4.1.3 Механізм ущільнення при холодному ізостатичному пресуванні та аналітичний опис

Механізм ущільнення при ізостатичному пресуванні за розглянутими методами багато в чому схожий з механізмом ущільнення порошків при статичному пресуванні, розглянутим раніше. Тобто, на початкових стадіях пресування має місце структурна деформація порошку, яка супроводжується більш щільною укладкою частинок за рахунок руйнування містків, арок та їх відносного переміщення. Далі відбувається пружна і, нарешті, пластична деформація матеріалу частинок або їх крихке руйнування. На механізм і ступінь ущільнення при ізостатичному пресуванні також впливають властивості порошків, наявність мастил тощо.

Головна особливість ізостатичного пресування, особливо гідростатичного – відсутність зовнішнього тертя, оскільки частинки порошку переміщаються при ущільненні не уздовж стінок матриці, а в основному разом з нею від периферії до центру заготівки. При цьому незалежно від форми виробу досягається рівномірний розподіл щільності в ньому. І лише в сферичних або циліндрових пресовках спостерігається невелике падіння щільності (I–2%) від периферії до центру. Це обумовлено дією арочного ефекту, утворенням шарів, які перешкоджають подальшому ущільненню порошку.

Рисунок 67 – Схема навантаження елементу порошкового тіла при ізостатичному пресуванні

Процеси ізостатичного (гідростатичного) пресування простіше і легше розраховуються, ніж всі інші процеси формування порошкових матеріалів. Так, якщо процес ізостатичного пресування розглядати з погляду теорії пластичності тіла, що стискається, то при всебічному стисненні відповідно до схеми, представленої на рисунку 67, по М. В. Штерну тиск пресування і пористість пресовки знаходяться у такій залежності:

. (4.9)

Для аналітичного опису процесів ізостатичного пресування порошкових матеріалів, як і взагалі процесів пресування порошкових матеріалів іншими методами, прийнятні також рівняння Кавакіта К., Шапіто І.Д. та Кольхофа І. М. і Конопіцького К.

Рівняння Кавакіта К. прийнятне для аналітичного опису широкого кола матеріалів і має вигляд :

, (4.10)

де С – відносна зміна об’єму пресовки;

– початковий об’є порошкового тіла;

– об’є порошкового тіла під тиском;

– насипна щільність порошку;

– щільність пресовки;

Р – тиск пресування;

– постійні, які можуть бути визначені з графічної залежності рівняння( рис. 68).

Тангенс кута нахилу залежностей 1,2,3 дорівнює 1/ , а перетин залежностей з віссю ординат Р/С дорівнює 1/ . Константа залежить від розміру частинок та їх форми і є мірою початкової насипної щільності порошків. Константа також залежить від властивостей порошків, але у більшій мірі характеризує їх здатність до пружної та пластичної деформації.

Рисунок 68 – Залежність співвідношення Р/С від тиску пресування для різних порошків з однаковим розміром частинок

Залежність відносної щільності пресовок від тиску пресування з достатнім ступенем точності також може бути описана за допомогою першого або другого рівняння М.Ю.Бальшина, відповідно

та

.

Реальні і узагальнені залежності відносного об'єму від тиску пресування відповідно до рівняння Бальшина для випадку ізостатичного пресування показані на рисунках 69 і 70.

Останнє обумовлене тим, що прямолінійна залежність щільності від тиску пресування порушується тільки досягши відносної щільності 80%. Зміна прямолінійності в основному зумовлена зміцненням (наклепом) матеріалу частинок порошку при їх деформації (рис. 70, 3).

Рисунок 69 – Залежність відносного об'єму від при ізостатичному пресуванні глиноземографітової шихти (1) і циркону (2)

При ізостатичному пресуванні в товстостінних еластичних оболонках перегин на залежності наступає при дещо менших значеннях відносної щільності, ніж при гідростатичному пресуванні. Це обумовлено різним ступенем наклепа порошків. Зменшення наклепа в ряду статичне – ізостатичне в товстостінних оболонках обумовлено зменшенням в цьому ряду направленої пластичної деформації окремої частинки у всьому її об'ємі під дією рівних і протилежно направлених сил (рис.71).

Рисунок 70 – Узагальнені реальні залежності при пресуванні: холодному ізостатичному (1), в товстостінних еластичних оболонках (2) і статичному (3)

а б

Рисунок 71 – Схема ущільнення при ізостатичному (а) і статичному (б) пресуванні

При пресуванні в жорсткій прес-формі сили, які діють на частинку з різних сторін, нерівні і вона має нагоду деформуватися в одному напрямі і, тим самим, піддаватися сильнішому зміцненню при менших ступенях обжимання (див. рис.71, б). У зв'язку з цим ефект зміцнення позначається на результатах статичного пресування значно раніше, ніж при гідростатичному пресуванні. Слід також відзначити, що у зв'язку з викладеним, а також з тим, що при ізостатичному пресуванні відсутні втрати тиску на тертя об стінки прес-форми, в даному випадку, за інших рівних умов, досягається вища щільність, ніж при статичному пресуванні.