СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
METHOD OF MAKING ARTICLES FROM METAL POWDERS

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению изделий из порошков на основе чугуна, полученных переработкой стружковых отходов металлообработки, и может быть использовано для получения спеченных металлических объектов, создаваемых на основе данных цифровых моделей для создания прототипов и декоративно-художественных изделий.
Известен способ послойного изготовления трехмерных объектов из порошков посредством спекания, в котором: ленту в процессе перемотки перфорируют системой перфорации в местах размещения порошка, перфорированные места ленты заполняют порошком - пластиковым, керамическим, металлическим или их комбинацией, затем перфорированную, растворимую ленту сжимают уплотнителем в процессе сматывания в рулон, после чего намотанный рулон ленты с порошком после завершения формирования всех слоев спекают и системой очистки отделяют спеченный объект от ленты (патент RU №2609911, МПК В29С 67/04, В05С 19/00, В29С 43/48, B33Y 10/00, опубл. 07.02.2017, Бюл. №4).
Данный способ характеризуется сложной конструкцией системы за счет наличия в устройстве систем перфорации, наполнения, очистки, бункера частиц, высокой стоимостью использующихся порошков, необходимостью их спекания в вакууме.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления изделий сложной формы из металлических порошков, заключающийся в приготовлении смеси порошков со связующим, формировании заготовки в форме из пластичного материала с наложением вибрации, сушке, последующем спекании в защитной среде и пропитке изделия легкоплавким металлом (патент SU №1802751, МПК B22F 3/00, B22F 3/12, опубл. 15.03.1993, Бюл. №10).
Недостатком известного способа является невозможность создания изделий по цифровым моделям.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание технологии, позволяющей получить по цифровым моделям металлические изделия посредством экструзионной печати с последующим беспрессовым порошковым спеканием при одновременной пропитке более легкоплавким материалом.
Технический результат изобретения заключается в упрощении технологического процесса создания по цифровым моделям спеченных порошковых изделий из чугуна, удешевлении изготовления изделий за счет применения в качестве исходного сырья дешевой чугунной стружки.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделий из металлических порошков, предусматривающем приготовление смеси порошков со связующим, формирование заготовки по цифровой модели, сушку, спекание в муфельной печи, пропитку изделия металлом, согласно изобретению в качестве металлического порошка используют чугунную стружку, из которого готовят пасту и посредством экструзионной печати на 3D-принтере формируют контур цифровой модели слой за слоем, далее спекают полученную заготовку и одновременно пропитывают бронзой, при этом в качестве связующего применяют жидкое стекло в соотношении: 78-82% порошка, 18-22% связующего.
Отличительной особенностью предлагаемого способа согласно изобретению, является то, что в качестве металлического порошка используют чугунную стружку, из которого готовят пасту и посредством экструзионной печати на 3D-принтере формируют контур цифровой модели слой за слоем, далее спекают полученную заготовку и одновременно пропитывают бронзой, при этом в качестве связующего применяют жидкое стекло в соотношении: 78-82% порошка, 18-22% связующего.
Металлический порошок из чугунной стружки получают путем измельчения в шаровой мельнице с последующим ситовым отбором до фракции - 40 мкм.
Полученный порошок смешивают со связующим, представляющим собой жидкое стекло до пастообразного состояния. Количество связующего выбирают минимальным, обеспечивающим достаточную текучесть пасты. Оптимальное соотношение: 78-82% порошка, 18-22% связующего. Если количество связующего меньше оптимального, то происходит отклонение наносимого слоя пасты от контура цифровой модели, снижается прочность заготовки и она разрушается при снятии со стола 3D принтера, если количество связующего увеличено, то возрастает пористость, что также снижает прочность заготовки. Также при повышении количества связующего возрастает усадка при последующем спекании, наблюдается коробление изделий.
Предлагаемый способ изготовления изделий из металлических порошков поясняется рисунками, где: фиг. 1 иллюстрирует схему экструдера для установки на FDM 3D-принтер по пластику; фиг. 2 показывает сечение с внутренней конструкцией экструдера, состоящего из шнека подачи пасты, приводимого в движение электродвигателем; фиг. 3 демонстрирует схему упаковки заготовки, сформированной экструзионной печатью, в контейнер.
Предлагаемый способ изготовления изделий из металлических порошков осуществляют следующим образом.
Экструдер монтируют на FDM 3D принтер по пластику вместо стандартного. Приготовленную пасту загружают в экструдер. С помощью пневматической экструзии и вращения шагового электродвигателя экструдером выдавливают пасту, а 3D-принтер перемещает его по контуру цифровой модели слой за слоем. По окончании печати изделие оставляют затвердеть при комнатной температуре в течение 3 часов.
На дно контейнера из нержавеющей стали насыпают слой глинозема. Укладывают заготовку. На заготовку помещают бронзовую болванку для пропитки. Заготовку с бронзовой болванкой засыпают глиноземом с утрамбовкой. Глинозем выполняет функцию удержания формы заготовки во время спекания и пропитки. Сверху укладывают слой графита, вступающего при нагреве в реакцию с кислородом и тем самым предотвращающего окисление изделия. Контейнер помещают в муфельную печь, которую разогревают до температуры 1150-1200°С. Данный температурный режим соответствует температуре спекания чугуна. Кроме того, при указанном диапазоне температур происходит плавление бронзы и пропитка ею пор, образующихся при выгорании связующего. Частицы глинозема не спекаются при указанной температуре, что позволяет легко отделить их от готового изделия.
Пример. Порошок, полученный размолом чугунной стружки и просеянный до фракции - 40 мкм, смешивают со связующим: 80% порошка и 20% связующего, представляющего жидкое стекло. Полученную массу загружают в экструдер, установленный на FDM 3D принтере по пластику. Осуществляют послойную печать по цифровой модели. Напечатанное изделие выдерживают в течение 3 часов при температуре 20-22°С, после твердения снимают со стола 3D принтера и помещают в контейнер из нержавеющей стали, заполненный глиноземом. Поверх заготовки укладывают бронзовую болванку, досыпают слой графита для предотвращения обезуглероживания. Затем заготовку спекают и одновременно пропитывают бронзой в муфельной печи при температуре 1150-1200°С в течение 3 часов. После спекания с пропиткой изделие извлекают из контейнера и очищают от глинозема щеткой.
Таким образом, предлагаемый способ получения изделий из металлических порошков по сравнению с прототипом (патент SU №1802751, МПК B22F 3/00, B22F 3/12, опубл. 15.03.1993, Бюл. №10) значительно проще и дешевле известного способа, так как:
- обеспечивает возможность создания заготовок порошковых металлических изделий по цифровым моделям по сравнению с ближайшим аналогом;
- основан на использовании дешевого исходного сырья - чугунной стружки;
- не требует специальных печей с защитной средой для порошкового спекания.