Прессование порошковых керамических масс

Попильский Р. Я., Пивинский Ю. Е.

Металлургия, 1983 г.

ОСОБЫЕ МЕТОДЫ И ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕССОВАННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО ПОЛУФАБРИКАТА

1.         ИЗОСГАТИЧЕСКОЕ (ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ) ПРЕССОВАНИЕ

Общая характеристика процесса

При статическом прессовании керамического полуфабриката в металлических формах наибольшие трудности возникают при получении изделий сложной и неблагоприятной конфигурации, к равноплотности которых предъявляются высокие требования. Подобные задачи часто приходится решать при изготовлении изделий из оксидов, в том числе тиглей и различных сосудов, фасонных конструкционных и электроизоляционных деталей, нагревателей и т.д. [ 9, с. 20]. Вследствие этого значительное распространение получают способ изостатического (или гидростатического) прессования [ 16, 106 - 122], во многом решающий указанны проблемы.

Процесс изостатического прессования осуществляется в резиновых или других эластичных оболочках, находящихся под всесторонним сжатием рабочей среды, передающей давление. При этом устраняются как потери давления на трение о металлическую форму, так и различия в задаваемых коэффициентах сжатия на отдельных участках тела фасонного изделия. Особенно эффективен этот способ при получении изделий, высота которых намного превышает их поперечный размер (т.е. трудно-формуемых обычным прессованием), полых изделий, а также крупно-: габаритных изделий, прессование которых обычным способом лимитируется отсутствием прессов требуемых габаритов и мощности.

В ряде случаев изостатическое прессование используют и для получения изделий сравнительно простой и благоприятной конфигурации, если необходимо обеспечить снятие внутренних напряжений и максимальную их равноплотность, предотвратить даже незначительную деформацию в обжиге, вызываемую непостоянством огневой усадки в различных направлениях и на различных участках. Вследствие всестороннего сжатия материала при изостатическом прессовании общая плотность полуфабриката оказывается выше, чем при аналогичном давлении прессования в металлических формах. В связи с этим для достижения равной степени уплотнения при изостатическом прессовании требуется более низкое давление.

Способ изостатического прессования впервые был осуществлен в 1913 г. для получения однородных прессовок из вольфрама [ 116]. Однако широкая промышленная реализация способа была начата в 1930 — 1940 гг. в керамической промышленности при изготовлении свечей зажигания и других малогабаритных фасонных деталей. В настоящее время указанный способ нашел широкое применение как в порошковой металлургии, так и при получении разнообразных керамических и огнеупорных изделий.

В раде случаев одним из преимуществ изостатического прессования по сравнению с прессованием в стальных формах является значительно меньшая (в 5 — 10 раз) металлоемкость и простота установок [ 112]. Применительно к производству твердых сплавов преимущество горячего прессования состоит еще и в простоте изготовления графитовых форм по сравнению со стальными в случае получения единичных (и особенно крупногабаритных) изделий [ 88, с. 140].

Установка изостатического прессования приведена на рис. 52. Изолированное пространство внутри камеры 1 соединяют с вакуумной сетью, вследствие чего атмосферное давление прижимает эластичную форму 2 к перфорированному каркасу 3. В форму со вставленным внутренним сердечником 4 засыпают пресспорошок 5 при вибрации площадки 6. Затем форму закрывают крышкой 7 с уплотнением 8. После вакуумирования порошка осуществляют прессование давлением нагнетаемой воды в камеру, предварительно отключенную от вакуумной системы. После снятия давления, спуска воды и отключения внутреннего пространства эластичной формы от вакуума крышку снимают и извлекают полую прессовку. Часть при прессовании

мелких изделии засыпка порошка в формы с вибрацией и вакуумированием производится вне установки. Закрытые формы после этого помещают в рабочее пространство камеры в кассетах и подвергают прессованию.

При небольших размерах изделий (по отношению к объему рабочей камеры) целесообразно прессовать одновременно несколько изделий. Цикл процесса изостатического прессования зависит от ряда факторов: объема камеры и формы,.£_сж, дебита насосов, максимального давления и вида рабочей среды. Пример расчета продолжительности формования с учетом указанных факторов приведен в работе [ 19, с. 119]. Наиболее важной частью установки для изостатического прессования является сосуд (камера) высокого давления, который должен выдерживать от нескольких тысяч до миллиона циклов прессования. Это обусловливает повышенные требования к надежности его конструкции, качеству металла и технологии его обработки.

Особое внимание уделяется конструированию и выбору материала эластичных оболочек, что определяет не только долговечность и надежность их работы, но и качество полуфабриката. Эластичные оболочки практически не влияют на плотность и равноплотность полуфабриката, так как степень их жесткости ничтожна по сравнению с применяемыми давлениями прессования. Материал оболочки должен обладать способностью принимать и сохранять определенную форму, соответствующую форме изделия; иметь определенную упругость, обеспечивающую возвращение оболочки в первоначальное положение после снятия давления, быть долговечным и дешевым, допуская многократное использование. Наиболее качественными считаются оболочки из резин на основе натурального каучука с дисперсным наполнителем. Толщина оболочек, как правило, находится в пределах 0,5 — 3,5 мм.

При конструировании форм для изостатического прессования приходится учитывать многочисленные факторы: окончательную форму изделия, требуемую точность размеров полуфабриката, требования к состоянию поверхности, производительность процесса, наличие или отсутствие последующей механической обработки, коэффициент сжатия порошка при прессовании, необходимость вакуумирования и вибрации, материал формы и др. [ 19, с. 118].

Классификация технологических схем

Процессы изостатического прессования классифицируют по виду рабочей (передающей давление) среды и по типу технологической схемы прессования [ 13,112, 113].

По виду рабочей среды различают гидростатическое, газостатическое и квазиизостатическое прессование. В первом случае в качестве рабочей среды используют жидкости: воду, глицерин, индустриальные масла и водномасляные эмульсии, во втором — воздух, аргон, гелий или другие газы, в третьем - различные эластомеры и гели, порошки или другие дисперсные среды, которые лишь частично осуществляют изостатическую передачу давления.

Классификация по типу технологической схемы прессования¹ учитывает наиболее характерные методы, рассмотренные ниже:

а) метод свободной матрицы (рис. 53,1). Заполнение прессформ порошком и удаление из них полуфабриката осуществляется вне установки изостатического прессования. Прессформа при этом состоит из перфорированного корпуса 7, тонкостенной эластичной оболочки 2, которая герметизируется после засыпки порошка 3 перфорированной крышкой 4, снабженной дополнительной эластичной оболочкой 5. После загрузки прессформ в контейнер 6 и его герметизации затвором 7 прессование порошка осуществляется всесторонним давлением Р рабочей жидкости или газа в контейнере 6, передаваемым на порошок через эластичные оболочки 2 и 5. Этот метод целесообразно применять при изготовлении крупногабаритных изделий (огнеупоров, высоковольтных изоляторов и др.), а также для экспериментальных и малопроизводительных установок. Достоинство метода состоит в возможности прессования заготовок различной конфигурации;

б) метод встроенной или фиксированной матрицы (см. рис. 53, II). Перфорированная матрица (прессформа) 1 и ее эластичная оболочка 2 постоянно находятся в контейнере 6 (как при засыпке порошка, так и при съеме полуфабриката). Следует отметить, что верхний торец прессуемого изделия, примыкающий к поверхности затвора 7, уже не находится в условиях "чистого" изостатического прессования. Метод используется главным образом в автоматических прессах для изготовления мелких деталей (изоляционных свечей зажигания, мелющих шаров, небольших трубок и др.) при массовом производстве. Продолжительность прессования при таком способе (цикл прессования) может быть менее секунды. Устройства для заполнения форм порошком и удаления полуфабриката находятся вне камеры установки;

в) метод радиального изостатического прессования (см. рис. 53, III). Является разновидностью метода встроенной матрицы. Прессование порошка по этой схеме осуществляется только радиальным давлением рабочей среды через оболочку. Внутренняя полость изделия формуется специальным стержнем 8, устанавливаемым как на верхнем 7, так и на нижнем 9 затворах. В одном из вариантов этого метода эластичной оболочкой 2 герметизирован перфорированный стержень 8, через который подается рабочая жидкость. Изделие при этом прессуется давлением изнутри, наружные же поверхности формуются внутренними стенками контейнера 6 и затвора 7;

г) метод "трехосевого" прессования (см. рис. 53, IV). Являясь разновидностью метода встроенной матрицы, он состоит в предварительном радиальном изостатическом прессовании давлением рабочей жидкости Р с последующим двусторонним прессованием пуансонами 10 без снятия давления рабочей жидкости. Благодаря тому, что вертикальное напряжение больше горизонтального (изостатического), внутри прессуемого материала развиваются напряжения сдвига, обеспечивающие значительное увеличение плотности и прочности полуфабриката. Так, относительная плотность прессовки из тонкодисперсной MgOв случае изостатического прессования при Р = 70 МПа составляла 0,46, а в случае трехосевого при том же давлении 0,58. Однако, как отмечается в работе [ 113], указанный эффект уменьшается с ростом высоты полуфабриката и метод рекомендуется в основном для получения изделий простой конфигурации;

д) метод квазиизостатического прессования (см. рис. 53, V), который будет рассмотрен отдельно. Все рабочие поверхности пуансонов 10 и матрицы 11 (или только часть их) снабжены эластичными формующими элементами, передающими на порошок давление прессования от пуансонов 10 (или одного из них);

е) совмещенный метод (см. рис. 53, VI), в котором сочетаются методы встроенной матрицы и квазиизостатического прессования. Формообразование и непосредственная передача давления на порошок осуществляются фасонными эластичными элементами 13 и 14, а собственно прессование — давлением жидкости через тонкостенную эластичную оболочку 2. Пуансоны 75 при этом методе дополнительного давления не создают, а выполняют функции запирания прессформы.

Методы I и II (см. рис. 53) длительное время классифицировали как способы "мокрой" и "сухой" формы (применительно к гидростатическому прессованию) или соответственно способы "мокрой" и "сухой" оболочки (прессформы), что не отражало существа процесса и было предметом терминологических недоразумений.

По температуре процесса различают [113] холодное (при комнатной температуре), теплое (при 80 - 100°С) и горячее (при 1000- 1600°С) прессования. Способ горячего изостатического прессования (ГИП) рассмотрен отдельно.

Рассмотренная классификация не исчерпывает всего многообразия методов реализации процесса. Например, известны лабораторные методы изостатического прессования заготовок, предварительно отформованных другими методами (прессованием, шликерным литьем, напылением).