3.8. Импульсное формование
Уплотнение порошка или порошковой формовки ударными волнами в интервале времени не более 1 с называют импульсным формованием. Основным преимуществом импульсного формования является возможность создания чрезвычайно высоких давлений и, соответственно, плотности формовки близкой к 100 %. В зависимости от вида источника энергии различают взрывное, электрогидравлическое, электромагнитное и пневмомеханическое формование.
Взрывное формование
На практике обычно используется химическая энергия взрывчатых веществ (ВВ). При взрыве 1 кг тротила, происходящего за 10-6 с, образуется нагретый до 3000оС газ, который за столь короткое время не успевает расшириться и создает давление равное 1,3 ГПа. Это давление формирует область сжатия, которую называют ударной волной. Перемещение фронта ударной волны действует как резкий удар огромной силы, вызывающий деформацию или разрушение обрабатываемого материала.
При взрывном формовании нагрузка на порошковое тело может оказываться непосредственным воздействием ударной волны (контактный метод) или передачей давления летящим снарядом, а также через жидкую струю (дистанционный метод). Схема пороховой установки со снарядом показана на рис. 3.31.
Пороховой заряд позволяет разогнать снаряд до максимальной скорости 600 м/с. Величину кинетической энергии, передаваемой порошковому телу снарядом, можно оценить по приближенной формуле:
ЭК ≈ 0,5 КП МСVC2, (3.30)
где КП – коэффициент, учитывающий потери энергии при ударе снаряда; МС – масса летящего снаряда; VC – скорость снаряда.
Рис. 3.31. Схема пороховой установки: 1 –ударный механизм; 2 – боек;
3 – затвор; 4 – втулка с пороховым зарядом; 5 – шпилька; 6 – неподвижная часть затвора; 7 ‑ снаряд; 8 – ствол; 9 – амортизаторы; 10 – верхние плиты; 11 – колонки; 12 – центрующая втулка; 13 – пресс-форма; 14 – подставка; 15 – опорные плиты; 16 – контакты
При воздействии пороховых газов через жидкость, давление жидкости на формовку определяют по баллистической формуле Нобля-Абеля:
Р = F∆/(1 - α∆), (3.31)
где F – сила пороха, кгс дм/кг; ∆ - плотность заряжания (отношение массы пороха к объему камеры сгорания), кг/м3; α – коэффициент, учитывающий долю объема, занимаемого молекулами продуктов сгорания пороха в камере.
Схема установки для взрывного формования порошка в жидкости показана на рис. 3.32.
Рис. 3.32. Схема установки взрывного формования в жидкости:
1 – ударный механизм; 2 – головка; 3 – капсюль; 4 – заряд пороха;
5 – мембрана; 6 – гайка; 7 – корпус; 8 – прессуемый порошок;
9 – динамометр
В настоящее время метод гидродинамического взрывного формования успешно используется при изготовлении крупногабаритных фильтров из порошков нержавеющей стали и титана, заготовок из молибдена и вольфрама, изделий из порошков ферритов и керамики. Характер уплотнения формовок при гидродинамическом взрывном прессовании подобен тому, который типичен для обычного гидростатического прессования. Однако плотность формовок, полученных с применением взрыва, несколько ниже. Это объясняется повышением сопротивления деформации порошковых частиц при высокой скорости нагружения. При одинаковой плотности формовок, прочность на сжатие и ударная вязкость заготовок после взрывного формования на 20 – 30 % выше. Это является следствием разрушения оксидных поверхностных пленок, а возможно и результатом сварки отдельных порошковых частиц.
Взрывное прессование контактными методами осуществляется обычно с использованием бризантных ВВ. В этом случае имеет место цепная экзотермическая реакция – детонация. Скорость детонации для большинства ВВ составляет 3000 – 8000 м/c. Температура продуктов взрыва 3000 – 5000 К, пиковое давление на фронте детонации от 3 до 28 ГПа. Расширяющиеся продукты взрыва передают импульс давлений окружающей среде в виде интенсивных ударных волн, которые по мере удаления от центра взрыва затухают и превращаются в акустические. Время действия импульсных давлений при бризантном взрыве (5 – 9) 10-6 с. На рис. 3.33 представлены типовые схемы формования порошков с применением бризантных ВВ. Эти схемы предусматривают нормальное или тангенциальное движение продуктов детонации заряда D, расположенного на поверхности контейнера с порошком или метание металлической пластины c накладным зарядом. При метании пластина-ударник разгоняется до скорости 500 – 1500 м/c.
Рис. 3.33. Типовые схемы формования порошков зарядом бризантных ВВ:
а – нормальной плоской волной, б – тангенциальной волной,
в – метанием пластины-ударника, г – кольцевой скользящей волной
(1 – электродетонатор; 2 – заряд ВВ; 3 – контейнер с порошком;
4 – стальное основание; 5 – взрывной генератор плоской волны;
6 – пластина-ударник; 7 – ампула с порошком и стержнем;
8 – пористый конус)
Взрывное формование пластичных порошков позволяет получать заготовки с относительной плотностью 92 – 95 %. При этом наблюдается интенсивная пластическая деформация частиц и образование прочных межчастичных связей (рис. 3.34).
Рис. 3.34. Микроструктура брикетов из сферического медного
порошка (-300 +160 мкм): а – статическое формование;
б – взрывное формование, скорость детонации 3500 м/с;
в – взрывное формование, скорость детонации 7000 м/с
Формование твердых порошков с низкой пластичностью приводит к дроблению частиц и механическому расклиниванию со значительным повышением твердости и плотности дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. Взрывное прессование представляется особо перспективной технологией получения плотных заготовок из аморфных и нанокристаллических сплавов.
Электрогидравлическое формование
В основу электрогидравлического формования положен процесс превращения электрической энергии в механическую с помощью создания разряда между электродами в жидкой среде. Процесс осуществляется разрядом конденсатора через зазор между электродами, или через проводник, перекрывающий этот зазор. Разряд в виде электрической дуги вызывает образование газового жгута и мгновенное испарение жидкости с появлением ударных волн. Разряд конденсатора через проводник, например через проволоку, упрощает управление направленностью ударных волн, обеспечивает более эффективное превращение энергии и позволяет снизить рабочее напряжение. В то же время, после каждого разряда приходится устанавливать новый проводник, что является существенным недостатком метода.
Полезная работа, совершаемая в процессе превращения электрической энергии в механическую, составляет от 10 до 40 % выделенной энергии. Например, при разряде батареи конденсаторов энергоемкостью 18 кДж (для емкости 1800 мкФ и напряжения 4,4 кВ) через алюминиевую проволоку диаметром 1,1 мм на расстоянии 25 мм от проволоки возникает давление 250МПа.
Электромагнитное формование
Первая информация о деформировании металлов импульсными электромагнитными полями появилась в 1964 г. (патент США). Сущность метода в том, что при разрядке конденсатора выделяющаяся электрическая энергия с помощью индуктора преобразуется в мощное импульсно-магнитное поле. Установлено, что при напряженности поля 300 кЭ развивается давление около 400 МПа. Для получения магнитных импульсов различной конфигурации применяют плоские, спиральные, соленоидные и другие индукторы.
Рассмотрим пример электромагнитного формования порошка в установке с плоским индуктором, которая показана на рис. 3.35.
В установке имеются конденсаторные батареи 1 и 9, которые заряжаются от внешнего источника питания. После этого запускается разрядник 8, замыкающий цепь конденсаторная батарея 9 ‑ формуемый порошок, находящийся в пресс-форме (детали пресс-формы: матрица 7, верхний пуансон 5 и нижний пуансон 6). Разрядный ток, проходя через порошок, разогревает его. После некоторой выдержки запускают разрядник 2, замыкающий цепь конденсаторная батарея 1 – плоский индуктор 3. Разрядный ток наводит магнитное поле вблизи индуктора, взаимодействующее с электропроводящей плитой – толкателем 4 и генерирующее в ней электромеханическое усилие. Импульс давления от плиты 4 через верхний пуансон 5 передается на формуемый порошок.
Рис. 3.35. Схема установки для электромагнитного
импульсного формования порошков
Эффективность магнитноимпульсного формования зависит от удельного электросопротивления порошка. Хорошо уплотняются порошки алюминия, меди, серебра, золота, имеющие высокую электропроводность (электросопротивление менее 15 мкОм/см). При обработке порошков с низкой электропроводностью применяют «спутники» из хорошо проводящих материалов. Эти спутники, играющие роль «движителя», помещают между порошковой заготовкой и индуктором.
Пневмомеханическое формование
Этот метод формования использует энергию, выделяющуюся при адиабатическом расширении сильно сжатого газа. На рис. 3.36. показана схема пневматической установки для высокоскоростного деформирования порошков. Установка двустороннего ударного прессования имеет два энергетических звена 7 и 8, каждое из которых состоит из спаренных гидравлического 2 и пневматического 4 цилиндров, которые разъединяются крышкой 5. На средней плите, между звеньями, установлена пресс-форма 9.
Установка имеет следующие технические характеристики: номинальное давление в пневмоцилиндре – 12 МПа, номинальное усилие гидроцилиндра – 30 кН, суммарная энергия ударников 1000 Дж при максимальной скорости 30 м/с.
Рис 3.36. Схема установки для пневмомеханического
формования порошков
Характерная особенность всех методов импульсного формования порошков – высокая скорость нагружения порошкового тела. Это сокращает развитие пластической деформации частиц, требующей времени, и соответственно увеличивает долю упругих деформаций. По сравнению со статическим формованием на 40-50 % возрастает упругое последействие. В результате заготовка, полученная динамическим формованием, часто имеет меньшую величину контактной межчастичной поверхности. Тем не менее, даже при меньшей площади контакта формовки, полученные импульсными методами, часто обладают более высокой прочностью. Это объясняется влиянием высоких давлений и температур, развивающихся в зоне контактов частиц, которые способны образовывать прочную металлическую связь типа сварки.
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение понятия «импульсное формование».
2. Каковы преимущества импульсного формования в сравнении со статическими методами?
3. Взрывное формование.
4. Физические основы электромагнитного и электрогидравлического формования.
5. Пневмомеханическое формование.