Основные этапы изготовления отливок по MIM-технологии

Процесс изготовления отливок включает четыре основных этапа.

Этап I. На этом этапе происходит изготовление металлической смеси (фидстока) — смеси металлического порошка с полимером (связующим). По данным, приведенным в материале «Публичный аналитический доклад по направлению «Новые производственные технологии» (Сколковский институт науки и технологий, январь 2015 г.), в настоящий момент известно более 200 составов металлических смесей и более 1000 вариантов металлических порошков. Часто в лабораториях используется процесс, в основе которого лежит технология, предложенная немецкой фирмой BASF, согласно которой двухкомпонентное связующее состоит из полиацеталя с небольшой добавкой полиолефинов. Металлическая смесь содержит 40—70% (по объему) металлического порошка и 30—60% связующего, которое, в свою очередь, на 80—98% (по массе) состоит из полиацеталя и на 2—20% из нерастворимого полимера (полиэтилена, полипропилена, полистирола).

Самое главное требование, предъявляемое к первому этапу процесса, — это получить однородную смесь металлического порошка и связующего, без разделения порошка на фракции и комкования. Замешивание воздуха в металлическую смесь не допускается.

Для смешивания компонентов используют смесители (экструдеры) разных конструкций. Часто применяют смесители с двойным червячным шнеком, что, по литературным данным, является оптимальным вариантом, так как обеспечивает высокие скорости сдвига и температуры и малый цикл смешивания.

Этап II. На этом этапе происходит получение заготовки литьем под давлением (ЛПД). Английское название заготовки на этом этапе — greenpart (component), в русском переводе получившее название «зеленая деталь». Таким образом, в качестве названия заготовки на разных этапах технологического процесса принимается цветовая гамма, что, на взгляд многих исследователей, не совсем верно. Ими предлагается использовать (при переводе) вариант «сырая деталь», по аналогии с переводом сырых песчаных смесей. «Сырая деталь» — это заготовка, которая содержит связующее (аналог воды), а в переносном смысле — подлежит дальнейшей обработке.

Процесс ЛПД. Процесс осуществляется на термопластавтоматах (ТПА) специальной конструкции. В лабораториях и производственных условиях устанавливают ТПА 50/60, выпущенные в 2016 г. За счет конструктивных особенностей шнека (трехсекционный, с раздельным подогревом) и высокого давления прессования удается получать сырые детали с минимальной толщиной стенки до 0,5 мм и практически любой по сложности геометрии, что необходимо при получении художественных и промышленных деталей со сложным наружным контуром поверхности.

Сам технологический процесс прессования на ТПА мало отличается от процесса получения ЛПД-отливок из цветных сплавов. Самое главное здесь то, что за счет особенностей MIM-технологии (при прессовании температура металлической смеси менее 200° С) удалось расширить область использования ЛПД на сплавы с высокой температурой плавления (стали, титан и др.). Это чрезвычайно важно, поскольку позволяет по-новому оценить перспективы использования способа ЛПД, которое при изготовлении деталей из черных металлов и сплавов практически не применяется.

Этап III. На этом этапе происходит удаление (выжигание) связующего из сырой детали. Существует несколько технологий удаления связующего, среди которых термическое выжигание или удаление с помощью растворителя или катализатора. В разных лабораториях и производственных условиях используется процесс удаления методом выжигания с помощью катализатора. Выжигание этого вида производится при температурах, как правило, в пределах 110—150°С. Использование этих относительно низких температур препятствует образованию жидкой фазы и тем самым предотвращает деформацию сырой детали под действием гравитационных сил или релаксации напряжений. Также очень низкое давление газа внутри детали сводит к минимуму опасность образования трещин и их распространения.

Чаще всего связующее удаляют в сушильном электрошкафе СНОЛ. Сырую деталь помещают в печь, где при 130° С, в присутствии азотной кислоты и в потоке инертного газа, из нее удаляется связующее. Скорость нагрева печи — 110°С/ч, скорость удаления полимерного вещества составляет 1 мм/ч, расход азотной кислоты — 60 мл/ч, а азота — 120 л/ч.

Деталь, полученную после удаления связующего, называют brownpart, что в русском переводе означает «коричневая деталь». Если отказаться от цвета, то по смыслу ближе перевод «воронить, подрумянивать». Часто предлагается перевод «прокаленная деталь», что более точно отражает процессы, происходящие при выжигании связующего.

Этап IV. Осуществляется спекание частиц металлического порошка при температурах ниже температуры плавления основного компонента металлического порошка, что составляет, как правило, 70—90% от температуры плавления. Спекание осуществляется в вакуумно-компрессионной печи спекания с регулируемой азотной атмосферой. Температура внутри печи спекания должна быть достаточно высокой, чтобы начался процесс рекристаллизации металла частиц, но достаточно низкой, чтобы частицы оставались в нерасплавленном состоянии. Следует отметить, что при твердофазном спекании происходят поверхностная и объемная диффузия, усадка, рекристаллизация, вязкое и пластическое течение. В зависимости от размера и используемого материала среднее время спекания может изменяться. Для мелких деталей это.

1—1,5 ч, для средних оно может достигать 3 ч. После спекания получается деталь, по механическим свойствам не уступающая прокату, с высокими чистотой поверхности и геометрической точностью.

Оборудование, используемое в лабораторных и производственных условиях, позволяет отрабатывать технологический процесс изготовления сложных по конфигурации деталей из высокотемпературных сплавов и обеспечивать их серийное изготовление.

Схема технологического процесса изготовления отливок MIMтехнологией: 1 — изготовление металлической смеси (фид-стока), т. е. смеси металлического порошка с полимером (связующим); 2 — получение заготовки литьем под давлением (ЛПД) на термопластавтомате; 3 — удаление (выжигание) связующего из сырой детали методами термического выжигания, с помощью растворителя или катализатора; 4 — спекание частиц металлического порошка с целью получения готового изделия, которое осуществляется при температурах ниже температуры плавления основного компонента металлического порошка, что составляет, как правило, 70—90% от температуры плавления.