СОСТАВНОЕ СПЕЧЕННОЕ ИЗДЕЛИЕ

Полезная модель относится к порошковой металлургии, а именно к конструкциям составных сложнопрофильных спеченных изделий, и может быть использована при изготовлении рабочих органов многоступенчатых центробежных насосов, в частности высокодебитных погружных центробежных насосов для добычи нефти.
Известно составное изделие (см. патент RU 2096133 С1, 20.11.1997), содержащее два соединенных между собой элемента, по крайней мере, один из которых выполнен из порошкового материала на металлической основе по MIM-технологии (MIM - Metal Injection Molding). Соединение элементов осуществлено в процессе формования и спекания порошкообразного материала, при этом элементы соединены с зазором.
Недостатком аналога является то, что описанный в аналоге способа соединения элементов практически не пригоден для жесткого соединения элементов, особенно, при изготовлении нагруженных изделий.
Известно составное изделие (см. патент RU 2093309 С1, 20.10.1997), содержащее два соединенных между собой элемента, один из которых содержит пористую матрицу, образованную спеченным порошковым материалом на металлической основе. Поры матрицы посредством инфильтрации (пропитки) заполнены пропиточным материалом, содержащим металл с температурой плавления ниже, чем у спеченного порошкового материала, причем
элементы изделия соединены между собой посредством упомянутого пропиточного материала. Второй элемент представляет собой металлическую основу изделия, а соединение частей изделия осуществлено за счет образования сплава металла пропитки с металлом основы в процессе инфильтрации, совмещенном со спеканием первого элемента.
Недостатком указанного аналога является ограничение, накладываемое на материалы, используемые для изготовления элементов составного изделия, связанное со способом их соединения, предусматривающим образование сплава металла, используемого для пропитки одного из элементов, с материалом другого элемента изделия.
Известно также составное изделие (см. патент RU 2010679 С1, 15.04.1994) содержащее два соединенных между собой элемента, один из которых содержит пористую алмазосодержащую матрицу, образованную спеченным порошковым материалом на металлической основе. Поры матрицы посредством инфильтрации (пропитки) заполнены пропиточным материалом, содержащим металл с температурой плавления ниже, чем у спеченного порошкового материала, причем элементы изделия соединены между собой посредством упомянутого пропиточного материала. Второй элемент изделия представляет собой металлический несущий элемент изделия, при этом соединение частей изделия осуществлено за счет пайки первого элемента ко второму в процессе инфильтрации, совмещенном со спеканием первого элемента.
Недостатком указанного аналога также является ограничение, накладываемое
на материалы, используемые для изготовления элементов составного изделия, связанное со способом соединения элементов, так как метал, из которого выполняют несущий элемент изделия, помимо основных требований, предъявляемых к несущему элементу, должен обладать высокой адгезией и смачиваемостью расплавом металла пропитки для создания надежного паянного соединения.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели (прототипом) является составное спеченное изделие, описанное в патенте RU 2198070 С2, 10.02.2003 и содержащее, по меньшей мере, два соединенных между собой элемента из порошкового материала на металлической основе. Элементы спеченного изделия содержат пористую матрицу, образованную спеченным порошковым материалом, поры которой, по крайней мере, частично заполнены пропиточным материалом, содержащим металл с температурой плавления ниже, чем у спеченного порошкового материала. При этом элементы спеченного изделия соединены между собой диффузионной сваркой посредством упомянутого пропиточного материала.
Основным недостатком прототипа является невозможность изготовление спеченных изделий с элементами сложной пространственной формы, связанная с тем, что для формования пористых порошковых заготовок используется метод прессования, с помощью которого такие элементы сформовать невозможно.
Таким образом, задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, состоит в создании составного сложнопрофильного спеченного
изделия, которое, в частности, может быть использовано при изготовлении рабочих органов высокодебитных погружных центробежных насосов для добычи нефти с наклонно-циклическими (полуосевыми) рабочими колесами и направляющими аппаратами осевого типа.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в расширении области применения спеченного изделия без существенного повышения себестоимости за счет совместного использования пористых порошковых элементов, сформированных методом прессования и сложнопрофильных порошковых элементов, изготовленных из мелкодисперсного порошка по MIM-технологии.
Составное спеченное изделие содержит, по меньшей мере, два соединенных между собой элемента из порошкового материала на металлической основе, один из которых содержит пористую матрицу, образованную спеченным порошковым материалом, поры которой, по крайней мере, частично заполнены пропиточным материалом, на основе металла с температурой плавления ниже, чем у спеченного порошкового материала. Элементы спеченного изделия соединены между собой посредством упомянутого пропиточного материала. При этом в отличии от прототипа второй элемент выполнен по MIM-технологии.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, второй элемент может содержать легирующий материал, обладающий более высокой адгезионной способностью и смачиваемостью расплавом пропиточного материала чем основной материал второго элемента.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, основной материал представляет собой карбонил железа, а легирующее вещество - никель.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, второй элемент содержит никель в пределах от 2 до 8%, углерод в пределах от 0,4 до 0,6% и карбонил железа - остальное.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, на поверхности изделия может быть сформирован плакирующий слой, образованный пропиточным материалом, который покрывает наружную поверхность первого элемента, а также, по меньшей мере, часть поверхности второго элемента.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, второй элемент может иметь мелкозернистую структуру.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, второй элемент может быть выполнен с закрытыми порами, при этом остаточная пористость второго элемента должна находится в пределах от 0,1% до 4,0%.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, второй элемент может быть выполнен из мелкодисперсного порошкового материала с размером частиц основной фракции в пределах от 1 до 40 мкм.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, первый элемент может быть изготовлен из порошкового материала при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,10÷1,0
Марганец - 0,10÷1,0
Железо - остальное.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, объем пор пористой матрицы первого элемента может находится в пределах от 12 до 18%.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пропиточный материал может быть введен в поры первого элемента методом инфильтрации (пропитки).
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пропиточный материал представляет собой медь.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, содержание меди в составе первого элемента превышает объем пор пористой матрицы первого элемента и находится в пределах от 15 до 20%.
Применение в конструкции составного спеченного изделия элементов, формуемых литьем под давлением (инжекцией) мелкодисперсного порошка с полимерным связующим, то есть по MIM-технологии, в сочетании с пористыми элементами, формуемыми прессованием, обеспечивает возможность конструирования спеченных изделий с элементами сложной пространственной формы без существенного увеличения себестоимости изделия, так как MIM-технология снимает ограничения на форму детали, присущие другим технологиям, применяемым в порошковой металлургии, и позволяет с высокой точностью изготавливать детали, имеющие минимальный размер сечения до 0,4 мм, а наиболее массивные элементы изделия, имеющие как правило достаточно простую форму, могут быть выполнены из обычного металлического порошка методом прессования, более дешевым по сравнению с MIM-технологией.
При этом соединение элементов изделия с помощью пропиточного материала обеспечивает простое и надежное соединение элементов составного спеченного изделия.
Использование легирующего материала, в частности никеля, обладающего высокой адгезионной способностью и смачиваемостью расплавами на основе меди, которые наиболее часто применяются в качестве пропиточного материала при изготовлении рабочих органов погружных центробежных насосов, обеспечивают высокую прочность соединения. Так как легирующий материал распределен по всему объему элемента, то при соответствующем подборе легирующего материала он может выполнять функцию повышения прочности соединения как дополнительную, наряду с повышением прочности элемента, его коррозионной стойкости и т.п. в отличие от известных примеров использования легирующих материалов, а именно никеля, для улучшения качества соединения элементов спеченного изделия (см., в частности, патент RU 2120352 С1, 20.10.1998 и авторское свидетельство SU 1473902 А, 23.04.1989). При этом легирующий материал входит в состав мелкодисперсного порошка то есть в виде частиц размером от 1 до 40 мкм, что обеспечивает равномерное распределение легирующего материала по всему объему элемента и, соответственно, поверхности контакта элементов изделия, что дополнительно повышает качество соединения.
Кроме того, за счет высокой смачиваемости легирующего материала часть пропиточного материала, вытекающая в процессе инфильтрации из пор пропитываемого элемента изделия, покрывает боковые поверхности элемента,
присоединяемого к пропитываемому, создавая на них плакирующий слой, который повышает коррозионную стойкость этого элемента и спеченного изделия в целом, а также улучшает теплоотвод, что еще больше расширяет возможную область применения спеченного изделия.
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием составного сложнопрофильного спеченного изделия, выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью, сопровождаемое чертежом, на которых схематично изображена зона соединения двух элементов изделия.
Составное спеченное изделие состоит из элементов двух типов: пористого пропитанного элемента 1, сформованного методом прессования, и сложнопрофильного элемента 2, выполненного по MIM-технологии.
Например, при изготовлении направляющих аппаратов осевого типа высокодебитных погружных центробежных насосов для добычи нефти стакан формируют методом прессования, а внутреннюю втулку с лопастями (крыльчатку), которая имеет сложную пространственную форму, изготовляют по MIM-технологии.
Заготовку элемента 1 сформировали двухсторонним прессованием на гидравлическом прессе из металлического порошка следующего состава, мас.%:
Углерод - 0,10÷1,0
Марганец - 0,10÷1,0
Железо - остальное.
Пористость заготовки элемента 1 после прессования находилась в пределах от 12 до 18%.
Из порошка марганцовистой (оловянистой или оловянисто-цинковой) бронзы с содержанием меди не менее 80% спрессовали пропиточный брикет. Размер брикета подбирали таким образом, чтобы его объем превышал объем пор пористой матрицы заготовки элемента 1 (от 15 до 20% объема элемента 1).
Элемент 2 выполнен из гранулированного порошка с размером частиц в пределах от 1 до 40 мкм, например, порошка, производимого компанией BASF под торговой маркой Catamold. Порошок содержит никель в пределах от 2 до 8%, углерод от 0,4 до 0,6% и карбонил железа - остальное.
3
В процессе изготовления гранулят смешали с полимерным связующим на основе полвинила или полипропилена. Из этой смеси при помощи специального термопластавтомата сформировали заготовку заданной конфигурации с соответствующими припусками на усадку. Для удаления из сформованной заготовки полимерного связующего ее поместили в печь с температурой 130-140°С, а для спекания частиц порошкового материала и удаления остатков связующего заготовку подвергли повторному нагреву при температуре около 1250°С в азотосодержащей защитной атмосфере. После спекания получили деталь с закрытыми порами 3, при этом остаточная пористость составила от 0,1% до 4,0%, плотность более 7,5 г/см, условный предел текучести более 400 МПа, твердость отдельных участков микроструктуры материала от 150 до 280 HV10. Таким образом прочностные свойства спеченной детали,
выполненной по MIM-технологии, близки к свойствам деталей, изготовляемых резанием из цельных заготовок.
Элементы 1 и 2 изделия собрали в соответствии с конструкцией изделия, разместив на поверхности элемента 1 пропиточный брикет. Затем поместили собранную заготовку с пропиточными брикетами в печь с защитной атмосферой и провели спекание элемента 1 с одновременной инфильтрацией пропиточным материалом из брикета. Процесс производили в среде диссоциированного аммиака при температуре около 1150°С в течении примерно 0,5 часа, то есть в течении времени, требующегося для полного спекания и инфильтрации пропиточного материала по всему объему элемента 1, а также образования надежного соединения элементов спеченного изделия посредством расплава пропиточного материала, вытекающего в процессе инфильтрации из пор заготовки элемента 1 в зоне размещения элемента 2.
После спекания получили спеченное изделие без разрывов между соединяемыми поверхностями элементов и равномерным распределением пропиточного материала по всему объему пористой матрицы 4 элемента 1. На поверхности изделия образован плакирующий слой 5 сформированный пропиточным материалом, который покрывает наружную поверхность элемента 1, а также, по меньшей мере, часть поверхности элемента 2.
Прочность соединения элементов изделия проверялась на машине сжатия типа Р50 с приложением усилия около 6 тонн. В результате было установлено, что прочность соединения превышает прочность основного материала элемента 1, так как разрушение произошло по телу изделия.