Устройство для электроимпульсного прессования нетермостойких материалов

Техническое решение относится к области порошковой металлургии, в частности, к устройствам для электроимпульсного прессования порошка и служит для изготовления плотных нетермостойких изделий из электропроводных порошков или частиц.
Известно устройство для электроимпульсного прессования порошка, описанное в [А.С. №1139564 от 05.08. 1983 г. Способ изготовления из электропроводных нетермостойких порошковых материалов.] В этом изобретении между нетермостойким уплотняемым порошком и электродами-пуансонами дополнительно помещают электропроводящий порошок с более высоким электросопротивлением и более низкой теплопроводностью. После прохождения импульса тока, через «слоеную» порошковую засыпку, отвод тепла от полученного изделия из порошка керамического материала осуществляется не непосредственно через металлические пуансоны с высокой теплопроводностью, а через материал демпфирующей засыпки, теплопроводность которой ниже теплопроводности материала получаемого изделия. При этом скорость охлаждения изготавливаемого образца резко уменьшается, снижая тем самым градиент температуры по высоте изделия, а следовательно и величину термических напряжений, так опасных для нетермостойких материалов. Это позволяет уменьшить растрескивание получаемых образцов. Однако они прочно свариваются с демпфирующей засыпкой, что требует их дополнительной обдирки.
Решением, наиболее близким предложенному по технической сущности и достигаемому эффекту, является устройство для электроимпульсного прессования [Патент на полезную модель №181536, Устройство для электроимпульсного прессования электропроводных порошков, заявлено 23.03.2018]. Это устройство включает в себя импульсный источник энергии, металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала, верхний подвижный пуансон, вставленный в шток, нижний неподвижный пуансон, установленный на нижнем основании, пластину с двумя втулками, на которой закреплена обойма с матрицей, причем втулки подпружинены и имеют возможность скользить вертикально вдоль направляющих, установленных на нижнем основании, причем верхний и нижний пуансоны выполнены составными из двух частей, основной части и накладки, соприкасающейся с засыпкой порошка, имеющей более высокое электросопротивление.
Устройство работает следующим образом. Порошок электропроводного материала, заключенный в керамическую матрицу, зажатую в металлическую обойму, поджимается пуансонами. Давление Р к верхнему пуансону прикладывается от нагружающего устройства через шток. Включается импульсный источник энергии, и в нем накапливается необходимое количество энергии, которое определяется видом и массой уплотняемого порошка. После этого пропускают импульс тока от импульсного источника через поджатый порошок, который разогревает его. Импульс тока также нагревает накладки пуансонов, которые значительно сильнее разогреваются по сравнению с другой частью пуансонов из-за их высокого электросопротивления. За счет приложенного давления происходит уплотнение засыпки и получается плотный образец Благодаря тому, что остывание полученной прессовки происходит медленнее из-за меньшего отвода тепла через торцы пуансонов, уплотнение происходит более длительное время и на этой установке можно получить образцы с высокой плотностью из порошков с низким электросопротивлением, такие как Cu, Ag и медные сплавы.
Однако на этой установке получить образцы из нетермостойких порошковых материалов, такие как нитриды и карбиды, с высокой плотностью без их приваривания к пуансонам и растрескивания, весьма затруднительно. Это вызвано тем, что температура плавления карбидов и нитридов на много выше, чем у накладок у пуансонов из нихрома, и происходит приваривание полученных образцов к ним. Кроме того растрескивание образцов может происходить из-за резкого отвода тепла через боковую поверхность керамической матрицы и высокого давления пуансонов.
В связи с этим, важнейшей задачей является разработка нового устройства для электроимпульсного прессования порошка, позволяющее сократить отвод тепла от полученного изделия через пуансоны и матрицу, и получать плотные образцы из хрупких нетермостойких материалов без их растрескивания и сваривания с пуансонами.
Техническим результатом заявленного устройства является создание изделия, обеспечивающего с помощью электроимпульсного прессования получение образцов с высокой плотностью из порошков нетермостойких материалов, такие как карбиды и нитриды.
н
o
н
о
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для электроимпульсного прессования электропроводных порошков, включающее импульсный источник энергии, металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала, верхний подвижный пуансон, вставленный в шток, нижний неподвижный пуансон, установленный на нижнем основании, пластину с двумя втулками, на которой закреплена обойма с матрицей, причем втулки подпружинены и имеют возможность скользить вертикально вдоль направляющих, установленных на нижнем основании, причем верхний и нижний пуансоны выполнены составными из основной части и накладки, соприкасающейся с засыпкой порошка, имеющей более высокое электросопротивление, ρ=3÷10 ρ, где ρ - удельное электрическое сопротивление материала накладки, р -удельное электрическое сопротивление материала основной части пуансона, а высота накладки определяется из формулы: h=0,3÷2,5 d, где h - высота накладки, d - диаметр пуансона, отличающееся тем, что между уплотняемым порошком и накладкой на торце пуансона проложена тонкая фольга толщиной 0,1÷0,7 мм из тугоплавкого материала, а между накладкой и основной частью пуансона проложена засыпка из медного порошка высотой h=0,3÷1,5 d, где h - высота засыпки, d - диаметр пуансона, а между керамической матрицей и металлической обоймой вставлена текстолитовая втулка.
Такая конструкция пуансона позволяет сжать порошковую засыпку и обеспечить ее разогретой с высокой температурой более длительное время из-за того, что тепло которое выделяется в этой накладке пуансона за счет теплопроводности передается засыпке порошка и она значительно медленнее остывает. Тем самым у нее повышается пластичность и увеличивается прессуемость. Кроме того тугоплавкая фольга не дает возможность привариться получаемому образцу к торцу пуансона, а медный порошок демпфирует нагрузку на получаемое изделие. В тоже время текстолитовая втулка замедляет отвод тепла через боковую поверхность матрицы. В результате получается плотный образец без растрескивания и приварки его к пуансонам, чем на известной установке.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой показано устройство для электроимпульсного прессования нетермостойких порошков. Оно включает импульсный источник энергии 1, верхний подвижный пуансон 2 и нижний неподвижный пуансон 3. Нижний пуансон 3 вставлен в опору 4, которая помещена на плиту 5. Верхний подвижный пуансон 2 электрически изолирован от нижнего пуансона 3 изолирующими втулками 6, надетыми на крепление стойки 7. Давление Р к верхнему пуансону 2 прикладывается от нагружающего устройства 8 (пневмопресса) через шток 9, которые изолированы друг от друга неэлектропроводной прокладкой 10. Электропроводный порошок 11 помещают в керамическую матрицу 12, находящуюся в текстолитовой втулке 13 и зажатую в металлическую обойму 14. Верхний пуансон 2 и нижний пуансон 3 сделаны одинаковыми из нескольких частей. Части пуансонов, (фиг. 2) соприкасающиеся с засыпкой порошка, выполнены из тугоплавкой фольги 15 и 16, например молибдена. Затем идут накладки из нихрома с высоким электросопротивлением 17 и 18, а между ними и пунсонами помещены прокладки из медного порошка 19 и 20. На плите 5 установлены двое направляющих 21 и 22 с пружинами 23 и 24, на которые надеты втулки 25 и 26, соединенные с пластиной 27. Эта пластина соединена с металлической обоймой 14.
Устройство работает следующим образом. Порошок электропроводного материала (карбида или нитрида) 11, заключенный в керамическую матрицу 12, находящуюся в текстолитовой втулке 13 и зажатую в металлическую обойму 14, поджимается пуансонами 2 и 3. Давление Р к верхнему пуансону 2 прикладывается от пневмопресса 8 через шток 9. Включается импульсный источник энергии 1, ив нем накапливается необходимое количество энергии, которое определяется видом и массой уплотняемого порошка. После этого пропускают импульс тока от импульсного источника 1 через поджатый порошок 11, который разогревает его. Импульс тока также нагревает накладки пуансонов 17 и 18, которые значительно сильнее разогреваются по сравнению с другой частью пуансонов из-за их высокого электросопротивления. В этот промежуток времени верхний подвижный пуансон 2, являющийся продолжением штока 9 от нагружающего устройства 8, совершает перемещение вниз. Обойма 14 вместе с матрицей 12, находящуюся в текстолитовой втулке 13 и засыпкой порошка 11, также начинают двигаться вниз, происходит его уплотнение. Благодаря тому, что остывание полученной прессовки происходит медленнее из-за меньшего отвода тепла через торцы пуансонов и боковую поверхность керамической матрицы, скорость охлаждения изготавливаемого образца резко уменьшается, снижая тем самым градиент температуры по высоте и диаметру изделия, а следовательно и величину термических напряжений, так опасных для нетермостойких материалов. Это позволяет уменьшить растрескивание получаемых образцов. Кроме того тугоплавкая фольга не дает возможность привариться получаемому образцу к торцу пуансона, а медный порошок демпфирует нагрузку на получаемое изделие. В результате получается плотный образец без растрескивания и приварки его к пуансонам. При толщине молибденовой фольги, проложенной на торцы пуансонов менее 0,1 мм, происходит ее быстрое прогорание и коробление, что делает почти невозможным извлечение образца из матрицы. При толщине фольги более 0,7 мм начинается уже резкий отвод тепла от полученного образца, происходит его растрескивание. При высоте засыпки из медного порошка h<0,3 d, где h - высота засыпки, d - диаметр пуансона, ее оказывается недостаточно, чтобы резко снизить какие-либо ударные нагрузки, возникающие при резком нагреве импульсом тока. При высоте засыпки из медного порошка h>l,5 d происходит значительный отвод тепла от полученного образца через торцы пуансонов, что приводит к его растрескиванию.
При отсутствии указанных дополнительных приспособлений (между уплотняемым порошком и накладкой на торце пуансона проложена тонкая фольга из тугоплавкого материала, причем между накладкой и основной частью пуансона проложена засыпка из медного порошка, а между керамической матрицей и металлической обоймой вставлена текстолитовая втулка) полученный образец остывал бы быстрее, растрескивался и приваривался к пуансонам. Проведенное электроимпульсное прессование порошков нетермостойких материалов подтверждает это предположение.
2
Предлагаемое устройство было опробовано при получении плотных изделий из порошков нетермостойких материалов WC, TiN, TiC. Процесс электроимпульсного прессования проводился при использовании составных пуансонов (молибден, порошок меди, нихром марки Х10Н90, молибденовая фольга). Нихром был выбран в качестве материала накладки, так как он обладает высоким электрическим сопротивлением (1,05-1,4 Ом⋅мм/м) и низкой теплопроводностью 17,4 вт/(м⋅град). Были получены образцы с плотностью более 87-93% от теоретической без их растрескивания и приварки к пуансонам.
Таким образом, применение описанного устройства для электроимпульсного прессования порошковых материалов позволяет получать образцы с высокой плотностью из нетермостойких порошковых материалов.