CC BY
40
ХАРАКТЕРИСТИКИ МИМ-ГРАНУЛЯТА НА ОСНОВЕ ПОРОШКА КАРБОНИЛЬНОГО ЖЕЛЕЗА МАРКИ НМ И ПОЛИФОРМАЛЬДЕГИДА
1 2 © Пархоменко А.В. , Костин Д.В. ,
Чемашкин А.В., Малюков М.В.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный технический университет», г. Самара Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр «Производственное объединение «Старт» имени М.В. Проценко», Пензенская область, г. Заречный
В данной работе проведено исследование зависимостей конечных свойств гранулята на основе порошка карбонильного железа марки НМ от количества и компонентного состава связующего. Изложены результаты разработки рецептур гранулятов и определены их основные свойства: плотность, гомогенность, показатель текучести расплава.
Ключевые слова: МИМ-технология, порошки металлические, связующее, поверхостно-активные вещества (ПАВ), гранулят, полиформальдегид, железо карбонильное, показатель текучести расплава, гомогенность, плотность.
Технология инжекционного формования и спекания металлических порошковых материалов, которая за рубежом называется Metal Injection Molding или MIM-technology (МИМ-технология) - это результат объединения метода литья полимерных материалов под давлением с технологиями порошковой металлургии. Такая технология успешно применяется для серийного производства малогабаритных деталей сложной формы, взамен традиционной трудоемкой технологии изготовления деталей путем механической обработки металлических заготовок. MИM-технология широко применяется для нужд автомобильной, часовой, авиакосмической промышленности, бытовой электроники и информационных технологий, медицинской отрасли. Большое распространение получила на предприятиях оборонного комплекса [1].
Сырьем для МИМ-технологии является фидсток или гранулят - смесь мелкодисперсного металлического порошка с полимерным связующим и специальными добавками (смазками и поверхностно-активными веществами).
Широкое применение нашли грануляты марки Catamold® [2] на основе полиформальдегида (полиоксиметилена, полиацеталя), который обладает
1 Инженер Самарского государственного технического университета.
2 Аспирант кафедры «МПМН» Самарского государственного технического университета.
3 Инженер-технолог 3 категории Производственного объединения «Старт»» им. М.В. Проценко.
хорошими технологическими характеристиками, высокой стабильностью и точностью размеров, высокой механической прочностью, теплопроводностью и термостабильностью. Он обеспечивает хорошее проливание заготовок на термопласт-автоматах и сохранность геометрической формы изделия на последующих стадиях МИМ-процесса. Детали, полученные из данного гранулята имеют высокие показатели прочности и твердости и минимальные значения усадки. Для таких гранулятов имеется отлаженная технология их применения (формования, удаления связующего и спекания), серийно выпускаемое под эту технологию оборудование, что, в конечном итоге, является гарантией высокого качества деталей и эффективности их МИМ-производства [3, 4].
Целью данного исследования является установление зависимостей конечных свойств гранулята на основе порошка карбонильного железа марки НМ от содержания связующего вещества в грануляте и от компонентного состава связующего. Было изготовлено несколько рецептур гранулятов, обеспечивающих необходимые свойства (гомогенность, показатель текучести, плотность).
В качестве металлической части гранулята использовался порошок карбонильного железа. Карбонильное железо представляет собой мелкодисперсные частицы чистого металлического железа размером от 0,5 до 25 мкм (Э90 = 6-8 мкм). Средний насыпной вес составляет от 3 до 4,5 г/см3. Удельный вес соответствует величине чистого железа. Форма частиц - монолитные сфероиды. В данной работе использовался порошок карбонильного железа марки НМ (ТУ 2436-045-05807977-98) производства ООО «Синтез-ПКЖ», г. Дзержинск, Нижегородской области.
Химический состав порошка: углерод (С) - 0,6-1,2 % по массе; кислород (О) - 0,4 % по массе; азот (№) - 0,9 % по массе; железо -основа.
В работе в качестве полимерного связующего использовался полиформальдегид Технасет А-110 (ТУ 2226-020-11517367-2013) производства НПП «Полипластик», г. Москва.
В качестве поверхностно активного вещества (далее - ПАВ) в составе гранулята применялась стеариновая кислота марки Т-32 ГОСТ 6484-96.
Полиэтилен высокого давления (далее - ПЭВД) 15813-020 по ГОСТ 16337-77 в составе связующего использовался для сохранения структуры деталей после удаления основного компонента связующего - полиок-симетилена.
В ходе исследования были подготовлены три опытные партии связующего на основе полиформальдегида путем смешивания компонентов на смесителе СПЕМП-2/0,015 -ОК-Р81 фирмы «ДИСПОД».
Рецептуры связующих систем приведены в таблице 1.
Таблица 1
Рецептуры 3 партий связующего компонента
№ связующей системы Полиформальдегид Технасет, % вес. Полиэтилен высокого давления (ПЭВД), % вес. Стеариновая кислота (СК), % вес.
1 81,5 7,4 11,1
2 88,9 - 11,1
3 86,9 2 11,1
Далее на режущем грануляторе Сорепоп ZSK 26 Мс были изготовлены семь опытных партий гранулята на основе металлического порошка карбонильного железа и массой по ~ 800 г.
Рецептуры опытных партий гранулята приведены в таблице 2.
Таблица 2
Рецептуры опытных партий гранулята
N° партии гранулята N° связующей системы Состав гранулята, % вес.
Металлическая часть Связующая часть
1 1 86,5 13,5
2 1 86 14
3 1 85,5 14,5
4 1 85 15
5 2 86 14
6 2 87 13
7 3 87 13
Качество гранулята для МИМ-технологии на основе порошка карбонильного железа контролировалось по следующим характеристикам [6, 8]:
- показатель текучести расплава (ПТР);
- гомогенность (однородность).
Показатель текучести расплава гранулята измерялся на оборудовании фирмы INSTRON «Прибор по определению показателя текучести расплава термопластичных материалов» (ПОПТР) марки CEAST 7026.
Показатель текучести расплава гранулята, включающий в себя массовый коэффициент расплавленного потока, объемный коэффициента расплавленного потока, вязкость расплавленного гранулята и скорость сдвига показывает возможность применения материала на термопластавтомате, а также правильность соотношения порошковой и полимерной частей [5].
Определение показателя текучести проводилось на ПОПТР на следующих режимах:
- диаметр сопла - 2,095 мм;
- температура - 190
- нагрузка - 21,6 кгс;
- время преднагрева без нагрузки - 240 с.
Показатель текучести расплава гранулята должен быть в пределах 90500 г/10 мин при нагрузке 21.6 кгс при измерениях согласно ГОСТ 11645-73 «Метод определения показателя текучести расплава термопластов» [6].
Гомогенность гранулята на основе порошка карбонильного железа контролировалась на приборе по определению плотности фирмы MICROME-RITICS «Гелиевый пикнометр АссиРус II 1340».
Гомогенность показывает степень распределения порошкового материала в полимерном связующем. Отклонение от гомогенности для гранулята не должно превышать ± 1,5 % [5].
Определение плотности и гомогенности проводилось на гелиевом пикнометре.
Показатель текучести расплава и гомогенность гранулята на основе порошка карбонильного железа приведены в таблице 3.
Таблица 3
Характеристики опытных партий гранулята
№ партии Плотность Отклонение Массовый показатель Объемный показатель
гранулята средняя, г/см3 от гомогенности, % текучести, г/10 мин текучести, см3/10 мин
1 4,57 0,65 109,10 27,22
2 4,47 0,56 190,60 47,56
3 4,39 0,46 243,59 60,87
4 4,32 0,4 423,64 105,91
5 4,42 0,96 615,25 136,70
6 4,33 0,78 584,00 129,82
7 4,42 1,11 445,44 98,95
Грануляты приготовленные по рецептурам без добавления ПЭВД (№ 5 и № 6) имеют низкую плотность, недопустимые для МИМ-процесса показатели текучести и достаточно низкую гомогенность смеси.
Гранулят, приготовленный по рецептуре с добавлением в состав связующей системы ПЭВД в количестве 2 % по массе (№ 7), также не подходит для МИМ-процесса из-за низкой плотности и высокой неоднородности смеси.
Наиболее оптимальными являются грануляты, приготовленные по рецептурам № 1 и № 2, так как одновременно обеспечивают наибольшую плотность смеси и приемлемую для процесса литья под давлением на термопла-ставтомате текучесть и гомогенность.
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что для получения гранулята для изготовления деталей по МИМ-технологии необходимо использовать минимальное количество связующего компонента с содержанием ПЭВД около 5 % (по массе).
Список литературы:
1. Пархоменко А.В. Наукоемкая технология инжекционного порошкового формования металлических изделий (МИМ-технология) / А.В. Пархоменко, А.П. Амосов, А.Р. Самборук // Наукоёмкие технологии в машиностроении. - 2012 - № 12 - С. 8-13.
2. Catamold® W. Data Sheet. D/CA 030 e. April 2006. 2 Pages. Supersedes edition dated August 2002 [Электрон. ресурс].
3. Пархоменко А.В. Развитие связующих веществ в гранулятах для МИМ-технологии [Текст] / А.В. Пархоменко, А.Р. Самборук, С.В. Игнатов, Д.В. Костин, А.С. Шультимова // Вестник Самарского Государственного Технического Университета. Серия «Технические науки». - 2013 - № 2 (38) - С. 91-98.
4. Берлин А.А. Полиоксиметилены - М.: Изд.: Наука, 2008. - 286 с.
5. German, Randal M. Injection molding of metals and ceramics / by Randal M. German and Animesh Bose. - Princeton, New Jersy, 1997. - Р. 414.
6. Huang B., Liang S., Qu X. The rheology of metal injection molding // Journal of Materials Processing Technology. - 2003. - Vol. 137. - Р. 132-137.
7. Research development in carbonyl iron powders for MIM // Metal Powder Report. - 1992. - Vol. 47 (5). - Р. 68-69, 71-72, 74-77.
