Горячее прессование

Горячее прессование – прессование металлического порошка или порошковой формовки при температуре, превышающей температуру рекристаллизации основного компонента. Горячее прессование представляет собой совмещение процессов прессования и спекания и проводится при температурах 0,5–0,95Т_пл основного (матричного) компонента порошкового материала. Оно позволяет практически реализовать наблюдаемое при повышении температуры увеличение текучести материала и получать фактически беспористые порошковые изделия. Наиболее существенным результатом горячего прессования является максимально быстрое уплотнение порошкового тела. Изменение плотности порошкового тела при горячем прессовании связано с пластической деформацией, нестационарным и стационарным диффузионным крипом. Силы внешнего давления при горячем прессовании суммируются с капиллярными давлениями, приводящими к развитию межчастичного сцепления и уменьшению пористости порошкового тела. Механизм уплотнения идентичен наблюдаемому при спекании: образование межчастичного контакта, рост плотности с одновременным увеличением размера частиц и дальнейший рост частиц при незначительном дополнительном уплотнении.

Свойства горячепрессованных порошковых изделий существенно зависят от условий прессования. Как правило, такие изделия обладают более высоким пределом прочности, большим удлинением, повышенной твердостью, лучшей электропроводностью и более точными геометрическими размерами, чем изделия, полученные путем раздельного прессования и спекания. Кроме того, подобные изделия отличаются мелкозернистой структурой и нередко по механическим свойствам не уступают изделиям из литых металлов (сплавов).

Для нагрева порошка или порошковой формовки используют, как правило, электрический ток. Различают следующие способы нагрева порошка при горячем прессовании: прямым пропусканием тока через порошок или пресс-форму; индукционным нагревом порошка, пресс-формы или промежуточного экрана; импульсным током высокого напряжения.

Наиболее распространенным материалом для изготовления прессформ является графит. При сравнительно низких температурах прессования (до 900– 1 000 °С) используют металлические пресс-формы из жаропрочных сплавов, например на основе никеля и молибдена. Постепенно расширяется применение пресс-форм из тугоплавких оксидов, силикатов и других химических соединений. Для предотвращения взаимодействия прессуемого материала с материалом пресс-формы внутреннюю поверхность последней покрывают какими-либо инертными составами (жидким стеклом, эмалью, нитридом бора и др.) или защищают металлической фольгой. Некоторые из защитных составов могут одновременно играть роль смазок, уменьшающих внешнее трение. Кроме того, для предохранения прессуемого материала от окисления применяют защитные среды (восстановительные, инертные) или вакуумирование.

Важную роль при прессовании играют режимы приложения и снятия нагрузки. Целесообразно сначала нагреть порошок до некоторой температуры, а затем прикладывать давление и продолжать нагрев, который следует проводить как можно быстрее. В этом случае обеспечивается более полное удаление газов, адсорбированных порошком, что способствует его уплотнению.

Прессы, используемые для горячего прессования, могут быть рычажно-механическими, гидравлическими или пневматическими. Прессуемый порошок помещают в пресс-форму, зажимаемую между двумя медными водоохлаждаемыми контактами; пресс-форма нагревается пропускаемым через нее электрическим током. Груз, подвешенный к рычагу, передающему усилие на верхний пуансон, создает давление на порошок до 30 МПа. В промышленности для горячего прессования широко используют специальные гидропрессы, в которых порошок нагревается переменным электротоком, подводимым через водоохлаждаемые контактные плиты к графитовым конусным пуансонам, между которыми устанавливается прессформа. Развиваемое усилие достигает 1500 кН, температура прессования – до 2500 °С. Пресс-форма с изделием после ее охлаждения до 500–600 °С (гидравлический пресс) или до 150–200 °С (вакуумный пресс) удаляется из пресса, изделие извлекается и зачищается на шлифовальном станке.

Большое распространение также получило динамическое горячее прессование (ДГП): предварительно спрессованные и спеченные при низких температурах (до 0,5–0,6Т_пл основного компонента) пористые заготовки допрессовывают при достаточно высокой температуре. Особым случаем горячего прессования является электроразрядное или электроимпульсное (искровое) спекание: через порошок с помощью электродов-пуансонов, к которым приложено давление, пропускают сильный электрический разряд. Процесс электроразрядного спекания включает, как правило, две стадии. Первая стадия (искровая) включает пропускание электрического тока плотностью несколько ампер на квадратный сантиметр через слабоспрессованный (давление < 10 МПа) порошок. На многих межчастичных контактах возникает искрение, сопровождающееся разрушением поверхностных оксидных пленок, и создаются предпосылки для припекания частиц одна к другой. Вторая стадия протекает при плотности тока порядка нескольких килоампер на квадратный сантиметр и под более высоким давлением, чем первая стадия (однако это повышенное давление в конце процесса в 10–20 раз ниже давления при холодном прессовании). Температура достигает максимального значения в конце периода повышенного давления. После этого ток отключают, давление медленно понижают в течение периода охлаждения порошковой заготовки.