Подача двух жидкостей, например воды и этанола, на боковую поверхность засыпанного порошка перед его уплотнением, с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона приводит к разогреву материала и позволяет за равный промежуток времени, по сравнению со способом прототипом, отмыть большее количество пластификатора (вариант 2).
Подача двух жидкостей, например воды и этанола, на верхнюю и боковую поверхность засыпанного порошка перед его уплотнением, с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона позволяет в большей степени отмыть пластификатор в цилиндрической части засыпанного порошка (вариант 3).
Подача жидкости на верхнюю поверхность засыпанного порошка одновременно с его уплотнением, с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона позволяет жидкости двигаться вниз по объему прессовки не только под действием прессующего пуансона, но и под действием разряжения, создаваемого вакуумированием под нижним пуансоном (вариант 4).
Подача жидкости на верхнюю и боковую поверхности засыпанного порошка одновременно с его уплотнением, с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона позволяет за равный промежуток времени, по сравнению со способом прототипом, отмыть большее количество пластификатора, т.е. повысить качество и увеличить производительность (вариант 5).
Подача жидкости на боковую поверхность засыпанного порошка одновременно с его уплотнением, с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона позволяет за равный промежуток времени, по сравнению со способом прототипом, отмыть большее количество пластификатора, т.е. повысить качество и увеличить производительность (вариант 6). Создание концентрационного градиента после «мокрого» прессования позволит в процессе последующей сушки полнее удалить пластификатор из объема прессовки.
Выше описанные способы прессования (варианты 1÷6), с предварительным нагревом жидкости, например воды, до температуры 90°С позволяют осуществить мокрое прессование по вариантам 7÷12.
Выше описанные способы прессования (варианты 1÷6), с давлением жидкости 1÷10 атмосфер, создаваемых одновременно в каждой кольцевой камере, позволяют осуществить мокрое прессование по вариантам 13÷18.
Выше описанные способы 13÷18, с давлением 1÷10 атмосфер, создаваемом не одновременно в каждой кольцевой камере, например, увеличивающимся в направлении движения верхнего пуансона, позволяют осуществить мокрое прессование по вариантам 19÷24.
Дополнительные варианты способа 1÷24 могут сопровождаться подачей жидкости на боковую поверхность при выпрессовывании, что снижает коэффициент трения [А.П.Грудев, Ю.В.Зильберг, В.Т.Тилик / Трение и смазки при обработке металлов давлением. Справочник. М.: Металлургия, 1982. 312 с.].
2
Пример 1. (Способ прототип.) Навеску 10,0 г гранулированной смеси промышленного твердого сплава ВК6, замешанного с каучуком, засыпали в матрицу диаметром 16 мм и прессовали при давлении 500 кг/см.
Мокрое прессование проводили следующим образом. Гранулированную смесь засыпали в прессовку, сверху заливали 0,1 мл этанола, что соответствовало 20% от 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 (сухим) способе прессования. Степень отмывки пластификатора ~5%.
2
Пример 2. (Предлагаемый способ.) Навеску 10,0 г гранулированной смеси промышленного твердого сплава ВК6, замешанного с каучуком, засыпали в матрицу диаметром 16 мм и прессовали при давлении 500 кг/см.
Мокрое прессование проводили следующим образом. Гранулированную смесь засыпали в прессовку, сверху раздельно заливали воду и этанола в объемном отношении 1:1, осуществляли вакуумирование (вариант 1).
Степень отмывки пластификатора составляла ~10%. Степень отмывки пластификатора определяли по убыли веса после сушки образца.
2
Пример 3. (Предлагаемый способ.) Навеску 10,0 г гранулированной смеси промышленного твердого сплава ВК6, замешанного с каучуком, засыпали в матрицу диаметром 16 мм и прессовали при давлении 500 кг/см.
Мокрое прессование проводили следующим образом. Гранулированную смесь засыпали в прессовку. Жидкости: воду и этанол, в отношении 1:1, раздельно, подавали на верхнюю и боковую поверхности засыпанного порошка перед его уплотнением, с одновременным вакуумированием. Четные шайбы для воды, нечетные - для этанола (стр.5) (вариант 5).
Степень отмывки пластификатора составляла ~15÷20%.
Пример 4. Условия Примера 3. Отличие в том, что жидкость (вода) имела температуру 93°С (вариант 11).
Степень отмывки пластификатора составляла ~20÷30%.
Пример 5. Условия Примера 4. Отличие в том, что жидкость (вода) подавалась под давлением 4,5 атм (вариант 17).
Степень отмывки пластификатора составляла ~35÷45%.
Пример 6. Условия Примера 5. Отличие в том, что прессование проводили, подавая жидкости при разном давлении. Верхние четыре кольцевые камеры подавали жидкости при давлениях: 1, 2, 3, 4 атм.- соответственно (вариант 23).
Степень отмывки пластификатора составляла ~45÷50%.
Пример 7. Условия Примера 6. Отличие в том, что через четные камеры подавали воду, а через нечетные - спирт.
Степень отмывки пластификатора не изменилась.
Пример 8. Условия Примера 7. Отличие в том, что прессование проводили с подачей жидкости при выпрессовке и давлении жидкости 5 атм в каждой кольцевой камере.
Степень отмывки пластификатора не изменилась, но боковая поверхность образцов была менее шероховата, отсутствовали вертикальные штрихи.
Пример 9. На фиг.4-5 изображена кинематическая схема устройства. Матрица состоит из 2 частей: первая (верхняя) соответствует зоне структурной деформации порошка (1), вторая, нижняя (2), - окончанию последнего этапа уплотнения, фигуры 4а, 5б, двух пуансонов (7) и (8). Нижний пуансон (8) имеет кольцевое устройство (9) для сбора жидкости, для вариантов прессования без вакуумирования. Для вакуумирования предназначена нижняя кольцевая камера.
Верхняя часть состоит из кольцевых камер (3) для подачи жидкости (4) и внешней части матрицы (5), обеспечивающей герметизацию между двумя частями (1) и (2) (на фиг.4-5 не показано). Кольцевые камеры (3) образуют цилиндр (6) - полость матрицы, в которой происходит прессование порошка. Стенки кольцевых камер имеют симметричные сквозные каналы, соединяющие внутреннюю полость матрицы с полостью для жидкости (4), причем каждая кольцевая камера имеет собственный источник для подачи жидкости в камеру. Между кольцевой камерой и источником для подачи жидкости расположены вентиль (открыто/закрыто) и устройство для создания давления от 1 до 10 атмосфер.
В отличие от способа-прототипа, пуансон (7) и его перемещение не связано с процессом подачи жидкостей.
В отличие от способа-прототипа, кольцевые камеры можно заменять сплошными кольцами. Например, мокрое прессование по варианту 1 требует установку только 2 верхних кольцевых камер.
Аналогично «набирают» кольцевые камеры и для остальных вариантов мокрого прессования.
Работа устройства. На фиг.4-5 изображена стадия засыпки порошка в рабочую полость матрицы. Верхняя часть матрицы (1) герметично соединена с нижней частью (2), исключающей самопроизвольное истечение жидкости из полости матрицы. После засыпки порошка в полость матрицы подают требуемое количество жидкостей, в соответствии с вариантом мокрого прессования. В вариантах мокрого прессования с вакуумированием нижняя кольцевая камера создает разряжение для удаления жидкости. В вариантах без вакуумирования сбор жидкости осуществляет кольцевая чаша (9).
Этап выпрессовывания образца. Поднимают верхнюю часть матрицы (1), верхний пуансон (7), фигуры 4а и 5б. Нижний пуансон (8) поднимается вверх и выдавливает прессовку из матрицы. В том случае (варианте), когда в нижней части матрицы нет порошка, фигуры 4б и 5а, тогда поднимают только верхний пуансон (7) и проводят выпрессовку пуансоном (8). Если процесс выпрессовывания сопровождается подачей жидкости, фигуры 4б, 5а и 5б, то кольцевые камеры подают жидкость на всю боковую поверхность вплоть до извлечения образца. В этих вариантах нижняя кольцевая камера непрерывно создает разряжение для принудительного удаления жидкости.