Труды КНЦ вып.9 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 1/2018(9) часть 1)

RHEOLOGY OF PIM-FEEDSTOCKS S. V .Kotom in1, A. F. Shabeko, E. I. Frenkin, A. Yu. Korotchenko, M. V. Tverskoi, D. E. H ilkov2 11nstitute o f Petrochemical Synthesis o f the Russian Academy o f Sciences, Moscow, Russia 2Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia A b stra c t The paper considers rheological properties of industrial and new feedstocks used for metal injection molding (MIM technology), crucial for processing of filled polymeric compositions. Shear viscosity of polymer melts and PVT characteristics under various temperatures and pressu res on capillary viscometer and dilatometer were studied. Viscosity decreased more than 6 times in the interval of sh ea r rate 10-5000 c-1. Keywords : feedstock, rheology, viscosity, polymer melt, metal injection molding. Стремительный прогресс, наблюдаемый в последнее время в высокоразвитых странах в области ПИМ - технологий обусловлен уникальной возможностью получения прочных и высокоточных изделий сложной формы из металлов (МИМ-технология) и керамики (СИМ-технология) методом литья под давлением высоконаполненных полимерных композиций, называемых фидстоками. Технология МИМ по своей сути состоит из последовательного сочетания методов переработки высоконаполненных полимерных материалов литьем под давлением (получение «зеленой детали»), дебиндинга (удаление полимерного связующего — получение «коричневой детали») и порошковой металлургии (формирование монолитного металлического изделия спеканием). Свойства конечного продукта зависят от каждой технологической стадии. Условия переработки металлополимерной композиции литьем под давлением определяются, прежде всего, реологическими свойствами материала в вязкотекучем состоянии, связанными с течением расплава наполненного полимерного связующего. Полимерные расплавы, в еще большей степени расплавы полимерных композиций, проявляют неньютоновские свойства, такие как предел текучести, вязкоупругость, зависимость вязкости от скорости и напряжения сдвига и др. При конструирования пресс-форм, используемых при литье под давлением, необходимо также учитывать изменение плотности расплава при воздействии давления и температуры (PVT-характеристики) перерабатываемого материала, которые исследуются как в объемном дилатометре, так и в капиллярных вискозиметрах. Особенности литья под давлением металлических порошковых смесей (МИМ-технология), преимущества и недостатки этого техпроцесса изготовления литейных заготовок показаны в [1]. По имеющимся данным [2], в мировом производстве сейчас используются тысячи различных марок материалов, среди которых практически отсутствуют материалы на сырье из России. Разработка фидстоков на отечественном сырье является стратегической задачей в развитии высокотехнологичных способов литья. В России предпринимались попытки создания отечественных составов металлических порошковых смесей [3]. Однако реологические свойства материалов не были изучены, и для исследования был выбран порошок карбонильного железа, который не содержал легирующих элементов и вследствие этого не мог быть аналогом тех марок сталей, которые предлагают западные фирмы. Нами исследованы свойства ряда фидстоков, выпускаемых фирмой «БАСФ» (Германия) — одного из мировых лидеров в этой области, а также композиции собственной разработки. Работа по созданию нового состава металлической порошковой смеси проводилась в научно­ производственном центре «Технологии инжекционного литья МГТУ им. Н. Э. Баумана», реологические свойства исследовали в лаборатории реологии полимеров ИНХС РАН. В качестве исходного материала были выбраны фидстоки фирмы «БАСФ» марок “Catamold 420W”, “316L” и “42CrMo4” (последняя марка по стандарту AISI/SAE соответствует марке “4140”). Точный состав полимерных компонентов в фидстоках фирма «БАСФ» не сообщает, но предполагается, что фидстоки содержат 40 % (об.) полиацеталя (удаляемого на стадии дебиндинга каталитическим твердофазным разложением парами HNO 3 ) и 10 % полиэтилена с добавкой стеаратов. Состав металла после удаления полимерного связующего приводятся в информационных материалах фирмы «БАСФ», и для фидстока “42CrM°4”, по данным фирмы, он следующий: Fe — основа, C — 0,35-0,45 %, Cr — 0,9-1,2%, Мо — 0,15-0,30 %. Российским аналогом данной марки стали является конструкционная легированная сталь 40ХМА. Выбор этой марки стали для настоящей работы обусловлен областью ее применения — производство малогабаритных, но высоконагруженных деталей сложной формы общего назначения в машиностроении. В настоящей работе выбирали порошки с размером частиц, характерным для аддитивных технологий [2] — в пределах 10-40 мкм для МИМ-технологии в производстве деталей с толщиной стенки выше 5 мм. Был использован металлический порошок стали 40ХМА, у которого, согласно полученным на анализатоторе частиц “Analysette-22” (Nan°tec) данным, средний диаметр 10 % частиц порошка d10 составляет 11 мкм, d50 — 28 мкм, а d90 — 48 мкм. Фотографии частиц порошка были получены с помощью сканирующего электронного микроскопа “TESCAN VEGA3”. Форма частиц порошка стали 40ХМА показана на рис. 1. 306