СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ ВЫСОКОПЛОТНЫХ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОРОШКА В ПРИСУТСТВИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ
METHOD FOR PRESSING OF HIGH-DENSITY STOCKS AND PARTS OF METAL POWDER IN PRESENCE OF LIQUID PHASE

Изобретение относится к порошковой металлургии, и в частности к способам прессования металлического порошка.
Известен способ прессования высокоплотных деталей, заключающийся в двух- или многократном прессовании и спекании. Данный способ позволяет более чем в два раза снизить остаточную пористость (Радомысельский И.Д. Металлокерамические конструкционные детали. - В кн. Современные проблемы порошковой металлургии. - Киев: Наукова думка, 1970, с.162-170).
Недостатком этого способа является значительная трудоемкость и станкоемкость технологического процесса.
Известен способ прессования металлического порошка (Авторское свидетельство СССР №1291284, кл. B22F 3/02. Опубл. 23.02.1987, БИ №7), при котором прессование металлического порошка происходит путем последовательного уплотнения отдельных микрообъемов в закрытой по периметру прессуемого изделия матрице путем передачи давления пуансоном при одновременном дополнительном воздействии тангенциальными силами за счет вращения пятна контакта вокруг оси матрицы.
Недостатком данного способа является достаточно высокая трудоемкость процесса уплотнения, а также необходимость использования специализированного прессового оборудования, снабженного специальной приставкой для обеспечения вращения деформирующего инструмента.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ мокрого прессования (Патент РФ №2321474, кл. 22 F 3/02. Опубл. 10.04.2008, БИ №10).
Сущность изобретения заключается в том, что прессование порошковых материалов осуществляют в присутствии жидкости. Порошок размещают в пресс-форме и со стороны прессующего пуансона в порошок вводят летучую жидкость в количестве 0,2-0,3 объема пор прессовки перед прессованием и одновременно с ним до окончания процесса. При этом одновременно с введением жидкости проводят вакуумирование со стороны прессующего пуансона.
Недостатком известного технического решения является малая производительность способа, т.к. требует поэтапно добавлять жидкость в порошок перед прессованием и одновременно с процессом прессования до его окончания.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в порошок вводят жидкость малой вязкости (например, вода, ацетон) в количестве 10-15% массовой доли. Кроме того, жидкость вводят в порошок перед прессованием, предварительно перемешивая смесь до получения гомогенной пастообразной структуры, а само прессование производят при обеспечении образования в зазоре между пуансоном и матрицей застойной зоны уплотненного материала с созданием эффекта гидравлического затвора.
Использование предлагаемого изобретения обеспечивает следующий технический результат:
- повышение эффективности процесса прессования,
- расширение технологических возможностей процесса прессования при изготовлении высокоплотных деталей и заготовок.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложенный способ прессования включает в себя введение в порошок жидкости для прессования.
Особенность заключается в том, что в порошок вводят жидкость малой вязкости (например, вода, ацетон) в количестве 10-15% массовой доли. Кроме того, жидкость вводят в порошок перед прессованием, предварительно перемешивая смесь до получения гомогенной пастообразной структуры, а само прессование производят при обеспечении образования в зазоре между пуансоном и матрицей застойной зоны уплотненного материала с созданием эффекта гидравлического затвора
Пример. Проводят прессование на гидравлическом прессе. Металлический железный распыленный порошок марки АНС100.29 фирмы «Hoganas» Швеция с химическим составом, приведенным ниже (см. табл.).
Прессование производится в стальной закрытой обойме на гидравлическом прессе ПГ-60, вид нагружения - статический.
Использована механическая смесь:
0
- железный порошок и жидкая фаза (вода) в пропорции (85:15), исходная влажность W=15%;
0
- железный порошок и жидкая фаза (ацетон) в пропорции (85:15), исходная влажность W=15%;
Выбор жидкой фазы определяется различной вязкостью применяемых жидкостей.
Установлена стадийность процессов прессования металлических порошков в присутствии жидкой фазы:
- первая стадия - переукладка частиц, резкое уменьшение порового пространства;
- вторая стадия - интенсивное порозаполнение за счет затекания металла-основы и жидкой фазы в поры;
- третья стадия - пластическая деформация частиц, затекание металла-основы в поры;
- четвертая стадия - разрывы поверхности заготовки за счет кавитации жидкой фазы при давлениях прессования свыше 600 МПа;
- пятая стадия - «скелетное» схлопывание открытых дефектов структуры, остаточная пористость составляет 1-3%.
Таблица
Химический состав железного порошка АНС100.29
Химический состав, % не более
Fe
С
Si
Mn
S
Р
O<sub>2</sub> при нагреве в Н<sub>2</sub>
Остаток, не растворимый в HCL
Основа
0,024
-
-
-
-
0,17
-
Гранулометрический состав порошка
Размер, мкм
250-200
200-160
100-71
71-45
Менее 45
Содержание, %
0-2
0-12
ост.
ост.
10-30
нас
Экспериментальные кривые уплотнения (см. чертеж) позволяют зафиксировать пять отчетливо выраженных зон, определяющих стадийность порозаполнения (критерием стадийности является интенсивность изменения поровой структуры). Первая стадия уплотнения от плотности насыпной - ρ (38…40% - характеристика исходного материала) до плотности порового уровня (70…75%); вторая стадия - снижение интенсивности порозаполнения, переукладка частиц завершена, наблюдается наряду с пластической деформацией частиц и увеличением площади контакта интенсивное транспортирование жидкой фазы на периферийные краевые участки, началом образования крупных каверн; третья стадия уплотнения характеризуется явно выраженным порозаполнением за счет интенсивных сдвиговых деформаций металлической основы фракций порошка, при этом возрастает уровень гидростатического давления «запертой» в кавернах несжимаемой жидкой фазы; на четвертой стадии наблюдается интенсивное движение жидкости через материал - основу прессовки с истечением (выплеском) в межинструментальный зазор. Отмечено увеличение температуры жидкости до 10°С (от 20°С - до исходного уровня, 30…35% - в конце процесса).
При давлениях прессования порядка 1000 МПа наблюдается постепенное увеличение общей плотности материала прессовки за счет «скелетного» схлопывания открытых элементов каверн. Фиксируемое явление моделирует сдвиговые деформации, образуя значительные контактные площади материала прессовки.
На пятой стадии, последней стадии уплотнения, плотность прессовки достигает 97…98% от теоретической, что соответствует требованиям, предъявляемым к сильнонагруженным деталям.
Применение прессования железных порошков в присутствии жидкой фазы позволяет получать высокоплотные детали с остаточной пористостью, не превышающей 3%, что позволит использовать данную технологию для изготовления сильнонагруженных изделий машиностроительного назначения.