металлополимерная композиция для изготовления стальных заготовок

Формула изобретения

1. Металлополимерная композиция для изготовления стальных заготовок, получаемая методом механического смешивания двух смесей, компонентами одной из которых являются высокодисперсные порошки по крайней мере одного легирующего элемента и железа, а компонентами второй - термореактивная фенолформальдегидная смола и пластификатор, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит порошок оксида железа, а в качестве пластификатора используют соль стеариновой кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%:

термореактивная фенолформальдегидная смола	8-15%
соль стеариновой кислоты	0,4-1,5
оксид железа	8-40
смесь порошков легирующих элементов и железа	остальное

2. Металлополимерная композиция для изготовления стальных заготовок по п.1, отличающаяся тем, что в качестве легирующего элемента в первой смеси используют высокодисперсный порошок никеля, хрома, меди, молибдена, марганца, алюминия, титана, ванадия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к металлополимерным композициям для получения стальных заготовок путем формования и спекания указанных композиций.

Известны металлополимерные композиции - пластмассы с металлическим наполнителем (железо, алюминий и другие), в качестве связующего в которых используются термопласты, а также фенольно-формальдегидные смолы и другие реактопласты [1]. Эти композиции применяются без дальнейшей переработки как материалы с особыми физико-механическими свойствами. В частности, известна композиция [2], содержащая 4,2 мас.% фенольно-формальдегидной смолы и 95,8 мас.% порошка карбонильного железа. Композиция предназначена для изготовления магнито-мягких изделий методом холодного прессования и последующей термообработки при температуре 130°С.

Известны металлополимерные композиции, так называемые MIM-фидстоки, представляющие собой смесь стальных порошков или порошков железа и легирующих элементов и связующего на основе термопластов [3-4]. Из указанных композиций путем их литья под давлением и последующего спекания изготавливаются стальные заготовки с плотностью материала, близкой к теоретической.

Недостатком является длительность техпроцесса, так как спекание MIM-фидстоков разбивается на 2 этапа. На первом этапе осуществляется удаление связующего путем его термодеструкции, а на втором - окончательное спекание. Скорость удаления связующего является важнейшим показателем, определяющим стоимость изделий. Для наиболее широко применяемых связующих типа воск-полиэтилен скорость продвижения фронта термодеструкции составляет несколько часов на 1 мм толщины.

Лучшие свойства имеют композиции, производимые фирмой BASF под торговой маркой Catamold® [4]. В качестве связующего в этих композициях используется термопласт - полиацеталь, который удаляется путем термодеструкции при температуре около 110°С в присутствии катализатора - паров азотной кислоты. Однако эти материалы также требуют длительного цикла удаления связующего в связи с необходимостью поддерживать низкую скорость деструкции полиацеталя во избежание разрушения прессовки газами, выделяющимися при разложении связующего.

Наиболее близкой по технической сущности является композиция, состоящая из смеси термореактивной формальдегидной смолы, пластификатора, карбонильных порошков железа и никеля [5]. Преимуществом этой композиции по сравнению с композициями, в которых в качестве связующего используются термопласты, является более высокая скорость удаления связующего, а также возможность изготавливать крупногабаритные и толстостенные изделия. Однако использование этой композиции для получения стальных изделий требует применения дополнительных технологических операций для обеспечения заданного содержания углерода.

Изобретение решает задачу расширения ассортимента металлополимерных композиций, перерабатываемых путем их формования и спекания в стальные заготовки при одновременном сокращении цикла переработки.

Техническим результатом заявляемого изобретения является сокращение технологического цикла изготовления изделий.

Технический результат достигается тем, что металлополимерная композиция для изготовления стальных заготовок, получаемая методом механического смешивания двух смесей, компонентами одной из которых являются высокодисперсные порошки по крайней мере одного легирующего элемента и железа, а компонентами второй - термореактивная фенолформальдегидная смола и пластификатор, причем новым является то, что композиция дополнительно содержит порошок оксида железа, а в качестве пластификатора используют соль стеариновой кислоты, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- термореактивная фенолформальдегидная смола	8-15
- соль стеариновой кислоты	0,4-1,5
- оксид железа (III)	8-40
- смесь порошков легирующих элементов и железа	остальное

причем в качестве легирующего элемента в первой смеси используют высокодисперсный порошок никеля, хрома, меди, молибдена, марганца, алюминия, титана, ванадия.

Из уровня техники не известны аналоги, обладающие тождественной совокупностью признаков. Заявляемый материал изготавливают путем механического смешивания водного или спиртового раствора фенолформальдегидной смолы, пластификатора, порошков оксида железа, предварительно изготовленной механической смеси высокодисперсных порошков железа и легирующих элементов. Затем материал подвергается сушке и грануляции. Для получения стальных заготовок материал формуется в изделия при температуре 130-150°C прямым прессованием, пресс-литьем или литьем под давлением, а сформованные заготовки подвергаются спеканию. На первом, низкотемпературном, этапе спекания до 750°С осуществляется удаление связующего путем его термического разложения, на втором, высокотемпературном, этапе осуществляется окончательное спекание при температуре 1250-1300°С до плотности, близкой к теоретической. При нагреве изделий в интервале температур до 750°С смола термически разлагается, выделяя активный углерод, который, взаимодействуя с оксидами, восстанавливает их до железа. Исходный железный порошок, восстановленное железо и углерод образуют каркас, достаточно прочный, чтобы противостоять разрушению под действием давления образующихся газов, а также под действием вибраций и собственного веса. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность разложения связующего без разрушения прессовки. При нагреве до температуры окончательного спекания и при изотермической выдержке происходит окончательное восстановление оксида железа, окисление углерода, растворение в железе легирующих элементов и уплотнение материала до значений 0,95-0,98 от теоретической плотности.

Каких-либо дополнительных технологических операций для получения заданного содержания углерода в данном случае не требуется.

Количество легирующих элементов устанавливается согласно процентному содержанию в изготавливаемой марке стали по отношению к железу.

Границы содержания смолы установлены на основании общепринятого положения о том, что для обеспечения необходимой текучести композиции при прессовании или литье под давлением при одновременной минимизации усадки объемное содержание твердой фазы должно находиться в пределах 65-45%. Минимальное и максимальное содержание оксида определяется, исходя из необходимости окисления углерода, образующегося в количествах, соответствующих минимальному и максимальному содержанию смолы с тем, чтобы состав материала после спекания по углероду соответствовал стали, а именно содержание углерода находилось бы в пределах от нуля до двух процентов.

В качестве оксидов могут использоваться как оксид железа (III) с формулой Fe₂О ₃, так и оксид железа (II, III) с формулой Fe ₃O₄. В качестве пластификатора могут использоваться соли стеариновой кислоты: стеарат цинка, стеарат кальция, стеарат магния и другие. Границы содержания солей стеариновой кислоты определены тем, что при меньших количествах отсутствует их существенное влияние на текучесть смеси, а при больших значениях по сравнению с заявленным имеют место макродефекты на изделиях в виде вздутий и трещин.

Пример 1. Были изготовлены опытные образцы композиций с граничными значениями количества компонентов (№№ 1, 2), а также с содержанием оксида меньше (№ 3) и больше (№ 4) заявляемого.

Таблица 1
Компоненты	Содержание компонентов (мас.%)
	№ 1	№ 2	№ 3	№ 4
Фенолформальдегидная смола	8	15	8	15
Пластификатор (стеарат цинка) Zn(C18H35O 2)2	0,4	0,75	0,4	0,75
Оксид железа (III)	8	40	7	41
Смесь высокодисперсных порошков никеля* и железа	84	45	85	44
* количество никеля составляет 2 вес.% от суммарной массы железа, находящегося в композиции, в свободном и связанном состоянии.

В табл.2 приведены технологические свойства композиций в сравнении с аналогом, материалом Catamold фирмы BASF (Германия) [4].

Таблица 2
Показатели свойств	Смесь №1	Смесь №2	Аналог
Время удаления связующего на 1 мм толщины (мин)	20	30	60
Наличие и тип катализатора в атмосфере печи	нет	нет	пары азотной кислоты
Температурный интервал деструкции связующего, °С	450-750	450-750	110

Как следует из табл.2, скорость удаления связующего в предлагаемом варианте в 2-3 раза выше, чем у аналога, кроме того, в данном случае не требуется катализатора, что существенно упрощает технологическое оборудование.

После удаления связующего опытные образцы из смесей №1-№4 были спечены в среде азота при температуре 1250°С.

В табл.3 приведены данные по содержанию углерода, плотности и наличию невосстановленных оксидов в структуре материала после спекания.

Таблица 3
№ смеси	Содержание углерода (%)	Наличие оксидов	Относительная плотность
1	2,0	нет	0,98
2	0,4	нет	0,97
3	2,13	нет	0,98
4	0,09	обнаружены	0,91

Как следует из данных табл.3, уменьшение содержания оксида по сравнению с заявленным (смесь №3) приводит к тому, что состав спеченного материала по углероду выходит за пределы, общепринятые для сталей, а увеличение содержания оксида по сравнению с заявленным приводит к тому, что процессы восстановления оксида не проходят до конца. Это приводит к наличию в структуре неметаллических включений, а также к снижению плотности спеченного материала.

Таким образом, патентуемые границы содержания компонентов следует считать обоснованными.

Источники информации

1. Натансон Э.М, Брык М.Т. Металлополимерные материалы и изделия, М., 1979.

2. Толмасский Н.С. Высокочастотные магнитные материалы. М.: «Энергия», 1968, 72 с.

3. Годин Александр и др. Разработка и испытания MIM-фидстоков на основе порошка карбонильного железа и системы связующих воск-полимер. В сборнике трудов научно-практического семинара «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение (ТПП-ПМ2005). 21-24 июня 2005 г. г.Йошкар-Ола. стр.33-35.

4. Грабой И.Э., Thom А. Материалы Catamold® компании BASF для литья порошков под давлением. В сборнике трудов научно-практического семинара «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение (ТПП-ПМ2005). 21-24 июня 2005 г. г.Йошкар-Ола, стр.37-40.

5. Довыденков В.А., Крысь М.А. О возможности применения термореактивных смол в качестве компонентов связующего в МИМ-фидстоках и в пластифицированных смесях. В сб. Новые материалы и технолоии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия. Материалы докладов 7-й международной научно-технической конференции. Минск, 16-17 мая 2006 г., стр.320 - прототип.