УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ БРИКЕТОВ ИЗ ГРАНУЛ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Область применения
Полезная модель относится к прессовому производству цветных металлов и может быть использована при изготовлении материалов и изделий из магния и его сплавов, применяемых в машиностроении, приборостроении, автомобилестроении, ракетостроении, авиации, а также для нужд строительства.
Уровень техники
Из уровня техники известны многочисленные способы получения прессованных полуфабрикатов (прутков, полос, профилей) из магниевых сплавов путем прессования литой заготовки-слитка.
Из гранул магниевых сплавов можно получать деформированные металлические полуфабрикаты, которые имеют принципиально новый химический состав, улучшенную структуру и обладают повышенными механическими свойствами. Условия получения гранул, имеющие весьма малые размеры, благоприятны для равномерного распределения химического состава по всему микрообъему частицы и получения таких композиций из различных химических элементов, которые невозможно создать обычными способами легирования при литье слитков.
По свойствам полученных брикетов (плотность, степень газонасыщенности и прочность), обусловленным различными свойствами исходных гранул (размеры гранул, состояние поверхностных пленок, адгезионная способность и др.) из существующих технологий можно выделить прессование материала, засыпанного непосредственно в контейнер пресса (Патент Int.CI.: B22F 9/08; B22D 23/08. «Способ прессования труб из порошковых материалов». В этом случае, на качество прессизделия, т.е. на схватывание гранул магниевых сплавов при прессовании оказывает влияние фракционный состав гранул магниевых сплавов, величина подпрессовки при брикетировании, а также степень и температура деформации - основные факторы. На основании исследований по влиянию степени деформации на качество полуфабрикатов, прессованных непосредственно из гранул, установлено, что для обеспечения высокого качества полуфабрикатов необходимо вести прессование с высокими степенями деформации, в большинстве
случаев превышающем 90%. При прессовании с меньшими степенями деформации, ввиду большой газонасыщенности, полного схватывания гранул не происходит. Высокое газосодержание в брикете или насыщение его газами в процессе прессования приводят к возникновению пузырей, трещин и других дефектов.
Для исследования влияния коэффициента вытяжки и газонасыщенности прессованных полуфабрикатов из гранул магниевых сплавов, на их свойства и качество проводились исследовательские работы по анализу структуры и свойств полученных прессованных полуфабрикатов. Для этих целей использовались гранулы магниевых сплава МА14, а также горизонтальный гидравлический пресс усилием 12000 мН (12000 т.е.), имеющим диаметр контейнера 650 мм. Брикетирование и прессование осуществляли с одного нагрева. Т.е. гранулы помещали в контейнер пресса и проводили брикетирование при максимальном удельном давлении пресса с использованием заглушки (глухой матрицы). После брикетирования заменяли заглушку на рабочую матрицу. Прессованием были получены прутки диаметром 190 мм, 140 мм.
2
Эксперименты показали, что горячее брикетирование при температуре нагрева гранул и контейнера пресса 320-340 С°, а также давлениях до 100 кгс/мм еще не приводят к схватыванию отдельных гранул, разделенных поверхностной оксидной пленкой, не разрушившийся при брикетировании. Из-за отсутствия схватывания сила сцепления между отдельными гранулами брикета сравнительно невелика и обуславливается в основном механическим зацеплением гранул. Излом брикета подтверждает отсутствие сварки между отдельными гранулами. Однако, последующие деформационные усилия, характерные для прессования, обеспечивают необходимое схватывание гранул.
Анализ макроструктуры прутков диаметром 190 мм (коэффициент вытяжки 11,7) и прутков 140 мм (коэффициент вытяжки 21,5) показал, что принятая степень деформации при прессовании прутков непосредственно из гранул недостаточна для обеспечения качественного схватывания гранул в процессе их совместной деформации. На макроструктуре были видны четко выраженные границы раздела между отдельными гранулами, представляющие собой поверхностные окисные пленки и несплошности. Отсутствие качественного схватывания гранул в прессованных прутках, значительная анизотропия механических свойств в долевом и поперечном направлениях являются следствием малой вытяжки; прутки могут использоваться только в качестве промежуточной заготовки для последующего прессования. Как указывалось выше, при брикетировании происходит лишь частичное уплотнение
массы брикета и механическое соприкосновение отдельных гранул по контактным поверхностям. Следовательно, необходимо вести прессование с большими вытяжками, так как только при интенсивном обновлении поверхностей гранул возможно хорошее межгранульное схватывание и получение прочных и качественных прессизделий. Минимально допустимая степень деформации при прессовании брикетов должна быть значительно более высокой, чем монолитных заготовок. Например, при прессовании гранул из магниевых сплавов для получения прессизделия хорошего качества необходим коэффициент вытяжки не менее 60. Такая большая деформация объясняется не только необходимостью разрушения хрупких окисных пленок, покрывающих поверхность отдельных частиц брикета и легко разрушающихся уже при небольших деформациях; по-видимому столь высокие вытяжки обусловлены повторным, дополнительным окислением ювенильных поверхностей металла, образующихся при разрушении окисных пленок в результате взаимодействия с кислородом воздуха, заключенного в объеме брикета. Повторное окисление прекращается только после того, как весь кислород в объеме брикета будет израсходован. Исходя из величины минимальной вытяжки, необходимой для получения прессизделия хорошего качества, можно предположить, что для полного поглощения кислорода, заключенного в объеме брикета, требуется многократное обновление поверхности отдельных частиц заготовки.
Следовательно, уменьшение степени деформации, необходимой для получения высококачественного прессованного изделия, можно осуществить нагревом и прессованием брикета уплотненного в вакууме.
Наиболее близким из уровня техники является устройство по патенту РФ на полезную модель №68943 на устройство для непрерывной прокатки ленты из гранул магниевых сплавов в инертной среде, содержащее профилированные валки для горячей прокатки, отличающееся тем, что представляет собой подвесной или пристыкованный бункер с нагревательным устройством и засыпной воронкой, закрепленные на станине рабочей клети, причем бункер установлен на рабочей клети прокатного стана так, чтобы он соприкасался с прокатными валками, бункер выполнен с возможностью нагрева до температуры предварительного нагрева гранул, составляющей 60-90% от температуры плавления сплава гранул; также устройство содержит подведенный к бункеру патрубок, выполненный с возможностью подвода по нему инертного газа таким образом, чтобы он через расчетное время заполнял бункер.
Данное устройство позволяет получать ленту из магниевых гранул, но не служит для
получения прессованных брикетов из гранул магниевых сплавов и не в состоянии их производить.
Также наиболее близким аналогом является патент SU 1382587 А1. В SU 1382587 А1 представлена информация обустройстве получения брикетов из гранул магниевого сплава. Гранулы засыпают в алюминиевые стаканы диаметром 83 мм и высотой 30 мм, которые герметично заваривают, вакуумируют, затем помещают в канал контейнера гидравлического пресса с последующим брикетированием. Целью изобретения является увеличение габаритов изделий и повышение их механических свойств. Оно не позволяет получать брикет со сниженной газонасыщенностью, т.е. не обеспечивает получение плотного брикета.
Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение возможности получения заявленным устройством брикета со сниженной газонасыщенностью, т.е. получение плотного брикета.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана конструктивная схема устройства, где 1 - Оболочка, 2 - Засыпная воронка, 3 - Горловина, 4 - Крышка, 5 - Трубка на шланг вакуумного насоса, 6 - Вибростенд, 7 - Гранулы.
Сущность устройства
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство получения брикетов из гранул магниевых сплавов, содержащее оболочку, выполненную в виде стакана и с возможностью поддерживать внутри нее вакуумное состояние или нейтральный газ, и функцией которой является удержание в ней гранул, отличающееся тем, что содержит гидравлический пресс, выполненный с возможностью брикетирования, а оболочка установлена на вибрационный стенд, функцией которого является непрерывное вибрационное действие над оболочкой в процессе ее заполнения гранулами.
Пресс может быть выполнен с возможностью ведения прессования при температуре нагрева брикетов и контейнера пресса не превышающей 350°С, с коэффициентом вытяжки не менее 20 и скоростью прессования не более 1,0 м/мин.
На одном из торцов оболочки может быть выполнена дополнительная трубка для
подвода нейтрального газа, а на горловине засыпной воронки оболочки установлена крышка.
Устройство работает на следующем принципе.
Перед вакуумированием и после засыпки гранул в оболочку, находящуюся под действие вибрации, герметично завинчивают крышку горловины, которая установлена на засыпной воронке оболочки, а после вакуумирования и перед брикетированием производят пережатие трубки вакуумного насоса, заполнение оболочки нейтральным газом и пережатие трубки подвода газа.
Оболочку с гранулами перед брикетированием на прессе предварительно нагревают в печи до температуры, не превышающей температуру рекристаллизации магниевого сплава.
Оболочка представляет собой цилиндр, на одном торце которого размещается засыпная горловина и трубка подсоединения вакуумного шланга (см. Фиг.1). Оболочка изготавливается в соответствии размерам контейнера пресса таким образом, чтобы она свободно помещалась в нем.
Оболочка (1), имеющая засыпную воронку (2), установленную на горловину (3), а также трубку под вакуумный шланг (5) устанавливается на вибрационный стенд (6).
Одним из обязательных условий получения плотного брикета является непрерывное вибрационное действие над оболочкой в процессе ее заполнения гранулами, а также применение гранул имеющих фракционный состав от 0,3 до 3 мм. Такой фракционный состав способствует более плотной засыпке гранул.
Технологический процесс заключается в постепенном заполнении гранулами (7) оболочки, находящейся под вибрационным воздействием, после чего герметично завинчивается крышка горловины (4), далее осуществляется вакуумирование оболочки при помощи трубки для подсоединения вакуумного шланга и последующего пережатия этой трубки. Отвакуумированная оболочка с холодными гранулами поступает в контейнер пресса для деформирования. При максимальном давлении пресса происходит деформация оболочки с гранулами, находящимися в вакууме, в плотный брикет.
Возможно, для получения более плотного брикета, отвакуумированную оболочку перед брикетированием подвергать нагреву до температуры не превышающей температуру рекристаллизации магниевого сплава.
Соблюдение температурного режима нагрева брикетов и контейнера пресса не более 350°С важно исходя из того, что оно обеспечивает получение максимальных
механических свойств прессованных полуфабрикатов, а если режим нарушить более высокой температурой, то наступает распад пересыщенного твердого раствора и частичная коагуляция упрочняющих фаз, в связи с чем прочностные характеристики полуфабрикатов будут снижаться.
Коэффициент вытяжки λ не менее 20 позволяет обеспечить получение значительных сдвиговых деформаций, которые способствуют интенсивному разрушению окисных пленок гранул, образованию ювенильных поверхностей в зоне контакта и их сближение на расстояния, близкие к межатомным, а при скоростях прессования более 1,0 м/мин. происходит разогрев заготовки до температуры солидуса, что отрицательно сказывается на механические свойства и качестве поверхности прессованных полуфабрикатов. Возможно деформирование оболочки с гранулами магниевых сплавов, заполненной нейтральным газом (аргон, азот, гелий и др.). Для чего на одном из торцов оболочки изготавливают дополнительную трубку для подвода газа. В этом случае, технологический процесс будет состоять из засыпки гранул в оболочку, находящуюся под действием вибрации, далее в герметичном завинчивании крышки горловины, вакуумировании оболочки с гранулами, пережатии трубки вакуумного насоса, заполнении оболочки нейтральным газом и пережатии трубки подвода газа. Оболочка с гранулами магниевых сплавов, заполненная нейтральным газом, поступает в контейнер пресса для последующей деформации в брикет. При деформации оболочки нейтральный газ вытесняясь из оболочки способствует защите от проникновения в оболочку кислорода и как следствие окислению гранул.
Предварительный, он же и окончательный нагрев гранул осуществляется в печи сопротивления, которая расположена вблизи прокатного стана. Нагрев гранул осуществляется в коробах из нержавеющей стали. Температура нагрева гранул в печи контролируется термопарами расположенными в емкости короба. В бункере, за счет его нагрева до температуры равной температуре нагрева гранул, обеспечивается поддержание постоянной температуры гранул в процессе их засыпки, перемещения в зону деформации и в самой зоне деформации (проще говоря, они не остывают), что гарантирует стабильность технологии и свойств получаемой ленты. Гранулы магниевых сплавов, полученные в результате литья расплава в криогенную или инертную среду, представляют собой сплав с мелкозернистой структурой покрытый поверхостной окисной пленкой. При нагреве гранул магниевых сплавов не происходит разрушения поверхостной окисной пленки на гранулах. Если бы происходило разрушение
окисной пленки, то в при нагреве гранул начались бы диффузионные процессы поверхостных слоев и гранулы спеклись бы между собой. Это возможно, при нагреве гранул до температуры начала их плавления.
При разработанной технологии разрушение поверхостной окисной пленки происходит при контакте гранул между собой в очаге деформации, обнажаются так называемые ювенильные поверхности или мостики схватывания по которым происходит диффузия и образование цельнометаллического соединения.
А постоянное наличие инертной атмосферы в бункере обеспечивает отсутствие именно в очаге деформации гранул как окисления открывающихся ювенильных поверхностей, что влияет на качество схватывания гранул, так и попадания сопутствующих газов (кислород, водород) в материал ленты.
Пример
Для испытания применялись гранулы магниевых сплавов МА14 и МА2-1. Гранулы, имели округлую форму диаметром 0,3-3,0 мм. Полученные гранулы засыпали в алюминиевые оболочки, имеющие диаметр 630 мм и высоту 1500 мм. Масса оболочек с гранулами после виброуплотнения составляла 500-540 кг.
-3
Вакуумирование оболочек с гранулами осуществляли при остаточном давлении 10 мм рт.ст. Давление воздуха в оболочках замеряли с помощью вакуумметра. После дегазации оболочек, с целью их герметизации, пережимали трубки подвода вакуумного насоса.
Брикетирование и прессование осуществляли на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 12.000 т.е. с диаметром контейнера 650 мм.
Оболочки с холодными гранулами уплотнялись на прессе в брикет в глухую матрицу при максимальном давлении пресса и при температуре нагрева контейнера пресса 340°С.
Уплотненные в брикеты оболочки подвергались обточке с целью удаления алюминиевой рубашки.
Нагрев брикетов осуществляли в печи при температуре 330°С в течение 6 ч. Температура контейнера пресса составляла 340°С. Скорость прессования прутков составляла 0,8 м/мин.
Прессовали прутки диаметром 140 мм (коэффициент вытяжки 21,6) и прутки диаметром 100 мм (коэффициент вытяжки 42,3).
Исследование прутков показало их хорошее качество. Механические свойства партии полученных полуфабрикатов превосходили серийную прессованную продукцию, изготовленную излитой заготовки (данные ГОСТа) (см. Таблицу 1).
УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ БРИКЕТОВ ИЗ ГРАНУЛ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Таблица 1Механические свойства прессованных изделий из сплавов МА2-1гр и МА14гр
Сплав
Диаметр, мм
Предел прочности, МПа
Предел текучести, МПа
Относит. удлинение, %
Предел текучести на сжатие, МПа
317
273
14,5
210
МА14гр
140
328
275
16,0
205
338
305
12,0
220
МА14гр
100
342
310
11,7
226
ГОСТ 19657-84
315
245
6,0
-
МА2-1гр
140
306
228
16,5
117
301
231
18,0
114
315
294
8,5
188
МА2-1гр
100
312
293
11,5
185
ГОСТ 19657-84
255
145
8,0
-