Пресс-форма для горячего прессования порошков

)5 В 22 Е 3/14 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ДЕТЕЛЬС ВТ 21) 4430877/31-0 вы 22) 26 46) 30 5,885.90,итут юл, 11 20 ерхтвердых материаА,Шамр О,Н, онь яцион ен плитырессовку,О. В свя.С, Обо- еталлурс, 185,олостями нд т беспечиваетсях рабочих понолнительного орцс.вьгх повер равномерный ерхцостей зд притока тепла ей, В результ(57) Изобрет ковой металл пресс-формам порошков, Пе изделий и расвидетельс В 22 Р 3/ ОРМА ДЛЯ ГО ОВт д бок вых поверхцост ускоряется про ция и стабилиз этог цесс горячего прессо руется тепловое пбл ие относится к порою ргии, в частност я горяче повыше рес ство издел рас ие качеств повысить 1 рить нол сти ширени логических ческие возмож з и ф лы, 10 возможностеи за сования крупног т о спечени о борудо 1 табл,ция,рес ритных издел(71) Инст лов АН УС (72) В,И,Г.Д.Налив и И.Н.Зми (53) 621.(56) Либе рудование гии, М,; гнатенко, А, а, И.Н.Голуб вский62,4,043(088.8) сон Г.А. и Панов цехов порошковой еталлургия, 1983 снижение энергозатрат, д также п шение цадежцостц пресс-формы пут увеличения опорных площадей пуан нов, В полость матрицы 8 насыпаю порошок и устанавливают верхний сон 1. Полости 6 нижнего и верхи пуансонов заполняют теплоизол ным материалом. Ходом верхн пресса вниз производят полп а затем включают ицдуктор 1 зи с тем что пудцсоцы выполнены в цдправлении к центру изделия.мецение данной пресс-формы позвоИзобретение относится к порошковой металлургии, в частности к пресс-формам для горячего прессования порошков,5Цель изобретения - повышение качества изделий, расширение технологических возможностей за счет обеспечения прессования крупногабаритныхизделий и снижение энергозатрат, атакже повышение надежности прессформы путем увеличения опорных площадей,На фиг, 1 показана описываемаяпресс-форма, продольный разрез; нафиг, 2 - схема распределения магнитного поля по поверхности пуансона;на фиг, 3 - схема распределениятемпературы в пуансоне; на фиг, 4схема оттока тепла в пуансоне; нафиг, 5 - схема притока тепла к порошку; на фиг6 - схема пуансона с конической полостью; на фиг, 7 - то,же, со сферической полостью; нафиг. 8 - наполнитель в виде пакетадисков из тугоплавкого материала иохватывающего этот пакет стакана изуглеродной ткани; на фиг, 9 - схемапуансона с конической полостью и конической втулкой из тугоплавкогоматериала; на фиг, 10 - схема пуансона с конической полостью и цилиндрической приставкой,Пресс-форма для горячего прессования иэделий из порошков (фиг, 1)35состоит из пуансонов 1, имеющих рабочие 2 и нерабочие 3 боковые поверхности, а также рабочие 4 и нерабочие 5 торцы, на которых выполнены полости 6 в виде вытянутых в осевом направлении пресс-формы фигур вращения(эллипсоида - на фиг, 1, конуса -на фиг. 2, цилиндра - на фиг, 4, сферы - на фиг, 5). Между рабочими торцами 4 пуансонов 1 расположен либопорошок, либо брикет иэ порошка, т,е,заготовка 7, которую с боковых сторонограничивает поверхность матрицы 8,выполненная иэ частей, скрепленных:обоймой 9. Пресс-форма размещена виндукторе 10, выполненном также из50частей, причем каждая часть индуктора 10 может быть подключена самостоятельно к компенсирующей емкости источника питания, либо несколько источников питания (не показаны), чтоопределено материалом пуансонов, исоответственно, необходимой частотойпитающего тока, Пресс-форма может иметь верхний и нижний пуансоны одинаковой или различной конструкции,Варианты конструкции пуансонов 1 предусматривают опору не только на нерабочие торцы пуансонов 1, но и наопорные диски 11 (фиг, 8). Функцииопорных дисков 11 могут выполнятьлибо втулка 12 иэ керамики (фиг9),либо керамическая проставка (кольцо)13, заполненная теплоиэоляционным материалом (фиг, 10) . Индуктор 10 смонтирован между верхней и нижней плитами 14 пресса (не показан), а пуансоны 1 пресс-формы опираются на охлаждаемые плиты 14 пресса через теплоизоляционные прокладки 15. Кроме того, пресс-форма может быть оснащенавакуумной камерой (не показана) ссоответствующими агрегатами, теплоизоляцией источником (одним или несколькими) питания электроэнергией,системой охлаждения (не показаны),Полости пуансонов 6 заполнены тугоплавким теплоизоляционным наполнителем, который в зависимости от конструкции пуансонов может быть использован в виде порошков, гранул, тканей,волокон, либо в виде плотного горячепрессованного композиционного материала.Наиболее эффективна форма полостейпуансонов в виде эллипсоида вращения(фиг, 1), однако она сложна в изготовлении,С целью улучшения технологичности изготовления пуансонов полости 6 могут быть выполнены коническими (фиг. 2, 6, 9, 1 О), либо сферическими (фиг, 7), либо ступенчатой цилиндрической формы (фиг, 8).В связи с тем, что часть площади нерабочих торцов 5 пуансонов 1 занято полостью 6, площадь опорной поверхности этих пуансонов может быть недостаточной для восприятия необходимого давления. С целью увеличения площади опорных поверхностей пуансонов 1, т,е. нерабочих поверхностей 5, опорными поверхностями пуансонов может являться торцовая поверхность опорных дисков 11 иэ жесткого тугоплавкого теплоизоляционного материала (фиг, 8), пакеты которых могут быть установленыв ступенчатые полости пуансонов 1 с выступанием над частями пуансона 1, выполненными из графитаОпорные диски 11 могут быть1567324 6пуансоне, токи в индукторо и пуднс- не концентрируют на их обращенньхдруг к другу поверхностях. Рассмотрим уравнение теплопроводности длясплошного цилиндра, который представляет собой пуансон выполнены в виде конических втулок(опор) 12 (фиг, 9), либо в виде керамических проставок (колец) 13, установленных на нерабочем торце пуансона 1 (фиг10). Опорные диски 11,конические опоры 12, керамическиекольца 13 также могут быть выполнены составными.Пресс-форма работает следующим образом.Сначала на нижней охлаждаемой плите 14 пресса устанавливают нижний пуансон 1 в собранном видеПри сборке пуансона 1 (нижнего) учитывают, что, если теплоизоляционным заполнителем для полости 6 является сыпучий материал (либо другой подвижный), то нижний пуансон 1 предварительно заполняют теплоизолятором, закрывают теплоизоляционной прокладкой 15 и устанавливают на нижней охлаждаемой плите 14 поесса в центральной части индуктора 10, На нижний пуансон 1 устанавливают матрицу 8 с обоймой 9 с упором на подкладки (не показаны). В полость матрицы 8 засыпают порошок или устанавливают заготовку 7 и устанавливают верхний пуансон 1, заполняют полость 6 верхнего пуансона 1 теплоизоляционным материалам и устанавливают верхнюю теплоизоляционную прокладку 15, Далее дают ход верхней плите 11 пресса вниз и производят предварительную подпрессовку 1(выборку зазоров), После предварительной подпрессовки пресс-формы при необходимости производят вакуумирование и включают индуктор 10, производят разогрев порошка и последующее горячее прессование со стабилизированной по диаметру заготовки температурой путем нагружения верхнего пуансона 1 ходом верхней плиты 11 пресса. Перед включением плиты 11 пресса разогрев пресс-формы производят следующим образом: включают части индуктора 10, которые наводят токи высокой частоты на поверхности обоймы 9 и боковых поверхностях пуансонов 1. Поскольку основной эффект достигают посредством разогрева пуансонов, рассмотрим процесс их нагрева. На фиг, 2 показана схема распределения магнитного поля в системе индуктор-пуансон, В результате действия эффекта близости и кольцевого эффекта в индукторе, а также поверхностного эффекта и эффекта близости в дТ дТ 1 ЭТ ад( ------- ) = с 63 (1) д дК К аК Л 10гдето- объемная плотность источниковтепла (в нашем случае, этоповерхность матрицы, примыкающая к пуансону).и н 1) б ет Решением урдв е я ( . Уг т = з , - -Ь р 1 Р Кн г где Кл - рдлиу пуансона,20= 1 х/Р - отпосптельнля координата,- д 1/К- к 1 птерий Фурье.Анализ функции 8(ь ) показывает, что распр.деление температурыв пуансоне имеет параболический характер (фиг. 3, параболическая кривая показана пунктиром).Если пуансон представляет собойграфитовый стакдн, здполненный материал с меньшей теплопроводностью,то картина оттока тепла через пуансоны 1 на шаге 1, (фиг, 4) будетиметь следующий вид. Считая, что температура по стенкердфитового стакана Т изменяется линейно, а температура Тд в сечение 82 однакова, общееотводимое количество тепла равно3 Т - Т Т - ТЯ=В - (1, 2 2так кдк 1 н", Р, то в любом случаеобщее количество тепла, отводимое 45сплошным пуансоном будет больше чемЬФописанным.В начальной стадии горячего прессования происходит фдад спекания(фиг. 5) и пуансон служит источником 50тепла для формуемого изделия Т ) 1где Тп - температура поверхности пуансона; Т- температура поверхностиспекания порошка.Для обеспечения равномерного распределения температуры по поверхности пуансона наиболее эЛФктивнд полость в виде эллипсоплд вращения, где обеспечивается приток дополнительного тепла с бокоой поверхностипуансона к рабочей торцовой поверхности, Для упрощения конструкции полости на практике целесообразно выполнить ее в виде конической поверхности5 усеченного конуса.Таким образом, вьппе доказано, что описанная конструкция пресс-формы не просто содержит теплоизоляцианный пуансон, я позволяет получить дополнительный приток тепла, ускоряющий процесс горячего прессования и стабилизирующий тепловое пале ат периферии рабочей поверхности пуансона к центру.После выдержки давления плитой 11 пресса при стабилизированной температуре в прессовай камере индуктор 10 выключают и производят предварительное охлаждение пресс-формы, после чего нагрузку снимают, плиту 11 отводят вверх, а пресс-форму охлаждают и разбирают, заготовку извлекают и направляют ня механическую обработку.Разновидности конструкций пуансона (фиг, 1 - 10) имеют свои достаинст вя, что позволяет подобрать наиболее птимяльную конструкцию пуансона для конкретных условий горячего прессования, зависящих ат прессуемого материала, температуры и давления, разме- З 0 ров изделия, конструкций индукторав. Кроме того, возможны комбинации конструкций пуансонов 1 в одной прессформе, т,е. конструкции верхнего и нижнего пуансонов 1 могут быть неоди 35 наковы в связи с наличием различных температурных полей. Наличие эффекта увеличенного теплапритока по сравнению с теплоотводом позволяет производить быстрый разогрев крупногабаритных заготовок, что значительно сокращает время разогрева, уменьшая расход электроэнергии как за счет уменьшения времени разогрева, так иза счет уменьшения теплоотвода,Таким образом, конструкция описанной пресс-формы позволяет расширитьтехнологические возможности за счетполучения изделий из порошков тугоплавкцх соединений с большими поперечными размерами при повьппении качества получаемых изделий и экономии электроэнергии. Кроме того, появляется воэможность повысить температуру горячего прессования без дополнительного расхода электроэнергии, так как нет необходимости в дополнительном перегреве прессовкиСледствием вьппеукязяннага является дополнительное повьппение качества изделий зя счетувеличения выхода годных.11 р и м е р. Была изготовленапресс-форма с пуансонами при граничных и выходящих эа граничные значениязаявляемых соотношениях, При этом диаметр полости в плоскости нерабочихторцов пуансонов приближался к наружному диаметру пуансонов, т.е, их соотношение приближалось к единице.Полученные данные сведены в таблицу, где термический КПД - это отношение количества теплоты Ц , необходимого для доведения материала пуапсонов по толщине до температуры горячего прессования без перегрева к общемуколичеству теплоты, сообщенному пуансонам - 6; й 9 - отношение температуры горячего прессования к температуреразогретых наружных слоев пуансонов(т.е, гг 6 - это излишне затраченнаятеплота на нагрев пуансонов); Ь - высота полости 1 Н - высота пуансона.Прессуемый материал - сиалон (порошок нитрида кремния с добавкамитугоплавких окислов) температура горячего прессования - 1750-1780 С.Несмотря на то, что в строках 1,2,5 значения КПД оказались одинаковыми,установлено, что время разогрева дооптимальной температуры режима горячего прессования сиалона (1750 С)было различное,В результате увеличения времениразогрева произошло увеличение количества брака за счет роста зерна материала и уменьшения механическоймпрочности, При значении Ь/Н = 0,9наблюдается уменьшение времени разогрева, однако механическая прочностьпуансона становится недостаточной длявыполнения горячего прессования.Таким образом, применение описанной пресс-формы позволяет повыситькачество изделий и расширить технологические возможности оборудования засчет обеспечения равномерного нагрева порошка по объему матрицы, а такжеувеличением опорных площадей пуансонов, повысить надежность пресс-формы,Формула изобретения1. Пресс-форма для горячего прессования порошков, содержащая матрицу с пуансонами и индуктор, о т л и ч яю щ а я с я тем, что, с целью повышения качества изделий, расширения1567324 3. ресс-форма по п. 1, о т л ич а ю щ а я с я тем, что в качестве наполнителя используют керамический технологических возможностей за счетобеспечения прессования крупногабаритных изделий и снижения энергозатрат, центральные части нерабочих торцов пуансонов выполнены с выемками,глубина которых вдоль оси пуансонасоставляет 0,1-0,8 его высоты, приэтом выемки заполнены теплоизолируюматериал,4, Пресс-форма по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения надежности пресс-формы путем увеличения опорных площадей пуансонов, теплоизолирующий наполни- тель выполнен в виде пакета дисков щим наполнителем,2. Пресс-форма по п. 1, о т л и - ч а ю щ а я с я тем, что выемки пуансонов выполнены в виде эллипсоида из тугоплавкого материала и охватывающего этот пакет многослойного стакана из углеродной ткани. вращения, полного или усеченного конуса, цилиндра или сферы. Технические показатели пресс-формы Соотношение Ь/ППресс-форма ТКПД В.ход Врс мл разогре в;1.он годных Фиг 1 Известная 1 Описанная 23 4 5 6 0,1 0,4 0,8 0,05 0,9 0,9 0,8 0,3 0,1 0,8 0,1 0,40,40,70,850,40,85 9 С 60 55 48 72 45 75 85 90 92 78