Study of import granulate Catamold 42CrMo4 MIM for technology

Full Text

Metal Ingection Molding (MИM) - перспективная технология производства малогабаритных деталей сложной формы как результат объединения метода литья полимерных материалов под давлением с технологиями порошковой металлургии [1]. Преимущества МИМ-технологии: 1. Возможность изготовления изделий сложной формы в массово-серийном производстве. MИM-процесс снимает практически все ограничения по сложности формы изготавливаемой детали. Все, что было принципиально невозможно реализовать из-за ограничений механической обработки, теперь доступно. 2. Точность допусков и размеров, не требуется дополнительная механическая обработка. В настоящее время MИM-технология позволяет получать детали с минимальной толщиной сечения от 0,4 до 30 мм с допусками в пределах 0,1 мм на каждые 25 мм линейных размеров детали. 3. Возможность получения практически любой поверхности. MИM-процесс позволяет придавать поверхностям формируемых деталей практически любые свойства - от очень гладких до текстурированных. 4. Увеличение прочности деталей за счет варьирования рецептур гранулятов. В рецептуру гранулята вводятся упрочняющие добавки в виде порошка карбида титана или порошка карбидосталей. 5. Экономия исходных материалов и снижение себестоимости изделий. Сокращение затрат на дорогостоящие фрезы, станки и их обслуживание. Негативные последствия отсутствия МИM-технологий в приборостроительном производстве усугубляются тем, что альтернативных технологических решений, имеющих подобные высокие технико-экономические показатели (коэффициент использования материала до 0,95, возможность полной автоматизации производства даже в условиях небольших серий, малостадийность технологии и др.), нет. К сожалению, возможности отечественных предприятий в применении высокоэффективного процесса инжекционного прессования деталей из мелкодисперсных порошков металла или керамики ограничены отсутствием в России сырьевой базы. Сырьем для изготовления деталей методом МИM-технологии являются мелкодисперсные металлические порошки железа и легирующих элементов фракцией от 1 до 20 мкм, смешанные с термопластичным связующим (пластификатором) и специальными смазками. Такая композиция называется гранулятом, или фидстоком. Немногочисленные частные компании, изготавливающие в России детали по данной технологии, работают на дорогостоящем импортном грануляте (фидстоке) в основном производства фирмы BASF, Германия. Поэтому первоочередной задачей для развития МИМ-технологии в России является разработка отечественного гранулята. В качестве начального этапа решения поставленной задачи были проведены исследования импортного гранулята Catamold 42CrMo4. Плотность гранулята Catamold 42CrMo4 определяли после испытания на пластомере при температуре 190 оС. Образцы цилиндрические диаметром 2 мм, длиной от 13,2 до 13,4 мм взвешивали на электронных весах с точностью ± 0,0001 г и измеряли размеры микрометром с точностью ± 0,01 мм (табл. 1). Таблица 1 Геометрические размеры гранулята Catamold 42CrMo4 № опыта Масса образца M, г Диаметр образца D, см Длина образца H, см Плотность образца, г/см3 1 0,1894 0,20 1,32 4,57 2 0,1902 0,20 1,33 4,57 3 0,1927 0,20 1,34 4,57 Таким образом, средняя плотность гранулята Catamold 42CrMo4 составляет около 4,57 г/см3. Измерение насыпного веса гранулята осуществлялось заполнением заданного объема 50 мл навеской гранулята с дальнейшим взвешиванием навески (табл. 2). Таблица 2 Насыпной вес гранулята Catamold 42CrMo4 № опыта Заданный объем V, мл Насыпной вес гранулята, г/см3 1 50,0 1,32 2 50,0 1,32 3 50,0 1,34 Таким образом, средний насыпной вес гранулята Catamold 42CrMo4 составляет около 1,33 г/см3. Определение текучести гранулята Catamold 42CrMo4 проводилось на экструзионном гравиметрическом пластометре TWElVindex (США). При испытаниях на определение текучести расплава измеряют течение расплавленного полимера через выдавливающий пластометр при заданных условиях температуры и нагрузки. Выдавливающий пластометр состоит из вертикального цилиндра с небольшой головкой диаметром 2,095 мм в нижней части и съемного поршня в верхней части. Порцию материала помещают в цилиндр и предварительно нагревают в течение нескольких минут. Поршень устанавливают на верхнюю поверхность расплавленного полимера, и его вес продавливает полимер через головку на сборную плиту. Количество полимера, собранного после заданного периода испытаний, взвешивают и пересчитывают в количество граммов, которое могло быть выдавлено через 10 мин. Скорость течения расплава выражают в граммах на эталонное время [2]. Среднее значение текучести по результатам 10 опытов при температуре 190 оС и грузе 21,6 кг составило 511 г/10 мин, что несущественно превышает заявленное значение в сертификате на фидсток Catamold 42CrMo4 германской фирмы BASF (200-500 г/10 мин). Исследование гранулометрического состава и морфологии частиц металлической части гранулята производилось на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A. На рис. 1 представлена фотография гранулята Catamold 42CrMo4. В состав гранулята входит тонкий микропорошок сферичной формы с размером частиц от 1 до 5 мкм. Для определения содержания металлической части гранулята был использован метод термического разложения органической части на установке для дифференциально-термического (ДТА) и термогравиметрического анализа (ТГА) «Термоскан-2». Навеска гранулята в количестве 1000 мг помещалась в тигель и нагревалась до температуры 600 °С со скоростью 20 °/мин. При этом полимерная часть выгорала, а остаток соответствовал содержанию металлической части в грануляте. Для гранулята Catamold 42CrMo4 содержание металлической части составило 88-89 % и соответственно полимерной части - 11-12 %. Исследование химического и элементного состава частиц металлической части гранулята проводилось на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A с микрорентгеноспектральным анализатором JED. Рис. 1. Фотография гранулята Catamold 42CrMo4 при увеличении Х3000 Рис. 2. Термограмма разложения гранулята Catamold 42CrMo4 В результате было установлено, что металлическая часть гранулята Catamold 42CrMo4 состоит из порошка сплава железа (97-98 %), хрома (0,2-0,4 %) и молибдена (0,2-0,3) %. Исследование полимерной части гранулята Catamold 42CrMo4 проводились на дифференциальном сканирующем микрокалориметре ДСК-500. На рис. 2 изображена термограмма разложения гранулята. При разложении гранулята Catamold 42CrMo4 на дифференциальном сканирующем микрокалориметре ДСК-500 наблюдается два пика: эндотермический и экзотермический. Эндотермический пик - с удельным тепловым эффектом 23,7 Дж/г и температурой 156 °С - соответствует плавлению полимера. Подтверждается это обратимостью эффекта при нагревании образца до 290 °С и размягчением нагретого образца. Экзотермический пик - с удельным тепловым эффектом 104,3 Дж/г и температурой 293 °С - соответствует процессу термического разложения полимерной компоненты образца. Данный факт подтверждается потерей массы образца, а также тем, что при последующем нагреве какие-либо термические эффекты в диапазоне температур до 500 °С отсутствуют. После термического разложения образца остается сухой остаток серого цвета, форма образца сохраняется. Состав полимерной части Catamold 42CrMo4 исследовался с помощью ИК-Фурье спектроскопии. Были выявлены линии, характерные для полиформальдегида (см-1) 1087,71, 1234,28, а также линии с волновым числом (см-1) 2915,99, 2848,49, 1463,78, 729, характерные для полиэтиленов. Поэтому полимерную фазу составляют полиформальдегид (значительная часть) и полиэтилен (по всей вероятности ПЭВД) [3]. Заключение Проведенное исследование импортного гранулята Catamold 42CrMo4 позволило сделать рекомендации по подбору отечественных аналогов: - для полимерной части отечественным аналогом является полиформальдегид с процессинговыми добавками Технасет А-110; - для металлической части отечественным аналогом металлической части Catamold 42CrMо4 являются карбонильное железо и порошки конструкционных легированных сталей марок 40ХФА и 38ХМ.

About the authors

Anatoly R Samboruk

Samara State Technical University

Postgraduate student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Nataliya V Degtyareva

Samara State Technical University

Postgraduate student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Antonina A Antipova

Samara State Technical University

Postgraduate student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Dmitry V Kostin

Samara State Technical University

Postgraduate student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files