Горячее изостатическое прессование: особенности технологии, сферы применения, техника для проведения обработки

Содержание:

1. Устройство изостатического пресса
2. Технология обработки изделий
3. Изостатическое прессование порошковых материалов
4. Достоинства обработки металлов горячим прессованием
5. Этапы горячего изостатического прессования
6. Области применения ГИП

Горячее изостатическое прессование - это технология обработки объектов в специальных устройствах, где в внутренние условия создаются с помощью сжатых газов. Воздействие на объект осуществляется в агрегатах высокого давления и температуры.

Устройство изостатического пресса

Жидкая или газообразная среда создает в ёмкостях высокое давление. Оно воздействует непосредственно на объект или на капсулу с порошком. Для обеспечения безопасности проводимой обработки существует техника, в которой радиальная нагрузка направлена на цилиндр из цельной стали. Она называется изостатическим прессом. Цилиндр обмотан стальной проволокой. Осевая нагрузка направлена на внешнюю раму через двигающиеся крышки. За счёт обмотки рама тоже получила напряжение, которое рассчитано таким образом, чтобы основные элементы при любом давлении были в сжатом состоянии. Поэтому прессы устойчивы к разрушению и безопасны в эксплуатации, несмотря на небольшой вес.

Цель обработки - придание объекту высокой плотности. Для этого необходимо, чтобы созданные условия положительно воздействовали на него в течение определенного времени. Температура может увеличиваться до 2000 градусов, а давление - до 200 МПа, в специальных агрегатах и выше.

Устройство изостатического пресса

ГИП применяют для обработки изделий с целью допрессовки после спекания, устранения дефектов после литья, а также порошкового прессования, чтобы получить плотный объект.

Технология обработки изделий

При ГИП инертные газы воздействуют на изделие в условиях высокой температуры и давления. В результате технологического процесса металлические и керамические элементы сложной конфигурации приобретают нужную форму с плотной структурой. Изделия испытывают равномерную нагрузку давления по всей площади поверхности и приобретают изотропные свойства. Достижение абсолютной плотности при ГИП происходит быстрее и при меньшем нагревании, чем при спекании, за счёт нагрузки давлением. Поэтому прессование считается наилучшей технологией обработки, обеспечивая точное действие на структуру и получение объекта высокого качества и прочности.

При прессовании температура меньше на 10-15% по сравнению со спеканием. Этот фактор важен для металлов и керамики, поскольку такая обработка не нарушает кристаллическую решетку, от которой зависит механическая устойчивость. Плотность газа при высоком давлении примерно равна плотности жидкости. А теплопроводность воздушного состава влияет на охлаждение. В результате существенно снижается время охлаждения, следовательно, и всего процесса. Это позволяет в заключение при необходимости воздействовать на изделие закалкой.

Изостатическое прессование порошковых материалов

Прессы горячей изостатической обработки чаще всего применяют для порошков. Это объясняется длительным охлаждением объектов при стандартных способах литья. При этом частицы сплавов диффундируют от внешних стен к центру слитка. Это приводит к неравномерному распределению атомов, ухудшает механические характеристики и затрудняет последующую обработку объекта. Прессование упрощает процесс за счёт преобразования расплавленного материала в мельчайшие элементы.

Порядок создания изделия из гранул:

1. Образование гранул в инертных условиях;
2. Размещение порошка в специальную ёмкость на вибростоле для наибольшего уплотнения. Газовые частицы откачивают и плотно закрывают ёмкость;
3. Воздействие холодным ИП, чтобы увеличить теплопроводность материала за счёт увеличения размера контактных поверхностей между элементами;
4. Нагрев ёмкости перед помещением в пресс. Сначала осуществляют обработку при нагревании до 1150 градусов и давлении 100 МПа. В этот момент плотность не абсолютная, поскольку в дальнейшем изделию предстоит штамповка и прокатка.

Изостатическое прессование порошковых материалов

Достоинства обработки металлов горячим прессованием

ГИП корректирует дефекты слитков металлов после литья. Эта технология популярна в промышленности, а прессование порошков является самым перспективным процессом ГИП. Повышение качества объекта происходит за счёт:

1. Устранения пористости;
2. Внутренней усадки;
3. Удаления междендритных отверстий, образованных при затвердевании изделия.

При горячем прессовании происходит соединение стенок пор в результате деформации и последующей сварки контактных площадей. Структура изделия становится абсолютно плотной и гомогенной. Обработка в условиях повышенной температуры и давления не способна устранить дефекты, взаимодействующие с поверхностью. Для этого используют ёмкость, выступающую перегородкой для сжатой среды.

Диффузионная сварка неэффективна, если контакту поверхностей препятствует слой оксидов или воздух в пустотах. ГИП используют в промышленности для повышения качества титана, алюминия, стали, а также супер сплавов никеля и кобальта. Устранение пор в структуре объектов положительно воздействует в следующих направлениях:

• Повышает износостойкость;
• Увеличивает сопротивление давлению;
• Уменьшает трение;
• Снижает вероятность возникновения коррозии.

ГИП считается наилучшей, качественной обработкой и применяется для обработки деталей автомобилей, которым предстоят значительные нагрузки в плане скорости, поворотов, торможения и других манипуляций.

Этапы горячего изостатического прессования

Горячее изостатическое прессование положительно воздействует на подвижные лопасти турбины. Эти элементы подвергаются наибольшей нагрузке из-за температурного режима и механических движений. Лопасти, пришедшие в негодность, восстанавливают следующими способами:

• Сваривают;
• Воздействуют теплом;
• Обновляют покрытие;
• Проводят горячую обработку прессованием.

В результате комплекса мероприятий в лопастях исчезают трещины, отверстия и повышаются механические характеристики до первоначальных показателей. Заключительный этап обработки - ГИП, действует на полное устранение дефектов, в том числе и на появившиеся в результате сварки для восстановления. Горячее прессование наиболее эффективно для создания объектов:

• С плотностью, приближенной к абсолютной;
• Без спекающих составов или с минимальным количеством;
• При более низком нагревании в сравнении с другими методами обработки.

Области применения ГИП

При создании заготовок для объектов из керамики существует шликерное литьё, признанное наиболее эффективным среди технологических схем при горячем прессовании. Удалив связующий слой, формы посыпают стеклянными гранулами и отправляют в пресс. При нагревании гранулы расплавляются и равномерно распределяются по поверхности. Этот слой служит препятствием для сжатого газа к внутренней структуре.

При компактировании требуется установить следующие параметры:

1. Давление до 200 МПа;
2. Температуру 1300-1900 градусов, определяемую типом обрабатываемого изделия.

После воздействия холодом покрытие из стекла повреждается и оставшиеся компоненты в дальнейшем устраняют.

Технологические методы, в которых используется ГИП, направлены на:

1. Изготовление деталей для швейных машин;
2. Создание пескоструйных механизмов и агрегатов газового продува;
3. Получение элементов для химической отрасли, устойчивых к коррозии;
4. Изготовление стоматологических протезов, деталей вакуумного насоса, элементов гибридных подшипников, двигателей внутреннего сгорания.

Области применения ГИП

Технологию прессования применяют и для алмазных структур, чтобы получить однородный состав и высокие качественные показатели. ГИП даёт возможность улучшить существующие детали или изготовить новые, с применением данной технологии. При этом детали получаются с однородной структурой и разнообразной формы. Достоинства горячего прессования делают его применимым во многих отраслях, количество которых увеличивается с каждым годом.

ГИП применяют при изготовлении элементов ГТД, за счёт которого проявляются следующие свойства и осуществляются процессы:

1. Плотность и отсутствие усадочных пор;
2. Получение объектов порошков металлов;
3. Обработка керамических материалов;
4. Сварка однородных и разных по составу объектов;
5. Создание изделий с решеткой из керамики или металла;
6. Улучшение физических и химических свойств и другие.

Прессование осуществляют в специальных устройствах в обычном или ускоренном режиме. Условия обработки при этом меняются: температура увеличивается до 0.8 Тпл, а давление до 200 МПа.