Способ изготовления спеченных деталей с равномерной плотностью

Способ изготовления спеченных деталей с равномерной плотностью

Реферат

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу горячего прессования оболочек, преимущественно из порошков тугоплавких керамических материалов, с высокой плотностью и низкой разноплотностью.

Известен способ изготовления изделий из тугоплавких соединений, включающий предварительное формование заготовки сложной формы и горячее прессование в пресс-форме. Перед горячим прессованием заготовку сложной формы дополняют до простой формы вспомогательным материалом, являющимся инертным к основному, с коэффициентом уплотнения, составляющим 0,8-1,2 коэффициента основного материала, и температурой спекания, превышающей температуру прессования основного материала. (СССР, а.с. №1676755 МПК B 22 F 3/14 "Способ изготовления изделий из тугоплавких соединений", опубл. 15.09.91 - Бюл. №34).

Недостатком этого способа является возможность изготовления только плоских деталей. Изготовить описанным способом деталь в виде полой оболочки невозможно. Кроме того, подобрать вспомогательный материал, удовлетворяющий предъявляемым разработчиками требованиям, в ряде случаев будет довольно трудно, так как известно немного материалов, относительно инертных при высоких температурах и обладающих в компактном состоянии невысокой твердостью (вспомогательный материал необходимо отделить от готовой детали). Например, это могут быть гексагональный нитрид бора, порошок литейного или коллоидного графита, или (для невысоких температур) тальк. Коэффициенты усадки данных материалов постоянны, и количество материалов детали с отношением K₀/K₁=0,8-1,2 будет ограничено.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ изготовления уплотненных спеченных деталей с равномерной плотностью заключающийся в том, что порошки тугоплавких материалов предварительно уплотняют в заготовку, которую помещают в полость матрицы пресса. Остаточное свободное пространство полости матрицы заполняют другим твердым материалом и затем прессуют направленным нагружением при температуре спекания. На поверхности контакта заготовок наносят твердое разделительное средство (ФРГ заявка №2135876 МПК B 22 F 3/14 "Способ изготовления уплотненных спеченных деталей с равномерной плотностью", опубл. 02.06.1977).

К недостаткам способа можно отнести отсутствие разделительного слоя снизу детали, так как при изготовлении деталей в виде оболочек из-за разности коэффициентов термического расширения материала пресс-формы и материала детали последняя будет находиться под действием значительных напряжений, которые могут привести к появлению трещин или разрушению оболочки в процессе остывания пресс-формы.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение коэффициента использования материала и повышение качества получаемых оболочек.

Технический результат, достигаемый с использованием заявляемого способа, следующий:

- коэффициент использования материала повышается до 90%

- улучшается качество изготавливаемых оболочек за счет увеличения их средней плотности и уменьшения разноплотности до величины 10% и менее.

Для решения поставленной задачи в известном способе изготовления спеченных деталей с равномерной плотностью, включающем предварительное уплотнение порошков в заготовку и размещение ее в полости матрицы, заполнение остаточного пространства полости матрицы порошкообразным материалом и прессование направленным нагружением при температуре спекания материала детали, при этом между контактирующими поверхностями заготовки и пресс-формы размещают разделительное средство. Согласно предлагаемому изобретению для получения оболочек заготовку изготавливают в виде нескольких дисков разных диаметров из композиции "порошок - органическое связующее". В каждом диске предлагается вырезать сектора, а при укладывании дисков в пресс-форму смыкать линии срезов, причем вначале укладывают диск с большим диаметром, а на нем размещают диск с меньшим диаметром, при этом сомкнутые линии срезов на дисках размещают со смещением по отношению к другим дискам. Уплотнение производят при температуре, обеспечивающей размягчение органического связующего. Разделительное средство может быть изготовлено из порошкообразного материала, который хорошо передает нагрузку к детали. Заполнение остаточного пространства полости матрицы осуществляют порошкообразным материалом, имеющим кристаллическую структуру, подобную структуре графита, нитрида бора или талька. Этот материал должен быть инертным по отношению к материалу детали и иметь температуру плавления (разложения) существенно выше температуры спекания материала изготавливаемой детали.

Способ заключается в следующем: в порошок материала оболочки (или в предварительно приготовленную порошковую смесь нескольких компонентов) вводится органическая связка. Полученная композиция прокатывается на вальцах до получения листа прокатки необходимого размера, из которого вырезаются несколько дисков разных диаметров. Размер дисков зависит от размеров заготовки, а их количество - от толщины прокатки и толщины заготовки. В дисках вырезаются сектора таким образом, чтобы при смыкании краев разрезов поверхность полученного элемента повторяла бы форму заготовки. При этом в диске большего диаметра делается большее количество вырезов.

Полученные элементы заготовки взвешиваются, подгоняются по массе и укладываются один в другой в стальную пресс-форму. При этом вырезы на дисках нигде не должны совпадать. Затем проводится прессование при температуре, обеспечивающей размягчение органического связующего. Полученная формовка извлекается из пресс-формы и определяется ее разноплотность.

Внутрь формовки, имеющей вид пустотелой оболочки, вкладывается подложка, изготовленная, например, прессованием в стальной пресс-форме из пластичной композиции "порошок чешуйчатого графита, нитрида бора или другого материала с аналогичными свойствами - органическая связка" и повторяющая форму внутренней поверхности оболочки. Толщина подложки составляет не менее 4-6 мм. Подложка является демпфером и разделительным слоем и обеспечивает сохранность оболочки при условии значительной разности коэффициентов термического расширения материала оболочки и графита, из которого изготовлена пресс-форма для горячего прессования. Формовка вместе с подложкой устанавливаются на нижний пуансон пресс-формы, обеспечивающий формирование внутренней полости оболочки. Сверху формовки внутрь матрицы засыпается порошкообразный материал, являющийся средой для передачи давления прессования от верхнего пуансона к формовке и служащий разделительным слоем. Данный материал должен удовлетворять следующим требованиям: 1) он должен иметь кристаллическую структуру, подобную графиту или тальку и хорошо передавать давление от пуансона к оболочке; 2) температура спекания данного материала должна быть существенно выше температуры спекания материала оболочки; 3) данный материал не должен активно взаимодействовать с материалом оболочки. В качестве такого материала могут применяться порошок литейного или коллоидного графита или порошок нитрида бора гексагональной модификации.

Поверхности засыпанного порошка придается определенная форма, рассчитанная в зависимости от формы оболочки и разноплотности полученной формовки. При этом порошок должен дополнять поверхность оболочки до поверхности подвижного верхнего пуансона и обеспечивать передачу большей нагрузки в те области формовки, которые имеют пониженную плотность. Затем в графитовую матрицу устанавливается верхний пуансон и проводится горячее прессование при температуре и давлении прессования, обеспечивающими эффективное уплотнение материала оболочки.

После проведения процесса графитовая пресс-форма разбирается, оболочка извлекается из матрицы. Благодаря описанным свойствам разделительного материала, оболочка легко отделяется от графита пресс-формы.

Полученная таким способом оболочка может, при необходимости, подвергаться дополнительной механической обработке.

В случае нецелесообразности изготовления дорогостоящей стальной пресс-формы для формования заготовки из композиции "порошок - органическая связка" (например, при небольшом количестве изготавливаемых оболочек), заготовка может быть выложена из изготовленных из прокатки описанным способом элементов непосредственно на подложке из разделительного материала. При этом необходимо, чтобы между сомкнутыми краями вырезов внешнего и внутреннего элементов заготовки не попал порошок разделительного материала.

Подложка из разделительного материала может быть сформирована выкладкой нескольких (не менее двух) слоев элементов, изготовленных из прокатки "порошок разделительного материала - органическое связующее". Сомкнутые линии вырезов указанных элементов совпадать также не должны.

ПРИМЕР.

Была изготовлена опытная партия оболочек из композиционного материала "карбид бора - нитрид бора" с использованием способа формования заготовок в стальной пресс-форме.

При изготовлении формовки композицию "порошковая смесь - органическая связка" прокатывали на вальцах до толщины 12 мм, вырезали два диска диаметром 290 и 230 мм. В большем диске было сделано 8 вырезов, в меньшем - 6. Затем диски укладывали в стальную пресс-форму и прессовали при температуре 80°С. Полученную формовку подвергали горячему прессованию в графитовой пресс-форме с использованием в качестве разделительного материала порошка литейного графита. Температура горячего прессования превышала 2000°С.

Изготовленные оболочки представляли собой полый конус, переходящий у вершины в сферу. Внешний диаметр конуса 190 мм, толщина стенки - 18 мм. Трещины в готовых оболочках отсутствовали, средняя плотность была не менее 1,80 г/см³, разноплотность - 4-10%. Выход годных оболочек - 100%.

1. Способ изготовления оболочек из порошков тугоплавких материалов, включающий изготовление заготовки, размещение заготовки в полости матрицы, размещение между контактирующими поверхностями заготовки и пресс-формы разделительного средства, горячее прессование, отличающийся тем, что заготовку изготавливают из композиции порошок - органическое связующее путем прокатки до получения листа, из которого вырезают несколько дисков разных диаметров, в каждом из которых вырезают сектора и, смыкая линии среза на дисках, укладывают их в пресс-форму, при этом диаметры дисков уменьшают снизу вверх, линии срезов на дисках размещают со смещением, после чего осуществляют уплотнение при температуре размягчения органического связующего.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между контактирующими поверхностями заготовки и пресс-формы размещают разделительное средство в виде подложки, которое изготовлено из порошкообразного материала и служит для разделения детали и элементов пресс-формы и для передачи нагрузки от инструмента к детали.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полость матрицы заполняют порошкообразным материалом, имеющим кристаллическую структуру, подобную структуре графита, нитрида бора или талька, инертным по отношению к материалу пресс-формы и оболочки, с температурой плавления/разложения существенно выше температуры спекания материала изготавливаемой оболочки.