Устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов

Техническое решение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при производстве изделий из порошковых материалов, в частности топливных таблеток для атомных реакторов, химической и других отраслях промышленности.
Известно устройство для компактирования порошковых материалов, описанное в [патенте полезной модели №115719 от 14.09. 2015 г. Пресс-форма для горячего прессования]. В этом изобретении матрица, в которой проводится спекание порошковой засыпки, выполнена из графита, который является электропроводным материалом. Проведение электроимпульсного прессования в такой матрице невозможно, так как при пропускании импульса тока, ток проходил бы по матрице, а не по порошку, и выделения в нем тепла было бы недостаточно, что бы его нагреть и уплотнить.
3
4
2
3
2
3
3
4
Известно устройство для электроимпульсного прессования порошка, описанное в [А.С. №1257934 от 25. 01. 1984 г. Способ изготовления изделий из металлического порошка]. В этом изобретении матрица, в которой проводилось спекание порошка, выполнена из нитрида кремния (SiN) и корунда (окиси алюминия AlO). Матрица из AlO позволяет получать в ней образцы из различных порошковых материалов только одноразово. Она разрушается при извлечении из нее изделия. Матрица из SiN более стойкая и позволяет получать в ней изделия многократно без разрушения. Однако при электроимпульсном прессовании тугоплавких материалов, таких как вольфрам, нитриды и карбиды металлов, она тоже разрушалась после нескольких процессов получения изделий.
Решением, наиболее близким предложенному по технической сущности и достигаемому эффекту, является устройство для электроимпульсного прессования порошка [Патент на полезную модель №181536,Устройство для электроимпульсного прессования электропроводных порошков, от 23.03.2018]. Это устройство включает в себя 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.
Устройство работает следующим образом. Порошок электропроводного материала, заключенный в керамическую матрицу и зажатую в стальную металлическую обойму, поджимается составными пуансонами сверху и снизу. Давление Р к верхнему пуансону прикладывается от нагружающего устройства через шток. 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.
2
3
Однако, как было сказано выше, из-за того, что матрица в этой установке выполнена из А1О, то получать в ней образцы из различных порошковых материалов можно только однократно.
В связи с этим, важнейшей задачей является разработка нового устройства, позволяющее проводить процесс электроимпульсного прессования порошков тугоплавких материалов, таких как вольфрам, нитриды и карбиды металлов в более стойкой многоразовой матрице.
Технический эффект, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании нового изделия, обеспечивающего с помощью электроимпульсного прессования, получение большего количества образцов из порошков тугоплавких материалов в матрице без ее разрушения.
Указанный технический эффект достигается тем, что в устройстве для электроимпульсного прессования порошковых материалов, 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, согласно изобретению, керамическая матрица выполнена из оксинитрид алюминия-кремния SiAlON.
На фиг. 1 представлено устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов.
На фиг. 2 представлена керамическая матрица в металлической обойме. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой показано устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов. 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, выполненную из сиалона и зажатую в металлическую обойму 13 (фиг. 2). На плите 5 установлены двое направляющих 14 и 15 с пружинами 16 и 17, на которые надеты втулки 18 и 19, соединенные с пластиной 20. Эта пластина соединена с металлической обоймой 13.
Устройство работает следующим образом. Порошок тугоплавкого материала 11, заключенный в матрицу 12, зажатую в 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, и в 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. 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.
2
3
3
4
Благодаря тому, что керамическая матрица выполнена из оксинитрид алюминия-кремния SiAlON, имеющий более высокие физико-химические свойства (такие как термостойкость, термосопротивление) по сравнению с корундом (окиси алюминия AlO) и нитридом кремния (SiN), стойкость ее многократного использования должна быть выше, чем у матрицы из корунда и нитрида кремния. Это подтвердило ее испытание.
Предлагаемое устройство было опробовано при получении таблеток из нитрида урана и титана. В одной матрице из сиалона было изготовлено порядка семидесяти штук изделий. В тоже время в матрице из корунда можно было изготовить только одно изделие, а в матрице из нитрида кремния порядка пятидесяти штук.
Таким образом, применение описанного устройства для электроимпульсного прессования порошковых материалов позволяет повысить стойкость матрицы и тем самым сократить расходы на изготовления оснастки.