Способ индукционного нагрева компактированных заготовок из порошковых материалов

 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для нагрева при спекании и последующем горячем прессовании. Способ включает нагрев заготовки с помощью индуктора, при этом при нагреве задают разность температуры между наружной поверхностью и центральной частью заготовки, не превышающую величины, определяемой по формуле где T_o - температура центральной части заготовки; ν - коэффициент Пуассона материала заготовки. Способ позволяет сохранить целостность цилиндрических заготовок из порошковых материалов за счет исключения появления осевых растягивающих напряжений.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам нагрева цилиндрических компактированных заготовок горячим прессованием, и может быть использовано для нагрева изделий при спекании и последующем горячем прессовании.

Известен способ индукционного нагрева заготовок перед динамическим прессованием с использованием токов высокой частоты, который обеспечивает высокую производительность и создает возможность для автоматизации процесса (см. Дорофеев Ю. Г. Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок. - М.: Металлургия, 1977, с. 79).

Причины, препятствующие получению требуемого технического результата, заключаются в неравномерности нагрева заготовок в случае когда они имеют ступенчатую форму, что приводит к снижению качества изделий, получаемых после пластического прессования.

Известен способ индукционного нагрева спеченных заготовок ступенчатой формы (см. А. С. СССР N 839693, МПК⁶ B 22 F 3/24, 26.06.81, Дорофеев Ю.Г., Мищенко В.Н., Костенко А.В. и др. Способ индукционного нагрева спеченных заготовок ступенчатой формы; прототип), который включает попарное размещение заготовок в индукторе с образованием составной сборки замкнутой формы и, соответственно, с единым магнитопроводом и последующий нагрев токами высокой частоты. Способ может быть использован для ступенчатых заготовок и для цилиндрических заготовок со срезом на торцах.

Причина, препятствующая получению требуемого технического результата, заключается в том, что при нагреве заготовок возникают осевые растягивающие напряжения, которые приводят к снижению прочности и нарушению целостности заготовок после нагрева.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - сохранение целостности цилиндрических, компактированных заготовок из порошковых материалов за счет исключения появления осевых растягивающих напряжений.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе индукционного нагрева, включающем нагрев заготовки с помощью индуктора, обеспечивают разность температуры между наружной поверхностью и центральной частью заготовки, не превышающую величины, определяемой по формуле где Δ T= T₁-T₀ - разность температуры между наружной поверхностью и центральной частью заготовки; T₁ - температура наружной поверхности; T₀ - температура центральной части заготовки; ν - коэффициент Пуассона материала заготовки.

Соотношение (1) получено из расчета напряженного состояния цилиндрической заготовки при индукционном нагреве. Заготовки одного диаметра при нагреве в индукторе располагают торец в торец, что дает возможность рассматривать данную сборку как единую длинную заготовку, решать задачу о температурных напряжениях в длинном цилиндре с симметрично относительно оси распределенной температурой для условий плоского деформированного состояния, когда осевая деформация ε_z = 0 (см. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1975. С. 576). Напряженное состояние заготовки при нагреве определяют радиальное напряжение σ_r, окружное напряжение σ_Θ, осевое напряжение σ_z согласно соотношениям где - температурная функция; α - коэффициент линейного расширения материала заготовки; - безразмерная радиальная координата;
R - радиус заготовки;
E - модуль упругости материала.

Учитывая оценочный характер прочностного расчета заготовки, принимают температурную функцию в виде линейной зависимости

Подставив (3) в соотношения (2), после интегрирования и упрощений получают

Из расчетов по формулам (4) следует, что на наружной поверхности заготовки ( = 1) действуют только сжимающие напряжения, т.е. поверхность заготовки не вызывает опасений с точки зрения разрушения.

Соответственно, из уравнений (4) получают следующие соотношения при = 0, т.е. для оси заготовки

На оси заготовки радиальные и окружные напряжения будут растягивающими и равными между собой, осевое напряжение - как растягивающее, так и сжимающее, - в зависимости от соотношения T₀ и ΔT. Поскольку давление компактирования не обеспечивает достаточно прочной связи частиц гранулята, то с точки зрения прочности опасными будут любые растягивающие напряжения. Особую опасность представляют осевые растягивающие напряжения, которые приводят к расслоению заготовки в осевом направлении. Расслоение заготовки не обеспечивает ее спекания и приводит к браку при прессовании после спекания. Из условий недопустимости появления осевых растягивающих напряжений ( σ_z ≥ 0), получаем условие прочности

из которого после преобразований получаем формулу (1).

Пример
Нагревали цилиндрические заготовки диаметром 50 мм из дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе порошковой меди. Предварительно из порошковой меди, механически легированной специальными дисперсными добавками, прессовали заготовки в холодном состоянии. Брикетированные заготовки нагревали для спекания и последующего горячего прессования токами высокой частоты. С целью контроля температурного режима две заготовки снабдили термопарами. Одна термопара фиксирует температуру наружной поверхности T₁, вторая термопара фиксирует температуру на оси заготовки T₀. За счет особенностей индукционного нагрева температура T₁ превышает Т₀, разность температур при этом ΔT=T₁-T₀ приводит к появлению термоупругих напряжений.

Одна заготовка была нагрета током высокой частоты (66 кГц) до температуры T₀ = 400^oC. T₁ при этом была равна 800^oC, т.е. ΔT составило 400^oC. Заготовка при нагреве сохранила целостность, трещин и расслоений не наблюдалось.

Вторая заготовка была нагрета током высокой частоты (99 кГц) до температуры T₀ = 400^oC, T₁ при этом была равна 1050^oC, т.е. ΔT составило 650^oC. Заготовка от действия термоупругих осевых напряжений σ_z имела расслоение в плоскости, перпендикулярной оси.

По формуле (1) для ν =0,5 получили разность температур, обеспечивающую сохранение целостности заготовки Δ ≤ 1,5 T₀. Для T₀=400^oC предельная температура наружной поверхности не должна превышать 1000^oC. Превышение предельного значения ΔT привело к появлению трещины во второй заготовке.

Выбор режима индукционного нагрева обеспечил отсутствие осевых растягивающих напряжений при нагреве заготовки.

Предлагаемый способ прост в осуществлении, повышает качество готовых изделий, т.к. обеспечивает целостность и прочность компактируемых заготовок из порошковых материалов.

Формула изобретения

Способ индукционного нагрева цилиндрических компактированных заготовок из порошковых материалов, включающий нагрев заготовки с помощью индуктора, отличающийся тем, что при нагреве задают разность температуры между наружной поверхностью и центральной частью заготовки, не превышающую величины, определяемой по формуле

где Т_о - температура центральной части заготовки;
ν - коэффициент Пуассона материала заготовки.