9 Порошковая металлургия бериллия. Основные методы формования порошков бериллия. Горячее вакуумное прессование. Маркировка и свойства материала.

Метод: Беспрессовое спекание

Сущность метода состоит в спекании свободного насыпанных или виброуплотненых порошков. Метод разрабатывался 40-50гг 20 века Барретом, Нейтом, Эллисом. Насыпная плотность бериллиевых порошков дисперсностью – 56 мкм составляет 0,65 гм/см3. Порошки засыпают в дегидрированные тигли из графита или BeO и спекают в вакууме или атмосфере Ar при Е = 1180-1240°С в течении 2-12 ч. После спекания плотность составляет 1,6-1,81 г/см3. По причине большой остаточной пористости заготовок полученных беспрессовым спеканием может использоваться только полуфабрикаты для последующей обработки давлением(штамповка, выдавливание и прокатка)

Холодное прессование и спекание

Этот метод впервые применительно к Beбыл изучен Хаузнером и Пинта, на фирме Браш Бериллиум.

Зависимость плотности спеченного Be (режим спекания 1200°С в течении 3 ч из порошка технического Be дисперсностью 56мкм) от давления показано на рисунке (ХП 1 Бар=1атм-0,1МПа). С Увеличением давления ХП плотность спеченного Be увеличивается. Оптимальным давлением ХП является давление не превышающего 800КБар = 80МПа. Спекание в вакууме обеспечивает получение заготовок большей плотности, чем спекание в атмосфере Ar. При спекании в вакууме при Т= 1150°С происходят заметные потери Be на испарении и также существенно укрупнение размера зерна. Т.о. данная технология также не обеспечивает получение спеченного Be с плотностью более 95% от теоретической плотности.

Горячее прессование (спекание под давлением).

Проводят в специальных печах (прессах), установках горячего прессования марки ГВП-200.

1 – вакуумная камера печи;

2 – гидравлический пресс;

3 – маслостанция гидравлического пресса;

4 – водоохлаждаемый плунжер рабочего цилиндра гидравлического пресса;

5 – пресс-форма графитовая с порошком;

6 – силовая крышка печи;

7 – экраны теплоизоляционные (Мо, сталь);

8 – индуктор;

9 – донная теплоизоляция.

Температура – 1050-1220°С, время подогрева перед прессованием – от 2 до 8 часов, остаточное давление – 5*10^-2 мм рт.ст.

Процесс прессования ведётся до момента остановки плунжера пресса, который фиксируется датчиком микроперемещения. После завершения прессования печь охлаждается до 600°С, производится напуск воздуха и извлечение пресс-формы с заготовкой.

ТГП-56

Свойства по ТУ469:

σ_в>300 МПа – в поперечном направлении;

δ>1,3% - в поперечном направлении;

γ>1,84 г/см³.

δ – относительное удлинение.

Горячая штамповка.

Горячим вакуумным прессованием бериллиевых порошков получают качественные заготовки с относительной плотностью >95% от теоретической. По этой технологии производится большая часть бериллиевой продукции. Заготовки используются для изготовления точных изделий механической обработкой, а также используются как исходные заготовки для последующей обработки давлением. Однако, процессы ГП имеют следующие недостатки:

1.Невысокие габариты заготовок (диаметр <50 см);

2.Невысокая производительность;

3.Невозможность получить изделия сложной формы.

Принципиальная схема горячей штамповки.

1 – контейнер (нижняя половина штампа);

2 – донная вставка;

3 – капсула (стальная);

4 – порошок бериллия виброуплотнённый;

5 – компактный спеченный бериллий;

6 – пуансон (верхняя половина штампа);

Сущность метода состоит в том, что порошок 4 засыпают в стальную капсулу 3, которая используется только 1 раз. Капсулу с порошком вакуумируют, т.е. откачивают из капсулы воздух. Далее производится нагрев заготовок до температуры 1050-1100°С в камерных печах с воздушной атмосферой. Нагретые заготовки транспортируют к прессу для обработки давлением, загружают в штамп 1 и опускают плунжер 6, который формует бериллиевое изделие 5.

Требования к материалу капсулы:

1.Герметичность в широком интервале температур.

2.Пластичность и прочность при температуре штамповки.

3.Отсутствие химического взаимодействия с бериллием при нагреве.

4.Стойкость против окисления при нагреве на воздухе.

5.Близкие к бериллию значения температурного коэффициента линейного расширения.

Требования к форме капсулы:

1.Форма должна обеспечить деформацию капсулы без образования складок или гофр.

S_k/S_ш ≤ 1

2.Толщина капсулы должна обеспечить сохранение конструкционной прочности и герметичности при нагреве, защиту от захолаживания порошка при транспортировке от печей к оборудованию и при штамповке.

Наилучшим образом соответствуют этим требованиям малоуглеродистые стали (качественные) марок 0,8 и 20.

Возможно, в отдельных случаях использовать капсулы из керамики, стекла или металлических порошков.

Требования к режиму виброуплотнения порошка:

1.Порошок бериллия при засыпке подвергают вибрационному уплотнению с целью повышения теплопроводности порошка, а также для предотвращения образования гофр.

2.Режимы виброуплотнения (частота, амплитуда, время, вид колебания) не должны приводить к сегрегации порошка и конгломерации порошка, что в свою очередь приводит к структурной неоднородности и неравномерности свойств.

Технологическая схема горячей штамповки.

Удаление стальной капсулы производится методом химического травления в 30% растворе HNO₃, которая активно взаимодействует со сталью и не стравливает бериллий.

Режимы горячей штамповки.

1.Насыпная плотность порошков бериллия ПТБ-56 – 0,65 г/см³.

2.Плотность после виброуплотнения – 0,95 г/см³.

3.Температура нагрева под штамповку – 1000-1150°С.

4.Время нагрева от 1 часа (для заготовок диаметром 200 мм) до 5 суток (для заготовок диаметром 1200 мм).

5.Давление при штамповке от 50 до 200 МПа.

6.Время выдержки под давлением от 3 секунд (для заготовок диаметром 200 мм) до 10 минут (для заготовок диаметром 1000 мм).

Качество штамповок ТШП-56:

1.Плотность не менее 1,84 г/см³.

2.Предел прочности в поперечном направлении не менее 400 МПа.

3.Размер штамповок до 1,5 м.

4.Форма – диски, полусферы, стаканы, конусы и т.д.

10 Горячее изостатическое прессование (ГИП) бериллиевых порошков.

Известные методы формования (ГВП, горячая штамповка) имеют серьёзные недостатки, а именно наличие анизотропии физико-механических свойств, которое является следствием пластического течения материала частиц в направлении, поперечном прессованию. Это приводит к формированию кристаллографической текстуры и различию свойств в зависимости от направления. Указанный недостаток является серьёзным препятствием для использования бериллия в точном приборостроении (гироскопия и металлооптика). В указанных отраслях техники предъявляются высокие требования к размерной стабильности изделий в условиях колебания механических напряжений и температурных полей.

Для получения изотропного бериллия для приборной техники был разработан метод горячего изостатического прессования (ГИП) порошков бериллия. Благодаря всестороннему (изостатическому) приложению нагрузки при формовании отсутствует напряжение преимущественного течения металла, а значит и кристаллографическая текстура.

Технологическая схема ГИП бериллия.

Температура - 700°С.

Время нагрева– 10 часов.

Давление – 5*10^-1 мм рт.ст.

1 – обечайка;

2, 3 – штамп. Крышки;

4 – вакуумпровод;

5 – сварные швы;

6 – полость, заполненная порошком.

Режимы ГИП.

Капсулы холодные или предварительно нагретые устанавливают в контейнер газостата. Контейнер герметизируют, откачивают воздух, закачивают аргон и включают нагрев. Наиболее экономичный режим ГИП заключается в следующем: аргон закачивают при комнатной температуре до расчетного давления, затем включают нагрев. За счёт термического расширения газа при постоянном объёме контейнера давление увеличивается до заданного значения.

Режимы ГИП бериллия: рабочий газ – аргон, температура – 1050-1100°С, выдержка при нагреве 1-2 часа, давление 1-1,5 кбар.

Качество заготовок после ГИП:

- Маркировка – ТИП-56;

- Плотность – 1,85 г/см³;

- Предел прочности – не менее 400 МПа;

- Относительное удлинение – не менее 1%.