способ изготовления деталей из неорганического порошкообразного материала (варианты) и связующая композиция для осуществления способа

Формула изобретения

1. Способ изготовления детали из одного или нескольких порошкообразных неорганических материалов, включающий приготовление связующей композиции путем смешения первичного связующего вещества с вторичным связующим веществом, приготовление исходного материала путем смешения связующей композиции с одним или несколькими порошкообразными неорганическими материалами, формование детали из исходного материала литьем под давлением и нагревание детали, отличающийся тем, что в указанном первичном связующем веществе давление паров составляет по меньшей мере 133,3 Па при температуре разложения вторичного связующего вещества, приготовление исходного материала осуществляют при температуре, превышающей температуру плавления связующей композиции, и деталь нагревают со скоростью 0,5 - 10°С в минуту.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадия приготовления связующей композиции дополнительно включает добавление одного или нескольких материалов, выбранных из группы, состоящей из смазочных добавок и диспергаторов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что первичное связующее вещество выбирают из группы, состоящей из триметилолпропана, дитриметилолпропана неопентилгликоля, пентаэритрита и дипентаэритрита.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первичное связующее вещество включает два компонента.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что первый из двух компонентов выбирают из группы, состоящей из триметилолпропана, дитриметилолпропана, неопентилгликоля, пентаэритрита и дипентаэритрита.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что второй из двух компонентов выбирают из группы, состоящей из (C₂ - C₂₀)1,2-диолов; (C₃ - C₂₀)1,2-полиолов; (С₃ - C₂₀)1,3-диолов; ( C₄ - C₂₀)1,3 -полиолов; (C₂ - C₆)алкиленоксидов; полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C₂ - C₆)алкиленоксиды, (C₂ - C₆)алкиленоксидные олигомеры; простых (C₁ - C₄)эфиров полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C₂ - C₆)алкиленоксиды; простых (C₁ - C₄)эфиров (С₂ - С₆)алкиленоксидных олигомеров; поли(гидроксиалкилен-карбонатов) и поливинилового спирта.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что второй из двух компонентов выбирают из группы, состоящей из 1,3-пропандиола; 1,3-бутандиола; 2-метил-1,3-пропандиола; неопентилгликоля; 2,2-диэтилпропандиола; 2-этил-2-метилпропандиола; 2-метил-2-пропилпропандиола; 2-этил-2-бутилпропандиола; 2,4-диметил-2,4-бутандиола; 2,4,4-триметил-3,5-пентандиола; 2-этил-1,3-гександиола; 3,3-диметил-1,2-бутандиола; пинакона; 1,4-циклогександиола; триметилолпропана; дитриметилолпропана; пентаэритрита; дипентаэритрита; циклического триметилолпропанформаля; простых триметилолпропаналлиловых эфиров; дипропиленгликоля; метилового эфира дипропиленгликоля; трипропиленгликоля; метилового эфира трипропиленгликоля; триэтиленгликоля; метилового эфира триэтиленгликоля; диметилового эфира триэтиленгликоля; тетраэтиленгликоля; метилового эфира тетраэтиленгликоля и диметилового эфира тетраэтиленгликоля.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вторичное связующее вещество выбирают из группы, состоящей из акриловых и метакриловых гомополимеров и сополимеров, полистирола, поливинилацетата и поли(2-этил-2оксазолина).

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вторичное связующее вещество выбирают из группы, состоящей из полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев метилметакрилат, этилакрилат, изобутилметакрилат, третбутиламиноэтилметакрилат, акриловую кислоту и метакриловую кислоту.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что весовое соотношение между общим количеством первичного связующего материала и вторичного связующего материала в связующей композиции составляет 10:1 или менее.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество порошкообразного неорганического материала, используемого для изготовления детали, составляет по меньшей мере 40 об.% от общего количества смеси.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что неорганический порошкообразный материал выбирают из группы, состоящей из керамики, металлов и керметов.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагревание детали проводят в течение периода времени, не превышающего 12 ч.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает на стадии нагревания детали поддержание максимальной температуры в течение менее 180 мин.

15. Способ изготовления детали из одного или нескольких порошкообразных неорганических материалов, включающий приготовление исходного материала путем смешения связующего с порошкообразным неорганическим материалом, подачу исходного материала в экструдер, снабженный шнеком и головкой, формование экструдата нагреванием исходного материала до температуры, достаточной для перевода в жидкое состояние исходного материала, экструзию исходного материала через головку, затвердевание экструдата при комнатной температуре и удаление связующего, отличающийся тем, что перед приготовлением исходного материала готовят связующую композицию путем смешения первичного связующего вещества с вторичным связующим веществом, где давление паров первичного связующего вещества составляет по меньшей мере 133,3 Па при температуре разложения вторичного связующего вещества, приготовление исходного материала осуществляют при температуре, превышающей температуру плавления связующей композиции, и удаление связующей композиции осуществляют нагреванием детали со скоростью 1-10°С в минуту.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что стадия приготовления связующей композиции дополнительно включает добавление одного или нескольких материалов, выбранных из группы, состоящей из смазочных добавок и диспергаторов.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что первичное связующее вещество выбирают из группы, состоящей из триметилолпропана, дитриметилолпропана, неопентилгликоля, пентаэритрита и дипентаэритрита.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что первичное связующее вещество включает два компонента.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что первый из двух компонентов выбирают из группы, состоящей из триметилолпропана, дитриметилолпропана, неопентилгликоля, пентаэритрита и дипентаэритрита.

20. Способ по п.18, отличающийся тем, что второй из двух компонентов выбирают из группы, состоящей из (С₂ - С₂₀)1,2-диолов; (С₃ - С₂₀)1,2-полиолов; (C₃ - C₂₀ )1,3-диолов; (C₄ - C₂₀)1,3-полиолов; (C₂ - C₆)алкиленоксидов; полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C ₂ - C₆)алкиленоксиды, (C₂ - C₆)алкиленоксидные олигомеры; простых (С₁ - С₄)эфиров полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C₂ - C₆)алкиленоксиды; простых (С₁ - C₄)эфиров (С₂ - С₆)алкиленоксидных олигомеров; поли(гидроксиалкиленкарбонатов) и поливинилового спирта.

21. Способ по п.18, отличающийся тем, что второй из двух компонентов выбирают из группы, состоящей из 1,3-пропандиола; 1,3-бутандиола; 2-метил-1,3-пропандиола; неопентилгликоля; 2,2-диэтилпропандиола; 2-этил-2-метилпропандиола; 2-метил-2-пропилпропандиола; 2-этил-2-бутилпропандиола; 2,4-диметил-2,4-бутандиола; 2,4,4-триметил-3,5-пентандиола; 2-этил-1,3-гександиола; 3,3-диметил-1,2-бутандиола; пинакона; 1,4-циклогександиола; триметилолпропана; дитриметилолпропана; пентаэритрита; дипентаэритрита; циклического триметилолпропанформаля; простых триметилолпропаналлиловых эфиров; дипропиленгликоля; метилового эфира дипропиленгликоля; трипропиленгликоля; метилового эфира трипропиленгликоля; триэтиленгликоля; метилового эфира триэтиленгликоля; диметилового эфира триэтиленгликоля; тетраэтиленгликоля; метилового эфира тетраэтиленгликоля и диметилового эфира тетраэтиленгликоля.

22. Способ по п.15, отличающийся тем, что вторичное связующее вещество выбирают из группы, состоящей из акриловых и метакриловых гомополимеров и сополимеров, полистирола, поливинилацетата и поли(2-этил-2оксазолина).

23. Способ по п.15, отличающийся тем, что вторичное связующее вещество выбирают из группы, состоящей из полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев метилметакрилат, этилакрилат, изобутилметакрилат, трет-бутиламиноэтилметакрилат, акриловую кислоту и метакриловую кислоту.

24. Способ по п. 15, отличающийся тем, что весовое соотношение между общим количеством первичного связующего материала и вторичного связующего материала в связующей композиции составляет 10:1 или менее.

25. Способ по п.15, отличающийся тем, что количество порошкообразного неорганического материала, используемого для изготовления детали, составляет по меньшей мере 40 об.% от общего количества смеси.

26. Способ по п.15, отличающийся тем, что неорганический порошкообразный материал выбирают из группы, состоящей из керамики, металлов и керметов.

27. Способ по п.15, отличающийся тем, что нагревание детали проводят в течение периода времени, не превышающего 12 ч.

28. Способ по п.15, отличающийся тем, что он дополнительно включает на стадии нагревания детали поддержание максимальной температуры в течение менее 180 мин.

29. Связующая композиция для изготовления деталей из неорганического порошкообразного материала, включающая первичное и вторичное связующие вещества, отличающаяся тем, что первичное связующее вещество содержит два компонента, где первый компонент выбирают из группы, сотоящей из триметилолпропана, дитриметилолпропана, неопентилгликоля, пентаэритрита и дипентаэритрита, и второй компонент выбирают из группы, состоящей из (С₂ - С₂₀)1,2-диолов; (C₃ - C₂₀)1,2-полиолов; (С₃ - С₂₀)1,3-диолов; (C₄ - C₂₀)1,3-полиолов; (C₂ - C₆)алкиленоксидов; полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C₂ - C₆)алкиленоксиды, (C₂ - C₆)алкиленоксидные олигомеры; простых (C₁ - C₄)эфиров полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C₂ - C₆)алкиленоксиды; простых (C₁ - C₄)эфиров (C₂ - C₆)алкиленоксидных олигомеров; поли(гидроксиалкиленкарбонатов) и поливинилового спирта; а вторичное связующее вещество выбирают из группы, состоящей из акриловых и метакриловых гомополимеров и сополимеров, полистирола, поливинилацетата и поли(2-этил-2-оксазолина).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу изготовления деталей из неорганического порошкообразного материала. В частности настоящее изобретение относится к способу изготовления деталей из неорганического порошкообразного материала с применением полимерного связующего вещества, которое можно удалять из детали после формования нагреванием. Такой способ включает формование деталей литьем под давлением и экструзией.

Литье под давлением представляет собой обладающий большими преимуществами способ формования деталей из порошкообразного материала с последующей (после формования) незначительной механической обработкой или без нее. Это особенно желательно при изготовлении деталей из керамических порошков, поскольку керамические материалы плохо поддаются механической обработке.

Экструзия представляет собой процесс, применяемый в промышленной технологии переработки керамики и пластмасс при изготовлении деталей постоянного поперечного сечения. Процесс экструзии пластмасс обычно включает перемещение полимерного материала вдоль одинарного или двойного шнека внутри цилиндра экструдера с одновременным подводом тепла для расплавления полимера и придания ему пластичности. При переработке же керамических материалов экструзией нагревание материала обычно не предусмотрено. Керамические материалы перерабатывают в порошкообразной форме. Пластичность керамических материалов достигается путем добавления в керамический порошок воды и связующего вещества.

Для переработки керамических и других неорганических порошкообразных материалов обычно требуются связующие вещества. Однако после переработки такого материала формованием детали связующее вещество необходимо удалять. Удаление связующих веществ, как правило, проводят путем нагрева детали, т.е. по методу, известному как "термическое удаление связующего", или путем погружения детали в один или несколько растворителей, т.е. по методу, известному как "растворительное удаление связующего". Эти технические приемы можно применять также в сочетании.

Во время термического удаления связующего вещества такие связующие материалы испаряются. Если это испарение происходит слишком быстро, в детали могут образовываться пузырьки и трещины. Поэтому ограничивают скорость, с которой можно проводить операцию термического удаления связующего вещества. Удаление связующего вещества со скоростью, которая не вызывает повреждения детали, может занимать один или несколько дней выдержки при повышенной температуре. Растворительное удаление связующего вещества может быть сопряжено с большими затратами на растворители и оборудование, поскольку многие из предпочтительных растворителей представляют собой материалы, которые требуют утилизации.

Другие способы удаления связующего вещества включают капиллярное и каталитическое удаление. При капиллярном удалении предусмотрены уплотнение детали в порошке и нагрев детали и окружающего порошка. Связующий материал капиллярно переходит в массу порошка. Такой способ можно осуществлять с большей скоростью, чем обычное термическое удаление, но он также трудоемок.

Каталитическое удаление связующего вещества является наиболее быстрым из обычных способов удаления; оно подробно описано в патенте США 5145900. Проблемы, с которыми связано каталитическое удаление связующего вещества, состоят в том, что оно требует применения специализированного оборудования для удаления связующего и включает работу с опасными материалами. Обычно каталитическими материалами служат сильные кислоты, такие как азотная кислота и щавелевая кислота, а продуктом их разложения является формальдегид.

В качестве наиболее близкого аналога способа изготовления деталей из неорганического порошкообразного материала и связующей композиции могут быть приняты описанные в заявке на патент Японии 07-097271A способ и связующая композиция, включающая парафиновый воск и акрилатную смолу и предназначенная для переработки литьем под давлением керамического порошка. Это связующее вещество удаляют нагреванием со скоростью 30^oC в час, образуются трещины и пузырьки.

В качестве наиболее близкого аналога способа изготовления экструдированной детали может быть принят способ, описанный в авторском свидетельстве СССР 1664462. Настоящее изобретение направлено на устранение указанных недостатков.

Способ по настоящему изобретению позволяет проводить термическое удаление связующего вещества с более высокой скоростью, чем по известным способам термического удаления, с применением стандартного оборудования, без дополнительных стадий, которые требуются при капиллярном или растворительном удалении связующего вещества, без использования вредных для здоровья каталитических материалов и с уменьшенными количествами образующегося формальдегида или вообще без него. Еще одно преимущество способа по настоящему изобретению состоит в том, что с его помощью можно регулировать скорость удаления связующего вещества путем соответствующего выбора состава этого связующего вещества. Такое регулирование позволяет свести к минимуму любое нежелательное влияние процесса удаления связующего вещества на форму или размеры детали, включая образование трещин и пузырьков.

Детали, формуемые экструзией или литьем под давлением керамических материалов, представляют собой "необработанные детали". Эти необработанные детали в дальнейшем обрабатывают обжигом в соответствии со способами, известными специалисту в данной области техники [см., например, James S.Reed, Principles of Ceramics Processing, John Wiley & Sons (1995)]. Обжиг включает нагревание детали до температуры, достаточной для "спекания" или затвердевания детали. Во время обжига удаляют все остаточное связующее вещество. Детали, отформованные в соответствии со способом по настоящему изобретению, можно обжигать согласно способам, известным в данной области техники.

Поставленная задача решается способом изготовления детали из одного или нескольких порошкообразных неорганических материалов, включающим приготовление связующей композиции путем смешения первичного связующего вещества с вторичным связующим веществом, приготовление исходного материала путем смешения связующей композиции с одним или несколькими порошкообразными неорганическими материалами, формование детали из исходного материала литьем под давлением и нагревание детали, по которому согласно изобретению в указанном первичном связующем веществе давление паров составляет по меньшей мере 133,3 Па при температуре разложения вторичного связующего вещества, приготовление исходного материала осуществляют при температуре, превышающей температуру плавления связующей композиции, и деталь нагревают со скоростью 0,5-10^oC в минуту.

Поставленная задача решается также способом изготовления экструдированной детали из одного или нескольких порошкообразных неорганических материалов, включающим приготовление исходного материала путем смешения связующего с порошкообразным неорганическим материалом, подачу исходного материала в экструдер, снабженный шнеком и головкой, формование экструдата нагреванием исходного материала до температуры, достаточной для перевода в жидкое состояние исходного материала, экструзию исходного материала через головку, затвердевание экструдата при комнатной температуре и удаление связующего, в котором согласно изобретению перед приготовлением исходного материала готовят связующую композицию путем смешения первичного связующего вещества с вторичным связующим веществом, где давление паров первичного связующего вещества составляет по меньшей мере 133,3 Па при температуре разложения вторичного связующего вещества, приготовление исходного материала осуществляют при температуре, превышающей температуру плавления связующей композиции, и удаление связующей композиции осуществляют нагреванием детали со скоростью 1-10^oC в минуту.

Предпочтительно нагревание детали проводят в течение периода времени, не превышающего 12 ч.

Способ согласно изобретению может дополнительно включать на стадии нагревания детали поддержание максимальной температуры в течение менее 180 мин.

Поставленная задача решается также связующей композицией для изготовления деталей из неорганического порошкообразного материала, включающей первичное и вторичное связующие вещества, которая согласно изобретению характеризуется тем, что первичное связующее вещество содержит два компонента, где первый компонент выбирают из группы, состоящей из триметилолпропана, дитриметилолпропана, неопентилгликоля, пентаэритрита и дипентаэритрита, и второй компонент выбирают из группы, состоящей из (C₂-C₂₀)1,2-диолов; (C₃-C₂₀)1,2-полиолов; (C₃-C₂₀)1,3-диолов; (C₄-C₂₀)1,3-полиолов; (C₂-C₆)алкиленоксидов; полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C₂-C₆)алкиленоксиды, (C₂-C₆)алкиленоксидные олигомеры; простых (C₁-C₄)эфиров полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C₂-C₆)алкиленоксиды; простых (C₁-C₄)эфиров (C₂-C₆)алкиленоксидных олигомеров; поли(гидроксиалкиленкарбонатов) и поливинилового спирта; а вторичное связующее вещество выбирают из группы, состоящей из акриловых и метакриловых гомополимеров и сополимеров, полистирола, поливинилацетата и поли(2-этил-2-оксазолина).

В соответствии с первым объектом настоящего изобретения способ изготовления детали из одного или нескольких порошкообразных неорганических материалов включает:

а) приготовление связующей композиции путем смешения первичного связующего вещества со вторичным связующим веществом, где при температуре разложения вторичного связующего вещества давление паров первичного связующего вещества составляет по меньшей мере 1 торр (133,3 Па);

б) приготовление исходного материала путем смешения связующей композиции с одним или несколькими порошкообразными материалами при температуре, превышающей температуру плавления связующей композиции;

в) формование детали из исходного материала литьем под давлением и

г) нагревание детали со скоростью 0,5-10^oC в минуту.

Описывается также деталь, изготовленная в соответствии с вышеуказанным способом.

В соответствии с другим объектом настоящего изобретения способ изготовления экструдированной детали из неорганического порошкообразного материала включает:

а) приготовление связующей композиции путем смешения первичного связующего вещества со вторичным связующим веществом, где при температуре разложения вторичного связующего вещества давление паров первичного связующего вещества составляет по меньшей мере 1 торр (133,3 Па);

б) приготовление исходного материала путем смешения связующей композиции с одним или несколькими порошкообразными материалами при температуре, превышающей температуру плавления связующей композиции;

в) подачу исходного материала в экструдер, снабженный шнеком и головкой;

г) формование экструдата нагреванием исходного материала до температуры, достаточной для расплавления исходного материала, и экструзию исходного материала через головку;

д) затвердевание экструдата при комнатной температуре и

е) нагревание детали со скоростью 0,5-10^oC в минуту.

Связующую композицию, используемую в способе по настоящему изобретению, готовят из первичного связующего вещества и вторичного связующего вещества. Первичное связующее и вторичное связующее вещества характеризуются различными давлениями паров, что позволяет удалять их из детали не одновременно, а последовательно. Полагают, что удаление первичного связующего вещества создает каналы, по которым из детали можно удалять без возникновения в этой детали трещин и пузырьков вторичное связующее вещество. Эти связующие вещества выбирают таким образом, что во время удаления первичного связующего вещества вторичное связующее вещество остается в детали как можно дольше, что дает возможность сохранять форму детали. При температуре разложения вторичного связующего вещества давление паров первичного связующего вещества составляет по меньшей мере 1 торр (133,3 Па). Для оптимального удаления связующего вещества при температуре разложения вторичного связующего вещества предпочтительное давление паров первичного связующего вещества составляет 10-1000 торр (1,3-130 кПа), более предпочтительно 100-600 торр (13-78 кПа) и наиболее предпочтительно 300-400 торр (39-52 кПа) при температуре разложения вторичного связующего вещества. Слишком высокое или слишком низкое давление паров может привести к увеличению времени, которое требуется для удаления связующего вещества. При типичных температурах формования от примерно 80 до 200^oC первичное связующее вещество предпочтительно растворяет вторичное связующее вещество, но при температурах свыше 10^oC и ниже приблизительно 80^oC образует отдельную фазу от вторичного связующего вещества.

Первичное связующее вещество, используемое в способе по настоящему изобретению, может включать два компонента. В случае, когда первичное связующее вещество включает два компонента, предпочтительный первый компонент при комнатной температуре представляет собой твердый материал. Этот первый компонент при комнатной температуре, приблизительно 25^oC, находится в твердом состоянии. Такой первый компонент независимо выбирают из диолов и полиолов, молекулярная масса которых составляет менее приблизительно 300, например, из таких, как триметилолпропан, дитриметилол-пропан, неопентилгликоль, пентаэритрит и дипентаэритрит. Предпочтительное соотношение между вторым компонентом первичного связующего вещества и первым компонентом первичного связующего вещества составляет по меньшей мере 1:20, более предпочтительно по крайней мере 1:10.

Второй компонент первичного связующего вещества, используемого в способе по настоящему изобретению, независимо выбирают из группы, состоящей из (C₂-C₂₀)1,2-диолов; (C₃-C₂₀)1,2-полиолов; (C₃-C₂₀)1,3-диолов; (C₄-C₂₀)1,3-полиолов; (C₂-C₆)алкиленоксидов; полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C₂-C₆)алкиленоксиды, (C₂-C₆)алкиленоксидные олигомеры; простых (C₁-C₄)эфиров полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C₂-C₆)алкиленоксиды; простых (C₁-C₄)эфиров (C₂-C₆)алкиленоксидных олигомеров; поли(гидроксиалкиленкарбонатов) и поливинилового спирта.

Примеры 1,3-диолов и полиолов включают: 1,3-пропандиол; 1,3-бутандиол; 2-метил-1,3-пропандиол; неопентилгликоль; 2,2-диэтилпропандиол; 2- этил-2-метилпропандиол; 2-метил-2-пропилпропандиол; 2-этил-2-бутилпропандиол; 2,4,4-триметил-3,5-пентандиол; 2-этил-1,3-гександиол; триметилолпропан; дитриметилолпропан; пентаэритрит; дипентаэритрит.

Пригодны также производные 1,3-диолов, включая циклический триметилолпропанформаль и простые триметилолпропаналлиловые эфиры.

Примеры 1,2-диолов включают: этиленгликоль, пропиленгликоль, 2,2-диметил-3,4-бутандиол и пинакон.

К примерам алкиленоксидов относятся этиленоксид и пропиленоксид.

Примеры полимеров, содержащих в качестве полимерных звеньев (C₂-C₆)алкиленоксиды, известные также как полиалкиленоксиды, включают: гомополимеры и сополимеры этиленоксида и полимеры пропиленоксида.

Примерами поли(гидроксиалкиленкарбонатов) являются поли[[оксикарбонил(окси)]-2,3-O-изопропилдиентреитил] и поли[[оксикарбонил(окси)]-1,4-треитил].

Олигомеры алкиленоксидов включают олигомеры этиленгликоля, молекулярная масса которых не превышает 2000, и олигомеры пропиленгликоля, молекулярная масса которых не превышает 2000. Примерами этих олигомеров и их простых эфиров, которые могут быть использованы в способе по настоящему изобретению, являются дипропиленгликоль; метиловый эфир дипропиленгликоля; трипропиленгликоль; метиловый эфир трипропиленгликоля; триэтиленгликоль; метиловый эфир триэтиленгликоля; диметиловый эфир триэтиленгликоля; тетраэтиленгликоль; метиловый эфир тетраэтиленгликоля и - диметиловый эфир тетраэтиленгликоля.

Вторичное связующее вещество, используемое в способе по настоящему изобретению, может представлять собой любой полимер, известный в данной области техники как пригодный для литья под давлением. Такими полимерами могут служить термопластичные полимеры и термореактивные полимеры. Примерами являются акриловые и метакриловые гомополимеры и сополимеры, полистирол и его сополимеры, поли(винилацетат) и его сополимеры, поли(2-этил-2-оксазолин). Особенно целесообразно использовать гомополимеры и сополимеры, включающие в качестве полимерных звеньев метилметакрилат, этилакрилат, изобутилметакрилат, трет-бутиламиноэтилметакрилат, акриловую кислоту и метакриловую кислоту.

В способе по настоящему изобретению предпочтительное весовое соотношение между первичным связующим материалом в целом и вторичным связующим материалом в связующей композиции составляет 10:1 или менее, более предпочтительно 5:1 или менее и наиболее предпочтительно 3:1 или менее.

Способ по настоящему изобретению может быть использован в отношении порошкообразных материалов, включая керамику, металлы и керметы, которые являются композитными материалами керамики и металла. Керамические материалы, в отношении которых можно применять этот способ, включают оксидную керамику и неоксидную керамику. Можно использовать смеси керамических материалов.

К оксидной керамике относятся оксид алюминия, двуокись титана, кремнезем, фарфор, титанат бария, глина, сиалон, диоксид циркония и оксиды олова, свинца, рутения, вольфрама, иттрия, никеля, магния и кальция. К неоксидной керамике относятся нитрид кремния, карбид кремния, нитрид алюминия, нитрид циркония, бромид циркония, нитрид титана, карбид титана, борид титана, нитрид бора, карбид бора, карбид вольфрама, борид вольфрама.

Керметы включают никель-карбид титана, кремний-карбид кремния, оксид алюминия-хром, карбид вольфрама-кобальт.

Металлы, в отношении которых может быть использован способ по настоящему изобретению, включают железо; сталь, включая углеродистую сталь, нержавеющую сталь и дисперсионно-затвердевшую сталь; никель, вольфрам. Количество порошкообразного материала, используемого для изготовления детали согласно способу по настоящему изобретению, составляет по меньшей мере 40 об.% от общего объема смеси, предпочтительно 50-80 об.% и более предпочтительно 55-70 об.%.

В соответствии со способом по настоящему изобретению эти материалы можно смешивать по известным методам, применимым при смешении керамических и других неорганических порошкообразных материалов. Так, для смешения связующей композиции с одним или несколькими порошкообразными материалами можно применять месильную машину, работающую под давлением, такую как крутильный реометр Haake. Смешение связующей композиции с неорганическим порошкообразным материалом производят при температуре, превышающей температуру плавления этой связующей композиции. Перед смешением связующей композиции с неорганическим порошкообразным материалом связующие компоненты можно смешивать между собой, например, в реакторе. Компоненты связующего вещества предпочтительно смешивать при температуре, при которой смесь находится в текучем состоянии. По другому варианту все компоненты связующего вещества и неорганический порошкообразный материал можно смешивать одновременно.

Как известно специалисту в данной области техники, в связующую композицию можно добавлять другие необязательные компоненты. К примерам необязательных материалов относятся смазочные добавки и диспергаторы. Эти материалы известны в данной области техники; их обычно применяют в количествах 0,1-10 вес.% в пересчете на вес неорганического порошкообразного материала. Типичными материалами, используемыми в качестве смазочных добавок и диспергаторов, служат стеариновая кислота, олеиновая кислота, пальмитиновая кислота, стеарат цинка, стеарат кальция, стеарат лития, бис-стеарамид этилена и полиэтилен.

Для формования детали литьем под давлением в качестве исходного материала может быть использована смесь связующей композиции и порошкообразного материала. Температура и давление, необходимые для литья под давлением, определяются составом этого исходного материала и формой детали, которую необходимо изготовить. После придания литьем под давлением целевой формы отформованной детали дают остыть до затвердевания порошкообразного материала и связующей композиции. Время, необходимое для затвердевания, зависит от состава исходного материала, формы и размеров детали и условий литья под давлением. Обычно для затвердевания требуется приблизительно одна минута или менее.

После охлаждения и затвердевания детали удаляют связующее вещество. Удаление связующего вещества проводят в две стадии. Процедура или режим зависит от состава исходного материала, размеров и формы детали и применяемой для нагрева печи. В типичном режиме удаления связующего вещества в соответствии со способом по настоящему изобретению деталь нагревают со скоростью примерно 1-5^oC/мин до температуры примерно 110-200^oC, выдерживают при этой температуре 30-180 мин, затем нагревают со скоростью приблизительно 1^oC/мин до температуры приблизительно 250^oC и выдерживают при этой температуре от примерно 30 мин до примерно 180 мин. Скорость нагрева либо на первой или второй стадии, либо на обеих стадиях может составлять до примерно 10^oC/мин в зависимости от состава связующего вещества, неорганического порошкообразного материала и размеров детали. Для некоторых композиций на одной или обеих стадиях нагревания может оказаться целесообразным нагрев детали со скоростью всего 0,5^oC в минуту. Обычно после удаления связующего вещества вес детали снижается по меньшей мере на 90% от начального веса первичного связующего вещества. Такое 90%-ное уменьшение веса как правило происходит в течение приблизительно 12 ч или меньше, в некоторых случаях примерно 7 ч или меньше.

Альтернативно этому такой исходный материал может быть использован для формования деталей из неорганического порошкообразного материала экструзией. Можно применять стандартные экструдеры, известные в данной области техники. Исходный материал получают согласно описанному выше и загружают в экструдер. Продолжительность пребывания в экструдере определяется скоростью вращения шнека и размерами последнего. Получают экструдат, которому дают затвердеть при комнатной температуре. Для изготовления деталей этот экструдат необязательно можно разрезать и механически обрабатывать. После изготовления экструдированных деталей удаление связующего вещества можно проводить в соответствии с представленным в описании его удалением из деталей, отформованных литьем под давлением. После удаления связующего вещества деталь также необязательно можно подвергать механической обработке. Детали, отформованные экструзией в соответствии со способом по настоящему изобретению, прочнее деталей, отформованных экструзией керамики и металла с использованием метилцеллюлозы и воды для приготовления связующего вещества.

Способ по настоящему изобретению проиллюстрирован с помощью нижеследующих примеров.

Пример 1

Литье под давлением деталей из оксида алюминия с использованием в качестве связующего триметилолпропана/пропиленгликолевого тримера/поли(метилметакрилата)

Связующее вещество готовили следующим образом. При 55^oC 435,1 г триметилолпропана (ТМП) добавляли в 435,3 г пропиленгликолевого тримера и перемешивали до растворения. Раствор нагревали до 160^oC и при перемешивании в течение трех часов добавляли 435,3 г поли(метилметакрилата) (ПММА, продукт НТ-100 фирмы Rohm and Haas). После полного растворения ПММА добавляли 68,7 г стеариновой кислоты. Когда стеариновая кислота растворилась, связующий раствор для остывания выливали в алюминиевые лотки.

После охлаждения раствора исходный материал готовили обработкой в крутильном реометре (Rheocord серии 900, "Haake Rheocord" (фирма Haake Mess-Technik GmbH u. Co.). Реометр Haake Rheocord был оборудован "роторами валкового типа" модели N 557-1034. Эту установку предварительно нагревали до 120^oC и включали роторы со скоростью вращения 200 об./мин. В течение приблизительно 5 мин постепенно и поочередно, со скоростью литр в час добавляли 648,8 г оксида алюминия (ALCOA 3000) и 88,8 г связующего вещества, приготовленного согласно описанному выше. Оксид алюминия и связующее вещество перемешивали в течение 30 мин. Смесь выгружали из реометра. После охлаждения смеси до комнатной температуры для ее подготовки к литью под давлением размеры частиц уменьшали обработкой в лабораторной мельнице (модель 4E, фирма Staub Co.).

Исходный материал использовали при формовании стандартных образцов для испытания на разрыв на литьевой машине Arburg модели 270С-300-80 в следующих условиях: температура расплава: 120-160^oC, температура формы: 35^oC, скорость инжекции: 25-50 мм/с, скорость вращения шнека: 200 об./мин, обратное давление: 10 бар (1 кПа). Давление измеряли в барах. Используемый коэффициент пересчета: 1 бар = 100000 Па. 1 Па равен 1 Н/м². Конечное давление впрыска составляло 280 бар (28 кПа), а давление в полости литейной формы составляло 100 бар (10 кПа).

Связующее вещество из образцов для испытания на разрыв удаляли в сушильном шкафу с принудительной вентиляцией нагреванием со скоростью 1^oC/мин до 110^oC, выдержкой при 110^oC в течение 90 мин и последующим охлаждением. Испытательные образцы спекали нагреванием со скоростью 5^oC/мин до 1700^oC. В изготовленных спеканием образцах отсутствовали пузырьки и трещины.

Пример 2

Литье под давлением деталей из оксида алюминия с использованием в качестве связующего триметилолпропана/тетраглима/поли(метилметакрилата)

899,9 г ТМП при 80^oC при перемешивании растворяли в 100,1 г тетраглима (ТГ). Раствор нагревали до 160^oC и при перемешивании в течение трех часов добавляли 500,0 г поли(метилметакрилата) (ПММА, продукт НТ-100 фирмы Rohm and Haas). После полного растворения ПММА добавляли 79,0 г стеариновой кислоты. Когда стеариновая кислота растворилась, раствор для остывания выливали в алюминиевые лотки.

После охлаждения раствора исходный материал готовили обработкой в крутильном реометре (Rheocord серии 900, "Haake Rheocord" (фирма Haake Mess-Technik GmbH u. Co.)). Реометр Haake Rheocord был оборудован "роторами валкового типа" модели N 557-1034. Эту установку предварительно нагревали до 120^oC и включали роторы со скоростью вращения 200 об./мин. В течение приблизительно 5 мин постепенно и поочередно, со скоростью литр в час, добавляли 648,8 г оксида алюминия (ALCOA 3000) и 88,8 г связующего вещества, приготовленного согласно описанному выше. Оксид алюминия и связующее вещество перемешивали в течение 30 мин. Смесь выгружали из реометра. После охлаждения смеси до комнатной температуры для ее подготовки к литью под давлением размеры частиц уменьшали обработкой в лабораторной мельнице (модели 4E, фирмы Staub Co.).

Пример 3

Экструзия оксида алюминия с использованием в качестве связующего триметилолпропана/тетраглима/поли(метилметакрилата)

Исходный материал готовили из 63 об.% оксида алюминия и связующего вещества, которое представляло собой смесь (ТМП/ТГ):ПММА (продукт НТ-100 фирмы Rohm and Haas) в соотношении 2:1. Весовое соотношение ТМП:ТГ составляло 9:1. Этот исходный материал подавали в 22-миллиметровый одночервячный экструдер, у которого соотношение между длиной и диаметром (L/D) составляло 25:1. Червяком создавали степень сжатия 2,5:1. В экструдере применяли четыре независимые зоны нагрева, а температура в этих зонах составляла 120/120/125/130^oC. Продолжительность пребывания в экструдере составляла 2 мин. Были изготовлены двухмиллиметровые стержни. С использованием такого же исходного материала и в тех же условиях аналогично изготовляли 20-миллиметровые стержни. Экструдат выходил из головки в полужестком состоянии и затвердевал в течение нескольких секунд.

Пример 4

Экструзия нержавеющей стали с использованием в качестве связующего триметилолпропана/тетраглима/поли(метилметакрилата)

Исходный материал готовили из 63 об.% нержавеющей стали марки 316L и связующего вещества, которое представляло собой смесь (ТМП/ТГ):ПММА (продукт HT-100 фирмы Rohm and Haas) в соотношении 2:1. Весовое соотношение ТМП:ТГ составляло 9:1. Этот исходный материал подавали в 22-миллиметровый одночервячный экструдер, у которого соотношение между длиной и диаметром (L/D) составляло 25:1. В экструдере применяли четыре независимые зоны нагрева, а температура в этих зонах составляла 120/120/125/130^oC. Продолжительность пребывания в экструдере составляла 2 мин. Были изготовлены двухмиллиметровые стержни. С использованием такого же исходного материала и в тех же условиях аналогично изготовляли 20-миллиметровые стержни. Экструдат выходил из головки в полужестком состоянии и затвердевал в течение нескольких секунд.