СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ УПОРЯДОЧЕННЫХ СТРУКТУР В ОТКРЫТОЙ СИСТЕМЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК B22F3/02 B28B1/04 B28B13/02 

Изобретение относится к области формования, компактирования разнообразных сыпучих порошкообразных материалов. Под сыпучими порошкообразными материалами понимаются маловлажные (0-12%) грунты, бетонные смеси, керамические массы, огнеупорные порошки, формовочные составы литейного производства, абразивные порошки, металлические порошки и тому подобные материалы, образующие при насыпании на горизонтальную поверхность угол естественного откоса.

При обработке порошкообразных материалов, например при уплотнении, формовании, требуется получить из них упорядоченную структуру. Под структурой в данном случае понимается совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность (см., например, БСЭ, т.24 (1), стр.598, ст. "Структура"). Причем предпочтительно получать такие структуры с заданной (требуемой) степенью упорядоченности.

Как правило, механические и физические свойства отформованных из порошкообразных материалов изделий (прочность, плотность и другие) зависят от упорядоченности их макроструктуры. Под макроструктурой понимается строение материала, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы, то есть при увеличениях до 25 раз.

Самое трудное и сложное в обработке сыпучих порошкообразных материалов - получение требуемой макроструктуры. Наиболее часто желательно получать макроструктуру, в которой твердые частицы сыпучей среды распределены по объему изделия равномерно, однородно, с наибольшей теоретически возможной площадью контактов между частицами, с минимальной толщиной жидкой связки между частицами, отсутствием “защемленного” воздуха и трещин, или с заранее обусловленной пористостью.

Широко известно упорядочивание (уплотнение) структуры при формовании изделий уменьшением первоначального засыпанного в форму объема рыхлой хаотической массы в замкнутых камерах, пресс-формах и других подобных формообразующих элементах, например, перемещением пуансонов при прессовании и выдавливании [см., например, П.П.Будников, А.С.Бережной, И.А.Булавин и др. Технология керамики и огнеупоров. Москва, Госстройиздат, 1962, стр.51].

Известно упорядочивание структуры в рыхлом заранее насыпаемом слое путем осаживания, уменьшения толщины слоя укаткой и трамбованием.

Главным трудно устранимым недостатком всех известных способов упорядочивания (уплотнения) структур сыпучих материалов (прессованием, укаткой, трамбованием и др.) является неравномерность плотности по высоте и объему, а также защемление воздуха, расширение прессовок до 4-8% после снятия прессующего давления, что вызывает возникновение трещин, расслаивание. Кроме того, значительная доля подводимой энергии (не менее 30%) расходуется впустую на создание перечисленных выше недостатков (по сложившимся представлениям на трение о стенки формы) [Порошковая металлургия и напыленные покрытия: Учебник для вузов. В.Н.Анциферов, Г.В.Бобров, Л.К.Дружинин и др. Москва, Металлургия, 1987, стр.191; Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Порошковые стали и изделия, Ленинград, Машиностроение, 1990, стр.51].

Неравномерность плотности по высоте и объему возникает потому, что при давлении пуансона пресса на насыпанную в замкнутую форму рыхлую сыпучую массу наиболее сильно уплотняется слой, контактирующий с поверхностью пуансона, а затем более удаленные слои. Плотный слой, контактирующий с поверхностью пуансона, не выпускает из формы воздух, находящийся в рыхлой массе, а по мере уплотнения последней воздух оттесняется к средине изделия, что и приводит при снятии давления пуансона к трещинам и расширению прессовок.

Исследование известных способов упорядочивания структур как систем приводит к однозначному выводу, что все они являются закрытыми замкнутыми системами.

Под системой в данном случае понимается ограниченная область (зона), составленная из множества частиц порошка, находящихся в отношениях и связях друг с другом [см., например, БСЭ, т.23, стр.463, ст. “Система”.] Такая система во взаимоотношении с окружающей средой может быть замкнутой - закрытой или открытой - незамкнутой.

Замкнутые закрытые системы характерны тем, что в них не поступает и из них не выделяется вещество, а происходит только обмен энергией с окружающей средой.

Открытые незамкнутые системы характерны тем, что в них постоянно происходит ввод и вывод не только энергии, но и вещества.

Закрытая система достигает состояния неподвижного равновесия, когда все макроскопические величины системы остаются неизменными и прекращаются все макроскопические процессы.

Стационарным состоянием открытой системы является подвижное (текущее) равновесие, при котором все макроскопические величины остаются неизменными, но непрерывно продолжаются макроскопические процессы упорядочивания структуры из-за ввода и вывода вещества и энергии в окружающую среду, причем упорядочивание тем значительнее, чем дальше система от равновесия [см., например, Г.Николис, И.Пригожин. Познание сложного. Введение: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, стр.18-20, 22-24].

Причиной недостатков перечисленных аналогов является применение в них закрытых - замкнутых систем. Реализация открытых систем, однако, осуществлена пока в основном в биологии, медицине и лазере.

В основу изобретения положена задача получения упорядоченных структур из порошкообразных материалов с равномерной плотностью по объему без защемления воздуха и образования трещин и других дефектов, свойственных закрытым системам, с использованием особенностей открытых систем (эффектов самоорганизации).

Техническим результатом заявленного предложения является повышение степени упорядоченности структуры в открытой системе при изготовлении изделий из сыпучих порошкообразных материалов.

Это достигается тем, что в способе генерации упорядоченных структур в открытой системе при изготовлении изделий из порошкообразных материалов, заключающимся в том, что в открытую систему постоянно нагнетают из окружающей среды порошкообразный материал, тем самым инициируют протекание потока порошкообразного материала через систему и вытекание из нее, при этом достигают в системе стационарного неравновесного состояния с упорядоченной структурой, которую выводят в окружающую среду в направлении, противоположном вытеканию потока порошкообразного материала из системы, причем степень упорядоченности структуры регулируют изменением сопротивления вытеканию потока порошкообразного материала из системы и интенсивностью потока, а скорость вывода упорядоченной структуры из системы поддерживают соответствующей скорости истечения потока из системы.

Кроме того, это достигается тем, что структуру на выходе из системы формируют поперечного сечения, соответствующего поперечному сечению изготовляемого изделия.

Изобретение может быть использовано при обработке широкой гаммы порошкообразных материалов, в том числе при изготовлении изделий с заданной структурой из огнеупорных и керамических материалов, из металлических и металлокерамических порошков и т.п.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.

Фиг.1. Схема, поясняющая способ генерации упорядоченных структур в открытой системе при изготовлении изделий из порошкообразных материалов.

Фиг.2. Схема осуществления способа генерации упорядоченных структур в открытой системе при изготовлении изделий из порошкообразных материалов.

На фиг.1 и 2 приняты следующие обозначения:

1 - открытая система, 2 - вход в систему потока порошкообразного материала, 3 - выход из системы потока порошкообразного материала, 4 - выведенная из системы упорядоченная структура, 5 - границы системы, 6 - зона переменного сопротивления истечению потока порошкообразного материала из системы, 7 - дно, 8 - передний поперечный борт, 9 - продольные борта, 10 - нагнетатель, 11 - плита; L - длина зоны сопротивления истечению потока из системы, L-х - изменяемая длина зоны сопротивления истечению потока из системы, х - диапазон регулирования.

Осуществление способа генерации упорядоченных структур, например, при формовании изделий в форме с горизонтально расположенной открытой стороной формы производится следующим образом.

Открытую систему 1 образуют непосредственно в передней части формы, например, в зоне, ограниченной дном 7, передним поперечным бортом 8, продольными бортами 9 и рабочей поверхностью нагнетателя 10, касающейся при нагнетании верхней открытой поверхности формы. В эту зону нагнетают из окружающей среды порошкообразный материал до протекания его через систему и вытекания из нее в сторону незаполненной части формы 3, что характеризует возникновение в системе стационарного неравновесного состояния (текущего равновесия) с упорядоченной структурой. После чего продолжают нагнетание порошкообразного материала в систему, а форму с образовавшейся в ней упорядоченной структурой 4 выводят из продолжающей функционировать системы в окружающую среду в направлении, противоположном вытеканию потока порошкообразного материала из системы в незаполненную часть формы. Причем для образования одинаковой упорядоченной структуры во всей форме ее перемещают со скоростью, меньшей или равной скорости вытекания потока порошка из системы.

Степень упорядоченности, например плотности структуры, регулируют (при необходимости) увеличением сопротивления вытеканию потока порошкообразного материала из системы путем увеличения длины потока, измеряемой от выхода из системы, а также торможении потока плитой 11, закрывающей сверху часть открытой поверхности формы.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение во многих областях техники и, в особенности: в порошковой металлургии; в производстве огнеупоров; в производстве строительных изделий; в дорожном строительстве; в литейном производстве; в брикетировании угля и рудной мелочи; в пищевой промышленности и во многих других отраслях.

Изобретение относится к области формования сыпучих порошкообразных материалов, таких как маловлажные грунты, бетонные смеси, металлические порошки и др. Может применяться в порошковой металлургии, в производстве огнеупоров, в пищевой промышленности и др. Предложен способ генерации упорядоченных структур в открытой системе при изготовлении изделий из порошковых материалов. В открытую систему постоянно нагнетают порошкообразный материал, инициируют протекание потока материала через систему и вытекание из нее. В системе достигается стационарное неравновесное состояние с упорядоченной структурой, которую выводят в направлении, противоположном вытеканию потока материала из системы. Техническим результатом является повышение равноплотности. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ генерации упорядоченных структур в открытой системе при изготовлении изделий из порошковых материалов, заключающийся в том, что в открытую систему постоянно нагнетают из окружающей среды порошкообразный материал, тем самым инициируют протекание потока порошкообразного материала через систему и вытекание из нее, при этом достигают в системе стационарного неравновесного состояния с упорядоченной структурой, которую выводят в окружающую среду в направлении, противоположном вытеканию потока порошкообразного материала из системы, причем степень упорядоченности структуры регулируют изменением сопротивления вытеканию потока порошкообразного материала из системы и интенсивностью потока, а скорость вывода упорядоченной структуры из системы поддерживают соответствующей скорости истечения потока из системы.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что структуру на выходе из системы формируют поперечного сечения, соответствующего поперечному сечению изготовляемого изделия.