КАПСУЛА ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ЭКСТРУЗИИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРУТКОВ

Полезная модель относится к порошковой металлургии, в частности, к устройствам, используемым при изготовлении прутков с наружным слоем из порошкового и внутренним стержнем-сердечником из литого металла.
Известна капсула (заготовка) для получения биметаллических заготовок (авт. свид. СССР №988456, B22F 3/14, фиг.2), включающая обечайку, сердечник, нижнюю и верхнюю крышки, а также полость, заполненную металлическим порошком. Основным недостатком данного аналога является то, что в процессе горячей экструзии одновременно с уплотнением порошка начинается деформация стержня. Поскольку засыпанный в капсулу порошок имеет пористость в пределах 5-10%, то на первом этапе усилие деформации полностью воспринимает на себя стержень, в результате происходит его изгиб и/или образование в поперечном сечении стержня бочки. Это приводит к появлению разнотолщинности порошкового слоя в готовом прутке.
В качестве прототипа принята капсула (контейнер) для прессования биметаллических изделий (авт. свид. СССР №954188, B22F 3/14), включающая обечайку, осевой стержень, крышки и геттер. Обе крышки (нижняя и верхняя) выполнены ступенчатыми с центральной частью, входящей в объем капсулы с возможностью контакта с торцевыми поверхностями стержня, а периферийные части крышек удалены от уровней торцов стержня на заданное расстояние в зависимости от высоты порошкового слоя и его коэффициента уплотнения в направлении оси капсулы. Данное устройство предназначено для получения биметаллических заготовок деформированием в гидростате с последующим спеканием в газостате. Конструкция прототипа не приспособлена для экструдирования, так как крышки и обечайка по периметру имеют отбортовки, затрудняющие установку капсулы в прессовую оснастку. Однако в случае экструдирования капсулы в начальной стадии начинают деформироваться вертикальные части ступенчатых крышек и стержень теряет устойчивость, что приводит к его смещению относительно оси капсулы и появлению разнотолщинности порошкового слоя заготовки. Кроме того конструкция прототипа усложнена тем, что под верхней крышкой установлен стакан для возможности заполнения порошка до уровня верхнего среза обечайки. Упомянутый стакан выполняет также функцию геттера, который изготовлен из алюминиевого сплава, что также является существенным недостатком, так как при использовании порошка инструментальных сталей, материал геттера при нагреве контейнера просто расплавится. Кроме того имеет место прямой контакт геттера с порошком, что приводит к образованию жидкой фазы в зоне контакта при нагреве и, как следствие, к появлению дефектов в виде трещин и пор в готовой заготовке.
Задачей полезной модели является повышение качества биметаллических прутков за счет исключения разнотолщинности порошкового слоя и контакта геттера с порошком.
Поставленная задача решается за счет того, что капсула, содержащая обечайку, нижнюю и верхнюю крышки, осевой стержень и геттер, характеризуется тем, что в каждой крышке выполнена внутренняя полость с кольцевым выступом, опертым на торец осевого стержня, а в верхней крышке выполнены каналы, соединяющие ее полость с полостью. заполненной металлическим порошком, при этом геттер расположен во внутренней полости верхней крышки. В частных случаях выполнения заявляемого устройства отличие заключается в том, что:
- высота внутренней полости каждой крышки определяется по формуле: h=0,005·θ·Н, где θ - пористость порошка, %, Н - высота полости, заполненной порошком;
- на внешней поверхности нижней крышки выполнена фаска с углом конусности, равным углу конусности входного отверстия матрицы прессовой оснастки;
- верхняя и нижняя крышки выполнены из материала, прочность которого при температуре горячей экструзии меньше прочности материала стержня;
- в качестве геттера используют титановую губку, например, марки ТГ-100 в виде гранул или брикетов.
Наличие в каждой крышке внутренней полости заданной высоты обеспечивает предварительное сжатие порошка до 100% плотности и образование порошкового слоя, предотвращающего изгиб стержня и смещение его относительно оси контейнера при экструзии, а кольцевые выступы, контактирующие с торцами стержня, фиксируют его по высоте при сборке контейнера. Выполнение каналов в верхней крышке, соединяющих ее полость с полостью, заполненной порошком, устраняет прямой контакт материала порошка с геттером, расположенным в полости указанной крышки, так как в противном случае на границе геттер-порошок при нагреве образуется эвтектика, являющаяся причиной образования трещин и пор в готовой заготовке.
Выполнение наружной фаски на нижней крышке уменьшает сопротивление при входе контейнера в очко-отверстие матрицы прессовой оснастки, что также способствует снижению усилия деформации на стержень. Выбор материала для крышек и стержня обусловлен необходимостью надежного среза кольцевых выступов во внутренних полостях крышек вначале деформации.
Заявляемое устройство поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез капсулы. Капсула включает обечайку 1, нижнюю 2 и верхнюю 3 крышки, осевой стержень 4, геттер 5, находящийся в одной из полостей 6, выполненных в крышках 2, 3 и имеющих кольцевые выступы 7, опирающиеся на торцы стержня 4. В верхней крышке выполнены каналы в виде выточки 8 и отверстий 9, соединяющих полость 6 с полостью, заполненной металлическим порошком 10. Буквами на чертеже обозначено: h - высота полости в крышке, Н - высота полости, заполненной порошком, α - угол конусности, Д - диаметр внутренней полости крышки, d - диаметр стержня, S - толщина кольцевого выступа.
Масса геттера, размеры выточки 8 и суммарная площадь отверстий 9 выбирается в зависимости от массы порошка и содержания кислорода в нем. Диаметр Д определяется из условия свободного перемещения крышек относительно стержня на стадии уплотнения порошка по формуле:
Д=k·(d+2S), где k - коэффициент, учитывающий температурно-скоростные параметры деформации и механические свойства материала стержня и крышек.
Капсула собирается следующим образом. Обечайку 1 приваривают к нижней крышке 2, устанавливают стержень 4 и в образовавшуюся между обечайкой и стержнем полость засыпают порошок 10. Сверху устанавливают крышку 3 и приваривают ее к обечайке 1, затем проводят вакуумирование капсулы, герметизацию, нагрев и подачу на экструзию. Для изготовления капсулы применяются, в частности, следующие материалы: для стержня и крышек - Сталь 40 и Сталь 15 по ГОСТ 1050-88 соответственно, для обечайки - Ст5сп по ГОСТ 380-2005, а в качестве порошка используют мелкодисперсные порошки из инструментальных сталей, например, марки Р6М5.
Усилие деформации со стороны пуансона пресса и матрицы передается на крышки, которые перемещаются навстречу друг другу и осевой стержень 4 своими торцами срезает кольцевые выступы 7. Высота внутренних полостей крышек обеспечивает уплотнение порошкового материала, который препятствует изгибу, смещению, а также бочкообразованию стержня в процессе экструзии. В результате получают биметаллические прутки с отсутствием в них разнотолщинности порошкового слоя как в продольном так и в поперечном сечениях.