Устройство для брикетирования порошковых и гранулированных материалов

з//
Устройство для брикетирования порошковых и гранулированных
материалов
Устройства для брикетирования применяют во многих отраслях промышленности с целью консолидации сыпучих материалов в компактные, с определённой плотностью и прочностью прессовки различной формы.
Наиболее распространённым способом брикетирования смеси порошковых материалов является прессование в закрытых штампах. Основным недостатком конструкции используемых при этом устройств (пресс-форм) является невозможность наложения на прессуемое тело значительной пластической деформации 1. В силу указанной причины, для получения прессовок с высокой плотностью прикладываются высокие давления, что ограничивает размеры прессуемых брикетов из-за больших потерь на преодоление контактного трения, и вызывает повышенный износ прессового оборудования.
Прессуемый порошковый материал испытывает существенные деформации и получается плотным при экструзии его через очко сечением меньшим, чем исходная заготовка 2. Несмотря на простоту используемых при этом устройств, состоящих из контейнера, пуансона и матрицы с очком, им также присущи недостатки упомянутых выше устройств, проявляющиеся при консолидации сыпучих материалов. Это, прежде всего, необходимость использовать высокие давления и температуры из-за больших степеней обжатия прессуемого образца. Кроме того, дополнительное сопротивление истечению прессуемых материалов возникает из-за образования в глухих углах таких пресс-форм застойных зон, где материал практически не движется, будучи удерживаемым контактным трением. Последнее обстоятельство влечёт дополнительный расход порощковых материалов в виде пресс-остатков не экструдированных концов заготовок.
Существенно снизить давление прессования и при этом подвергнуть прессуемый образец значительной деформации можно при использовании прессформы для равно-канального углового прессования (РКУП), выбранной нами в качестве прототипа. Её устройство также просто; в жёсткой металлической болванке выполнены два канала равного сечения, пересекающиеся под заданным
ВЗОВ 15/02
углом. Прессуемый образец пуансоном проталкивается из одного канала в другой и в месте перехода испытывает деформацию по схеме простого сдвига. С помощью указанного устройства из алюминиевых гранул были получены брикеты с высокой плотностью 3.
К недостаткам конструкции пресс-формы применяемой в прототипе следует отнести невозможность извлечения готовой прессовки из выходного канала, а в случае использования разборной пресс-формы для РКУП, извлечение образца невозможно без разборки её корпуса.
Кроме того, для снижения потерь на контактное трение и сглаживания нежелательных последствий влияния оного, внешний угол места пересечения каналов выполняется закруглённым. При этом уменьшается величина наложенной деформации пропорционально величине угла закругления 4, не говоря уже о том, что технически выполнить такой переход между каналами довольно сложно.
В случае же прессования порошковых смесей или сырых прессовок из них, дополнительным недостатком пресс-формы прототипа, на наш взгляд, является отсутствие специального, запирающего выходной канал устройства или приспособления, способного удержать прессуемый материал от преждевременного перемещения в направлении выходного канала. В работе 3 с указанной целью предварительно прессовали пластичный материал, который закупоривал выходной канал, и затем он постепенно выталкивался прессуемым порошковым материалом. Неудобства в этом случае связаны с тем, что каждый раз необходимо изготавливать дополнительно образец из пластичного материала, механические свойства которого должны сочетаться со свойствами прессуемого материала.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка устройства (пресс-формы) для брикетирования порошковых и гранулированных материалов или уплотнения сырых прессовок с целью быстрого получения образцов с высокой однородной плотностью.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для брикетирования порошковых материалов, содержащее матрицу с пересекающимися каналами равного сечения дополнительно содержит стопорное приспособление перекрывающее выходной канал, а дно выходного канала
выполнено съёмным, при этом выходной канал может иметь меньшее сечение, минимальная площадь которого ограничена величиной контактного трения.
Кроме того, стопорное приспособление выполнено в виде вставки и клина.
Кроме того, съёмное дно выходного канала имеет Г-образную форму, выступ которого выполняет функцию вставки и перекрывает выходной канал.
В качестве стопора может служить любое приспособление, препятствующее истечению материала в выходной канал и способное выдержать давление порошкового материала, соответствующее началу его пластического течения. После того, как сжимающее порошки гидростатическое давление достигнет величины, препятствующей перемещению отдельных порошинок относительно друг друга, стопорное устройство убирается и осуществляется собственно канальное угловое прессование порошкового материала. Истечение прессуемого материала в этом случае реализуется путём совместной пластической деформации его ингредиентов.
За счёт того, что дно выходного канала выполнено съёмным, существенно упрощается изготовление самой пресс-формы, облегчается извлечение готовой прессовки, а также смазка и очистка каналов.
Предлагаемое устройство, за счёт съёмного дна может иметь выходной канал с переменным сечением, минимальная площадь которого ограничена величиной контактного трения. С уменьшением сечения выходного канала возрастает величина гидростатического давления в материале, но растёт также и величина контактного трения. Как только трение прессовки в выходном канале сравняется с величиной давления необходимого для реализации пластического течения прессуемого материала, дальнейшее сужение его теряет смысл. По достижении этого условия движение прессуемого материала в сторону выхода прекращается и становится возможным его истечение только в зазоры прессформы, то есть пресс-форму заклинивает. Поскольку в предлагаемом устройстве ситуация, когда каналы равны по сечению, является частным случаем, то в дальнейшем правильнее говорить о консолидации порошковых материалов путём канального углового прессования (КУП).
Предлагаемая пресс-форма отличается тем, что она устанавливается на подложку, в которой выполнен паз, куда вставляется клин, а выходной канал перекрывается вставкой, упирающейся в этот клин.
Схема предлагаемого устройства со съемным неподвижным дном приведена на фиг. 1. Устройство состоит из матрицы (1) с выполненными в ней каналами, съёмного дна (2), пуансона (3), клина (4), вставки (5), подложки (6) и вкладыш (7).
Устройство работает следующим образом. Пресс-форма с предварительно смазанными каналами размещается на подложке (6), в выходной канал вставляется вставка (5), которая упирается в клин (4), размещённый в пазу подложки. Во входной канал засыпается порошок или помещается сырой брикет и осуществляется его прессование. Как только усилие прессования достигнет нужной величины, клин (4) целиком перемещается в паз или удаляется, и прессуемый материал выдавливается в сторону выходного канала вместе со вставкой (5). В случае необходимости, сечение выходного канала может быть уменьшено за счёт замены вкладыша (7) на более тонкий, и, соответственно, использования съёмного дна с большей толщиной. Аналогичного результата можно добиться и заменой боковой стенки на стенку с больщей длиной участка от нижнего отверстия до нижнего края, толщина съёмного дна при этом не меняется.
Схема предлагаемого устройства со съемным подвижным дном приведена на фиг. 2. Устройство состоит из матрицы (1) с выполненными в ней каналами, съёмного подвижного дна (2), пуансона (3), клина (4), вставки (5), подложки (6), вкладыш (7) и смазки (8).
С целью уменьшения величины контактного трения в выходном канале предлагаемая пресс-форма отличается тем, что съемное дно (2) может быть выполнено подвижным. Указанный эффект достигается тем, что подвижное дно выполнено Г-образной формы, выступ которого полностью перекрывает выходной канал. Г-образный выступ выполняет функцию вставки (5), а дно упирается в клин (4). Тем самым предотвращается перемещение прессуемого материала в сторону выходного канала при низком гидростатическом давлении, прижимающем порошки друг к другу в зоне пластического сдвига в начале КУП. После достижения заданного усилия прессования клин (4) убирается, как в предыдущем
случае, и движение прессуемого материала в сторону выходного канала становится возможным. При этом материал движется вместе с дном (2), величина трения которого о подлол ку может регулироваться, например, подбором соответствующей смазки (8). Высоту просвета выходного канала можно регулировать, как и в предыдущем случае.
В качестве примера было проведено КУП алюминиевого порошка марки ПА-1 при комнатной температуре. Сечение пересекающихся под прямым углом каналов составляло 15x15 мм. Были использованы различные величины давления подпрессовки перед снятием стопора (4) подвижного дна. Результаты испытаний представлены в таблице.
При низких давлениях подпрессовки порошки слабо прижимаются друг к другу, и брикет не формируется или легко рассыпается при извлечении его из пресс-формы. С повышением давления подпрессовки брикет получается всё более качественным, хотя и расслаивается при нагрузке. Расслои наблюдаются по плоскостям, залегающим вдоль продольной оси деформированных частиц. При оптимальном прижимающем усилии, которое в нашем случае было около 5 тонн, брикет получается достаточно прочным и плотным. Повышение усилия подпрессовки до 6 тонн и выше приводит к тому, что до снятия стопора прессуемый материал начинает выдавливаться в зазоры пресс-формы, и контактное трение в местах защемления облоя возрастает. После удаления стопора усилие прессования резко возрастает и сохраняется на высоком уровне в ходе КУП, из-за значительных сил трения о стенки каналов. Плотность и прочность брикета при этом увеличиваются незначительно, по сравнению с оптимальным режимом КУП.
Металлографическая картина структуры полученного в оптимальном режиме материала представлена на фиг. 3. Из представленной фотографии следует, что после КУП материал однороден, порошки претерпели значительную пластическую деформацию, приобрели вытянутую форму и плотно прилегают друг к другу. Пезначительное количество мелких пор сохранилась на торцевых стыках частиц алюминия.
Такой брикет может быть подвергнут дополнительному спеканию для повышения плотности и прочности. При этом изменение его исходных размеров
после спекания будет минимальным из-за незначительной пористости материала. Этот эффект имеет большое практическое значение, так как проблема контроля размеров спекаемых прессовок весьма актуальна в порошковой металлургии. Очевидно, что при необходимости плотность и прочность брикета могут быть увеличены за счёт КУ прессования порошкового материала при повышенных температурах.
Однако при прессовании порошков цинка качественной прессовки не получалось. Образец имел периодические треш,ины на верхней поверхности даже при КУП при повышенных температурах. В этом случае сечение выходного канала уменьшалось за счёт снижения просвета между дном и потолком, путём замены вкладыша на более тонкий, и использования дна, высота которого увеличена на соответствующую величину. При уменьшении высоты просвета выходного канала вдвое получался качественный образец без треш,ин.
Таким образом, показано, что предлагаемое устройство может быть использовано для брикетирования порошковых и гранулированных материалов, с целью получения материалов с высокой плотностью и однородным распределением по объёму пор малого размера.
Таблица. Влияние давления подпрессовки (РподпрО на величину усилия прессования (Р) и брикетируемость норошков алюминиевого снлава ПА-1 при КУП.
Источники информации.
1.В. Н. Анциферов, Г. В. Бобров, Л. К. Дружинин и др. Порошковая металлургия и напылённые покрытия: Учеб. для вузов / М.: Металлургия.- 1987.- 792 С.
2.V. Arnhold, J. Baumgarten. Dispersion strengthened aluminium extrusions // Powder metallurgy international.- Vol. 17, # 4.- 1985.- pp. 168-172.
3.Сегал В. М., Резников В. И., Копылов В. И. и др. Процессы пластического структурообразования металлов / Мн.: Навука и T3KHiKa.- 1994.- 225 С.
4.Horita Z., Furukawa М., Oh-ishi К. et. al. Equal-channel angular pressing for grain refinement of metallic materials / IV Int. Conf. on recrystallization and related phenomena, Eds. Sakai T. and Suzuki H. G. - JIM. - 1999. - pp. 301-308.