專利名稱：：冶金粉末組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于粉末冶金工業(yè)的新型金屬粉末組合物。特別地，本發(fā)明涉及包含用于將添加劑(例如成合金元素)粘合到鐵基粒子上的粘合劑的鐵基粉末組合物。
背景技術(shù)：
：在工業(yè)中，通過(guò)壓制和燒結(jié)鐵基粉末組合物制成的金屬產(chǎn)品的應(yīng)用變得越來(lái)越普遍。這些金屬產(chǎn)品的質(zhì)量要求不斷提高，因此，開發(fā)出了具有改進(jìn)性能的新型粉末組合物。最終燒結(jié)產(chǎn)品的最重要性質(zhì)之一是密度和尺寸公差，它們必須一致。最終產(chǎn)品中尺寸變動(dòng)的問(wèn)題通常來(lái)源于要壓制的粉末混合物中的不均勻性。對(duì)于包括尺寸、密度和形狀不同的粉狀組分的粉末混合物，這些問(wèn)題尤其顯著，這是在粉末組合物的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處理過(guò)程中出現(xiàn)分離的原因。這種分離意味著該組合物的構(gòu)成不均勻，這又意味著由該粉末組合物制成的部件在構(gòu)成上不同并因此具有不同性質(zhì)。另一問(wèn)題是細(xì)粒，特別是較低密度的細(xì)粒，例如石墨，在粉末混合物處理過(guò)程中造成起塵。添加劑的小粒度也造成與粉末的流動(dòng)性質(zhì)(即粉末表現(xiàn)為自由流動(dòng)粉末的能力)有關(guān)的問(wèn)題。受損的流動(dòng)性體現(xiàn)為用粉末填充模腔的時(shí)間增加，這意味著較低的生產(chǎn)率和壓制部件密度變動(dòng)的較高風(fēng)險(xiǎn)，這可能造成燒結(jié)后不可接受的形變。此外，為了從模頭中推出壓制部件、使模頭表面的磨損最小化并獲得具有無(wú)劃傷的良好表面飾面的部件，從模頭中推出部件所需的力必須低。已經(jīng)試圖通過(guò)在粉末組合物中添加不同粘合劑和潤(rùn)滑劑來(lái)解決上述問(wèn)題。粘合劑的用途是將小粒度添加劑粒子(例如成合金組分)牢固且有效地粘合到基底金屬粒子表面上，并因此減輕分離和起塵問(wèn)題。潤(rùn)滑劑的用途是降低粉末組合物壓制過(guò)程中的內(nèi)部和外部摩擦，并首要降低從模頭中推出最終壓制產(chǎn)品所需的力。已開發(fā)出各種有機(jī)粘合劑，例如美國(guó)專利4，483，905(Engstrom)、4,676,831(Engstrom)、4,834,800(Semel)、5,298,055(Semd)、5，290，336(Luk)、5,368,630(Luk)。美國(guó)專利5,480,469(Storstrom)提供了粘合劑在粉末冶金工業(yè)中的應(yīng)用的簡(jiǎn)要綜述。在最近公開的專利公開WO2005/061157中，公開了聚乙烯蠟和亞乙基二硬脂酸酰胺的粘合/潤(rùn)滑組合。在用于壓制的粉末組合物中，聚乙烯蠟作為鐵或鐵基粒子上的層或涂層存在，并將成合金元素粒子和亞乙基二硬脂酸酰胺粒子粘合到鐵或鐵基粒子上。優(yōu)選地，該組合物還包含脂肪酸和流動(dòng)劑。當(dāng)聚乙烯蠟的平均分子量為500至750時(shí)，含有包括聚乙烯蠟和亞乙基二硬脂酸酰胺的粘合/潤(rùn)滑組合的粉末冶金組合物實(shí)現(xiàn)了AD、流動(dòng)性、粘合性和潤(rùn)滑性的良好組合?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，如果使用脂肪醇代替聚乙烯蠟，可以獲得具有明顯改進(jìn)的表觀密度和改進(jìn)的流動(dòng)性的鐵基組合物?？偠灾?，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與流動(dòng)劑結(jié)合的脂肪醇在表觀密度和流動(dòng)性方面產(chǎn)生了有意義的結(jié)果。表觀密度對(duì)工具設(shè)計(jì)是基本的。具有低表觀密度的粉末需要較高的填充高度，這使得壓制工具過(guò)高，而這又造成較長(zhǎng)的壓制和推出沖程。如上所述，流動(dòng)性對(duì)生產(chǎn)率是重要的。已經(jīng)意外地發(fā)現(xiàn)，將包含作為粘合劑的脂肪醇和流動(dòng)劑的新型粉末金屬組合物壓制時(shí)，所得生壓坯具有優(yōu)異的重量穩(wěn)定性，即，在一組生壓坯中重量分散較低。這種性質(zhì)對(duì)于高性能產(chǎn)品的制造而言當(dāng)然是最重要的。在美國(guó)專利3,539,472中，已經(jīng)在專利文獻(xiàn)中與潤(rùn)滑相關(guān)聯(lián)地提到脂肪醇。具體而言，該專利指出可以在主要由酰胺或二酰胺構(gòu)成的潤(rùn)滑劑中加入少量脂肪醇。該專利沒(méi)有涉及粘合的混合物。日本專利申請(qǐng)04-294782(7>開號(hào)06-145701)也提到，可以使用脂肪醇作為潤(rùn)滑劑。具體提到了C30醇、C50醇和C60醇。該申請(qǐng)文本還提到了高級(jí)脂肪醇作為粘合劑。發(fā)明概要因此，本發(fā)明涉及新型冶金粉末組合物，其包含鐵或鐵基粉末、至少一種成合金劑和作為粘合劑的脂肪醇。為了令人滿意地發(fā)揮作用，脂肪醇應(yīng)該是飽和或不飽和的、直鏈或支鏈的、優(yōu)選飽和且直鏈的C"-C30脂肪醇。該新型粉末組合物還應(yīng)該包括流動(dòng)劑。本發(fā)明還涉及制造上述組合物的方法。發(fā)明詳述粉末冶金組合物含有鐵或鐵基粉末，其量為粉末冶金組合物的至少80重量％。鐵基粉末可以是任何類型的鐵基粉末，例如水霧化鐵粉、還原鐵粉、預(yù)合金鐵基粉末或擴(kuò)散合金鐵基粉末。這類粉末是，例如，鐵粉ASC100.29、含有Cu、Ni和Mo的擴(kuò)散合金鐵基粉末DistaloyAB、與Cr和Mo預(yù)合金的鐵基粉末AstaloyCrM和AstaloyCrL，所有這些均可獲自瑞典H3ganasAB。鐵或鐵基粉末的粒子通常具有最多大約500微米的重均粒度；更優(yōu)選地，粒子具有大約25-150微米、最優(yōu)選40-100微米的重均粒度。粘合到鐵或鐵基粒子上的成合金元素的實(shí)例可以選自由石墨、Cu、M、Cr、Mn、Si、V、Mo、P、W、S和Nb組成的組。這些添加劑通常是粒度小于基礎(chǔ)鐵粉的粉末，且多數(shù)成合金元素具有小于大約20微米的粒度。粉末冶金組合物中成合金元素的量取決于具體的成合金元素和燒結(jié)部件的所需最終性質(zhì)。通常，其可以為最多20重量％?？赡艽嬖诘钠渌蹱钐砑觿┦怯蚕嗖牧稀⒁合嘈纬刹牧虾蜋C(jī)械加工性能增強(qiáng)劑。用于粘合成合金元素和/或任選添加劑的脂肪醇優(yōu)選為飽和的、直鏈的，并含有14至30個(gè)碳原子，因?yàn)樗鼈儗?duì)用于粘合成合金元素和/或其它任選添加劑的熔體粘合技術(shù)具有有利的熔點(diǎn)。脂肪醇優(yōu)選選自由十六烷醇、十八烷醇、二十烷醇、二十二烷醇和二十四烷醇組成的組，最優(yōu)選選自由十八烷醇、二十烷醇和二十二烷醇組成的組。所用脂肪醇的量可以為冶金組合物的0.05至2、優(yōu)選0.1至1、最優(yōu)選0.1至0.8重量％。也可以使用脂肪醇的組合作為粘合劑。為了使新型粉末組合物具有令人滿意的流動(dòng)性，添加流動(dòng)劑。這類試劑之前從例如美國(guó)專利3,357,818和美國(guó)專利5,782,954中獲知，它們乂^開了金屬、金屬氧化物或二氧化硅可用作流動(dòng)劑。當(dāng)使用炭黑作為流動(dòng)劑時(shí)，獲得了特別好的結(jié)果。共同待審的瑞典專利申請(qǐng)0401778-6中公開了炭黑作為流動(dòng)劑的用途，該申請(qǐng)經(jīng)引用并入本文。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，炭黑的量應(yīng)該為0.001至0.2重量％,優(yōu)選0.01至0.1%。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，炭黑的初級(jí)粒度優(yōu)選應(yīng)該低于200納米，更優(yōu)選低于IOO納米，最優(yōu)選低于50納米。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案，通過(guò)BET法測(cè)得的比表面積應(yīng)該為150至1000平米/克。為了提高粉末的壓縮性能和為了利于生坯部件的推出，可以在粉末冶金組合物中加入有機(jī)潤(rùn)滑劑或不同有機(jī)潤(rùn)滑劑的組合。潤(rùn)滑劑可以作為自由粒狀粉末存在或粘合到鐵基粉末的表面上。盡管用作粘合劑的脂肪醇也具有潤(rùn)滑性，但使用的附加潤(rùn)滑劑可能是方便的。本發(fā)明的固體有機(jī)潤(rùn)滑劑的類型不是關(guān)鍵的，但由于金屬有機(jī)潤(rùn)滑劑的缺點(diǎn)(在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生金屬氧化物殘留物)，有機(jī)潤(rùn)滑劑優(yōu)選不包含金屬。硬脂酸鋅是常用的產(chǎn)生良好流動(dòng)性和高AD的潤(rùn)滑劑。但是，除了在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生氧化鋅殘留物外，另一缺點(diǎn)在于，該材料可能在燒結(jié)部件的表面上產(chǎn)生斑點(diǎn)。因此，有機(jī)潤(rùn)滑劑可以選自非常多種具有潤(rùn)滑性的有機(jī)物質(zhì)。這類物質(zhì)的實(shí)例是脂肪酸、蠟、聚合物或其衍生物和混合物。優(yōu)選的潤(rùn)滑劑是伯酰胺，例如硬脂酸酰胺、花生酸酰胺和山崳酸酰胺，仲酰胺，例如硬脂基硬脂酸酰胺，和雙酰胺，例如亞乙基二硬脂酸酰胺。至于量，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，脂肪醇的量應(yīng)該為粘合劑、流動(dòng)劑和潤(rùn)滑劑總重量的10至90重量％。粘合劑、流動(dòng)劑和任選的潤(rùn)滑劑的總量可以為粉末冶金組合物的0.1至2重量％。附圖簡(jiǎn)述圖1顯示了使用本發(fā)明粉末冶金組合物時(shí)在不同生產(chǎn)速率下的重量分散與傳統(tǒng)的粉末冶金組合物相比的差異。通過(guò)下列非限制性實(shí)施例進(jìn)一步例證本發(fā)明。實(shí)施例1根據(jù)表l制備不同的鐵基粉末冶金混合物。作為鐵基粉末，使用可獲自瑞典H6ganasAB的水霧化鐵粉ASC100.29。除了根據(jù)表l的粘合劑、潤(rùn)滑劑和流動(dòng)劑外，還加入總鐵基混合物的2重量％的銅粉(100目，可獲自MakinMetalPowderLtd.)和總鐵基混合物的0.8重量％的石墨(UF4，可獲自德國(guó)GraphitKropfmiihlAG)。亞乙基二硬脂酸酰胺(EBS)可作為L(zhǎng)icowaxTM獲自Clariant(德國(guó))，二氧化硅可作為Aerosil獲自DegussaAG(德國(guó))。二十二烷醇、十八烷醇和十六烷醇可獲自SasolGermanyGmbH，炭黑可獲自DegussaAG。在混合物A-C和H-I中，使用總鐵基粉末混合物的0.6重量％的潤(rùn)滑劑(下文稱作"C18-C22伯酰胺")，其基本由具有18、20和22個(gè)碳原子的技術(shù)級(jí)直鏈飽和伯酰胺構(gòu)成，由此包括硬脂酸酰胺(大約40%)、花生酸酰胺(大約40%)和山崳酸酰胺(大約20%)。作為混合物D-F中的潤(rùn)滑劑，使用0.60/。的亞乙基二硬脂酸酰胺(EBS)，在混合物G中，使用0.80/。的亞乙基二硬脂酸酰胺(EBS)。在混合物A-E和H-J中，使用總鐵基粉末混合物的0.2重量％的脂肪醇(在H中，使用兩種脂肪醇的混合物)，在混合物F中，使用總鐵基粉末混合物的0.2重量％的分子量為655的聚乙烯蠟(根據(jù)WO2005/061157的粘合劑)。將混合物A-F和H-J中的組分充分混合，并在混合過(guò)程中將溫度升至高于粘合劑的熔點(diǎn)，對(duì)于混合物A-E和H-J，升至"。C,對(duì)于混合物F，升至105°C。在后續(xù)的冷卻過(guò)程中，通過(guò)使粘合劑凝固將混合物的較細(xì)粒子粘合到鐵基粉末的較大粒子表面上。在使用流動(dòng)劑的情況下，其在粘合劑在混合物冷卻過(guò)程中凝固之后加入?；旌衔颎的組分在沒(méi)有任何加熱的情況下?lián)胶希驗(yàn)樵摶旌衔锊徽澈?。?.制成的鐵基粉末冶金混合物<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>根據(jù)ISO4490測(cè)量霍爾流速，并根據(jù)ISO3923測(cè)量表觀密度。表2.鐵基粉末冶金混合物的流速和表觀密度<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>complextableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2表明，除了良好的流速外，在使用本發(fā)明的鐵基粉末組合物時(shí)AD顯著提高。對(duì)于混合物C、D、G、H、I和J，還通過(guò)記錄從模頭中推出壓制樣品所需的每包封面積的總能量以及每包封面積的最高推頂力來(lái)測(cè)量潤(rùn)滑性。部件為環(huán)形，具有55毫米的外徑、45毫米的內(nèi)徑和15毫米的高度，所施加的壓制壓力為400、500、600和800MPa。表3最高推頂力和推頂能<table>complextableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表3表明，當(dāng)使用含有十六烷醇(16C)或二十二烷醇(22C)或十八烷醇(18C)與二十烷醇的混合物和酰胺混合物(伯脂肪酰胺)作為潤(rùn)滑/粘合組合的組合物制造壓制部件時(shí)，推出部件所需的總能量顯著降低。實(shí)施例2在由混合物C、F和G制造部件時(shí)，也記錄了制造過(guò)程中的重量穩(wěn)定性，即部件之間的重量分散性。在連續(xù)制造過(guò)程中在600MPa壓制壓力下和在三種不同的壓制速率(每分鐘10、15和20沖程)下，壓制具有25毫米內(nèi)徑、19亳米內(nèi)徑和15亳米高度的環(huán)形部件。由各混合物在各生產(chǎn)速率下制造250個(gè)部件。對(duì)于混合物G,由于工具填充不完全，不能實(shí)現(xiàn)高于10沖程/分鐘的生產(chǎn)率。圖1顯示了混合物C、F和G在各壓制速率下的所得重量穩(wěn)定性，以部件重量的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。從圖1中可以看出，在由本發(fā)明的混合物(混合物C)制造部件時(shí)，與由根據(jù)WO2005/061157的混合物(混合物F)制造部件和與由含有常用潤(rùn)滑劑亞乙基二硬脂酰胺的非粘合預(yù)混物(混合物G)制造部件相比，重量穩(wěn)定性顯著提高。這在較高的壓制速率下尤其明顯。權(quán)利要求1.用于制造壓制部件的冶金粉末組合物，包含(a)至少大約80重量％的鐵或鐵基粉末；(b)最多大約20重量％的至少一種成合金粉末；(c)大約0.05至大約2重量％的粘合劑，該粘合劑包含飽和或不飽和的、直鏈或支鏈的C14-C30脂肪醇；和(d)大約0.001至大約0.2重量％的流動(dòng)劑。2.根據(jù)權(quán)利要求l的粉末組合物，其中所述脂肪醇是飽和且直鏈的。3.根據(jù)權(quán)利要求l的粉末組合物，其中所述脂肪醇選自由十六烷醇、十八烷醇、二十烷醇、二十二烷醇和二十四烷醇組成的組。4.根據(jù)權(quán)利要求l的粉末組合物，其中所述脂肪醇選自由十八烷醇、二十烷醇和二十二烷醇組成的組。5.根據(jù)權(quán)利要求l的粉末組合物，其中所述流動(dòng)劑選自由炭黑和二氧化石圭組成的組。6.根據(jù)權(quán)利要求l的粉末組合物，其中所述流動(dòng)劑是炭黑。7.根據(jù)權(quán)利要求6的粉末組合物，其中炭黑的粒度優(yōu)選小于200納米，更優(yōu)選小于100納米，最優(yōu)選小于50納米。8.根據(jù)權(quán)利要求l的粉末組合物，進(jìn)一步包含有機(jī)的無(wú)金屬粉狀潤(rùn)滑劑。9.根據(jù)權(quán)利要求8的粉末組合物，其中所述有機(jī)的無(wú)金屬粉狀潤(rùn)滑劑選自由硬脂酸酰胺、花生酸酰胺、山崳酸酰胺、硬脂基硬脂酸酰胺和亞乙基二硬脂酸酰胺組成的組。10.根據(jù)權(quán)利要求8的粉末組合物，其中所述有機(jī)的無(wú)金屬粉狀潤(rùn)滑劑是山崳酸酰胺。11.制造用于制造壓制部件的冶金粉末組合物的方法，包括提供下列組分至少80重量％的鐵或鐵基粉末，最多20重量％的至少一種成合金粉末，0.05至2重量％的含Cu-C3o脂肪醇的粘合劑和0.001至0.2重量％的流動(dòng)劑；在高于粘合劑熔點(diǎn)的溫度將上述組分混合；和將該混合物冷卻。全文摘要本發(fā)明涉及用于制造壓制部件的冶金組合物，包含(a)至少大約80重量％的鐵或鐵基粉末；(b)最多大約20重量％的至少一種成合金粉末；(c)大約0.05至大約2重量％的含C₁₄-C₃₀脂肪醇的粘合劑；和(d)大約0.001至大約0.2重量％的流動(dòng)劑。文檔編號(hào)B22F1/00GK101346203SQ200680049288公開日2009年1月14日申請(qǐng)日期2006年12月20日優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日發(fā)明者H·維達(dá)爾森,P·克努特松,P-O·拉爾森申請(qǐng)人:霍加納斯股份有限公司