Использование процессов сухого изостатического прессования для изготовления композиционных и порошковых материалов на основе порошков шунгита


Л.C. Богинский1, Л.М. Гузова2, В.В. Саранцев1, А.Ю. Повстяной1


1 – Институт повышения квалификации и переподготовки кадров по новым направлениям развития техники, технологии и экономики белорусского государственного технического университета (ИПК и ПК БНТУ), Минск
2 – ОДО «Карельский минерал», г. Минск


Введение


     Растущий интерес к шунгитам как сырью в производстве стройматериалов, в металлургических, химических и других областях науки и техники, и ввел этот материал в сферу интересов специалистов разного профиля (Калинин, 2002). По мере решения проблем использования шунгитов, возникли новые задачи теоретического и практического характера. Традиционные технологии переработки шунгита включают в себя процессы обработки резанием, давлением и измельчением до требуемого гранулометрического состава. С целью максимального приближения формы заготовки к форме изделия (энерго-, ресурсосбережения) при условии обеспечения требуемых свойств готового продукта предлагается использовать прогрессивные технологии порошковой металлургии, включающих в себя получение порошка, приготовление смеси, формование и термическую обработку.


Выбор технологии прессования


     Процессы формования (прессования) относятся к основным этапам производства. Они определяют не только размеры, форму, ассортимент, энергосиловые затраты, но и оказывает существенное влияние на ряд важнейших свойств готового композиционного продукта на основе шунгита. Как известно, не существует ни одного процесса, который включал в себя положительные признаки, не имея недостатков (Реут и др., 1998). Выбор того или иного способа формования деталей из порошков определяется требованиями к свойствам изделия, энергосиловым затратам, видом и культурой производства.
     Оптимальной для широкой гаммы порошковых материалов (ПМ), преимущественно со значительным отношением длинны к поперечным размерам (трубы, стержни, изделия сложной формы) при L/D≥2 является радиальная схема прессования, которая характеризуется уменьшением площади поперечного сечения прессовки при уплотнении порошка. Длина же брикета L=const (εz=0). Отсутствие внешнего трения обеспечивает равномерное распределение плотности по объему.
    Отличительной особенностью рассматриваемой технологии является использование трех разновидностей схем сухого изостатического прессования (СИП):
 -  при уплотнении порошка на оправку с изоляцией формы с порошком от рабочей жидкости;
 -  при уплотнении порошка на матрицу с изоляцией формы с порошком от рабочей жидкости;
 -  последовательное СИП при уплотнении порошка на матрицу либо оправку с применением эластичных оболочек многоразового использования.


     Радиальное уплотнение порошка через эластичный инструмент обеспечивает равномерное сжатие всего объема и, как следствие, устранение локальных плоскостей концентрации деформаций, следовательно, и условий образования нарушений сплошности (брака) на стадиях прессования и спекания.
     ИПК и ПК БНТУ (Институт повышения квалификации и переподготовки кадров по новым направлениям развития техники, технологии и экономики при Белорусском национальном техническом университете) совместно с ОДО «Карельский минерал» разработали новые технологии, оборудование для СИП ПМ (Патент РБ №8363) и инструмент нового поколения. Принципиальная схема и общий вид установок представлен на рисунке 1. В общем случае установка содержит каркас 1, пресс-блок 2, механическую, гидравлическую или пневматическую систему привода вспомогательных перемещений 3, исполнительные механизмы вспомогательных перемещений. Каркас 1 служит для монтажа остальных узлов и механизмов.

Рис.1 – Принципиальная схема и общий вид установки для СИП


Использование материалов на основе шунгита для получения изделий СИП


     Предполагается направленность СИП материалов на основе пороков шунгита:
 - Проницаемые композиционные материалы (изделия) для очистки жидкостей и газов. Речь идет о материалах со строго регулируемой поровой структурой с наполнителем порошком и порошком шунгита. В качестве наполнителей могут быть использованы порошки металлов, керамики и т.д.
 - Композиционные порошковые материалы (КПМ) и изделия для защиты естественных и антропогенных электромагнитных полей (ЭМП) на биологические объекты.
 - Медицинские аспекты использования КПМ на основе шунгита.
 - Электронагревательные КПМ и изделия Наполнитель выступает для улучшения формуемости смеси порошков и изменения электросопротивления, а значит и тепловыделения.


На рисунках 2-3 показаны изделия, полученные по технологии СИП из порошковых материалов.


а
б

Рис. 2 – Фильтры: а - винтовые фильтры и форма для их получения; б - изделия, полученные по технологии СИП
  
а б                                                                 
Рис. 3. Огнеупорные тигли для индукционных литьевых установок: колба со сферическим (а) и прямым (б) дном после стадий прессования и спекания


     Одним из направлений в области ПМ является использование технологий самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) (Мержанов, 1997). Понятие СВС подразумевает процесс реализации экзотермической реакции в смесях химических элементов и соединений, в результате которого образуются ценные конденсированные продукты. Для использования в качестве порошковых СВС реагентов весьма перспективным является применение шунгита, т.к. в его состав входит наноразмерный углерод особой формы, обладающий активностью, что позволяет реализовать полноту протекания реакции при высоких значениях температуры (1200-3500 oC) (Мержанов, 1997). Технология СВС позволяет в результате получать новые порошковые продукты, за счет добавления других порошков (например, Ti, Al и др.), синтезированные изделия (СВС-спекание) (рис. 4) и огнеупорные материалы.

 
Рис. 4. СВС - процесс системы (Ti + C) в окислительной среде


Выводы


Удивительные качества шунгитового материала и возможности технологии СИП позволят создать изделия с уникальными свойствами:
 - Фильтрующие КМ для очистки жидкостей и газов;
 - КПМ и изделия для защиты ЭМП;
 - КПМ, используемые, в медицине;
 - Электронагреватели;
 - КПМ специального назначения.


Литература


Калинин Ю.К. Углесодержащие шунгитовые породы и их практическе использование. Автореф. дисс. д.т.н., М. 2002.
Мержанов А.Г. Научные основы, достижения и перспективы развития процессов твердопламенного горения / А.Г. Мержанов. // Известия Акад, наук. Серия химических наук, 1997, № 1, С.8-32.
Патент РБ на изобретение № 8363 Устройство для прессования изделий из порошков. Реут О.П., Богинский Л.С., Божко Д.И.
Реут О.П., Богинский Л.С., Петюшик Е.Е. Сухое изостатическое прессование уплотняемых материалов. – Минск: «Дэбор», 1998, - 258 с.