Способ формования порошковых материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1 А 1 19) .5.Ы 51)5 В 22 Р ГОСУДАР СТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ еский институт андво СССР(71) Витебский технологлегкой промышленности(57) Изобретение относится к способам формования порошковых материалов. Цель изобретения - снижение энергоемкости процесса. Изготавливали трубу наружным диаметром 150 мм и внутренним - 140 мм из порошка ПЖЗМ 2. Подача порошка из загрузочного бункера 1 в зону формования осуществляется шнеком 5 с геометрическими параметрами: радиус наружной поверхности й 1 = 0,1 м, радиус внутренней поверхности В 2 = 0,07 м, шаг нарезки винтовой канавки т = О,О 5 м, длина рабочей части 0,4 м, число заходов 1, угол подъема винтовой канавки 13; развивающим давление 80 МПа, Порошок характеризуется удельной тепло1694351 емкостью после предварительного уплотнения в витках шнека 375 Дж/кг К и плотностью р - 5600 кг/м . Средняя величиназкоэффициента межчастичного трения порошка Ь = 0,72, Порошок засыпают в бункер 1 и сообщают шнеку 5 вращение с угловой скоростьюйь = 1,57 с, Одновременно вращают подвижную часть корпуса 3 с угловой скоростью ак = 1,1 с, удовлетворяющей условию равенства окружных скоростей корпуса и шнека йи - й)щ Р 2/Р 1, в направлении, противоположном направлению вращения шнека. Порошок предварительно Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам формования порошковых материалов,Целью изобретения является снижение энергоемкости процесса.Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема осуществления способа формования порошковых материалов.На схеме показан загрузочный бункер 1, закрепленный на неподвижной части корпуса 2. Соосно неподвижной части корпуса 2 установлена с возможностью вращения подвижная часть корпуса 3, на наружной поверхности которой закреплено зубчатое колесо 4, кинематически связанное с приводом вращения. Внутри неподвижной 2 и подвижной 3 частей корпуса установлен шнек 5, хвостовик которого жестко соединен с приводом, Шнек заканчивается цилиндрической оправкой 6. Соосно составному корпусуустановлена матрица 7, на наружной цилиндрической поверхности которой нарезаны зубья, входящие в зацепление с приводным зубчатым колесом,Способ формования порошковых материалов осуществляется следующим образом,В загрузочный бункер 1 засыпают порошок. Шнеку 5 от привода сообщают вращательное движение с угловой скоростью во 1, При этом порошковая масса перемещается по винтовой канавке шнека 5 в направлении экструдирования. Одновременно от привода через зубчатое колесо 4 подвижной части 3 корпуса сообщается вращательное движение с угловой скоростью м Порошок предварительно уплотняется в витках шнека и нагревается за счет сил трения о поверхность винтовой канавки шнека,уплотняется и нагревается за счет сил трения о шнек и корпус и за счет межчастичного трения, На выходе из шнека температура порошок достигается 550 К, Сообщают вращение матрице 7 в направлении, противоположном направлению вращению шнека, Скорость вращения выбирают иэ расчетного соотношения йЪ+ аЪ/вш +вк = Тсл - То/Й 1+ Я 2 - с р/л Рм, С учетом температуры спекания, которая необходима и достаточна для спекания Тсп, = 1200 К, скорость составляет ам = 4,36 с . Изготавливают спеченное изделие. 1 ил., 1 табл. внутреннюю поверхность подвижной части 3 корпуса и за счет внутреннего межчастичного трения. По мере перемещения порош, ка по винтовой канавке шнека 5 5 температура порошка возрастает и в концевыхода из винтовой канавки шнека 5 достигнет конечного значения То. Слои порошка, контактирующие с внутренними поверхностями шнека и корпуса, нагреты до одинако вой температуры, После выхода из винтовойканавки шнека 5 порошок заполняет пространство, ограниченное наружной поверхностью цилиндрической оправки 6 и внутренней поверхностью матрицы 7. От 15 привода матрице сообщают вращательноедвижение с угловой скоростью вм . На выходе из шнека порошковая заготовка срезается по плоскости поперечного сечения, При этом происходит нагрев внутренних 20 слоев порошковой заготовки. Угловые скорости шнека во, подвижной части корпуса вки матрицывм подбираютстаким расчетом, чтобы температура спекания порошка в зоне формования составляла 5070 ф, от 25 температуры плавления материала, что достаточно для спекания при воздействии дав- ления прессования со стороны прессующего инструмента (шнека). Подбор значений угловых скоростей вш,вки 30 аъ осуществляют в соответствии с расчетным соотношением; ин - Озш Тсп - То ся Й 1 ш Жк Й 1 + Й 2 ЛОтм 35 где вм. - угловая скорость матрицы, с:в - угловая скорость шнека, с;ак - угловая скорость корпуса, с;Тсп - температура спекания порошка, К;Т - температура порошка на выходе их шнека, К;В - радиус наружной поверхности шнека, м;В 2 - радиус внутренней поверхности шнека, м;с - удельная теплоемкость порошка, Дж/кг/К;т - шаг нарезки винтовой канавки шнека, м;р - давление прессования, Па;1 - коэффициент межчастичного трения,р - плотность порошка на выходе из шнека;Знак "+" означает встречное вращение элементов; знак "-" - вращение элементов осуществляется в одном направлении,Соотношение между угловыми скоростями оьвк и йМэависит от численного значения правой части расчетной формулы и направлений вращения шнека 5, подвижной части корпуса 3 и матрицы 7.Чтобы материал нагрелся до температуры из диапазона температур, достаточных для спекания изделия, указанные конструктивные элементы необходимо вращать с соблюдением определенных соотношений между их угловыми скоростями. Методика подбора значений угловых скоростей шнека матрицы и корпуса в зависимости от различных комбинаций направлений их вращения следующая.При выборе значений угловых скоростей элементов нецелесообразно задавать значения угловых скоростей шнека и корпуса, Угловую скорость шнека задают произвольно в пределах, обеспечивающих общепринятую скорость экструдирования, которая, как правило, должна составлять 2,10 мм/с. Для устройства, обеспечивающего реализацию описываемого способа, принимают например, угловую скорость вращения шнека вщ = 1,57 с (15 об/мин), величина которой удовлетворяет требованиям технологического процесса, Чтобы внутренний и наружный слои порошковой массы, заполнившей винтовую канавку шнека нагреть до одинаковой температуры, необходимо исходить из условия равенства окружных скоростей вращения и корпуса, пренебрегая при этом нагревом эа счет трения при осевом перемещении порошка о внутреннюю поверхность корпуса. Таким образом, определяют угловую скорость вращения корпуса по формулеВгггпу =мшВ После того как ь и ц,. выбраны, определяют угловую скорость врагцения матрицы О) из расчетного соогношения,Анализ комбинации направлений вра 5 щения шнека, корпуса и матрицы показывал, что расчетное соотношение позволяетподобрать оптимальные значения угловыхскоростей элементов, хотя реализация Способа обеспечивается в любом из четырех10 возможных случаев, При выборе сочетанийнаправлений вращения элементов схемыреализации предлагаемого способа следуетотдавать предпочтение следующим комбинациям; все элементы вращают в одном на 15 правлении, шнек и матрицу вращают водном направлении, а корпус - в противоположном, матрицу и корпус вращают в одномнаправлении, а шнек - в противоположном.При вращении шнека и корпуса в одном20 направлении, матрицы - в противоположном имеет место некоторая неоднородностьспекания из-за неодинакового нагрева слоев порошка, контактирующих с внутренними поверхностями шнека и матрицы, Эту25 комбинацию можно использовать при формовании трубчатых иэделий.П р и м е р, Из порошка железа ПЖЗМ 2изготавливали трубу наружным диаметром150 мм и внутренним диаметром 140 мм.30 Подача порошка из загрузочного бункера 1в зону формования осуществлялась шнеком5, Геометрические параметры шнека; радиус наружной поверхности В = 0,1 м, радиусвнутренней, поверхности Вр = 0,07 м, шаг35 нарезки винтовой канавки т = 0,05 м, длинарабочей части 0,4 м, число заходов 1, уголподъема винтовой канавки 13".Давление, развиваемое шнеком, составляет 80 МПа.40 Характеристика порошка."После предварительного уплотненияпорошка в витках шнека удельная теплоемкость порошка 375 Дж/кг К, а плотностьр =- 5600 кг/м . Коэффициент межчастичз45 ного трения является переменной величиной, он увеличивается по меревозрастания плотности порошковой с массы. Средняя величина коэффициента межчастичного трения для порошка ПЖЗМ 250 составляет 0,72,После засыпки порошка в загрузочныйбункер 1 шнеку 5 сообщают воащение сугловой скоростью вш= 1,57 с Одновременно подвижной части 3 корпуса сообщают вращательное движение с угловойскоростью вк = 1,1 с, удовлетворяющейусловию примерного равенства окружныхскоростей корпуса и шнека, в направлении,противоположном направлению вращенияшнека 5. Порошок предварительноуплотняется в витках шнека и нагревается за счетсил трения о поверхность шнека, внутреннюю поверхность подвижной части 3 корпуса и за счет внутреннего межчастичного 5трения, По мере перемещения порошка внаправлении экструдирования его температура увеличивается и на выходе из шнекасоставляет, как это экспериментально установлено, 550 К, После выхода из винтовой 10канавки шнека 5 порошок поступает в зонуформирования. Для дальнейшего нагревапорошка до температуры спекания матрице7 сообщается вращательное движение в направлении, противоположном направлению вращения шнека. Температураспекания, достаточная для получения готового изделия, составляет 1200 К,Вычисленное с учетом этого значениеправой части расчетного соотношения рави +вшно 2,22, т,е. --- = 2,22)Ш + )УгЛовую скорость вращения матрицы,необходимую для спекания получаемого изделия при заданной температуре, определяют из расчетного соотношения в= 4,36 сНа выходе из матрицы полученное изделиеимеет температуру 1180 К,Таким образом, из порошка железаПЖЗМ 2 изготавливают спеченное изделие. ЗОПроводились сравнительные эксперименты по прессованию партий изделийтрубчатой формы с размерами; длина 300мм, наружный диаметр 150 мм, внутреннийдиаметр 140 мм, тремя способами: формованием и последующим спеканием в электрической печи, формованием с одновременныминдукционным нагревом и описываемым способом.При изготовлении каждой партии изделий производились замеры суммарных энергозатрат, Сравнительные результатыизмерения энергозатрат (в по отношениюк энергозатратам на получение первой партии изделий традиционным способом - фор мование и последующее спекание в электрической печи) приведены в таблице,Таким образом, применение описанного способа формования порошковых материалов позволяет существенно (на 94,4 по сравнению с известным способом) снизить энергоемкость процесса за счет отказа от использования специального оборудования для спекания, потребляющего значительную мощность,Формула изобретения Способ формования порошковых материалов, включающий подачу материала вращающимся шнеком в цилиндрический корпус, нагрев до температуры спекания и выдавливание через формообразующую матрицу, отл и ч а ю щи йс я тем, что, с целью снижения энергоемкости процесса, нагрев материала осуществляют трением путем вращения шнека, корпуса и матрицы с угловыми скоростями, удовлетворяющими соотношению;вмвш Тсп То с таи+ )кй 1 + Вг ) 7 гр 1 м где вм, А и з, - угловые скорости матрицы, шнека и корпуса соответственно, сТсп - температура спекания порошка, К: Тп - температура порошка на выходе их шнека, К;81 - радиус наружной поверхности шнека,м;Вг - радиус внутренней поверхности шнека, м;с - удельная теплоемкость порошка, Дж/кг, К;р- плотность порошка на выходе из шнека, кг/м;3.1- шаг винтовой нарезки шнека, м;Р - давление прессования, МПа;1- коэффициент межчастичного трения, знаки "+" и "-" - отвечают встречному вращению и однонаправленному вращению элементов соответственно.10 1694351 Составитель А.ДумчевРедактор Е.Зубиетова Техред М,Моргентал Корректор И. Муска Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 4115 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж. Раушская наб 4/5