Устройство для формирования функциональных покрытий из порошкового материала на торцевой поверхности металлической детали двухсторонним прессованием
DEVICE FOR FORMING FUNCTIONAL COATINGS FROM POWDER MATERIAL ON END SURFACE OF METAL PART BY DOUBLE-SIDED PRESSING

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к горячему прессованию порошковых сплавов в газовой инертной среде инертного газа, а более конкретно, устройство предназначено для формирования функциональных покрытий на базе порошковых сплавов на деталях торцевых уплотнений.
Известен контейнер (заготовка) для горячего изостатического прессования изделий из металлического порошка (патент США №3992202, кл. МКИ B22F 3/4) с внутренним отверстием (полостью), включающее корпус с верхней и нижней крышкой, и пространством, образованным корпусом и закладным элементом (стержнем), жестко закрепленным на нижней крышке. После заполнения контейнера металлическим порошком, герметизации и ГИП закладной элемент удаляется, образуя в изделии полость заданной конфигурации и размеров.
Недостатком этого контейнера является то, что его конструкция позволяет получать изделия с осевой полостью, и не может быть использовано для изготовления нескольких плоских деталей типа «диск» со сложной наружной поверхностью.
Известен высокотемпературный вакуумный пресс конструкции фирмы «Electric Heavy Mashinery Co. Ltd (AXD) Shanghai (рекламные материалы фирмы). Пресс имеет четырех-колонную станину, на нижнем основании которой установлен контейнер, ось которого горизонтальна. С торцов контейнера установлены крышки, которые крепят к контейнеру с помощью ручных маховиков. Загрузочная крышка может поворачиваться вокруг колонны. Снизу через контейнер проходит стойка, на которой установлен стол, а сверху - пуансон, прикрепленный к штоку гидроцилиндра. Внутри контейнера размещен нагреватель, отделенный от контейнера теплоизоляционными экранами. Недостаток аналога - ограниченные технологические возможности. На нем невозможна обработка изделий при повышенном давлении газа, так как конструкция пресса и теплоизоляционная камера, выполненная в виде многослойных экранов, не позволяют проводить такую обработку.
Известно устройство для прессования полых труб на основе порошковой металлургии, содержащее пресс-штемпель, контейнер с внутренней втулкой, прессшайбу, иглу, матрицу, матрицедержатель (Н.И. Корнев, С.Б. Певзнер, Е.И. Разуваев, В.Б. Емельянов. Обработка давлением тугоплавких металлов и сплавов. М.: 1975 г.).
Недостатком известного устройства является то, что оно имеет ограниченное применение вследствие того, что пресс-форма рассчитана только на изготовление труб из высокотемпературного порошкового тугоплавкого материала. Устройство не позволяет изготавливать за одну операцию кольца, втулки или трубы, использовать порошки с низкой температурой прессования и композиции.
Известна пресс-форма для двухстороннего прессования порошка (патент RU 2686436 С1 МПК B22F 3/03 (2006.01) В30В 15/02 (2006.01)). Пресс-форма для прессования порошка содержит подвижную матрицу, верхний подвижный и нижний неподвижный пуансоны, корпус, два пружинящих элемента, направляющие колонки и основание. Пружинящие элементы выполнены из материала с коэффициентом Пуассона не менее 0,45 и расположены между матрицей и пуансонами. Матрица выполнена разъемной и состоит из двух лепестков, установленных в корпусе. Матрица и центральное осевое отверстие в корпусе выполнены в форме усеченного конуса. Корпус перемещается по направляющим колонкам, закрепленным в основании. Тангенс угла наклона образующей контактирующих поверхностей корпуса и матрицы к вертикали больше коэффициента трения лепестков по корпусу, но меньше суммы коэффициентов трения прессуемого порошка по лепесткам и лепестков по корпусу. Пуансоны выполнены, по меньшей мере, с двумя лысками. В результате обеспечивается синхронное и без колебаний перемещение пуансонов относительно матрицы и возможность дегазации прессуемого порошка без применения специального оборудования.
Недостатком известного устройства является то, что оно имеет ограниченное применение вследствие того, что пресс-форма рассчитана только на изготовление труб из высокотемпературного порошкового тугоплавкого материала. Устройство не позволяет изготавливать за одну операцию кольца, втулки или трубы, использовать порошки с низкой температурой прессования и композиции.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является пресс-форма для напрессовки порошкового слоя на поверхность детали (авторское свидетельство №1337197 A, B22F 7/04, 15.09.1987 г.), которая состоит из матрицы, верхнего и нижнего пуансонов, центрального стержня и бандажа, при этом матрица выполнена разъемной, верхняя часть матрицы и центральный стержень соединены неподвижно, верхний пуансон выполнен в виде диска с полой втулкой, а верхняя и нижняя части матрицы снабжены проточками, а бандаж - запаечниками.
Недостатком прототипа является то, что он не может использоваться для нанесения порошковых функциональных покрытий на торцевые поверхности деталей, горячего прессования полых деталей из порошковых материалов вследствие наличия в нем легкоплавких пружинящих элементов, а также отсутствия защиты прессуемого порошка от процесса окисления.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего возможность нанесения порошковых функциональных покрытий на торцевые поверхности деталей.
Техническим результатом является возможность обеспечения горячего прессования в инертной газовой среде при нанесении на торцевые поверхности деталей порошковых функциональных покрытий.
Технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для формирования функционального покрытия из порошкового материала на торцевой поверхности металлической детали горячим двухсторонним прессованием, содержит матрицу, выполненную в форме полого цилиндра, верхний и нижний пуансоны и цилиндрический стержень. Кроме этого устройство снабжено верхней неподвижной плитой, нижней плитой с направляющими втулками, выполненной с возможностью закрепления на подвижном рабочем столе пресса, вертикальными направляющими двухступенчатыми колонками, ступень меньшего диаметра которых расположена сверху, а ступень большего диаметра - снизу, зафиксированными в верхней неподвижной плите и установленными в направляющих втулках нижней плиты, матрицедержателем с зафиксированными в нем по периферии направляющими втулками, в которых установлены упомянутые направляющие колонки, и системой индукционного нагрева с расположенным вокруг матрицы индуктором для нагрева порошкового материала до температуры спекания, при этом матрица выполнена с возможностью размещения в ее средней части дискообразной металлической детали для формирования на ее торцевой поверхности функционального покрытия, снабжена вставным кольцевым элементом из антиадгезионного материала для защиты верхней части ее внутренней поверхности, контактирующей с прессуемым порошковым материалом, и установлена в матрицедержателе, имеющем возможность поступательного пермещения совместно с матрицей по направляющим колонкам, ограниченного уступами направляющих колонок, образованными их ступениями меньшего и большего диаметра, нижний пуансон закреплен на нижней плите соосно матрице, верхний пуансон закреплен на верхней неподвижной плите соосно матрице и упомянутому нижнему пуансону и выполнен в виде полого цилиндра с герметичным верхним торцом, в цилиндрической полости которого с заданным зазором размещен цилиндрический стержень, выполненный с центральной цилиндрической полостью и имеющий возможность свободного перемещения в осевом направлении под действием пружинящего элемента, установленного между его торцевой поверхностью и торцевой поверхностью верхнего пуансона, и ограничения упомянутого пермещения посредством штока-ограничителя, закрепленного на внутренней торцевой поверхности верхнего пуансона и размещенного в центральной цилиндрической полости цилиндрического стержня, образующего при нахождении в нижнем положении своей поверхностью совместно с внутренней цилиндрической поверхностью матрицы пресс-камеры для прессования порошкового материала, при этом цилиндрический стержень снабжен вставным элементом из антиадгезионного материала для защиты его цилиндрической поверхности в зоне контакта с порошковым материалом, а верхний пуансон снабжен размещенными в нем впускным и выпускным вентиль-редукторами для подачи инертного газа в зону спекания порошкового материала.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом устройстве для формирования функционального покрытия из порошкового материала на торцовой поверхности металлической детали горячим двухсторонним прессованием обеспечивается возможность использования горячего прессования в инертной газовой среде при нанесении на торцевые поверхности деталей порошковых функциональных покрытий. При этом вследствие наличия возможности в заявляемом устройстве совмещения процессов горячего прессования порошкового покрытия в инертной газовой среде с двухсторонним прессованием обеспечивается возможность получения между покрываемым материалом детали и порошковым покрытием диффузионного взаимодействия, что обеспечивает высокие прочностные свойства связки между деталью и покрытием. Кроме этого, совмещение процессов горячего прессования порошкового покрытия в инертной газовой среде с двухсторонним прессованием обеспечивает возможность получения практически беспористых покрытий, обладающих высокими прочностными свойствами, высокой точностью формы, размеров и низкой шероховатостью поверхности, что исключает необходимость проведения последующей механической обработки сформированных покрытий. Конструкционное решение заявляемого устройства также обеспечивает возможность, механизировать и автоматизировать процесс нанесения функциональных покрытий, так как процессы загрузки порошкового материала, загрузка и выгрузка покрываемой детали можно проводить без каких-либо разборок и сборок устройства.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для формирования функционального покрытия из порошкового материала на торцевой поверхности металлической детали горячим двухсторонним прессованием, на фиг. 2 - эскизы этапов нанесения порошковых покрытий на деталь.
Заявляемое устройство для формирования функционального покрытия из порошкового материала на торцевой поверхности металлической детали горячим двухсторонним прессованием содержит матрицу 1, установленную в матрицедержателе 2, который через направляющие втулки 3 кинематически связан с вертикальными направляющими колонками 4. Направляющие колонки 4 сверху имеют ступень меньшего, а снизу большего диаметра, возникающие между ступенями уступы ограничивают перемещение вниз по колонкам 4 матрицедержателя 2, с матрицей 1. Колонки 4, в свою очередь, зафиксированы в верхней неподвижной плите 5 устройства и вставлены в направляющие втулки 6 нижней плиты 7, закрепленной на рабочем столе 8 пресса. В качестве пресса может быть использован пресс с нижним рабочим цилиндром подходящих размеров, развивающий усилия, необходимые для прессования порошкового материала 9. Сформированные таким образом связи между узлами устройства блокируют перемещение матрицы 1 в горизонтальных направлениях и обеспечивают ей возможность осуществления возвратно-поступательных перемещений по вертикальным направляющим колонкам 4 в заданных пределах. При этом матрица 1 имеет форму полого цилиндра. Верхняя часть внутренней поверхности матрицы 1, которая контактирует с прессуемым порошковым материалом 9, защищена посредством вставного кольцевого элемента 10, изготовленного из антиадгезивного материала. В средней части внутренней поверхности матрицы 1 размещена дискообразная покрываемая деталь 11, на поверхности которой производят формирование порошкового функционального покрытия на базе порошкового материала. При этом покрываемая деталь 11 своей нижней торцевой поверхностью опирается на нижний пуансон 13, который своей верхней цилиндрической поверхностью входит в нижнею часть внутренней цилиндрической поверхности матрицы 1, с возможностью осуществления возвратно-поступательного движения в ней. Помимо этого, нижний пуансон 13 зафиксирован на нижней плите 7 устройства. Верхний пуансон 14 выполнен в виде полого цилиндра с герметичным верхним торцом и зафиксирован на верхней неподвижной плите 5 соосно с матрицей 1 и нижним пуансоном 13. При этом толщина стенок цилиндра равна заданной ширине формируемого покрытия 12. Во внутренней цилиндрической полости верхнего пуансона 14 с заданным зазором размещен цилиндрический подвижный стержень 15, имеющий возможность свободного перемещения по внутренней цилиндрической поверхности верхнего пуансона 14 в осевом направлении. Между торцевыми поверхностями верхнего пуансона 14 и подвижного стержня 15 установлен пружинящий элемент 16, обеспечивающий выдвижение подвижного стержня 15 из полости верхнего пуансона 14 в направлении к покрываемой детали 11. При этом перемещение подвижного стержня 15 во внутренней цилиндрической полости верхнего пуансона 14 ограничено штоком-ограничителем 17, который закреплен в верхней части верхнего пуансона 14 и размещен в центральной цилиндрической полости 18 подвижного стержня 15. Фиксация подвижного стержня 15 в нижнем положении возникает при контакте кольцевого выступа 19, выполненного в нижней части штока ограничителя 17 и ограничителя 20, выполненного на подвижном стержне 15. Цилиндрическая поверхность подвижного стержня 15, при нахождении его в нижнем положении, совместно с внутренней цилиндрической поверхностью матрицы 1 и частью торцевой поверхности детали 11, на которой формируется покрытие, образуют пресс-камеру 21, в которой происходит формирование покрытия 12 из порошкового материала 9. При этом прессование порошкового материала 9 производится через разделительный слой 22 из порошкового антиадгезивного материала. На цилиндрической поверхности подвижного стержня 15 зона контакта с прессуемым порошковым материалом 9 защищена посредством вставного кольца 23, изготовленного из антиадгезивного материала. Для защиты от окисления порошкового материала 9 в процессе формирования покрытия в корпусе пуансона 14 размещены впускной вентиль-редуктор 24, подающий инертный газ во внутреннюю полость верхнего пуансона 14, и выпускной вентиль-редуктор 25, обеспечивающий поддержание заданного давления во внутренней полости пуансона 14. В нижней полой части цилиндрической поверхности верхнего пуансона 14 для нагрева при спекании прессуемого порошкового материала 9 используется расположенный вокруг матрицы 1 индуктор 26 установки индукционного нагрева.
Заявляемое устройство работает следующим образом (фиг. 2). Собранное заявляемое устройство устанавливается на рабочий стол вертикального гидравлического пресса с нижним расположением гидроцилиндра. Верхняя плита 5 заявляемого устройства закрепляется неподвижно к верхней плите пресса, при этом нижняя плита 7 устройства находится в нижнем положении, и закреплена на нижнем рабочем столе 8 пресса. Далее на нижнюю плиту 7 устанавливается и закрепляется нижний пуансон 13. При этом нижний пуансон 13 устанавливается так, чтобы его центральная ось совпадала с центральной осью устройства. Затем на торцевую верхнюю поверхность нижнего пуансона 13 устанавливается дискообразная покрываемая деталь 11, центральная ось которой также должна совпадать с центральной осью устройства (фиг 2, а). После этого включается пресс и осуществляется поступательное перемещение рабочего стола 8 пресса, нижней плиты 7 с расположенными на ней нижним пуансоном 13 и деталью 11, до контакта подвижного стержня 15 с верхней торцевой поверхностью детали 11, что соответствует окончанию процесса формирования в матрице 1 пресс-камеры 21. Далее в пресс-камеру 21 засыпают в заданном количестве порошковый материал 9 (определяющим является требуемая толщина покрытия) и поверх него наносят разделительный слой 22 из порошкового антиадгезивного материала (фиг 2, б).
На следующем этапе производится одновременно дальнейший подъем нижнего рабочего стола пресса с расположенными на нем нижним плунжером 13, покрываемой деталью 11, матрицедержателем 2 с матрицей 1 и порошкового материала 9 с разделительным слоем 22, и подача инертного газа через впускной вентиль-редуктор 24 во внутреннюю полость верхнего пуансона 14 (фиг 2, в). Подача инертного газа во внутреннюю полость верхнего пуансона 14 вызывает вытеснение воздуха из этой полости, и за счет зазора между стенками верхнего пуансона 14 и стержнем 15 - в пресс-камере 21. Дальнейшее перемещение стола пресса приводит к контакту нижней торцевой поверхности верхнего пуансона 14 с разделительным слоем 22 из порошкового антиадгезивного материала и к двухстороннему прессованию порошкового материала 9. Оставаясь под заданным давлением прессования порошковый материал 9 за счет включения системы индукционного нагрева, индуктирующего в нем токи Фуко с помощью индуктора 26, нагревается до заданной температуры спекания. После достижения температуры спекания производится изотермическая выдержка заданный период времени. На протяжении всего периода спекания и охлаждения покрываемой детали 11 после процесса формирования на ней покрытия производится непрерывная подача инертного газа в зону спекания, что исключает окисление порошкового материала 9. Расход инертного газа и его давление во внутренней полости верхнего пуансона 14 регулируются впускным вентиль-редуктором 23 и выпускным вентиль-редуктором 24.
После спекания покрытой детали 11 и ее охлаждения до заданной температуры начинается процесс извлечения ее из устройства. Процесс извлечения осуществляется путем безостановочного перемещения нижнего рабочего стола 8 пресса с расположенными на нем нижним плунжером 13, покрытой деталью 11, матрицедержателем 2 с матрицей 1 вниз. При движении вниз в момент контакта матрицедержателя 2 с уступами на колонках 4 происходит останов матрицедержателя 2 с матрицей 1 и извлечение покрытой детали 11 и нижнего плунжера 7 из матрицы 1. После достижения исходного нижнего положения, изображенного на фиг. 2, а., движение останавливается, покрытая деталь 11 снимается с нижнего плунжера 13 и заменяется следующей аналогичной деталью для нанесения на нее покрытия. После этого процесс повторяется.
Таким образом, за счет введения новой совокупности существенных признаков можно решить поставленную техническую задачу, вытекающую из современного уровня техники.