Пристрій для гарячого пресування порошків шляхом прямого пропускання електричного струму

Реферат: Пристрій для гарячого пресування порошків шляхом прямого пропускання електричного струму містить вакуумну камеру, у якій розміщені розбірна прес-форма з двома пуансонами, виконаними з можливістю розміщення між ними шихти, охолоджувані струмопідводи для прямого пропускання електричного струму через пуансони і шихту, підключені до джерела струму, і гідравлічний прес для подачі зусилля на пуансони. Джерелом струму є джерело перемінного струму з частотою струму 50-60 Гц. UA 72841 U (12) UA 72841 U UA 72841 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі порошкової металургії, зокрема до пристроїв для гарячого пресування порошків прямим пропусканням електричного струму, і може бути використана для гарячого пресування нанопорошків як на металевій основі, так і на неметалевій основі, у тому числі і тугоплавких сполук. Фізико-хімічні основи традиційного спікання звичайних порошків тугоплавких сполук уже докладно вивчені. Останнім часом актуальною задачею є дослідження закономірностей спікання нанопорошків як на металевій основі, так і на неметалевій основі, у тому числі і тугоплавких сполук. Серед методів консолідації важкоспікливих тугоплавких матеріалів, що використовуються останнім часом, підвищеною ефективністю в одержанні високощільних (низькопористих) структур характеризуються методи з одночасним прикладенням зовнішнього тиску, що використовують прямий вплив електричного струму. Відносно короткий цикл спікання (звичайно не більше 5 хв.) забезпечує незначне зростання зерна в продуктах цих технологій з підвищеними швидкостями нагрівання. Відповідно, актуальною тенденцією є розробка установок, що дозволяють здійснити гаряче пресування різних порошків шляхом прямого пропускання електричного струму. Найбільш близьким аналогом корисної моделі, що заявляється, є пристрій для гарячого пресування порошків шляхом прямого пропускання електричного струму, описаний у патенті США № 6,371,746, що включає вакуумну камеру, у якій розміщені розбірна прес-форма з двома пуансонами, виконаними з можливістю розміщення між ними шихти, охолоджувані струмопідводи для прямого пропускання електричного струму через пуансони і шихту, підключені до джерела струму, і гідравлічний прес для подачі зусилля на пуансони. Джерелом струму в даному пристрої є імпульсне джерело перемінного струму. До недоліків описаного рішення можна віднести відносну складність конструкції, а також значне подорожчання установки і методики в цілому у зв'язку з використанням у якості джерела струму імпульсного джерела перемінного струму, що у свою чергу знижує економічну ефективність впровадження описаної установки для гарячого пресування порошків. В основу корисної моделі поставлена задача розробити пристрій для гарячого пресування порошків, що за рахунок конструктивного виконання дозволить забезпечити одержання кінцевого продукту з високими показниками механічних властивостей, а також буде характеризуватися високою надійністю, простотою конструктивного виконання і високою економічною ефективністю. Поставлена задача вирішується тим, що розроблено пристрій для гарячого пресування порошків шляхом прямого пропускання електричного струму, що включає вакуумну камеру, у якій розміщені розбірна прес-форма з двома пуансонами, виконаними з можливістю розміщення між ними шихти, охолоджувані струмопідводи для прямого пропускання електричного струму через пуансони і шихту, що підключені до джерела струму, і гідравлічний прес для подачі зусилля на пуансони, при цьому джерелом струму є джерело перемінного струму з частотою струму 50-60 Гц. Використання як джерела струму джерела перемінного струму з частотою струму 50-60 Гц дозволяє уникнути необхідності комплектації пристрою додатковим дорогим обладнанням, зокрема спеціальними імпульсними генераторами, що дозволяє забезпечити високу економічну ефективність впровадження пристрою, що заявляється. Електричне навантаження при використанні пристрою, що заявляється, який використовує джерело перемінного струму з промисловою частотою струму 50-60 Гц, дозволяє більш рівномірно здійснювати масоперенесення в електричних зазорах і контактах, ніж це відбувається при використанні інших джерел струму. Установка, що заявляється, дозволяє здійснювати гаряче спікання як струмопровідних, так і неструмопровідних порошків. При цьому в струмопровідних порошках проявлення електророзрядних ефектів варто очікувати по відомих механізмах взаємодії електричних контактів, тобто нещільних і ковзних у процесі контактування по границях часток і зерен. У неструмопровідних порошках іскрові розряди можуть стелитися по поверхні часток-діелектриків, а в загальному випадку - по межі розділу середовищ з різною діелектричною проникністю. Використання пристрою для гарячого пресування з вищевказаним переліком конструктивних ознак дозволяє одержати кінцевий результат з новим рівнем фізико-механічних властивостей, знизити при цьому значення температури спікання і час витримки, що дозволяє значно знизити виробничі витрати, а також інтенсифікувати процес одержання матеріалів за рахунок швидкості підйому температури, самої температури і часу витримки. При цьому придушується зростання зерна, що позитивним чином позначається на фізико-механічних характеристиках отриманого кінцевого продукту, зокрема наноструктурних керамічних матеріалів. 1 UA 72841 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Використовуваний в пристрої принцип прямого пропускання електричного струму забезпечує рівномірний розподіл щільності в пресовках, у тому числі й у пресовках складної форми, без застосування яких-небудь пластифікаторів, що є причиною появи небажаних домішок і додаткової пористості у виробах, що спікаються. У пресовках мінімізується внутрішнє напруження, практично виключається можливість виникнення макродефектів (розшарувань, тріщин і т.ін.) у результаті спікання нанокомпозитів. Доцільною є така реалізація установки, що заявляється, при якій джерело струму включає трансформатор з водоохолоджуваними струмопідводами, виконаний з можливістю комутації струмів від 3000 до 9000 А при напрузі до 9 В. Можливість зміни струмів у широкому діапазоні дозволяє здійснювати оперативний контроль і зміну швидкості спікання, що у свою чергу дозволяє провести весь процес гарячого пресування протягом 15-20 хвилин. Робочі кінці пуансонів можуть бути обладнані прокладками з вуглецевого матеріалу, що поліпшує контакт між пуансонами і шихтою, що пресується. Також переважною є реалізація установки, при якій розбірна прес-форма виконана з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу. Композиційні вуглеграфітові матеріали виконані на основі вуглецевої матриці і вуглецевих волокон. Як матрицю використовують піровуглець, коксові залишки термореактивних смол, кам'яновугільного або нафтового пеку, у якості волоконнаповнювачів - високоміцні вуглецеві волокна, нитки (неперервні та рубані), джгути, тканини, просторові конструкції з волокна. Вуглець-вуглецеві матеріали в порівнянні з графітом характеризуються низькою щільністю (внаслідок пористості матеріалу), високими питомою міцністю і твердістю, що зберігаються необмежено довго в інертних і відновлюваних середовищах при температурах до 3000 °C (при більш високих температурах властивості залежать від швидкості сублімації вуглецю з поверхні матеріалу), а також пластичним характером руйнувань. Таке виконання прес-форми дозволяє використовувати її при тисках до 75 МПа. Розбірна прес-форма обладнана обичайкою, виконаною з вуглець-вуглецевого матеріалу, що також дозволяє забезпечити міцність прес-форми. Для захисту конструкції й інших частин устаткування від високих температур, а також з метою зниження теплопровідності конструкції і забезпечення рівномірного розподілу тепла навколо стінок прес-форми вакуумна камера обладнана тепловим екраном, виконаним з вольфрамового листа. Переважно вакуумна камера обладнана вакуумною системою, виконаною з можливістю 5 створення глибокого вакууму з тиском до 10- МПа. Пристрій виконаний з можливістю забезпечення гарячого пресування порошків з розміром зерна від 20 нм до 20 мкм, що дозволяє значно розширити сферу використання пристрою, забезпечити одержання готового продукту високої якості. Пристрій, що заявляється, пояснюється за допомогою наступних графічних матеріалів. Фіг. 1 - загальний вигляд пристрою для гарячого пресування порошків шляхом прямого пропускання струму. Фіг. 2 - амплітудна характеристика джерела перемігшого струму пристрою для гарячого пресування порошків шляхом прямого пропускання струму. На фіг. 1 представлений загальний вигляд пристрою для гарячого пресування порошків шляхом прямого пропускання струму, що містить вакуумну камеру 1, у якій розміщені розбірна прес-форма 2 із двома пуансонами 3, виконаними з можливістю розміщення між ними шихти 4, охолоджувані струмопідводи 5 для прямого пропускання електричного струму через пуансони 3 і шихту 4, підключені до джерела струму (не показаний), і гідравлічний прес (не показаний) для подачі зусилля на пуансони 3. Джерело струму включає трансформатор (не показаний). Розбірна прес-форма 2 обладнана обичайкою 6, виконаною з вуглець-вуглецевого композитного матеріалу. У вакуумній камері встановлений тепловий екран (не показаний), виконаний з вольфрамового листа. Пристрій обладнаний вакуумною системою (не показана), -5 виконаною з можливістю створення глибокого вакууму з тиском до 10 МПа. У заглибленні середньої частини прес-форми 2 розміщується термопара 7 для вимірювання температури шихти, що спікається. Верхній пуансон 3 вакуумно ізолюють фторопластогумовим ущільненням 8. На Фіг. 2 представлена амплітудна характеристика джерела перемінного струму пристрою для гарячого пресування порошків шляхом прямого пропускання струму. Пристрій, що заявляється, працює в такий спосіб. У залежності від використовуваного вихідного матеріалу, його термічної стійкості і необхідної якості готового продукту попередньо підбирають параметри для процесу гарячого пресування. 2 UA 72841 U 5 10 15 20 Попередньо підготовлену шихту (однофазний або багатофазний порошок) засипають у прес-форму 2 з високоміцного вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу. Тиск на шихту забезпечують шляхом передання тиску від гідравлічного преса з максимальним зусиллям гідравлічного приводу, рівним 12 т, через пуансони 3, робочі кінці яких обладнані прокладками з вуглецевого матеріалу. При цьому верхній пуансон 3 вакуумно ізолюють фторопластогумовим ущільненням 8. Нижній струмопідвід 5, обладнаний гумовим ущільненням, також виконаний з латуні, але його встановлюють нерухомо. Інші струмопідводи 5 виконують графітовими. За допомогою вакуумної системи забезпечують у вакуумній камері 1 глибокий вакуум з тиском до 5 10- МПа, при цьому вакуумну систему обладнують вакуумним насосом, вакуумним вентилем, мановакуумметром. Камеру 1 забезпечують патрубком, за допомогою якого з'єднують вакуумну камеру 1 зі згаданим насосом. Джерело струму підключають до мережі перемінного струму з частотою струму 50-60 Гц. Керування напругою здійснюють заданням температури і відсотка максимальної потужності в джерелі струму в автоматичному режимі. Нагрівання у вакуумній камері 1 здійснюють за допомогою збільшення потужності струму на вторинній обмотці водоохолоджуваного трансформатора. Розігрів шихти 4 здійснюють непрямим нагріванням при прямому пропусканні струму від охолоджуваних струмопідводів 5, підключених до джерела струму, через пуансони 3 і шихту 4. Шляхом охолодження струмопідводів 5 охороняють елементи пристрою від перегріву. Температуру порошку, що спікається, в ході здійснення процесу вимірюють за допомогою термопари 7. Процес гарячого пресування здійснюють згідно з попередньо підібраним режимом. Після закінчення часу обробки готовий продукт витягають із прес-форми 2. У таблицях 1 і 2 наведені приклади параметрів процесу гарячого пресування. Таблиця 1 Параметри процесу гарячого пресування порошків карбіду вольфраму WC t, хв 1 2 3 4 5 6 7 I1, А 20 25 33 38,5 45,8 47,6 35 U1, B 170 170 170 170 170 170 140 І2, А 870 1090 1480 1770 2170 2310 1960 U2, B 3,9 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 2,5 Р, кВт 3,4 4,25 5,6 6,55 7,8 8,1 4,9 Т, °C 180 430 560 1060 1350 1730 1730 Таблиця 2 Параметри процесу гарячого пресування деяких порошків Матеріал Zro2 ZrO2+20 %Аl2О3 t, хв 2 3 4 6 8,5 2 4 6 7 8 9 10 11,5 U1, B 150 150 150 150 150 130 130 130 150 150 150 150 150 I1, А 20 48 52 54 54 40 42 42 49 58 58 59 59 U2, B 4,55 4,32 4,18 3,9 3,85 4,2 4,0 3,85 3,7 3,7 3,22 3,15 2,9 I2, А 1200 1450 1740 1930 2010 1150 1370 1430 1510 1680 1740 1850 1990 Т, °C 200 370 740 1030 1180 170 420 710 790 840 940 1190 1270 25 Таким чином, пристрій для гарячого пресування порошків шляхом прямого пропускання електричного струму, що заявляється, за рахунок конструктивного виконання дозволяє забезпечити одержання кінцевого продукту з високими показниками механічних властивостей, а 3 UA 72841 U також характеризується високою надійністю, простотою конструктивного виконання і високою економічною ефективністю. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 1. Пристрій для гарячого пресування порошків шляхом прямого пропускання електричного струму, що містить вакуумну камеру, у якій розміщені розбірна прес-форма з двома пуансонами, виконаними з можливістю розміщення між ними шихти, охолоджувані струмопідводи для прямого пропускання електричного струму через пуансони і шихту, підключені до джерела струму, і гідравлічний прес для подачі зусилля на пуансони, який відрізняється тим, що джерелом струму є джерело перемінного струму з частотою струму 5060 Гц. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що джерело струму включає водоохолоджуваний трансформатор, виконаний з можливістю комутації струмів від 3000 до 9000 А при напрузі до 9 В. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що розбірна прес-форма виконана з вуглецьвуглецевого композитного матеріалу. 4. Пристрій за п. 3, який відрізняється тим, що розбірна прес-форма обладнана обичайкою, виконаною з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу. 5. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що у вакуумній камері впритул до її стінок розміщений тепловий екран, виконаний з вольфрамового листа. 6. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що обладнаний вакуумною системою, виконаною з -5 можливістю створення глибокого вакууму з тиском до 10 МПа. 7. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що виконаний з можливістю забезпечення гарячого пресування порошків з розміром зерна від 20 нм до 20 мкм. 4 UA 72841 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5