ПРЕСС-ФОРМА ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА

Полезная модель относится к порошковой технологии, в частности к конструкции пресс-форм для получения заготовок и изделий, преимущественно из графитопластовых композиций, включающих графит, фенолформальдегидную смолу и добавки.
Известна пресс-форма для прессования порошковых композиций на основе углерода, содержащая матрицу, упорную плиту и вертикальный пуансон (Темкин И.В., Производство электроугольных и металлокерамических изделий. - М.: Высшая школа, 1986, с. 95, рис. 53а).
Недостатком указанной пресс-формы является пониженная плотность получаемых заготовок и изделий из них. Одной из причин пониженной плотности является недостаточный объем удаляемых газов из свободного пространства между рабочей поверхностью пуансона и засыпкой, а также из засыпки порошковой композиции в матрице. Свободное пространство при ручном заполнении матрицы может составлять от 20 до 40% объема засыпки порошковой композиции. После начала прессования большая часть этого объема газов атмосферы не успевает удалиться из матрицы при малом зазоре между пуансоном и стенками матрицы и впрессовывается в засыпку порошковой композиции. При этом насыпная плотность засыпки снижается на 10-30%. Удалить газы из засыпки и заготовки не могут и дополнительные 2-3 подпрессовки и выдержки прессовок при нагрузках в течение 3-5 минут и более. Эти дополнительные операции в десятки раз снижают производительность процесса прессования (Темкин И.В., Производство электроугольных изделий. М.: Высшая школа, 1975, с. 107).
Несколько повышает плотность заготовок и изделий пресс-форма для прессования порошковых композиций на основе углерода, содержащая «плавающую» матрицу, верхний и нижний пуансоны и опорную плиту (Темкин И.В., Производство электроугольных и металлокерамических изделий. - М.: Высшая школа, 1986, с. 98-100, рис. 57). В матрице в верхней части выполнен входной участок с наклонными стенками. Этот участок улучшает возможность удаления газов атмосферы из свободного пространства в матрице между поверхностью засыпки и рабочей поверхностью верхнего пуансона. Угол наклона входного участка к оси матрицы составляет от 10' до 0,5°, высота входного участка равна высоте прессовки. Даже такое незначительное увеличение сечения матрицы на входе позволяет устранить появление макродефектов, в основном расслойных трещин в прессовках при выталкивании из матрицы. Однако такой малый наклон стенок входного участка только незначительно (на десятки мкм) увеличивает сечение матрицы на входе в ее внутренний объем и поэтому не может существенно повлиять на удаление газов из нее и повышение плотности прессовок.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту предлагаемой является пресс-форма для прессования порошковых композиций на основе углерода (Патент РФ на полезную модель №59460, МПК B22F 3/105, Устройство для горячего прессования углеродных заготовок, от 27.12.2005). Пресс-форма содержит верхний и нижний пуансоны, матрицу из нитрида бора с пористостью 30%. Матрица запрессована в корпус. Через поры матрицы в процессе прессования газы удаляются не только из свободного пространства между поверхностью пуансона и поверхностью засыпки, но и из самой засыпки порошка.
Основным недостатком наиболее близкого аналога является низкая плотность получаемых заготовок и изделий ввиду малой пористости матрицы. Как показывает промышленная практика, возможность удаления газов через матрицу с 30%-ной пористостью незначительна (Пористые проницаемые материалы: Справочник. Под редакцией Белова C.B. - М.: Металлургия, 1987, с. 137, табл. 2.57). Как видно из табл. 2.57, скорость течения газов через каналы изделий с пористостью 30% составляет всего 0,036 м/с при их давлении, равном 10 кПа, а при пористости изделия 60% скорость истечения газов возрастает в 26,6 раза. Таким образом, матрица с пористостью 30% не обеспечивает нужной проницаемости газов. Кроме того, заключение указанной матрицы в корпус исключает истечение газов через стенки матрицы, поскольку корпус перекрывает каналы, расположенные по толщине стенок матрицы. Истечение газов через каналы на торцевых поверхностях матрицы по ее высоте будет незначительным.
Задачей предлагаемого решения является устранение этого недостатка, а именно повышение плотности заготовок и изделий путем увеличения объема удаляемых газов.
Поставленная задача решается тем, что в пресс-форме для прессования порошковых композиций на основе углерода, содержащей верхний и нижний пуансоны и матрицу, часть которой выполнена пористой, согласно предлагаемому решению, матрица по высоте выполнена составной и нижняя ее часть, равная 1/5 высоты матрицы, изготовлена из высокопрочной инструментальной стали, а верхняя ее часть изготовлена из порошковой нержавеющей стали и имеет пропорционально изменяющуюся по высоте пористость, равную 48÷50% у верхнего торца матрицы и 30÷32% у нижнего торца, при этом наружные поверхности верхней части матрицы наклонены к ее нижней торцовой поверхности под углом 82÷84°.
Выполнение матрицы составной, у которой нижняя часть выполнена из высокопрочной инструментальной стали, а верхняя - из порошковой нержавеющей стали, позволит обеспечить ее необходимую прочность в процессе прессования и в то же время увеличить общий объем удаляемых газов. Увеличение объема удаляемых газов достигается переменной величиной пористости верхней части матрицы по высоте и выполнением наклона ее наружных стенок к нижнему ее торцу, когда большая часть газов удаляется вначале прессования. При входе верхнего пуансона в полость матрицы газы начинают удаляться вначале из ее объема, свободного от порошка. Интенсивность удаления газов при этом будет максимальной, поскольку у верхнего торца матрицы максимальная пористость, обеспечивающая в стенках матрицы минимальной толщины каналы наибольшей проницаемости для газов. После контакта рабочей поверхности верхнего пуансона с порошком, несмотря на снижение пористости и проницаемости для газов стенок матрицы и увеличение их толщины, интенсивность удаления газов из засыпки порошка снизится незначительно, поскольку будет интенсивно возрастать давление пуансона на засыпку порошка и на газы, находящиеся еще в открытых порах засыпки. Максимальное удельное давление пуансона, равное 50 МПа, обеспечит удаление газов даже из прессовки. Таким образом, заявляемая форма выполнения матрицы и заданная пористость по высоте верхней части матрицы обеспечат максимальное удаление газов из получаемых заготовок и изделий, увеличивая их плотность.
Уменьшение высоты нижней части матрицы менее 1/5 общей высоты матрицы ведет к снижению прочности при максимальном усилии на пуансоне, а увеличение этой высоты более 1/5 снижает объем удаляемых газов.
Увеличение пористости у верхнего торца верхней части матрицы более 50% также как и увеличение ее у нижнего торца более 32% уменьшит ее прочность при максимальном усилии на пуансоне, а уменьшение пористости менее 48% у верхнего торца так как и уменьшение менее 30% у нижнего торца снизит объем и скорость удаления газов.
Угол наклона наружных поверхностей матрицы к нижней торцовой поверхности верхней части матрицы нужен для ускорения процесса удаления газов через стенки матрицы уменьшенной толщиной.
Увеличение этого угла более 84° приведет к увеличению толщины и снижению интенсивности удаления газов, а уменьшение менее 82° снизит прочность стенок матрицы, особенно у верхнего торца.
Предлагаемая пресс-форма изображена на фиг. 1, 2, где на фиг. 1 показан общий вид пресс-формы, на фиг. 2 - вид сверху.
н
Пресс-форма содержит верхний пуансон 1, нижний пуансон 2 и матрицу, состоящую из верхней части 3 и нижней части 4. Нижняя часть 4 матрицы изготовлена из высокопрочной инструментальной стали, а верхняя часть 3 - из порошковой нержавеющей стали. Высота H нижней части 4 равна 1/5 высоты H матрицы. Пористость верхней части 3 матрицы пропорционально изменяется по высоте и равна 48÷50% у ее верхнего торца и 30÷32%% - у ее нижнего торца 5. Наружные поверхности 6 верхней части 3 выполнены под углом α=82÷84° к нижнему торцу 5 верхней части 3 матрицы.
Пресс-форма работает следующим образом.
Порошковую композицию 7 засыпают в рабочую полость, образованную верхней и нижней частями 3 и 4 матрицы и нижним пуансоном 2. Включают привод пресса (на черт, не показан). Верхний пуансон 1 начинает перемещаться вниз и вытесняет вначале газы из объема, свободного от порошка. Перемещаясь вниз, пуансон 1 касается порошковой композиции и прессует ее. Одновременно с прессованием происходит вытеснение газов из порошковой композиции (засыпки) через поры частей 3, 4 матрицы с наклонными к нижнему торцу 5 наружными поверхностями 6, обеспечивая максимальное удаление газов в конце прессования. После окончания прессования полученную заготовку или изделие выталкивают нижним пуансоном 2.
Согласно предлагаемому решению была изготовлена опытная пресс-форма для прессования таблеток диаметром 50 мм и высотой 10 мм из порошковой композиции: графит 86% и фенолформальдегидная смола 14%. Размеры пресс-формы: максимальный наружный диаметр - 90 мм, минимальный - 70 мм, общая высота 70 мм, высота засыпки порошковой композиции 50 мм, высота свободного от засыпки объема 10 мм. Нижняя часть матрицы выполнена из углеродистой инструментальной стали марки У10А, термообработанной до твердости 54-58HRC. Верхняя часть матрицы выполнена из порошковой нержавеющей стали марки 08Х18Н10.
3
3
На данной пресс-форме были получены таблетки диаметром 50 мм и высотой 10 мм с разной скоростью верхнего пуансона и разными удельными усилиями прессования. При прессовании таблеток на гидравлическом прессе модели ПД-476 с усилием 160 тонн со скоростью пуансона 30 мм/с получили плотность, равную 1,65 г/см. При прессовании на копре со скоростью 300 мм/с получили плотность, равную 1,76 г/см.
3
Предлагаемая пресс-форма по сравнению с известной (плотность равна 1,575 г/см) увеличивает плотность получаемых заготовок и изделий на 4,7%, повышает их механические и физические свойства, а также позволяет увеличить скорость прессования, что увеличивает производительность.
Пресс-форма найдет применение в порошковой технологии производства изделий преимущественно электротехнического назначения, прежде всего щеток электрических машин, скользящих контактов городского и железнодорожного транспорта.