CN101346203A - 冶金粉末组合物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制造压制部件的冶金组合物，包含：(a)至少大约80重量％的铁或铁基粉末；(b)最多大约20重量％的至少一种成合金粉末；(c)大约0.05至大约2重量％的含C₁₄－C₃₀脂肪醇的粘合剂；和(d)大约0.001至大约0.2重量％的流动剂。

Description

冶金粉末组合物

技术领域

本发明涉及用于粉末冶金工业的新型金属粉末组合物。特别地，本发明涉及包含用于将添加剂(例如成合金元素)粘合到铁基粒子上的粘合剂的铁基粉末组合物。

背景技术

在工业中，通过压制和烧结铁基粉末组合物制成的金属产品的应用变得越来越普遍。这些金属产品的质量要求不断提高，因此，开发出了具有改进性能的新型粉末组合物。最终烧结产品的最重要性质之一是密度和尺寸公差，它们必须一致。最终产品中尺寸变动的问题通常来源于要压制的粉末混合物中的不均匀性。对于包括尺寸、密度和形状不同的粉状组分的粉末混合物，这些问题尤其显著，这是在粉末组合物的运输、储存和处理过程中出现分离的原因。这种分离意味着该组合物的构成不均匀，这又意味着由该粉末组合物制成的部件在构成上不同并因此具有不同性质。另一问题是细粒，特别是较低密度的细粒，例如石墨，在粉末混合物处理过程中造成起尘。

添加剂的小粒度也造成与粉末的流动性质(即粉末表现为自由流动粉末的能力)有关的问题。受损的流动性体现为用粉末填充模腔的时间增加，这意味着较低的生产率和压制部件密度变动的较高风险，这可能造成烧结后不可接受的形变。此外，为了从模头中推出压制部件、使模头表面的磨损最小化并获得具有无划伤的良好表面饰面的部件，从模头中推出部件所需的力必须低。

已经试图通过在粉末组合物中添加不同粘合剂和润滑剂来解决上述问题。粘合剂的用途是将小粒度添加剂粒子(例如成合金组分)牢固且有效地粘合到基底金属粒子表面上，并因此减轻分离和起尘问题。润滑剂的用途是降低粉末组合物压制过程中的内部和外部摩擦，并首要降低从模头中推出最终压制产品所需的力。

已开发出各种有机粘合剂，例如美国专利4,483,905(Engstrom)、4,676,831(Engstrom)、4,834,800(Semel)、5,298,055(Semel)、5,290,336(Luk)、5,368,630(Luk)。美国专利5,480,469(Storstrom)提供了粘合剂在粉末冶金工业中的应用的简要综述。

在最近公开的专利公开WO 2005/061157中，公开了聚乙烯蜡和亚乙基二硬脂酸酰胺的粘合/润滑组合。在用于压制的粉末组合物中，聚乙烯蜡作为铁或铁基粒子上的层或涂层存在，并将成合金元素粒子和亚乙基二硬脂酸酰胺粒子粘合到铁或铁基粒子上。优选地，该组合物还包含脂肪酸和流动剂。当聚乙烯蜡的平均分子量为500至750时，含有包括聚乙烯蜡和亚乙基二硬脂酸酰胺的粘合/润滑组合的粉末冶金组合物实现了AD、流动性、粘合性和润滑性的良好组合。

现已发现，如果使用脂肪醇代替聚乙烯蜡，可以获得具有明显改进的表观密度和改进的流动性的铁基组合物。总而言之，已经发现，与流动剂结合的脂肪醇在表观密度和流动性方面产生了有意义的结果。表观密度对工具设计是基本的。具有低表观密度的粉末需要较高的填充高度，这使得压制工具过高，而这又造成较长的压制和推出冲程。如上所述，流动性对生产率是重要的。已经意外地发现，将包含作为粘合剂的脂肪醇和流动剂的新型粉末金属组合物压制时，所得生压坯具有优异的重量稳定性，即，在一组生压坯中重量分散较低。这种性质对于高性能产品的制造而言当然是最重要的。

在美国专利3,539,472中，已经在专利文献中与润滑相关联地提到脂肪醇。具体而言，该专利指出可以在主要由酰胺或二酰胺构成的润滑剂中加入少量脂肪醇。该专利没有涉及粘合的混合物。

日本专利申请04-294782(公开号06-145701)也提到，可以使用脂肪醇作为润滑剂。具体提到了C30醇、C50醇和C60醇。该申请文本还提到了高级脂肪醇作为粘合剂。

发明概要

因此，本发明涉及新型冶金粉末组合物，其包含铁或铁基粉末、至少一种成合金剂和作为粘合剂的脂肪醇。为了令人满意地发挥作用，脂肪醇应该是饱和或不饱和的、直链或支链的、优选饱和且直链的C₁₄-C₃₀脂肪醇。该新型粉末组合物还应该包括流动剂。本发明还涉及制造上述组合物的方法。

发明详述

粉末冶金组合物含有铁或铁基粉末，其量为粉末冶金组合物的至少80重量％。铁基粉末可以是任何类型的铁基粉末，例如水雾化铁粉、还原铁粉、预合金铁基粉末或扩散合金铁基粉末。这类粉末是，例如，铁粉ASC100.29、含有Cu、Ni和Mo的扩散合金铁基粉末Distaloy AB、与Cr和Mo预合金的铁基粉末Astaloy CrM和Astaloy CrL，所有这些均可获自瑞典

AB。

铁或铁基粉末的粒子通常具有最多大约500微米的重均粒度；更优选地，粒子具有大约25-150微米、最优选40-100微米的重均粒度。

粘合到铁或铁基粒子上的成合金元素的实例可以选自由石墨、Cu、Ni、Cr、Mn、Si、V、Mo、P、W、S和Nb组成的组。这些添加剂通常是粒度小于基础铁粉的粉末，且多数成合金元素具有小于大约20微米的粒度。粉末冶金组合物中成合金元素的量取决于具体的成合金元素和烧结部件的所需最终性质。通常，其可以为最多20重量％。可能存在的其它粉状添加剂是硬相材料、液相形成材料和机械加工性能增强剂。

用于粘合成合金元素和/或任选添加剂的脂肪醇优选为饱和的、直链的，并含有14至30个碳原子，因为它们对用于粘合成合金元素和/或其它任选添加剂的熔体粘合技术具有有利的熔点。脂肪醇优选选自由十六烷醇、十八烷醇、二十烷醇、二十二烷醇和二十四烷醇组成的组，最优选选自由十八烷醇、二十烷醇和二十二烷醇组成的组。所用脂肪醇的量可以为冶金组合物的0.05至2、优选0.1至1、最优选0.1至0.8重量％。也可以使用脂肪醇的组合作为粘合剂。

为了使新型粉末组合物具有令人满意的流动性，添加流动剂。这类试剂之前从例如美国专利3,357,818和美国专利5,782,954中获知，它们公开了金属、金属氧化物或二氧化硅可用作流动剂。

当使用炭黑作为流动剂时，获得了特别好的结果。共同待审的瑞典专利申请0401778-6中公开了炭黑作为流动剂的用途，该申请经引用并入本文。已经发现，炭黑的量应该为0.001至0.2重量％，优选0.01至0.1％。此外，已经发现，炭黑的初级粒度优选应该低于200纳米，更优选低于100纳米，最优选低于50纳米。根据优选实施方案，通过BET法测得的比表面积应该为150至1000平米/克。

为了提高粉末的压缩性能和为了利于生坯部件的推出，可以在粉末冶金组合物中加入有机润滑剂或不同有机润滑剂的组合。润滑剂可以作为自由粒状粉末存在或粘合到铁基粉末的表面上。

尽管用作粘合剂的脂肪醇也具有润滑性，但使用的附加润滑剂可能是方便的。本发明的固体有机润滑剂的类型不是关键的，但由于金属有机润滑剂的缺点(在烧结过程中产生金属氧化物残留物)，有机润滑剂优选不包含金属。硬脂酸锌是常用的产生良好流动性和高AD的润滑剂。但是，除了在烧结过程中产生氧化锌残留物外，另一缺点在于，该材料可能在烧结部件的表面上产生斑点。因此，有机润滑剂可以选自非常多种具有润滑性的有机物质。这类物质的实例是脂肪酸、蜡、聚合物或其衍生物和混合物。优选的润滑剂是伯酰胺，例如硬脂酸酰胺、花生酸酰胺和山萮酸酰胺，仲酰胺，例如硬脂基硬脂酸酰胺，和双酰胺，例如亚乙基二硬脂酸酰胺。

至于量，已经发现，脂肪醇的量应该为粘合剂、流动剂和润滑剂总重量的10至90重量％。粘合剂、流动剂和任选的润滑剂的总量可以为粉末冶金组合物的0.1至2重量％。

附图简述

图1显示了使用本发明粉末冶金组合物时在不同生产速率下的重量分散与传统的粉末冶金组合物相比的差异。

通过下列非限制性实施例进一步例证本发明。

实施例1

根据表1制备不同的铁基粉末冶金混合物。作为铁基粉末，使用可获自瑞典

AB的水雾化铁粉ASC100.29。除了根据表1的粘合剂、润滑剂和流动剂外，还加入总铁基混合物的2重量％的铜粉(100目，可获自Makin Metal Powder Ltd.)和总铁基混合物的0.8重量％的石墨(UF4，可获自德国Graphit Kropfmühl AG)。

亚乙基二硬脂酸酰胺(EBS)可作为Licowax^TM获自Clariant(德国)，二氧化硅可作为Aerosil获自Degussa AG(德国)。二十二烷醇、十八烷醇和十六烷醇可获自Sasol Germany GmbH，炭黑可获自Degussa AG。

在混合物A-C和H-I中，使用总铁基粉末混合物的0.6重量％的润滑剂(下文称作“C18-C22伯酰胺”)，其基本由具有18、20和22个碳原子的技术级直链饱和伯酰胺构成，由此包括硬脂酸酰胺(大约40％)、花生酸酰胺(大约40％)和山萮酸酰胺(大约20％)。作为混合物D-F中的润滑剂，使用0.6％的亚乙基二硬脂酸酰胺(EBS)，在混合物G中，使用0.8％的亚乙基二硬脂酸酰胺(EBS)。在混合物A-E和H-J中，使用总铁基粉末混合物的0.2重量％的脂肪醇(在H中，使用两种脂肪醇的混合物)，在混合物F中，使用总铁基粉末混合物的0.2重量％的分子量为655的聚乙烯蜡(根据WO 2005/061157的粘合剂)。

将混合物A-F和H-J中的组分充分混合，并在混合过程中将温度升至高于粘合剂的熔点，对于混合物A-E和H-J，升至75℃，对于混合物F，升至105℃。在后续的冷却过程中，通过使粘合剂凝固将混合物的较细粒子粘合到铁基粉末的较大粒子表面上。在使用流动剂的情况下，其在粘合剂在混合物冷却过程中凝固之后加入。混合物G的组分在没有任何加热的情况下掺合，因为该混合物不粘合。

表1.制成的铁基粉末冶金混合物

混合物	粘合剂	润滑剂	流动剂
					A	二十二烷醇	C18-C22伯酰胺	-	对比例
B	二十二烷醇	C18-C22伯酰胺	二氧化硅	本发明实施例
					C	二十二烷醇	C18-C22伯酰胺	炭黑	本发明实施例
D	二十二烷醇	EBS	-	对比例
					E	二十二烷醇	EBS	炭黑	本发明实施例
F	PE 655	EBS	二氧化硅	对比例
					G(预混物)	-	EBS	-	对比例
H	十八烷醇和二十二烷醇的混合物25％/75％	C18-C22伯酰胺	炭黑	本发明实施例
					I	十六烷醇	C18-C22伯酰胺	炭黑	本发明实施例
J	十六烷醇	硬脂酸锌	炭黑	本发明实施例

根据ISO 4490测量霍尔流速，并根据ISO 3923测量表观密度。

表2.铁基粉末冶金混合物的流速和表观密度

混合物	霍尔流速(秒/50克)	表观密度(AD)[g/cm3]
			A	29.0	3.16
B	23.2	3.22
			C	23.8	3.32
D	29.6	3.08

E	27.1	3.20
			F	25.5	3.06
G(预混物)	33.0	3.03
			H	24.1	3.27
I	24.2	3.25
			J	23.7	3.26

表2表明，除了良好的流速外，在使用本发明的铁基粉末组合物时AD显著提高。

对于混合物C、D、G、H、I和J，还通过记录从模头中推出压制样品所需的每包封面积的总能量以及每包封面积的最高推顶力来测量润滑性。部件为环形，具有55毫米的外径、45毫米的内径和15毫米的高度，所施加的压制压力为400、500、600和800MPa。

表3最高推顶力和推顶能

表3表明，当使用含有十六烷醇(16C)或二十二烷醇(22C)或十八烷醇(18C)与二十烷醇的混合物和酰胺混合物(伯脂肪酰胺)作为润滑/粘合组合的组合物制造压制部件时，推出部件所需的总能量显著降低。

实施例2

在由混合物C、F和G制造部件时，也记录了制造过程中的重量稳定性，即部件之间的重量分散性。在连续制造过程中在600MPa压制压力下和在三种不同的压制速率(每分钟10、15和20冲程)下，压制具有25毫米内径、19毫米内径和15毫米高度的环形部件。由各混合物在各生产速率下制造250个部件。对于混合物G，由于工具填充不完全，不能实现高于10冲程/分钟的生产率。

图1显示了混合物C、F和G在各压制速率下的所得重量稳定性，以部件重量的标准偏差表示。从图1中可以看出，在由本发明的混合物(混合物C)制造部件时，与由根据WO 2005/061157的混合物(混合物F)制造部件和与由含有常用润滑剂亚乙基二硬脂酰胺的非粘合预混物(混合物G)制造部件相比，重量稳定性显著提高。这在较高的压制速率下尤其明显。

Claims (11)

1.用于制造压制部件的冶金粉末组合物，包含：

(a)至少大约80重量％的铁或铁基粉末；

(b)最多大约20重量％的至少一种成合金粉末；

(c)大约0.05至大约2重量％的粘合剂，该粘合剂包含饱和或不饱和的、直链或支链的C₁₄-C₃₀脂肪醇；和

(d)大约0.001至大约0.2重量％的流动剂。

2.根据权利要求1的粉末组合物，其中所述脂肪醇是饱和且直链的。

3.根据权利要求1的粉末组合物，其中所述脂肪醇选自由十六烷醇、十八烷醇、二十烷醇、二十二烷醇和二十四烷醇组成的组。

4.根据权利要求1的粉末组合物，其中所述脂肪醇选自由十八烷醇、二十烷醇和二十二烷醇组成的组。

5.根据权利要求1的粉末组合物，其中所述流动剂选自由炭黑和二氧化硅组成的组。

6.根据权利要求1的粉末组合物，其中所述流动剂是炭黑。

7.根据权利要求6的粉末组合物，其中炭黑的粒度优选小于200纳米，更优选小于100纳米，最优选小于50纳米。

8.根据权利要求1的粉末组合物，进一步包含有机的无金属粉状润滑剂。

9.根据权利要求8的粉末组合物，其中所述有机的无金属粉状润滑剂选自由硬脂酸酰胺、花生酸酰胺、山萮酸酰胺、硬脂基硬脂酸酰胺和亚乙基二硬脂酸酰胺组成的组。

10.根据权利要求8的粉末组合物，其中所述有机的无金属粉状润滑剂是山萮酸酰胺。

11.制造用于制造压制部件的冶金粉末组合物的方法，包括：

提供下列组分：至少80重量％的铁或铁基粉末，最多20重量％的至少一种成合金粉末，0.05至2重量％的含C₁₄-C₃₀脂肪醇的粘合剂和0.001至0.2重量％的流动剂；

在高于粘合剂熔点的温度将上述组分混合；和

将该混合物冷却。