СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СУСПЕНЗИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ ПОЛИКОМПОНЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
PRODUCTION OF SEDIMENT RESISTANT METALLIC POWDER SUSPENSIONS FOR MANUFACTURING OF THE POWDER MULTICOMPONENT MATERIALS

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения седиментационно устойчивых однородных концентрированных суспензий металлических порошков, используемых для формования заготовок из порошковых поликомпонентных материалов различными методами, в частности методом мундштучного прессования или методом шликерного литья, разновидностью которого является метод дублирования полимерной матрицы.
Седиментационная устойчивость - одно из основных свойств суспензии, определяющих качество получаемых из нее заготовок. Седиментационная устойчивость суспензии связана с ее способностью не расслаиваться в течение длительного времени под действием силы тяжести, и зависит, главным образом, от размера частиц порошков и их концентрации в суспензии.
Известны способы получения суспензий металлических порошков, используемых для формования заготовок из порошковых материалов на основе различных металлов и сплавов, где состав и содержание металлических порошков в суспензии соответствуют получаемьм сплавам: (Авторское свидетельство СССР №577095, кл. B22F 3/10, опубл. 25.10.1977 г.; Патент РФ №2002580, кл. B22F 3/10, С22С 1/08, опубл. 15.11.1993 г.). В указанных патентах для приготовления суспензий в качестве металлических порошков используют порошки отдельных металлов как при получении однокомпонентных, так и двухкомпонентных материалов.
Однако такой способ не применим при получении устойчивых суспензий, используемых для изготовления заготовок из порошковых поликомпонентных материалов, включающих легкоплавкие металлические порошки, например алюминий.
Проблема введения легкоплавкой составляющей решена в известном способе получения устойчивой суспензии металлических порошков, приведенном в патенте РФ №2300444 (МПК B22F 3/11, С22С 1/08, опубл. 10.06.2007 г.), где с целью предотвращения выплавления легкоплавкого алюминия при получении порошкового материала на основе сплава Х23Ю5 для приготовления суспензии в качестве одного из исходных металлических порошков использовали твердый раствор, содержащий 50 мас.% алюминия и 50 мас.% железа. Порошок твердого раствора затем смешивали с порошками железа и хрома. Суспензирующей жидкостью служил водный раствор поливинилового спирта с его содержанием 7 мас.%. Способ получения суспензии металлических порошков, раскрытый в патенте RU 2300444, является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения.
Недостатком данного способа является неоднородность полученного порошкового материала, что приводит к снижению прочности и увеличению продолжительности процесса спекания материала.
Предлагаемый способ направлен на получение седиментационно устойчивой суспензии металлических порошков для изготовления заготовок из порошковых поликомпонентных материалов.
Указанная цель достигается тем, что в способе получения суспензии металлических порошков для изготовления заготовок из порошковых поликомпонентных материалов, включающем подготовку смеси металлических порошков, смешивание смеси металлических порошков и водного раствора поливинилового спирта, согласно предлагаемому изобретению в качестве исходного порошка используют порошок многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю, который предварительно измельчают в присутствии 96%-го водного раствора этилового спирта в высокоэнергетической мельнице до размера частиц 0,6÷1,4 мкм, порошок высоколегированного сплава 60Х20Ю с размером частиц 0,6÷1,4 мкм 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;
причем исходный порошок высоколегированного сплава 60Х20Ю измельчают при весовом соотношении с 96%-ым раствором этилового спирта, равном 7:1; кроме того, смешивание смеси металлических порошков с относительной плотностью укладки частиц 0,5÷0,6 и водного раствора поливинилового спирта осуществляют при их весовом соотношении 6,89÷7,69 для дальнейшего формования заготовки из поликомпонентных порошковых материалов методом мундштучного прессования, смешивание смеси металлических порошков с относительной плотностью укладки частиц 0,5÷0,6 и водного раствора поливинилового спирта осуществляют при их весовом соотношении 5,13, 5,56 или 5,95 для дальнейшего формования заготовки из поликомпонентных порошковых материалов методом дублирования полимерной матрицы с размером ячеек 0,6 мм, 1,0÷1,2 мм или 3,3÷3,5 мм соответственно.
Указанная цель достигается тем, что в способе получения суспензии металлических порошков для повышения однородности распределения компонентов сплава в объеме суспензии в качестве исходного порошка используют порошок многокомпонентного высоколегированного сплава. Это позволяет одновременно ввести два и более равномерно распределенных друг в друге компонента, в том числе и легкоплавкие компоненты, например алюминий. В предлагаемом изобретении используют высоколегированный сплав 60Х20Ю.
С целью увеличения плотности укладки, которая обеспечивает высокую концентрацию порошка в суспензии, исходный порошок многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю подвергают дополнительному измельчению в присутствии поверхностно-активного вещества в высокоэнергетической мельнице, которая позволяет достаточно быстро и качественно подготовить порошок многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю с размером частиц 0,6÷1,4 мкм. Применение частиц порошка многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю с размерами >1,4 мкм приводит к расслаиванию суспензии, с другой стороны, при достижении размера частиц 0,6 мкм процесс дальнейшего измельчения многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю практически прекращается, и его продолжение становится нерентабельным. Поверхностно-активные вещества на стадии измельчения играют роль ускорителя процесса - проникая в трещины, они разрушают частицы за счет капиллярных сил, также уменьшают свободную энергию поверхности частиц, предотвращая конгломерацию. В качестве поверхностно-активного вещества в процессе измельчения многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю используют 96%-ный раствор этилового спирта, он дешевле других поверхностно-активных веществ и в процессе измельчения не окисляет используемые металлические порошки. Весовое соотношение 96%-го раствора этилового спирта и порошка многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю составляет 7:1. Это соотношение является оптимальным - при достижении частицами порошка многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю размера 0,6 мкм слой этилового спирта будет полностью покрывать все частицы порошка.
Для достижения заданной концентрации железа в суспензии, полученный измельченный порошок многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю смешивают с порошком железа с размером частиц 3,5 мкм в смесителе в течение 24÷32 часов. Применение частиц порошка железа с большим размером частиц приводит к расслаиванию суспензии. Частицы измельченного высоколегированного сплава 60Х20Ю имеют осколочную форму, которая не дает необходимой плотности укладки. В процессе смешивания происходит скатывание частиц за счет отламывания острых выступов в процессе трения о другие частицы с переходом к более округлым формам с повышением относительной плотности укладки от 0,2÷0,3 до 0,5÷0,6. При уменьшении времени обработки частиц многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю и железа не достигаются необходимые однородность и плотность укладки смеси металлических порошков, превышение времени обработки приводит к расслаиванию суспензии.
На стадии смешивания подготовленной смеси металлических порошков с суспензирующей жидкостью поверхностно-активное вещество - 96%-ный раствор этилового спирта, введенное на стадии измельчения многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю, препятствует химическому взаимодействию смеси металлических порошков с суспензирующей жидкостью - 7%-ным водным раствором поливинилового спирта.
При формовании заготовки из поликомпонентных порошковых материалов методом мундштучного прессования происходит выдавливание суспензии металлических порошков через отверстие, определяющее форму и размеры поперечного сечения порошковой заготовки. Поэтому суспензия металлических порошков должна быть вязкая и текучая и, в то же время, должна сохранять сечение выходного отверстия и не расплываться. Экспериментальным путем найдено оптимальное весовое соотношение смеси металлических порошков и водного раствора поливинилового спирта в суспензии, которое составляет 6,89÷7,69.
При формовании заготовки из поликомпонентных порошковых материалов методом дублирования полимерной матрицы, имеющей большой размер ячеек, необходимо наличие большего количества суспензии металлических порошков на перемычках полимерной матрицы. Поэтому суспензия готовится более густой, чем при дублировании полимерной матрицы с малым размером ячеек, так как при уменьшении размеров ячеек затрудняется проникновение суспензии металлических порошков в объем полимерной матрицы и необходима менее густая суспензия металлических порошков. Экспериментальным путем установлены оптимальные весовые соотношения смеси металлических порошков и водного раствора поливинилового спирта в суспензии, которые составляют 5,13, 5,56 или 5,95 для полимерной матрицы с размерами ячеек 0,6 мм; 1,0÷1,2 мм или 3,3÷3,5 мм соответственно.
Ниже приведены примеры практической реализации предлагаемого изобретения.
Пример 1
Исходный порошок многокомпонентного высоколегированного сплава марки 60Х20Ю со средним размером частиц 315 мкм в количестве 0,5 кг загружают в вибрационную мельницу с добавлением 0,067 л 96%-ного раствора этилового спирта и 1,5 кг размольных тел. Проводят размол в течение 18 часов, получают порошок высоколегированного сплава 60Х20Ю со средним размером частиц 0,8 мкм. В смеситель со смещенной осью вращения загружают 0,5 кг измельченного порошка многокомпонентного высоколегированного сплава 60Х20Ю; 1,142 кг порошка железа марки Р-20 (производитель ООО «Синтез - ПКЖ» г.Дзержинск) со средним размером частиц 3,5 мкм; 0,6 кг смешивающих «Г-образных» тел и проводят механическое перемешивание в течение 24 часов. Отделяют смешивающие тела и к полученной смеси металлических порошков с относительной плотностью укладки 0,5 добавляют 0,29 кг 7%-го водного раствора поливинилового спирта. Перемешивание проводят в течение 1 часа до получения седиментационно устойчивой однородной суспензии.
Седиментационная устойчивость (способность не расслаиваться в течение длительного времени под действием силы тяжести) полученной суспензии металлических порошков определена по изменению ее эффективной вязкости во времени. Исследования проведены с помощью вискозиметра РВ-8 в течение 24 часов. Установлено, что при условии хранения в герметично закрытой таре, реологические характеристики данной суспензии - эффективная вязкость и предельное напряжение сдвига, составляющие 1,77 Па·с и 81,5 Па соответственно, остаются неизменными на протяжении 12 часов, что, в зависимости от режима пропитки полимерной матрицы, в 12-50 раз превышает время, необходимое по технологии для использования суспензии в производственных условиях. Следовательно, суспензия металлических порошков, полученная предлагаемым способом и предназначенная для шликерного литья - дублирования полимерной матрицы с размером ячейки 1,1 мм, является седиментационно устойчивой.
Пример 2
Способ получения суспензии металлических порошков, предназначенной для шликерного литья - дублирования полимерной матрицы с размером ячейки 0,6 мм, осуществляют аналогично примеру 1, включая стадию отделения смешивающих «Г-образных» тел от смеси металлических порошков с относительной плотностью укладки 0,5.
Далее к полученной смеси металлических порошков с относительной плотностью укладки 0,5 добавляют 0,32 кг 7%-ного водного раствора поливинилового спирта. Перемешивание проводят в течение 1 часа до получения седиментационно устойчивой однородной суспензии.
Седиментационная устойчивость полученной суспензии металлических порошков определена по изменению ее эффективной вязкости во времени. Исследования проведены с помощью вискозиметра РВ-8 в течение 24 часов. Установлено, что при условии хранения в герметично закрытой таре, реологические характеристики данной суспензии - эффективная вязкость и предельное напряжение сдвига, составляющие 1,23 Па·с и 65,5 Па соответственно, являются неизменными на протяжении 12 часов, что, в зависимости от режима пропитки полимерной матрицы, в 12-50 раз превышает время, необходимое по технологии для использования суспензии в производственных условиях. Следовательно, суспензия металлических порошков, полученная предлагаемым способом и предназначенная для шликерного литья - дублирования полимерной матрицы с размером ячейки 0,6 мм, является седиментационно устойчивой.
Пример 3
Способ получения суспензии металлических порошков, предназначенной для шликерного литья - дублирования полимерной матрицы с размером ячейки 3,5 мм, осуществляют аналогично примеру 1, включая стадию отделения смешивающих «Г-образных» тел от смеси металлических порошков с относительной плотностью укладки 0,5.
Далее к полученной смеси металлических порошков с относительной плотностью укладки 0,5 добавляют 0,27 кг 7%-ного водного раствора поливинилового спирта. Перемешивание проводят в течение 1 часа до получения седиментационно устойчивой однородной суспензии.
Седиментационная устойчивость полученной суспензии металлических порошков определена по изменению ее эффективной вязкости во времени. Исследования проведены с помощью вискозиметра РВ-8 в течение 24 часов. Установлено, что при условии хранения в герметично закрытой таре, реологические характеристики данной суспензии - эффективная вязкость и предельное напряжение сдвига, составляющие 2,21 Па·с и 84,0 Па соответственно, являются неизменными на протяжении 12 часов, что, в зависимости от режима пропитки полимерной матрицы, в 12-50 раз превышает время, необходимое по технологии для использования суспензии в производственных условиях. Следовательно, суспензия металлических порошков, полученная предлагаемым способом и предназначенная для шликерного литья - дублирования полимерной матрицы, имеющей размер ячейки 3,5 мм, является седиментационно устойчивой.
Пример 4
Исходный порошок многокомпонентного высоколегированного сплава марки 60Х20Ю со средним размером частиц 315 мкм в количестве 0,5 кг загружают в вибрационную мельницу с добавлением 0,067 л 96%-го раствора этилового спирта и 1,5 кг размольных тел. Проводят размол в течение 18 часов, получают порошок высоколегированного сплава 60Х20Ю со средним размером частиц 0,8 мкм. В смеситель со смещенной осью вращения загружают 0,5 кг измельченного порошка высоколегированного сплава 60Х20Ю; 1,142 кг порошка железа марки Р-20 (производитель ООО «Синтез - ПКЖ», г.Дзержинск) со средним размером частиц 3,5 мкм; 0,6 кг смешивающих «Г-образных» тел и проводят механическое перемешивание в течение 30 часов. Отделяют смешивающие тела и к полученной смеси металлических порошков с относительной плотностью укладки 0,6 добавляют 0,23 кг 7%-го водного раствора поливинилового спирта. Перемешивание проводят в течение 1 часа до получения седиментационно устойчивой однородной суспензии.
Седиментационная устойчивость полученной суспензии металлических порошков определена по изменению ее эффективной вязкости во времени. Исследования проведены с помощью вискозиметра РВ-8 в течение 24 часов. Установлено, что при условии хранения в герметично закрытой таре реологические характеристики данной суспензии - эффективная вязкость и предельное напряжение сдвига, составляющие 6,64 Па·с и 89,0 Па соответственно, являются неизменными на протяжении 12 часов, что, как минимум, в 50 раз превышает время, необходимое по технологии для использования суспензии в производственных условиях. Следовательно, суспензия металлических порошков, полученная предлагаемым способом и предназначенная для мундштучного прессования заготовок из порошковых поликомпонентных материалов, является седиментационно устойчивой.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить седиментационно устойчивую суспензию металлических порошков, предназначенную для изготовления заготовок из порошковых поликомпонентных материалов.