3.4. Холодное изостатическое прессование

Общие положения

Холодное изостатическое прессование (ХИП) представляет собой формование металлического порошка в эластичной оболочке в условиях всестороннего сжатия. ХИП позволяет получать из порошка крупногабаритные прессовки, в том числе сложной формы и длинномерные с тонкими стенками, обладающие равномерной объемной плотностью. При ХИП порошок помещают в гибкую, эластичную форму, которая в специальном сосуде – гидростате обжимается жидкостью (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Схема установки для ХИП по методу «мокрый мешок»:

1 – насос высокого давления; 2 – камера прессования; 3 – порошок;

4 – эластичная форма; 5 – манометр; 6 – крышка

Схема процесса, показанная на рисунке, получила название метода «мокрого мешка». Впервые такой метод был запатентован в США в 1913 г. Этот метод предусматривает заполнение формы порошком и удаление из нее прессовки вне гидростата. Сама форма никак не связана с гидростатом. Метод обеспечивает всестороннее сжатие. Позже был разработан метод «сухого мешка», отличающийся тем, что порошок засыпается в эластичную форму, которая жестко закреплена в корпусе гидростата. При этом уплотнение достигается действием реактивных сил в направлении верхнего уплотнения гидростата или в радиальном направлении.

Широкое применение ХИП началось в 1930-е годы за рубежом, в керамической промышленности при изготовлении свечей зажигания для двигателей внутреннего сгорания. Практика показала, что прессовки, полученные методом ХИП, имеют определенные преимущества в сравнении с аналогами, изготовленными традиционным прессованием в металлических пресс-формах. При ХИП, в отличие от прессования в металлических пресс-формах внешнее трение частиц порошка о стенки формы невелико, поэтому потери давления на внешнее трение почти отсутствуют. В результате достигается более высокая и однородная плотность и прочность прессовок. Можно прессовать порошок при минимальном количестве смазки или вообще без смазки. Отмечена уменьшенная усадка при спекании, более высокая и равномерная плотность спеченной заготовки и лучшие конечные свойства порошковых изделий. Важно учитывать, что при ХИП размер прессовок ограничен только габаритами гидростата. Существенны и экономические преимущества, поскольку эластичные формы дешевле металлических, а затраты на изготовление гидростатов значительно меньше стоимости прессов при сопоставимых размерах средних и крупных прессовок.

Эластичные формы и жидкости для ХИП

От свойств материала форм в значительной мере зависит качество прессовок. Материал эластичных форм должен обладать: низким модулем продольной упругости (примерно в 100000 раз меньше модуля упругости металла); низкой адгезией к порошку; хорошей обрабатываемостью и износостойкостью, большой усадкой при сжатии; сопротивлением просачиванию жидкости и выдавливанию через малые отверстия. Материал форм должен быть технологичным при литье и прессовании, а также обладать длительным ресурсом эластичности (противостояние старению).

На практике в качестве материалов эластичных форм применяют натуральный и синтетический каучук, неопреновую, нитриловую и силиконовую резину, одно- и многокомпонентный полиуретан. Формы из указанных материалов получают окунанием и литьем. Обычная толщина стенки формы 1,5 - 6 мм.

Уплотнение форм с порошком в гидростатах осуществляют жидкостью обычно при давлении до 500 МПа. В отдельных случаях давление прессования может превышать и 1000 МПа. Применение столь высоких давлений требует от жидкости возможно меньшей сжимаемости, поскольку, чем больше сжимаемость, тем больше время накачки жидкости в камеру гидростата и больше запас энергии в гидростате. Жидкость должна быть по возможности дешевой. Обычно в качестве рабочей жидкости применяют воду с добавками ингибиторов коррозии, технические масла, водные эмульсии масел, глицерин.

Установки ХИП

По способу создания давления в рабочей камере гидростаты могут быть насосные, плунжерные и мультипликаторные. Различают также рамные и безрамные конструкции гидростатов. В рамной конструкции передача осевого давления жидкости осуществляется через пробки камеры на силовую раму. В безрамной конструкции давление воспринимается резьбовыми байонетными затворами. Гидростаты безрамного типа имеют внутренний диаметр камеры 275 – 500 мм, длина 200 - 1200 мм, рабочее давление 60 – 100 МПа.

На рис. 3.27 показана схема гидростата для прессования по методу «сухой мешок». Гидростат безрамной конструкции, осевое усилие воспринимает байонетный затвор и дно контейнера.

Рис. 3.27. Схема установки для ХИП по методу «сухой мешок»:

1 – байонетный затвор; 2 – отсекатель; 3 – контейнер;

4 – перфорированный ограничитель, повторяющий наружную

геометрию заготовки; 5 – эластичная форма; 6 – порошок; стрелки – подача жидкости (темная), отвод жидкости (светлая)

Более мощными создаются гидростаты рамной конструкции. Например, серия отечественных гидростатов, созданная во ВНИИметмаш, рассчитана на рабочее давление от 150 до 600 МПа. Размеры рабочей камеры этих гидростатов по диаметру от 150 до 2500 МПа при длине от 750 до 3000 мм. Примерно с такими же техническими характеристиками производит гидростаты шведская фирма «ASEA».

Помимо гидростатов при ХИП применяются гидродинамические машины. Их конструкция отличается от конструкции гидростатов тем, что вместо насосов высокого давления и мультипликаторов они оборудованы камерой сгорания порохового заряда. Пороховой заряд при воспламенении в камере создает давление на рабочую жидкость. С применением порохового заряда можно получить давление жидкости до 1500 МПа.

Рабочий цикл ХИП

Желательно, чтобы исходный порошок для ХИП обладал хорошей текучестью, постоянной насыпной плотностью, антистатичностью, совместимостью с материалом формы и плохой сцепляемостью с ним, и иметь размер частиц в пределах 60 – 250 мкм. На практике далеко не всегда удается выполнить все эти требования, но и при отклонениях от них ХИП позволяет получать приемлемые результаты. При ХИП по методу «мокрого мешка» рабочий цикл включает следующие операции:

‑ расчет и отмеривание навески порошка;

‑ придание эластичной форме правильного положения;

‑ равномерное заполнение формы порошком;

‑ герметизация формы с порошком;

‑ вакуумирование (если это необходимо для дегазации порошка;

‑ установка формы с порошком в рабочую камеру гидростата;

‑ герметизацию рабочей камеры;

‑ создание давления рабочей жидкости в камере;

‑ выдержка под давлением формы с порошком;

‑ сброс давления в камере;

‑ вскрытие камеры гидростата;

‑ извлечение формы из камеры;

‑ извлечение прессовки из формы.

При ХИП по методу «сухого мешка» исключаются операции по установке и извлечению формы с порошком.

Возможные причины возникновения дефектов прессовок при ХИП по методу «мокрого мешка»: нехватка порошка в форме; деформация формы при засыпке порошка из-за недостаточной жесткости; неравномерная засыпка порошка и (или) его плохая текучесть; высокая пластичность порошка; слишком тонкая толщина стенки формы и др. При «сухом» прессовании выявляются такие же дефекты, а также поперечные и осевые трещины. Поперечные трещины возникают из-за чрезмерно высокого давления прессования и упругого последействия. Появление осевых трещин связывают с избыточным количеством пластификатора в порошке и быстрым снятием давления после прессования заготовки.

Методами ХИП получают цилиндры, трубы, шары и другие по геометрии изделия с единичной массой от нескольких грамм до нескольких сотен килограмм.