RU2265499C2 - Method for making sintered uniform-density articles - Google Patents

Abstract

FIELD: powder metallurgy, namely processes for hot pressing of envelopes.

SUBSTANCE: method for making envelopes of powders of refractory materials comprises steps of preparing blank of composition "powder-organic binder" by rolling powder to sheet blank; cutting out several different diameter discs of prepared sheet; cutting out sectors in each disc; placing formed discs into press-mold while abutting cut lines of discs; placing releasing means between mutually contacting surfaces of blank and press-mold; then performing hot pressing at softening temperature of organic binder.

EFFECT: enhanced factor of material usage, lowered density difference of envelopes.

3 cl, 1 ex

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу горячего прессования оболочек, преимущественно из порошков тугоплавких керамических материалов, с высокой плотностью и низкой разноплотностью.The invention relates to powder metallurgy, in particular to a method for hot pressing shells, mainly from powders of refractory ceramic materials, with high density and low density.

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).A known method of manufacturing products from refractory compounds, including the preliminary molding of the workpiece of complex shape and hot pressing in the mold. Before hot pressing, a billet of complex shape is supplemented to a simple form with an auxiliary material that is inert to the base material, with a compaction coefficient of 0.8-1.2 of the coefficient of the base material, and a sintering temperature in excess of the pressing temperature of the base material. (USSR, AS No. 1676755 IPC B 22 F 3/14 "Method for the manufacture of products from refractory compounds", publ. 15.09.91 - Bull. No. 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.The disadvantage of this method is the possibility of manufacturing only flat parts. It is impossible to make a part in the form of a hollow shell in the described way. In addition, in some cases it will be rather difficult to select auxiliary material that meets the requirements set by the developers, since few materials are known that are relatively inert at high temperatures and have a low hardness in a compact state (auxiliary material must be separated from the finished part). For example, it can be hexagonal boron nitride, foundry or colloidal graphite powder, or (for low temperatures) talc. The shrinkage coefficients of these materials are constant, and the number of materials of the part with the ratio K ₀ / K ₁ = 0.8-1.2 will be limited.

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).The closest in technical essence to the claimed method is a method of manufacturing compacted sintered parts with uniform density consisting in the fact that powders of refractory materials are pre-compacted into a workpiece, which is placed in the cavity of the press matrix. The residual free space of the matrix cavity is filled with another solid material and then pressed by directed loading at the sintering temperature. A solid release agent is applied to the contact surface of the preforms (Germany, Application No. 2155876 IPC B 22 F 3/14 "Method for the manufacture of compacted sintered parts with uniform density", publ. 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.The disadvantages of the method include the lack of a separation layer from the bottom of the part, since in the manufacture of parts in the form of shells, due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the material of the mold and the material of the part, the latter will be subject to significant stresses that can lead to cracks or destruction of the shell in the process of cooling the mold.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение коэффициента использования материала и повышение качества получаемых оболочек.The problem to which the invention is directed, is to increase the utilization of the material and improve the quality of the resulting shells.

Технический результат, достигаемый с использованием заявляемого способа, следующий:The technical result achieved using the proposed method is as follows:

- коэффициент использования материала повышается до 90%- utilization of the material increases to 90%

- улучшается качество изготавливаемых оболочек за счет увеличения их средней плотности и уменьшения разноплотности до величины 10% и менее.- improves the quality of the manufactured shells by increasing their average density and reducing the density to 10% or less.

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.To solve the problem in a known method of manufacturing sintered parts with uniform density, including pre-compaction of the powders in the workpiece and placing it in the cavity of the matrix, filling the residual space of the cavity of the matrix with powder material and pressing by directed loading at the sintering temperature of the material of the part, while between the contacting surfaces of the workpiece and molds place a release agent. According to the invention, to obtain shells, the preform is made in the form of several disks of different diameters from the composition “powder - organic binder”. In each disk, it is proposed to cut sectors, and when inserting the disks into the mold, close the cut lines, and first lay a disk with a larger diameter, and place a disk with a smaller diameter on it, while the closed cut lines on the disks are placed with an offset relative to the others drives. Compaction is carried out at a temperature that provides softening of the organic binder. The release agent may be made of a powder material that transfers the load to the part well. The residual space of the matrix cavity is filled with a powdery material having a crystalline structure similar to that of graphite, boron nitride, or talc. This material should be inert with respect to the material of the part and have a melting point (decomposition) significantly higher than the sintering temperature of the material of the manufactured part.

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.The method consists in the following: an organic binder is introduced into the powder of the shell material (or into a pre-prepared powder mixture of several components). The resulting composition is rolled on rollers to obtain a rolling sheet of the required size, from which several disks of different diameters are cut. The size of the discs depends on the size of the workpiece, and their number depends on the thickness of the rolling and the thickness of the workpiece. Sectors are cut out in the discs in such a way that when the edges of the cuts are closed, the surface of the resulting element would repeat the shape of the workpiece. At the same time, a larger number of cuts are made in a disk of a larger diameter.

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.The obtained elements of the workpiece are weighed, adjusted by weight and fit one into another in a steel mold. In this case, the cutouts on the disks should not coincide anywhere. Then pressing is carried out at a temperature that provides softening of the organic binder. The resulting molding is removed from the mold and its density is determined.

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.Inside the molding, which has the form of a hollow shell, a substrate is inserted, made, for example, by pressing in a steel mold from the plastic composition “flake graphite powder, boron nitride or other material with similar properties - an organic binder” and repeating the shape of the inner surface of the shell. The thickness of the substrate is at least 4-6 mm. The substrate is a damper and a separation layer and ensures the safety of the shell, provided that the coefficients of thermal expansion of the shell material and graphite, from which the mold is made for hot pressing, are significantly different. The molding together with the substrate are installed on the lower punch of the mold, which ensures the formation of the inner cavity of the shell. From the top of the molding, a powdery material is poured into the matrix, which is a medium for transferring the pressing pressure from the upper punch to the molding and serves as a separation layer. This material must satisfy the following requirements: 1) it must have a crystalline structure similar to graphite or talc and transmit pressure well from the punch to the shell; 2) the sintering temperature of this material should be significantly higher than the sintering temperature of the shell material; 3) this material should not actively interact with the shell material. As such a material, foundry or colloidal graphite powder or hexagonal modification of boron nitride may be used.

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.The surface of the powdered powder is given a certain shape, calculated depending on the shape of the shell and the density of the obtained molding. In this case, the powder should complement the surface of the shell to the surface of the movable upper punch and ensure the transfer of a greater load to those molding areas that have a reduced density. Then, the upper punch is installed in the graphite matrix and hot pressing is carried out at a temperature and pressure of pressing, which ensure effective compaction of the shell material.

После проведения процесса графитовая пресс-форма разбирается, оболочка извлекается из матрицы. Благодаря описанным свойствам разделительного материала, оболочка легко отделяется от графита пресс-формы.After the process, the graphite mold is disassembled, the shell is removed from the matrix. Due to the described properties of the separation material, the shell is easily separated from the graphite of the mold.

Полученная таким способом оболочка может, при необходимости, подвергаться дополнительной механической обработке.The shell obtained in this way can, if necessary, be subjected to additional machining.

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.If it is inexpedient to manufacture an expensive steel mold for molding a billet from a powder-organic binder composition (for example, with a small number of manufactured shells), the billet can be laid out from elements made from rolling by the described method directly on a substrate of a release material. In this case, it is necessary that between the closed edges of the cutouts of the external and internal elements of the workpiece does not get the powder of the separation material.

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.The substrate of the release material can be formed by laying out several (at least two) layers of elements made from rolling "release agent powder - organic binder". The closed cut-out lines of these elements should not coincide either.

ПРИМЕР.EXAMPLE.

Была изготовлена опытная партия оболочек из композиционного материала "карбид бора - нитрид бора" с использованием способа формования заготовок в стальной пресс-форме.An experimental batch of shells was made from the composite material "boron carbide - boron nitride" using the method of forming blanks in a steel mold.

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.In the manufacture of molding, the composition “powder mixture - organic binder” was rolled on rollers to a thickness of 12 mm, two disks with a diameter of 290 and 230 mm were cut out. In the larger disk, 8 cuts were made, in the smaller - 6. Then, the disks were placed in a steel mold and pressed at a temperature of 80 ° C. The obtained molding was subjected to hot pressing in a graphite mold using casting graphite powder as a separation material. The hot pressing temperature exceeded 2000 ° C.

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%.The shells made were a hollow cone passing at the top into a sphere. The outer diameter of the cone is 190 mm, the wall thickness is 18 mm. There were no cracks in the finished shells, the average density was at least 1.80 g / cm ³ , and the density was 4-10%. The yield of the shells is 100%.

Claims (3)

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.1. A method of manufacturing shells of powders of refractory materials, including the manufacture of a workpiece, placing the workpiece in the cavity of the matrix, placing between the contacting surfaces of the workpiece and the mold release agent, hot pressing, characterized in that the workpiece is made of a powder-organic binder composition by rolling to of obtaining a sheet from which several disks of different diameters are cut, in each of which sectors are cut and, closing the cut lines on the disks, they are placed in a mold mu, while the diameters of the disks are reduced from the bottom up, the cut lines on the disks are placed with an offset, and then compaction is performed at the softening temperature of the organic binder. 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.2. The method according to claim 1, characterized in that between the contacting surfaces of the workpiece and the mold, a release agent is placed in the form of a substrate, which is made of powder material and serves to separate the part and the mold elements and to transfer the load from the tool to the part . 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.3. The method according to claim 1, characterized in that the cavity of the matrix is filled with a powdery material having a crystalline structure similar to that of graphite, boron nitride or talc, inert with respect to the material of the mold and shell, with a melting / decomposition temperature substantially higher than the temperature sintering of the material of the manufactured shell.