Устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов

Полезная модель относится к области порошковой металлургии и может быть использована при производстве изделий из порошковых материалов, в частности топливных таблеток для атомных реакторов, химической и других отраслях промышленности.
Известно устройство для электроимпульсного прессования порошка, описанное в А.С. №1139564 опубликовано 05.08.1983, в котором имеется одноразовая керамическая матрица из окиси алюминия и пуансоны выполненные из тугоплавкого материала молибдена. Однако при изготовлении высокотемпературных керамических материалов (карбиды, нитриды металлов) происходит приваривание полученного образца к торцу пуансона. Это требует зачистки торца пуансона, что вызывает значительные трудности.
Известно устройство для электроимпульсного прессования порошка, описанное в патенте на изобретение №2470737, опубликовано 2010 г. В нем пуансоны, выполненные из графита, имеют диаметр головки несколько выше, чем средняя часть. Это снижает трение пуансона о стенки матрицы при попадании порошка между стенками матрицы и пуансонами. Однако применение пуансонов из графита для электроимпульсного прессования порошков невозможно из-за их недостаточной прочности.
Решением, наиболее близким предложенному по технической сущности и достигаемому эффекту, является устройство для электроимпульсного прессования порошка [патент на полезную модель №188873, опубликовано 25.04.2019 «Устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов]. Это устройство включает в себя импульсный источник энергии, металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала сиалона (SiAlON), верхний и нижий пуансон из молибдена, пластину с двумя втулками, на которой закреплена обойма с матрицей, причем втулки подпружинены и имеют возможность скользить вертикально вдоль направляющих, установленных на нижней плите.
Устройство работает следующим образом. Порошок электропроводного материала, заключенный в керамическую матрицу и зажатую в металлическую обойму, поджимается пуансонами сверху и снизу. Давление Р к верхнему пуансону прикладывается от нагружающего устройства через шток. После чего, от импульсного источника тока на засыпку порошка подают импульс тока. Импульс разрядного тока, протекая через поджатый порошок, разогревает его. За счет приложенного давления происходит уплотнение засыпки и получается плотный образец.
В этом устройстве матрица позволяет многократно получать образцы из порошковых материалов. Однако при изготовлении высокотемпературных керамических материалов (карбиды, нитриды металлов) здесь также происходит приваривание полученного образца к торцу пуансона, что требует зачистки торца пуансона. Кроме того простая цилиндрическая форма пуансонов вызывает значительное трение между стенками матрицы и пуансонов и их износ.
В связи с этим, важнейшей задачей является разработка нового устройства для электроимпульсного прессования порошка, позволяющее изготавливать образцы из электропроводных порошков тугоплавких материалов, таких как нитриды и карбиды металлов в стойкой многоразовой матрице с более длительной стойкостью пуансонов без их разрушения.
Технический эффект, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании нового изделия, обеспечивающего с помощью электроимпульсного прессования, получение значительного количества образцов из порошков тугоплавких материалов, такие как нитриды и карбиды без разрушения матрицы и пуансонов.
Указанный технический эффект достигается тем, что в устройстве для электроимпульсного прессования порошковых материалов, включающее импульсный источник энергии, металлическую обойму с керамической матрицей выполненную из сиалона, 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, согласно изобретению, верхний и нижний пуансоны выполнены из вольфрама, причем высота торцевой части Н=0,8÷1,2 D, где D - диаметр торцевой части, а диаметр средней части пуансона d=0,8÷0,95 D.
Благодаря тому, что температура плавления вольфрама намного выше, чем у молибдена, стойкость и прочность пуансонов из вольфрама будет выше. При высоте торцевой части Н из вольфрама меньше чем 0,8 D прочность пуансона уменьшается и долговечность его падает, а при высоте - большей, чем 1,2 D возрастает стоимость всего пуансона и все размеры будут не оптимальны. При диаметре средней части пуансона d<0,8 D прочность пуансона уменьшается и долговечность его падает. При диаметре средней части пуансона d>0,95 D зазор между стенками матрицы и пуансона значительно уменьшается и при по попадании в него уплотняемого порошка возрастает трение между стекой матрицы и пуансоном, что приводит к износу пуансона и сокращению его срока службы.
На фиг. 1 представлено устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов.
На фиг. 2 представлена керамическая матрица в металлической обойме с пуансонами.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой показано устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов. Оно включает импульсный источник энергии 1, верхний подвижный пуансон 2 и нижний неподвижный пуансон 3. Нижний пуансон 3 вставлен в нижнюю опору 4, которая помещена на нижнее основание 5, находящееся на нижней плите 6. Верхний подвижный пуансон 2 вставлен в верхнюю опору 7 и электрически изолирован от нижнего пуансона 3 изолирующими втулками 8, надетыми на крепление стойки 9. Давление Р к верхнему пуансону 2 прикладывается от нагружающего устройства 10 (пневмопресса) через шток 11, которые изолированы друг от друга неэлектропроводной прокладкой 12. Электропроводный порошок 13 помещают в керамическую матрицу 14, выполненную из сиалона и зажатую в металлическую обойму 15. На нижней плите 6 установлены двое направляющих 16 и 17 с пружинами 18 и 19, на которые надеты втулки 20 и 21, соединенные с пластиной 22. Эта пластина соединена с металлической обоймой 15. На фиг. 2 представлена керамическая матрица в металлической обойме с пуансонами. Торцевая часть пуансона 23 и средняя часть 24 выполнена из вольфрама.
Устройство работает следующим образом. Порошок электропроводного материала 13 (фиг. 1), заключенный в матрицу 14 и зажатую в обойму 15, поджимается пуансонами 2 и 3. Давление Р к верхнему пуансону 2 прикладывается от пневмопресса 10 через шток 11. Включается импульсный источник энергии 1, в нем накапливается необходимое количество энергии, которое определяется видом и массой уплотняемого порошка. После этого пропускают импульс тока от импульсного источника 1 через поджатый порошок 13, который разогревает его. В этот промежуток времени верхний подвижный пуансон 2, являющийся продолжением штока 9 от нагружающего устройства 8, совершает перемещение вниз. Обойма 15 вместе с матрицей 14 и засыпкой порошка 13, также начинают двигаться вниз, происходит его уплотнение.
Благодаря тому, что пуансоны выполнена из вольфрама, который имеет более высокие физико-химические свойства (такие как температура плавления, теплосопротивление) по сравнению с молибденом, стойкость его многократного использования должна быть выше. Это подтвердило его испытание.
Предлагаемое устройство было опробовано при получении таблеток из нитрида урана и титана диаметром 8÷10 мм и высотой 1,5÷8 мм. С одним комплектов пуансонов из вольфрама сорта ВЛ (или ВИ) было изготовлено порядка ста штук изделий. В тоже время с пуансонами из молибдена можно было изготовить изделий порядка пятидесяти штук.
Таким образом, применение описанного устройства для электроимпульсного прессования порошковых материалов позволяет повысить стойкость пуансонов и тем самым сократить расходы на изготовления оснастки.