металлополимерная композиция для изготовления чугунных заготовок

Формула изобретения

1. Металлополимерная композиция для изготовления чугунных заготовок, получаемая методом механического смешивания высокодисперсного порошка железа со смесью термореактивной фенолформальдегидной смолы и пластификатора, 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	15-20
соль стеариновой кислоты	0,4-1,5
оксид железа (III)	0,2-32
порошок железа	остальное

2. Металлополимерная композиция для изготовления чугунных заготовок по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит высокодисперсный порошок по крайней мере одного из легирующих элементов: никеля, хрома, меди, молибдена, марганца, алюминия, титана, ванадия, кремния, предварительно смешанный с высокодисперсным порошком железа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к металлополимерным композициям для получения чугунных заготовок путем их формования и спекания.

Известны металлополимерные композиции - это пластмассы с металлическим наполнителем (железо, алюминий и др.), в качестве связующего в которых используют термопласты, а также фенольно-формальдегидные смолы и другие реактопласты [1, 2]. Эти композиции применяют без дальнейшей переработки, как материалы с особыми физико-механическими свойствами. В частности, известна композиция, содержащая 4,2% мас. фенольно-формальдегидной смолы и 95,8% мас. карбонильного железа, которая применяется для изготовления магнитомягких изделий методом холодного прессования и последующей термообработки при t=130°С.

Известны также металлополимерные композиции, так называемые MIM-фидстоки, представляющие собой смесь стальных порошков или порошков железа и легирующих элементов и связующего на основе термопластов, которые используются для изготовления стальных заготовок с плотностью материала, близкой к теоретической, путем литья под давлением и последующего спекания [3, 4].

Однако известные металлополимерные композиции непригодны для изготовления чугунных заготовок из-за недостаточного содержания углерода.

Наиболее близкой по технической сущности является композиция, состоящая из смеси термореактивной формальдегидной смолы, пластификатора и карбонильных порошков железа и пригодная для получения материалов с содержанием углерода 5÷6% [5].

Однако использование этой композиции для получения чугунных 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 чугунные 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 чугунных заготовок, получаемая методом механического смешивания высокодисперсного порошка железа с компонентами смеси термореактивной фенолформальдегидной смолы и пластификатора, обладает новизной, заключающейся в том, что композиция дополнительно содержит порошок оксида железа, а в качестве пластификатора используют соль стеариновой кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%:

термореактивная фенолформальдегидная смола	15-20
соль стеариновой кислоты	0,4-1,5
оксид железа (III)	0,2-32
порошок железа	остальное.

Для получения заготовок из легированного чугуна используют металлополимерную композицию, получаемую 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 при том же соотношении мас.%; при этом в качестве легирующего элемента в первой смеси используют высокодисперсный порошок никеля, хрома, меди, молибдена, марганца, алюминия, титана, ванадия, кремния.

Из уровня техники неизвестны аналоги, обладающие тождественной совокупностью признаков.

Заявляемый материал получают путем механического смешивания водного или спиртового раствора термореактивной фенолформальдегидной смолы, пластификатора (соли стеариновой кислоты), порошков оксида железа и высокодисперсного порошка железа, а в случае изготовления заготовок из легированного чугуна вместо порошка железа добавляют предварительно приготовленную механическую смесь высокодисперсных порошков железа и по меньшей мере одного легирующего элемента. Затем материал подвергают сушке и грануляции. Для получения заготовок материал формуют путем загрузки смеси в горячую форму и последующим прямым прессованием при t=130-150°C, пресс-литьем или литьем под давлением, а сформованные заготовки затем подвергают спеканию. На первом низкотемпературном этапе спекания до 750°С осуществляется удаление связующего путем его термического разложения, а на втором высокотемпературном этапе при t=1050÷1200°С осуществляется окончательное спекание до плотности, близкой к теоретической; при этом на первом этапе происходит термическое разложение смолы с выделением активного углерода, 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 вибрации и собственного веса, что обеспечивает возможность разложения связующего без разрушения прессовки. На втором этапе при нагреве до температуры окончательного спекания и изотермической выдержке происходит окончательное окисление избыточного углерода и восстановление окиси железа, а также растворение в чугуне легирующих элементов (в случае их добавки) и уплотнение материала до значений 0,95÷0,97 от теоретической плотности. Количество легирующих элементов устанавливают соответственно процентному содержанию их в изготавливаемой марке чугуна. Границы содержания фенолформальдегидной смолы установлены опытным путем с целью обеспечения спекаемого материала на низкотемпературном этапе избыточным содержанием углерода, в этом случае после окончания спекания его содержание должно составлять 2÷5%. Максимальное содержание оксида определяют исходя из необходимости окисления углерода, образующегося в количестве, соответствующем максимальному содержанию смолы таким образом, чтобы состав материала после спекания по углероду соответствовал чугуну. С другой стороны, верхняя граница содержания оксида железа с точки зрения экономической целесообразности должна быть максимально возможной, т.к. дисперсный оксид экономичнее дисперсного железа и чем больше его содержание, тем меньше стоимость композиции.

Нижняя граница содержания оксида железа установлена в соответствии с естественным содержанием оксида железа в отожженном карбонильном порошке железа.

В качестве оксидов могут использоваться как оксид железа (III) с формулой Fe₂O₃, так и оксид железа (II, III) с формулой Fe₃ O₄. В качестве пластификатора могут использоваться соли стеариновой кислоты: стеарат цинка, стеарат кальция, стеарат магния и др. 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 для получения чугунных заготовок с граничными значениями количества компонентов (табл.1, смесь №1 и №2).

Таблица 1
№ п/п	Компоненты	Содержание компонентов, мас.%
		Смесь №1	Смесь №2	Смесь №3
1	Фенолформальдегидная смола	15	20	20
2	Пластификатор (стеарат цинка) Zn(C18H 35O2)2	0,4	1,5	1,5
3	Оксид железа (III)	0,2	32	32
4	Высокодисперсный порошок железа	84,4	46,5	45,082
5	Порошок карбонильного никеля	-	-	1,418

Пример 2. Для изготовления опытных образцов композиций для получения заготовок из легированного чугуна в качестве (смесь №3) 4-го компонента использовали смесь высокодисперсных порошков железа и никеля, при содержании никеля в количестве, равном 1,418 (мас.%) от массы композиции, что обеспечивает расчетное процентное содержание никеля в готовом сплаве после окончательного спекания в количестве 2 мас.%.

Расчет процентного содержания легирующего элемента, например никеля, в композиции и в готовом сплаве производят следующим образом.

Пусть х·100-%-ное содержание никеля в готовом сплаве;

у·100-%-ное содержание никеля в композиции. Тогда из 100 г композиции после деструкции связующего и окончательного спекания получится (69,482+у·100) чугуна, в состав которого входит: 2 г углерода, (у·100) г никеля; (45,082+22,4)=67,482 г суммарного железа в свободном и связанном состоянии; процентное содержание никеля в готовом сплаве составит:

процентное содержание никеля в композиции составит:

При величине у·100=1,418% величина х·100=2%.

Аналогично рассчитываются количество порошков других легирующих элементов, вводимых в состав композиции при их заданном количестве в составе окончательно спеченного материала.

После удаления связующего опытные образцы были спечены в нейтральной среде при t=1150°С.

В таблице 2 приведены данные по содержанию углерода и никеля, наличию невосстановленных оксидов в структуре материала после спекания и его относительная плотность.

Таблица 2
№ смеси	Содержание углерода (мас.%)	Содержание никеля (мас.%)	Наличие оксидов	Относительная плотность
1	4,2-5,0	-	Нет	0,96
2	1,96-2,06	-	Нет	0,95
3	1,95-2,05	2,0	Нет	0,97

Как следует из таблицы 2, содержание углерода в спеченных чугунных изделиях соответствует граничным значениям содержания углерода в чугуне. Из смеси №3 получен чугун, легированный никелем, содержание которого соответствует рассчитанному.

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. Кинетика удаления связующего из металлополимерных композиций на основе карбонильных порошков и фенолформальдегидной смолы. Р.сб. Металлургия. Машиностроение. Станко-инструмент. Сборник трудов международной научно-технической конференции, г. Ростов-на-Дону, 6-8 сентября 2006 г., стр.2:110-112.