RU2165827C2

RU2165827C2 - Device for molding hot products of exothermic reactions

Info

Publication number: RU2165827C2
Application number: RU98119123/02A
Authority: RU
Inventors: А.П. Амосов; А.Ф. Федотов
Original assignee: Самарский государственный технический университет
Priority date: 1998-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2001-04-27

Abstract

FIELD: powder metallurgy, particularly, devices for production of high-density materials based on refractory compounds formed in conduction of exothermic reactions. SUBSTANCE: device has punch and closed die formed by base, intermediate ring with initiating device and guide bushing and filled with loose heat-insulating shell accommodating charge blank. Upper and lower spaces of shell are made in the form of alternating layers of loose heat material and thin rigid plates. EFFECT: preserved high temperature and deformation ability of combustion products for prolonged time, and uniform settling of blank with nonuniform distribution of temperature and properties in body of compacted material. 1 dwg

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для получения высокоплотных материалов на основе тугоплавких соединений, образующихся в ходе экзотермических реакций. The invention relates to powder metallurgy, in particular to a device for producing high-density materials based on refractory compounds formed during exothermic reactions.

Известно устройство для прессования горячих продуктов экзотермических реакций, содержащее пуансон и графитовый стакан, внутри которого размещена заготовка из экзотермической порошковой смеси [Боровинская И.П. и др. О возможности получения композиционных материалов в режиме горения/ В кн.: Процессы горения в химической технологии и металлургии. - Черноголовка, 1975, с. 141-149]. После инициирования реакции горения и полного сгорания шихтовой заготовки осуществляют прессование горячих продуктов. Для уменьшения теплопотерь стенки стакана нагревают с помощью индукционного нагрева. A device for pressing hot products of exothermic reactions, containing a punch and a graphite glass, inside which is placed a workpiece from an exothermic powder mixture [Borovinskaya I.P. and others. On the possibility of obtaining composite materials in the combustion mode / In the book: Combustion processes in chemical technology and metallurgy. - Chernogolovka, 1975, p. 141-149]. After the initiation of the combustion reaction and complete combustion of the charge stock, the hot products are pressed. To reduce heat loss, the walls of the glass are heated by induction heating.

Недостатком указанного устройства является невозможность применения высокого давления прессования для достижения большой степени уплотнения материала. Это связано с тем, что из-за низкой прочности графитового стакана давление прессования получаемых изделий незначительно и составляет всего 5-6 МПа. Максимальная относительная плотность получаемых изделий составляет 0,75-0,83. The disadvantage of this device is the inability to use high pressing pressure to achieve a high degree of compaction of the material. This is due to the fact that, due to the low strength of the graphite cup, the pressing pressure of the resulting products is negligible and amounts to only 5-6 MPa. The maximum relative density of the products is 0.75-0.83.

Наиболее близким аналогом описываемого устройства является устройство для прессования горячих продуктов горения, содержащее пуансон и закрытую стальную матрицу, образованную основанием, промежуточным кольцом с инициирующим устройством и направляющей втулкой и заполненную сыпучей теплоизолирующей оболочкой, внутри которой размещена шихтовая заготовка [патент 2077411, Россия, М. кл. B 22 F 3/14. - Бюл. изобр. N 11, 1997 г.]. После инициирования реакции горения и полного сгорания шихтовой заготовки осуществляют прессование горячих продуктов совместно с оболочкой до образования высокоплотного материала. Сыпучий теплоизолятор исключает контакт горячих продуктов горения с внутренней поверхностью матрицы и паунсоном. Инструмент изготавливается из стали, что позволяет существенно увеличить давление прессования (до 150-200 МПа) и получать практически беспористый материал. The closest analogue of the described device is a device for pressing hot combustion products, containing a punch and a closed steel matrix formed by a base, an intermediate ring with an initiating device and a guide sleeve and filled with a loose heat-insulating shell, inside which a billet is placed [patent 2077411, Russia, M. class B 22 F 3/14. - Bull. fig. N 11, 1997]. After the initiation of the combustion reaction and complete combustion of the charge stock, the hot products are pressed together with the shell to form a high-density material. Bulk heat insulator eliminates the contact of hot combustion products with the inner surface of the matrix and punch. The tool is made of steel, which allows you to significantly increase the pressing pressure (up to 150-200 MPa) and get almost non-porous material.

Недостаток этого устройства состоит в том, что давление прессования от пуансона на продукты горения передается через пористую уплотняемую оболочку. Это означает, что уплотнение продуктов горения осуществляют нежестким инструментом, который также испытывает пластическую деформацию. Причем, чем прочнее продукты горения, тем в большей степени деформируется инструмент-оболочка и в меньшей степени заготовка. Поэтому при прессовании "мягким" инструментом невозможно обеспечить равномерную осевую деформацию заготовки при неоднородном распределении температуры и прочностных свойств по ее объему. Эта неоднородность обусловлена локальным способом инициирования реакции горения, который приводит к несинхронному нагреву и охлаждению отдельных объемов заготовки. В первую очередь реакция протекает в окрестности точки поджига и затем фронт горения распространяется по брикету. За время движения волны горения уже прореагировавшие объемы остывают и к моменту приложения давления прессования в продуктах горения формируется неоднородное температурное поле: по мере приближения к эпицентру волны горения температура материала понижается. Противоположным образом изменяется прочность материала и реакция на инструмент-оболочку. Из-за податливости инструмента осевая деформация холодных объемов будет меньше, чем горячих, и изделие имеет клинообразную форму: высота увеличивается при приближении к точке поджига. Неравномерная толщина приводит к увеличению припуска на механическую обработку изделия. Кроме того, из-за меньшей величины осадки материал в охлажденных объемах имеет пониженную плотность. The disadvantage of this device is that the pressing pressure from the punch to the combustion products is transmitted through a porous sealable shell. This means that the compaction of the combustion products is carried out with a non-rigid tool, which also experiences plastic deformation. Moreover, the stronger the combustion products, the more deformed the tool-shell and to a lesser extent the workpiece. Therefore, when pressing with a “soft” tool, it is impossible to ensure uniform axial deformation of the workpiece with an inhomogeneous distribution of temperature and strength properties over its volume. This heterogeneity is due to the local method of initiating the combustion reaction, which leads to non-synchronous heating and cooling of individual volumes of the workpiece. First of all, the reaction proceeds in the vicinity of the ignition point and then the combustion front propagates along the briquette. During the movement of the combustion wave, the already reacted volumes cool down and by the time the compression pressure is applied, an inhomogeneous temperature field is formed in the combustion products: as the material approaches the epicenter of the combustion wave, the temperature decreases. In the opposite way, the strength of the material and the response to the tool-shell change. Due to the flexibility of the tool, the axial deformation of cold volumes will be less than hot, and the product has a wedge-shaped shape: the height increases when approaching the ignition point. Uneven thickness leads to an increase in the allowance for machining the product. In addition, due to the lower amount of precipitation, the material in the chilled volumes has a reduced density.

Предлагаемое устройство для прессования горячих продуктов экзотермических реакций содержит пуансон и закрытую матрицу, образованную основанием, промежуточным кольцом с инициирующим устройством и направляющей втулкой и заполненную сыпучей теплоизолирующей оболочкой, внутри которой размещена шихтовая заготовка, причем верхние и нижние объемы оболочки выполнены в виде чередующихся слоев сыпучего теплоизолятора и тонких жестких пластин. Слоистое строение этих объемов оболочки определяет эффективную теплоизоляцию и высокую контактную жесткость. В результате длительное время сохраняется высокая температура и деформативная способность продуктов горения и обеспечивается равномерная осадка заготовки при неоднородном распределении температуры и свойств по объему уплотняемого материала. The proposed device for pressing hot products of exothermic reactions contains a punch and a closed matrix formed by a base, an intermediate ring with an initiating device and a guide sleeve and filled with a bulk heat-insulating shell, inside which a billet is placed, the upper and lower volumes of the shell are made in the form of alternating layers of a loose heat insulator and thin hard plates. The layered structure of these shell volumes determines effective thermal insulation and high contact stiffness. As a result, a high temperature and deformability of the combustion products are maintained for a long time and a uniform draft of the workpiece is ensured with an inhomogeneous distribution of temperature and properties over the volume of the material being sealed.

Существо предлагаемого изобретения поясняется чертежом. The essence of the invention is illustrated in the drawing.

На чертеже изображено устройство для прессования горячих продуктов экзотермической реакции, общий вид. The drawing shows a device for pressing hot products of an exothermic reaction, General view.

Устройство содержит пуансон 1 и закрытую матрицу, которая образована основанием 2, промежуточным кольцом 3 и направляющей втулкой 4. В кольце 3 установлено инициирующее устройство, снабженное спиралью-нагревателем 5. Полость матрицы заполнена сыпучим теплоизолятором, внутри которого помещена заготовка 6. В объемах оболочки, осуществляющих осевое сжатие заготовки, установлены тонкие жесткие пластины 7. The device contains a punch 1 and a closed matrix, which is formed by the base 2, the intermediate ring 3 and the guide sleeve 4. In the ring 3, an initiating device is installed, equipped with a spiral heater 5. The cavity of the matrix is filled with a loose heat insulator, inside which the blank 6. is placed. performing axial compression of the workpiece, thin rigid plates 7 are installed.

Устройство работает следующим образом. Полость основания 2 заполняют сыпучим теплоизолятором, например песком, чередуя слои оболочки толщиной 3-5 мм с металлическими пластинами 7 толщиной около 1 мм. Для надежной теплоизоляции достаточно 2-3 песчаных слоя. Последнюю пластину покрывают защитным слоем (стеклотканью) и сверху устанавливают шихтовую заготовку 6. Затем устанавливают промежуточное кольцо 3, обеспечивая контакт заготовки 6 со спиралью 5. Плотность в кольце 3 по периметру заготовки заполняют песком. Заготовку 6 покрывают защитным слоем и, чередуя металлические пластины 7 со слоями песка, формируют верхнюю часть теплоизолирующей оболочки. Сборка устройства завершается установкой направляющей втулки 4 и пуансона 1. При подаче электрического импульса на спираль 5 осуществляют локальный поджиг шихтовой заготовки 6. Горение экзотермической смеси протекает в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, при котором из реагентов образуется целевой продукт. После сгорания всего объема шихтовой заготовки осуществляют совместное прессование горячих продуктов синтеза и теплоизолирующей оболочки. Несинхронный разогрев движущимся фронтом горения приводит к формированию неоднородного распределения температуры и свойств по объему заготовки. Осадка заготовки осуществляется оболочкой, имеющей высокую контактную жесткость, и несмотря на разнопрочность материала компактированное изделие имеет равномерную толщину. По окончании процесса прессования производят разборку устройства, готовое изделие извлекают из оболочки и охлаждают. The device operates as follows. The cavity of the base 2 is filled with a loose heat insulator, for example sand, alternating layers of the shell 3-5 mm thick with metal plates 7 with a thickness of about 1 mm. For reliable thermal insulation, 2-3 sand layers are sufficient. The last plate is covered with a protective layer (fiberglass) and a billet 6 is installed on top. Then an intermediate ring 3 is installed, making contact of the billet 6 with the spiral 5. The density in the ring 3 along the perimeter of the billet is filled with sand. The blank 6 is coated with a protective layer and alternating metal plates 7 with layers of sand form the upper part of the insulating shell. The assembly of the device is completed by installing the guide sleeve 4 and the punch 1. When an electric pulse is applied to the spiral 5, the billet 6 is locally ignited 6. The exothermic mixture burns in the mode of self-propagating high-temperature synthesis, in which the target product is formed from the reagents. After burning the entire volume of the billet charge, the hot synthesis products and the heat-insulating shell are jointly pressed. Asynchronous heating by a moving combustion front leads to the formation of an inhomogeneous distribution of temperature and properties over the volume of the workpiece. The blank is upset by a shell having high contact stiffness, and despite the material being multi-strength, the compacted product has a uniform thickness. At the end of the pressing process, the device is disassembled, the finished product is removed from the shell and cooled.

Предлагаемое устройство позволяет за счет высокой контактной жесткости оболочки-инструмента повысить размерную точность изделий и уменьшить объем последующей механической обработки. The proposed device allows due to the high contact stiffness of the shell-tool to increase the dimensional accuracy of products and reduce the amount of subsequent machining.

Claims

A device for pressing hot products of exothermic reactions, containing a punch and a closed matrix formed by a base, an intermediate ring with an initiating device and a guide sleeve and filled with a loose heat-insulating shell, inside which a billet is placed, characterized in that the upper and lower volumes of the shell are made in the form of alternating layers of bulk heat insulator and thin rigid plates.