Способ изготовления крупногабаритных толстостенных деталей

Изобретение относится к изготовлению крупногабаритных толстостенных деталей диаметром до 1500 мм толщиной до 500 мм из композиции на основе порошковых вольфрама, железа и полипропилена и предназначено для защиты от радиоактивных излучений при эксплуатации атомных энергетических установок. Ввод в состав композиции этиленпропиленового каучука и определенная толщина слоев при осуществлении их напрессовки друг на друга позволяет получить крупногабаритные детали без дефектов с пределом прочности на разрыв по месту стыка слоев не менее 120 кг/см². 1 табл.

 

Изобретение относится к технике изготовления крупногабаритных толстостенных деталей диаметром до 1500 мм толщиной до 500 мм из композиции ПВЖ следующего состава мас.%:

порошковый вольфрам	49÷73
порошковое железо	6÷11
полипропилен	остальное,

которая используется при изготовлении конструкций для защиты от радиоактивных излучений при эксплуатации атомных энергетических установок.

Известен способ изготовления крупногабаритных толстостенных деталей из полипропилена, наполненного графитом на термопластавтомате методом напрессовки одного слоя на другой (патент РФ 2140852). Этим методом можно получить практически детали любой толщины. Однако изготовить указанным способом крупногабаритные детали диаметром до 1500 мм и весом до 2 т не предоставляется возможным, так как термопластавтоматы, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью, имеют величину вспрыска не более 200 кг. Такие крупногабаритные и толстостенные детали можно получить только методом прямого прессования на гидравлических прессах.

Ближайшим по технической сущности к заявленному техническому решению является способ изготовления крупногабаритных деталей из полипропилена методом прямого прессования (технологический процесс изготовления деталей из полипропилена инв. № 863629, комбинат "Электрохимприбор", г.Лесной, Свердловской обл. 1995).

Сущность способа заключается в следующем:

1. Нагрев пресс-формы в печи до температуры 120÷140°С.

2. Экструдирование навески полипропилена при температуре 200÷220°С в нагретую пресс-форму.

3. Прессование деталей на гидравлических прессах при удельном давлении 400÷500 кг/см².

4. Охлаждение пресс-формы под давлением пресса до комнатной температуры.

По данному способу изготовить детали толщиной свыше 100 мм не представилось возможным.

При разрезке деталей в ней наблюдались раковины и поры.

Оптимизация режимов изготовления: повышение температуры, давления, увеличение времени выдержки под давлением не дали положительных результатов.

Конструкторской документацией (КД) допускается толстенную деталь изготавливать методом напрессовки одного слоя на другой. Механическое соединение слоев посредством крепежа исключается.

Так как методом прессования по известному способу можно изготовить деталь без дефектов толщиной до 100 мм, то толщина первого слоя и каждого последующего не должна превышать 100 мм.

В соответствии с требованием КД прочность соединения слоев детали проверяется на образцах-лопатках по ГОСТ 11262-80, вырезанных из детали. Причем линия соединения слоев в образце должна находиться примерно по середине вырезанной лопатки. Предел прочности на разрыв образца по КД должен быть не менее 120 кг/см².

Фактическое значение предела прочности на разрыв в стыке слоев составляет 80÷105 кг/см².

Основной задачей изобретения является разработка способа изготовления крупногабаритных толстостенных деталей из композиции ПВЖ без дефектов (пор, раковин, расслоений) с пределом прочности на разрыв по стыку слоев не менее 120 кг/см².

Поставленная задача достигается тем, что в состав композиции ПВЖ вводят этиленпропиленовый каучук (СКЭП) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошковый вольфрам	40÷73
порошковое железо	6÷11
каучук полипропиленовый	2÷4
полипропилен	остальное

Особенностью метода напрессовки одного слоя на другой, при изготовлении крупногабаритных деталей толщиной более 100 мм, является соблюдение следующих основных условий:

- сохранение формоустойчивости предыдущего слоя;

- обеспечение высокой адгезионной прочности между слоями.

Известно, что полипропилен имеет температуру плавления, равную 176°С (А.А.Тагер. Физико-химия полимеров. Издание второе. М., Химия", 1968 г, стр.142). Как правило, переработку композиционных материалов на основе полипропилена проводят при температуре 210°С. В случае применения метода напрессовки нагрев предыдущего слоя до температуры плавления полипропилена приводит к изменению его (слоя) формы, что не допустимо. Уменьшение температуры нагрева слоя ниже температуры плавления полипропилена не обеспечивает достаточно высокую адгезионную прочность соединения с последующим слоем.

Каучук этиленпропиленовый относится к классу низкотемпературных аморфных компонентов с температурой плавления 115°С. Введение его в состав композиции ПВЖ позволяет проводить нагрев предыдущего слоя до температуры несколько выше температуры плавления этиленпропиленового каучука (140°), обеспечивая переход последнего в расплавленное состояние без нарушения формоустойчивости предыдущего слоя и, как следствие, обеспечивая достаточно высокое адгезионное взаимодействие с последующим напрессованым слоем.

Кроме тего, каучук СКЭП играет роль пластификатора, облегчающего переработку композиции, повышающего прочность последней, особенно межслойную адгезионную прочность. Введение каучука в оптимальном соотношении способствует образованию адсорбционных слоев, играющих роль граничной смазки, облегчающих взаимное перемещение надмолекулярных структур. Увеличивающаяся подвижность структурных образований способствует их взаимной ориентации, что всегда приводит к возрастанию механической прочности. (А.А.Тагер. Физико-химия полимеров. Издание второе. М., Химия, 1968 г., стр.439).

Ниже приводятся иллюстрирующие данное изобретение примеры, сведенные в таблицу с составом композиции и пределом прочности на разрыв.

Примеры 1÷11 (см. таблицу) Компоненты композиции ПВЖ - порошковый вольфрам по ТУ48-19-72-92, порошковое железо по ГОСТ 13084-88, полипропилен

по ТУ2211-051-057-96653, каучук этилен пропиленовый по ТУ 38.103352-79 загружают в двухшнековый экструдер, композицию экструдируют в предварительно нагретую пресс-форму до Т=150-170°С, которую затем транспортируют к гидравлическому прессу и прессуют при удельном давлении 800÷1000 кг/см², пресс-форму охлаждают до температуры 130÷140°С и транспортируют под экструдер. Экструдируют композицию ПВЖ на поверхность первого слоя и вновь прессуют. Операции последующих опрессовок повторяют до получения необходимой высоты детали.

Навеску каждого слоя рассчитывают исходя из получения его высоты не более 100 мм (при диаметре детали 1500 мм).

Состав композиции, предел прочности на разрыв сведены в таблицу. Примеры 1÷3 (контрольные согласно прототипу).

Таблица
Способ изготовления		Состав композиции, мас.%	Предел прочности на разрыв, кг/см2
1	2	3		4
По изобретению	1	Вольфрам	49	105
		Железо	6
		Каучук этиленпропиленовый (СКЭП)	0,5
		Полипропилен	44,5
По изобретению	2	Вольфрам	49	124
		Железо	6
		СКЭП	1
		Полипропилен	44
По изобретению	3	Вольфрам	49	131
		Железо	6
		СКЭП	2
		Полипропилен	43
По изобретению	4	Вольфрам	49	138
		Железо	6
		СКЭП	3
		Полипропилен	42
По изобретению	5	Вольфрам	49	147
		Железо	6
		СКЭП	4
		Полипропилен	41
По изобретению	6	Вольфрам	49	154
		Железо	6
		СКЭП	5
		Полипропилен	40
По изобретению	7	Вольфрам	73	91
		Железо	11
		СКЭП	0,5
		Полипропилен	15,5
По изобретению	8	Вольфрам	73	109
		Железо	11
		СКЭП	1
		Полипропилен	15
По изобретению	9	Вольфрам	73	122
		Железо	11
		СКЭП	2
		Полипропилен	14
По изобретению	10	Вольфрам	73	129
		Железо	11
		СКЭП	3
		Полипропилен	13
По изобретению	11	Вольфрам	73	140
		Железо	11
		СКЭП	4
		Полипропилен	12
По прототипу	1	Вольфрам	73	81
		Железо	11
		Полипропилен	остальное
	2	Вольфрам	49÷73	87
		Железо	6÷11
		Полипропилен	остальное
	3	Вольфрам	49÷73	105
		Железо	6÷11
		Полипропилен	остальное
Примечание: Наружные дефекты детали контролируются визуально, внутренние дефекты - рентгеновским контролем.

Анализ таблицы показывает, что при введении в состав композиции ПВЖ каучука этиленпропиленового в количестве 2÷4 мас.% позволяет получить предел прочности на разрыв в местах соединения слоев не менее 120 кг/см².

Введенным в композицию ПВЖ каучук этиленпропиленовый имеет температуру размягчения не более 110°С, что способствует надежному адгезионному взаимодействию слоев при опрессовках.

Увеличение содержания каучука этиленпропиленового более 4 мас.% экономически не целесообразно.

Способ изготовления крупногабаритных деталей диаметром до 1500 мм, толщиной до 500 мм из композиции ПВЖ состава, мас.%:

порошковый вольфрам	49÷73
порошковое железо	6÷11
каучук этиленпропиленовый	2÷4
полипропилен	остальное

методом поочередной напрессовки слоев друг на друга, отличающийся тем, что толщина первого слоя и каждого последующего не должна превышать 100 мм.