MIM-технология, инжекционное формование, литье под давлением, гранулят, фидсток, порошок нержавеющей стали, связующее, полиформальдегид, спекание, состав, структура

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ГРАНУЛЯТА НА ОСНОВЕ ПОРОШКА НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ 12Х18Н10Т ДЛЯ MIM-ТЕХНОЛОГИИ

Технология металлопорошкового литья (Metal Injection Molding (MIM)) - гибридный метод, сочетающий принципы порошковой металлургии и инжекционного формования полимеров, позволяющий производить металлические изделия сложной геометрической конфигурации с высокой точностью. Технологический процесс MIM включает несколько ключевых стадий: приготовление однородной смеси металлического порошка с полимерным связующим, формование заготовок методом инжекционного литья, удаление связующего компонента и окончательное высокотемпературное спекание для получения плотной металлической структуры [1].

Изделия, полученные методом MIM, обладают сложной геометрией, сочетая прочность металлов с точностью полимерных деталей. Технология позволяет массово производить мелкие сложные детали с минимальной постобработкой [2], преодолевая ограничения традиционных методов, при которых до 80 % материала теряется в виде стружки. По MIM-технологии литниковые системы можно перерабатывать, обеспечивая использование 99 % материала, что особенно важно для дорогих сплавов, например, высоколегированных нержавеющих сталей и титановых сплавов [3].

В качестве промежуточного сырья для технологии инжекционного формования применяется фидсток (feedstock) или гранулят - смесь мелкодисперсных металлических порошков с полимерным связующим. Выбор правильного соотношения порошка и связующего является основным фактором для успешного формования изделий по MIM-технологии. Содержание металлического порошка в грануляте, как правило, составляет 50 - 65 % [4 - 6], однако возможно его увеличение до 80 % и более [7]. Связующее в MIM-технологии играет решающую роль: оно должно сохранять низкую вязкость при большом содержании порошка и не вступать в реакции, чтобы обеспечить однородное смешивание металлополимерной смеси. В MIM-технологии часто применяется связующая система на основе полиформальдегида, полиэтилена высокого давления и стеариновой кислоты. Эти компоненты обеспечивают стабильность формы и структурную целостность изделия, несмотря на увеличенную пористость после удаления полиформальдегида. Свойства металлических порошков, являющихся ключевым компонентом гранулята, оказывают решающее влияние на характеристики итогового продукта, получаемого с использованием MIM-процесса. В MIM-технологии можно применять широкий спектр металлов - от простых низколегированных сталей [8 - 10] до сложных составов, таких как коррозионностойкие [11 - 13] и инструментальные стали [14; 15], а также сплавы на основе титана [16; 17], интерметаллические [18; 19] и магнитные материалы [20; 21].

Нержавеющие стали занимают важное место в MIM-технологии благодаря сочетанию коррозионной стойкости, механической прочности и биосовместимости. Для приготовления MIM-гранулятов в большинстве случаев выбираются порошки нержавеющей стали с размерами частиц от 5 до 45 мкм [22]. В работе [23] в качестве исходных компонентов для изготовления изделий по MIM-технологии наиболее часто встречается применение сферических порошков мартенситной нержавеющей стали марки 17-4PH и аустенитной 316L или их смеси.

Цель настоящей работы состояла в разработке отечественного металлопорошкового гранулята из порошка нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т для изготовления стальных деталей по MIM-технологии, а также в исследовании физико-механических, реологических свойств разработанного гранулята и спеченных из него MIM-изделий.

Нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т (аналог AISI 321) - аустенитный сплав с титаном, обладающий стойкостью к межкристаллитной коррозии и высоким температурам. Рассматриваемый материал применяется в химической, пищевой, аэрокосмической и медицинской промышленности. Порошок стали марки 12Х18Н10Т перспективен для MIM-технологии из-за высокой сферичности частиц и узкому распределению гранул, что обеспечивает стабильность литья и высокую плотность изделий.

Методика исследований

Для разработки гранулята использовали сферический металлический порошок низкоуглеродистой нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, полученный методом газовой атомизации (НПО «Центротех», г. Новоуральск). В качестве полимерного связующего использовали полиформальдегид (ПФЛ) марки Технасет А-110 (ТУ 2226-020-11517367) производства НПП «Полипластик» (г. Москва). В качестве поверхностно-активного вещества применяли техническую стеариновую кислоту (СК) (ГОСТ 6484 - 96) марки Т-32 производства ОАО «НЭФИС КОСМЕТИКС» (г. Казань). В качестве добавки, удерживающей структуру материала после удаления связующего, был использован полиэтилен высокого давления (ПЭВД) 15813-020, полученный на ПАО «Казаньоргсинтез» (г. Казань) по ГОСТ 16337 - 22.

Смешивание исходных компонентов проводили с использованием смесителя CFine фирмы Guangdong CFine Technology Co (КНР). Гранулометрический состав металлического порошка определяли с использованием лазерного анализатора ANALYSETTE 22 Compact компании «Fritsch GmbH» (Германия). Исследование микроструктуры исходных материалов, а также спеченных заготовок проводили с применением растрового электронного микроскопа JSM-6390A фирмы Jeol (Япония). Анализ элементного состава металлического порошка определяли на оптико-эмиссионном спектрометре FOUNDRY-MASTER LAB фирмы Oxford Instruments (Великобритания). Анализ по определению массовой доли хрома был проведен фотометрическим методом. Реологические свойства гранулята идентифицировали по ГОСТ 11645 - 73 на приборе по определению показателя текучести расплава MODULAR MELT FLOW 7026 фирмы Ceast S.p.A. (Италия) при температуре 190 °С и нагрузке 21,6 кг. Плотность и неоднородность определяли с помощью гелиевого пикнометра AccuPyc 1340 фирмы Micromeritics (США). Исследования на твердость спеченных из гранулята изделий проводили по ГОСТ 9013 - 59 на испытательной машине - твердомере фирмы WPM LEIPZIG (Германия). Исследования на сжатие и растяжение спеченных из гранулята образцов проводили по ГОСТ 18227 - 85 на испытательной машине Instron 5988 (США).

Результаты и их обсуждение

Исходный порошок нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т имел микроструктуру, представленную на рис. 1. Распределение частиц рассматриваемого материала по размерам (D - количество частиц; d - диаметр частиц) представлено на рис. 2 и ниже:

·         D = 10 об. % — d = 5,8 мкм

·         D = 50 об. % — d = 10,4 мкм

·         D = 90 об. % — d = 16,7 мкм

Анализ фракционного и гранулометрического составов порошка марки 12Х18Н10Т позволил установить, что инородных включений не обнаружено, основная масса частиц имеет правильную околосферическую форму с размером от 5 до 25 мкм, 90 % частиц порошка имеют размер меньше 16,7 мкм, что соответствует основным требованиям, предъявляемым к металлическим порошкам для производства MIM-гранулята. Был проведен анализ элементного состава порошка (табл. 1).

Таблица 1. Элементный состав порошка марки 12Х18Н10Т, мас. %:

·         Cr — 17,00

·         Ni — 9,51

·         Mn — 0,42

·         Mo — 0,67

·         Ti — 0,10

·         V — 0,21

·         Cu — 0,07

Элементный состав исследуемого порошка соответствует ТУ 1793-022-81772813 - 2019.

С учетом имеющихся результатов ранее проведенных исследований [7] подбирали рецептуру гранулята из порошка марки 12Х18Н10Т и связующей системы на основе полиформальдегида, обеспечивающую оптимальные реологические свойства смеси. Сначала исходные компоненты смешивали в смесителе по следующему режиму: температура 180 °С; скорость вращения валов 15 об/мин; время смешивания 2 ч.

Далее полученную смесь извлекали из смесителя и после остывания дробили на роторной дробилке, после чего гранулировали в грануляторе по следующему режиму: температура шнека 170 °С; частота вращения шнека 125 об/мин; частота резчика гранул 1100 об/мин.

В итоге для изготовления гранулята была выбрана рецептура со следующим соотношением исходных компонентов: 90 % порошка 12Х18Н10Т; 8 % ПФЛ; 1 % ПЭВД; 1 % СК. Показатель текучести расплава (ПТР) полученного гранулята составил 268 г/10 мин; плотность - 5,1 г/см3; неоднородность (Δ) - 0,27 %.

Внешний вид полученного гранулята из порошка нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т представлен на рис. 3.

Из полученного гранулята были изготовлены заготовки (рис. 4). Размеры заготовок приняты в соответствии с ГОСТ Р 59651 - 2021.

Литье под давлением из порошка нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т проводили на термопластавтомате по следующему режиму: температура пресс-формы 130 ± 10 °С; давление литья 120 ± 10 МПа; дозировка (навеска) 10 см3; температура в зонах сопла, 1 - 3 составляет 190 ± 5; 175 ± 5; 180 ± 5; 185 ± 5 °С; выдержка в пресс-форме под давлением 5 с при охлаждении 10 с.

Удаление связующего из образцов проводили каталитическим методом в парах концентрированной азотной кислоты в печи по следующему режиму: температура 112 ± 5 °С; время продувки до цикла 40 мин; время цикла 5 ч; время продувки после цикла 60 мин; подача кислоты 0,8 мл/мин. Потеря массы составила примерно 7,2 %.

Спекание образцов проводили в среде вакуума со скоростью нагрева 5 °С/мин до температуры 1330 °С, время выдержки - 2 ч.

Микроструктура центрального участка спеченного образца из стали марки 12Х18Н10Т, полученного по MIM-технологии из гранулята собственного производства после спекания, представлена на рис. 5.

В результате металлографического анализа образцов установлено, что микроструктура спеченного образца представляет собой зернистую феррито-карбидную структуру, а также наблюдается микропористость. Это свойственно для образцов, полученных по MIM-технологии при использовании связующей системы на основе полиформальдегида.

В табл. 2 представлены результаты испытаний физико-механических характеристик спеченных образцов из гранулята собственного производства, которые соответствуют требованиям ГОСТ Р 59651 - 2021 для применяемого материала. В связи с этим термическую обработку и исследования физико-механических свойств не проводили.

Таблица 2. Физико-механические характеристики спеченных образцов (опытный гранулят / требование ГОСТ Р 59651 - 2021):

·         Временное сопротивление при разрыве σв, кгс/мм2: 57,8 / не менее 45,9

·         Условный предел текучести σ0,2, кгс/мм2: 20,1 / не менее 17,0

·         Относительное удлинение при разрыве, %: 53,8 / не менее 40,0

·         Плотность ρ, г/см3: 7,597 / не менее 7,5

·         Твердость по шкале HV10: 165 / не менее 120

Выводы

Разработан для применения по MIM-технологии отечественный гранулят на основе смеси полиформальдегидного связующего и порошка нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Исследована микроструктура образцов, изготовленных по MIM-технологии из разработанного гранулята. Установлено, что микроструктура после процесса спекания представляет собой зернистую феррито-карбидную структуру, выявлено наличие остаточной микропористости. Показано, что полученные из разработанного гранулята стальные изделия по физико-механическим свойствам соответствуют требованиям нормативных документов.