Импульсное формование

Импульсное формование металлического порошка или порошковой формовки это формование, при котором уплотнение производится ударными волнами за время, не превышающее 1 с. Определяющий и характерный признак импульсного формования – высокие скорости приложения нагрузки (5–10 м/с и выше). Продолжительность процесса уплотнения порошка составляет от нескольких сотых до нескольких тысячных или даже стотысячных долей секунды.

Преимуществами высокоскоростного формования порошков перед традиционными методами является возможность создания чрезвычайно высоких давлений, возможность получения больших плотностей формовки (вплоть до 100 %), возможность сращивания слоев разнородных материалов.

При высоких скоростях формования порошка теплота, выделяющаяся в результате деформации частиц, межчастичного и внешнего (если оно есть) трения, приводит к локальному нагреву межчастичных контактов и их свариванию.

В зависимости от вида источника энергии, обеспечивающего высокую скорость приложения нагрузки, различают взрывное, электрогидравлическое, электромагнитное и пневмомеханическое формование.

Химический взрыв характеризуется крайне быстрым самораспространяющимся превращением некоторых механических смесей различных элементов с выделением теплоты и газообразных продуктов. Нагретые газообразные продукты взрыва, расширяясь, сжимают окружающую среду и вызывают перемещение ее частиц (молекул) во все стороны от очага взрыва. Резкое расширение газа вызывает появление ударной волны огромной силы, которая способна разрушить находящийся на ее пути материал. Возникшие в результате действия ударной волны напряжения на поверхности обрабатываемого материала распространяются внутрь его в виде локализованных волнообразных возмущений. В методах взрывного формования для осуществления взрыва применяют заряды метательных (порохов) и бризантных взрывчатых веществ (ВВ).

При применении метательных ВВ возможны различные варианты создания нагрузки на порошковое тело: передача энергии взрыва через подвижное, твердое тело – ударник, поршень (дистанционный метод); непосредственное воздействие ударной волны (контактный метод); передача давления через жидкую среду (дистанционный метод).

При инициировании (воспламенении) заряда давление пороховых газов передается в рабочую камеру через разделительный поршень и обеспечивает уплотнение порошка, расположенного в рабочей жидкости (смесь воды и эмульсола) в эластичной герметизированной оболочке. Максимальное импульсное давление в рабочей камере машины составляет около 600 МПа, длительность действия импульса давления обычно не более 5⋅10^-2 с. Продолжительность рабочего цикла – не более 2–4 мин.

Метод гидродинамического формования можно использовать для изготовления крупногабаритных фильтров из порошков титана и нержавеющей стали, заготовок из вольфрама и молибдена, имеющих равномерную объемную плотность. Кроме того, этот метод можно использовать для получения изделий из порошков оксидов, нитридов и других материалов.

Характер уплотнения порошков аналогичен имеющему место при гидростатическом формовании, но увеличение скорости нагружения приводит к возрастанию сопротивления металлических частиц деформированию, из-за чего плотность получаемых формовок оказывается несколько ниже, чем у заготовок, полученных в гидростате. В то же время при одинаковой плотности формовок прочность на сжатие и ударная вязкость заготовок после взрывного формования повышаются на 20–30 % за счет разрушения поверхностных оксидных пленок и образования чисто металлических связей, в том числе и типа сварки, благодаря плавлению металла частиц за счет высокой температуры на контактах в связи с локальным выделением тепла.

Взрывное формование порошков пластичных материалов обеспечивает получение заготовок с относительной плотностью 92–95 % при интенсивной пластической деформации частиц и образовании прочных связей между ними. Структура сформированной заготовки зависит от скорости приложения нагрузки.

Формование порошков низкопластичных металлов, сплавов и т угоплавких соединений сопровождается разрушением хрупких частиц, их структурной перестройкой и механическим расклиниванием при значительном повышении: твердости, уровня микродеформаций, плотности дислокаций и других дефектов кристаллической решетки.

Метод электрогидравлического формования основан на возбуждении ударной волны при токовом разряде в жидкости. При искровом разряде между электродами, погруженными в жидкость, образуется токопроводящий канал, частично заполненный ионизированным газом; его первоначальное сечение мало, а энергия в нем нарастает со скоростью 10⁴ м/с и процесс приобретает характер взрыва. Под влиянием быстрого расширения искрового канала в жидкости возникает ударная волна, скорость распространения которой значительно превышает скорость расширения искрового канала, и через 0,5–1,5 мкс фронт ударной волны отрывается от расширяющегося канала. На процесс распространения ударной волны существенное влияние оказывает электропроводность жидкости.

Превращение электрической энергии в механическую в жидкой среде можно осуществить двумя основными методами: разрядом конденсатора через зазор между двумя электродами, погруженными в жидкость, и разрядом через проводник, перекрывающий зазор между электродами, погруженными в жидкость.

Недостаток метода – необходимость заменять проводник после каждого разряда.

Метод электромагнитного формования основан на использовании для уплотнения порошков энергии мощного импульсного магнитного поля (при напряженности поля 300 кЭ развивается давление порядка 400 МПа). В этом методе электрическая энергия, запасенная конденсатором, при его разряде преобразуется посредством индуктора в энергию импульсного магнитного поля, воздействующего на порошковое тело (порошок или предварительно сформованная заготовка): деформирование электропроводящего порошкового тела обеспечивают силы, создаваемые взаимодействием инициируемых в нем вихревых токов с током, проходящим через индуктор. Для получения магнитных импульсов различной конфигурации применяют плоские, спиральные, соленоидные и другие индукторы. Выделение накопленной в конденсаторе энергии происходит очень быстро (10–30 мкс), и некоторая ее часть тратится на нагрев обрабатываемого порошкового тела.

Эффективность магнитно-импульсного формования зависит от удельного электросопротивления материала частиц порошка. Наиболее подходящими для деформирования являются металлы с высокой электропроводностью, такие как золото, серебро, медь, алюминий, малоуглеродистые стали и другие, имеющие удельное электросопротивление < 15 мкОм/см.

При обработке материалов с низкой электропроводностью для создания нужных усилий используют спутники из хорошо проводящих материалов, помещаемые между заготовкой (порошковым телом) и индуктором и играющие роль «движителя». Большое значение имеет расстояние между индуктором и порошковым телом. Наибольшая эффективность достигается при зазоре между ними < 1 мм.

Так как электромагнитное поле почти не взаимодействует с непроводниками, электромагнитный импульс может быть сообщен формуемому порошку (порошковому телу) через непроводящую оболочку.

Пневмомеханическое формование. Для уплотнения порошкового тела используют энергию, выделяющуюся при адиабатическом расширении сильно сжатого газа (воздух, азот и др.). Типовая установка двустороннего ударного прессования имеет гидравлические и пневматические цилиндры. Гидравлический цилиндр является вспомогательным и служит для восстановления энергии сжатого газа, израсходованного при ударе. Номинальное давление газа в пневмоцилиндре до 12 МПа, номинальное усилие гидроцилиндра 30 кН. На практике применяются машины, представляющие собой гибрид высокоскоростного пресса и двигателя внутреннего сгорания. Поршень камеры сгорания соединен с пуансоном пресс-формы. В камеру сгорания через впрыскиватель подается топливо, воспламеняемое при помощи свечи, после воспламенения давление в камере сгорания увеличивается в 5–7 раз и поршень пресс-формы с порошком начинает перемещаться, уплотняя последний.

При импульсном формовании большое значение имеет скорость нагружения порошкового тела: с ее увеличением развитие пластической деформации, требующее времени, уменьшается, растет доля упругих деформаций межчастичных контактов и на 40–50 % увеличивается упругое последействие по сравнению со статическим формованием. В большинстве случаев формовки, полученные импульсными методами, обладают более высокими прочностными характеристиками. Это объясняется влиянием давлений и температур, развивающихся в зонах контактов частиц, которые при условии меньшей площади контакта способны приводить к образованию металлической связи типа сварки, обладающей высоким сопротивлением сдвигу контактов частиц порошкового тела.

Импульсное формование тем выгоднее, чем выше исходные плотность и твердость частиц порошка. После формования наблюдается значительное искажение кристаллической решетки уплотняемого материала (напряжения второго рода повышаются в 2–2,5 раза, плотность дислокаций увеличивается в 4–6 раз), что заметно сказывается на формировании свойств изделия при спекании.