專利名稱：粉末冶金用潤滑劑粉末的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于冶金粉末組合物的新型潤滑劑以及含有這些潤滑劑的金屬粉末組合物。具體而言，本發(fā)明涉及包括新型潤滑劑的鐵基粉末組合物以及由這些組合物制成的、以壓坯強(qiáng)度高為特點(diǎn)的壓制物。
本發(fā)明的背景壓坯強(qiáng)度是未燒結(jié)件的最重要的物理性質(zhì)之一。P/M件的尺寸越大、幾何形狀越復(fù)雜，這一性質(zhì)的重要性越高。壓坯強(qiáng)度隨著壓制物密度的增加而增加，并受混入粉末的潤滑劑的類型和量的影響。壓坯強(qiáng)度受所用粉末類型的影響。獲得高壓坯強(qiáng)度的另一可能是在升高的溫度下實(shí)施金屬粉末的混合和/或壓制。為了避免壓制物在被從壓制工具中取出時(shí)破裂，以及避免其在處理時(shí)和在壓榨機(jī)和燒結(jié)爐之間輸送時(shí)不會(huì)受到損傷，高壓坯強(qiáng)度是必要的?，F(xiàn)在使用的具有較高壓坯強(qiáng)度的壓制物是有利地由海綿鐵粉制得的，但是，盡管霧化粉末是更可壓縮的并因此能給出更高的未燒結(jié)密度，在霧化粉末壓制物的制備中遇到了困難。
本發(fā)明的目的本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有高壓坯強(qiáng)度的壓制物并確保耐久性以便在壓制和從工具中排出后進(jìn)行處理。
第二個(gè)目的是提供一新型潤滑劑，該潤滑劑使從高可壓縮性鐵粉(如霧化鐵粉)或高可壓縮性鐵基粉末制造上述壓制物成為可能。
第三個(gè)目的是提供包括鐵基粉末和新型潤滑劑的鐵基粉末組合物。
第四個(gè)目的是提供一種當(dāng)在室溫下進(jìn)行壓制時(shí)能制得具有高壓坯強(qiáng)度的壓制物的方法。
第五個(gè)目的是提供一種方法，制備具有高壓坯強(qiáng)度(盡管其密度相對較低)的未燒結(jié)件。
本發(fā)明的其它目的會(huì)在以下變得清晰。
發(fā)明的概述已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，上述目的可以用新型的潤滑劑來達(dá)到，該潤滑劑包含聚環(huán)氧乙烷和低聚酰胺，由此，本發(fā)明涉及這種潤滑劑。
本發(fā)明還涉及改良的冶金粉末組合物，其中所包含較大量的平均顆粒度約25-350μm鐵基粉末和較少量的為上述新型潤滑劑。另外，本發(fā)明涉及生產(chǎn)具有高壓坯強(qiáng)度而同時(shí)保持低排出力和低排出能量的未燒結(jié)體的生產(chǎn)方法。另外，該方法能保證耐久性以便在壓制和從工具中排出之后進(jìn)行處理，正如低Rattler值所證明的。
該方法包含將鐵基粉末和任選的添加劑與新型潤滑劑混合的步驟以及壓制所得到的粉末組合物的步驟。
發(fā)明的詳述更具體而言，該新型潤滑劑主要由一類其重復(fù)單體單元是亞乙基醚的聚醚組成。在本文中將用聚乙烯醚這一名稱表述該聚合物。根據(jù)分子量及聚合的起始化合物的不同，聚乙烯醚可以分為較低分子量的聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)和較高分子量的聚氧乙烯(polyethylene oxide，PEO)。該新型潤滑劑中聚乙烯醚的含量在潤滑劑的10％-60重量％之間，其余的是低聚酰胺。為了得到高壓坯強(qiáng)度與低Rattler值兩者，新型潤滑劑的聚乙烯醚含量應(yīng)是至少20％，最優(yōu)選值至少30％。當(dāng)聚乙烯醚的量高于60％時(shí)，壓坯強(qiáng)度下降。壓坯強(qiáng)度在潤滑劑包含30-50％的PEO、其余為低聚酰胺時(shí)達(dá)到最高值。
聚乙二醇與鐵基粉末的組合應(yīng)用在美國專利6,224,823中已經(jīng)公開，根據(jù)該文，當(dāng)聚乙一二醇分子量小于7000g/mol且壓制操作在升高的溫度下進(jìn)行時(shí)，可以得到高壓坯強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明(其涉及通過在室溫(通常約15℃至約35℃)下壓制得到的未燒結(jié)件的制備)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，分子量在7000g/mol以上的聚乙烯醚在與低聚酰胺組合使用時(shí)具有出人意料的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明可使用的合適的聚乙烯醚在美國專利5 498 276中已經(jīng)公開了，該文獻(xiàn)通過引用作為參考。這些聚乙烯醚是固體、顆粒狀物質(zhì)，重均分子量約10,000-4,000,000。
根據(jù)本發(fā)明，聚乙烯醚優(yōu)選具有約20,000-400,000g/mol的重均分子量，最優(yōu)選的醚應(yīng)具有50,000-300,000g/mol的重均分子量。優(yōu)選的材料的例子是分子量為100,000g/mol或200,000g/mol的氧化物。如果分子量小于20,000則壓坯強(qiáng)度將不夠高，如果分子量超過400,000g/mol，則不能用通常的方法能得到處于所希望的尺寸范圍的顆粒。
聚醚與金屬粉末組合物的組合使用還見于美國專利5,290,336，6,126,715和6,039,784。這些專利指出，聚醚可作為改進(jìn)壓坯強(qiáng)度和降低排出力的試劑。還公開了可與多種潤滑劑(如硬脂酸酯和石蠟)混合的聚醚。根據(jù)美國專利5,498,276，聚醚優(yōu)選以組合物中所使用的潤滑劑的至少90-100％的量使用。
與以上講述不同，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了獲得根據(jù)本發(fā)明的出人意料的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明，聚乙烯醚的用量應(yīng)小于90％，并且聚乙烯醚應(yīng)與低聚酰胺組合使用，而聚乙烯醚和多種其它類型的常用潤滑劑(例如上述專利中提出的亞乙基雙硬脂酰胺)的組合使用是不成功的。
根據(jù)本發(fā)明所使用的低聚酰胺已見于美國專利5,744,433，該文獻(xiàn)通過引用作為參考。根據(jù)該專利，低聚體被用作金屬粉末組合物的潤滑劑。這些低聚物平均分子量Mw最高是30,000，并且優(yōu)選最低1,000。另外，這些低聚酰胺的熔點(diǎn)峰為120°-200℃。最優(yōu)選的Mw為2,000至20,000。該文獻(xiàn)還指出，至少80重量％、優(yōu)選至少85重量％和最優(yōu)選90重量％的潤滑劑由低聚酰胺構(gòu)成的。
另外，美國專利5,744,433指出，這些酰胺用于熱壓制。當(dāng)將這些酰胺用于冷壓制、即在室溫下的壓制時(shí)，其排出力對工業(yè)應(yīng)用而言過高。與此相反，本發(fā)明有利地將低聚酰胺與聚乙烯醚用組合使用于冷壓制中，而當(dāng)粉末組合物在升高的溫度下壓制時(shí)卻得到較差的結(jié)果。
在本發(fā)明的說明書及其后的權(quán)利要求書中，“鐵基粉末”的表述包括基本由純鐵構(gòu)成的粉末、已經(jīng)與其他用以改進(jìn)最終產(chǎn)物的強(qiáng)度、硬化性質(zhì)、電磁性質(zhì)及其它希望的性質(zhì)物質(zhì)預(yù)合金化的鐵粉末、以及已與此類合金元素的顆粒混合的鐵顆粒(擴(kuò)散退火混合物或純機(jī)械混合物)。成合金元素例子是銅、鉬、鉻、錳、磷，石墨形碳和鎢，它們可以單獨(dú)使用，也可組合使用，例如以化合物(Fe3P和FeMo)的形式使用。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的潤滑劑與具有高可壓縮性的霧化鐵基粉末組合使用時(shí)可以得到出人意料的好的結(jié)果。一般而言，此類粉末具有低碳含量，優(yōu)選低于0.04重量％。此類粉末包括為Distaloy AE、Astaloy Mo和ASC100.29(均可購自瑞典的Hoganas AB)。另外，高壓坯強(qiáng)度及低Rattler值可以由且已被壓縮至較低未燒結(jié)密度、包含有海綿鐵粉末及新型潤滑劑的未燒結(jié)件得到。
除鐵基粉末和本發(fā)明的潤滑劑之外，粉末組合物可含有一種或多種選自粘合劑、加工助劑和硬質(zhì)相的添加劑。粘合劑可以按照美國專利4,834,800(通過引用結(jié)合于此)所述方法加入粉末組合物中。
粉末組合物中所用的粘合劑可以由例如纖維素酯樹脂、其烷基具有1-4個(gè)碳原子的羥烷基纖維素樹脂或者熱塑性酚醛樹脂組成。
金屬粉末組合物中的加工助劑可以由滑石、鎂橄欖石、硫化錳、硫、二硫化鉬、氮化硼、碲、硒，二氟化鋇及二氟化鈣組成，它們可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。
在粉末組合物中使用的硬質(zhì)相可以包括鎢、釩、鈦、鈮、鉻、鉬、鉭和鋯的碳化物，鋁、鈦、釩、鉬和鉻的氮化物，Al2O3、B4C及多種陶瓷材料組成。
借助常規(guī)技術(shù)，鐵基粉末和潤滑劑顆粒可以被混合成基本均勻的粉末組合物。
根據(jù)本發(fā)明的潤滑劑組合物優(yōu)選以固體、微?；w粒的形式加入金屬粉末組合物中。潤滑劑的平均顆粒度可以是多樣的，但優(yōu)選小于150μm并最優(yōu)選為3-100μm。如果顆粒度太大，潤滑劑在壓制時(shí)難于離開金屬粉末組合物的孔結(jié)構(gòu)，并且在燒結(jié)后可能造成大孔，從而得到強(qiáng)度降低了的壓制物。另一方面，如果顆粒太小，潤滑和流動(dòng)會(huì)變差，排出能就會(huì)變得太高。
用于粉末組合物的壓制的新型潤滑劑的量可以最多為組合物的2重量％。優(yōu)選該量為0.2-1.5重量％。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)壓制過程在室溫(約20℃)和約600Mpa的壓力下進(jìn)行時(shí)，可以得到壓坯強(qiáng)度高于20甚至高于27MPa而不需要高排出力和/或高排出能的壓制物。本發(fā)明中，“高排出力”可被定義為大于15N/mm2，“高排出能”可被定義為大于35J/cm2。
一個(gè)重要的有利的特點(diǎn)是，甚至當(dāng)包括新型潤滑劑的組合物被混合并在室溫壓制成較低密度(例如約5.5-6.5g/cm3)時(shí)，仍然可以得到高壓坯強(qiáng)度和低材料損耗(低Rattler值)。
在燒結(jié)壓坯時(shí)，可以得到具有良好機(jī)械性質(zhì)的產(chǎn)品。燒結(jié)可在常規(guī)條件下進(jìn)行。
實(shí)施例以下是實(shí)力的目的在于展示本發(fā)明的某些實(shí)施方案和優(yōu)點(diǎn)而不是限制本發(fā)明。除了另外指出以外，任何百分?jǐn)?shù)均以重量計(jì)。
在每個(gè)實(shí)例中，構(gòu)成粉末組合物的粉末在室溫(約20℃)下在GebruderLdige設(shè)備中混合2分鐘。
然后將粉末組合物在指定壓力下、在室溫下在模具中壓制成未燒結(jié)棒，接著在90/10(90％N2和10％H2)的氣氛中、在約1120℃下、在0.5％的C勢(C potetial)下燒結(jié)約30分鐘。
粉末混合物、未燒結(jié)的和經(jīng)燒結(jié)的棒的物理性質(zhì)一般按照以下方法和公式確定。
此處將排出力定義為使壓制件從模具中開始排出所必須克服的靜態(tài)力。它是以開始排出所需的負(fù)荷除以壓制件與模具表面接觸的截面積所得的商計(jì)算的，用單位是N/mm2表述。
此處將排出能定義為相對于總排出距離為繼續(xù)排出過程并排出壓制物而施加在壓制件上的力的積分除以與模具接觸的表面積。排出能以單位J/cm2表述。
實(shí)施例1.
本實(shí)施顯示使用根據(jù)本發(fā)明使用潤滑劑組合物的重要性，以及在潤滑劑組合物中PEO的用量小于10％或高于60％時(shí)會(huì)得到較差的結(jié)果。
將霧化鐵粉，2％銅粉，0.5％石墨和0.8％新型潤滑劑混合。鐵粉為購自瑞典Hgans AB的ASC 100.29，銅粉的平均顆粒度為75μm并且石墨粉的平均顆粒度為5μm。新型潤滑劑由重均分子量6,000的低聚酰胺Orgasol以及平均分子量為100,000到200,000的PEO構(gòu)成。將微粉化的潤滑劑過篩以保持平均顆粒度小于75μm。
制備5種組成在以下表1中列出的、不同的、包括新型潤滑劑的潤滑劑樣品。
表1
作為對照，還使用了常被縮寫為EBS的亞乙基雙硬脂酰胺。
將混合物與樣品潤滑劑1-5一起在Gebruder Ldige設(shè)備中混合2分鐘，對每個(gè)粉末混合物的表觀密度、流動(dòng)、未燒結(jié)密度(在600MPa下)、燒結(jié)密度、排出力、排出能、回彈、尺寸變化、壓坯強(qiáng)度、Rattler值、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度進(jìn)行研究。燒結(jié)在1120℃×30分下進(jìn)行。氣氛為90/10(90％N2和10％H2)。結(jié)果見表2。
表2
上述結(jié)果證明，通過使用根據(jù)本發(fā)明的潤滑劑組合物，可以得到出人意料的排出力和排出能的低數(shù)值。這些性質(zhì)與所得到的高壓坯強(qiáng)度和低Rattler值結(jié)合起來表明，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在未燒結(jié)件的處理和運(yùn)輸中的耐久性所需性質(zhì)方面具有優(yōu)良性質(zhì)的潤滑劑組合物。
實(shí)施例2本實(shí)例顯示在將聚氧乙烯與經(jīng)常使用的EBS(亞乙烯雙硬脂酰胺)混合時(shí)所產(chǎn)生的效應(yīng)。測試使用與實(shí)施例1相同的粉末和相同量的潤滑劑進(jìn)行。下面的表3可見，在PEO與EBS混合時(shí)壓坯強(qiáng)度基本沒有得到改進(jìn)。
表3
實(shí)施例3本實(shí)例顯示對于具有相對低密度的未燒結(jié)件(即在低壓力下壓制的例如粉末組合物)也能得到高壓坯強(qiáng)度。
制備下述混合物。
表4
NC100.24是來自瑞典Hgans AB的海綿鐵粉。
MH80.23是來自瑞典Hgans AB的海綿鐵粉。
混合物1和3包含20％PEO和80％Orgasol。包含硬脂酸鋅的混合物2和4被用作參比。這些混合物在230Mpa的壓力下被壓制，如由以下表5可見，具有相對低的壓坯密度的壓制物也可以具有高的壓坯強(qiáng)度。所顯示出的低Rattler值則表明，按照本發(fā)明，未燒結(jié)件在壓制并從模具中排出之后在處理中的耐久性相對很高。
表權(quán)利要求
1.用于粉末冶金組合物的潤滑劑，其組成基本為10-60重量％的聚乙烯醚，其余為低聚酰胺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的潤滑劑，其特征是聚乙烯醚含量為20-50重量％，優(yōu)選30-50重量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的潤滑劑，其特征是其形式為微粉化的粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的潤滑劑，其特征是該潤滑劑的重均顆粒度為低于約150μm，優(yōu)選3-100μm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)的潤滑劑，其特征是聚乙烯醚的重均分子量為約20,000至400,000g/mol。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的潤滑劑，其特征是低聚酰胺的重均分子量為約2,000至20,000g/mol。
7.改良的冶金粉末組合物，其包含較大量的重均顆粒度為約25-350μm的鐵基粉末，和較少量的根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)的固體顆粒潤滑劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的粉末組合物，其包括最多2重量％的潤滑劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的粉末組合物，其中潤滑劑粉末在組合物中的濃度為0.2-1.5重量％。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任意一項(xiàng)的粉末組合物，其中還包含一種或多種選自粘合劑、加工助劑和硬質(zhì)相的添加劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求7-10中任意一項(xiàng)的粉末組合物，其中鐵基粉末包含霧化粉末。
12.生產(chǎn)高強(qiáng)度未燒結(jié)產(chǎn)物的方法，其中包括(a)將鐵基粉末與根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)的潤滑劑粉末混合，和(b)將金屬粉末組合物在室溫下壓制。
全文摘要
本發(fā)明涉及包含聚乙烯醚和低聚酰胺的新型潤滑劑以及包括大量鐵基粉末和少量該新型潤滑劑的改良的冶金粉末組合物。此外，本發(fā)明涉及需要低排出利和低排出能的、用于生產(chǎn)高壓坯強(qiáng)度的壓坯產(chǎn)物的方法，該方法包括將鐵基粉末和任選的添加劑與新型潤滑劑混合以及將所得組合物壓制的步驟。
文檔編號C10M125/04GK1568238SQ02820207
公開日2005年1月19日 申請日期2002年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月12日
發(fā)明者M·拉姆斯泰特 申請人:霍加納斯股份有限公司