Пластмассовые изделия

Литье пластмасс с добавлением неполимерных порошковых материалов

Литье пластмасс под давлением с добавлением порошковых неполимерных материалов (Pon­der Injection Molding) позволяет получать  пластмассовые изделия, сочетающие в себе универсаль­ность пресс-формы (за счет использования литья под давлением) с прочностью металла и керамики. Это быстро развивающаяся область изготовления изделий из металла и керамики, используемая в тех случаях, когда требуется производить пластмассовые изделия боль­ших размеров, с высокими эксплуатационными характеристиками, меньшей стои­мости и сложной формы. В этих процессах специально подобранная смесь из порош­кового металла или керамики с полимером в качестве связующего впрыскивается в литьевую форму, где происходит формование нужного изделия — полуфабриката, или так называемого «зеленого продукта» (green part). Этот процесс по своей сути похож на традиционное литье пластмасс под давлением. После завершения отливки полимер­ное связующее удаляется, и получается «коричневое изделие» (brown part), которое подвергается спеканию для формирования связей между частицами порошка с прочностью, характерной для металлических материалов. В результате получается готовый продукт с необходимыми механическими и физическими свойствами.

Описание процесса

Литье пластика под давлением с добавлением порошков из металла и керамики предназначе­но для изготовления металлических и керамических изделий сложной формы, кото­рые раньше можно было изготовить только путем дорогостоящей механической об­работки или собрать из отдельных деталей. На рис. 7.51 показаны основ­ные этапы рассматриваемой технологии: смешение для приготовления исходного сырья, расплавление, удаление связующего полимера, спекание. Последние два эта­па могут быть объединены в одну операцию термической обработки.

Рис. 7.51. Основные этапы процесса литья под давле­нием с добавлением порошковых неполимерных мате­риалов

Смешение для получения исходного сырья (компаунда)

Исходным сырьем является смесь порошка неполимерного ма­териала и связующего компонента, который поставляется в виде табле­ток или гранул. Получение исход­ного сырья заключается в смешении просеянного керамического сырья или порошковых металлических сплавов и полимерного связующего таким образом, чтобы получить со­став, пригодный для плавления. По­рошки обычно представляют собой малые частицы с размерами в диа­пазоне от 0,1 до 20 мкм почти сфери­ческой формы, что позволяет обес­печить необходимое уплотнение. В принципе, с использованием это­го метода можно перерабатывать любой металл, который можно по­лучить в форме порошка. Одним из исключений является алюминий, поскольку на поверхности частиц алюминиевого по­рошка образуется слой оксида алюминия, что не дает возможности произвести спека­ние. Обычно используются порошки из нержавеющей стали, инструментальной стали, железа, силикатов, циркония и нитрида кремния. В качестве связующего чаще всего ис­пользуют такие термопласты, как ПЭ, по также могут быть использованы ацетилцел-люлоза, феиилсилоксановая смола и др. Связующее обычно состоит из двух или трех компонентов: термопластов и смазок, модификаторов вязкости, а также добавок для смачивания и последующего удаления связующего.

Типичный компаунд на 60% (по объему) состоит из порошков и на 40% из свя­зующего. Для смешения при повышенной температуре (от 100 до 200 °С) обычно ис­пользуются двухшнековые экструдеры. На выходе из экструдера смесь перемалыва­ется в таблетки и гранулы, которые затем используются в процессе литья под давле­нием. Существуют пять факторов, которые определяют состояние компаунда: характеристика порошков, компоненты связующего, соотношение порошок/свя­зующее, способ смешения и способ получения гранул.

Литье пластмасс

Оборудование для рассматриваемой технологии аналогично тому, которое ис­пользуется в традиционном литье пластмасс, за исключением того, что отливка получается боль­ших размеров, что компенсирует усадку при спекании. В течение стадии плавления гранулы сырья нагреваются до температуры от 150 до 200 °С, и расплав впрыскивает­ся в форму под давлением от 35 до 140 МПа в течение 30-60 с (зависит от размеров из­делия и фракционного состава сырья) . Литьевая форма также может быть горя­чей для управления вязкостью смеси или находиться при комнатной температуре для обеспечения охлаждения. В конце цикла отливка (так называемое «зеленое изделие») имеет прочную «карандашную структуру» и готова для автоматического выброса из литьевой формы с помощью толкателей. Следует заметить, что в зависимости от ис­пользуемого связующего отливка может быть очень хрупкой; поэтому дорогие пластмассовые изде­лия желательно удалять из прессформы с помощью специальной системы извлечения.

Удаление связующего

Основной целью данного этапа является удаление связующего за короткое вре­мя и с минимальным воздействием на форму пластмассового изделия. Удаление обычно осуществ­ляется одним из трех способов:

• термическим;

• с помощью каталитических агентов;

• экстрагирования в растворе.

Процесс удаления связующего, при котором надо удалить от 3 до 98% связующе­го материала, может занять довольно продолжительное время. Обычно это длится несколько часов и даже дней в зависимости от толщины пластикового изделия и величины зерна порошка. После удаления связующего получается так называемое «коричневое из­делие».

Спекание(уплотнение)

Спекание — последний этап данного технологического процесса — это термиче­ская обработка, которая проводится в целях связывания частиц в монолитную мас­су. Печи, используемые на этом этапе, позволяют осуществлять спекание в контро­лируемой атмосфере (керамика) или в вакууме (металл) при температурах, близких к температуре плавления материала. Для многих металлов достаточно провести спе­кание в простой атмосфере водорода. Для высокоуглеродистых сталей атмосфера должна содержать соответствующие соединения углерода.

Во время спекания поры внутри расплавленного изделия удаляются, что приво­дит к значительной усадке (обычно от 10 до 20%). Тем не менее готовое изделие до­стигает плотности около 97% от плотности аналогичного пластмассового изделия, полученного дру­гим способом, и по своим механическим свойствам мало отличается от него.

Преимущества процесса

Преимущества технологии можно сформулировать следующим образом:

• снижение стоимости производства пластмассовых изделий на 20-40% по сравнению с традиционны­ми способами обработки металлов и керамики ;

• готовые пластмассовые изделия требуют минимальной механической обработки или не тре­буют ее совсем;

• возможность производства пластиковых изделий сложной геометрической формы;

• высокая производительность, характерная для литья под давлением, и воз­можность автоматизации производства пластмассовых изделий;

• пластмассовые изделия обладают механическими свойствами, которые близки к свойствам металлических отливок.

Недостатки процесса

К основным недостаткам можно отнести:

• ограничения на размер изделий из пластика и их толщину;

• необходимость управления объемной усадкой и равнотолщинностыо изде­лия из пластмассы.

Хотя нет технических ограничений на максимальные габаритные размеры пластмассового изде­лия, но они возникают с точки зрения рентабельности процесса. Во-первых, с увели­чением размера изделия пропорционально возрастают затраты на сырье, стоимость которого довольно высока. Во-вторых, чем толще изделие, тем больше времени не­обходимо для удаления связующего, а значит, и возрастает стоимость всего процес­са. В настоящее время ограничение по толщине составляет 30 мм.

«Зеленое изделие» содержит значительное количество связующего (до 50%), что приводит к существенной усадке во время спекания. Отсюда вытекает основное требование к процессу спекания — он должен проходить так, чтобы процесс усадки был контролируемым. Изменения в толщине стенок будут приводить к различной усадке во время спекания, что делает затруднительным контроль размеров пластмассового изделия. Кроме того, равнотолщинность стенок является критическим параметром, управле­ние которым позволяет избежать деформации, внутренних напряжений, раковин, трещин и утяжин.

 Типичные направления применения

Литье из пластмасс с добавлением неполимерных порошковых материалов можно применять для изготовления компонентов в различных областях промышленности: автомобиле­строительной, электронной, медицинской, военной, пластмассовые изделия для аэрокосмической и при произ­водстве компьютерной периферии. В автомобилестроительной промышленности к таким изделиям относятся: турбокомпрессор, тормоза, компоненты системы зажи­гания и датчики кислорода.