Металлополимерная композиция для изготовления PIM - изделий
METAL-POLYMER COMPOSITION FOR MANUFACTURING PIM - PRODUCTS

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к металлополимерным композициям для изготовления PIM-изделий путем формования и спекания указанных композиций.
Известен способ получения суспензии металлических порошков для изготовления заготовок из порошковых поликомпонентных материалов (RU 2442675, B22F 9/04, опубл. 20.02.2012), включающий подготовку смеси металлических порошков, смешивание смеси металлических порошков и водного раствора поливинилового спирта, при этом в качестве исходного порошка используют порошок многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю, который предварительно измельчают в присутствии 96%-ного раствора этилового спирта в высокоэнергетической мельнице до размера частиц 0,6÷1,4 мкм, полученный порошок смешивают с порошком железа с размером частиц 3,5 мкм в смесителе в течение 24÷32 часов до получения смеси металлических порошков с относительной плотностью укладки частиц 0,5÷0,6. Технический результат - получение седиментационно устойчивой суспензии металлических порошков для изготовления порошковых поликомпонентных материалов.
Недостатком известного изобретения является низкая степень укладки частиц - не более 60%. Это не позволяет получать плотные беспористые изделия после спекания вследствие большого количества вводимого пластификатора.
Известна металлополимерная композиция для изготовления стальных заготовок (RU 2310542, В22С 1/22, C08L 61/10, С08К 3/08, С08К 3/22, опубл. 20.11.2007), получаемая методом механического смешивания двух смесей, компонентами одной из которых являются высокодисперсные порошки, по крайней мере, одного легирующего элемента, железа и оксида железа, мас. %, а компонентами второй - термореактивная фенолформальдегидная смола 8-15 мас. % и пластификатор - соль стеариновой кислоты, при следующем соотношении компонентов, мас. %: термореактивная фенолформальдегидная смола 8-15; соль стеариновой кислоты 0,4-1,5; оксид железа 8-40; смесь порошков легирующих элементов и железа остальное. В качестве легирующего элемента в первой смеси можно использовать высокодисперсный порошок никеля, хрома, меди, молибдена, марганца, алюминия, титана, ванадия. Изобретение позволяет решить задачу расширения ассортимента металлополимерных композиций, перерабатываемых путем их формования и спекания в стальные заготовки при одновременном сокращении цикла их переработки.
Недостатком известного изобретения является наличие оксида железа в исходной смеси, что приводит к появлению оксидных фаз по границам зерен спеченного материала и, как следствие, к низким механическим свойствам изделия.
Известна металлополимерная композиция для получения чугунных заготовок (RU 2332430, C08L 61/10, C08K 3/08, опубл. 27.08.2008).
Металлополимерную композицию получают механическим смешиванием двух смесей, компонентом одной являются высокодисперсные порошки железа и, возможно, по крайней мере, одного легирующего элемента, компонентами второй термореактивная фенолформальдегидная смола, пластификатор и порошок оксида железа, в качестве пластификатора используют соль стеариновой кислоты при следующем соотношении компонентов, мас. %: термореактивная фенолформальдегидная смола - 15-20; соль стеариновой кислоты - 0,4-1,5; оксид железа(III) - 0,2-32; порошок железа - остальное. В качестве легирующего элемента в первой смеси используют высокодисперсный порошок никеля, хрома, меди, молибдена, марганца, алюминия, титана, ванадия, кремния. Технический результат заключается в сокращении технологического цикла изготовления изделий и расширения их ассортимента.
Недостатком известного изобретения является наличие в полимерной составляющей термореактивной фенолформальдегидной смолы, что приводит к возможности общей термической нестабильности всей смеси и потери формы изделия во время предварительного отжига.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка металлополимерной композиции для изготовления PIM-изделий, обладающей как седиментационной устойчивостью, так и высокой текучестью для получения формованных изделий любой степени сложности. PIM-изделия, полученные из предлагаемой металлополимерной композиции, обладают высокой однородностью по плотности, твердости и прочности.
Указанный технический результат достигается тем, что металлополимерную композицию для изготовления PIM-изделий получают методом механического смешивания двух смесей, компонентами первой являются высокодисперсные порошки легирующего элемента и железа, а компонентами второй - органическое связующее и пластификатор - стеариновая кислота. Металлополимерная композиция в качестве легирующего элемента содержит порошок титана, а в качестве органического связующего - смесь парафина и полипропилена, причем смешивают упомянутые первую и вторую смеси в массовом соотношении 65:35, при этом наноразмерная часть исходных порошков составляет 3-7 мас. % и имеет кривую распределения по размерам в пределах 30-70 нм.
Смесь исходных порошков имеет соотношение компонентов: титан 3-7 мас %, железо - остальное.
Исходную порошковую смесь предварительно активируют в планетарной мельнице в течение 3-5 минут.
Смесь органических связующих и пластификатора имеет соотношение компонентов, мас. %: парафин 65-75, полипропилен 20-30, стеариновая кислота 5.
Расплав компонентов второй смеси получают при температуре 100-150°С.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Авторами предлагается полимерная композиция для изготовления РIМ-изделий на основе высокодисперсной смеси порошка железа и 3-7 мас. % порошка титана.
Для приготовления металлополимерной композиции в качестве органических связующих используют парафин и полипропилен, а в качестве пластификатора стеариновую кислоту в заявленных количественных пределах, при этом смешивают вышеупомянутые две смеси в массовом соотношении 65:35.
Эти оптимальные качественные и количественные соотношения двух смесей предлагаемой металлополимерной композиции достигнуты в результате проведенных экспериментальных исследований авторов.
При этом используют исходные высокодисперсные порошки с наноразмерной частью 3-7 мас. %, причем наноразмерная часть имеет кривую распределения по размерам в пределах 30-70 нм. Это позволяет повысить исходную плотность порошковой смеси до 80-85% и уменьшить количество полимерного связующего при сохранении устойчивости смеси к расслоению и удовлетворительной текучести.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Для приготовления первой порошковой смеси берут порошок титана марки ПТК-1 в количестве 3-7 мас. % и железо марки ПЖ остальное до 100 мас. %. Берут указанные высокодисперсные порошки с готовыми заявленными дисперсными характеристиками или предварительно подготавливают их механической обработкой для придания им необходимых дисперсных характеристик. Смесь указанных порошков подвергают механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-2С ударно-фрикционного типа в течение 3-5 мин, при соотношении объемов смеси и размольных шаров 1:20.
Для приготовления смеси органических связующих и пластификатора - стеариновой кислоты берут 65-75 мас. % парафина, расплавляют его, нагревая до температуры 100-150°C,
затем в него добавляют 5 мас. % стеариновой кислоты и 20-30 мас. % полипропилена, перемешивают, далее добавляют в нее активированную порошковую смесь и продолжают перемешивать в течение 2 часов при температуре 100-150°С. Смешивают упомянутые первую и вторую смеси в массовом соотношении 65:35.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1
Для приготовления первой порошковой смеси берут порошок титана марки ПТК-1 в количестве 8 г и порошок железа марки ПЖ в количестве 178 г. Берут указанные высокодисперсные порошки с готовыми заявленными дисперсными характеристиками. Смесь указанных порошков подвергают механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-2С ударно-фрикционного типа в течение 3-5 мин при соотношении объемов смеси и размольных шаров 1:20.
Для приготовления второй смеси берут 75 г парафина, расплавляют его, нагревая до температуры 100°С, затем в него добавляют 5 г стеариновой кислоты и 20 г полипропилена, перемешивают, затем добавляют в нее активированную порошковую смесь и продолжают перемешивать в течение 2 часов при температуре 100°С.
Пример 2
Для приготовления первой порошковой смеси берут порошок титана марки ПТК-1 в количестве 6 г и порошок железа марки ПЖ в количестве 180 г. Берут указанные высокодисперсные порошки с готовыми заявленными дисперсными характеристиками. Смесь указанных порошков подвергают механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-2С ударно-фрикционного типа в течение 3-5 мин при соотношении объемов смеси и размольных шаров 1:20.
Для приготовления второй смеси берут 65 г парафина, расплавляют его, нагревая до температуры 150°С, затем в него добавляют 5 г стеариновой кислоты и 30 г полипропилена, перемешивают, затем добавляют в нее активированную порошковую смесь и продолжают перемешивать в течение 2 часов при температуре 150°С.
Пример 3
Для приготовления первой порошковой смеси берут порошок титана марки ПТК-1 в количестве 13 г и порошок железа марки ПЖ в количестве 173 г. Берут указанные высокодисперсные порошки с готовыми заявленными дисперсными характеристиками. Смесь указанных порошков подвергают механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-2С ударно-фрикционного типа в течение 3-5 мин при соотношении объемов смеси и размольных шаров 1:20.
Для приготовления второй смеси берут 70 г парафина, расплавляют его, нагревая до температуры 130°С, затем в него добавляют 5 г стеариновой кислоты и 25 г полипропилена, перемешивают, затем добавляют в нее активированную порошковую смесь и продолжают перемешивать в течение 2 часов при температуре 130°С.
Из полученной металлополимерной композиции по примерам 1-3 отливают инжекционным литьем заготовку изделия при температуре 100-150°С, затем проводят дебиндинг при температуре 250-650°С и спекание в вакууме или аргоне при температуре 1120-1350°С в течение 30-120 мин. Усадка изделий составляет 15-20%.
Металлополимерная композиция, полученная по предлагаемому изобретению, обладает высокой текучестью, сравнимой с фотополимерами, применяемыми для технологий 3-D прототипирования и, соответственно, позволяет получать формованные изделия любой заданной формы. PIM-изделия, полученные из предлагаемой металлополимерной композиции, обладают отклонением по твердости не более 10% и пределом прочности 800-900 МПа.