RU2083328C1

RU2083328C1 - Method of pulsed pressing of hard powder materials and device for its embodiment

Info

Publication number: RU2083328C1
Application number: RU94039190A
Authority: RU
Inventors: В.В. Иванов; С.Н. Паранин; А.Н. Вихрев
Original assignee: Институт электрофизики Уральского отделения РАН; Fоrsсhungszеntrum Каrlsruhе Тесhnik und Umwеlt
Priority date: 1994-10-25
Filing date: 1994-10-25
Publication date: 1997-07-10
Also published as: RU94039190A

Abstract

FIELD: powder metallurgy, particular, methods for pressing articles by high pulsed pressure values from various hard powder materials, including nanodimensional, and devices for their embodiment. SUBSTANCE: the offered method includes pressing of hard powder materials by single-ended and double-ended application forces including freeing of article by removing holder from split shell, fixing of upper and lower end faces of article, and prior to removal of holder from split shell, stationary forces are applied to upper article and anvil (or lower punch) along the axis of pressing, and only after that, the shell is removed. Then, stationary force is removed. EFFECT: increased yield of articles and higher density of pressed billets. 6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам и устройствам для импульсного прессования различных твердых порошковых материалов, в том числе наноразмерных. The invention relates to powder metallurgy, in particular to methods and devices for pulsed pressing of various solid powder materials, including nanoscale.

Известен способ прессования изделий из порошковых материалов, в котором импульсное давление генерируется с помощью импульсного магнитного поля. A known method of pressing products from powder materials, in which the pulse pressure is generated using a pulsed magnetic field.

Устройство для осуществления этого способа прессования включает пресс-форму, состоящую из поршня, обечайки, основания, жестко закрепленных направляющих колонн [1]
Известен способ динамического прессования в пресс-формах с использованием высоких импульсных давлений при высоких скоростях хода пуансона. Способ осуществляют в круглых пресс-формах с разборной матрицей и с матрицей, состоящей из сборных деталей щек, верхнего и нижнего пуансонов, обоймы и стяжек (гаек) [2, 3]
Этот способ и устройство для его осуществления приняты в качестве наиболее близких аналогов изобретения.A device for implementing this method of pressing includes a mold consisting of a piston, shell, base, rigidly fixed guide columns [1]
A known method of dynamic pressing in molds using high pulse pressures at high speeds of the stroke of the punch. The method is carried out in round molds with a collapsible matrix and with a matrix consisting of prefabricated parts of the cheeks, upper and lower punches, clips and couplers (nuts) [2, 3]
This method and device for its implementation are accepted as the closest analogues of the invention.

Цель изобретения увеличение выхода годных изделий и повышение плотности прессуемых заготовок. The purpose of the invention is to increase the yield of products and increase the density of pressed blanks.

Цель достигается тем, что в способе прессования твердых порошковых материалов при одностороннем или двухстороннем приложении усилия, включающем освобождение образца путем снятия обоймы с разъемной обечайки, осуществляют фиксацию верхней и нижней торцевых поверхностей спрессованной заготовки, а перед снятием обоймы с разъемной обечайки прикладывают стационарное усилие к верхнему поршню и наковальне или нижнему поршню по оси прессования и только после этого снимают обечайку. Затем снимают стационарное усилие. The goal is achieved in that in the method of pressing solid powder materials with one-sided or two-sided application of force, including the release of the sample by removing the cage from the split shell, the upper and lower end surfaces of the pressed workpiece are fixed, and a stationary force is applied to the upper one before removing the cage from the split shell the piston and the anvil or the lower piston along the axis of pressing and only after that remove the shell. Then the stationary force is removed.

Применение предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволяет увеличить выход годных изделий до 70 и повысить плотность прессуемых образцов из твердых керамических порошков до 85 что достигается возможностью использования высоких импульсных давлений. The application of the proposed method and device for its implementation allows to increase the yield of suitable products to 70 and increase the density of pressed samples of solid ceramic powders to 85, which is achieved by the possibility of using high pulse pressures.

На фиг. 1 показано устройство для способа импульсного прессования твердых порошковых материалов по схеме "поршень-наковальня"; на фиг. 2 устройство для способа по схеме "поршень-поршень"; на фиг. 3 работа фиксирующей пластины. In FIG. 1 shows a device for a method of pulsed pressing of solid powder materials according to the piston-anvil scheme; in FIG. 2 device for a piston-piston method; in FIG. 3 operation of the fixing plate.

Пресс-форма, с помощью которой реализуется предлагаемый способ прессования по схеме одностороннего приложения нагрузки, состоит из разъемной обечайки 1, выполненной в виде усеченного конуса, обоймы 2, стягивающей обечайку, верхнего поршня 3, неподвижного нижнего поршня-наковальни 4, жестких стяжек 5, фиксирующей пластины 6, на поверхность контактирующих деталей наносится антиадгезионное покрытие 8. The mold, which implements the proposed method of pressing according to the scheme of unilateral application of the load, consists of a detachable shell 1, made in the form of a truncated cone, a holder 2, a tightening shell, the upper piston 3, the stationary lower piston-anvil 4, hard couplers 5, the fixing plate 6, a release coating 8 is applied to the surface of the contacting parts.

Пресс-форма для способа прессования по схеме двустороннего приложения нагрузки состоит из разъемной обечайки 1, выполненной в виде усеченного конуса, обоймы 2, стягивающей обечайку, верхнего пуансона 3, нижнего пуансона-наковальни 4, жестких стяжек 5, фиксирующих пластин 6 и 6', неподвижной нижней плиты 7, на поверхность контактирующих деталей наносится антиадгезионное покрытие 8. The compression mold for the pressing method according to the double-sided loading scheme consists of a detachable shell 1 made in the form of a truncated cone, a holder 2, a tightening shell, an upper punch 3, a lower anvil punch 4, hard ties 5, fixing plates 6 and 6 ', fixed bottom plate 7, the surface of the contacting parts is applied release coating 8.

Обечайка 1 имеет вертикальные плоскости разъема. The shell 1 has a vertical plane of the connector.

Способ прессования по схеме одностороннего приложения нагрузки осуществляют следующим образом. The pressing method according to the scheme of unilateral application of the load is as follows.

Обечайку 1, состоящую из трех одинаковых секторов, пришлифованных друг к другу широкой стороной конуса, размещают на наковальне 4. Снаружи на обечайку 1 надевают обойму 2 с внутренней конической поверхностью, притертой к поверхности обечайки 1, которая стягивает три сектора обечайки 1 в единое целое, формируя цилиндрический канал. Посредством стяжек 5, стягивающих обойму 2 и наковальню 4, обечайку 1 прижимают к наковальне 4 по оси конструкции. В образованную таким образом камеру укладывают порошок и закрывают его фиксирующей пластиной 6 из пластичного материала, после этого в камеру устанавливают поршень 3. The casing 1, consisting of three identical sectors, polished to each other with the wide side of the cone, is placed on the anvil 4. On the outside of the casing 1 they put on a cage 2 with an internal conical surface, ground to the surface of the casing 1, which pulls together three sectors of the casing 1 into a single whole, forming a cylindrical channel. By means of couplers 5, tightening the clip 2 and the anvil 4, the shell 1 is pressed against the anvil 4 along the axis of the structure. Powder is placed in the chamber thus formed and closed with a fixing plate 6 of plastic material, after which a piston 3 is installed in the chamber.

Толщину фиксирующей пластины δ_фmin выбирают из условия:
δ_фmin~(0,02-0,04)d_ф,
где d_ф минимальный поперечный размер фиксирующей пластины или диаметра в случае диска. Импульсное прессование порошка производят давлением порядка 20 30 кбар, которые соответствуют пределу прочности современных прочных материалов.The thickness of the fixing plate δ _{fmin is} chosen from the condition:
δ _fmin ~ (0.02-0.04) d _f ,
where d _{f is the} minimum transverse dimension of the retaining plate or diameter in the case of a disc. Pulse pressing of the powder is carried out with a pressure of about 20-30 kbar, which correspond to the tensile strength of modern durable materials.

Такие материалы могут выдерживать без разрушения и более высокие импульсные давления, но только в течение короткого времени нагружения, измеряемого микросекундами. Импульс магнитной силы F_m локализуется на поверхности поршня 3, через который передаются в камеру обечайки 1 к сжимаемому порошку, закрытому фиксирующей пластиной 6. В сечении пуансона 3 создается наибольшее сжимающее давление P_m F_m/S_m.Such materials can withstand without breaking even higher pulse pressures, but only for a short loading time, measured in microseconds. An impulse of magnetic force F _m is localized on the surface of the piston 3, through which shells 1 are transferred to the compressible powder covered by the fixing plate 6. The greatest compressive pressure P _m F _m / S _m is created in the cross section of the punch 3.

Такому уровню давлений подвержены также внутренние стенки обечайки 1 и фиксирующая пластина 6, поэтому материал фиксирующей пластины 6 переходит в пластическое состояние и перекрывает весь канал перед пуансоном 3 и после его остановки запирает в канале и надежно фиксирует спрессованный образец, при этом оказывает давление на боковые стенки обечайки 1. На фиг. 1 показана работа фиксирующей пластины 6. Материал фиксирующей пластины выбирают таким, чтобы выполнялось условие

,
где σ_т.ф,σ_т.o.п динамические пределы текучести материалов, из которых изготовлены, соответственно, фиксирующая пластина и обечайка и пуансоны. Фиксирующая пластина оказывает на стенки обечайки 1 давление N, которое определяет максимальную силу трения F_f K•N, обеспечивающую жесткую фиксацию пластины при действии осевых усилий меньше силы трения F_f. В ходе прессования изделия возникают статические радиальные сжимающие напряжения по двум причинам: во-первых, как результат одноосного сжатия порождаются напряжения внутри прессовки, во-вторых, в результате реакции обечайки 1 на ее расширение в процессе прессования. Радиальные напряжения в образце могут вызвать его разрушение, если после импульсного процесса прессования пуансон 3 подвижен в канале обечайки 1 или удален из канала. Разрушение носит характер слоения образца перпендикулярно оси прессования и раскалывание слоев на небольшие пластинки. Фиксирующая пластина 6 надежно запирает изделие. В случае прессования керамических порошков получение прессовок без фиксирующей пластины невозможно. Форма фиксирующей пластины в сечении соответствует сечению изготавливаемого изделия. При выпрессовке готового изделия должен быть соблюден принцип первоначального удаления обечайки 1 для устранения механического усилия с ее стороны на изделие. Выпрессовку готового изделия выполняют следующим образом: производят стационарное сжатие пресс-формы двухсторонним усилием

прикладываемым к верхнему пуансону и наковальне (см. фиг. 1), освобождают стяжки 5 и воздействием усилия B на обечайку 1 в направлении расширения конуса, а на обойму 2 в противоположном направлении, снимают обойму 2 с обечайками 1, затем удаляют обечайку 1. После этого снимают стационарное усилие

Выполнение установленной последовательности действий при выпрессовке изделий позволяет предохранить готовое изделие от разрушения.The inner walls of the shell 1 and the fixing plate 6 are also subject to such a pressure level, therefore, the material of the fixing plate 6 goes into a plastic state and blocks the entire channel in front of the punch 3 and, after stopping it, locks the channel and reliably fixes the pressed sample, while exerting pressure on the side walls shells 1. In FIG. 1 shows the operation of the fixing plate 6. The material of the fixing plate is selected so that the condition

,
where σ _tf , σ _t.p. dynamic yield _{stresses of} the materials of which the fixing plate and the shell and punches are made, respectively. The fixing plate exerts a pressure N on the walls of the shell 1, which determines the maximum friction force F _f K • N, which provides rigid fixation of the plate under the action of axial forces less than the friction force F _f . During the pressing of the product, static radial compressive stresses arise for two reasons: firstly, as a result of uniaxial compression, stresses are generated inside the pressing, and secondly, as a result of the reaction of the shell 1 to its expansion during pressing. Radial stresses in the sample can cause its destruction if, after a pulsed pressing process, the punch 3 is moved in the channel of the shell 1 or removed from the channel. The destruction is in the nature of the foliation of the sample perpendicular to the axis of pressing and the splitting of the layers into small plates. The locking plate 6 reliably locks the product. In the case of pressing ceramic powders, it is not possible to obtain compacts without a fixing plate. The shape of the fixing plate in cross section corresponds to the cross section of the manufactured product. When pressing out the finished product, the principle of the initial removal of the shell 1 must be observed to eliminate the mechanical force on its part on the product. The finished product is pressed out as follows: stationary compression of the mold is carried out with two-sided force

applied to the upper punch and the anvil (see Fig. 1), release the ties 5 and force B on the ring 1 in the direction of expansion of the cone, and on the ring 2 in the opposite direction, remove the ring 2 with rings 1, then remove the ring 1. After this removes the stationary force

The implementation of the established sequence of actions during the extrusion of products allows you to protect the finished product from destruction.

Способ прессования по схеме двухстороннего усилия. The method of pressing according to the scheme of bilateral efforts.

Обечайку 1, состоящую из трех одинаковых секторов, пришлифованных друг к другу широкой стороной конуса, размещают на неподвижной нижней плите 7, в отверстии которой с возможностью осевого перемещения установлен нижний пуансон 4. Обойму 2 надевают на обечайку 1 и с помощью стяжек 5 прижимают к нижней плите 7 по оси конструкции. В образованную таким образом камеру на нижний пуансон 4 помещают фиксирующую пластину 6' и укладывают порошок, который закрывают сверху фиксирующей пластиной 6. После этого в камеру устанавливают пуансон 3. Импульсное прессование выполняют приложением деформирующего усилия на верхний пуансон 3, а также на нижний пуансон 4. При этом фиксирующие пластины 6 сверху и 6' снизу, выполненные из пластичного материала, перекрывают канал перед пуансонами и после их остановки надежно фиксируют изделие. Выпрессовку готового изделия производят по схеме, аналогичной для варианта одностороннего прессования. Прикладывают стационарное усилие

по оси прессования к верхнему 3 и нижнему 4 пуансонам (см. фиг. 2), освобождают стяжки 5 и воздействием усилия

на обечайку 1 в направлении расширения конуса, а на обойму 2 в противоположном направлении, снимают обойму 2 с обечайки 1, затем удаляют обечайку 1. После этого снимают стационарное усилие

Выполнение установленной последовательности действий при выпрессовке изделия позволяет предохранить готовое изделие от разрушения.The casing 1, consisting of three identical sectors, polished to each other with the wide side of the cone, is placed on a fixed lower plate 7, in the hole of which a lower punch 4 is mounted with the possibility of axial movement. A cage 2 is put on the casing 1 and pressed with ties 5 to the lower plate 7 along the axis of the structure. A fixing plate 6 ′ is placed in the chamber thus formed on the lower punch 4 and powder is laid, which is closed on top with the fixing plate 6. Then, the punch 3 is installed in the chamber. Impulse pressing is performed by applying a deforming force to the upper punch 3 and also to the lower punch 4 At the same time, the fixing plates 6 above and 6 'from below, made of plastic material, block the channel in front of the punches and, after they stop, securely fix the product. The finished product is pressed out according to a scheme similar to the one-sided pressing option. Apply stationary force

along the pressing axis to the upper 3 and lower 4 punches (see Fig. 2), release the screed 5 and force

on the casing 1 in the direction of expansion of the cone, and on the cage 2 in the opposite direction, remove the cage 2 from the casing 1, then remove the casing 1. Then remove the stationary force

The implementation of the established sequence of actions during the extrusion of the product allows you to protect the finished product from destruction.

Форма фиксирующих пластин соответствует форме торцевых поверхностей изготавливаемых образцов. The shape of the fixing plates corresponds to the shape of the end surfaces of the manufactured samples.

Для предохранения деталей, контактирующих с порошком от прилипания, а также для предотвращения миграции в прессуемый порошок легколетучих компонентов материалов, из которых изготовлены детали пресс-формы, применяют антиадгезионное покрытие 8. To protect the parts in contact with the powder from sticking, as well as to prevent the migration of the volatile components of the materials from which the mold parts are made into the pressed powder, a release coating 8 is used.

Возможно применение способа прессования по схемам одностороннего и двухстороннего приложения нагрузки для компактирования твердых наноразмерных керамических материалов, при этом для удаления из порошка адсорбированных газов и воды, прессование производят в вакууме с предварительным прогревом пресс-формы до 200 600^oC.It is possible to use the pressing method according to the schemes of one-sided and two-sided application of the load for compacting solid nanosized ceramic materials, in order to remove adsorbed gases and water from the powder, the pressing is carried out in vacuum with preliminary heating of the mold to 200 600 ^o C.

Таким образом, увеличение выхода годных изделий и повышение плотности прессуемых заготовок при импульсном прессовании твердых порошковых материалов осуществляется в результате
жесткой фиксации спрессованного образца с помощью фиксирующих пластин;
соблюдения установленной последовательности операций при выпрессовке готового образца;
применения антиадгезионного покрытия, например TiN.Thus, an increase in the yield of suitable products and an increase in the density of pressed blanks during pulsed pressing of solid powder materials is carried out as a result of
rigid fixation of the compressed sample using the fixing plates;
compliance with the established sequence of operations when pressing the finished sample;
applying a release coating, for example TiN.

Применение предлагаемого способа и конструкции пресс-формы при компактированных твердых наноразмерных керамических порошков позволяет получать качественные изделия с выходом годных до 70 и плотностью прессовок до 85 что достигается возможностью использования высоких импульсных давлений. Application of the proposed method and mold design for compacted solid nanosized ceramic powders allows to obtain high-quality products with a yield of up to 70 and a density of compacts up to 85, which is achieved by the possibility of using high pulse pressures.

Пример. В пресс-форму по схеме одностороннего приложения нагрузки наноразмерный порошок окиси алюминия с плотностью засыпки 10 45 Сверху на порошок устанавливают фиксирующий диск из нержавеющей стали 12х18H10T и пуансон из твердого сплава с твердостью 65 ИРС. Example. In the mold according to the scheme of unilateral application of the load, nanosized aluminum oxide powder with a filling density of 10 45. On top of the powder, a fixing disk made of 12x18H10T stainless steel and a hard alloy punch with a hardness of 65 IRS are installed.

Диаметр канала матрицы D_o 15,30 мм
Диаметр поршня d_o 15,25 мм
Диаметр фиксирующего диска d_o 15,25 мм.The diameter of the channel of the matrix D _o 15.30 mm
Piston diameter d _o 15.25 mm
The diameter of the locking disc d _o 15.25 mm

Толщина фиксирующего диска d_ф (0,8 1,2) мм
Матрица и пуансон-наковальня изготовлены из инструментальной стали P18 с твердостью 60 65HRC. Контактирующие детали покрыты хромом. Производили прогрев порошка в пресс-форме в вакууме со степенью 10^-2 Торр до температуры 450^oC в течение 1 ч с целью удаления адсорбированных веществ, массовая доля которых в сыром порошке составляет 4 мас.The thickness of the locking disk d _f (0.8 1.2) mm
The die and anvil punch are made of P18 tool steel with a hardness of 60 65HRC. Contact parts are chrome plated. The powder was heated in a mold in a vacuum with a degree of 10 ^-2 Torr to a temperature of 450 ^o C for 1 h in order to remove adsorbed substances, the mass fraction of which in the raw powder is 4 wt.

Производили воздействия на пуансон импульсным давлением амплитудой 1 - 2,5 ГПа при комнатной температуре. The punch was exposed to pulsed pressure with an amplitude of 1 - 2.5 GPa at room temperature.

Выпрессовку готового образца производили следующим образом. Extraction of the finished sample was carried out as follows.

1. Первоначально прикладывали небольшое стационарное усилие, сжимающее изделия по оси прессования давлением 10 50 МПа. 1. Initially, a small stationary force was applied, compressing the products along the pressing axis with a pressure of 10 50 MPa.

2. Снимали стяжки. 2. Removed screeds.

3. Снимали обойму с обечайки путем приложения стационарного усилия к обечайке в направлении расширения конуса, а к обойме в противоположном направлении. 3. Remove the clip from the shell by applying a stationary force to the shell in the direction of expansion of the cone, and to the clip in the opposite direction.

4. Удаляли обечайку и снимали стационарное усилие, приложенное к верхнему пуансону и наковальне. 4. The skin was removed and the stationary force applied to the upper punch and the anvil was removed.

После прессования готовое изделие имел вид правильного цилиндра диаметром 15,4 15,55 мм с плотностью 62 83 After pressing, the finished product had the form of a straight cylinder with a diameter of 15.4 15.55 mm with a density of 62 83

Claims

1. The method of pulsed pressing of solid powder materials, comprising loading the powder into a collapsible matrix, mated on a conical surface with a clip and bound braces, characterized in that when loading in the working cavity of the matrix, an element is placed on at least one of the end faces of the powder for fixing the end surface of the pressing in the form of one or two plates, then the powder is compacted by applying a pulsed one-sided load to the upper punch with a fixed lining or the outer load to the upper and lower punches, followed by extrusion of the obtained workpiece from the matrix by applying a stationary force to the upper punch and the lining or upper and lower punches along the extrusion axis, release the ties, remove the cage by acting on the die in the direction of expansion of the cone and the cage in the opposite direction, remove the matrix and remove the stationary force.

2. The method according to p. 1, characterized in that when unilateral pressing in the working cavity of the matrix, one plate is placed on the side of the working end of the upper punch, and during bilateral pressing in the matrix, two plates are placed on the side of the working ends of the upper and lower punches.

3. The method according to p. 1, characterized in that the seal is carried out with preliminary evacuation and heating.

4. Device for pulsed pressing of solid powder materials, comprising a collapsible die with an outer conical surface, enclosed in a cage mating with it on the conical surface and connected with ties, pressing elements made in the form of upper and lower punches or gaskets, characterized in that it is equipped with an element fixing the end surfaces of the pressed workpiece, made in the form of one or two plates of elastic material, the thickness of which δ _fmin is selected from the condition
δ _fmin ~ (0.02-0.04) d _f ,
where d _{f is the} minimum transverse dimension of the plate,
and the cage and lining with one-sided pressing or the cage and base with two-sided pressing are rigidly connected by means of couplers.

5. The device according to p. 4, characterized in that the element for fixing the end surface of the pressing is made in the form of one plate located on the side of the working end of the upper punch during unilateral pressing or in the form of two plates located on the side of the working ends of the upper and lower punches double-sided pressing.

6. The device according to p. 4, characterized in that the plate and lining on the side of the powder and the working cavity of the matrix are protected by a release coating.