BRPI0515368B1 - Composição de metal em pó, método de produção de um corpo cru e método de produção de uma composição em pó à base de ferro aglutinada - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPOSIÇÃO DE METAL EM PÓ, MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UM CORPO CRU E MÉ- TODO DE PRODUÇÃO DE UMA COMPOSIÇÃO EM PÓ À BASE DE FER- RO AGLUTINADA".

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a uma composição de metal em pó. Especificamente, a invenção refere-se a uma composição de metal em pó incluindo um lubrificante e/ou aglutinante compreendendo pelo menos uma amida secundária. A invenção refere-se ainda a um método de produ- ção de um corpo cru, um método de produção de uma composição em pó à base de ferro ligada e uso do lubrificante e/ou aglutinante.

Antecedentes da Invenção Pós de metal são usados na indústria para a fabricação de pro- dutos de metal através de compactação do pó de metal em um molde sob altas pressões, ejetando o compacto do molde e opcionalmente sinterizando o produto. Na maioria das aplicações de metalurgia do pó (PM) um lubrifi- cante está incorporado no pó a fim de prover a ação de lubrificação necessá- ria entre partículas de pó durante a compactação e entre o molde e o com- pacto durante a ejeção do molde. A lubrificação conseguida por um lubrifi- cante incluído no pó de metal é referida como lubrificação interna em con- traste com lubrificação externa, que é conseguida através da aplicação de um lubrificante às paredes do molde, onde o pó é compactado. Lubrificação insuficiente durante a ejeção resulta em fricção excessiva entre o compacto e o molde, resultando em energias de ejeção altas e dano das superfícies do molde e superfícies do produto.

Lubrificação interna é conseguida usando lubrificantes especiais.

Normalmente esses lubrificantes são misturados com o ferro ou pó à base de ferro na forma de um pó. Alguns lubrificantes podem ser também usados para ligação de aditivos, tal como, por exemplo, elementos de liga, às partí- culas de ferro ou à base de ferro. Nesses casos os lubrificantes então funci- onam como aglutinantes e reduzem ou eliminam a segregação dos aditivos durante transporte e manuseio.

Lubrificantes geralmente usados para aplicações de PM são sa- bões de metal, tal como estearato de lítio e de zinco. Uma desvantagem com este tipo de lubrificante é que óxidos dos metais no lubrificante contaminam o interior do forno de sinterização como resultado da liberação de metais do lubrificante durante a sinterização, um outro problema é que manchas po- dem ser formadas no componente após a sinterização. Um outro lubrificante geralmente usado é etileno bis estearamida (EBS). Manchas podem ser também formadas no componente após a sinterização quando usando este lubrificante, mas a um ponto menor comparado com uso, por exemplo, de estearato de zinco. Como lubrificantes afetam fortemente as propriedades de compactação e a sinterização de pós de metal, otimização de quantidade, composição e estrutura do lubrificante usado é de vital importância para se obter densidades altas e consistentes e bons acabamentos de superfície das partes produzidas.

Objetivos da invenção Um objetivo da presente invenção é prover uma nova composi- ção de metal em pó compreendendo um lubrificante e/ou aglutinante que reduz ou elimina os problemas com forças de ejeção altas e superfícies manchadas das partes sinterizadas.

Objetivos adicionais da invenção são prover um método de pro- dução de produtos compactados e sinterizados ou aquecer partes tratadas, um método de produção de uma composição de metal em pó ligada e uso do lubrificante e/ou aglutinante.

Sumário da invenção Esses objetivos são atingidos por uma composição de metal em pó compreendendo um pó à base de ferro e um lubrificante e/ou aglutinante compreendendo pelo menos uma amida secundária. A invenção refere-se ainda a um método de produção de um corpo cru ao submeter a composição acima mencionada à compactação. O método de produção de uma composição de metal em pó li- gada compreende: mistura de um pó à base de ferro com pelo menos uma amida secundária e aquecimento da mistura para uma temperatura acima do ponto de ebulição da pelo menos uma amida secundária.

Ainda, a invenção refere-se ao uso da pelo menos uma amida secundária como lubrificante e/ou agente de ligação para pós à base de fer- ro e seu uso para lubrificação de parede de molde.

Descrição detalhada da invenção O lubrificante e/ou aglutinante na composição de metal em pó de acordo com a invenção é pelo menos uma amida secundária que pode ser definida pela fórmula geral: onde os grupos Rr e R2-, que podem ser iguais ou diferentes, são grupos hidrocarboneto alifáticos saturados ou insaturados, lineares ou ramificados, iguais ou diferentes.

De preferência, Ri e R2 incluem independentemente 10 a 24 átomos de carbono.

De preferência, Ri e R2 são selecionados do grupo consistindo em alquila e alquenila.

Os grupos alquila podem ser escolhidos de decila, undecila, do- decila, tridecila, tetradecila, pentadecila, hexadecila, heptadecila, octadecila, nonadecila, eicosila, heneicosila, docosila, tricosila, tetracosila.

Os grupos alquenila podem ser escolhidos de decenila, undece- nila, dodecenila, tridecenila, tetradecenila, pentadecenila, hexadecenila, heptadecenila, octadecenila, nonadecenila, eicosenila, heneicosenila, do- cosenila, tricosenila, tetracosenila.

Exemplos de amidas secundárias preferidas são mostrados na tabela 1. A quantidade de amidas secundárias pode constituir 0,05-2,0% em peso da composição de metal em pó, de preferência 0,05-1,0% em peso.

Uma modalidade da invenção refere-se a uma composição de metal em pó compreendendo um lubrificante e/ou aglutinante compreenden- do ainda pelo menos uma amida primária em adição a pelo menos uma ami- da secundária. A pelo menos uma amida primária é de preferência uma ami- da de ácido graxo saturada ou insaturada tendo 12-24, de preferência 14-22 átomos de C e com mais preferência 16-22 átomos de C.

Amidas primárias especial mente preferidas são amida do ácido esteárico (estearamida), amida do ácido behênico (beenamida), amida do ácido erúcico (erucamida), amida do ácido palmítico (palmitamida) e amida do ácido araquídico (araquidamida).

As amidas primárias e secundárias de acordo com a invenção ou são comercial mente obteníveis ou podem ser produzidas a partir de ma- terial comercial mente obtenível através do uso de processos bem conheci- dos na técnica. A quantidade de amidas primárias e secundárias pode constituir um total de 0,05-2,0% em peso da composição de metal em pó, de preferên- cia 0,05-1,0% em peso. A quantidade de pelo menos uma amida primária pode ser 0,05- 1,0% em peso e a quantidade de pelo menos uma amida secundária pode ser 0,05-1,0% em peso para a modalidade da invenção compreendendo ambos tipos de amidas. O lubrificante e/ou aglutinante pode ser adicionado à composi- ção de metal em pó na forma de partículas sólidas de cada amida. O diâme- tro médio de partícula pode variar, mas é de preferência menos do que 150 cem.

Alternativamente, o lubrificante e/ou aglutinante pode ser adicio- nado à composição de metal em pó como um fundido e subseqüentemente mistura particulada solidificada das amidas. Isto pode ser realizado mistu- rando as amidas em uma razão predeterminada, a mistura é então derretida, resfriada e subseqüentemente moída para um pó lubrificante.

Pelo menos uma amida secundária de acordo com a invenção pode ser usada como um aglutinante para obtenção de uma mistura ligada, onde elementos de formação de liga opcionais e pelo menos uma amida se- cundária são ligados ao pó à base de ferro. Isto pode ser conseguido mistu- rando um pó à base de ferro com pelo menos uma amida secundária de acordo com a invenção, e aquecimento da mistura para a temperatura acima do ponto de fusão da pelo menos uma amida secundária. Pelo menos uma amida primária pode ser mais misturada na mistura acima mencionada e a temperatura de aquecimento pode ser então diminuída para o ponto de fu- são da amida primária.

Além do lubrificante e/ou aglutinante descritos acima, a composi- ção de metal em pó de acordo com a invenção pode, se desejado, conter ou- tros lubrificantes, tais como estearato de zinco, estearato de lítio, EBS, etc.

Para realizar uma ligação da composição de metal em pó de acordo com a invenção outros tipos de sistemas de ligação podem ser usa- dos, tal como alquídeos, resinas de éster de celulose, resinas de hidroxial- quil celulose tendo 1-4 átomos de carbono no grupo alquila ou resinas fenó- licas termoplásticas.

Conforme usado na descrição e nas reivindicações apensas, a expressão pó "à base de ferro" compreende pó essencial mente feito de ferro puro, pó de ferro que foi pré-ligado com outros elementos melhorando a re- sistência, as propriedades de endurecimento, as propriedades eletromagné- ticas e outras propriedades desejáveis dos produtos finais e partículas de ferro misturadas com partículas de tais elementos de liga (mistura recozida por difusão ou mistura puramente mecânica). Exemplos de elementos de liga são cobre, molibdênio, cromo, manganês, fósforo, carbono na forma de grafite, níquel, silício, boro, vanádio, titânio, alumínio, cobalto e tungstênio, que são usados ou separadamente ou em combinação, por exemplo, na forma de compostos (Fe3P e FeMo).

Os pós à base de ferro podem ser usados para a preparação de partes magnéticas macias e podem, para esta aplicação, ser eletricamente isolados. Isolamento elétrico das partículas em pó pode ser feito de um ma- terial inorgânico. Especialmente adequados são o tipo de isolamento des- crito na US 6348265, que refere-se a partículas de um pó de base consistin- do em ferro essencialmente puro tendo uma barreira contendo oxigênio e fósforo de isolamento. Partículas de pó isoladas estão disponíveis como Somaloy® 500 e 550 da Hoganas AB, Suécia.

Além do pó à base de ferro e do lubrificante e/ou aglutinante, a composição de metal em pó de acordo com a invenção pode conter um ou mais aditivos selecionados do grupo consistindo em auxiliares de processa- mento e fases duras.

Os auxiliares de processamento usados na composição de metal em pó podem consistir em talco, forsterita, sulfeto de manganês, enxofre, bissulfeto de molibdênio, nitreto de boro, telúrio, selênio, difluoreto de bário e difluoreto de cálcio, que são usados ou separadamente ou em combinação.

As fases duras usadas na composição de metal em pó podem consistir em carbetos de tungstênio, vanádio, molibdênio, cromo, AI2O3, B4C e vários materiais cerâmicos. A invenção refere-se ainda a um método de produção de um corpo cru compreendendo: compactação da composição de metal em pó de acordo com a invenção para um corpo compactado, onde a composição compreende um pó à base de ferro e um lubrificante e/ou aglutinante com- preendendo pelo menos uma amida secundária tendo a fórmula geral: onde R1 e R2São grupos hidrocarboneto alifáticos saturados ou insaturados, lineares ou ramificados, iguais ou diferentes. O corpo compactado pode ser sinterizado ou tratado com calor.

Com o auxílio de técnicas convencionais, o pó à base de ferro, o lubrificante e/ou aglutinante e aditivos opcionais podem ser misturados a uma composição em pó substancialmente homogênea antes da etapa de compactação. A composição de metal em pó e/ou o molde pode ser preaqueci- da antes da compactação. A invenção refere-se ainda ao uso de pelo menos uma amida secundária, definida como acima, como um agente lubrificante e/ou agluti- nante para ferro ou pós à base de ferro.

Uma modalidade adicional da invenção refere-se ao uso de pelo menos uma amida secundária, definida como acima, como um lubrificante de parede de molde.

Descrição detalhada da figura A figura 1 mostra formação de mancha de componentes após sinterização devido ao uso de lubrificantes diferentes. la) Bisestearamida de etileno (EBS); lb) Oleil palmitamida (uma amida secundária de acordo com a inven- ção). A invenção será agora descrita mais com os exemplos não- limitantes que seguem.

Exemplos Nos exemplos que seguem, lubrificantes tendo as fórmulas des- critas na Tabela 2 abaixo foram usados.

Tabela 2 *As fórmulas estruturais para as amidas secundárias estão se referindo a Ri- NH-CO-R2 conforme anteriormente descrito.

Exemplo 1 Este exemplo demonstra as propriedades de lubrificação de amidas secundárias diferentes e combinações diferentes de amidas secun- dárias e primárias, que são adicionadas como um pó a misturas de pó à ba- se de ferro. Pó de base ASC 100.29 (disponível da Hoganas AB, Suécia) foi misturado com 0,5% em peso de grafite (uf-4 da Kropfmuhl) e 0,8% em peso de lubrificantes, de acordo com as tabelas 3 e 4, em um misturador Lõdige por 2 minutos. Bisestearamida de etileno (EBS, disponível como Licowax TM da Clariant, Alemanha) foi usada como uma referência. Os lubrificantes ti- nham um diâmetro de partícula de menos do que 150 am. As composições compreendendo ambas amidas secundária e primária continham 50% de cada amida (0,8% em peso da composição total). A fim de medir as propriedades de lubrificação, anéis com um diâmetro interno de 45 mm, um diâmetro externo de 55 mm e uma altura de 10 mm foram compactados à temperatura ambiente em três pressões de compactação diferentes (400, 600 e 800 MPa). Durante a ejeção das partes compactadas, a força de ejeção foi registrada. A densidade crua das partes foi medida após ejeção e a energia de ejeção/área de envolvimento total ne- cessária a fim de ejetar as amostras do molde foi calculada.

As energias e densidades de ejeção resultantes são mostradas nas Tabelas 3 e 4. Energias de ejeção menores foram atingidas quando usando a composição de metal em pó de acordo com a invenção comparado com o uso da composição de referência compreendendo EBS.

Tabela 3. Densidades e energias de ejeção (amidas secundárias e referência) Tabela 4. Densidades e energias de ejeção (amidas secundárias + primárias 1:1 e referência) Exemplo 2 O pó de base ASC 100.29 foi misturado com 2% em peso de Cobre (-100 ocm), 0,8% em peso de grafite e 0,8% em peso de lubrificantes (a) EBS ou (b) oleil palmitamida) em um misturador Lõdige por 2 minutos. O lubrificante tinha um diâmetro de partícula menor do que 150 «m A fim de medir a formação de mancha após a sinterização de componentes, compo- nentes cilíndricos com um diâmetro de 64 mm e uma altura de 32 mm foram compactados para uma densidade crua de 7,1 g/cm3 a temperatura ambien- te. O peso de um cilindro era 700 g. Os componentes foram sinterizados em uma atmosfera contendo 90/10 de N2/H2 a 1120° C por 15 minutos. Fotos dos componentes são mostradas na Figura 1a) Bisestearamida de etileno (EBS) e 1b) oleoil palmitamida, onde a figura 1a) mostra formação de man- cha em contraste com a parte produzida a partir da composição em pó de acordo com a presente invenção (1b) que não tem quaisquer manchas.

Exemplo 3 Este exemplo demonstra as propriedades de lubrificação de combinações diferentes de amidas primárias e secundárias, que foram fun- didas juntas, resfriadas e moídas antes de serem misturadas com misturas de pó à base de ferro.

As combinações de lubrificante foram feitas de acordo com o método que segue: os lubrificantes misturados, 50% de amida primária e 50% de amida secundária, foram fundidos juntos a 80-110° C e então esfria- dos. Então os materiais foram moídos para um diâmetro de partícula médio abaixo de 150 ocm. O pó de base ASC100.20 foi misturado com 0,5% em peso de grafite e 0,8% em peso de combinação de lubrificante (vide Tabela 5), em um misturador Lõdige por 2 minutos. A fim de medir as propriedades de lu- brificação, anéis com diâmetro interno de 45 mm, diâmetro externo de 55 mm e uma altura de 10 mm foram compactados em três pressões de com- pactação diferentes, 400, 600 e 800 MPa à temperatura ambiente. As ener- gias de ejeção e densidades resultantes são mostradas na Tabela 5.

Tabela 5. Densidades e energias de ejeção (amidas secundária + primária e referência) Quando comparando os resultados de teste na Tabela 5 po- de ser visto que as amostras produzidas a partir da composição de me- tal em pó de acordo com a invenção mostram energias de ejeção me- nores comparadas com amostras produzidas a partir de lubrificante EBS conhecido.

Exemplo 4 Este exemplo demonstra as propriedades de lubrificação e liga- ção de combinações diferentes de amidas em composições de metal em pó.

Os lubrificantes tinham diâmetro de partícula menor do que 150 «m O pó de base ASC100.29 foi misturado com 2% em peso de Cu-100, 0,8% em peso de grafite e 0,8% em peso de combinação de lubrificante/aglutinante de acordo com a Tabela 6, em um misturador Lõdige por 2 minutos. A mistura com EBS foi mantida como referência enquanto as misturas compreendendo amidas foram aquecidas para uma temperatura acima do ponto de fusão da amida secundária mas abaixo do ponto de fusão da amida primária durante a mistura em um outro misturador seguido por resfriamento para realizar ligação dos aditivos ao pó de ferro. Nesta mistura, a amida secundária vai então agir como um aglutinante e a amida primária vai agir como um lubrificante. As tem- peraturas de fusão das amidas são descritas na Tabela 7.

Ainda, a energia de ejeção foi medida em anéis tendo um diâme- tro externo de 55 mm e um diâmetro interno de 45 mm e uma altura de 10 mm compactados em três pressões de compactação diferentes 400, 600 e 800 MPa a temperatura ambiente. As energias de ejeção resultantes e den- sidades verdes são mostradas na Tabela 8.

Tabela 6. Combinações de lubrificante/aglutinante para o exemplo 4 Tabela 7. Temperatura de fusão das amidas Tabela 8. Densidades e energias de ejeção (amidas primárias + secundárias e referência) Amostras produzidas com o auxílio do lubrificante/aglutinante de acordo com a invenção mostram energias de ejeção menores comparadas com as amostras produzidas com o lubrificante usado como referência, isto é, EBS. Uso da composição em pó compreendendo o lubrificante/aglutinante de acordo com a invenção resultou em partes sinterizadas compactadas (sinterizadas em 90/10 de N2/H2 a 1120° C por 30 minutos) com excelentes acabamentos de superfície, isto é, essencialmente sem arranhões e nenhu- ma formação de mancha.

Exemplo 5 Um pó à base de ferro magnético macio grosso, onde as partícu- las são circundadas por um isolamento inorgânico, foi misturado com lubrifi- cante de amida secundária de acordo com a Tabela 9. Como lubrificantes de referência as substâncias conhecidas de estearato de zinco e EBS foram usadas. A distribuição granulométrica do pó à base de ferro usado é descrita na Tabela 10.

As misturas obtidas foram transferidas para um molde e com- pactadas em amostras de teste cilíndricas (50 g) tendo um diâmetro de 25 mm, em um movimento de prensa uniaxial em uma pressão de compactação de 1100 MPa. O material de molde usado era aço de ferramenta convencio- nal. Durante a ejeção das amostras compactadas, a força de ejeção foi re- gistrada. A energia de ejeção/área de envolvimento total necessária a fim de ejetar as amostras do molde foi calculada.

Os resultados das medições com relação à energia de ejeção, densidade crua e aparência da superfície no estado verde são mostrados na Tabela 9. Uso das composições de metal em pó de acordo com a invenção resultou em que componentes compactados com excelente aparência na superfície e energias de ejeção baixas foram conseguidos comparados com as composições de referência.

Claims (18)

1. Composição de metal em pó compreendendo um pó à base de ferro selecionado de ferro puro, pó de ferro pré-ligado, recozida por difu- são com um ou mais elementos de liga selecionados dentre cobre, molibdê- nio, cromo, manganês, fósforo, carbono na forma de grafite, níquel, silício, boro, vanádio, titânio, alumínio, cobalto e tungstênio, ou misturas destes e um lubrificante e/ou aglutinante compreendendo 0,05 a 2% em peso de pelo menos uma amida secundária da fórmula geral: R1-NH-CO-R2 caracterizada pelo fato de que R1 e R2 são grupos hidrocarbonetos alifáti- cos saturados ou insaturados, lineares ou ramificados, iguais ou diferentes.

2. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que R1 e R2 incluem independentemente 10 a 24 átomos de carbono.

3. Composição de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que R1 e R2 são selecionados do grupo consistindo em alquila e alquenila.

4. Composição de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que os grupos alquila são escolhidos de decila, undecila, dode- cila, tridecila, tetradecila, pentadecila, hexadecila, heptadecila, octadecila, nonadecila, eicosila, heneicosila, docosila, tricosila, tetracosila.

5. Composição de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que os grupos alquenila são escolhidos de decenila, undecenila, dodecenila, tridecenila, tetradecenila, pentadecenila, hexadecenila, heptade- cenila, octadecenila, nonadecenila, eicosenila, heneicosenila, docosenila, tricosenila, tetracosenila.

6. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a amida secundária é escolhida de oleil palmitamida, este- aril estearamida, oleil estearamida, estearil oleamida, oleil oleamida, estearil erucamida, oleil erucamida, erucil estearamida, erucil oleamida, erucil eru- camida, lignoceril lauramida, lignoceril estearamida.

7. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma amida primária.

8. Composição de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a amida primária é uma amida de um ácido graxo linear, saturado ou insaturado, de 12-24 átomos de carbono.

9. Composição de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a amida primária é selecionada do grupo consistindo em palmitamida, estearamida, araquidamida, behenamida e erucamida.

10. Composição de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 9, caracterizada pelo fato de que o lubrificante é particulado.

11. Composição de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 7 a 9, caracterizada pelo fato de que o lubrificante compreende uma mistura particulada fundida e subseqüentemente solidificada de pelo menos uma amida secundária e pelo menos uma amida primária.

12. Composição de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 9, caracterizada pelo fato de que a composição é uma mistura aglu- tinante.

13. Composição de acordo com a reivindicação 12, caracteriza- da pelo fato de que pelo menos uma amida secundária é usada como agluti- nante.

14. Composição de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 9, caracterizada pelo fato de que as partículas à base de ferro são circundadas por um revestimento inorgânico de isolamento.

15. Método de produção de um corpo cru caracterizado pelo fato de que compreende: compactação da composição de metal em pó como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, para um corpo compactado.

16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe- lo fato de que compreende ainda um tratamento térmico ou etapa de sinteri- zação.

17. Método de produção de uma composição em pó à base de ferro aglutinada caracterizado pelo fato de que compreende: - mistura de um pó à base de ferro com pelo menos uma amida secundária como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 9; - aquecimento da mistura para uma temperatura acima do ponto de fusão da pelo menos uma amida secundária.

18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pe- lo fato de que a mistura compreende ainda pelo menos uma amida primária e onde a temperatura de aquecimento é menor do que o ponto de fusão da amida primária.