ПРЕСС-ФОРМА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ПРЕССОВАНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель:
Полезная модель относится к устройствам для горячего прессования порошковых материалов различного состава и состоит из полой прямоугольной матрицы и двух составных пуансонов, со встроенными съемными изолированными нагревательными элементами сопротивления, между которыми размещается спекаемый материал. Полезная модель может быть использована для получения прямоугольных заготовок с большим отношением площади S к толщине d (S/d ≥ 1000), в частности для получения планарных прямоугольных распыляемых мишеней большой площади.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении однородности плотности и структуры спекаемых образцов большой площади, а также увеличении энергетической эффективности процесса спекания.
Уровень техники:
Известно техническое решение, используемое в промышленных установках горячего прессования, например HPW-400 (FCT), HP 500 «GT Advanced Technologies», в котором нагрев пресс-формы с прессуемым порошком производится с помощью внешних резистивных нагревателей. Недостатками такого способа нагрева при использовании пресс-форм большой площади является неоднородность температурного поля по площади прессовки и низкая энергоэффективность метода.
Известно техническое решение, предложенное в US1896854A «Apparatus for making hard metal compositions», в котором нагрев пресс-формы с прессуемым материалом производится путем прямого пропускания тока через пуансоны и матрицу. Недостатками данного технического решения являются сложность обеспечения однородности температурного поля и низкая энергоэффективность при использовании пресс-форм большой площади.
Известно техническое решение, предложенное в US20120098162 A1 «Rapid hot pressing using an inductive heater», в котором нагрев пресс-формы и материала производится с помощью высокочастотного индуктора. Недостатком данного технического решения является конструктивная сложность изготовления и недостаточная эффективность индуктора для нагрева прямоугольных пресс-форм большой площади.
Известно техническое решение, предполагающее изостатическое горячее прессование в газовой атмосфере, например US4582681A1 «Method and apparatus for hot isostatic pressing». Недостатками такого технического решения являются высокая стоимость оборудования и его эксплуатации, а также необходимость предварительного формования изделий в пресс-формах одноосного прессования, удаление связующего, установку изделий в специальный одноразовый высокотемпературный вакуумируемый контейнер, что снижает процент выхода годных и усложняет технологический процесс.
Ближайшим аналогом предлагаемой модели является техническое решение, представленное в патенте RU183245U1 «Устройство для получения изделий из композиционных порошков», в котором для обеспечения более равномерного и глубокого нагрева в пуансонах выполнены поперечные отверстия, размещенные ближе к торцу пуансона, обращенному к прессуемому (спекаемому) материалу. Недостатком использования такого решения для пресс-форм большой площади является сложность и высокая стоимость источника тока, а также сложность его подключения к пресс-форме.
Раскрытие сущности полезной модели:
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении однородности плотности и структуры спекаемых образцов большой площади, а также увеличении энергетической эффективности процесса спекания.
Техническая задача состояла в разработке энергоэффективной пресс-формы для получения планарных прямоугольных распыляемых мишеней большой площади методом горячего прессования, обеспечивающей высокую однородность температурного поля по всей площади прессовки.
Для решения поставленной задачи предложена пресс-форма, содержащая полую прямоугольную матрицу и два составных пуансона, выполненных из изостатического графита высокой плотности. Каждый пуансон состоит из двух блоков внутреннего и внешнего, взаимное позиционирование и сопряжение которых производится с помощью цилиндрических штифтов. На тыльных сторонах внутренних блоков обоих пуансонов сформированы профилированные каналы для укладки изолированных нагревательных элементов. Для снижения механических напряжений и улучшения взаимного скольжения внутренние углы матрицы и сопрягаемые с матрицей внешние углы пуансонов выполнены радиусными (R ≥ 10 мм). Большая площадь встроенных нагревателей, равномерное их распределение по поверхности пуансонов способствуют выравниванию температурного поля у поверхности прессовки и как следствие увеличению однородности плотности и структуры спекаемых образцов. Наличие теплоизолирующих прокладок между блоками пуансонов, а также между пуансонами и штоками пресса существенно снижает передачу тепла от нагревательных элементов к водоохлаждаемым штокам пресса и как следствие ведет к увеличению общей энергетической эффективности процесса спекания.
Краткое описание чертежей:
На фигуре 1 представлена схема предлагаемой пресс-формы в разрезе, где цифрами обозначены: 1 - матрица; 2 - внутренний блок нижнего пуансона; 3 - внешний блок нижнего пуансона; 4 - каналы для укладки нагревательных элементов; 5, 12 - штифты сопряжения блоков пуансонов; 6, 13, 17, 18 - теплоизоляционные прокладки из графитовой фольги ГРАФЛЕКС; 7, 8, 10 - защитные вкладыши из графитовой фольги; 9 - спекаемый порошок; 11 - внутренний блок верхнего пуансона; 14 - внешний блок верхнего пуансона; 15 - нижний шток установки горячего прессования; 16 - направляющий штифт; 19 - верхний шток установки горячего прессования; 20 - углубление в матрице для измерения температуры.
На фигуре 2 представлена схема нагревательного элемента, где цифрами обозначены: 20 - токоподводящие шины; 21 - нагреватели; 22 - изолирующие трубки. Максимальная температура эксплуатации нагревательного элемента в вакууме или инертном газе - 1400°С.
При температуре эксплуатации нагревательного элемента Т≤1400°С токоподводящие шины и нагреватели могут быть выполнены из молибдена, а изолирующие трубки - из нитрида бора. При рабочей температуре Т≤700°С нагреватели могут выполнены из нихрома или фехраля, а изолирующие трубки - из оксида алюминия.
Ввиду относительно больших габаритов и массы составных элементов пресс-формы большой площади ее сборку желательно проводить на специальной мобильной платформе, оборудованной манипулятором для загрузки в рабочую камеру установки горячего прессования и выгрузки из нее.
Заявляемая пресс-форма для горячего прессования работает следующим образом. На направляющих сборочной платформы производится сборка нижнего пуансона в такой последовательности: в специальные углубления внешнего блока (3) вставляются направляющие штифты (5) на которые последовательно надеваются теплоизолирующая прокладка, состоящая из двух листов графитовой фольги ГРАФЛЕКС (6) и внутренний блок (2) с установленным в пазы (4) нагревательным элементом (схема нагревательного элемента представлена на фигуре 2). В матрицу (1) вставляют защитный вкладыш (7) из графитовой фольги толщиной 0.3 мм. Затем матрицу одевают на расчетную глубину на нижний пуансон. На дно пресс-формы устанавливают вырезанный в размер защитный лист графитовой фольги (8) толщиной 0.5 мм, засыпают предварительно гранулированный спекаемый порошковый материал (9) и последовательно устанавливают верхний защитный лист фольги (10) и внутренний блок верхнего пуансона (11), с установленным в пазы нагревательным элементом. Затем в специальные углубления внутреннего блока верхнего пуансона (11) вставляются направляющие штифты (12), на которые последовательно надевается теплоизолирующая прокладка (13) и устанавливается внешний блок верхнего пуансона (14). Пресс-форма в сборе устанавливается по направляющему штифту (16) через теплоизолирующую прокладку (17), состоящую из двух слоев графитовой фольги толщиной 0.5 мм, на нижний шток (15) установки горячего прессования. Поверх внешнего блока верхнего пуансона устанавливается теплоизолирующая прокладка (18), состоящая из двух слоев графитовой фольги толщиной 0.5 мм и поджимается верхним штоком (19) установки горячего прессования с усилием, обеспечивающим давление прессования на уровне 10МПа.
Токоподводящие шины нагревательных элементов подключаются с помощью гибких шин к соответствующим водоохлаждаемым электрическим вводам в рабочей камере установки. Рабочую камеру герметизируют и откачивают до остаточного давления Р ≤ 1Па, по достижении которого устанавливаются расчетные параметры режимов и проводится спекание.