ГОРЯЧЕЕ ИЗОСТАТИЧЕСКОЕ ПРЕССОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
Агеев Сергей Викторович, Гиршов Владимир Леонидович
ООО «Гранком». Россия, Нижегородская обл., г. Кулебаки, e-mail: grancom@ognecom.ru
Горячее изостатическое прессование (ГИП) металлических порошков - сложный технологический процесс, включающий следующие основные операции: проектирование и изготовление капсул; засыпку порошка в капсулы; герметизацию капсул сваркой; изостатическое прессование порошков в капсулах при высоких температурах и давлениях; удаление остатков капсул; финишные операции (механообработка, термическая обработка и др.). Для ГИП чаще всего применяют распыленные порошки, состоящие из частиц сферической формы металлических сплавов.
Капсулы представляют собой тонкостенные оболочки, близкие по форме к прессованным изделиям. Такие изделия могут иметь как простые формы цилиндрического или плоского слитка для последующей ковки или прокатки, так и сложные формы фасонных изделий, для которых не требуется дополнительная деформация. Обычно капсулы изготавливают из хорошо свариваемой низкоуглеродистой листовой стали.
Процесс ГИП реализуется в газостатах, представляющих собой сосуд высокого давления с системами подачи и нагрева газа. На рис. 1 показана схема рабочей камеры газостата. После загрузки капсулы с порошком рабочая камера газостата закрывается и из нее откачивается воздух. Затем включается нагрев и подача аргона. Высокое давление в камере газостата создается компрессором. После достижения расчетных значений температура и давление поддерживаются на постоянном уровне в течение всего времени выдержки. Затем капсула с порошком охлаждается со снижением давления.
Процесс ГИП порошков происходит при давлении 100-200 МПа и температуре в интервале от 900 до 2250 °С. Высокое газовое давление действует равномерно во всех направлениях, что обеспечивает 100%-ную плотность и изотропные свойства прессованных материалов. Температура газостатирования, как правило, ниже температуры солидус обрабатываемого сплава примерно на 20%, благодаря чему предотвращается возможная ликвация легирующих элементов и образование жидкой фазы. Цикл процесса ГИП для порошков стали показан на рис. 2.
После газостатирования оболочка капсулы обычно удаляется механообработкой. Полученная компактная прессовка может подвергаться дополнительной обработке, например прокатке, термической обработке, финишной механообработке.
Горячее изостатическое прессование - сравнительно новый технологический процесс. Первые разработки лабораторного оборудования и технологии были выполнены в США и Швеции в середине прошлого века. Вначале газостаты имели низкую производительность и были опасны в эксплуатации. Поскольку газостат представляет собой сосуд высокого давления, аккумулирующий большой запас энергии, он является взрывоопасным агрегатом. Для повышения надежности конструкции цилиндр и станину газостата, воспринимающие основные нагрузки, начали упрочнять обмоткой из напряженной высокопрочной стальной ленты.
Вероятность взрыва рабочей камеры современного газостата минимальна, поскольку разработаны достаточно прочные и надежные конструкции газостатов, но все же взрывоопасность капсул остается реальной. Дело в том, что при наличии несплошностей в капсулу под высоким давлением проникает газ. При завершении цикла газостатирования, в процессе стравливания газа, давление в цилиндре газостата снижается быстрее, чем в капсуле. Разница давлений в капсуле и газостате может стать настолько значительной, что капсула увеличивается в объеме, а иногда может и взорваться. Недопустимы даже самые мелкие несплошности в сварных швах капсулы, поскольку проникновение аргона в капсулу (аргон не растворяется в металле) является причиной газовой пористости и брака прессовок. Для предотвращения несплошностей необходим надежный контроль герметичности капсул.
Низкая производительность первых газоста-тов была связана с малым объемом рабочей камеры и длительностью цикла газостатирования.
Для повышения производительности оборудования созданы и работают промышленные га-зостаты новых конструкций с диаметром рабочей камеры до 2 м и высотой до 4,2 м [1]. На протя-
жении многих лет ведутся работы по сокращению цикла газостатирования за счет уменьшения продолжительности вспомогательных операций. В частности, разработана система предварительного нагрева капсул перед помещением их в газо-стат, а также принудительное охлаждение рабочего газа путем установки в газостат внутреннего теплообменника. Это позволяет сократить время подготовительных и заключительных операций газостатирования.
Один из вариантов «быстрого» ГИП - загрузка в газостат горячей капсулы и впрыск жидкого азота в цилиндр высокого давления. Благодаря этому достигается резкий рост газового давления в цилиндре. При этом значительно сокращается цикл газостатирования и улучшается структура прессованной заготовки, поскольку консолидация порошка протекает за счет пластического течения, а не ползучести.
Совершенствование оборудования и технологии позволили значительно снизить стоимость газостатирования. В 1998 г. стоимость обработки в газостате 1 кг порошка составляла 0,9 евро, а в 2014 г. - 0,3 евро [1]. Это существен-
Верхняя Ввод газа крышка
Рис. 1. Рабочая камера газостата
Температура, °С -
Давление, бар -
Рис. 2. Типичный цикл ГИП
но повысило конкурентные преимущества ГИП относительно традиционных металлургических технологий.
За рубежом технология ГИП широко применяется в различных отраслях техники. В 19531965 гг. с применением ГИП создано производство синтетических алмазов, элементов ядерного топлива, изделий из порошков бериллия и спеченных карбидов. Затем ГИП стали применять при производстве порошковых быстрорежущих и штамповых сталей в форме заготовок для последующей ковки и прокатки, а также при производстве фасонных изделий из жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов. В 1980-е годы развернулись работы по изготовлению способом ГИП заготовок, близких по форме к готовым изделиям, из порошков нержавеющей стали и титана.
В СССР в 1970-е годы были начаты работы по металлургии гранул с использованием технологии ГИП для изготовления изделий из жаропрочных никелевых сплавов [2]. Примерно в это же время проводились исследования по разработке порошковых инструментальных сталей, которые завершились созданием на заводе «Днепроспец-сталь» производства порошковых быстрорежущих сталей. Это производство базируется на шведском оборудовании и технологии ГИП [3].
Важно отметить, что микроструктура прессованных изделий из распыленных металлических порошков отличается особо высокой дисперсностью и однородностью, а прессованный материал - повышенной прочностью и вязкостью. В качестве примера на рис. 3 сопоставляются микроструктуры стандартной и порошковой быстрорежущей стали.
Металлорежущий инструмент из порошковой стали превосходит по стойкости в 2-6 раз аналоги из стандартных сталей того же химического состава. За рубежом созданы новые марки порошковой быстрорежущей стали с повышенным содержанием углерода, азота, ванадия и кобальта, для изделий, которые невозможно изготовить
Рис. 3. Микроструктура стандартной (а) ^
и порошковой (б) быстрорежущей стали Р6М5 |
(светлые выделения - карбидная фаза)
из слитков. Такие стали успешно конкурируют с твердыми сплавами.
На рис. 4-10 приводятся некоторые примеры деталей и изделий, изготовленных из порошковых металлических сплавов с применением технологии ГИП [4]*.
Анализ и обобщение достигнутых за рубежом результатов позволяют считать, что ГИП -исключительно эффективный и перспективный технологический процесс порошковой металлургии для производства массивных изделий из высоколегированных металлических сплавов. Если традиционные процессы порошковой металлургии - одноосное прессование, спекание, ковка позволяют производить порошковые изделия массой до 10 кг, то с применением технологии ГИП можно получать высококачественные изделия массой в 10 т и более.
Надо признать, что наша страна пока отстает в развитии передовых технологий порошковой металлургии, в том числе и технологии ГИП. За последнее время значительно возросла зависимость отечественного машиностроения от импорта высококачественного металлорежущего инструмента. В связи с этим, по инициативе фирмы ООО «Гранком» и Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ) разработан проект создания импортозамещающего производства по-
• Рис. 4. Червячная фреза из порошковой быстрорежущей стали (фирма Erasteel), обеспечивающая:
- высокую скорость резания (до 250 м/мин) и высокую производительность;
- увеличение ресурса работы (переточка до 20-40 раз);
- высокую надежность инструмента
• Рис. 5. Корпус клапана для морских плавучих платформ (фирма Metso) из порошковой нержавеющей стали (масса от 250 до 2000 кг); преимущества: повышенная прочность в сравнении с литым корпусом, простой ультразвуковой контроль, отсутствие сварки, небольшой объем механообработки
• Рис. 6. Роторы для паровых и газовых турбин (фирма Sandwik Powdermet) из порошковой стали с 12% хрома; масса изделия до 10 т; преимущества: сокращение цикла изготовления; возможность изготовления в биметаллическом варианте
• Рис. 7. Крыльчатка газового компрессора (фирма Sandwik Powdermet) из порошкового жаропрочного сплава на основе никеля (диаметр до 1000 мм); преимущества: возможность конструирования новых форм; отсутствие механообработки, сварки и пайки; снижение себестоимости; возможность применения современных материалов; уменьшение объема контроля
• Рис. 8. Валок для прокатки нержавеющей стали (фирма Erasteel) из порошковой быстрорежущей стали; преимущества: увеличение ресурса работы, улучшение качества поверхности проката
• Рис. 9. Плакированный вал для производства цемента (фирма Koppern) из порошковой инструментальной стали или композита с металлической матрицей (диаметр вала от 1000 до 1800 мм); преимущества: снижение эксплуатационных затрат, повышение надежности, уменьшение риска появления
^ трещин и выкрошивания
° • Рис. 10. Рубашка вала для производства бумаги (фирма Metso) из нержаве
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.