Исследование импортного гранулята Catamold 42CrMo4 для МИМ-технологий

Полный текст

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.

Об авторах

Анатолий Романович Самборук

Самарский государственный технический университет

(д.т.н., проф.), преподаватель кафедры «Материаловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Наталья Валерьевна Дегтярёва

Самарский государственный технический университет

аспирант Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Антонина Александровна Антипова

Самарский государственный технический университет

аспирант Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Дмитрий Владимирович Костин

Самарский государственный технический университет

студент Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы