Устройство для электроимпульсного прессования электропроводных порошков

Полезная модель относится к области порошковой металлургии, в частности к устройствам для электроимпульсного прессования порошка, и служит для изготовления плотных изделий из электропроводных порошков или частиц.
Известна установка для электроимпульсного прессования порошков [А.С. №801374 от 01.01. 1981 г. Устройство для электроимпульсного прессования порошка.] Устройство включает высоковольтный трансформатор, выпрямитель, конденсаторную батарею, электрический разрядник, выполняющий роль ключа для замыкания электрической цепи, который управляется специальной системой поджига, систему управления, служащую для управления зарядкой батареи конденсаторов, верхний подвижный пуансон и нижний неподвижный пуансон, нагружающее устройство (пневмопресс). Порошок помещают в металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала.
При прохождении импульса разрядного тока от батареи конденсаторов через поджатый порошок он разогревается. В результате приложенного статического давления и импульсного нагрева порошка происходит его уплотнение. Полученные на этой установке образцы часто имеют низкое качество боковой поверхности, из-за припекания керамической матрицы к образцу. Кроме того на этой установке крайне затруднительно получить образцы из порошков с высокой электропроводностью.
Решением, наиболее близким предложенному по технической сущности и достигаемому эффекту, является устройство для электроимпульсного прессования порошка [Патент на полезную модель №139637, Устройство для электроимпульсного прессования порошка, опубликовано 20.04.2014]. Это устройство включает в себя импульсный источник энергии (высоковольтный трансформатор, выпрямитель, конденсаторная батарея, электрический разрядник, система поджига, система управления), металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала, верхний подвижный пуансон, вставленный в шток, нижний неподвижный пуансон, установленный на нижнем основании, вибратор, установленный на фланце, который соединен посредством двух стержней с пластиной с двумя втулками, на которой закреплена обойма с матрицей, причем втулки подпружинены и имеют возможность скользить вертикально вдоль направляющих, установленных на нижнем основании.
2
2
п
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. Затем включают вибратор, происходит воздействие вибрационной нагрузки на матрицу. 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 с хорошей боковой поверхностью, из-за того что схватывание боковой поверхности керамической матрицы с материалом образца существенно уменьшается. Однако на этой установке получить образцы с высокой плотностью из порошков с низким электросопротивлением, такие как Cu, Ag и медные сплавы весьма затруднительно, так как импульс тока проходя через такой материал разогревает его не до требуемой высокой температуры. Выделение тепла в порошковой засыпке определяется по формуле Q=j RΔt, где Q - выделяемое тепло в порошковой засыпке, j - импульс тока протекающий через порошковую засыпку, R - сопротивление порошковой засыпки, Δt - время протекания импульса тока. Из формулы видно, что чем больше сопротивление порошковой засыпки, тем больше в нем выделяется тепла и тем самым он лучше уплотняется. Но при определенной запасаемой энергии на батарее конденсаторов, которая равна Е=CU/2, где Е - запасаемая энергия, U - напряжение на батарее конденсаторов, С - емкость батареи, величину импульса тока уже невозможно увеличить, так как она полностью заряжена до максимального напряжения, а для увеличения емкости батареи конденсаторов потребовалось бы дополнительные конденсаторы и переделка установки.
В связи с этим, важнейшей задачей является разработка устройства для электроимпульсного прессования порошка, позволяющее повысить нагрев порошков с низким электросопротивлением при определенной запасаемой энергии на батарее конденсаторов и получать из него плотные изделия.
Техническим результатом заявленного устройства является создание изделия, обеспечивающего с помощью электроимпульсного прессования получение образцов из порошков с низким электросопротивлением, такие как Cu, Ag и медные сплавы.
н
o
н
o
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для электроимпульсного прессования электропроводных порошков, включающее импульсный источник энергии, металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала, 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, отличающаяся тем, что верхний и нижний пуансоны выполнены составными из двух частей, основной части и накладки, соприкасающейся с засыпкой порошка, имеющей более высокое электросопротивление, ρ=3÷10 ρ, где ρ - удельное электрическое сопротивление материала накладки, ρ - удельное электрическое сопротивление материала основной части пуансона, а высота накладки определяется из формулы: h=0,3÷2,5 d, где h - высота накладки, d - диаметр пуансона.
Такая конструкция пуансона позволяет сжать порошковую засыпку и обеспечить ее разогретой с высокой температурой более длительное время из-за того, что тепло которое выделяется в этой накладке пуансона за счет теплопроводности передается засыпке порошка и она значительно медленнее остывает. Тем самым у нее повышается пластичность и увеличивается прессуемость. В результате получается более плотный образец, чем на известной установке.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, на которой показано устройство для электроимпульсного прессования порошков. Оно включает импульсный источник энергии 1, верхний подвижный пуансон 2 и нижний неподвижный пуансон 3. Нижний пуансон 3 вставлен в опору 4, которая помещена на плиту 5. Верхний подвижный пуансон 2 электрически изолирован от нижнего пуансона 3 изолирующими втулками 6, надетыми на крепление стойки 7. Давление Р к верхнему пуансону 2 прикладывается от нагружающего устройства 8 (пневмопресса) через шток 9, которые изолированы друг от друга неэлектропроводной прокладкой 10. Электропроводный порошок 11 помещают в керамическую матрицу 12 зажатую в металлическую обойму 13. Верхний пуансон 2 и нижний пуансон 3 сделаны составными из двух одинаковых частей, причем части пуансонов соприкасающиеся с засыпкой порошка (накладки) 14 и 15 выполнены из нихрома с высоким электросопротивлением (Рис 2). На плите 5 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 13.
н
o
н
o
н
o
Устройство работает следующим образом. Порошок электропроводного материала 11, заключенный в керамическую матрицу 12, зажатую в металлическую обойму 13, поджимается пуансонами 2 и 3, Давление Р к верхнему пуансону 2 прикладывается от пневмопресса 8 через шток 9. Включается импульсный источник энергии 1, ив нем накапливается необходимое количество энергии, которое определяется видом и массой уплотняемого порошка. После этого пропускают импульс тока от импульсного источника 1 через поджатый порошок 11, который разогревает его. Импульс тока также нагревает накладки пуансонов 14 и 15, которые значительно сильнее разогреваются по сравнению с другой частью пуансонов из-за их высокого электросопротивления. В этот промежуток времени верхний подвижный пуансон 2, являющийся продолжением штока 9 от нагружающего устройства 8, совершает перемещение вниз. Обойма 13 вместе с матрицей 12, и засыпкой порошка 11 также начинают двигаться вниз, происходит его уплотнение. Благодаря тому, что остывание полученной прессовки происходит медленнее из-за меньшего отвода тепла через торцы пуансонов, уплотнение происходит более длительное время и образец получается более плотный, чем на известной установки. При высоте накладки h<0,3 d, где h - высота накладки, d - диаметр пуансона, и ρ<3 ρ, где ρ - удельное электрическое сопротивление материала накладки, ρ - удельное электрическое сопротивление материала основной части пуансона, выделенного тепла в ней оказывается недостаточно, чтобы существенно замедлить остывание прессовки и тем самым увеличить ее плотность. При высоте накладки h > 2,5 d, и ρ > 10 ρ происходит перераспределение выделяемого тепла при пропускании импульса тока, нагрев накладок забирает большую мощность установки, чем идет на нагрев порошка. Засыпка нагревается меньше и плотность ее получается ниже.
2
3
При отсутствии указанных дополнительных приспособлений (пуансоны выполнены составными из двух частей с накладками имеющие более высокое электросопротивление) засыпка порошка остывала бы быстрее и ее плотность была бы ниже. Проведенное электроимпульсное прессование порошка Cu + 0,45% AlO подтверждает это предположение.
3
2
2
3
Процесс электроимпульсного прессования проводился при использовании составных пуансонов (молибден марки МЧ + нихром марки Х20Н80, взятые в различных соотношениях) при давлении 200-250 МПа и параметрах импульса тока I=10 A, t=300 мкс. Нихром был выбран в качестве материала накладки, так как он обладает высоким электрическим сопротивлением (1,05-1,4 Ом⋅мм/м). При этом количество тепла, выделяемое при прохождении импульса, на 520-580 Дж превышает аналогичную величину для цельных пуансонов из молибдена и стали. Полученные при использовании предлагаемого устройства значения плотности образцов Cu + 0,45% AlO составляют 97-98% от теоретической, что видно из представленной Таблицы 1. В тоже время, плотность изделий, поучаемых на известной установке, была 89-91%.
Таким образом, применение описанного устройства для электроимпульсного прессования порошковых материалов позволяет получать образцы с высокой плотностью из порошков с низким электросопротивлением.