5.5. Горячая экструзия

Горячая экструзия по существу представляет собой процесс прессования, при котором прессуемая заготовка получается истечением металла из замкнутого объема через отверстие в матрице, как это в схематичном виде показано на рис.5.9. По характеру приложения нагрузки экструзия приближается к схеме одноосного прессования, но принципиально отличается от него и от схемы всестороннего сжатия при ГИП значительными сдвиговыми деформациями в зоне истечения металла. Особенности приложения внешних сил, влияние сил трения и неоднородность материала приводят к тому, что в экструдированной заготовке кроме сжимающих напряжений возникают также напряжения сдвига и растяжения. Этим экструзия отличается от рассмотренных выше процессов горячего прессования.

За рубежом горячая экструзия обычно применяется при производстве длинномерных изделий (прутки, трубы и др.) из распыленных порошков металлов и сплавов с пониженной пластичностью, таких как тугоплавкие металлы, жаропрочные никелевые сплавы, высоколегированные нержавеющие и инструментальные стали и др. Усилие F , необходимое для горячей экструзии порошков, рассчитывают по формуле:

F = C A ln λ , (5.5)

где С – экструзионная константа; А – площадь поперечного сечения контейнера с порошком; λ – коэффициент вытяжки (отношение площадей поперечных сечений контейнера с порошком и экструдированной заготовки). Величина λ обычно находится в пределах 10-25. Экструзионная константа изменяется в зависимости от материала порошка от 50 до 500 МПа и сильно зависит от температуры его плавления. Например, для алюминия С = 180 МПа, для нержавеющей стали - 350 МПа и для молибдена - 480 МПа. Важно выбрать оптимальную температуру экструзии, поскольку чрезмерно высокая температура огрубляет структуру металла и снижает его свойства, а слишком низкая температура затрудняет процесс, из-за повышения сопротивления деформации экструдируемых порошков.

За рубежом одним из распространенных вариантов технологии производства беспористых порошковых заготовок является комбинация процессов ГИП и горячей экструзии. В этом варианте, полученные способом ГИП заготовки подвергают экструзии, что разрушает ослабленные межчастичные границы и создает более прочные контактные зоны.

Следует отметить, что в отечественной учебной и технической литературе практически отсутствуют сведения о процессе горячей экструзии порошков. Возможно, это связано с тем, что работы в этой области проводились преимущественно оборонными институтами и предприятиями, что затрудняло их публикацию. На самом деле в нашей стране создан значительный научно-технический задел и накоплен практический опыт применения процесса горячей экструзии распыленных порошков быстрорежущей стали и других металлических материалов. Рассмотрим более подробно отечественную технологию производства порошковой быстрорежущей стали на базе процесса горячей экструзии, разработанную с участием автора.

Вначале была опробована технология, рекомендованная в зарубежных публикациях. Она включала следующие операции:

- изготовление тонкостенных капсул из низкоуглеродистой хорошо сваривающейся стали;

- засыпку в капсулы порошков сферической формы с плотностью засыпки ~ 0,65 от теоретической;

- вакуум-термическую дегазацию капсул с порошком при температуре 750 С и герметизацию капсул сваркой;

- прессование герметичных капсул, нагретых до 1100 – 1150С, через очко матрицы с коэффициентом вытяжки   10.

Опытные партии экструдированных прутков диаметром от 20 до 40 мм получали на гидравлическом прессе с усилием 6,3 МН. Диаметр исходных капсул с порошком 100 мм, давление прессования 300 – 400 МПа. Механические свойства первых экструдированных заготовок были низкими. Дальнейшие исследования показали, что причиной низких свойств экструдированного металла явились остатки оксидной пленки, которая не восстанавливалась вакуум-термической дегазацией при 750С. Это было установлено в результате масс-спектрометрического анализа газов, выделившихся из навески порошка быстрорежущей стали с исходным содержанием кислорода ~ 0,03% по массе. В табл. 5.5 представлены результаты этого анализа.

Таблица 5.5. Состав и содержание газов, выделившихся из порошка быстрорежущей стали при нагреве в вакууме.

Температура, С	Содержание газов, см3/100 г
	Н2	Н2О	N2	CO	CO2	газ
500	2,1	2,2	0,8	2,2	1,4	8,7
750	7,4	0,8	0,7	2,1	1,0	12,0
1000	5,2	0,1	12,3	30,8	-	48,4
1100	6,5	-	3,0	10,6	-	20,1
Итого:	21,2	3,1	16,8	45,7	2,4	89,2

Как видно из приведенных данных, в интервале температур 500 – 750С из порошка выделяется водород, пары воды, азот и диоксид углерода. Основная масса оксида углерода выделяется при температуре 1000 – 1100С. Сопоставление этих экспериментальных результатов с термодинамическими характеристиками восстановления оксидов углеродом указывает на то, что в составе оксидной пленки на поверхности порошковых частиц преобладает оксид хрома. Это следует из того, что этот оксид восстанавливается углеродом при атмосферном давлении, начиная с 1105С, а в вакууме с 900С. При вакуум-термической дегазации (температура ~ 750С) восстановление оксида хрома не происходит.

Для разрушения оксидной пленки разработана оригинальная технология горячей экструзии порошков с титановым геттером. Брикет из пористой титановой губки размещается вместе с порошком в капсуле. Далее капсула герметизируется без откачки воздуха. Это значительно упрощает и удешевляет подготовку капсул. При последующем нагреве капсул с порошком под экструзию титановый геттер поглощает воздух, оставшийся в капсуле, создавая в ней вакуум. Как было показано выше, в вакууме при 1000 – 1100С интенсифицируется процесс восстановления оксидов углеродом. Образовавшийся при восстановлении оксид углерода, как и воздух, поглощается титановым геттером. В результате на поверхности порошковых частиц формируется чистая (ювенильная) поверхность, и частичцы прочно свариваются друг с другом в процессе экструзии. Основываясь на проделанных исследованиях, ЦНИИМ, НПО "Тулачермет" и завод "Электросталь" в 1980-х годах организовали мелкосерийное промышленное производство экструдированных прутков 80 – 100 мм из стали 10Р6М5-МП. Порошки получали способом газового распыления в НПО "Тулачермет", а капсулы 325 мм экструдировали на гидравлическом прессе завода "Электросталь" с усилием до 63 МН.

Применение нового способа горячей экструзии с титановым геттером обеспечило повышение среднего значения прочности экструдированного металла в термообработанном состоянии до 4200 МПа при ударной вязкости 334 кДж/м². Эти свойства были получены на образцах из промышленных партий экструдированных прутков диметром 100 мм. Для сравнения отметим, что в аналогичных по размеру прутках стандартной стали Р6М5 прочность составляет 1800-2000 МПа и ударная вязкость 150-180 кДж/м².