В конце XVIII века английский предприниматель и механик Джозеф Брама запатентовал конструкцию гидравлического пресса и предложил делать с его помощью свинцовые трубы продавливанием металла сквозь кольцевое отверстие матрицы, а в 1820 году инженер Томас Бурр для этой цели построил специальный пресс. К концу XIX века освоили изготовление экструдированием (то есть выдавливанием) уже медных труб и прутков.
Новый технологический процесс получил право на жизнь и стал быстро развиваться. Оказалось, что всестороннее сжатие заготовки пуансоном в контейнере повышает пластичность хрупких и малопластичных металлов и сплавов (рис. 1). Сегодня экструдирование горячих заготовок широко используется для получения из них прутков и профилей. Однако широкое применение этой технологии показало, что наряду с очевидными преимуществами она имеет и недостатки, затрудняющие её использование.
Так, при экструдировании материала между ним и стенками контейнера, пуансоном и стенками матрицы возникает сухое трение, вызывающее интенсивный износ инструмента. Это, во-первых, удорожает процесс, а во-вторых, снижает качество поверхности и точность размеров готовой детали. Поэтому её приходится дополнительно калибровать на специальных станах.
При уплотнении порошков из-за трения их зёрен о стенки контейнера давление на материал уменьшается по мере удаления от торца пуансона. Плотность порошка снижается, а неравномерность уплотнения резко ухудшает качество спечённого изделия.
От этих недостатков удалось избавиться после перехода к технологии гидростатической экструзии и уплотнения порошков.
В начале XX века американский физик Перси У. Бриджмен провёл серию фундаментальных исследований различных материалов при высоком давлении (полученные им результаты были отмечены Нобелевской премией по физике в 1946 году). Исследуя поведение хрупких тел, он обнаружил, что под всесторонним давлением выше 15—20 ГПа (около 10 тысяч кгс/см2) их свойства резко меняются. Даже довольно хрупкие материалы, вроде известняка и мела, становятся пластичными, и в этих условиях их можно без разрушения выдавливать через щель в матрице.
К семидесятым годам ХХ века результаты Бридж-мена уже использовали в промышленности. Так, например, был разработан процесс гидростатической экструзии некоторых кристаллов, которые применяют в качестве датчиков ионизирующего излучения. Прочность этих исходно очень хрупких веществ существенно повышалась, работать с ними становилось гораздо проще. Гидростатическое уплотнение применялось и в порошковой металлургии.
При гидростатической экструзии за счёт высокого всестороннего сжатия происходит «замыкание» микродефектов обрабатываемого материала, его пластичность резко повышается, структура за счёт деформации улучшается. Появляется возможность получать профили сложной формы из малопластичных и хрупких материалов (например, молибдена, относительное удлинение которого менее 3%). При гидростатическом уплотнении порошков трение на поверхности заготовки отсутствует, поэтому давление распределяется равномерно по всему объёму, обеспечивая однородную плотность спрессованного изделия. Однако данная технология не получила широкого распространения по нескольким причинам.
Во-первых, использовались только относительно низкие рабочие давления — до 500—600 МПа (примерно 5—6 тысяч кгс/см2). Освоенные к тому времени промышленные уплотнения (см. рис. 2), которые герметизируют рабочую камеру, и сами камеры не могли работать при более высоких давлениях. Рабочие камеры и уплотнения, созданные Перси У. Бриджменом, выдерживали давления до 10 ГПа, но это было лабораторное оборудование. Уплотнения выдерживали только несколько рабочих циклов, и значительная часть усилия пресса уходила на преодоление их трения о стенки рабочей камеры. Сами же рабочие камеры были небольшого размера и очень дороги. Это оборудование, вполне пригодное для лабораторных исследований, для работы в промышленных условиях не годилось.
Во-вторых, была освоена только холодная гидростатическая обработка: ни одна рабочая жидкость не выдерживала температуру выше 400оС. А это резко сужало область применения метода, так как большинство высокопрочных металлов и сплавов деформируют при температуре выше 1100оС. В лабораторных исследованиях «горячего» процесса часто использовали так называемые псевдожидкости, например коллоидный графит. Но процессы с его применением теряли ряд преимуществ из-за заметного внутреннего трения и были нетехнологичны.
Для внедрения гидростатической обработки в промышленности необходимо было повысить рабочие давления установок (по оценкам, до 2 Гпа) и освоить методы обработки раскалённых заготовок без применения специальных рабочих жидкостей и коллоидного графита.
К 2005 году компания MLC Extrusion Systems эти задачи решила. Обсуждая проблемы горячей гидростатической обработки, инженеры — специалисты по обработке металлов давлением обратили внимание на поведение воды на поверхности стального листа, нагретого выше 1000оС и проходящего через листопрокатный стан. На раскалённой поверхности вода практически не испаряется, так как под каплями воды образуется парогазовая прослойка, которая обладает крайне низкой теплопроводностью (что, кстати, создаёт технологические трудности при необходимости быстро охладить горячий металл).
Этот эффект и стали использовать при горячей гидростатической обработке (рис. 3). Ни возгорания рабочей жидкости (обычно — маловязкого машинного масла), ни взрыва не происходит, так как в камере практически нет кислорода, а мгновенное повышение давления стабилизирует парогазовую прослойку вокруг горячей заготовки, экранируя её от масла. Эксперименты, проведённые в MLC Extrusion Systems, показали: заготовка в масле под давлением выше 150—200 МПа остывает в полтора-два раза медленнее, чем на открытом воздухе.
После полугода экспериментов процесс горячей гидростатической экструзии был запатентован (патент США № 7,250,131; патент PCT WO 2002/026409) и используется фирмой при выполнении заказов.
Промышленные уплотнения для сверхвысоких давлений до 2 ГПа должны отвечать ряду часто противоречивых требований. Они должны быть долговечными, то есть выдерживать сотни циклов нагружения и создавать малое сопротивление трения. Это сразу исключает возможность использовать многорядные конструкции с применением эластичных материалов.
С другой стороны, под действием сверхвысоких давлений внутренний диаметр камеры увеличивается: 50-миллиметровую камеру с толщиной стенки 150 мм давление 2000 МПа раздувает примерно на 0,7 мм. Конструкция уплотнения должна компенсировать возникающий зазор, а металлический уплотняющий элемент — иметь достаточную прочность, чтобы не разрушаться под действием давления. Однако в начальный период подъёма давления жёсткий металл не сможет обеспечить герметичность, и в узле уплотнения необходимо иметь ещё и эластичную деталь. При увеличении давления сверх некоторого предела она должна исключаться из работы из-за малой прочности. Кроме того, нужно обеспечить быструю замену всего узла уплотнения.
Уплотнение, разработанное нашей фирмой (патент США № 7,121,554; патент PCT WO/2002/055913), отвечает всем этим требованиям (рис. 4).
При низком давлении камеру цилиндра герметизируют тефлоновое кольцо и плотная посадка стального кольца (рис. 4а). При повышении давления и увеличении деформации цилиндра (рис. 4б) стальное кольцо, распираемое внутренним давлением, прижимается к внутренней поверхности цилиндра, компенсируя его деформацию. Кроме того, оно прижимается к нижнему торцу бронзового кольца, герметизируя камеру. Тефлоновое кольцо, подвергнутое всестороннему сжатию, уже практически не касается поверхностей плунжера и металлических колец. Потери на трение в этом уплотнении невелики благодаря малой площади контакта бронзового кольца с поверхностью плунжера и хорошим антифрикционным свойствам тефлона.
Эксперименты, проведённые с этими уплотнениями, показывают, что они работают при давлении до 2 ГПа в камерах с внутренним диаметром до 150—200 мм (то есть на установках мощностью до 6300 тонна-силы).
Проектирование камер высокого давления вызывает значительные трудности, так как условия их работы вплотную приближаются к пределу прочности материала камер, который вдобавок очень дорог. Это заставляет тщательно подбирать размеры рабочей камеры и наилучшим образом использовать возможности материала. С этой целью было разработано программное обеспечение для выбора оптимальных по прочности конструкций камер для работы с давлениями до 2 ГПа.
В процессе исследования и проектирования оборудования были освоены две группы технологических процессов.
Холодная и горячая гидростатическая экструзия. Рабочая жидкость при сверхвысоком давлении проникает между материалом и стенками матрицы, создавая практически жидкое трение. Это позволяет получать большие вытяжки за один проход, уменьшает износ инструмента, повышает точность размеров поперечного сечения изделия и качество его поверхности, соответствующего чистовой обработке.
Холодное и горячее гидростатическое уплотнение порошков. Значительную часть режущего инструмента изготавливают методом порошковой металлургии из сырья на базе карбида вольфрама и других металлокерамик, а в машиностроении и приборостроении широко используют детали из спечённых металлических и керамических порошков.
Перед спеканием порошки формуют и уплотняют, обычно добавляя в них органическую связку. За счёт её выгорания и неплотной упаковки частиц порошка в детали остаются микроскопические поры.
Уплотнение порошка сверхвысоким давлением не только снижает пористость, но и значительно уменьшает усадку при спекании. Это особенно чётко ощущается при изготовлении деталей малых размеров, например микросвёрл для электронной и электротехнической промышленности.
Считалось, что порошок существенно уплотняется при давлении до 80—100 МПа, а при росте до 600—700 МПа его плотность повышается мало. Однако проведённое нами исследование порошков металлического вольфрама и карбида вольфрама доказало, что под действием сверхвысокого давления (порядка 1800 МПа) можно получить спрессованный образец плотностью 88—95% от плотности сплошного материала.
Усадка при спекании образцов, уплотнённых давлением 1800—1900 МПа, была во много раз меньше, чем при спекании образцов с органическим связующим. Кроме того, уплотнённые без органической связки образцы после снятия давления не только сохраняли форму, но и оказались настолько прочны, что допускали обработку до спекания обычным твердосплавным инструментом, а не дорогостоящим алмазным, расход которого очень велик.
В качестве примера использования уплотнения жидкостью сверхвысокого давления можно привести неспечённый стержень из уплотнённого при давлении 1600 МПа порошка вольфрама (W — 90%, Fe + Ni — 10%) плотностью 90%, который частично обработан точением (поз. 1 на фото вверху). На позиции 8 — деталь из того же порошка, полученная токарной обработкой до спекания после уплотнения давлением 1600 МПа (плотность 90%).
При уплотнении жёстким пуансоном трение порошка о стенки контейнера уменьшает уплотняющее усилие по мере удаления от торца пуансона. Поэтому для получения равномерной плотности по высоте приходится работать с невысокими столбиками порошка («таблетками»), что существенно снижает производительность процесса. Однако даже в «таблетках» плотность в поперечном направлении остаётся неравномерной за счёт сдвигающих усилий из-за трения со стенками контейнера.
Гидростатическое уплотнение обеспечивает высокую равномерность плотности порошка благодаря всестороннему давлению жидкости и отсутствию контакта порошка со стенками контейнера. Поэтому производительность этого процесса может быть очень высока, так как работать можно не с «таблетками», а с длинными стержнями без снижения качества заготовок.
