» » Прессование вольфрамового порошка
05.02.2017

Задача процесса прессования в металлокерамике заключается в превращении бесформенного сыпучего порошка в тело (заготовку, брикет) определенной формы. Для этого необходимо сблизить слабо связанные друг с другом частицы сыпучего порошка, чтобы увеличить размеры контактных поверхностей (поверхностей соприкосновения) между ними и тем самым развить силы сцепления и механического зацепления между частицами порошка до такой степени, чтобы лишить частицы порошка возможности относительного перемещения без применения существенного внешнего усилия.
Таким образом выполнение основной задачи прессования — придания порошкообразному телу определенной формы, сохраняющейся и при некоторых внешних усилиях, требует реализации и второй задачи — упрочнения тела из порошка.
Поскольку и в сыпучем порошке частицы соприкасаются друг с другом, хотя и по очень малой части их поверхности, сыпучий порошок также обладает некоторой прочностью. Эта прочность проявляется, например, в том, что если насыпать определенное количество порошка равномерной струей на какую-либо плоскость, то образуется конус, т. е. тело определенной формы, которая не нарушается под действием силы тяжести самого порошка без воздействия внешней силы.
Прочность такого тела в форме конуса, сказывающаяся в большем или меньшем сопротивлении взаимосвязанных частиц порошка воздействию силы тяжести, проявляется в величине так называемого естественного угла откоса α.
Чем больше угол α, тем, можно сказать, «прочнее» данный порошок.
Чем больше угол естественного откоса данного порошка, тем меньше у него насыпной вес.
Следовательно, насыпной вес (или вес насыпки) также является характеристикой «прочности» порошка.
Дальнейшее уплотнение порошка по сравнению с плотностью, достигаемой при свободной насыпке или при утрясывании порошка в сосуде, требует внешнего усилия, создаваемого в процессе прессования. Порошок, показавший большую прочность под действием силы тяжести, имеет повышенную сопротивляемость уплотнению и при прессовании. Поэтому порошки с меньшим насыпным весом обладают худшей прессуемостью. Брикеты из таких порошков обладают большей остаточной пористостью, чем брикеты, спрессованные при данном давлении из порошков того же состава, но с большим насыпным весом.
Среди факторов, влияющих на насыпной вес и на прессуемость порошка, важное значение имеет его зернистость. Чем мельче частицы порошка, тем больше их удельная поверхность, т. е. поверхность всех частиц, составляющих единицу веса.
Силы сцепления и зацепления частиц порошка, препятствующие его уплотнению, сосредоточены на поверхностях их соприкосновения, поэтому чем больше удельная поверхность порошка, т. е. чем мельче его частицы, тем, как правило, меньше его насыпной вес и хуже прессуемость.
Однако прочность брикетов из мелкозернистого порошка может оказаться более высокой, чем прочность брикетов из крупнозернистого порошка того же металла (даже и при меньшей плотности первых) за счет более развитой поверхности зацепления и сцепления частиц.
На насыпной вес и прессуемость влияют и другие структурные характеристики порошка. Насыпной вес порошка тем меньше, чем сложнее формы частиц и разветвление их поверхность (например, при образовании пористых конгломератов спекшихся кристаллов при восстановлении металлических порошков из окислов и солей, в некоторых случаях получения металлических горошков электролизом с образованием частиц дендритной формы и т. д.).
Порошки с разнообразным набором зерен по величине обычно обладают большим насыпным весом и дают более плотные брикеты, чем порошки однородные по зернистости, так как разнообразие в размерах частиц создает благоприятные условия для уплотненного заполнения мелкими частицами промежутков между крупными частицами. Однако выбор оптимальной зернистости порошка не может быть определен только поведением порошка при прессовании. Необходимо учитывать также влияние зернистости порошка на процесс последующего спекания брикета, что иногда, в частности и в производстве вольфрама, оказывается более важным фактором с точки зрения качества готовой продукции.
Прессование металлических порошков в брикеты нужных форм производится обычно в стальных прессформах при помощи механических или гидравлических прессов. Последние применяются главным образом при прессовании крупных деталей, где требуется большая мощность пресса и обеспечение плавного нарастания давления.
Вследствие трения частиц порошка о стенки прессформы и о поверхность пуансона уплотнение порошка происходит неравномерно по объему брикета. На рис. 46 схематически показан разрез цилиндрического брикета, спрессованного из металлического порошка (вольфрамового, железного и т. п.), разделенного при засыпании в прессформу на равные порции, границы между которыми отмечены засыпкой тонкого слоя порошка другого цвета (например, меди).
Как видно, слои порошка в результате прессования не только уплотнились, но и изогнулись вследствие того, что продвижение под действием пуансона частиц порошка, прилегающих к стенкам прессформы, тормозилось трением частиц о стенки.
Прессование вольфрамового порошка

Если сравнить плотность (толщины) слоев по какому-либо вертикальному разрезу, то можно видеть, что при одностороннем прессовании (одним пуансоном, движущимся относительно формы) каждый верхний слой (ближе к пуансону) спрессовывается плотнее любого нижнего.
Если же сравнить плотность (толщины) слоев по горизонтальному разрезу, то можно убедиться, что у слоя, прилегающего к пуансону, периферийные части плотнее (тоньше), чем средние, а у слоя, наиболее удаленного от пуансона, — наоборот.
Чем ближе стенки прессформы к ее оси, т. е. чем больше в нашем примере отношение высоты брикета к его поперечному размеру, тем сильнее сказывается трение наружных слоев порошка о стенки прессформы на неравномерность распределения плотности по объему брикета.
Поэтому при прессовании брикетов с неравноосными размерами для получения более равномерного распределения плотности следует так конструировать прессформу, чтобы брикет располагался в ней своими наименьшими размерами вдоль оси движения пуансона. Например, если необходимо спрессовать плоскую прямоугольную заготовку из вольфрамового порошка, то наиболее равномерная плотность брикета будет получена при его прессовании по наибольшей плоскости.
Необходимо при этом учитывать, что прессование по наибольшей плоскости требует при данном удельном давлении (нагрузке на 1 см2) наибольшей суммарной нагрузки на пуансон, т. е. большей мощности пресса, чем при прессовании, например, «на ребро».
На рис. 47 показана прессформа, применяемая, обычно в производстве вольфрамовых, молибденовых и тому подобных штабиков прямоугольного сечения (например размерами 15х15х600 мм). Предназначенных далее для спекания (сварки) и волочения проволоки.
При давлении пуансона на порошок в результате передвижения частиц и создания в них упругих напряжений создается боковое давление порошка на стенки прессформы, удельная величина которого (в расчете на 1 составляет некоторую часть (для вольфрама около 20%) от удельного давления пуансона на порошок.
Для противодействия этому давлению и предохранения боковых пластин (щек) прессформы от возможного раздвигания во время прессования прессформа зажимается под прессом специальным боковым зажимом.
Торцовые пластинки 1 (см. рис. 47) в прессформах прежних конструкций удерживались штифтами 2.
Однако такая конструкция прессформы имеет некоторый недостаток, заключающийся в том, что после снятия давления и освобождения бокового зажима штабик продолжает оставаться сжатым только в продольном направлении, пока не будут вытолкнуты штифты 2.
Поэтому при разборке прессформы до полного удаления штифтов могут создаться изгибающие усилия под влиянием упругого последействия, в результате чего может произойти излом или появиться поперечная трещина в штабике.
Этот недостаток устраняется в конструкциях прессформ, схематически изображенных на рис. 48.
Прессование вольфрамового порошка

Здесь торцовые упоры представлены клиновидными пластинками 1, которые удерживаются на месте боковыми пластинами 2, пока они зажаты в боковом зажиме под прессом.
При освобождении бокового зажима в тот самый момент, когда под влиянием упругого последействия брикета раздвигаются щеки прессформы, продольным упругим удлинением штабика отодвигаются и освобожденные конусные торцовые пластинки 1, в результате чего давление снимается со штабика одновременно с боков и с торцов, что устраняет опасность возникновения изгибающих напряжений.
Стандартные порошки вольфрама, применяемые в производстве ковкого металла, имеют насыпной вес от 2,4 до 4 г/см2 в зависимости от марки и назначения металла (чистый вольфрам ДЛЯ изготовления пластин, контактов, прутков, толстых проволок; металл с присадкой кремнещелочных добавок для проволок электроламп; металл с добавкой ТhО2 для проволок в радиолампах и т. д.). Следовательно, в свободно насыпанном состоянии порошок имеет 80—85% пор от его общего объема.
В результате прессования при удельном давлении 2—2,5 т/см2 получается брикет плотностью 12—13 г/см2, что соответствует пористости в 30—40%. Объем порошка при прессовании сокращается в 3—4 раза.
Кристаллы вольфрама на холоду обладают очень высокой прочностью, поэтому в процессе прессования порошка они практически почти не изменяют своей основной формы и габаритов и уплотнение порошка происходит, главным образом, путем относительного перемещения частиц.
При этом работа, производимая пуансоном (равная интегралу произведения постепенно нарастающего давления на путь пуансона), А = h∫o pdh затрачивается на преодоление трения частиц друг о друга и о стенки прессформы и на пластическую или хрупкую деформацию выступов и неровностей поверхностей частиц, т. е. на преодоление сил механического зацепления частиц друг о друга.
Сократить остаточную пористость брикета (штабика) из вольфрамового порошка ниже 30% за счет повышения давления прессования не удается из-за высокой прочности вольфрамовых кристаллов, не позволяющей проявиться их пластичности на колоду.
Повышение давления выше определенного предела после того, как частицы порошка вольфрама настолько заклиниваются, что их дальнейшее перемещение прекращается, вызывает, вследствие неизбежной неравномерности в распределении давления в твердых телах, скалывание или расслой брикета, который начинает вести себя в этих условиях (под высоким давлением) как сплошное тело.
Предельное давление, выше которого начинается расслой вольфрамового штабика, составляет обычно 4—5 т в зависимости от ряда факторов. Так, например, большая удельная поверхность частиц мелкозернистого порошка создает быстрое нарастание сил трения и зацепления между частицами по мере уплотнения брикета при прессовании и быстрое прекращение относительного перемещения частиц. Следовательно, появление критического напряжения, вызывающего расслой, наступает для мелкозернистого порошка при более низком давлении, чем для крупнозернистого. Разнообразный набор зерен порошка увеличивает прочность штабика и перемещает момент возникновения расслоя в область более высоких давлений.
Небрежная сборка прессформы, плохое выравнивание слоя порошка после засыпки в прессформу и тому подобные причины, усиливающие неравномерное распределение давления в брикете, снижают давление, при котором возникает расслой.
Для устранения расслоя к порошку перед прессованием добавляют какое-либо улетучивающееся при дальнейшем спекании склеивающее и смазывающее вещество, например раствор глицерина в спирте или раствор парафина в бензине, в четыреххлористом углероде и т. п.
Эти растворы, выдавливаясь при прессовании на стенки пресс-формы и смазывая их, уменьшают трение частиц порошка о стенки прессформы и тем самым способствуют более равномерному уплотнению и распределению давления по объему брикета.