ПРЕСС-ФОРМА

Полезная модель относится к устройствам для искрового плазменного спекания порошков различного состава.
Известны разновидности электроискрового спекания FAST/SPS (Field-assisted sintering technology/Spark plasma sintering), обеспечивающие спекание порошков (металлических, керамических, композитных) при нагреве спекаемого порошка, находящегося под давлением, импульсами электрического тока (см., напр., [О. Guillon, J. Gonzalez-Julian, В. Dargatz, Т. Kessel, G. Schiernin, J.  and M. Herrmann. Field-Assisted Sintering Technology/Spark Plasma Sintering: Mechanisms, Materials, and Technology Developments. Advanced Engineering Materials, vol. 16, no. 7, pp. 830-849, 2014]). При этом в качестве материала пуансонов и матрицы широко используется высокопроводящий графит.
Недостатком метода является значительная непроизводительная затрата энергии, связанная с низким сопротивлением пресс-формы, сопоставимым по величине с внутренним сопротивлением источника.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является техническое решение, представленное в [D. Giuntini, J. Raethel, М. Herrmann, A. Michaelis, С.D. Haines, E.A. Olevsky. Spark plasma sintering novel tooling design: temperature uniformization during consolidation of silicon nitride powder. Journal of the Ceramic Society of Japan 124 [4] 403-414 2016], в котором - для преимущественного выделения тепла в пуансонах - с тыльной стороны пуансонов просверлен ряд отверстий или проточены концентрические канавки. Недостатком такого решения является то, что зоной максимального сопротивления, а, следовательно, и максимального выделения Джоулева тепла в системе верхний электрод -верхний пуансон - матрица - образец - нижний пуансон - нижний электрод являются зоны прилегания пуансонов к подводящим электродам. При этом значительная часть генерируемого тепла передается подводящим электродам, что существенно снижает энергетическую эффективность системы.
Основные проблемы при искровом плазменном спекании образцов большой площади обусловлены малым сопротивлением графитовых пуансонов большого диаметра. При этом значительная часть энергии генератора расходуется на нагрев обмоток выходного трансформатора и подводящих кабелей. В то же время наблюдается значительная неоднородность температурного поля в поперечном пуансонам направлении из-за преимущественного нагрева зон контакта пуансонов с матрицей, а не самих пуансонов.
Техническая задача состояла в разработке энергоэффективной пресс-формы для искрового плазменного спекания порошков разного состава (металлических керамических, композиционных металлокерамических материалов) большой площади в условиях ограниченной мощности источника питания, а также в обеспечении однородность теплового поля в объеме спекаемого материала.
Для решения поставленной задачи предложена пресс-форма, содержащая матрицу и пуансоны, такие что - для обеспечения более равномерного и глубокого нагрева пуансонов по объему - в пуансонах выполнены полости в виде расположенных поперечно ему отверстий, размещенных ближе к торцу пуансона, обращенному к прессуемому (спекаемому) материалу, чем к торцу, обращенному наружу, так, чтобы выполнялось условие: а<b, где «а» - расстояние от этого слоя до торца, обращенного к прессуемому материалу, а «b» - расстояние от этого слоя до наружного торца пуансона. Чем меньше отношение а/b, тем большая доля тепла, выделившегося в зоне полостей, будет передана прессуемому материалу, а не отведена к внешнему торцу пуансона. Для уменьшения непроизводительных энергозатрат отношение а/b может быть уменьшено. Практически значимые положительные результаты достигаются при значениях b/a в пределах от 1 до 10, т.е. при условии: 1<b/а<10.
Полости в теле пуансона могут быть выполнены в виде поперечных ему сквозных или глухих отверстий. Расположение и размеры отверстий могут отличаться. Возможны разные схемы расположения отверстий: например, радиальные сквозные и глухие отверстия, параллельные друг другу отверстия, сетка из двух перпендикулярных друг другу наборов параллельных отверстий, расположенных в одной или двух плоскостях. Слой полостей может содержать один или более слоев таких отверстий.
Пуансоны и матрица могут быть выполнены из изостатического графита.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемой пресс-формы с параллельными друг другу сквозными отверстиями в пуансоне.
Цифрами обозначены:
1 - матрица, 2 - нижний пуансон. 3 - верхний пуансон, 4 - защитное кольцо, 5 - нижний защитный диск, 6 - спекаемый материал, 7 - верхний защитный диск, 8 - теплоизолирующий экран, 9 - отверстие для измерения температуры, 10 - центровочный графитовый штифт, 11 - нижний шток пресса, 12 - верхний шток пресса, 13 - отверстия в пуансонах, 14 - перешейки.
На фиг. 2 представлена фотография пресс-формы в варианте с радиальными отверстиями в пуансоне и теплоизолирующим экраном.
Заявляемая пресс-форма для искрового плазменного спекания работает следующим образом. В матрицу 1 вставляют защитное кольцо 4 из графитовой фольги толщиной 0.3 мм. Затем в матрицу на расчетную глубину вставляют нижний пуансон 2. На дно пресс-формы устанавливают защитный диск из графитовой фольги 5, засыпают спекаемый порошковый материал 6 и последовательно устанавливают верхний защитный диск и верхний пуансон 3. На пресс-форму надевают теплоизолирующий экран 8 с отверстием 9 для дистанционного измерения температуры матрицы с помощью пирометра. Пресс-форму в сборе устанавливают в рабочую камеру установки на центрирующий графитовый штифт 10, вмонтированный в нижний шток 11 и поджимают верхним штоком 12 при давлении 10 МПа, камеру герметизируют и откачивают до давления 1 Па, по достижении которого устанавливаются расчетные параметры спекания. При подаче на пресс-форму токовых импульсов перешейки 14 между отверстиями 13, ввиду их относительно высокого сопротивления выступают в роли основных источников нагрева.
Число отверстий, их диаметры и схему расположения рассчитывают исходя из диаметра пресс-формы и предполагаемых режимов ее работы. Арочная форма перешейков способствует сохранению высокой нагрузочной способности пуансонов.
Наличие участка толщиной а от границы отверстий до прессуемого материала способствует выравниванию температурного поля на поверхности спекаемого материала. Минимальная величина а определяется прочностными требованиями и зависит от применяемого при прессовании давления.
Примером исполнения служит пресс-форма с внутренним диаметром 76,2 мм для формирования мишеней на основе оксида цинка (фиг. 2). В пуансонах просверлено три сквозных отверстия диаметром 12 мм, оси которых расположены под углом 60 градусов друг к другу на расстоянии 20 мм от поверхности спекаемого материала.
-1
При скорости нагрева 50÷100 °С⋅мин, давлении прессования 30 Мпа и оптимальном выборе параметров токовых импульсов радиальные температурные градиенты на поверхности спекаемого материала не превышали 10 градусов/см в интервале температур спекания 600÷1000°С и 20 градусов/см в интервале 1000÷1200°С, плотность полученных мишеней составила свыше 99% от расчетной плотности для данного состава.
Изготовленная в этой пресс-форме мишень нелегированного оксида цинка диаметром 76.2 мм имела плотностью 99.4% от теоретической плотности.