close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11378

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.12.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
B 22F 7/00
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОРИСТОГО СЛОЯ ИЗ ПОРОШКА
ТИТАНА НА КОМПАКТНУЮ ТИТАНОВУЮ ПОДЛОЖКУ
(21) Номер заявки: a 20060273
(22) 2006.03.29
(43) 2007.10.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт порошковой
металлургии" (BY)
(72) Авторы: Савич Вадим Викторович;
Пилиневич Леонид Петрович; Тумилович Мирослав Викторович (BY)
BY 11378 C1 2008.12.30
BY (11) 11378
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(56) US 6945448 B2, 2005.
САВИЧ В.В. и др. Порошковая металлургия. Республиканский межведомственный сборник научных трудов, 2001. Вып. 24. - С. 79-82.
RU 2150533 C1, 2000.
RU 2027551 C1, 1995.
BY 7498 C1, 2004.
RU 2040371 C1, 1995.
(57)
1. Способ нанесения пористого слоя из порошка титана на компактную титановую
подложку, включающий нанесение на подложку порошка титана, его напрессовку и спекание, отличающийся тем, что предварительно в подложке выполняют канавки, ширина
которых связана со средним размером частиц порошка Dчcp соотношением (1-3)Dчср, глубина канавок - соотношением (0,6-1,2)Dчcp, а отношение площади канавок к площади подложки составляет 0,3-0,7, используют порошок титана с губчатой формой частиц, а
напрессовку осуществляют через эластичный упругий материал, толщина которого составляет (10-30)Dчcp.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют порошок с размером частиц
630-1000 мкм.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что предварительно в канавки засыпают на
глубину не менее 0,3-0,5 их глубины порошок титана с губчатой формой частиц и размером 100-250 мкм.
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что пористый слой наносят на
подложку с охватом ее по периметру, как показано на фигуре 2 чертежей, при этом ширина охватывающего пористого слоя составляет (2-6)Dчcp.
Фиг. 1
BY 11378 C1 2008.12.30
5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что предварительно подложку
подвергают струйно-абразивной обработке дисперсным материалом со средним размером
частиц (0,6-1,8)Dчcp.
Изобретение относится к способам нанесения пористого слоя на компактную подложку без использования дополнительных соединительных деталей, резьб, цапф, адгезивов,
припоев, сварки, вальцовки и может быть использовано при производстве фильтров, глушителей шума, катализаторов, медицинских имплантатов и других изделий, состоящих из
пористых и компактных деталей.
Известен способ нанесения пористого слоя из порошков металлов на компактную подложку, выполненную из этих же металлов (фланцы, штуцера, переходники и т.п.), путем
использования клеев и адгезивов [1].
Недостатками способа являются низкая прочность соединения, возможность его катастрофического разрушения при термическом или химическом воздействии.
Более надежен способ нанесения пористого слоя на компактную подложку, включающий аргонно-дуговую сварку неплавящимся электродом с использованием присадочной
проволоки из металла, идентичного по составу материалу пористого слоя [1].
Недостатками способа являются необходимость использования присадочного материала, чрезвычайная сложность реализации для сварки деталей из пористого титана, что
связано с его высокой химической активностью при повышенных температурах и необходимостью дополнительного использования герметичной камеры, заполненной аргоном,
либо дополнительного вдува аргона со стороны, противоположной сварочной дуге.
Известен способ нанесения пористых покрытий на компактные подложки, в том числе
и из титанового порошка на поверхности титановых изделий, методами газотермического
напыления [2].
Недостатками способа являются: ограниченность технологических возможностей толщина покрытий, вследствие высоких термических напряжений, не превышает 0,2-0,3 мм,
а также высокая стоимость, связанная со сложностью используемого оборудования.
Известен также способ электроконтактного припекания порошковых покрытий к компактным подложкам [3].
Недостатками способа являются ограниченность технологических возможностей и
сложность технической реализации - для разных типоразмеров биметаллических изделий
необходимо иметь разные виды нестандартного оборудования с разной мощностью источника тока. Кроме того, способ не обеспечивает высокого качества порошкового слоя
из-за высокой неравномерности плотности по толщине и объему.
Известен способ припекания пористого слоя из свободно насыпанного порошка к непористой подложке в термостойкой форме, эквидистантной поверхности подложки и отстоящей от нее на толщину пористого слоя [4].
Недостатками способа являются ограниченность технологических возможностей - он
применим, как правило, для сферических частиц порошка вследствие плохой текучести
частиц иной формы в узкий зазор между подложкой и формой, а также низкая прочность
самого пористого слоя, связанная с незначительным числом точечных контактов.
В качестве прототипа выбран способ нанесения пористого слоя из порошка на компактную подложку, включающий формование пористого слоя из порошка, нанесение его
на подложку и спекание, причем для формования пористого слоя и его предварительного
сцепления с подложкой используют органическое связующее, удаляемое в процессе спекания, порошок используют, как правило, сферической формы, а формование пористого
слоя на подложке ведут с приложением давления [5].
Недостатками способа являются: сложность реализации, связанная с необходимостью
подготовки и введения связующего; низкое качество из-за неравномерной пористости по
2
BY 11378 C1 2008.12.30
площади и объему; ограничение технологических возможностей - из-за наличия выгорающего связующего способ требует предварительного выжигания связки в защитной газовой атмосфере перед окончательным спеканием в вакууме, обеспечивающим наилучшее
качество межчастичных контактов; невысокая адгезия пористого слоя к подложке, обусловленная тем, что суммарная площадь контактов сферических частиц с подложкой много
меньше, чем частиц друг с другом. В ряде случаев недостатком прототипа может быть и использование собственно сферических частиц. Так, например, для деталей имплантатов предпочтительнее использовать частицы с развитой поверхностью - дендритной, губчатой и т.п.,
наилучшим образом приспособленной для врастания костных и иных живых тканей [6].
Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в расширении технологических возможностей и упрощении реализации способа, повышении
качества за счет обеспечения прочности соединения выше прочности пористого слоя и за
счет большей гомогенности пористого слоя.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе нанесения пористого
слоя из порошка титана на компактную титановую подложку, включающем нанесение на
подложку порошка титана, его прессование и спекание, предварительно в подложке выполняют канавки, ширина которых связана со средним размером частиц порошка Dчcp соотношением (1-3)Dчcp, глубина канавок - соотношением (0,6-1,2)Dчcp, а отношение
площади канавок к площади подложки составляет 0,3-0,7, используют порошок с губчатой формой частиц, а напрессовку ведут через эластичный упругий материал толщиной в
пределах (10-30)Dчcp. Используют порошок с размером частиц 630-1000 мкм. Предварительно в канавки засыпают на глубину не менее 0,3-0,5 их глубины порошок титана с губчатой формой частиц и размером 100-250 мкм. Пористый слой наносят на подложку с
охватом ее по периметру, как показано на фигуре 2 чертежей, при этом ширина охватывающего пористого слоя находится в пределах (2-6) Dчcp. Предварительно подложку подвергают струйно-абразивной обработке дисперсным материалом со средним размером
частиц (0,6-1,8) Dчcp.
Использование порошка с губчатой формой непосредственно влияет на решение задачи изобретения, т.к. позволяет обеспечить вместо одного точечного контакта с подложкой
у сферической частицы множество точечных контактов, суммарная площадь которых будет
заведомо выше. Размеры канавок (ширина и глубина), а также их относительная площадь
связаны с размерами частиц указанными соотношениями, определенными эмпирическим
путем, и обеспечивают оптимальное соотношение адгезии пористого слоя и подложки и
прочности самой подложки. При параметрах, выходящих за указанные пределы, прочность соединения становится меньше прочности пористого слоя. Формование через эластичный упругий материал, толщина которого связана соотношением с размерами частиц
порошка, позволяет обеспечить, с одной стороны, равномерность пористости слоя, а с
другой стороны, равномерно распределить давление в процессе формования (прессования) по площади изделия, создав тем самым условия для равномерной адгезии пористого
слоя к подложке по всей поверхности контакта.
Использование порошка с размером частиц 630-1000 мкм дополнительно способствует достижению поставленной задачи изобретения за счет увеличения числа точечных контактов частиц порошка внизу пористого слоя с подложкой. Добавление в канавки на 0,30,5 глубины более мелкого порошка также дополнительно способствует достижению поставленной задачи изобретения за счет его перепекания, заполнения пространства между
крупными частицами вблизи подложки и еще большего увеличения тем самым суммарной
площади контакта пористого слоя с подложкой.
Нанесение пористого слоя на подложку с охватом последней по периметру с шириной
охватывающего пористого слоя в пределах (2-6)Dчcp также дополнительно способствует
достижению поставленной задачи изобретения за счет увеличения площади контакта пористого слоя с подложкой и использования усилия охвата при усадке во время спекания
3
BY 11378 C1 2008.12.30
пористого слоя. При параметрах, выходящих за указанные пределы, дополнительный эффект не достигается.
Предварительная струйно-абразивная обработка дисперсным материалом, средний
размер частиц которого находится в пределах (0,6-1,8)Dчcp, позволяет создать макрошероховатость подложки, адаптированную к размерам частиц порошка пористого слоя и дополнительно увеличивающую площадь контакта между ними.
Способ поясняется чертежами фиг. 1-5. На фиг. 1 изображен разрез подложки и пористого слоя, получаемый по основному пункту формулы изобретения. На фиг. 2 - вариант способа по п. 4 формулы изобретения, с охватом подложки пористым слоем. На фиг. 3
изображены фотографии при разных увеличениях шлифов подложки и пористого слоя,
полученных по оптимальным режимам заявленного технического решения. На фиг. 4 образец для испытаний на отрыв пористого слоя от подложки (упор - буртик по периметру
и через центральное отверстие). На фиг. 5 представлены: чертежи (а, г, ж) и внешний вид
(б, д, з) подложек; внешний вид образцов с припеченным к этим подложкам пористым
слоем после испытаний на его отрыв (в, е, и).
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
На титановой подложке выполняют канавки в соответствии с указанными соотношениями с размером частиц порошка титана. Помещают подложку на нижний пуансон
пресс-формы соответствующего размера. Берут порошок титана и насыпают его сверху
подложки. Разравнивают. Размещают выше слоя порошка эластичный упругий материал с
толщиной, связанной с размерами частиц порошка указанными соотношениями. Опускают верхний пуансон и производят формование при давлениях, обычных для формования
пористых изделий из порошка титана. Затем извлекают подложку с припрессованным пористым слоем и проводят спекание по обычным режимам.
Пример.
Для исследований были изготовлены подложки 3-х типов, чертежи и внешний вид
которых, а также внешний вид образцов после испытаний на отрыв показаны на фиг. 5.
Отверстие под резьбу М5 служит для установки винта-заглушки, необходимого при
напрессовке пористого слоя. Для проведения исследований использовали как подложки
после механической обработки, так и подложки, подвергнутые после механической обработки струйно-абразивной обработке. Образцы для испытаний готовили следующим образом.
В металлическую пресс-форму диаметром 30 мм, соответствующим диаметру компактных
подложек, устанавливали нижний пуансон, затем компактную подложку, на которую насыпали слой порошка титана с размером частиц 630-1000 мкм. На порошок устанавливали
эластичный упругий материал (полиуретан), толщина которого была выбрана из указанного выше соотношения с размером частиц порошка титана. Затем устанавливали верхний
пуансон и полученную конструкцию формовали на гидравлическом прессе при давлении
прессования от 40 до 80 МПа. Толщина пористого слоя составляла 2-3 мм. Сформованные заготовки спекали в вакууме при температуре 1150 °С в течение 1,5 ч. Прочность сцепления определяли путем измерения временного сопротивления при растяжении (ГОСТ 149784) на универсальной разрывной машине "Instron" (Великобритания).
Результаты исследований представлены на фиг. 5, а также в таблице.
Прочность сцепления пористого слоя из порошка титана с компактной подложкой
Тип подложки по фиг. 5
Усилие отрыва, H
а
соединения не получено
г
225,6
ж
861,3*
* - в данном случае произошло разрушение пористого слоя без отрыва его от подложки.
Наибольшую прочность сцепления показали образцы, полученные на подложках по
типу ж) (фиг. 5), причем прочность сцепления пористого слоя с подложкой выше, чем
4
BY 11378 C1 2008.12.30
прочность самого пористого слоя (разрушился пористый слой без отрыва от компактной
подложки). В этом типе подложки параметры канавок (включая соотношение площадей)
соответствуют соотношениям, указанным в формуле изобретения.
Дополнительно были изготовлены подложки по типу ж) (фиг. 5) с иными параметрами
канавок (шириной и глубиной), а также получены образцы с пористым слоем из порошка
титана другого размера частиц - 200-315 мкм и 1000-1500 мкм. В случае соблюдения соотношений размеров канавок и размеров частиц порошка титана усилие отрыва (разрушения пористого слоя без отрыва от подложки) находилось в пределах 760-920 Н. В случае
выхода за указанные пределы усилие отрыва резко падало и составляло 280-320 Н.
Также были изготовлены подложки по типу ж) (фиг. 5) с параметрами канавок, которые
соответствуют соотношениям, указанным в формуле изобретения. Перед напрессовкой
пористого слоя из порошка титана с размером частиц 630-1000 мкм в канавки насыпали на
разный уровень более мелкий порошок титана - с размером частиц 100-315 мкм. В случае
соблюдения соотношений глубины засыпки усилие отрыва (разрушения пористого слоя
без отрыва от подложки) находилось в пределах 830-1010 Н. В случае выхода за указанные пределы усилие отрыва практически не изменялось и составляло 770-930 Н.
Кроме того, были изготовлены подложки по типу ж) (фиг. 5) с параметрами канавок,
которые соответствуют соотношениям, указанным в формуле изобретения, а также с охватом пористым слоем подложки с указанным соотношением. В случае соблюдения соотношений охвата усилие отрыва (разрушения пористого слоя без отрыва от подложки)
находилось в пределах 820-980 Н. В случае выхода за указанные пределы усилие отрыва
практически не изменялось и составляло 760-910 Н.
Помимо этого были изготовлены подложки по типу ж) (фиг. 5) с параметрами канавок, которые соответствуют соотношениям, указанным в формуле изобретения, после
дробеструйной обработки поверхности абразивом (корундом) с параметрами, указанными
в формуле изобретения. В случае соблюдения соотношений размера частиц абразива и
порошка титана усилие отрыва (разрушения пористого слоя без отрыва от подложки) находилось в пределах 830-1080 Н. В случае выхода за указанные пределы усилие отрыва
практически не изменялось и составляло 770-890 Н.
Таким образом, результаты испытаний показывают, что при только оптимальных режимах изготовления обеспечивается достижение задачи изобретения.
Предложенный способ может быть использован для изготовления широкого класса
сборочных единиц с пористым слоем из порошка титана на компактной титановой подложке - испарителей, фильтроэлементов, медицинских имплантатов, аэраторов, деталей
технологического оборудования химических и микробиологических производств и т.п.
Источники информации:
1. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1981. С. 31-34.
2. Ильющенко А.Ф., Оковитый В.А., Кундас С.П., Форманек Б. Формирование газотермических покрытий: теория и практика. - Мн.: Бестпринт, 2002. - С. 13-22.
3. Дорожкин Н.Н., Абрамович Т.М., Ярошевич В.К. Импульсные методы на несения
порошковых покрытий. - Мн.: Наука и техника, 1985. - С.110-120.
4. Патент US 4612160, МПК7 B 22F 3/10, 1984.
5. Патент US 6945448, МПК7 В 23К 031/00, 2005.
6. Савич В.В., Киселев М.Г., Воронович А.И. Современные материалы хирургических
имплантатов и инструментов. - Мн.: Доктор-Дизайн, 2004. - С. 85-94.
5
BY 11378 C1 2008.12.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 386 Кб
Теги
by11378, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа