CN1302879C - 粉末冶金用润滑剂粉末、冶金粉末组合物和生产未烧结产物的方法 - Google Patents

粉末冶金用润滑剂粉末、冶金粉末组合物和生产未烧结产物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及包含聚乙烯醚和低聚酰胺的新型润滑剂以及包括大量铁基粉末和少量该新型润滑剂的改良的冶金粉末组合物。此外，本发明涉及需要低排出利和低排出能的、用于生产高压坯强度的压坯产物的方法，该方法包括将铁基粉末和任选的添加剂与新型润滑剂混合以及将所得组合物压制的步骤。

Description

粉末冶金用润滑剂粉末、冶金粉末组合物和生产未烧结产物的方法
技术领域
本发明涉及用于冶金粉末组合物的新型润滑剂以及含有这些润滑剂的金属粉末组合物。具体而言，本发明涉及包括新型润滑剂的铁基粉末组合物以及由这些组合物制成的、以压坯强度高为特点的压制物。
背景技术
压坯强度是未烧结件的最重要的物理性质之一。P/M件的尺寸越大、几何形状越复杂，这一性质的重要性越高。压坯强度随着压制物密度的增加而增加，并受混入粉末的润滑剂的类型和量的影响。压坯强度受所用粉末类型的影响。获得高压坯强度的另一可能是在升高的温度下实施金属粉末的混合和/或压制。为了避免压制物在被从压制工具中取出时破裂，以及避免其在处理时和在压榨机和烧结炉之间输送时不会受到损伤，高压坯强度是必要的。现在使用的具有较高压坯强度的压制物是有利地由海绵铁粉制得的，但是，尽管雾化粉末是更可压缩的并因此能给出更高的未烧结密度，在雾化粉末压制物的制备中遇到了困难。
本发明的目的
本发明的一个目的是提供具有高压坯强度的压制物并确保耐久性以便在压制和从工具中排出后进行处理。
第二个目的是提供一新型润滑剂，该润滑剂使从高可压缩性铁粉(如雾化铁粉)或高可压缩性铁基粉末制造上述压制物成为可能。
第三个目的是提供包括铁基粉末和新型润滑剂的铁基粉末组合物。
第四个目的是提供一种当在室温下进行压制时能制得具有高压坯强度的压制物的方法。
第五个目的是提供一种方法，制备具有高压坯强度(尽管其密度相对较低)的未烧结件。
本发明的其它目的会在以下变得清晰。
发明内容
已经发现，上述目的可以用新型的润滑剂来达到，该润滑剂包含聚环氧乙烷和低聚酰胺，由此，本发明涉及这种润滑剂。
本发明涉及一种用于粉末冶金组合物的润滑剂，该润滑剂主要由10-60重量％的聚乙烯醚，和余量的低聚酰胺组成，其中聚乙烯醚的重均分子量为20,000-400,000g/mol。
本发明还涉及改良的冶金粉末组合物，其中包含较大量的重均颗粒度约25-350μm铁基粉末和较少量(最多2重量％)的上述新型润滑剂。另外，本发明涉及生产具有高压坯强度而同时保持低排出力和低排出能量的未烧结体的生产方法。另外，该方法能保证耐久性以便在压制和从工具中排出之后进行处理，正如低Rattler值(翻滚测试值)所证明的。
该方法包含将铁基粉末和任选的添加剂与新型润滑剂混合的步骤以及在室温下压制所得到的粉末组合物的步骤。
具体实施方式
更具体而言，该新型润滑剂主要由一类其重复单体单元是亚乙基醚的聚醚组成。在本文中将用聚乙烯醚这一名称表述该聚合物。根据分子量及聚合的起始化合物的不同，聚乙烯醚可以分为较低分子量的聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)和较高分子量的聚氧乙烯(polyethylene oxide，PEO)。该新型润滑剂中聚乙烯醚的含量在润滑剂的10％-60重量％之间，其余的是低聚酰胺。为了得到高压坯强度与低Rattler值两者，新型润滑剂的聚乙烯醚含量应是至少20％，最优选值至少30％。当聚乙烯醚的量高于60％时，压坯强度下降。压坯强度在润滑剂包含30-50％的PEO、其余为低聚酰胺时达到最高值。
聚乙二醇与铁基粉末的组合应用在美国专利6,224,823中已经公开，根据该文，当聚乙二醇分子量小于7000g/mol且压制操作在升高的温度下进行时，可以得到高压坯强度。根据本发明(其涉及通过在室温(通常约15℃至约35℃)下压制得到的未烧结件的制备)，已经发现，分子量在7000g/mol以上的聚乙烯醚在与低聚酰胺组合使用时具有出人意料的优点。
根据本发明可使用的合适的聚乙烯醚在美国专利5 498 276中已经公开了，该文献通过引用作为参考。这些聚乙烯醚是固体、颗粒状物质，重均分子量约10,000-4,000,000。
根据本发明，聚乙烯醚优选具有约20,000-400,000g/mol的重均分子量，最优选的醚应具有50,000-300,000g/mol的重均分子量。优选的材料的例子是分子量为100,000g/mol或200,000g/mol的氧化物。如果分子量小于20,000则压坯强度将不够高，如果分子量超过400,000g/mol，则不能用通常的方法能得到处于所希望的尺寸范围的颗粒。
聚醚与金属粉末组合物的组合使用还见于美国专利5,290,336，6,126,715和6,039,784。这些专利指出，聚醚可作为改进压坯强度和降低排出力的试剂。还公开了可与多种润滑剂(如硬脂酸酯和石蜡)混合的聚醚。根据美国专利5,498,276，聚醚优选以组合物中所使用的润滑剂的至少90-100％的量使用。
与以上讲述不同，已经发现，为了获得根据本发明的出人意料的结果。根据本发明，聚乙烯醚的用量应小于90％，并且聚乙烯醚应与低聚酰胺组合使用，而聚乙烯醚和多种其它类型的常用润滑剂(例如上述专利中提出的亚乙基双硬脂酰胺)的组合使用是不成功的。
根据本发明所使用的低聚酰胺已见于美国专利5,744,433，该文献通过引用作为参考。根据该专利，低聚体被用作金属粉末组合物的润滑剂。这些低聚物平均分子量Mw最高是30,000，并且优选最低1,000。另外，这些低聚酰胺的熔点峰为120°-200℃。最优选的Mw为2,000至20,000。该文献还指出，至少80重量％、优选至少85重量％和最优选90重量％的润滑剂由低聚酰胺构成的。
另外，美国专利5,744,433指出，这些酰胺用于热压制。当将这些酰胺用于冷压制、即在室温下的压制时，其排出力对工业应用而言过高。与此相反，本发明有利地将低聚酰胺与聚乙烯醚用组合使用于冷压制中，而当粉末组合物在升高的温度下压制时却得到较差的结果。
在本发明的说明书及其后的权利要求书中，“铁基粉末”的表述包括基本由纯铁构成的粉末、已经与其他用以改进最终产物的强度、硬化性质、电磁性质及其它希望的性质物质预合金化的铁粉末、以及已与此类合金元素的颗粒混合的铁颗粒(扩散退火混合物或纯机械混合物)。成合金元素例子是铜、钼、铬、锰、磷，石墨形碳和钨，它们可以单独使用，也可组合使用，例如以化合物(Fe3P和FeMo)的形式使用。当根据本发明的润滑剂与具有高可压缩性的雾化铁基粉末组合使用时可以得到出人意料的好的结果。一般而言，此类粉末具有低碳含量，优选低于0.04重量％。此类粉末包括为Distaloy AE、Astaloy Mo和ASC100.29(均可购自瑞典的Hoganas AB)。另外，高压坯强度及低Rattler值可以由且已被压缩至较低未烧结密度、包含有海绵铁粉末及新型润滑剂的未烧结件得到。
除铁基粉末和本发明的润滑剂之外，粉末组合物可含有一种或多种选自粘合剂、加工助剂和硬质相的添加剂。粘合剂可以按照美国专利4,834,800(通过引用结合于此)所述方法加入粉末组合物中。
粉末组合物中所用的粘合剂可以由例如纤维素酯树脂、其烷基具有1-4个碳原子的羟烷基纤维素树脂或者热塑性酚醛树脂组成。
金属粉末组合物中的加工助剂可以由滑石、镁橄榄石、硫化锰、硫、二硫化钼、氮化硼、碲、硒，二氟化钡及二氟化钙组成，它们可以单独使用，也可以组合使用。
在粉末组合物中使用的硬质相可以包括钨、钒、钛、铌、铬、钼、钽和锆的碳化物，铝、钛、钒、钼和铬的氮化物，Al2O3、B4C及多种陶瓷材料组成。
借助常规技术，铁基粉末和润滑剂颗粒可以被混合成基本均匀的粉末组合物。
根据本发明的润滑剂组合物优选以固体、微粒化颗粒的形式加入金属粉末组合物中。润滑剂的平均颗粒度可以是多样的，但优选小于150μm并最优选为3-100μm。如果颗粒度太大，润滑剂在压制时难于离开金属粉末组合物的孔结构，并且在烧结后可能造成大孔，从而得到强度降低了的压制物。另一方面，如果颗粒太小，润滑和流动会变差，排出能就会变得太高。
用于粉末组合物的压制的新型润滑剂的量可以最多为组合物的2重量％。优选该量为0.2-1.5重量％。
根据本发明，当压制过程在室温(约20℃)和约600Mpa的压力下进行时，可以得到压坯强度高于20甚至高于27MPa而不需要高排出力和/或高排出能的压制物。本发明中，“高排出力”可被定义为大于15N/mm2，“高排出能”可被定义为大于35J/cm2。
一个重要的有利的特点是，甚至当包括新型润滑剂的组合物被混合并在室温压制成较低密度(例如约5.5-6.5g/cm3)时，仍然可以得到高压坯强度和低材料损耗(低Rattler值)。
在烧结压坯时，可以得到具有良好机械性质的产品。烧结可在常规条件下进行。
实施例
以下实施例的目的在于展示本发明的某些实施方案和优点而不是限制本发明。除了另外指出以外，任何百分数均以重量计。
在每个实例中，构成粉末组合物的粉末在室温(约20℃)下在GebruderLdige设备(略帝格兄弟公司制造的一种混合设备)中混合2分钟。
然后将粉末组合物在指定压力下、在室温下在模具中压制成未烧结棒，接着在90/10(90％N2和10％H2)的气氛中、在约1120℃下、在0.5％的C势(C potetial)下烧结约30分钟。
粉末混合物、未烧结的和经烧结的棒的物理性质一般按照以下方法和公式确定。
  性质   测定方法
  AD   ISO3923/s，SS EN23923-1
  流动   ISO4490
  Compation-张力试验棒N型   ISO2740
  Compation-张力试验棒TRS型   ISO3325
  Rockwell硬度   SS EN10109-1
  拉伸强度(TS，Y.str)   SS EN10002-1
  尺寸变化及回弹分析   SS EN24492，ISO4492
  GD和SD   SS EN23927，ISO3927
  GS   SS EN23995
  Rattler   JSPM4-69
此处将排出力定义为使压制件从模具中开始排出所必须克服的静态力。它是以开始排出所需的负荷除以压制件与模具表面接触的截面积所得的商计算的，用单位是N/mm2表述。
此处将排出能定义为相对于总排出距离为继续排出过程并排出压制物而施加在压制件上的力的积分除以与模具接触的表面积。排出能以单位J/cm2表述。
实施例1.
本实施显示使用根据本发明使用润滑剂组合物的重要性，以及在润滑剂组合物中PEO的用量小于10％或高于60％时会得到较差的结果。
将雾化铁粉，2％铜粉，0.5％石墨和0.8％新型润滑剂混合。铁粉为购自瑞典Hgans AB的ASC 100.29，铜粉的平均颗粒度为75μm并且石墨粉的平均颗粒度为5μm。新型润滑剂由重均分子量6,000的低聚酰胺Orgasol以及平均分子量为100,000到200,000的PEO构成。将微粉化的润滑剂过筛以保持平均颗粒度小于75μm。
制备5种组成在以下表1中列出的、不同的、包括新型润滑剂的润滑剂样品。
                       表1
  组合物编号   1   2   3   4   5
  Orgasol   0   50   60   80   100
  PEO   100   50   40   20   0
作为对照，还使用了常被缩写为EBS的亚乙基双硬脂酰胺。
将混合物与样品润滑剂1-5一起在Gebruder Ldige设备中混合2分钟，对每个粉末混合物的表观密度、流动、未烧结密度(在600MPa下)、烧结密度、排出力、排出能、回弹、尺寸变化、压坯强度、Rattler值、拉伸强度、屈服强度进行研究。烧结在1120℃×30分下进行。气氛为90/10(90％N2和10％H2)。结果见表2。
                                    表2
  组合物编号   对照   1   2   3   4   5
  AD24(g/cm3)   2.99   2.94   3.00   2.96   2.98   2.89
  流动(s/50g)   31.14   24.48   26.39   28.15   58.84   31.95
  GD(g/cm3)   7.07   7.02   7.03   7.04   7.02   7.08
  SD(g/cm3)   6.96   6.88   6.90   6.90   6.91   6.84
  排出力(N/mm2)   11.10   19.70   15.70   15.40   19.70   19.70
  排出能(J/cm2)   23.10   46.20   32.50   31.30   42.10   59.00
  回弹(％)   0.30   0.24   0.32   0.31   0.36   0.31
  尺寸变化(％)   0.66   0.68   0.69   0.71   0.66   0.66
  GS(MPa)   14.9   25.59   23.09   27.43   24.03   31.19
  Rattler(％)   0.73   0.20   0.20   0.22   0.23   0.28
  TS(MPa)   465   413.6   452.6   470   467.3
  Y.str.(MPa)   335   307   322   322
上述结果证明，通过使用根据本发明的润滑剂组合物，可以得到出人意料的排出力和排出能的低数值。这些性质与所得到的高压坯强度和低Rattler值结合起来表明，我们已经发现了在未烧结件的处理和运输中的耐久性所需性质方面具有优良性质的润滑剂组合物。
实施例2
本实例显示在将聚氧乙烯与经常使用的EBS(亚乙烯双硬脂酰胺)混合时所产生的效应。测试使用与实施例1相同的粉末和相同量的润滑剂进行。下面的表3可见，在PEO与EBS混合时压坯强度基本没有得到改进。
                       表3
  100％EBS   20％PEO+80％EBS   20％PEO+80％Orgasol
  AD(g/cm3)   2.99   3.1   2.98
  流动(s/50g)   31.14   25.21   28.84
  GD(g/cm3)   7.07   6.97   7.02
  GS(Mpa)   14.90   15.34   19.70
  Rattler(％)   0.73   0.54   0.23
实施例3
本实例显示对于具有相对低密度的未烧结件(即在低压力下压制的例如粉末组合物)也能得到高压坯强度。
制备下述混合物。
                       表4
 混合物1   NC100.24+20％Cu+0.75％(PEO/Orgasol 20/80)
 混合物2   NC100.24+20％Cu+0.75％硬脂酸锌
 混合物3   MH 80.23+20％Cu+0.75％(PEO/Orgasol 20/80)
 混合物4   MH 80.23+20％Cu+0.75％硬脂酸锌
NC 100.24是来自瑞典Hgans AB的海绵铁粉。
MH80.23是来自瑞典Hgans AB的海绵铁粉。
混合物1和3包含20％PEO和80％Orgasol。包含硬脂酸锌的混合物2和4被用作参比。这些混合物在230Mpa的压力下被压制，如由以下表5可见，具有相对低的压坯密度的压制物也可以具有高的压坯强度。所显示出的低Rattler值则表明，按照本发明，未烧结件在压制并从模具中排出之后在处理中的耐久性相对很高。
                        表5
 混合物1  混合物2  混合物3  混合物4
  压坯强度(MPa)  14.61  5.88  13.47  6.63
  Rattler(％)  0.44  1.36  0.26  0.99
  未烧结密度(g/cm3)  5.91  6.09  5.73  5.88

Claims (9)

1、用于粉末冶金组合物的润滑剂，该润滑剂由10-60重量％的聚乙烯醚，和余量的低聚酰胺组成，其中聚乙烯醚的重均分子量为20,000-400,000g/mol，并且其中该润滑剂的重均颗粒度为低于150μm。
2、根据权利要求1的润滑剂，其特征是聚乙烯醚含量为20-50重量％。
3、根据权利要求1的润滑剂，其特征是该润滑剂的重均颗粒度在3-100μm之间。
4、根据权利要求1-3中任意一项的润滑剂，其特征是低聚酰胺的重均分子量为2,000至20,000g/mol。
5、冶金粉末组合物，其包含
较大量的重均颗粒度为25-350μm的铁基粉末，和
最多2重量％的根据权利要求1-4中任意一项的固体颗粒润滑剂。
6、根据权利要求5的粉末组合物，其中润滑剂粉末在组合物中的浓度为0.2-1.5重量％。
7、根据权利要求5的粉末组合物，其中还包含一种或多种选自粘合剂、加工助剂和硬质相的添加剂。
8、根据权利要求5-7中任意一项的粉末组合物，其中铁基粉末包含雾化粉末。
9、生产未烧结产物的方法，其中包括
(a)将铁基粉末与根据权利要求1-4中任意一项的润滑剂粉末混合，和
(b)将金属粉末组合物在室温下压制。
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