СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
MANUFACTURING METHOD OF PRODUCTS MADE OF POWDER MATERIALS

Изобретение относится к области порошковой металлургии, более конкретно к способу изготовления изделий из порошковых материалов в режиме горения (метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза СВС). На практике, изделия, изготовленные методом СВС, широко используются в металлургии, машиностроении, авиастроении, аэрокосмической технике. Изделия, которые могут быть получены предлагаемым способом: валки, элементы штампов, обрабатывающий инструмент, крупногабаритные пескоструйные сопла, защитные покрытия, детали насосов и т.д.
Известен способ получения изделий из порошковых материалов, включающий приготовление экзотермических смеси порошка, прессование смеси в брикет, размещение его в теплоизолирующей пористой оболочке и в матрице, инициирование реакции горения и горячее прессование продуктов горения совместно с оболочкой (RU 2060866 C16B 22 F3/23, B22F 3/14, 1996.05.27).
Известен способ получения изделий из порошковых материалов, включающий приготовление экзотермической реакционной шихты исходных компонентов, прессование шихты в виде брикета, размещение его в пресс-форме в инертной порошковой среде из сыпучего теплоизолятора, подведение к поверхности брикета через отверстия в конструкции пресс-формы инициирующего устройства, состоящего из токоведущих проводов и спирали, воспламенение брикета путем пропускания тока через воспламенитель, после окончания процесса горения шихты прессование горячих продуктов синтеза и последующее извлечение изделия (А.П.Амосов, И.П.Боровинская, А.Г.Мержанов. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. Москва, 2007 г., с.220-223). Указанный источник взят в качестве прототипа.
Недостатками указанных известных решений является наличие одного инициирующего устройства (поджога), расположенного на поверхности шихтового брикета, которое не позволяет получать полностью изотермические условия прессования. Вследствие чего полученные изделия имеют различную плотность в разных его частях. Особенно заметны эти дефекты на крупных изделиях. Увеличить количество поджогов в брикете не представляется возможным из-за повышения температуры, вызываемой при встрече волн горения, исходящих от каждого поджога, и как следствие, - образование дефектов в этих местах: сколы, трещины и термические напряжения. Кроме того, из-за наличия одного поджога увеличивается время сгорания шихтового брикета, и к началу прессования зона брикета, расположенная у поджога, успевает остыть. Такие неизотермические условия прессования приводят к разной плотности материала и снижению качества и выхода годных изделий.
Техническим результатом изобретения является повышение качества и выхода годного продукта, а также возможность получения целевых изделий крупных габаритов.
Технический результат достигается тем, что способ изготовления изделий из порошковых материалов включает приготовление экзотермической реакционной шихты исходных компонентов, прессование шихтового брикета, размещение его в пресс-форме в инертной порошковой среде из сыпучего теплоизолятора, подведение к поверхности брикета через отверстия в конструкции пресс-формы инициирующего устройства, состоящего из токоведущих проводов и спирали, воспламенение брикета путем пропускания тока через воспламенитель, после окончания процесса горения шихты прессование горячих продуктов синтеза, извлечение изделия из пресс-формы и охлаждение, при этом на шихтовый брикет укладывают газопроницаемый изоляционный слой, в котором по всей его поверхности выполняют отверстия с шагом между их центрами, равным не менее трех радиусов этих отверстий, на изоляционный слой укладывают дополнительно слой из шихты, температура горения которой равна или выше температуры горения шихтового брикета, в указанном дополнительном слое шихты устанавливают два или более инициирующих устройств, ими инициируют реакцию горения в дополнительном слое, горячие продукты синтеза которого через отверстия в газопроницаемом изоляционном слое воспламеняют шихтовый брикет. Отверстия выполняют любой геометрической формы с максимальным размером 4-20 мм, а для отверстий, выполненных в виде круга, с радиусом 2-10 мм.
Сущность изобретения поясняется схемой, приведенной на чертеже, где 1 - матрица пресс-формы, 2 слой - сыпучего материала, 3 - шихтовый брикет, 4 - газопроницаемый изоляционный слой с отверстиями, 5 - дополнительный слой шихты, 6 - инициирующие устройства, 7 - пуансон. В сечении А-А показаны места установки инициирующих устройств (поджогов), в сечении В-В - схема расположения отверстий в газопроницаемом слое, через которые поджигают шихтовый брикет.
Способ осуществляют следующим образом.
В расположенную на прессе пресс-форму 1 на слой сыпучего материала 2 помещают спрессованный шихтовый брикет 3 из экзотермической смеси по форме заданного изделия, на шихтовый брикет укладывают газопроницаемый изоляционный слой 4, в котором по всей его поверхности выполнены отверстия с шагом не менее трех радиусов между центрами отверстий, на изоляционный слой укладывают дополнительно слой 5 из шихты, температура горения которого равна или выше температуры горения шихтового брикета. В указанном дополнительном слое шихты устанавливают два или более инициирующих устройств 6, сверху засыпают сыпучим материалом 2 (песок) и закрывают пресс-форму пуансоном 7. На все инициирующие устройства, установленные в дополнительном слое шихты, подают ток, инициируют реакцию горения в слое, а шихтовый брикет воспламеняется горячими продуктами синтеза, через отверстия в газопроницаемом изоляционном слое. После окончания горения шихтового брикета приступают к горячему деформированию. Готовое изделие удаляют из пресс-формы, охлаждают, после чего отделяют дополнительные слои механически, в случае необходимости шлифованием.
Воспламенение шихтового брикета происходит через многочисленное количество отверстий в газопроницаемом слое. Причем этот слой шихты дополнительно разогревает шихтовый брикет, за счет чего уменьшается время сгорания брикета, а дефекты от поджогов остаются в газопроницаемом слое. За счет этого прессование происходит в изотермических условиях, что особенно важно при получении крупногабаритных изделий.
Таким образом, при поджоге шихтового брикета через отверстия в газопроницаемом слое многократно увеличивается количество точек воспламенения, и дефекты от встречных волн горения минимизируются. Установленные два и более поджога на дополнительном слое шихты уменьшают время сгорания шихтового брикета.
Пример 1.
Для изготовления твердосплавных заготовок диаметром 240 мм и высотой 50 мм, которые применяют в качестве элементов штамповой оснастки, использовали для шихтового брикета предварительно перемешанную в шаровом смесителе экзотермическую смесь следующего состава, мас.%: Ti 88,0; B 12,0 (смесь I), температура горения которой 1600°С, для дополнительного слоя экзотермическую смесь следующего состава, мас.%: (Ti+C) 80,0 и Ni 20,0 (смесь II), температура горения которой 2800°С. Из смеси 1 готовили шихтовый брикет массой 10000 г холодным прессованием. В качестве теплоизоляции использовали песок. В металлическую форму 1 диаметром 250 мм, расположенную на прессе, засыпали песок и помещали на него шихтовый брикет 3, на шихтовый брикет укладывали газопроницаемый изоляционный слой 4, в котором по всей его поверхности выполняли отверстия радиусом 2,5 мм и шагом 7,5 мм между центрами отверстий. На нем располагали слой 5 из шихты смеси II (1500 г), температура горения которой равна 2800°С. В этом дополнительном слое шихты устанавливали четыре инициирующих устройства 6 (на чертеже сечение-А-А), состоящих из нихромовой спирали и токоведущих проводов, пропущенных через специальные отверстия в пресс-форме. Сверху на дополнительном слое размещают слой песка 2 и закрывают пресс-форму пуансоном 7. Подают ток к нихромовым спиралям 6, воспламеняют смесь II и через отверстия в газопроницаемом слое 4 воспламеняют шихтовый брикет 3. После окончания горения шихтового брикета приступают к горячему прессованию. Давление прессования составляло 2000 кг/см. После прессования брикет извлекают из пресс-формы, охлаждают, а затем отделяют заготовку от дополнительного и изоляционного слоев.
Пример 2.
Для изготовления прокатного валка из твердосплавного материала с наружным диаметром 205 мм и внутренним диаметром 130 мм, высотой 50 мм использовали для шихтового брикета предварительно перемешанную в шаровом смесителе экзотермическую смесь следующего состава, мас.%: (Ti+C) 70,0; Ni 22,0; Mo 8,0 (смесь I), температура горения которой 1800°С, для дополнительного слоя экзотермическую смесь следующего состава, мас.%: (Ti+2B) 70,0 и Cu 30,0 (смесь II), температура горения которой 1800°С. Газопроницаемый слой готовят в виде кольца диаметром 205 мм, внутренним диаметром 130 мм. Отверстия максимального размера 8 мм располагают по поверхности слоя с шагом 12 мм. В дополнительном слое (смесь II) устанавливают три поджога. Далее, как в примере 1.
В таблице представлены сравнительные характеристики изделий валков и элементов штампа, полученных по прототипу и заявляемому способу. Видно, что предлагаемый способ дает возможность получать изделия с более высокими физико-механическими свойствами, кроме того, повышается также на 10-20% выход годных изделий.
Таблица
Изделие
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Твердость, едн. HRA
Предел прочности при изгибе, МПа
Max. отклонение высоты изделия от заданной величины, мм
Элемент штампа, полученный по прототипу
5.7-5.8
86.0-87.5
900-980
+5 -5
Элемент штампа, полученный заявляемым способом
5.9-6.0
89.5-90.0
1100-1200
+1 -0.5
Валок, полученный по прототипу
4.4-4.5
84.0-86.0
760-850
+4 -3
Валок, полученный заявляемым способом
4.65
87.0-88.0
950-1000
+0.5-0.5