CN1898050A - 包括粘合剂－润滑剂组合的铁基粉末组合物及其制备 - Google Patents

包括粘合剂－润滑剂组合的铁基粉末组合物及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及包括粘合剂－润滑剂组合的铁基粉末组合物及其制备。一种用于制造压制部件的改进的抗分离和抗起尘的冶金组合物，该组合物包括：按重量计算为至少大约80％的铁或铁基粉末；至少一种合金粉末；以及按重量计算大约0.05％到大约2％的聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺的粘合/润滑组合物，该聚乙烯蜡的加权平均分子量低于大约1000，其熔点低于乙撑双硬脂酸酰胺的熔点，并且其量按重量计算在粘合/润滑组合物的10％和90％之间。

Description

包括粘合剂-润滑剂组合的铁基粉末组合物及其制备
技术领域
本发明涉及一种用于粉末冶金工业的新的金属粉末组合物。具体地，本发明涉及一种包含粘合组合物的铁基粉末组合物，该粘合组合物还在用于形成部件的压制过程期间提供润滑。
背景技术
在工业内，日益广泛地使用通过压制和烧结铁基粉末组合物制造的金属产品。这些金属产品的质量要求不断升高，从而开发出具有改进的特性的新的粉末组合物。最终的烧结产品的最重要的特性之一是密度和尺寸公差，最重要的是它们必须一致。最终产品内尺寸变化的问题经常源于待压制的粉末混合物内的不均匀性。包括尺寸、密度和形状不同的粉状成分的粉末混合物尤其会产生这些问题，这正是在粉末组合物的运送、存储和处理期间发生分离(segregation)的原因。此分离意味着组合物将被不均匀地组成，这继而意味着由该粉末组合物形成的部件被不同地组成并因此具有不同特性。另一个问题是精细颗粒尤其是那些低密度的颗粒例如石墨会在处理粉末混合物时起尘。
小颗粒大小的添加剂还会给粉末的流动特性即粉末表现为自由流动粉末的能力带来问题。变差的流动本身表明用粉末填充模具的时间增加，这意味着较低的生产率和压制件密度发生变化的危险增加，这会导致在烧结之后发生不可接受的变形。
已尝试通过向粉末组合物添加不同的粘合剂和润滑剂来解决上述问题。粘合剂的作用是将小尺寸颗粒的添加剂例如合金成分牢固和有效地粘合在基金属颗粒的表面上，并因此减小分离和起尘的问题。润滑剂的用途是在压制粉末组合物期间减小内部和外部摩擦，并还减小排出力即从模具排出最终压制的产品所需的力。
例如美国专利4483905(Engstrom)内公开了各种有机粘合剂，该专利公开了使用被广泛说明为具有“粘性或脂肪特性”的粘合剂。美国专利4676831(Engstrom)公开了使用特定的妥尔油作为粘合剂。另外，美国专利4834800(Semel)公开使用特定的不可溶于或基本不可溶于水的薄膜形成聚合树脂作为粘合剂。
专利文献内所述的其它类型的粘合剂是美国专利5298055(Semel)内公开的分子量至少为大约7000的聚烷撑氧。美国专利5290336内公开了作为粘合剂的二元有机酸和一种或多种添加成分例如固体聚醚、液体聚醚和丙烯酸树脂的组合。美国专利5368630(Luk)内公开了可与高温压制润滑剂一起使用的粘合剂。
此外，美国专利US 5480469(Storstrm)简单回顾了粘合剂在粉末冶金工业内的使用。该专利指出重要的是不仅具有其中合金粉末通过粘合剂粘附在铁基粉末上的粉末组合物，而且具有这样的粘合剂，该粘合剂可使得粉末组合物在模具内获得充分可压性，并且可减小从模具取下部件所需的力。
具体地，美国专利5480469公开了一种通过使用二酰胺蜡粘合剂将铁基粉末冶金混合物内的添加剂粘合到铁或铁基粉末颗粒上的方法。为了在铁或铁颗粒和添加剂颗粒之间实现有效粘合，在粘合剂的混合和熔融期间包括粘合剂的粉末冶金混合物混合并被加热到大约90℃到160℃，然后在混合过程中混合物被冷却，直到粘合剂凝固。通过此方法，可大大改进流动性和松装密度并且可减小或消除起尘的问题。
美国专利5480469内没有明确说明的粉末混合物的特性是润滑特性。当需要具有高密度和/或复杂形状的构件时此特性非常重要。在这种构件的制造中，使用的粉末冶金混合物具有好的润滑特性是重要的，这继而意味着从模具排出构件所需的能量即排出能量应低，这是使被排出元件具有令人满意的的表面光洁度即无任何擦伤或其它缺陷的表面光洁度的先决条件。
目前已开发出一种新的铁或铁基组合物，其特征为具有低分离和低起尘、良好的流动性和高松装密度、以及良好的润滑特性，即对于待压制并烧结成高质量产品的粉末都很重要的特性。
发明内容
简单地说，根据本发明的铁或铁基组合物包括按重量计算至少为大约80％的铁或铁基粉末；按重量计算最高达20％的至少一种合金粉末；以及按重量计算大约0.5％到大约2％的聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺的组合。聚乙烯蜡的加权平均分子量低于大约1000，其熔点低于乙撑双硬脂酸酰胺的熔点。此外，聚乙烯蜡的量按重量计算在聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺的粘合/润滑组合的总量的10％和90％之间变化。在用于压制的粉末组合物内，聚乙烯蜡表现为铁或铁基颗粒上的层或涂层，并将合金元素颗粒和乙撑双硬脂酸酰胺粘合在铁或铁基颗粒上。优选地该组合物还包括脂肪酸和流动活性剂。本发明还涉及制备待压制的粉末组合物的方法。
具体实施方式
当在说明书和所附权利要求内使用时，表述“铁或铁基粉末”包括通过雾化优选地通过水雾化制备的粉末。可选择地，所述粉末可基于海绵铁。粉末可以是优选具有高可压性的纯铁粉末。通常这种粉末具有低碳含量例如按重量计算低于0.4％。粉末的其它示例是已与其它物质形成预合金或部分形成合金的铁粉末，以提高成品的强度、硬化特性、电磁特性或其它希望的特性。粉末的示例为例如Distaloy AE、Astaloy Mo和ASC 100.29，所有这些都可在市场上从Hgans AB，Sweden买到。
铁或铁基颗粒的颗粒大小的最大加权平均颗粒大小通常最高为大约500微米；更优选地颗粒的加权平均颗粒大小在大约25-150微米的范围内，并最优选地为40-100微米。
合金元素的示例是单独或组合地使用的铜、钼、铬、镍、锰、磷、形式为石墨的碳和钨。这些添加剂通常是其颗粒大小小于铁基粉末的颗粒大小的粉末，并且大多数添加剂的颗粒大小小于大约20μm。
聚乙烯蜡的分子量会影响粉末特性，并且已发现通过低分子量的聚乙烯蜡可实现良好的流动性、高松装密度和低排出能量的组合，在本发明内低分子量的聚乙烯蜡是指加权平均分子量低于1000尤其低于800而高于300尤其高于400的线型聚乙烯蜡。除了聚乙烯蜡的分子量之外，乙撑双硬脂酸酰胺和聚乙烯蜡之间的比率也影响这些特性。乙撑双硬脂酸酰胺可以是例如Acrawax或Licowax。聚乙烯蜡可从Allied Signal和BakerPetrolite得到。
根据本发明并如示例示出，聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺的相对量非常重要。在聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺的粘合/润滑组合内，已发现聚乙烯蜡按重量计算应为10％-90％。根据目前最优选的实施例，聚乙烯蜡按重量计算应为粘合/润滑组合物的20％到70％。如果使用按重量计算多于90％的聚乙烯蜡，则在大多数情况下润滑将不足够，而如果使用按重量计算多于90％的乙撑双硬脂酸酰胺，则粘合将不足够。组合物内的粘合/润滑组合物的总量优选地按重量计算在0.5和1％之间。
根据本发明的改进的抗分离和抗起尘冶金组合物可被定义为这样的组合物，即该组合物包含按重量计算至少大约80％的铁基粉末；至少一种合金粉末；以及按重量计算为大约0.5％到大约2％的部分熔融并随后凝固的粘合/润滑组合物，该组合物使合金粉末颗粒附着在铁基粉末颗粒上。
在例如美国专利6605251(Vidarsson)内已与用于PM工业的铁基金属粉末一起说明了低分子量的聚乙烯蜡，其中公开了聚乙烯蜡可在铁或铁基粉末的热或冷压制内用作润滑剂。当在热压制中使用时，包括聚乙烯蜡的混合物在压制之前被加热到低于聚乙烯蜡的熔点的温度。美国专利6602315(Hendrickson)和相关的美国专利6280683(Hendrickson)公开了在粘合的混合物中使用低分子量聚乙烯蜡。在低于蜡的熔点的升高的温度下可通过蜡实现粘合效果。所示的涉及铁或铁基粉末的示例表明没有样品表现出流动性。此外，美国专利6533836(Uenosono)和6464751(Uenosono)公开了低分子量聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺连同粘合剂的自由润滑，该粘合剂包括至少一种选自硬脂酸、油酰胺、硬脂酰胺、硬脂酰胺和乙撑双硬脂酸酰胺的熔融混合物的成分。粘合剂还可包括硬脂酸锌和至少一个选自油酸、锭子油和汽轮机油的成分。
根据本发明，除了铁或铁基粉末、合金粉末和聚乙烯蜡与乙撑双硬脂酸酰胺外，开始的混合物还包括脂肪酸，优选地具有10-22个C原子的脂肪酸。这些酸的例子是油酸、硬脂酸和棕榈酸。脂肪酸的量占粉末组合物的总重量的0.005％-0.15％，优选地为0.010％-0.08％，最优选地为0.015％-0.07％。
还优选地，在完成粘合之后在组合物内加入美国专利5782954(Luk)内公开的种类的流动活性剂。优选地，此流动活性剂是二氧化硅，更优选地为平均颗粒大小低于大约40优选地为大约1到35纳米的二氧化硅，并且其使用量按重量计算占总组合物的大约0.005％到大约2％，优选地为0.01％到1％，并且最优选地从0.025％到0.5％。其金属或金属氧化物形式可用作流动活性剂的其它金属包括颗粒大小小于200nm的铝、铜、铁、镍、钛、金、银、铂、钯、铋、钴、锰、铅、锡、钒、钇、铌、钨和锆。
用于制备新粉末组合物的方法包括以下步骤：
-将铁或铁基粉末、合金元素粉末、乙撑双硬脂酸酰胺和粉状聚乙烯蜡以及可选地脂肪酸的混合物混合并加热到高于聚乙烯蜡的熔点而低于EBS的熔点的温度；
-将获得的混合物冷却到低于聚乙烯蜡的熔点的温度下，并保持一段时间，该段时间足以使聚乙烯蜡凝固并使合金元素的颗粒粘合到含铁颗粒上以便形成团聚颗粒；以及可选地，
-使粉状流动活性剂以按重量计算占组合物的0.005％到大约2％的量与获得的混合物混合，该流动活性剂的颗粒大小小于200纳米，优选地小于40纳米。加热适当地在70℃和150℃之间的温度下执行1到60分钟之间的一段时间。
本发明还用下文的非限制性示例进一步说明，其中使用以下的配料和方法：
来自Hgans AB(瑞典)的铁粉-AHC 100.29
来自Kropfmuhl的石墨uf4
来自Baker Petrolite(美国)的聚乙烯蜡400、500、655、750和1000
来自Clariant(德国)LicowaxTM的乙撑双硬脂酸酰胺(EBS)
硬脂酸可从Faci(意大利)获得。
硅胶可从Degussa AG(德国)获得。
根据ISO 4490测量流动性。
根据ISO 3923测量松装密度。
在装有测量仪表的125吨液压单轴实验室压力机中计算排出能量。在排出压块期间记录力和位移。通过相对于被排出部件的位移求力的积分而计算出排出能量。排出能量表示为每包络面积的能量。
通过使5克的样品承受1.7升/分钟的气流来测量起尘，并通过测量仪器Dust Track Aerosol Monitor型号8520对被气流传送的小于10微米的颗粒进行计数。起尘以mg/m3来表示。使用Aminco的仪器Roller AirAnalyzer或Roller Particle size Analyzer测量粘合石墨和润滑剂的部件。该仪器是空气分级器，其按直径和密度分离材料。使用50克的样品。通过比较在空气分级之前和之后的石墨的含量来计算被粘合的石墨部分。粘合在此情况下表现为％被粘合的石墨。
示例1
在高于聚乙烯蜡的熔点而低于乙撑双硬脂酸酰胺的熔点的温度下彻底加热并混合这样的混合物，该混合物包括铁粉、按重量计算占0.5％的石墨、根据表1的按重量计算占0.8％的具有不同加权平均分子量的聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺的粘合/润滑组合物、以及按重量计算占0.05％的硬脂酸。然后，冷却该混合物以便获得粘合的粉末混合物，其中石墨颗粒粘合到铁颗粒。在冷却期间，添加0.06％的无机颗粒流动活性剂。测量粉末特性例如流动性、松装密度和起尘。为了测量润滑特性，在三个不同的压制压力下压制外径为55mm、内径为45mm而高度为10mm的环，并测量在压制之后从模具排出体部所需的能量即排出能量。
表1
  混合物   粘合/润滑组合物
  1   75％EBS/25％聚乙烯蜡400
  2   75％EBS/25％聚乙烯蜡500
  3   75％EBS/25％聚乙烯蜡655
  4   75％EBS/25％聚乙烯蜡750
  5   75％EBS/25％聚乙烯蜡1000
示例2
在高于聚乙烯蜡的熔点而低于乙撑双硬脂酸酰胺的熔点的温度下彻底加热并混合这样的混合物，该混合物包括铁粉、按重量计算占0.5％的石墨、根据表2的按重量计算占0.8％的具有不同比例的聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺的粘合/润滑组合物、以及按重量计算占0.05％的硬脂酸。然后，冷却该混合物以便获得粘合的粉末混合物，其中石墨颗粒粘合到铁颗粒。在冷却期间，添加0.06％的无机颗粒流动活性剂。测量粉末特性例如流动性、松装密度和起尘。为了测量润滑特性，在三个不同的压制压力下压制外径为55mm、内径为45mm而高度为10mm的环，并测量在压制之后从模具排出体部所需的能量即排出能量。
表2
  混合物   粘合/润滑组合
  6   90％EBS/10％聚乙烯蜡655
  7   75％EBS/25％聚乙烯蜡655
  8   60％EBS/40％聚乙烯蜡655
  9   40％EBS/60％聚乙烯蜡655
  10   100％聚乙烯蜡655
示例3-比较示例
制备两种包括铁粉、按重量计算占0.5％的石墨和按重量计算占0.8％的乙撑双硬脂酸酰胺而不具有聚乙烯蜡的混合物。在高于乙撑双硬脂酸酰胺的熔点的温度下彻底加热并混合包含按重量计算占0.05％的硬脂酸的混合物11。然后，冷却该混合物以便获得粘合的粉末混合物，其中石墨颗粒粘合到铁颗粒。在冷却期间，添加0.06％的无机颗粒流动活性剂。彻底混合而不加热混合物12。测量粉末特性例如流动性、松装密度和起尘。为了测量润滑特性，在三个不同的压制压力下压制外径为55mm、内径为45mm而高度为10mm的环，并测量在压制之后从模具排出体部所需的能量即排出能量。
从表4可以看到，当聚乙烯蜡的平均分子量在500和750之间、粘合/润滑组合物中聚乙烯蜡的量在10-90％之间而乙撑双硬脂酸酰胺的量在90％到10％之间时，包含聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺的粘合/润滑组合物的粉末冶金组合物可以获得最佳组合的松装密度、流动性、粘合和润滑特性。
从下表4可以看到，当聚乙烯蜡的平均分子量在500和750之间、粘合/润滑组合物中聚乙烯蜡的量在20-80％之间而乙撑双硬脂酸酰胺的量在80％到20％之间时，包含聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺的粘合/润滑组合物的粉末冶金组合物可以获得最佳组合的松装密度、流动性、粘合和润滑特性。
表4
  混合物编号   松装密度g/cm3   流动性sek   起尘mg/m3   粘合％   GD400MPag/cm3   GD600MPag/cm3   GD800MPag/cm3   排出能量400MPaJ/cm2   排出能量600MPaJ/cm2   排出能量800MPaJ/cm2
  1   3.03   27.5   26   97.8   6.75   7.10   7.23   20.0   28.9   31.4
  2   3.09   26.5   23   97.0   6.74   7.09   7.22   19.8   29.2   31.5
  3   3.13   24.3   46   100.0   6.70   7.06   7.20   20.1   25.9   32.4
  4   3.13   24.8   67   98.6   6.70   7.05   7.19   20.1   30.1   32.5
  5   3.17   24.3   36   100.0   6.69   7.04   7.19   20.1   30.5   34.0
  6   3.07   24.7   112   97.3   6.69   7.04   7.19   20.1   30.6   33.2
  7   3.13   24.3   46   100.0   6.70   7.06   7.20   20.1   25.9   32.4
  8   3.16   24.1   29   99.2   6.69   7.06   7.20   19.4   29.3   33.3
  9   3.23   22.9   22   100.0   6.67   7.04   7.18   18.9   27.3   31.5
  10   2.92   25.8   31   100   6.69   7.03   7.16   23.6   31.0   34.9
  11   3.28   24.4   39   99.8   6.63   7.00   7.17   20.1   31.6   38.7
  12   2.98   33.5   288   54.9   6.66   7.04   7.18   19.3   29.0   33.5

Claims (11)

1.一种用于制造压制部件的改进的抗分离和抗起尘的冶金组合物，该组合物包括：
(a)按重量计算为至少大约80％的铁或铁基粉末；
(b)至少一种合金粉末；以及
(c)按重量计算大约0.05％到大约2％的聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酸酰胺的粘合/润滑组合物，该聚乙烯蜡的加权平均分子量低于大约1000，其熔点低于乙撑双硬脂酸酰胺的熔点，并且其量按重量计算占粘合/润滑组合物的10％-90％。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，铁或铁基粉末的颗粒被一层聚乙烯蜡覆盖，该层聚乙烯蜡用于粘合合金元素的颗粒和乙撑双硬脂酸酰胺的颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，聚乙烯蜡的加权平均分子量在400和800之间。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的组合物，其特征在于，粘合/润滑组合物由按重量计算占20％-70％的聚乙烯蜡和按重量计算占80％-30％的乙撑双硬脂酸酰胺组成。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的组合物，其特征在于，粘合/润滑组合物的量按重量计算占总组合物的0.5％-1.5％。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的组合物，其特征在于，该组合物还包括其量按重量计算占该组合物的0.005％-0.15％、优选地为0.010％-0.08％并最优选地为0.015％-0.07％的脂肪酸。
7.根据权利要求6所述的组合物，其特征在于，所述脂肪酸是硬脂酸。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的组合物，其特征在于，该组合物还包括其量按重量计算占总组合物的0.01％-1％优选地为0.025％-0.5％的流动活性剂。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的组合物，其特征在于，所述流动活性剂为二氧化硅。
10.一种用于制备改进的抗分离和抗起尘的冶金组合物的方法，该组合物包含粘合到铁基粉末的合金粉末，该方法包括以下步骤：
-将铁或铁基粉末、合金元素粉末、乙撑双硬脂酸酰胺和粉状聚乙烯蜡以及可选地脂肪酸混合和加热到高于聚乙烯蜡的熔点而低于乙撑双硬脂酸酰胺的熔点的温度；
-将获得的混合物冷却到低于聚乙烯蜡的熔点的温度下，并保持一段时间，该段时间足以使聚乙烯蜡凝固并使合金元素的颗粒粘合到含铁颗粒上以便形成团聚颗粒；以及可选地，
-使粉状流动活性剂以按重量计算占组合物的0.005％到大约2％的量与获得的混合物混合，该流动活性剂的颗粒大小小于200纳米，优选地小于40纳米。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在70℃和150℃之间的温度下将混合物加热1到60分钟之间的一段时间。
CNB200480038386XA 2003-12-22 2004-12-17 包括粘合剂-润滑剂组合的铁基粉末组合物及其制备 Active CN100475388C (zh)

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