DD269333A1

DD269333A1 - METHOD FOR IMPROVING THE PRESSABILITY OF METAL POWDER BY USING PRE-TREATED PRESSING AIDS

Info

Publication number: DD269333A1
Application number: DD31323388A
Authority: DD
Inventors: Dieter Sobek; Ulrich Klemm; Fritz Henning; Elvira Foerster; Axel Kasten
Original assignee: Thale Eisen Huettenwerk
Priority date: 1988-02-29
Filing date: 1988-02-29
Publication date: 1989-06-28
Also published as: DD269333B5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Pressbarkeit von Metallpulvern, bei dem Presshilfsmittel aus höhermolekularen und polymeren Substanzen aus der Gruppe der natürlichen und synthetischen Wachse, der Hartparaffine, der aliphatischen Fettsäuren und deren Derivaten eingesetzt werden. Erfindungsgemäî wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die höhermolekularen und polymeren Substanzen einer Vorbehandlung, bestehend aus entweder einer Lösungsmittelbehandlung oder einem Schmelzprozess mit anschlieîender Verdüsung unterzogen werden, so dass infolge der eintretenden physikalischen und chemischen Eigenschaftsänderungen eine Verwendung dieser Substanzen als Presshilfsmittel erst ermöglicht wird bzw. nach dem Mischen mit dem Metallpulver eine Verbesserung der Pressbarkeit hinsichtlich höherer Dichte der Presskörper, einer gleichmäîigeren Dichteverteilung, Verbesserung von Reibkenngröîen und daraus resultierenden verminderten Werkzeugverschleiî eintritt.{Formteile, Pressbarkeit, Metallpulver, Presshilfsmittel, Sintern, Dichte, Reibungsverluste, Werkzeugverschleiî, Vorbehandlungsprozess, Lösungsmittelbehandlung}The invention relates to a method for improving the compressibility of metal powders, are used in the pressing aids of higher molecular weight and polymeric substances from the group of natural and synthetic waxes, hard paraffins, aliphatic fatty acids and their derivatives. Erfindungsgemäî the object is achieved in that the higher molecular weight and polymeric substances are subjected to a pretreatment consisting of either a solvent treatment or a melting process followed by atomization, so that due to the physical and chemical property changes occurring use of these substances as pressing aids is only possible or after mixing with the metal powder, an improvement in pressability for higher density of the compacts, a more even density distribution, improvement of Reibkenngröîen and resulting reduced Werkzeugleileiî. {Moldings, pressability, metal powder, pressing aids, sintering, density, friction losses, Werkzeugschleleiî, pretreatment process, solvent treatment }

Description

Characteristic of the known state of the art

Während des Pressens von Pulvern in Matrizen vermindern verschiedene Reibungsarten die Wirksamkeit des zur Verdichtung der Pulver aufgebrachten Preßdruckes. Als wesentlich sind dabei die Reibung der Pulverteilchen mit der Matrizenwand, die im Wandreibungskoeffizienten uw dokumentiert wird sowie die durch den Pulverreibkoeffizienten μρ quantifizierbaren Reibungsverluste zwischen den Pulverteilchen zu nennen.During the compression of powders in dies, various types of friction reduce the effectiveness of the pressure applied to compact the powders. The friction of the powder particles with the matrix wall, which is documented in the wall friction coefficient μw, and the friction losses between the powder particles which can be quantified by the powder friction coefficient μρ, are considered to be significant.

Ausdruck finden diese Reibungsverluste in hohen Preßdrücken zum Erreichen spezifizierter hoher Dichteanforderungen, großen Dichteschwankungen innerhalb der Preßkörper infolge inhomogener Spannungsverteilung in axialer und radialer Richtung, unzureichenden Preßkörperfestigkeiten, mangelhafter Oberflächenqualität der Preßkörper infolge Belastung durch hohe Ausstoßkräfte sowie hohe Verschleißraten und geringe Standzeiten der verwendeten Werkzeuge.Expressed these friction losses in high pressing pressures to achieve specified high density requirements, large density variations within the compacts due to inhomogeneous stress distribution in the axial and radial directions, insufficient Preßkörperfestigkeiten, poor surface quality of the compacts due to stress by high ejection forces and high wear rates and short life of the tools used.

Infolge des überwiegenden Anteils der Wandreibung wird häufig eine alleinige Schmierung der Matrizenwand als ausreichend angesehen. Diese beim Pressen oxidischer Pulver günstig erscheinende Technologie, die im belgischen Patent 717646 beschrieben wird, ist auf die bei höheren Preßdrücken ablaufende Verdichtung metallischer Pulver nicht ohne weiteres übertragbar, da zwar hinsichtlich der resultierenden Preßkörperdichte keine Nachteile entstehen, jedoch hohe, die Standzeit der Matrize vermindernde Ausstoßkräfte gemessen werden.As a result of the predominant proportion of wall friction, sole lubrication of the matrix wall is often considered sufficient. This technology, which appears favorable in the pressing of oxidic powders and described in Belgian patent 717646, is not readily transferable to the densification of metallic powders occurring at higher pressures because, although there are no disadvantages with respect to the resulting compact density, high die life reduces the die Ejection forces are measured.

Methoden zum Aussprühen der Matrize, wie im US-Patent 3461195 beschrieben, sind konstruktiv aufwendig und für komplizierte Preßkörpergeometrien wenig geeignet. Das Pressen von einen Schmierfilm hinterlassenden Substanzen vor dem Pressen des eigentlichen Materials, wie es in den US-Patentschriften 3042531 und 4047 S66 vorgeschlagen wird, ist auf den konkreten Fall einer Rundläuferpresse beschränkt und ebenfalls nur für konstuktiv einfache Preßkörper geeignet. Aus den genannten Gründen hat sich in der pulvermetallurgischen Fertigung von Formteilen zur Verbesserung der Pulverkompressibilität und Verminderung der Reibungsverluste bzw. des Werkzeugverschleißes der Einsatz von Gleitmitteln in pulverförmiger Form durchgesetzt, die vor dem Pressen dem Metallpulver in geeigneter Weise zugemischt werden. Üblich ist die Verwendung von Fettsäuresalzen, wobei für die Herstellung von Teilen aus Eisenpulver Zinkstearat das am weitesten verbreitete Preßhilfsmittel ist. Nachteilig wirkt sich dabei insbesondere die Verunreinigung der für den anschließenden Sinterprozeß eingesetzten Sinteröfen durch Zinkoxidabscheidungen aus, die zu häufigen Stillstandszeiten dieser Öfen führt. Einen weiteren Nachteil stellen infolge der Agglomerationsneigung des üblichen Zinkstearates auftretende größere Poren im Endprodukt dar.Methods for spraying the die, as described in US Patent 3461195, are structurally complex and not very suitable for complicated Preßkörpergeometrien. The pressing of a lubricating film leaving substances before pressing the actual material, as proposed in the US Pat. Nos. 3,030,231 and 4,047 S66, is limited to the specific case of a rotary press and also suitable only for structurally simple compacts. For the reasons mentioned, the use of lubricants in pulverulent form has been established in powder metallurgy production of molded parts for improving powder compressibility and reducing friction losses or tool wear, which are added to the metal powder in a suitable manner before pressing. Usual is the use of fatty acid salts, for the production of parts of iron powder zinc stearate is the most widely used pressing aid. A disadvantage in this case is in particular the contamination of the sintering furnaces used for the subsequent sintering process by Zinkoxidabscheidungen, which leads to frequent downtime of these furnaces. Another disadvantage is due to the Agglomerationsneigung the usual zinc stearate occurring larger pores in the final product.

Preßhilfsmittel auf der Basis von Amidwachsen, wie sie in der DE 1533009 vorgeschlagen werden, verbrennen zwar rückstandsfrei, führen aber in zahlreichen Anwendungsfällen zu einer Verminderung des Pulverfließvermögens und zu einer Erhöhung des Preßdruckes zum Erreichen einer vorgegebenen Dichte.Although pressing aids based on amide waxes, as proposed in DE 1533009, incinerate residue-free, but in many applications lead to a reduction in the powder flowability and to an increase in the pressing pressure to achieve a predetermined density.

Die Verwendung flüssiger Fettsäurederivate scheidet aufgrund einer unakzeptablen Verminderung des Pulverfließvermogens für metallische Pulver aus, ein Einsatz in mikrogekapselter Form, wie im US-Patent 4002474 beschrieben, hat sich ebenso wie die Verwendung von Additiven auf Cellulosebasis nicht durchsetzen können. Ein Einsatz solcher Varianten, wie auch die Verwendung flüssigen Zinns als Preßhilfsmittel, bleibt speziellen, eng begrenzten Anwendungsfällen vorbehalten.The use of liquid fatty acid derivatives is ruled out due to an unacceptable reduction in powder flowability for metallic powders, use in microencapsulated form as described in US Patent 4002474 has not been successful, as well as the use of cellulosic additives. A use of such variants, as well as the use of liquid tin as a pressing aid, is reserved for special, limited applications.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, das Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Metallpulvern durch Pressen und Sintern im Hinblick auf günstigere Eigenschaften der Formteile, wie höhere Dichte und Dichtehomogenität, Verminderung der Reibungsverluste beim Pressen und Ausstoßen hinsichtlich einer Minimierung des Werkzeugverschleißes durch Einsatz von in ihrer Morphologie und Makrostruktur gezielt veränderten metallfreien Preßhilfsmitteln zu verbessern und dabei wesentlich die Ökonomie des Verfahrens effektiver zu erhöhen.The object of the invention is the process for the production of molded parts from metal powders by pressing and sintering with regard to more favorable properties of the molded parts, such as higher density and density homogeneity, reduction of friction losses during pressing and ejection with a view to minimizing tool wear by using in their morphology and macrostructure specifically modified metal-free Preßhilfsmitteln to improve and thereby significantly increase the economics of the process more effectively.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zur Herstellung von Formteilen durch Pressen und Sintern von Metallpulvern durch Einsatz von Preßhilfsmitteln, die aufgrund ihrer Metallfreiheit eine Verunreinigung der Sinteröfen vermeiden sowie im Verlauf des Preßprozesses eine Verbesserung der Verdichtbarkeit und Dichtehomogenität der Preßkörper und eine Verminderung der Reibungsverluste beim Pressen und Ausstoßen hinsichtlich einer Minimierung des Werkzeugverschleißes bewirken, zu verbessern.The invention is based on the object, the known method for the production of moldings by pressing and sintering of metal powders by using Preßhilfsmitteln that avoid contamination of sintering furnaces due to their freedom from metals and in the course of the pressing process an improvement in the compressibility and density homogeneity of the compacts and a reduction the friction losses during pressing and ejection in terms of minimizing tool wear cause to improve.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Metallpulver, vorzugsweise Eisenpulver, vor dem Verdichten ein Preßhilfsmittel aus den Gruppen der natürlichen und synthetischen Wachse, der Hartparaffine mit einer vorzugsweisen Kohlenstoffanzahl von Сг«-С25 sowie der höhermolekularen aliphatischen Fettsäuren und deren Derivaten mit einer vorzugsweisen Kohlenstoffanzahl von C₁₅-Ci₉ entweder als reine Substanz oder auch als beliebige Kombination von Substanzen der vorgenannten Stoffgruppen in beliebigen Konzentrationsverhältnissen zugegeben wird, das vor dem Zumischen zum Metallpulver einem Vorbehandlungsprozeß, bestehend entweder aus einer Lösungsmittelbehandlung, wobei vorzugsweise Ketone, Alkohole, chlorierte und aromatische Kohlenwasserstoffe sowie deren Kombinationen zum Einsatz kommen und die Konzentration dieser Substanzen im Lösungsmittel bzw. im Lösungsmittelgemisch bei einem Masseanteil zwischen 5 und 50% liegt oder diese Substanzen aus dem schmelzflüssigen Zustand verdüst werden, unterzogen wird und die Konzentration dieser Preßhilfsmittel im Metallpulvereinen Masseanteil von 0,2-4,0%, vorzugsweise 0,8-1,2% aufweist.According to the invention this object is achieved in that the metal powder, preferably iron powder, prior to compacting a pressing aid from the groups of natural and synthetic waxes, the hard paraffins with a preferred carbon number of Сг «-С25 and the higher molecular weight aliphatic fatty acids and derivatives thereof with a preference Carbon number of C ₁₅ -Ci _{9 is added} either as a pure substance or as any combination of substances of the abovementioned substance groups in any concentration ratios, prior to admixing the metal powder a pretreatment process consisting either of a solvent treatment, preferably ketones, alcohols, chlorinated and aromatic hydrocarbons and combinations thereof are used and the concentration of these substances in the solvent or in the solvent mixture at a mass fraction of between 5 and 50% or these substances from the melt liquid state is subjected to, and the concentration of these pressing aids in Metallpulvereinen mass fraction of 0.2-4.0%, preferably 0.8-1.2%.

Ausführungsbeispielembodiment

Es wurden zylindrische Formteile aus Eisenpulver mit einem Masseanteil von 0,8% Preßhilfsmittel gepreßt. Als Preßhilfsmittel kam Stearinsäure zum Einsatz, die aus einer Lösung von Aceton/Tetra im Verhältnis 1:1 bei einer Konzentration der Fettsäure mit einem Masseanteil von 10% durch Verdüsen mikronisiert wurde. Dabei entstand ein Korngrößensprektrum des Preßhilfsmittels von 0,5 μιη bis 15 μητι. Nach dem anschließenden homogenen Vermischen mit dem Eisenpulver in einem Taumelmischer wurden 5g dieser Mischung in einer Matrize von 9mm Durchmesser bei einem spezifischen Preßdruck von 500MPa bei feststehender Matrize verdichtet.Cylindrical shaped articles of iron powder were pressed with a mass fraction of 0.8% pressing aid. The pressing aid used was stearic acid, which was micronised from a solution of acetone / tetra in the ratio 1: 1 at a concentration of the fatty acid with a mass fraction of 10% by atomization. This resulted in a grain size spectrum of the pressing aid of 0.5 μιη to 15 μητι. After the subsequent homogeneous mixing with the iron powder in a tumble mixer, 5 g of this mixture were compacted in a 9 mm diameter die at a specific molding pressure of 500 MPa with a stationary die.

Das gegenüber der Variante mit Zinkstearat verminderte Fließvermögen wird durch die in der nachstehenden Tabelle ausgewiesenen Vorteile der Preßkörpereigenschaften und reibspezifischen Kenngrößen kompensiert. Beispielsweise verringern sich die Ausstoßkraft um 25% sowie der Wandreibungskoeffizient Mw um 40%.The reduced fluidity compared with the variant with zinc stearate is compensated for by the advantages of the compacting properties and friction-specific characteristics which are shown in the table below. For example, the ejection force is reduced by 25% and the wall friction coefficient Mw by 40%.

Es wurden zylindrische Formteile aus Einsenpulver mit einem Masseanteil von 0,8% Preßhilfsmittel gepreßt. Als Preßhilfsmittel kam Stearinsäure zum Einsatz, die aus dem schmelzflüssigen Zustand durch Verdüsen mikronisiert wurde. Dabei entstand ein enges Kornspektrum des Preßhiifsmittels im Bereich von 4 pm bis 8 μηι. Nach dem anschließenden homogenen Vermischen mit dem Eisenpulver in einem Taumelmischer wurden 5g dieser Mischung in einer Matrize von 9 mm Durchmesser bei einem spezifischen Preßdruck von 500MPa verdichtet. Das Fließverhalten der Pulvermischung bleibt gegenüber der Variante mit Zinkstearat unverändert, während reibspezifische Kenngrößen, wie Ausstoßkraft, Wandreibungs- und Pulverreibkoeffizient sowie Kraftdurchgang verbessert werden.Cylindrical moldings were pressed from powdered one with a mass fraction of 0.8% pressing aid. As a pressing aid stearic acid was used, which was micronized from the molten state by atomization. In this case, a narrow grain spectrum of the Preßhiifsmittels was in the range of 4 pm to 8 μηι. After the subsequent homogeneous mixing with the iron powder in a tumble mixer 5 g of this mixture were compressed in a die of 9 mm diameter at a specific pressure of 500MPa. The flow behavior of the powder mixture remains unchanged compared to the variant with zinc stearate, while friction-specific characteristics such as ejection force, wall friction and powder friction coefficient and force passage are improved.

Es wurden zylindrische Formteile aus Eisenpulver mit einem Masseanteil von 0,8% Preßhilfsmittel gepreßt. Als Preßhilfsmittel kam eine Mischung aus gleichen Anteilen Stearinsäure und Montanwachs zum Einsatz, die aus einer Lösung von Aceton/Tetra im Verhältnis 1:1 bei einer Konzentration des Fettsäure-Montanwachsgemisches mit einem Masseanteil von 10% durch Verdüsen mikronisiert wurde.Cylindrical shaped articles of iron powder were pressed with a mass fraction of 0.8% pressing aid. The pressing aids used were a mixture of equal proportions of stearic acid and montan wax, which was micronised from a solution of acetone / tetra in the ratio 1: 1 at a concentration of the fatty acid montan wax mixture with a mass fraction of 10% by atomization.

Nach dem anschließenden homogenen Vermischen mit dem Eisenpulver in einem Taumelmischer wurden 5g dieser Mischung in einer Matrize von 9 mm Durchmesser bei einem spezifischen Preßdruck von 500 MPa bei feststehender Matrize verdichtet. Unter Beibehaltung der günstigen Fließeigenschaften der Pulvermischung werden insgesamt hinsichtlich Preßkörperparameter und reibspezifischer Kenngrößen bessere Werte gegenüber dem Preßhilfsmittel Zinkstearat erzielt. Beispielsweise betragen die Ausstoßkräfte nur noch 64% der Vergleichsvariante, während sich der für die Dichtehomogenität maßgebliche Kraftdurchgang im Preßkörper um 27% erhöht.After the subsequent homogeneous mixing with the iron powder in a tumble mixer 5 g of this mixture were compressed in a die of 9 mm diameter at a specific pressure of 500 MPa with a fixed die. While retaining the favorable flow properties of the powder mixture, better values are obtained with regard to pressed body parameters and friction-specific parameters than with the pressing aid zinc stearate. For example, the ejection forces are only 64% of the comparison variant, while increasing the decisive for the density homogeneity force passage in the compact by 27%.

Table:

Preßkörperparameter und reibspezifische KenngrößenPreßkörperparameter and friction-specific characteristics

Preßhilfsmittelpressing aid Fließ-flow Dichtedensity Ausstoßoutput WandreiWandrei PulverreibPulverreib KraftdurchBy force (PHM)(PHM) verhalverhal PP kraftforce bungskoefbungskoef koeffizientcoefficient gang in % der% of the tenth FAFA fizientfizient Oberstempelupper punch (S/50g)(S / 50g) (gern"³)(like " ³ ) (KN)(KN) Mwmw μρμρ kraftforce Zinkstearatzinc stearate 3131 6,746.74 6,206.20 0,220.22 0,320.32 5959 100% Stearinsäure100% stearic acid 3535 6,846.84 4,604.60 0,130.13 0,250.25 7575 aus Lösung mikrofrom solution micro nisiertnized 100% Stearinsäure100% stearic acid 3131 6,666.66 5,005.00 0,160.16 0,260.26 6767 aus schmelzflüssigemof molten Zustand mikronisiertCondition micronized 50%Stearinsäure50% stearic acid 3131 6,846.84 3,953.95 0,120.12 0,250.25 7575 50% Montanwachs50% montan wax aus Lösung simultan-from solution simultaneously mikronisiertmicronized

Claims

Process for improving the pressability of metal powders by using pretreated pressing aids, characterized in that the metal powder, preferably iron powder, prior to compacting a pressing aid from the groups of natural and synthetic waxes, the hard paraffins having a preferably carbon number of C ₂ 4-C ₂ and the higher molecular weight aliphatic fatty acids and derivatives thereof with a preferred carbon number of Ci ₅ -Ci _{9 is added} either as a pure substance or as any combination of substances of the aforementioned substance groups in any concentration ratios, the prior to admixing the metal powder a pretreatment process consisting of either a solvent treatment, wherein preferably ketones, alcohols, chlorinated and aromatic hydrocarbons and combinations thereof are used and the concentration of these substances in the solvent or solvent mixture in a Mass proportion between 5 and 50% or these substances are atomized from the molten state is subjected, and the concentration of these pressing aids in the metal powder has a mass fraction of 0.2-4.0%, preferably 0.8-1.2%.

Field of application of the invention

The invention relates to a method for producing molded parts from metal powders by pressing and sintering using pressing aids and can be used in powder metallurgy and in the ceramic industry.