RU2836113C1

RU2836113C1 - Method of producing bars from metal powder by hot extrusion

Info

Publication number: RU2836113C1
Application number: RU2024113820A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сабитович Юсупов; Михаил Павлович Куприков; Роман Дмитриевич Карелин; Владимир Александрович Андреев; Виктор Сергеевич Комаров; Карен Эдуардович Акопян; Николай Викторович Якушевич; Надежда Владимировна Лайшева; Галина Юрьевна Лазаренко
Filing date: 2024-05-22
Publication date: 2025-03-11

Abstract

FIELD: powder metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly, to production of bars from metal powders. It can be used for processing of wastes from additive manufacturing in the form of metal powders. Titanium hydride is placed on the bottom of the capsule in the form of a reusable cup made from heat-resistant steel, a hydrogen-permeable movable partition is placed on it, and metal powder is filled. Heating is carried out to deformation temperature, which is accompanied by decomposition of titanium hydride and release of hydrogen, which, when passing through said hydrogen-permeable partition, cleans the surface of the metal powder. Extrusion is carried out using a puncheon with a diameter equal to the inner diameter of a reusable cup from heat-resistant steel, with a drawing ratio λ=1.5-16.

EFFECT: low content of gas impurities and high relative density.

1 cl, 1 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения прутков из металлических порошков методами обработки давлением, и может быть использовано в том числе для переработки металлических порошков, полученных в виде отходов от аддитивного производства.The invention relates to powder metallurgy, in particular to methods for producing rods from metal powders using pressure processing methods, and can be used, among other things, for processing metal powders obtained as waste from additive manufacturing.

Известен способ получения длинномерных прутков титана и его сплавов методом экструзии с использованием сдвиговой деформации РКУП-Конформ, заключающийся в том, что на первом этапе порошковая масса подается на вращающееся колесо, где происходит ее нагрев за счет внутреннего трения между частицами порошка, а также между порошком и поверхностью рабочего инструмента и увеличение плотности до момента поступления порошка в отверстие матрицы. Далее при увеличении давления и температуры порошок экструдируется через канал матрицы, расположенный радиально по отношению к колесу. В результате чего из исходного порошка получают пруток определенного диаметра. Излишки материала, которые остаются на барабане, срезаются специальным ножом (Патент США №9468960, МПК С22С 14/00; С22С 19/00, 2012).A method for producing long rods of titanium and its alloys by extrusion using ECAP-Conform shear deformation is known. It consists in the fact that at the first stage the powder mass is fed to a rotating wheel, where it is heated due to internal friction between the powder particles, as well as between the powder and the surface of the working tool, and the density increases until the powder enters the die hole. Then, with an increase in pressure and temperature, the powder is extruded through the die channel located radially with respect to the wheel. As a result, a rod of a certain diameter is obtained from the original powder. Excess material that remains on the drum is cut off with a special knife (US Patent No. 9468960, IPC C22C 14/00; C22C 19/00, 2012).

Недостатки описанного способа заключаются, во-первых, в отсутствии защитной атмосферы и возможном окислении порошкового материала при чрезмерном нагреве в процессе деформации. Также при использовании данного метода для обработки порошковых материалов отсутствует возможность использования смазки, что приводит к повышенным усилиям деформации, и как следствие, отсутствию возможности прессования материалов с повышенной прочностью, а также дополнительному износу оборудования.The disadvantages of the described method are, firstly, the absence of a protective atmosphere and possible oxidation of the powder material during excessive heating during the deformation process. Also, when using this method for processing powder materials, there is no possibility of using lubricants, which leads to increased deformation forces, and as a consequence, the lack of the ability to press materials with increased strength, as well as additional wear of the equipment.

Известен способ получения деформированных полуфабрикатов из металлической стружки методом горячей экструзии, включающий дробление и очистку стружки, холодное прессование брикетов, укладку брикетов в металлическую капсулу с последующей герметизацией, например сваркой, нагрев, загрузку в прессовую оснастку и горячую деформацию до относительной плотности стружечной массы не менее 0,95. Перед холодным прессованием брикетов проводят дегазацию стружки, а горячую деформацию осуществляют путем прессования с последующим прорывом дна капсулы и экструзией стружечной массы через отверстие матрицы прессовой оснастки, после чего экструдированные заготовки подвергают отжигу и дополнительной горячей деформации, например прокатке (Патент РФ №2228960, С22В 1/248, 7/00, B22F 8/00). К недостаткам данного способа следует отнести необходимость предварительного холодного прессования стружки, а также укладку спрессованных брикетов в капсулу перед герметизацией, что может привести к внедрению газовых примесей, которые были удалены дегазацией стружки перед холодным прессованием.A method is known for producing deformed semi-finished products from metal chips by hot extrusion, including crushing and cleaning the chips, cold pressing the briquettes, placing the briquettes in a metal capsule with subsequent sealing, for example, by welding, heating, loading into a press tooling and hot deformation to a relative density of the chip mass of at least 0.95. Before cold pressing the briquettes, degassing of the chips is carried out, and hot deformation is carried out by pressing with subsequent breakthrough of the capsule bottom and extrusion of the chip mass through an opening in the matrix of the press tooling, after which the extruded blanks are subjected to annealing and additional hot deformation, for example, rolling (Patent of the Russian Federation No. 2228960, C22B 1/248, 7/00, B22F 8/00). The disadvantages of this method include the need for preliminary cold pressing of the chips, as well as the placement of pressed briquettes in a capsule before sealing, which can lead to the introduction of gas impurities that were removed by degassing the chips before cold pressing.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является принятый за прототип способ получения прутков из быстрорежущей стали, заключающийся в использовании технологии экструдирования металлического порошка, включающей засыпку порошка в оболочку, ее герметизацию, экструзию и последующую деформацию до заданного размера путем горячей прокатки в две стадии (Патент РФ №2015852, МПК B22F 3/20).The closest to the proposed technical solution is the method adopted as a prototype for producing rods from high-speed steel, which consists of using metal powder extrusion technology, including pouring powder into a shell, sealing it, extrusion and subsequent deformation to a given size by hot rolling in two stages (Patent of the Russian Federation No. 2015852, IPC B22F 3/20).

К недостаткам данного способа следует отнести необходимость проведения предварительной дегазации порошка в вакууме, что усложняет и удорожает технологический процесс, а также необходимость снятия металлической оболочки-капсулы после горячей экструзии.The disadvantages of this method include the need for preliminary degassing of the powder in a vacuum, which complicates and increases the cost of the technological process, as well as the need to remove the metal capsule shell after hot extrusion.

Технический результат, решаемый изобретением, заключается в получении прутков круглого сечения из различных металлических порошков, в том числе отходов аддитивного производства, с пониженным содержанием газовых примесей и высокой относительной плотностью путем их компактирования методом горячей экструзии без использования оболочки.The technical result solved by the invention consists in obtaining round cross-section rods from various metal powders, including additive manufacturing waste, with a reduced content of gas impurities and a high relative density by compacting them using the hot extrusion method without using a shell.

Технический результат достигается тем, что прутки круглого сечения из различных металлических порошков получают путем засыпки порошка в многоразовый стакан из жаропрочной стали с помещенным на дно порошком гидрида титана на первом этапе, последующего нагрева стакана с порошковой массой до температуры деформации, сопровождающегося очищением порошковой массы водородом, и последующего экструдирования до требуемого диаметра со степенью вытяжки λ=1,5-16 с использованием пуансона диаметром, равным внутреннему диаметру стакана.The technical result is achieved in that round rods made of various metal powders are obtained by pouring the powder into a reusable cup made of heat-resistant steel with titanium hydride powder placed on the bottom at the first stage, then heating the cup with the powder mass to the deformation temperature, accompanied by purification of the powder mass with hydrogen, and then extruding to the required diameter with a drawing degree of λ=1.5-16 using a punch with a diameter equal to the inner diameter of the cup.

Общий вид стакана, подготовленного для проведения экструзии, представлен на фиг. 1. Сущность изобретения заключается в том, что для получения компактных заготовок из порошков различных металлических материалов методом экструзии используется многоразовый съемный стакан из жаропрочной стали (поз. 1 на фиг. 1), в который на дно (поз. 7 на фиг. 1) помещается гидрид титана (поз. 5 на фиг. 1), необходимый для создания восстановительной атмосферы в процессе прессования. В верхней пробке делается технологическое отверстие, которое закрывается легкоплавким металлом, например алюминием. При нагреве, начиная с температуры 300°С, происходит разложение (дегидрирование) гидрида титана, что приводит к выделению водорода, который, проходя через водородопроницаемую подвижную перегородку (поз. 6 на фиг. 1), очищает поверхность порошка (поз. 4 на фиг. 1) и препятствует его окислению. В процессе выделения водорода происходит повышение давления внутри стакана, приводящее к выталкиванию части пробки металла в верхней части оболочки (поз. 2 на фиг. 1) и образованию факела (поз. 3 на фиг. 1). Процесс прессования начинается после уменьшения факела примерно до 10 мм. За счет использования пуансона диаметром, равным внутреннему диаметру стакана, происходит экструдирование только порошка без деформации стакана, и на выходе из матрицы получается компактная заготовка без наружной оболочки. По завершении процесса прессования стакан может быть повторно использован, что позволяет снизить расходы на производство и уменьшить количество отходов. Пресс-остаток после экструзии удаляется с помощью продавливания через канал матрицы за счет использования специальной графитовой вставки до полного выхода материала из матрицы.The general view of the cup prepared for extrusion is shown in Fig. 1. The essence of the invention is that in order to obtain compact blanks from powders of various metallic materials by the extrusion method, a reusable removable cup made of heat-resistant steel (pos. 1 in Fig. 1) is used, into which titanium hydride (pos. 5 in Fig. 1) is placed on the bottom (pos. 7 in Fig. 1), which is necessary for creating a reducing atmosphere during the pressing process. A process hole is made in the upper plug, which is closed with a low-melting metal, for example, aluminum. When heated, starting from a temperature of 300°C, decomposition (dehydrogenation) of titanium hydride occurs, which leads to the release of hydrogen, which, passing through a hydrogen-permeable movable partition (pos. 6 in Fig. 1), cleans the surface of the powder (pos. 4 in Fig. 1) and prevents its oxidation. During the hydrogen release process, the pressure inside the cup increases, causing part of the metal plug in the upper part of the shell to be pushed out (item 2 in Fig. 1) and a torch to be formed (item 3 in Fig. 1). The pressing process begins after the torch has decreased to approximately 10 mm. By using a punch with a diameter equal to the inner diameter of the cup, only the powder is extruded without deformation of the cup, and a compact blank without an outer shell is obtained at the exit from the matrix. Upon completion of the pressing process, the cup can be reused, which reduces production costs and the amount of waste. The press residue after extrusion is removed by pressing through the matrix channel using a special graphite insert until the material completely exits the matrix.

После проведения экструзии готовый пруток с высокой плотностью и низким содержанием газовых примесей может быть подвергнут дополнительной горячей деформации, например ротационной ковке, с целью получения требуемого диаметра. Также для получения металлического порошка для его дальнейшего использования, в том числе для аддитивных технологий, полученный пруток может быть подвергнуть диспергированию расплава, например, центробежной атомизацией.After extrusion, the finished rod with high density and low gas impurity content can be subjected to additional hot deformation, for example, rotational forging, in order to obtain the required diameter. Also, to obtain metal powder for its further use, including for additive technologies, the obtained rod can be subjected to melt dispersion, for example, by centrifugal atomization.

Результаты апробации заявленного способа приведены в виде конкретных примеров.The results of testing the claimed method are presented in the form of specific examples.

Пример 1. Процесс прессования был выполнен с использованием гидравлического пресса вертикального исполнения с усилием 2,5 МН. Для создания капсулы использовался стакан из штамповой стали 5ХНМ высотой 100 мм, внешним диаметром 30 мм и толщиной стенки 5 мм. Герметичность дна стакана обеспечивалась графитовой перегородкой толщиной 1,5 мм и диаметром, соответствующим внутреннему диаметру стакана. В подготовленную капсулу был засыпан порошок гидрида титана до высоты 20 мм без дополнительного уплотнения. Поверх засыпанного гидрида титана размещалась перфорированная стальная пластина толщиной 0,5 мм и диаметром 20 мм. Далее, на стальную перегородку засыпался порошок из быстрорежущей стали 10Р6М5 на высоту 73 мм. В верхней части капсулы устанавливалась графитовая вставка 2 толщиной 3 мм с центральным отверстием диаметром 1 мм, закрытым алюминиевой фольгой. Заполненная порошком капсула помещалась в печь, предварительно нагретую до 1000°С. Через 15 минут после начала нагрева в результате выхода водорода происходило образование факела. При уменьшении размера факела до 10 мм стакан с нагретым порошком перемещали в специальную оснастку для проведения процесса экструзии. При проведении экструзии порошок стали 10Р6М5 выдавливался через очко матрицы диаметром 10 мм и углом входного конуса 60°. Коэффициент вытяжки составлял λ=4. В результате был получен пруток диаметром 10 мм и длиной 100 мм. После завершения прессования графитовая вставка, оставшаяся в очке матрицы, была удалена вручную. Относительная плотность полученного после экструзии прутка из стали 10Р6М5 составила 0,97.Example 1. The pressing process was performed using a vertical hydraulic press with a force of 2.5 MN. A cup made of 5KhNM stamp steel with a height of 100 mm, an outer diameter of 30 mm and a wall thickness of 5 mm was used to create the capsule. The tightness of the cup bottom was ensured by a graphite partition with a thickness of 1.5 mm and a diameter corresponding to the inner diameter of the cup. Titanium hydride powder was poured into the prepared capsule to a height of 20 mm without additional compaction. A perforated steel plate with a thickness of 0.5 mm and a diameter of 20 mm was placed on top of the poured titanium hydride. Then, powder from 10P6M5 high-speed steel was poured onto the steel partition to a height of 73 mm. A graphite insert 2 with a thickness of 3 mm with a central hole with a diameter of 1 mm, closed with aluminum foil, was installed in the upper part of the capsule. The capsule filled with powder was placed in a furnace preheated to 1000°C. Fifteen minutes after the start of heating, a torch was formed as a result of the release of hydrogen. When the torch size decreased to 10 mm, the cup with the heated powder was moved to a special tool for the extrusion process. During extrusion, the 10P6M5 steel powder was squeezed out through a die eye with a diameter of 10 mm and an input cone angle of 60°. The drawing ratio was λ = 4. As a result, a rod with a diameter of 10 mm and a length of 100 mm was obtained. After pressing was complete, the graphite insert remaining in the die eye was removed manually. The relative density of the 10P6M5 steel rod obtained after extrusion was 0.97.

Пример 2. Получение деформированных прутков из металлического порошка алюминия марки ПА-0Example 2. Obtaining deformed rods from metal powder of aluminum grade PA-0

Процесс прессования проводился с помощью вертикального гидравлического пресса усилием 2,5 МН. Для создания капсулы использовался стакан из штамповой стали 5ХНМ размером 100×30 мм с толщиной стенки 5 мм. Герметичность дна стакана обеспечивалась графитовой перегородкой толщиной 1,5 мм и диаметром, соответствующим внутреннему диаметру стакана. В подготовленную капсулу был засыпан порошок гидрида титана до высоты 20 мм без дополнительного уплотнения. Поверх засыпанного гидрида титана размещалась перфорированная стальная пластина толщиной 0,5 мм и диаметром 20 мм. Затем засыпали алюминиевый порошок ПА-0 до высоты 73 мм. Капсула помещалась в нагретую до 450°С печь. После образования факела через 15 минут капсулу перемещали в специальную оснастку для проведения экструзии. При проведении экструзии порошок ПА-0 выдавливался через очко матрицы диаметром 10 мм и углом входного конуса 60°. Коэффициент вытяжки составлял λ=4. В результате был получен пруток диаметром 10 мм и длиной 107 мм. Относительная плотность полученного прутка составила 0,98.The pressing process was carried out using a vertical hydraulic press with a force of 2.5 MN. To create the capsule, a glass made of 5KhNM stamp steel with dimensions of 100×30 mm and a wall thickness of 5 mm was used. The tightness of the glass bottom was ensured by a graphite partition with a thickness of 1.5 mm and a diameter corresponding to the internal diameter of the glass. Titanium hydride powder was poured into the prepared capsule to a height of 20 mm without additional compaction. A perforated steel plate with a thickness of 0.5 mm and a diameter of 20 mm was placed on top of the poured titanium hydride. Then, PA-0 aluminum powder was poured to a height of 73 mm. The capsule was placed in a furnace heated to 450°C. After the formation of the torch, after 15 minutes, the capsule was moved to a special tool for extrusion. During extrusion, the PA-0 powder was squeezed out through a die orifice with a diameter of 10 mm and an input cone angle of 60°. The drawing coefficient was λ=4. As a result, a rod with a diameter of 10 mm and a length of 107 mm was obtained. The relative density of the obtained rod was 0.98.

Исходя из представленных примеров, можно заключить, что благодаря заявленному способу удалось получить деформированные прутки из порошков быстрорежущей стали марки 10Р6М5 и алюминия марки ПА-0.Based on the presented examples, it can be concluded that, thanks to the claimed method, it was possible to obtain deformed rods from powders of high-speed steel grade 10P6M5 and aluminum grade PA-0.

Технико-экономический эффект заявленного способа состоит в обеспечении возможности получать прутки из металлических порошков более эффективным и экономичным методом горячей экструзии, сочетая в себе повышение коэффициента использования металла и упрощение технологического процесса за счет исключения операции отделения капсулы от готового полуфабриката.The technical and economic effect of the claimed method consists in providing the possibility of obtaining rods from metal powders by a more efficient and economical method of hot extrusion, combining an increase in the metal utilization coefficient and simplification of the technological process by eliminating the operation of separating the capsule from the finished semi-finished product.

Claims

A method for producing a rod from a metal powder by hot extrusion, including pouring the metal powder into a capsule, heating and extruding, characterized in that a capsule in the form of a reusable cup made of heat-resistant steel is used, wherein titanium hydride is placed on the bottom of the cup, a hydrogen-permeable movable partition is placed on it and metal powder is poured in, then heating is carried out to a deformation temperature, accompanied by decomposition of titanium hydride and the release of hydrogen, which, when passing through the said hydrogen-permeable partition, cleans the surface of the metal powder, and extrusion is carried out using a punch with a diameter equal to the internal diameter of the reusable cup made of heat-resistant steel, with a drawing degree of λ = 1.5-16.