DE19782155B4

DE19782155B4 - Agglomerierte Eisenbasispulver

Info

Publication number: DE19782155B4
Application number: DE19782155A
Authority: DE
Inventors: Johan Arvidsson; Fredrik Emilsson
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: WO1998025720A1; SE9604538D0; AU7845798A; JP4169369B2; JP2001505957A; DE19782155T1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines frei fließenden agglomerierte Eisenbasispulvers umfassend das Mischen trockener Bestandteile aus
a) 63 – 95 % Gewichts-% eines feinen Basispulvers bestehend im wesentlichen aus Eisen mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 75 μm;
b) 5 – 20 Gewichts-% einer Schmierphase mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 120 μm,
c) 0 – 15 Gewichts-% eines Festphasenmaterials mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 10 μm, und
d) 0 – 7 % an Additiven in einer Mischkammer;
Evakuieren der Mischkammer;
Füllen der Mischkammer mit einem Inertgas;
Mischen der Bestandteile mit höchstens 1 Gewichts-%, basierend auf der Gesamtmischung, eines Bindemittels und Zugabe eines Lösungsmittels, und
Trocknen des erhaltenen Pulvers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft agglomerierte Eisenbasispulver und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Insbesondere betrifft die Erfindung agglomerierte Eisenbasispulver zur Herstellung verschleißfester Materialien, die niedrige Reibung, gute Verschleißfestigkeit und Selbstschmierung vereinen und die vorteilhaft beispielsweise bei Hochleistungsdieselkraftmaschinen eingesetzt werden können. Bei Verwendung der agglomerierten Pulver können diese Materialien mittels konventioneller Technik aus billigen Rohmaterialien in bestehenden Anlagen hergestellt werden.

Aus DE 900 103 C ist es bekannt, dass aus einem Ausgangspulvergemisch der Zusammensetzung 75 bis 95 % Eisen und 5 bis 25 % Mangansulfid Bauteile herstellbar sind, die eine hohe Verschleißfestigkeit erlangen.

Anhand theoretischer und praktischer Erwägungen wurde gefunden, dass die Ausgangsmaterialien für derartiges verschleißfestes Material aus den folgenden Materialien gewählt werden könnten.

a) 63 – 95 Gewichts-% eines feinen Basispulvers im wesentlichen bestehend aus Eisen mit einer Partikelgröße von im wesentlichen kleiner als 75 μm
b) 5 – 20 Gewichts-% einer Schmierphase mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 120 μm und vorzugsweise kleiner als 60 μm
c) 0 – 15 Gewichts-% eines Festphasenmaterials mit einer Partikelgröße von im wesentlichen kleiner als 10 μm, und
d) 0 – 7 Gewichts-% an Additiven, einschließlich Bindemittel(n), Lösungsmittel(n) und wahlweise Schmiermittel(n).

Das Basispulver könnte aus der Gruppe umfassend vorlegierte Pulver, teilweise vorlegierte Pulver oder reine Eisenpulver gewählt werden. Beispiele vorlegierter Pulver sind z. B. Astaloy Mo und die teilweise vorlegierten Pulver können beispielsweise Distaloy SE und Distaloy AE sein. Reine Eisenpulver, die vorteilhaft verwendet werden können, sind beispielsweise ASC 100.29, NC 100.24, SC 100.26 und AHC 100.29. Alle Pulver sind von Höganäs AB, Schweden erhältlich.

Die erfindungsgemäße Schmierphase ist auch nach dem Sinterprozess vorhanden und ist ein festes anorganisches Material. Beispiele solcher Materialien sind Metallsulfide, Metallchloride und Metallfluoride. Ein bevorzugtes Material ist MnS. Die Schmierphase kann auch MnX, erhältlich von Höganäs AB, Schweden, sein. Wenn mehr als 20 % zugegeben werden, wird die Festigkeit nachteilig beeinflusst, und wenn weniger als 5 % zugegeben werden, wird die Reibung zu hoch. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Menge an Schmierphase 5 – 15 Gewichts-%.

Das Festphasenpulver wird unter Carbiden, wie beispielsweise NbC, TiC, VC, TaC gewählt. Beträgt die Menge an Festphasenpulver mehr als 15 %, wird die Kompressibilität zu gering. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Menge an Festphasenpulver nicht höher als 10 %. In der Praxis wird die Menge an Festphasenpulver im Hinblick auf die gewünschte Verschleißfestigkeit gewählt.

Die verschiedenen Additive könnten aus der Gruppe bestehend aus Fe₃P, Graphit und/oder verschiedenen konventionellen Schmiermittel gewählt aus der Gruppe bestehend aus Wachsen, Stearaten und Polymeren gewählt werden.

Unerwartete Probleme traten auf, wenn diese Pulvermixturen im industriellen Maßstab verwendet werden sollten, da sich herausgestellt hat, dass diese Pulver im wesentlichen kein Fließvermögen besitzen und eine gute Fließfähigkeit ein notwendiges Nebenerfordernis für die industrielle Produktion ist. Andere Nachteile lagen in einer zu starken Segregation und einer Verstäubung während der Handhabung.

Gemäß der Erfindung wurden diese Probleme durch Verwenden eines Verfahrens umfassend die folgenden Schritte beseitigt:

1) Mischen der trockenen Bestandteile gemäß der Punkte a) – d) in einer Mischkammer.
2) Evakuieren der Mischkammer auf weniger als 25, vorzugsweise weniger als 15 mbar.
3) Füllen der Mischkammer mit einem Inertgas auf geringen Unterdruck bis ungefähr 950, vorzugsweise ungefähr 900 mbar.
4) Mischen der Bestandteile mit weniger als 1 Gewichts-%, basierend auf der Gesamtmischung, eines Bindemittels und Zugabe eines Lösungsmittels.
5) Trocknen des erhaltenen Pulvers.

Ein wichtiges Merkmal des Granulationsprozesses ist der geringe Gehalt an Bindemittel, was nützlich für den nachfolgenden Sinterprozess ist und konsequenterweise für das Endprodukt. Das Bindemittel könnte irgendein konventionelles Bindemittel, das auf dem P/M-Gebiet verwendet wird, sein. Insbesondere könnte das Bindemittel aus der Gruppe umfassend Polyester und Polyalkohole gewählt sein. Celluloseacetatbutyrat ist ein momentan bevorzugtes Bindemittel.

Das Lösungsmittel hängt vom Bindemittel ab und wird aus der Gruppe umfassend Wasser, Alkohole und Ketone gewählt. Ein bevorzugtes Lösungsmittel ist Aceton.

Das agglomerierte Pulver, das eine Partikelgröße im wesentlichen zwischen 75 und 150 μm besitzt, kann zu einem Grünling mit einer Dichte oberhalb von 85 und bevorzugt oberhalb von 90 % der theoretischen Dichte uniaxial verdichtet werden.

Um das endgültige verschleißfeste Material herzustellen, wird das agglomerierte Pulver bei einem Druck zwischen ungefähr 400 und 800 MPa verdichtet und nachfolgend bei beispielsweise 1250°C für 45 Minuten in 95/5 N₂/H₂ gesintert. Die Dimensionierung wird bei beispielsweise 800 MPa, die Aufkohlung bei 860°C für beispielsweise 30 Minuten in ungefähr 0,9 % C und die Temperung bei einer Temperatur von ungefähr 180°C für ungefähr 60 Minuten durchgeführt.

Die Eigenschaften eines verdichteten und gesinterten Produkts erhalten aus einem erfindungsgemäßen agglomerierten Pulver waren den Eigenschaften eines korrespondierenden Materials, welches mit einem nicht-agglomerierten Pulver erhalten wurde, überlegen.

Die Erfindung wird anhand der folgenden nicht begrenzenden Beispiele erläutert.

Gruppe Material

1 Astaloy Mo < 75 μm + MnS (5 %, 15 %) + MnS (20 μm, < 60 μm)

2 Cold PMo + MnS (5 %, 15 %)

3 M3/2 + MnS (5 %, 15 %) + 7,74 % NbC/5 % TiC
Granulation
Eine Pulvermischung von 20 kg wird hergestellt und in einen Y-Kegelmischer gegeben. Das Aceton und der Binder (Celluloseacetatbutyrat) werden gemäß der unten angegebenen Tabelle zur der Mischung gegeben.
0,15 % Binder (Materialien der Gruppe 1 und 2)
0,3 % Binder (Materialien der Gruppe 3)
4,0 % Aceton (Materialien der Gruppe 1 und 2)
6,0 % Aceton (Materialien der Gruppe 3)
Verfahrenstabelle:

1. Mischen des trockenen Pulvers
2. Evakuierung des Mischers
3. Füllen des Mischers mit N₂
4. Starten des Verstärkers, Zugabe des Lösungsmittels bei laufendem Verstärker. Kontinuierliche Einstellung des Drucks, so dass ein leichter Unterdruck aufrecht erhalten wird
5. Laufenlassen des Verstärkers bis die Mischung homogen ist
6. Trocknen/Evakuieren des Pulvers bis der Druck ungefähr 2 – 10 mbar beträgt
7. Laufenlassen des Mischers für 2 – 10 Minuten.
8. Füllen des Mischers mit N₂ auf atmosphärischen Druck
9. Entleeren des Mischers

Die Materialien der Gruppe 3 benötigen einen extra Binder und Lösungsmittel für eine ausreichende Granulation.
Materialien
Gruppe 1
Zwei Parameter und zwei Niveaus wurden getestet mit einem zusätzlichen Mittelpunkt. Der erste Parameter ist die zugegebene Menge an MnS, das niedrige Niveau beträgt 5 % MnS und das hohe Niveau beträgt 15 % MnS. Der zweite Parameter ist der Typ des MnS. Der erste Typ des MnS ist normales MnS, welches zu PM-Gemischen als Bearbeitungshilfe zugegeben wird, und der zweite Typ MnS ist ein grobstückiges MnS mit einer Partikelgröße im wesentlichen zwischen 60 μm und 120 μm unter Verwendung eines Tyler-Standard-Maschensiebes. Der Mittelpunkt ist 10 % MnS, d. h. eine Mischung aus 95 % normalem MnS mit einer durchschnittlichen Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 60 μm und 50 % Material mit einer Partikelgröße im wesentlichen zwischen 60 μm und 120 μm. Da keine Festphase zugegeben wurde, kann die Menge an Binder niedrig gehalten werden und die Kompressibilität ist nicht stark reduziert.

Basismaterial 97,6 % Astaloy Mo < 75 + 0,4 % Graphit
MnS-Mischung 50 % MnS mit einer durchschnittlichen Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 60 μm und 50 % MnS mit einer Partikelgröße im wesentlichen zwischen 60 und 120 μm
Granulationshilfe 0,15 % Binder

Gruppe 2
Eine gesinterte Komponente basierend auf Cold PMo enthält eine Menge an Carbiden nach dem Sintern. Die Zugabe einer Festphase erfordert eine Erhöhung der Sintertemperatur und ist nicht gut für die mechanischen Eigenschaften des Materials.
Wie in der vorhergehenden Gruppe kann die Menge an Binder niedrig gehalten werden und wird die Kompressibilität nicht stark reduziert, wenn keine Festphase zugegeben wird.

Cold PMo = 95 % vorlegiertes, wasseratomatisiertes Eisenpulver mit 10 % Molybdän, wozu 1,15 % Graphit und 3,85 % Fe₃P zugegeben sind
MnS-Mischung = 50 % MnS mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 60 μm und 50 % MnS mit einer Partikelgröße im wesentlichen zwischen 60 und 120 μm
Granulationshilfe 0,15 % Binder

Gruppe 3
Die dritte Gruppe an Materialien sind Schnellarbeitsstahlmischungen. Die Carbide sind nützlich, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern. Die Festphase zusammen mit dem M3/2, welches eine geringe Kompressibilität besitzt, verleiht dem Material die niedrigste Kompressibilität.
Die obigen Tabellen offenbaren, dass ein Fließvermögen zwischen 25 und 40 sec/50g bei Verwendung des erfindungsgemäßen Agglomerationsverfahrens erreicht werden kann. Kein Fließvermögen wurde bei unbehandelten nicht-agglomerierten Pulvern erhalten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines frei fließenden agglomerierte Eisenbasispulvers umfassend das Mischen trockener Bestandteile aus a) 63 – 95 % Gewichts-% eines feinen Basispulvers bestehend im wesentlichen aus Eisen mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 75 μm; b) 5 – 20 Gewichts-% einer Schmierphase mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 120 μm, c) 0 – 15 Gewichts-% eines Festphasenmaterials mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 10 μm, und d) 0 – 7 % an Additiven in einer Mischkammer; Evakuieren der Mischkammer; Füllen der Mischkammer mit einem Inertgas; Mischen der Bestandteile mit höchstens 1 Gewichts-%, basierend auf der Gesamtmischung, eines Bindemittels und Zugabe eines Lösungsmittels, und Trocknen des erhaltenen Pulvers.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schmierphase eine Partikelgröße kleiner 60 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schmierphase im wesentlichen aus MnS besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Festphase aus der Gruppe bestehend aus Carbiden wie NbC, TiC, VC, TaC gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Additiv aus der Gruppe bestehend aus Fe₃P, Graphit und/oder verschiedenen konventionellen Schmiermitteln gewählt aus der Gruppe bestehend aus Wachsen, Stearaten und Polymeren gewählt wird.
Frei fließendes Agglomerat-Pulver mit einer Korngröße zwischen im wesentlichen 75 und 150 μm, hergestellt, gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und umfassend die dort definierten Bestandteile, aus einem Eisenbasispulver mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner 75 μm und enthaltend eine Menge an Bindemitteln kleiner als 1 %, dadurch gekennzeichnet, dass Agglomerat auf eine Dichte von wenigstens 85, vorzugsweise wenigstens 90 % der theoretischen Dichte uniaxial komprimierbar ist, wenn bei einem Druck zwischen 400 und 500 MPa verdichtet wird.
Frei fließendes Agglomerat nach Anspruch 6, umfassend a) 63 – 95 Gewichts-% eines feinen Basispulvers, bestehend im wesentlichen aus Eisen mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 75 μm; b) 5 – 20 Gewichts-% einer Schmierphase mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 120 μm, c) 0 – 15 Gewichts-% Festphasenmaterials mit einer Partikelgröße im wesentlichen kleiner als 10 μm, und d) 0 – 2 % Additive.
Frei fließendes Agglomerat nach Anspruch 7, wobei die Schmierphase eine Partikelgröße kleiner 60 μm aufweist.
Frei fließendes Agglomerat nach Anspruch 7 oder 8, umfassend 5 – 15 Gewichts-% einer Schmierphase.