CS251972B1

CS251972B1 - Method of pressed pieces preparation by means of isostatic pressing

Info

Publication number: CS251972B1
Application number: CS851642A
Authority: CS
Inventors: Vojtech Pulc
Original assignee: Vojtech Pulc
Priority date: 1985-03-08
Filing date: 1985-03-08
Publication date: 1987-08-13
Also published as: CS164285A1

Abstract

Riešenie sa týká problému zlepšenia mechanických vlastností z tvrdých práškových materiálov vyrobených izostatickým lisováním. Podstata přípravy výliskov spočívá v tom, že na práškový keramický materiál, ktorého částice sú obalené organickým spojivom, sa posobí rozpúšťadlom vo formě pár, ktoré rozpúšťa organické spojivo v čase 1 až 20 hod. pri tlaku 0,1 až 0,2 MPa. Následné sa izostaticky lisuje tlakom do 400 MPa pri teplote nižšej, ako je teplota topenia lisovaného materiálu, a suší pri teplote nižšej, ako je zápalná teplota pár rozpúšťadlá. Sposob přípravy výliskov možno využiť pri výrobě špeciálnej keramiky a v práskovej metalurgii.The solution relates to the problem of mechanical improvement hard powder properties isostatic materials pressing. The essence of the molding preparation lies in that for the ceramic powder material, whose particles are organic with a binder, is treated with a solvent in in the form of a pair which dissolves the organic binder at 1 to 20 hours at a pressure of 0.1 to 0.2 MPa. Subsequent pressure is isostatically pressed up to 400 MPa at a temperature below melting the pressed material, and drying at below the ignition temperature of the vapor solvents. The method of preparing moldings is possible use in the production of special ceramics and in powder metallurgy.

Description

Vynález sa týká spósobu přípravy výliskov izostatickým lisováním z práškového materiálu, ktorého částice sú upravené organickým spojivom.The present invention relates to a process for the preparation of moldings by isostatic pressing from a powder material, the particles of which are treated with an organic binder.

Pri výrobě velkých, tvarovo zložitých súčiastok z práškových materiálov sa používá izostatické lisovanie. Pri tomto sa prášok umiestnený v elastickej formě, tvaru hotovej súčiastky, lisuje všestranným tlakom kvapaliny, účinkom ktorej dochádza k rovnomernej deformácii a zhutneniu výlisku. Cielom tejto operácie je získat polotovar požadovaného tvaru a rozmerov, určený pre dalšie spracovanie. Dóležitým kritériom kvality výliskov je ich tuhost, ktorú možno vyjádřit mechanickými vlastnosťami ako sú pevnosť v ohybe, pevnosť v tlaku a iné. Tieto zabezpečujú odolnost výlisku proti jeho mechanickému poškodeniu pri spekaní. Zvýšené nároky na odolnost proti mechanickému poškodeniu sú kladené na výlisky, ktoré sú po lisovaní podrobené operáciám mechanického spracovania ako napr. sústruženie, vrtanie, frézovanie a pod.Isostatic pressing is used in the manufacture of large, complicated components from powder materials. In this case, the powder, placed in an elastic form, in the shape of the finished component, is pressed by the versatile pressure of the liquid, which causes uniform deformation and compaction of the compact. The aim of this operation is to obtain a blank of the desired shape and dimensions for further processing. An important criterion for the quality of moldings is their stiffness, which can be expressed by mechanical properties such as flexural strength, compressive strength and others. These ensure the resistance of the compact to mechanical damage during sintering. Increased demands on resistance to mechanical damage are placed on moldings which after pressing are subjected to mechanical processing operations such as e.g. turning, drilling, milling, etc.

Súdržnosť prášku je daná účinkom adhéznych a kohézných sil pósobiacich v styčných plochách medzi časticami. Velkost týchto sil a z toho vyplývajúca tuhost výlisku je u práškových materiálov najviac závislá na velkosti styčnej plochy medzi časticami, inými slovami na velkosti měrného povrchu prášku. So zjemňováním prášku, t. j. so zvačšovaním jeho měrného povrchu sa tuhost výlisku zvyšuje. V případe izostatického lisovania velmi jemných práškov s rozmermi častíc po-riadku mikrometre, je možné dosiahnuť relativné dobrú tuhost výliskov i pri lisovaní prášku bez přísad ovplyvňujúcich jeho lisovatelnosť. Ťažkosti vznikajú pri lisovaní velmi tvrdých, například keramických práškov řádové desiatky mikrometrov, kde tuhost výliskov po izostatickom lisovaní je velmi nízká. Takéto prášky sa používajú v prípadoch, keď po lisovaní sa má získat pórovitý výlisok, ktorý sa speká za spolupósobenia chemických reakcií.The cohesiveness of the powder is given by the effect of adhesion and cohesive forces acting in the interface between the particles. The magnitude of these forces and the resulting stiffness of the compact in powdered materials is most dependent on the size of the interface between the particles, in other words the size of the specific surface of the powder. With powder refinement, i. j. as the specific surface area increases, the rigidity of the compact increases. In the case of isostatic compression of very fine powders having a particle size of the order of micrometers, it is possible to achieve a relatively good rigidity of the moldings even when pressing the powder without additives affecting its compressibility. Difficulties arise in the compression of very hard, for example ceramic powders, of the order of tens of micrometers, where the rigidity of the moldings after isostatic pressing is very low. Such powders are used where, after compression, a porous molding is to be obtained which is sintered in conjunction with chemical reactions.

Ide například o spekanie pri súčasnej redukcii povrchových oxidických vrstiev prášku, spekanie spojené s transformáciou východiskových fáz na požadované fázy v reakčnej plynnej atmosféře a pod. V takýchto prípadoch je možné tuhost izostaticky lisovaných súčiastok ovplyvňo-vať pomocou róznych přísad zlepšujúcich lisovatetnosť prášku a zvyšujúcich adhézne a kohézne sily medzi časticami.These include sintering while reducing the surface oxide layers of the powder, sintering associated with the transformation of the starting phases to the desired phases in the reaction gas atmosphere, and the like. In such cases, the stiffness of the isostatically pressed parts can be influenced by various additives improving the compressibility of the powder and increasing the adhesion and cohesive forces between the particles.

Pri doterajších spósobocli izostatického lisovania práškových materiálov pri izbovej teplote sa prášok lisuje obvykle v uzatvorenom puzdre z elastického poddajného materiálu napr. z gumy, plastu a pod. Súčiastky sa llsujú najčastejšie bez spojiva pri tlaku najmenej 100 MPa pri izbovej teplote alebo pri iných teplotách, ktoré sú však podstatné nižšie ako je spekacia teplota daného materiálu. Potom sa výlisky podta potřeby opracovávajú na běžných obrábacích strojoch na želaný tvar. Na zvýšenie tuhosti izostaticky lisovaných súčiastok sa používajú rožne přísady, ktoré sa do prášku pridávajú ešte před jeho lisováním. Tieto sa po vybraní výlisku z puzdra odstránia ohrevom na teploty, pri ktorých nastáva ich sublimácia alebo spálenie. Na zmenšenie trenia medzi časticami a zvýšenie tuhosti prášku sa obvykle používá přísada 1 až 5 hmot. % vosku, a to bud vo formě jemné ho prášku, alebo vo formě emulzie. Známy je spósob pridávania vosku vo formě horúceho benzolového roztoku, ktorý je homogénne rozmiešaný s keramickým práškom. Po odstránení rozpúšťadla je voskom obalený prášok přetlačený cez šito za účelom získania sypkej tvarovatelnej hmoty, ktorá sa dalej izostaticky lisuje tým istým spósobom, ako čistý prášok. Nevýhodou uvedených spósobov zvyšovania tuhosti výlisku je, že vypalOvaním vosku sa obyčajne tvoria produkty krakovania, ktoré nie je možné spotahlivo z výlisku odstrániť, a ktoré nepriaznivo vplývajú na priebeh spekania pri spolupůsobení chemických reakcií. Nevýhodou je tiež zhoršenie sypných vlastností zmesi.In the prior art methods of isostatic compression of powder materials at room temperature, the powder is usually compressed in a closed housing of an elastic flexible material e.g. of rubber, plastic and the like. The components are most often bonded without a binder at a pressure of at least 100 MPa at room temperature or at other temperatures that are substantially lower than the sintering temperature of the material. Then, the moldings, if desired, are machined to the desired shape on conventional machine tools. Various additives are used to increase the stiffness of the isostatically compressed components and are added to the powder prior to compression. After removal of the molding from the casing, these are removed by heating to temperatures at which they are sublimated or incinerated. In order to reduce the friction between the particles and increase the stiffness of the powder, an additive of 1 to 5 wt. % wax, either in the form of a fine powder or in the form of an emulsion. It is known to add a wax in the form of a hot benzole solution which is homogeneously mixed with a ceramic powder. After removal of the solvent, the wax-coated powder is passed through a sieve in order to obtain a free-flowing moldable mass which is further isostatically pressed in the same manner as the pure powder. A disadvantage of these methods of increasing the stiffness of the compact is that by burning the wax, cracking products are usually formed which cannot be removed from the compact and which adversely affect the sintering process through the interaction of chemical reactions. A disadvantage is also the deterioration of the flow properties of the mixture.

Pri zvyšovaní tuhosti výliskóv sa ako přísada používajú tiež rózne organické spojivá, napr. methylcelulóza, nitrocelulóza, polystyrol a pod. Sú to 1'ahko odkúritelné spojivá, ktoré sa najčastejšie přidávají! vo formě roztokov, ktoré sa před lisováním homogénne rozmiešajú s keramickým práškom, takže vznikne plastická tvarovatei'ná zmes, v ktorej sú jednotlivé částice dokonale obalené spojivom. Takúto zmes možno připravit i takým spósobom, že sa spojivo do keramického materiálu přidá v práškovej formě a zmes sa zmieša spolu s rozpúšťadlom, ktoré rozpustí přítomné spojivo, ktoré potom obalí částice prášku a. zabezpečí vazbu medzi nimi. Uvedené sposoby zvyšovania pevnosti výliskov sa používajú pri běžných spósoboch lisovania keramických práškov v kovových formách alebo v kontinuálnych pretlačovacích lisoch, kde je možné lisovaný prášok l'ahko spracovaf vo formě tvarovatelnej plastické) hmoty.To increase the stiffness of the moldings, various organic binders, e.g. methylcellulose, nitrocellulose, polystyrol and the like. They are easy-to-smoke binders that are most commonly added! in the form of solutions which are homogeneously mixed with the ceramic powder prior to compression, so as to form a plastic moldable mixture in which the individual particles are perfectly coated with the binder. Such a mixture can also be prepared in such a way that the binder is added to the ceramic material in powder form and the mixture is mixed with a solvent which dissolves the binder present, which then encapsulates the powder particles a. ensure the link between them. Said methods of increasing the strength of the compacts are used in conventional methods of compressing ceramic powders in metal molds or in continuous extrusion presses where the compressed powder can be easily processed in the form of a moldable plastic.

Uvedený spósob zvyšovania pevnosti výliskov však nie je možné použit pri izostatickom lisovaní tvrdých práškových materiálov v elastických formách. Najvačšie problémy vznikajú pri plnění foriem. Vzhladom na radiálně zníženie sypných vlastností zmesi, v dósledku přítomnosti polotekutého alebo tekutého spojiva, dochádza pri plnění foriem k vzniku róznych anomálií, ako sú uzatvorené vzduchové bubliny, nerovnoměrná hustota zmesi, nevyplněné odlahlé a zničené miesta výlisku a pod. Výsledkom toho je vznik zdeformovaných výliskov, ktoré nie je možné pre dalšie spracovanie použit.However, this method of increasing the strength of the compacts cannot be used in isostatic compression of hard powder materials in elastic forms. The biggest problems arise when filling molds. Due to the radial reduction of the flow properties of the mixture due to the presence of a semi-liquid or liquid binder, various molding anomalies, such as closed air bubbles, uneven density of the mixture, unfilled distilled and destroyed parts of the molding, occur. This results in deformed moldings which cannot be used for further processing.

Nedostatky uvedených spósobov odstraňuje spósob přípravy výliskov izostatickýmThe drawbacks of the above methods are eliminated by the isostatic method for the preparation of moldings

I lisováním z práškového keramického materiálu, ktorého častíce sú upravené organickým spojivom, ako sú deriváty celulózy, polyetylén, polystyrén, akryiáty v množstve í až 20 % hmot, ktorého podstatou je, že na upravený práškový keramický materiál sa působí organickým rozpúšfa.dlom vo formě pár, ktoré rozpúšťa organické spojivo v čase 1 až 20 hod. pri tlaku 0,1 až 0,2 MPa. Následné sa zmes izostaticky lisuje tlakom do 400 MPa pri teplote nižšej ako je teplota topenia lisovaného materiálu a suší sa pri teplete nižšej ako je zápalná teplota pár rozpúšťadla.Also by pressing of powdered ceramic material whose particles are treated with an organic binder, such as cellulose derivatives, polyethylene, polystyrene, acrylates in an amount of up to 20% by weight, which is based on the treated powdered ceramic material being treated with an organic solvent in the form of vapor that dissolves the organic binder within 1 to 20 hours. at a pressure of 0.1 to 0.2 MPa. Subsequently, the mixture is isostatically pressed at a pressure of up to 400 MPa at a temperature below the melting point of the molded material and dried at a temperature below the ignition temperature of the solvent vapor.

VeřkeRÍ častíc prášku može bv' až do 200 /.rm. Množstvo organického spojiva závisí od granulometrického zleženia prášku a od požadovanej pevnosti výlisku. Množstvo rozpúšťadla potřebné na rozpustenie organického spojiva pri úpravě prášku sa volí tak., aby vznikla 1'ahko miešateťná polotekutá t ž tekutá suspenzia, v ktorej každá častica je obalená roztokom spojiva. Zo zhomogenízovanej snspenzie sa potem odstráni organické spojivo odpařením na vol'nom vzduchu alebo vo vákuu do 5 . ICh'² Pa pri teplote nižšej ako je zápalná teplota pár rozpúšťadla. Činstočne alebo úplné vytvrdená hmota sa dalej zjemní niektorými zo známých sposobov, ako je napr. pretiáčsníe cez šito, mlniie v gutových mlynoch a pod. Týmto sposobom sa získá granulačná zmes, v ktorej jednotlivé částice prášku sú pokryté rovnoměrnou vrstvou tuhého organického spojiva. Zmes sa vyznačuje vysokou sypnos^:’ou, čo umožňuje !’ahké a homogenně naplnenio elastických foriem, a to bez ohledu na tvar a rozměry výlisku.Large particles of powder may be up to 200 µm. The amount of organic binder depends on the particle size distribution of the powder and the desired compactness of the compact. The amount of solvent required to dissolve the organic binder in the treatment of the powder is selected so as to form a lightly miscible semi-liquid, heavy liquid suspension in which each particle is coated with a binder solution. The organic binder is then removed from the homogenized suspension by evaporation in open air or under vacuum to 5 ° C. Ch ^'2 Pa at a temperature below the ignition temperature of the solvent vapor. The curled or fully cured mass is further refined by some of the known methods, such as e.g. squeeze through the sieve, mill in gutter mills and the like. In this way, a granulation mixture is obtained in which the individual powder particles are coated with an even layer of solid organic binder. The mixture has high ^flowability, 'ou allowing! "Lightweight and homogeneously naplnenio elastic molds, whatever the shape and size of the blank.

Po naplnění a uzatvorení formy sa táto vákuuje na tlak do 5 . 10 ³ Pa s cieťom odstrániť vzduch s volného priestoru medzi granulami. Po' odstranění vzduchu sa do vnútra formy privedie rozpúšťadlo v plynnom stave o tlaku rovnajúcemu sa přibližné tlaku okolitej atmosféry. Páry rozpúšťadla rovnoměrně vyplnia volný priestor me6 dzi granulami zmesi, pričom leh účinkem dochádza k zmákčeniu přítomného spojiva. Čas posobenia pár rozpúšťadla na organické spojivo sa pohybuje v rozsahu od 1 do 20 hod.After filling and closing the mold, it is vacuumed to a pressure of up to 5. 10 ³ Pa with the aim of removing air from the free space between the granules. After the air has been removed, a solvent in a gaseous state is introduced into the mold at a pressure equal to the approximate pressure of the ambient atmosphere. The solvent vapors evenly fill the void space between the granules of the mixture, with the effect of wetting the binder present. The residence time of the solvent vapor on the organic binder ranges from 1 to 20 hours.

Prášok spolu so zmákčeným spojivom sa potom izostaticky lisuje pri tlaku do 400 MPa pri izbovej teplote alebo pri teplotách podstatné nižších, ako je spekacla teplota daného materiálu. V dosedku lepiaceho účinku zmákčeného spojiva a za spolupósobenia izostatického tlaku nastane těsné spojenie jednotlivých častíc prášku. Po odstránení elastického obalu sa výlisok nakoutec vysuší pri teplote nižšej ako je zápalná teplota pár rozpúšťadla. Pri tomto dochádza k odstraněním rozpúšťadla a k definitívnemu vytvrdeniu výlisku.The powder together with the wetted binder is then isostatically compressed at a pressure of up to 400 MPa at room temperature or at temperatures substantially lower than the sintering temperature of the material. Due to the adhesive effect of the wetted binder and the application of isostatic pressure, the individual particles of the powder are tightly joined. After removal of the elastic coating, the molded part is dried at a temperature below the ignition temperature of the solvent vapor. The solvent is removed and the compact is finally cured.

Popísaný spósob bol použitý pri izostatickom lisovaní práškového kremíka. Lisovaný prášok bol připravený mletím polovodičového kremíka vysokej čistoty o tvrdosti HM 100==1 250.The method described was used in isostatic compression of silicon powder. The compressed powder was prepared by grinding a high purity semiconductor silicon having a hardness of HM 100 = 1250.

Maximálny rozměr častíc prášku bol 50 μτη. Prášok bez organického spojiva sa vyznačoval velmi zlou lisovatefnosfou, čo sa prejavovalo v mimoriadne nízkej tuhosti výliskov. Pevnost v tlaku bola nižšia ako 4,7 MPa. Připravili sa granule obsahu júce 1,5 pere. hmot. polymetyhnetakrylátu rozpuštěného v chloroforme a lisovali sa izostaticky tlakom 400 MPa. Pevnost výliskov spojivom bez posobenia pár chloroformu bola 4,7 MPa. V rovnako upravenej dalšej vzorke sa vsádzka před lisováním vyevakuovala vodnou vývevou tlakom 1 590 Pa a působilo sa na ňu parami chloroformu počeš 2 hodin. Pevnost v tlaku výsledného výlisku za, tých istých podmienok ako v prvom orípsde bola 19,8 MPa. Okrem vysokej pevnosti sa výlisky prejavovali homogénnou struktúron v celom objeme, a to bez ohfadu na ich tvar a rozměry.The maximum particle size of the powder was 50 μτη. The powder without organic binder was characterized by very poor compressibility, which resulted in an extremely low stiffness of the moldings. The compressive strength was less than 4.7 MPa. Granules containing 1.5 pens were prepared. wt. polymethymethacrylate dissolved in chloroform and pressed isostatically at 400 MPa. The strength of the binder moldings without chloroform vapor deposition was 4.7 MPa. In the same treated sample, the batch was evacuated with a water pump at a pressure of 15 mmHg and pressurized with chloroform vapors for 2 hours before pressing. The compressive strength of the resulting compact under the same conditions as in the first orbit was 19.8 MPa. In addition to the high strength, the moldings exhibited a homogeneous structure throughout the volume, regardless of their shape and dimensions.

Uvedený spósob možno použít pri přípravě výrobkov špeciálnej keramiky a v prásko ve j metalurgii.This method can be used in the preparation of specialty ceramic products and in powder metallurgy.

Claims

1. Process for the preparation of moldings by isustatic pressing of ceramic or metal powder material, the particles of which are treated with an organic binder such as cellulose derivatives, polyethylene, polystyrene, acrylates in an amount of 1 to 20% by weight, characterized in that the metallic material is dispersed with an organic solvent in the form of vapors which dissolves the organic binder within 1 to 20 of the invention. at a pressure of 0.1 to 0.2 MPa, subsequently isostatically compressed to 400 MPa at a temperature below the melting point of the molded material and dried at a temperature below the ignition temperature of the solvent vapor.

2. A method according to claim 1, characterized in that air is evacuated to a pressure of up to 1.3 Pa from the space between the granules of the treated powder before the solvent is present in the form of vapors.