CC BY
10
ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК ОТ СОДЕРЖАНИЯ СВЯЗУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В МИМ-ГРАНУЛЯТЕ
12 3
© Пархоменко А.В. , Костин Д.В. , Самборук А.Р. , Чемашкин А.В.4, 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», г. Заречный
В данной работе проведено исследование зависимостей конечных свойств спеченных по МИМ-технологии стальных заготовок от содержания связующего вещества в МИМ-грануляте и от состава компонентов в связующем. Изложены результаты разработки рецептур грануля-тов на основе порошка карбонильного железа марки НМ, обеспечивающих необходимые свойства спеченных изделий.
Ключевые слова: МИМ-технология, порошки металлические, связующее, гранулят, полиформальдегид, карбонильное железо, спекание, коэффициент усадки, плотность, твердость, микроструктура.
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].
1 Инженер Самарского государственного технического университета.
2 Аспирант кафедры «МПМН» Самарского государственного технического университета.
3 Профессор кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» Самарского государственного технического университета, доктор технических наук.
4 Инженер-технолог 1 категории Федерального государственного унитарного предприятия федерального научно-производственного центра «Производственное объединение «Старт» имени М.В. Проценко».
5 Инженер-технолог 3 категории Федерального государственного унитарного предприятия федерального научно-производственного центра «Производственное объединение «Старт» имени М.В. Проценко».
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 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].
Объектом данного исследования являлась зависимость характеристик спеченных по МИМ-технологии стальных заготовок таких, как коэффициент усадки, плотность, твердость и микроструктура, от содержания связующего вещества в МИМ-грануляте и от состава компонентов в связующем. При этом были подобраны несколько оптимальных рецептур гранулята на основе порошка карбонильного железа, обеспечивающих необходимые свойства.
Рецептуры партий гранулята на основе порошка карбонильного железа приведены в таблице 1.
Таблица 1
Рецептуры опытных партий гранулята
№ партии гранулята Состав гранулята, % вес.
Металлическая часть Связующая часть
Карбонильное железо марки НМ Полиформальдегид Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) Стеариновая кислота (СК)
1 86,5 11,0 1,0 1,5
2 86 11,4 1,0 1,6
3 85,5 11,8 1,1 1,6
4 85 12,2 1,1 1,7
5 87 11,6 0 1,4
6 86 12,4 0 1,6
7 87 11,3 0,3 1,4
Для определения коэффициента усадки из семи партий гранулята на основе карбонильного железа на термопластавтомате MicroPower 5/7,5 были изготовлены отливки заготовок («зеленые» детали). Скорость впрыска материала в пресс-форму был равен 5 см3/с. Далее контрольные образцы спекали в среде водорода при температуре нагрева до 1450 °С.
Для расчета коэффициента усадки был проведен обмер спеченных контрольных образцов из каждой партии гранулята с помощью микрометра МК25. Обмер толщины и ширины производился по трем точкам. Результаты обмера контрольных образцов для проверки коэффициента усадки приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты обмера спеченных образцов
Номер партии гранулята Размеры по чертежу, мм Фактические размеры деталей, мм
40 32,68
1 5 4,15; 4,15; 4,13
2,5 2,05; 2,09; 2,07
40 32,73
2 5 4,17; 4,15; 4,14
2,5 2,15; 2,1; 2,1
40 32,35
3 5 4,14; 4,12; 4,13
2,5 2,08; 2,11;2,11
40 32,11
4 5 4,03; 4,07; 4,09
2,5 2,08; 2,12; 2,07
40 31,13
5 5 4,87; 4,89; 4,87
2,5 1,98; 2,01; 2,01
40 30,87
6 5 3,89; 3,87;3,88
2,5 1,93; 1,96; 1,94
40 31,59
7 5 3,92; 3,96; 4,01
2,5 2,03; 2,05; 2,03
Коэффициенты усадки являются отношением размеров заготовки («зеленой» детали) до спекания и готовой детали после спекания.
Также на контрольных спеченных образцах, изготовленных по МИМ-технологии, проводился замер плотности. Измерение плотности образцов проводилось методом гидростатического взвешивания в соответствии с ГОСТ 20018-74.
Коэффициенты усадки образцов, изготовленных из семи партий грану-лята на основе порошка карбонильного железа, а также результаты замеров плотности приведены в табл. 3.
Чем ниже коэффициент усадки, тем меньше возможность возникновения в структуре материала пористости, более высокая стойкость деталей к деформации во время спекания, а также большая вероятность соблюдения необходимой точности деталей после процесса спекания. Импортный аналог Са1ашоИ имеет средний коэффициент усадки 1,216 [2].
Таблица 3
Коэффициенты усадки, плотность спеченных образцов
Номер партии Средний коэффициент усадки Плотность спеченных образцов, г/см3
1 1,203 7,6
2 1,202 7,6
3 1,212 7,53
4 1,225 7,5
5 1,275 7,49
6 1,292 7,41
7 1,251 7,43
Анализируя табл. 3, можно сделать вывод, что коэффициент усадки и плотность спеченных образцов имеют обратную зависимость. С увеличением коэффициента усадки плотность материала снижается. Точки экстремума значений коэффициента усадки (max) и плотности (min) достигаются в спеченном материале, изготовленном с использованием связующего без применения ПЭВД (рецептуры № 5-6).
Следовательно, при получении гранулята для изготовления деталей по МИМ-технологии необходимо использование ПЭВД в связующем в качестве добавки, поддерживающей структуру материала при удалении связки и спекании.
Далее на контрольных образцах на основе карбонильного железа, изготовленных по МИМ-технологии проводились анализы твердости, микроструктуры и химического состава.
Замер твердости проводился на твердомере VRSD 251 в соответствии с требованиями ГОСТ 2999-75. Результаты замеров твердости приведены в табл. 4.
Таблица 4
Твердость контрольных спеченных образцов
Номер партии Твердость HV5 Твердость, НВ*
1 125 119
2 118 114
3 121 114
4 128 124
5 115 109
6 111 105
7 121 114
Анализ химического состава производился на электронном микроскопе Carl Zeiss Sigma. Структура поверхности и химический состав на всех контрольных спеченных образцах идентичные. На рис. 1 представлена фотография структуры поверхности и результат анализа химического состава спеченного образца партии № 6.
Рис. 1. Структура поверхности и химический состав спеченного образца партии № 6 (скорость впрыска 5 см3/с)
По результатам анализа посторонних примесей не выявлено. Наличие углерода говорит о содержании незначительного количества недожженной связки, что может быть вызвано несоблюдением технологических режимов спекания образцов (возможно, малая подача защитного газа).
Также были изготовлены микрошлифы спеченных контрольных образцов, полученных по МИМ-технологии. Фотография микроструктуры контрольного спеченного образца представлена на рис. 2.
Рис. 2. Микроструктура спеченного образца, полученного по МИМ-технологии
Микроструктура всех полученных образцов идентичная. Небольшое количество пор и примерно одинаковый размер зерен говорит об однородной структуре материала.
В ходе исследований установлено, что коэффициент усадки, плотность и твердость спеченных образцов зависит от содержания связующего компонента и от состава компонентов в связующем. С увеличением количества связующего в смеси коэффициент усадки увеличивается, а плотность и твердость снижаются.
При увеличении содержания связующего в смеси и уменьшении количество ПЭВД происходит увеличение коэффициента усадки до ~ 5 %, снижение плотности ~ до 10 % и твердости до ~ 5 %.
По результатам проведенных исследований за оптимальную принимаем рецептуру под номером 2 с наилучшими показателями по коэффициенту усадки, плотности и твердости.
Таким образом, для получения гранулята для изготовления деталей по МИМ-технологии необходимо использовать минимальное количество связующего компонента с содержанием ПЭВД около 5 % (по массе).
В следующем этапе работ планируется провести исследования механических свойств аналогичных материалов на образцах, изготовленных по ГОСТ 18227-98 «Материалы металлические спеченные, исключая твердые сплавы. Образцы для испытания на растяжение» и ГОСТ 26528-98 «Материалы металлические спеченные, исключая твердые сплавы. Метод испытания на ударный изгиб».
Список литературы:
1. Наукоемкая технология инжекционного порошкового формования металлических изделий (МИМ-технология) / А.В. Пархоменко, А.П. Амосов, А.Р. Самборук // Наукоёмкие технологии в машиностроении. - 2012. - № 12 -C. 8-13.
2. Грабой И.Э., Thom A. Материалы Catamold ® компании BASF для литья под давлением. В сборнике трудов научно-практического семинара «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение. (ТПП-ПМ 2005) 21-24 июня 2005г.
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 Либенсон Г.А. Процессы порошковой металлургии: в 2-х т / Г. А. Ли-бенсон, В.Ю. Лопатин, Г.В. Комарницкий. - М.: МИСИС, 2001. - Т. 1. -368 с.; Т. 2. - 320 с.
7 Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Альянс, 2013. - 528 с.
8. Hsu K.C., Lin C.C., Lo GM. The effect of wax composition on the injection molding of carbonyl iron powder with LDPE // Can. Metall. Quart. - 1996. -Vol. 35 (2). - Р. 181-187.
9. Trubenbach; Peter (Ludwigsha-fen, DE), McKee; Graham Ed-mund (Weinheim, DE), Wohlfromm; Hans (Ludwigsha-fen, DE) US Patent 5,695,697 Pro-
ducing sintered articles from thermoplastic compositions containing polyoxyme-thylene binder.
10. Research development in carbonyl iron powders for MIM // Metal Powder Report - 1992 -Vol. 47 (5). - P. 68-69, 71-72, 74-77.
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РАСЧЕТА СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛЫ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ
© Сергеев А.С.1, Тихонова Ж.С.2, Тихонова Д.С.3
Волгоградский государственный технический университет, г. Волгоград
В статье представлены математические зависимости по расчету составляющих силы резания при токарной обработке коррозионностой-ких сталей. Описан характер изменения теплопроводности этих сталей, даны рекомендации по практическому применению расчетных зависимостей.
Ключевые слова коррозионностойкие стали, теплопроводность, сила резания, токарная обработка, термоЭДС.
Коррозионностойкие стали традиционно относятся к классу труднообрабатываемых материалов. Их отличие от конструкционных сталей состоит в том, что в процессе механической обработки они имеют принципиально иной характер изменения теплопроводности от температуры резания (скорости резания), т.е. теплопроводность коррозионностойких сталей с повышением температуры резания (скорости резания) не уменьшается, а растет. Известно, что теплопроводность является в большинстве случаев определяющим фактором при определении таких параметров как силы резания, стойкость инструмента, шероховатость обработанной поверхности и т.д. Обработка коррозионностойких сталей сопряжена с низким качеством получаемых поверхностей, повышенным износом инструмента и, как следствие, вынужденным занижением режимов резания. Однако, степень использования представленных материалов в промышленности велика, поэтому исследования посвященные обеспечению точности выбора основных параметров их обработки являются актуальными.
В справочнике [1], являющемся основным при расчете параметров процесса резания, отсутствует в полном объеме информация о составляющих
1 Доцент кафедры «Автоматизация производственных процессов», кандидат технических наук.
2 Магистрант кафедры «Автоматизация производственных процессов».
3 Студент кафедры «Технология машиностроения».
