Горячее прессование
 | Эта статья нуждается в дополнительных ссылок для проверки . ( октябрь 2009 г. ) |
Горячее прессование под высоким давлением и с низкой скоростью деформации, — это процесс порошковой металлургии предназначенный для формирования порошка или порошковой прессовки при температуре, достаточно высокой, чтобы вызвать процессы спекания и ползучести . [1] Это достигается одновременным применением тепла и давления.
Горячее прессование в основном применяется для изготовления твердых и хрупких материалов. Одним из крупных применений является объединение алмазно-металлических композитных режущих инструментов и технической керамики . Уплотнение происходит за счет перегруппировки частиц и пластического течения в контактах частиц. Рыхлый порошок или предварительно уплотненная деталь в большинстве случаев заполняется графитовой формой, которая обеспечивает индукционный или резистивный нагрев до температуры обычно 2400 ° C (4350 ° F). Возможно применение давления до 50 МПа (7300 фунтов на квадратный дюйм). Другое широкое применение - прессование различных типов полимеров.
В технологии горячего прессования используются три совершенно разных типа нагрева: индукционный нагрев , непрямой резистивный нагрев и метод спекания в полевых условиях (FAST) / прямое горячее прессование.
Индуктивный нагрев [ править ]
В этом процессе внутри формы выделяется тепло, когда она подвергается воздействию высокочастотного электромагнитного поля, создаваемого с помощью индукционной катушки , соединенной с электронным генератором. Форма изготавливается из графита или стали, а давление на пуансоны оказывается одним или двумя цилиндрами. Пресс-форма расположена внутри индукционной катушки. Преимущество здесь в том, что давление и индуктивная мощность полностью независимы. Этому процессу поддаются даже порошки с жидкой фазой, возможны также низкие давления. Среди недостатков — стоимость высокочастотного генератора и необходимость правильной юстировки. Если форма расположена не по центру, распределение тепла будет неравномерным. Но основным недостатком является зависимость процесса от хорошей индуктивной связи и теплопроводности формы. Магнитное поле может проникнуть в форму всего на 0,5–3 мм. С этого момента тепло должно «переноситься» в форму за счет теплопроводности материала формы. Равномерный нагрев гораздо сложнее, если воздушный зазор между формой и индуктивной катушкой неодинаков по всему профилю формы. Еще одна потенциальная проблема – скорость нагрева. Слишком высокая скорость нагрева приведет к большой разнице температур между поверхностью и сердцевиной, что может разрушить форму.
Косвенный резистивный нагрев [ править ]
При использовании технологии непрямого резистивного нагрева форма помещается в камеру нагрева. Камера нагревается графитовыми нагревательными элементами. Эти элементы нагреваются электрическим током. Затем тепло передается в форму посредством конвекции . Поскольку электрическая энергия нагревает нагревательные элементы, которые затем вторично нагревают форму, этот процесс называется непрямым резистивным нагревом.
Преимуществами являются достижимые высокие температуры, независимые от проводимости формы и от тепла и давления. Основным недостатком является время, необходимое для нагрева формы. Для передачи тепла от атмосферы печи к поверхности формы, а затем и по всему поперечному сечению формы, требуется относительно много времени.
Методика полевого спекания (FAST) / искрово-плазменное спекание SPS ( )
Основная идея спекания электрическим током, проходящим через форму, довольно старая. Резистивный нагрев порошков цементированного карбида был запатентован Тайлером. [2] еще в 1933 году. В настоящее время интерес к этому методу возобновился. Ток может быть импульсным или неимпульсным, постоянного или переменного тока. Искрово-плазменное спекание (ИСП) – это общепринятое название этого метода, однако оно технически неверно, поскольку до сих пор не было подтверждено ни искровое, ни плазменное спекание. Другими распространенными названиями этой техники являются, среди прочего, спекание постоянным током, быстрое горячее прессование, прямое горячее прессование. Все эти методы обобщены под общим термином «Техника полевого спекания (FAST)». [3]
Веской причиной сокращения времени цикла было предотвращение роста зерна, а также экономия энергии. При прямом горячем прессовании форма напрямую подключается к электросети. Удельное сопротивление формы и порошковой части генерирует тепло непосредственно в форме. Это приводит к очень высокой скорости нагрева. Кроме того, это приводит к значительному увеличению активности спекания агрегатов мелкодисперсных металлических порошков, что делает возможным сокращение времени цикла, составляющего несколько минут. Кроме того, этот процесс снижает пороговую температуру и давление спекания по сравнению с теми, которые требуются в традиционных процессах спекания. Оба предыдущих метода тесно зависят от внутреннего свойства материала формы, то есть его теплопроводности. Однако при прямом нагреве сопротивлением тепло генерируется там, где оно необходимо.
Последние исследования показывают, что нет принципиальной разницы между спеканием импульсным и неимпульсным током (SPS или FAST). В принципе, одни и те же улучшенные результаты спекания (по сравнению с обычным горячим прессованием) могут быть достигнуты при использовании всех методов прямого горячего прессования, если улучшение происходит только за счет нагрева порошка на месте. [4] Если присутствуют дополнительные физические эффекты, связанные с самой плотностью электрического тока (которая сильно зависит от типа порошка), импульсный ток часто имеет дополнительные полезные эффекты, поскольку во время каждого импульса плотность электрического тока достигает значения, значительно превышающего чем постоянный ток с сопоставимой мощностью нагрева. [ нужна цитата ]
Приложения [ править ]
производство таких критически важных изделий, как мишени для распыления и высокопроизводительные керамические компоненты, такие как карбид бора , диборид титана и сиалон В последнее время достигнуто . При использовании металлического порошка проводимость формы идеальна для быстрого нагрева заготовки. Формы большого диаметра и относительно небольшой высоты можно быстро нагревать. Этот процесс особенно подходит для применений, требующих высоких скоростей нагрева. Это относится к материалам, которые можно выдерживать при высоких температурах только кратковременно, или к процессам, требующим высокой скорости нагрева для высокой производительности.
С помощью технологии прямого горячего прессования материалы можно спекать до их конечной плотности. Достигаемая точность почти идеальной формы очень высока и часто исключает механическую обработку материалов, которые часто трудно обрабатывать.
В производстве фрикционных материалов все большую роль в производстве спеченных тормозных колодок и сцеплений играет прямое горячее прессование. Спеченные тормозные колодки все чаще используются в высокоскоростных поездах и мотоциклах, а также в ветроэнергетике, квадроциклах, горных велосипедах и в промышленности. Спеченные диски сцепления преимущественно используются на большегрузных грузовиках, судах, тракторах и других сельскохозяйственных машинах.
Исследовательские центры, такие как университеты и институты, используют преимущества коротких циклов спекания, что ускоряет исследовательский процесс.
Недавние разработки включают в себя радиаторы из металл-алмаз-композита, например, в светодиодах и лазерах. Спекание металлоалмазных соединений на прямых горячих прессах началось с 1950-х годов, с тех пор оно широко практикуется в индустрии алмазного инструмента.
Примечания [ править ]
- ^ Немецкий, RM: AZ порошковой металлургии , стр. 103. Elsevier, 2005.
- ↑ Тайлер, Г.Ф.: Аппарат для изготовления композиций из твердого металла , патент США 1896854, 7 февраля 1933 г.
- ^ Гийон, О.; и другие. (2014). «Технология полевого спекания / искрово-плазменное спекание: механизмы, материалы и технологические разработки» . Передовые инженерные материалы . 16 (7): 830–849. дои : 10.1002/адем.201300409 .
- ^ «Международный справочник по порошковой металлургии» (4 января 2012 г.): Симпозиум Хагена 2011 г.: Обзор искрово-плазменного спекания профессора Бернда Кибака, директора филиала лаборатории Fraunhofer IFAM в Дрездене и Института материаловедения Технического университета Дрездена ( Германия). Резюме опубликовано доктором Георгом Шлипером.