Прогрессивная технология термической обработки с прессованием порошковых фракций, заключенных в капсулы, довольно востребована на мировом рынке вакуумного оборудования. Объясняется повышенный интерес просто — горячее изостатическое прессование или сокращенно ГИП отличается преимуществом перед другими обработками металлов, где обязательно присутствуют высокая температура нагревания, а также сжимание в герметически замкнутом пространстве при наличии вакуума.
Содержание:
- Суть проведения процесса
- Прессование нагреваемых порошков
- Преимущества и недостатки ГИП
- Использование в промышленности
Суть проведения процесса
Порошок или гранулы помещаются в капсулу из тонкого металла или стекла, а твердые заготовки в эластичную оболочку. Давление пресса воздействует на детали через промежуточную среду, например, аргон, а эластичные оболочки могут выдерживать сжатие до 2000 бар.
ГИП применяется для изготовления конструкций особой сложности, таких, как турбины из керамики, а технологические процессы характеризуются высокими физико-математическими параметрами обработки деталей:
- Однородный химический состав, равномерная плотность;
- Возможность изготовления сложных рельефов внешней поверхности;
- Минимальная последующая чистовая механическая обработка;
- Сырье формируется и уплотняется окончательно;
- Потери сырья при такой методике незначительные, что актуально для драгоценных металлов.
Суть проведения процесса
Такая термическая обработка со сжатием позволяет изготавливать сложные детали из различных материалов, даже имеющих множественные отверстия и внутренние полости, что намного усложняет конструкцию.
Прессование нагреваемых порошков
Обработка керамических гранулированных или металлических порошковых смесей с применением методики ГИП является сложным в технологическом плане процессом, который включает такие этапы:
- Проектирование и изготовление капсул и контейнеров;
- Наполнение их порошком или гранулами с виброуплотнением;
- Герметизация капсул из металла или стекла;
- Сжатие порошков с давлением 1-2 тысячи бар при одновременном нагреве до 2200° С;
- Удаление остатков контейнеров и капсул;
- Финишная механическая обработка.
Прессование нагреваемых порошков
Для горячей обработки в изостатических прессах на практике применяют порошковые фракции со сферической консистенцией, состоящие из различных металлических сплавов. Тонкостенные оболочки или капсулы имеют такую форму, которая максимально приближена к конфигурации будущих изделий, например, цилиндра, диска или плоского вида слитка, пригодных для последующей ковки или проката.
Особую сложность конфигурации имеют фасонные изделия, поэтому их изготовление сопряжено с некоторыми сложностями, после ГИП они не требуют механической обработки. Оболочка контейнера из металла изготавливают из низкоуглеродистой листовой стали, которая отлично соединяется при помощи сварки.
Воздействие давлением через напускаемый газ обеспечивает равномерность по всем направлениям, а плотность материала достигает 100%. Для предотвращения расплава порошка до жидкого состояния, термообработка производится при температурах на 20% точки полного расплава, чтобы не улетучивались легирующие элементы и не ухудшался первоначальный состав листового материала контейнеров. После извлечения из рабочего отсека пресса раздавленные контейнеры и оболочки капсул удаляются, а полученные изделия могут подвергаться любого вида механической обработке.
Технологический процесс ГИП довольно новый, потому что впервые аналогичные исследования и опыты проводились в середине прошлого века промышленниками США и Швеции. Производительность первых прессов была довольно низкая, а опасность взрыва оборудования — высокая, поэтому в серийное производство изостатические прессы не вошли. Сегодня, несмотря на развитие технического процесса, аналогичные изделия с высокими параметрами искусственно создаваемого вакуума внутри рабочих камер, относятся к взрывоопасным агрегатам, потому что могут накапливать большие запасы энергии.
Процесс обработки с применением устройств класса ГИП позволяют качественно и быстро устранить раковины, поры и микротрещины, а также другие дефекты стандартной отливки, соединять неоднородные материалы или формировать изделия из любого содержания порошкообразных фракций, например, графита или цемента. Внутренний диаметр рабочей камеры горячих изостатических прессов варьируется от 50 до 1500 мм, а давление может достигать 3 тысяч бар при температуре — 2200° C.
Преимущества и недостатки ГИП
Уникальная технология термообработки в вакууме позволяет достигать параметров, которые нужны для выполнения технических задач, при этом горячее изостатическое прессование порошкообразных масс имеет такие преимущества:
- Практически полностью сохраняется мелкозернистая кристаллическая структура, определяющая механические свойства нового изделия;
- Повышенная скорость охлаждения благоприятно сказывается на побочной закалке;
- Полностью исчезают неоднородность, как это случается при стандартной отливке деталей и последующем остывании в течение длительного времени;
- Отсутствуют микротрещины в структуре новых изделий;
- Нет пористости внутри и снаружи, что облегчает последующую механическую обработку, если она необходима, а также значительно увеличивается износостойкость;
- Конструкции приобретают новые свойства;
- Повышается сопротивляемость металла воздействию агрессивных газов, нет зон, где могла бы концентрироваться коррозия;
- Только у некоторых заготовок, состоящих из разных материалов, незначительно повышается зернистость.
Преимущества и недостатки ГИП
Обработка по технологии ГИП на практике доказала, что можно изготавливать изделия сложной конфигурации, которые невозможно выполнить при других методиках или стандартных технологических процессах. Именно по этой причине такая прогрессивная технология, основанная на активном нагревании и одновременном сжатии в ограниченном пространстве порошковых фракций, является наиболее приемлемой с дальнейшей перспективой активного развития.
Использование в промышленности
Одна из важных особенностей ГИП — понижение на 15% стандартной температуры спекания порошковых веществ, что считается побочным эффектом от прилагаемых усилий при сжатии. Такое обстоятельство заинтересовало многих специалистов по вакуумному оборудованию и технологиям обработки материалов из металлического порошка или гранулировано керамики, потому что в результате барометрического воздействия сохраняется практически неизменной кристаллическая решетка, за редким увеличением зернистости.
Аналогичная методика нашла свое применение при серийном производстве вентилей и клапанов разной конструкции из никеля или нержавеющей стали, которые отличаются высокими прочностными характеристиками, а также при производстве лопаток для турбин авиационных двигателей нового поколения, используемых в отраслях аэрокосмического производства летательных аппаратов разного назначения.
Использование в промышленности ГИП
Применяется ГИП и в медицинской практике, например, в стоматологическом протезировании для изготовления прочной основы имплантатов, заменяющих естественные зубы у пациентов и являющиеся прочной основой при фиксации протезов.