Войти
Горячее прессование - это процесс порошковой металлургии при высоком давлении и низкой скорости деформации для формования порошка или порошкового прессованного материала при температуре, достаточно высокой, чтобы вызвать процессы спекания и ползучести. Это достигается одновременным применением тепла и давления.
Горячее прессование в основном используется для изготовления твердых и хрупких материалов. Одно из самых больших применений - это соединение режущих инструментов из алмазно-металлического композита и технической керамики. Уплотнение происходит за счет перегруппировки частиц и пластического течения на контактах частиц. Сыпучий порошок или предварительно уплотненная часть в большинстве случаев заполняется графитовой формой, которая позволяет индукционный или резистивный нагрев до температур обычно до 2400 ° C (4350 ° F). Может применяться давление до 50 МПа (7300 фунтов на кв. Дюйм). Другое большое применение - прессование различных типов полимеров.
В технологии горячего прессования можно найти три совершенно разных типа нагрева: индукционный нагрев, косвенный резистивный нагрев и метод спекания в полевых условиях (FAST) / прямое горячее прессование.
Рисунок I: Обычный индукционный нагрев В этом процессе внутри пресс-формы вырабатывается тепло, когда она подвергается воздействию высокочастотного электромагнитного поля, создаваемого с помощью индукционной катушки, связанной с электронным генератором. Форма изготавливается из графита или стали, и давление на пуансоны прикладывается одним или двумя цилиндрами. Форма расположена внутри индукционной катушки. Преимущество здесь в том, что давление и индуктивная мощность полностью независимы. Этому процессу подойдут даже порошки с жидкой фазой, также возможно низкое давление. Среди недостатков - стоимость высокочастотного генератора и необходимость правильной юстировки. Если форма расположена не по центру, распределение тепла будет неравномерным. Но главный недостаток - это зависимость процесса от хорошей индуктивной связи и теплопроводности формы. Магнитное поле может проникать в форму всего на 0,5–3 мм. С этого момента тепло должно «передаваться» в форму за счет теплопроводности материала формы. Равномерный нагрев намного сложнее, если воздушный зазор между формой и индукционной 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.
Рисунок II: Косвенный резистивный нагрев При использовании технологии косвенного нагрева форма помещается в камеру нагрева. Камера нагревается графитовыми нагревательными элементами. Эти элементы нагреваются электрическим током. Затем тепло передается в форму за счет конвекции. Поскольку электрическая энергия нагревает нагревательные элементы, которые затем нагревают форму вторично, этот процесс называется косвенным резистивным нагревом.
Преимущества - это высокие достижимые температуры, не зависящие от проводимости формы и не зависящие от тепла и давления. Главный недостаток - время, необходимое для нагрева формы. Для передачи тепла от атмосферы печи к поверхности формы и, следовательно, по всему поперечному сечению формы требуется относительно много времени.
Рисунок III: Прямое горячее прессование Основная идея спекания с помощью электрического тока, проходящего через форму, довольно старая. Резистивный нагрев порошков из цементированного карбида был запатентован Тайлером еще в 1933 году. В настоящее время интерес к этому методу возобновляется. Ток может быть импульсным или неимпульсным постоянным или переменным током. Искровое плазменное спекание (SPS) - это распространенное название этого метода, однако оно технически неверно, поскольку до сих пор не было подтверждено ни искра, ни плазма. Другие распространенные названия этой техники - спекание постоянным током, быстрое горячее прессование, прямое горячее прессование и другие. Все эти методы обобщены под общим термином «Техника спекания в полевых условиях (FAST)».
Убедительной причиной сокращения продолжительности цикла было предотвращение роста зерна, а также экономия энергии. При прямом горячем прессовании форма напрямую подключается к электросети. Удельное сопротивление формы и порошковой части выделяет тепло непосредственно в форме. Это приводит к очень высокой скорости нагрева. Кроме того, это приводит к значительному увеличению спекающей активности агрегатов мелкодисперсного металлического порошка, что позволяет сократить время цикла до нескольких минут. Кроме того, этот процесс снижает пороговую температуру и давление спекания по сравнению с тем, что требуется в обычных процессах спекания. Оба предыдущих метода во многом зависят от внутреннего свойства материала формы, то есть от его теплопроводности. Однако при прямом нагреве сопротивлением тепло выделяется там, где это необходимо.
Последние исследования показывают, что нет принципиальной разницы между спеканием импульсным или неимпульсным током (SPS или FAST). В принципе, такие же улучшенные результаты спекания (по сравнению с обычным горячим прессованием) могут быть достигнуты всеми методами прямого горячего прессования, если улучшение происходит только за счет нагрева порошка на месте. Если присутствуют дополнительные физические эффекты, которые связаны с самой плотностью электрического тока (которая в значительной степени зависит от типа порошка), импульсный ток часто имеет дополнительные положительные эффекты, потому что во время каждого импульса плотность электрического тока достигает значения, значительно превышающего чем постоянный ток с сопоставимой мощностью нагрева.
В последнее время было достигнуто производство таких критически важных элементов, как мишени для распыления и высококачественные керамические компоненты, такие как карбид бора, диборид титана и сиалон. При использовании металлического порошка проводимость формы идеальна для быстрого нагрева заготовки. Формы большого диаметра и относительно небольшой высоты можно быстро нагреть. 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 высоких скоростей нагрева для высокой производительности.
С помощью технологии прямого горячего прессования материалы можно спекать до конечной плотности. Достигаемая точность почти чистой формы очень высока и часто исключает механическую доработку материалов, которые часто трудно обрабатывать.
В производстве фрикционных материалов прямое горячее прессование играет все большую роль в производстве спеченных тормозных колодок и сцеплений. Спеченные тормозные колодки все чаще используются в высокоскоростных поездах и мотоциклах, а также в ветроэнергетике, квадроциклах, горных велосипедах и в промышленности. Спеченные диски сцепления в основном используются для тяжелых грузовиков, судов, тракторов и других сельскохозяйственных машин.
Исследовательские центры, такие как университеты и институты, используют преимущества коротких циклов спекания, что ускоряет исследовательский процесс.
Недавние разработки включают радиаторы металл-алмаз-композит, например, в светодиодных и лазерных устройствах. Спекание металл-алмазных смесей с помощью прямых горячих прессов восходит к 1950-м годам, когда это широко практикуется в индустрии алмазного инструмента.
Рисунок IV: Схема процесса совместного спекания; общее время цикла 11,5 мин. Клавиша: красная / оранжевая линия: фактическая / заданная температура; зеленая линия: уплотнение порошка / зеленый компакт; темно-синий / голубой: фактическое / заданное давление. 