DE4101292C2

DE4101292C2 - Verwendung eines Polyvinylpyrrolidon-Bindemittels für entmischungsfreie metallurgische Pulvermischungen

Info

Publication number: DE4101292C2
Application number: DE4101292A
Authority: DE
Inventors: Francis Gosselin
Original assignee: Quebec Metal Powders Ltd
Current assignee: Quebec Metal Powders Ltd
Priority date: 1990-01-17
Filing date: 1991-01-17
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2011-01-18
Also published as: GB2240112A; GB2240112B; CH682308A5; BR9100023A; FR2657033B1; ES2023599A6; DK5591A; IT1244082B; CA2030366C; IT9022133A1; ATA231090A; US5069714A; MX164972B; SE9100139L; AU633987B2; DK5591D0; GB9023064D0; JPH03226501A; CA2030366A1; DE4101292A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein metallur gische Pulvermischungen vom Eisen als Hauptkomponente enthaltenden Typ, in denen das Eisenpulver vermischt ist mit geringerem Anteilen an legierenden Stoffen, pulver förmigen Gleitmitteln oder anderen Zusätzen als sekundäre Komponenten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung neue entmischungsfreie Zusammensetzungen aus solchen metallurgischen Mischungen, die zusätzlich Polyvinylpyrrolidon als Bindemittelbestandteil in einer Menge enthalten, die zur Verhinderung eines Stäubens, Klebens oder Entmischens der pulverförmigen Komponenten ausreicht.

Verfahren zur Herstellung von Eisenpulvern sind wohlbe kannt und es gibt auch viele Anwendungen für diese Pulver, wie die pulvermetallurgische (P/M) Teilefabri kation. Für P/M-Einsätze wird das Eisenpulver in einen Druckhohlraum von der gewünschten Gestalt eingebracht und daraufhin aus dem Material unter Anwendung von Druck ein Preßkörper gebildet. Der Preßling wird dann gesintert, wobei sich unter dem Einfluß von Hitze metallurgische Bindungen entwickeln. Sofern gewünscht, können weitere Bearbeitungen des P/M-Teils angeschlossen werden, wie Nachschlagen, Prägen, Nachverdichten, Imprägnieren, Tränken, Hitze- oder Dampfbehandeln, Spanabheben, Verbinden, Überziehen usw.

Es entspricht üblicher Praxis dem Eisenpulver ein Gleitmittel zuzumischen. Dieses reduziert die Reibung zwischen dem Preßling und der Wandung der Form während der Verpressung, wodurch auch die Abziehkraft, die für die Entfernung des Preßlings aus der Form aufzubringen ist, vermindert und der Werkzeugverschleiß herabgesetzt wird. Gelegentlich können die bei der P/M-Verarbeitung erhaltenen Sinterkörper unbefriedigend sein, insofern als sie unzureichende Parameter in Bezug auf physikalische "Festigkeit", d. h. Elastizität oder Flexibilität, Härte, Zugfestigkeit und dergl. aufweisen. Daher werden gewöhnlich den P/M-Eisenpulvern geringe Mengen an wenigstens einem Nichteisenmetall-Pulver zur Legierung und Erzielung der gewünschten physikalischen Eigenschaf ten des gesinterten Endprodukts zugegeben. Zusätzlich können auch geringe Mengen von anderen Zusätzen mit den Eisenpulvern zwecks gewünschter Eigenschaften im Sinterprodukt verwendet werden. Die Gleitmittel, Legierungspulver und anderen Zusätze können gemeinsam verwendet werden und werden hier zusammenfassend als "sekundäre Pulver" bezeichnet.

Beispiele für diese Technologie kann man in verschiedenen US-PSen finden, und zwar u. a. in 2,888,738 (Taylor), 3,451,809 (Raman et al), 4,106,932 (Blachford) und 4,566,905 (Akashi et al); ebenso in der veröffentlichten EP-Anm. 0,266,936 (Larson et al) sowie US-PS 4,927,461.

Obgleich es auf diese Weise gemäß der bekannten P/M- Technologie gelingt, Sintermaterialien mit spezifischen Eigenschaften bereitzustellen und so auch technischer und kommerzieller Erfolg verbessert werden konnten, sind immer noch gewisse Nachteile damit verbunden. So muß, wie der Erfinder gefunden hat, zur Erzielung der gewünschten Funktionskennwerte der P/M-Mischungen die Pulvermischung in einer homogenen Beimischung gehalten werden. Abwei chungen in der Pulvermischung bewirken auch Inkonsistenzen in der Größenänderung. Auch dürfen die sekundären Pulver nicht aus der Mischung zu den Wänden des Behälters migrieren und dort zu einem "Kleben" führen; insbesondere die sekundären Pulver mit höherer Dichte als die Eisenpulver neigen durch eine Vibration zum Wandern nach unten und Absetzen auf dem Behälter boden. Ebensowenig dürfen die sekundären Pulver mit einer niedrigeren Dichte als die Eisenpulver beim Handhaben und Zuführen nicht durch Luftströme nach oben wandern ("Stäu ben"). Auf diese Weise wird der Verlust der Homogenität (die "Entmischung") der Mischung verhindert.

Diese Probleme kann man wesentlich beheben bei wohlüber legter Wahl von Komponenten mit zueinander passender Dichte (vgl. US-PS 4,504,441 (Kuyper)). Indessen sind die physikalischen Eigenschaften der sekundären Pulver im allgemeinen nur von sekundärer Bedeutung für die im Vordergrund stehende Erzielung akzeptabler physikalischer und metallurgischer Eigenschaften in dem gesinterten Fertigprodukt. Demzufolge hat sich die Behebung des Stäubens u.dergl. durch Auswahl von Pulvern in alleiniger Blickrichtung auf die Dichten als wenig erfolgreich erwiesen.

Außerdem wurde gesehen, daß Probleme hinsichtlich des Stäubens, Klebens und Entmischens verschlimmert werden, sofern primäre und sekundäre Pulver in der Mischung benutzt werden, die signifikante Unterschiede in der Teilchengröße haben. Indessen erinnert sich der Fachmann, daß es oftmals notwendig ist, sekundäre Teilchen von gegenüber den primären Teilchen abweichender Größe zu verwenden, um die im Gegensatz zueinander stehenden Bedürfnisse zu lösen. Denn

(i) ist kein primäres Pulverteilchen weiter entfernt von einem sekundären Pulverteilchen als eine festgelegte Anzahl von Primärteilchen und
(ii) kann nur ein maximaler Anteil an sekundären Pulvern in der Pulvermischung verwendet werden, damit nicht andere physikalische Eigenschaften des gesinterten Produkts beeinflußt werden. Demzufolge ist es nur möglich, eine hinreichend große Anzahl an sekundären Pulverteilchen ohne Erhöhung der Gewichtsmenge an den sekundären Pulvermaterialien einzusetzen, sofern die Teilchengröße der sekundären Pulverteilchen herabgesetzt wird.

Indessen kann die Herabsetzung der Größe der sekundären Pulverteilchen zu einem Kleben, Stäuben oder Entmischen führen, da die kleineren sekundären Pulverteilchen physikalisch von den größeren primären Pulverteilchen ausgeschlossen sind. Hinzukommt, daß einige der sekundä ren Pulver chemische oder physikalische Eigenschaften, wie eine die Entmischung aus der Zusammensetzung fordernde Gestalt haben oder zur Aggregation neigen. Dies ist z. B. dargestellt in der US-PS 4,676,831 (Engstrom), welche die Verwendung von vorlegierten Pulvern zeigt. Jedoch sind auch diese vorlegierten Pulver nicht zur Lösung des Problems des Einbringens von nichtlegierenden Zusätzen, wie Gleitmittel, oder Materialien, wie Graphit, geeignet.

Eine wünschenswerte homogene Vermischung von primären und sekundären Pulvern wird an sich dadurch erreicht, daß die Zusammensetzung zunächst verschnitten wird. Aber bedauerlicherweise führt das Handhaben mit und Fördern von diesen Mischungen zu einer Segregation der zunächst gut gemischten Zusammensetzungen.

Eine Lösung von diesen Problemen besteht in der Zumi schung einer dritten Komponente in die Zusammensetzung, um die sekundären Teilchen an die primären Teilchen zu binden. Geeignete Bindemittel sind klebrige oder viskose Flüssigkeiten, wie Öle, Emulsionen und dgl. (siehe US-PS 4,676,831 (Engstrom)). Indessen ist die Verwendung solcher Materialien insofern gemindert, als sie zu einem Agglomerieren der Pulverzusammensetzung und zu einer Inhibierung von deren Fließbarkeit führen können.

Trockene Bindemittel-Komponenten wurden auch schon verwendet, nämlich Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol, Polyvinylacetat (siehe US-PSen 3,846,126, 3,988,524 und 4,062,678 (Dreyer et al.) sowie US-PS 4,834,800 Eng strom)).

Im allgemeinen werden dünnflüssige Bindemittel in die Zusammensetzungen homogen eingemischt und getrocknet sowie die viskosen oder pulverförmigen Bindemittel entweder trocken (mit dem trockenen oder angefeuchteten Produkt) oder in einem Träger gelöst zugesetzt. Bevorzugt werden die viskosen oder klebrigen Flüssigkeiten in Lösungsmitteln gelöst zur Förderung des homogenen Einmischens. Wahlweise können aber auch die trockenen Bindemittel wegen Schwierigkeiten zum effektiven Einmischen zunächst - außerhalb der Pulvermischung - gelöst werden; das Lösungsmittel wird dann abgedampft.

Wenn auch feste und viskose Bindemittel durch die Auflösung gut verteilt werden können, so verbleiben doch Probleme zur Herstellung einer für die gute Verteilung hinreichend dünnen Lösung bei Minimierung der Menge des verwendeten, aber später zu verdampfenden Lösungsmittels mit der Folge, daß nur ein relativ enger Bereich für die Lösungskonzentration gewünscht wird. Auf Grund der Schwierigkeit in der Ermittlung der optimalen Lösungsmit telmenge hat man schon (vgl. US-PS 4,504,441 (Kuyper)) der Pulverzusammensetzung eine bestimmte Menge an Furfurylalkohol zugesetzt und in Gegenwart einer Säure zur Polymerisation und Verfestigung des Furfurylalkohols vermischt. Indessen bedingt nach den Ermittlungen des Erfinders der vorliegenden Sache die Verwendung fester Bindemittel, wie dem Kuyperschen Polymerisationsprodukt eine Erhöhung des Preßdrucks zur Verdichtung der metallurgischen Mischungen.

Es ist auch schon gesagt worden, daß die Verwendung von wasserlöslichen Bindemitteln insofern nachteilig ist, als sie schwierig zu trocknen sind, Feuchtigkeit absorbieren und Rost fördern. Demzufolge bevorzugt der Fachmann die Verwendung von polymeren Bindemittelharzen, die wasser unlöslich oder im wesentlichen wasserunlöslich sind, wie Polyvinylacetat, Polymethacrylat oder Cellulose, Alkyd-, Polyurethan- oder Polyesterharze (vgl. US-PS 4,834,800 (Semel).

Die vorliegende Erfindung richtet sich gegen und überwindet viele der Nachteile des Standes der Technik durch Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel in einer neuen pulvermetallurgischen Mischung. Diese und andere Besonderheiten werden gesichert mittels Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel für eine Pulver zusammensetzung, die aus
einem eisenhaltigen Pulver mit einer maximalen Teilchengröße von höchstens 300 µm, und
wenigstens einem von

- weniger als 15 Gew.- % eines Legierungspulvers,
- weniger als 5 Gew.-% eines Gleitmittels, und
- weniger als 5 Gew. - % eines Additivs

besteht.

Die Zeichnungen werden wie folgt erläutert:

Fig. 1 betrifft eine graphische Darstellung, die den Einfluß der Bindemittelkonzentration auf die Staubresistenz wiedergibt;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung über den Einfluß der Bindemittelkonzentration auf die Durchfluß rate;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung über den Einfluß der Bindemittelkonzentration auf den Verdich tungsdruck;

Fig. 4 betrifft eine graphische Darstellung, die den Einfluß der Bindemittelkonzentration auf die Dimensionsveränderung der Form zeigt.

Vom Erfinder wurden detaillierte Untersuchungen zur Herstellung von entmischungsfreien Mischungen durchge führt, wobei Kleben, Stäuben oder Segregationen praktisch eliminiert wurden. Der hier verwendete Ausdruck "entmi schungsfrei" soll bedeuten, daß in metallurgischen Mischungen die legierenden Komponenten (wie z. B. Graphit, Kupfer, Nickel und dergl.), Gleitmittel oder andere sekundäre Pulver nicht länger anfällig sind gegen Kleben, Stäuben oder Segregation.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit eisenhaltigen Pulvern, wie Stahlpulvern, die typischerweise hergestellt werden durch Austragen des geschmolzenen Stahls aus einer Pfanne in einen Tundish, wo der geschmolzene Stahl nach dem Hindurchleiten durch feuerfeste Düsen mittels Hochdruck-Wasserstrahl atomisiert wird. Der zerkleinerte Stahl wird dann getrocknet und anschließend geglüht zur Entfernung von Sauerstoff und Kohlenstoff. Der erhaltene Kuchen wird danach wieder zu einem Pulver zerbrochen.

Im wesentlichen kann jedes eisenhaltige Pulver mit einer maximalen Teilchengröße von weniger als 300 µm in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen verwendet werden. Typische eisenhaltige Pulver sind Stahlpulver, ein schließlich nichtrostenden oder legierten Stahlpulvern. Atomet® 1001, 4201 und 4601-Stahlpulver der Quebec Metal Powders Ltd., Tracy, Quebec, Canada, sind repräsen tativ für legierte Stahlpulver. Diese Atomet®-Pulver enthalten zu mehr als 97 Gew.-% Eisen und haben eine Fülldichte von 2,85 bis 3,05 g/cm³ sowie eine Durchfluß rate von 24 bis 28 Sekunden pro 50 g. Atomet®- Stahlpulver 1001 besteht zu mehr als 99 Gew.-% aus Eisen, während die Stahlpulver 4201 und 4601 jeweils enthalten 0,6 und 0,55 Gew.-% Molybdän sowie 0,45 und 1,8 Gew.-% Nickel. Im Grunde genommen kann aber jedes Stahlpulver verwendet werden.

Obgleich gefunden wurde, daß das Bindemittel Polyvinyl pyrrolidon besonders wirksam bei Einsatz von Atomet®- Stahlpulvern ist, können auch Eisenpulver als eisenhal tige Pulver für die erfindungsgemäßen Mischungen verwendet werden. Derartige Eisenpulver haben einen Eisengehalt von mehr als 99 Gew.-% sowie von weniger als 0,2 Gew.-% an Sauerstoff und 0,1 Gew.-% an Kohlenstoff. Atomet®-Eisenpulver haben im allgemeinen eine Füll dichte von wenigstens 2,50 g/cm³ sowie eine Durchflußrate von weniger als 30 Sekunden pro 50 g.

Die gemäß der Erfindung vorliegenden sekundären Materia lien schließen legierende Stoffe, wie Graphit und anderen metallurgischen Kohlenstoff, Kupfer, Nickel, Molybdän, Schwefel oder Zinn sowie andere metallische Materialien ein; Handhabung, Verwendung und Methoden zu deren Einbringung in die eisenhaltigen Pulvermischungen sind dem Fachmann wohlbekannt. Im allgemeinen ist der Gesamtgehalt an legierenden Pulvern weniger als 15 Gew.-% und gewöhnlich unter 10 Gew.-%. Bei den meisten Anwendun gen werden weniger als 3 Gew.-% an legierendem Pulver in die Pulvermischungen gemäß der Erfindung eingebracht. Am üblichsten ist es, daß die maximale Teilchengröße der legierenden Stoffe nicht größer ist als die der eisenhal tigen Pulver. Es ist erwünscht, daß die maximale Teilchengröße der legierenden Stoffe bei höchstens etwa 150 µm, vorzugsweise bei etwa 50 µm liegt. Insbesondere beträgt die mittlere Teilchengröße der legierenden Stoffe höchstens etwa 20 µm.

Andere sekundäre Materialien, die üblicherweise einge bracht werden, sind dem Fachmann bekannt und umfassen z. B. Gleitmittel, wie Zinkstearat, Stearinsäure, Wachs usw. Solche Gleitmittel werden gewöhnlich in Mengen bis zu etwa 5 Gew.-% in den gemischten Pulvern verwendet. Vorzugsweise liegen sie in Mengen von weniger als etwa 2 Gew.-% vor und insbesondere von weniger als etwa 1 Gew.-%. Die Gleitmittel haben typischerweise einen mittleren Teilchendurchmesser von nicht mehr als etwa 100 µm. Erwünscht ist, daß die maximale Teilchengröße vom Gleitmittel nicht größer als etwa 100 µm ist, insbesondere nicht mehr als 50 µm. Noch mehr bevorzugt wird ein mittlerer Teilchendurchmesser der Gleitmittel von nicht mehr als 25 µm. Sofern das Gleitmittel in der Form von Aggregaten vorliegt, beziehen sich die obigen Teilchenbe grenzungen auf die mittleren Teilchengrößen der Agglome rate.

Andere Zusatzstoffe, die eingebracht werden können, sind dem Fachmann bekannt und umfassen z. B. solche sekundäre Materialien wie Talkuum, Mangansulfid, Bornitrid, Eisenphosphor und dergl. Derartige Zusatzstoffe werden typischerweise in Mengen bis zu 5 Gew.% in den gemisch ten Pulvern verwendet. Vorzugsweise liegen sie in den Mengen von weniger als 2 Gew.-% vor und insbesondere unterhalb von etwa 1 Gew.-%. Diese Zusätze haben im allgemeinen einen mittleren Teilchendurchmesser von nicht mehr als etwa 50 µm. Eine maximale Teilchengröße von nicht mehr als etwa 50 µm ist gewünscht, vorzugsweise von nicht mehr als 20 µm. Insbesondere ist die mittlere Teilchen größe der Additive nicht mehr als 5 µm. Sofern die Additive als Agglomerate vorliegen, beziehen sich die vorgenannten Teilgrößen auf die Teilchengrößen der Agglomerate. Verschiedene andere, dem Fachmann bekannte Materialien, einschließlich anderer Bindemittel, können ebenfalls eingesetzt werden.

Die Bindemittel werden in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst und in die Pulvermischung als feiner Nebel eingesprüht. Nach der Homogenisierung in einem Mischer wird die Mischung getrocknet durch Evakuierung und/oder Verdampfung des Lösungsmittels mit nachfolgender Wieder gewinnung des entfernten Lösungsmittels durch Kondensa tion für den erneuten Einsatz. Die Verdampfung des Lösungsmittels verursacht eine Erniedrigung der Produkt temperatur unter Herabsetzung der Verdampfungsrate und Erhöhung der Trockenzeit. Durch Zirkulation einer Flüssigkeit bei einer kontrollierten Temperatur durch eine Ummantelung des Mischers kann die Produkttemperatur gehalten und die Trockenzeit verkürzt werden.

Bei den Versuchen wurde Atomet® 1001-Stahlpulver als Basispulver verwendet, zu dem 0,8% an South Western 1651 Graphit und 0,8% Whitco Zinkstearat (ZnSt) zugegeben wurden. Die eingesetzten Bindemittel waren Polyvinylpyr rolidon (GAF:PVP K 15) sowie Polyvinylacetat (Union Carbide: AYAA-Harz) und Polyvinylbutyral (Monsanto: Butvar B-74). Die Bindemittel wurden in Methanol gelöst mit einer Feststoffkonzentration von 10 Gew.-% zur Einbringung in die Mischung. Tabelle 1 veranschaulicht das bei den Untersuchungen eingehaltene Versuchsprogramm.

Tabelle 1

Die Wirkung der Bindemittel wurde bestimmt durch Messung der Resistenz der Pulvermischungen gegen Stäuben, und zwar durch Fluidisieren mittels eines Gasstroms (Luft, Stickstoff usw.) und Ermittlung der Fließbarkeit der Mischung. Ferner wurde der Einfluß der Bindemittelkon zentration und der verschiedenen Bindemittelsysteme auf grüne und gesinterte Eigenschaften der Pulvermischungen, die auf eine grüne Dichte von 6,8 g/cm³ verdichtet waren, festgestellt.

Bei dem Test für die Staubresistenz wurde Luft bei einer konstanten Durchflußrate von 6,0 L/min während 10 Minuten durch ein Rohr mit einem Durchmesser von 2,5 cm geleitet, in dem das Versuchsmaterial auf einem 400 Maschen-Sieb plaziert war. Dadurch wurden das Versuchsmaterial aufgewallt und die feineren Teilchen (wie Graphit) mitgerissen infolge des großen Oberflächen/Volumen- Verhältnisses und niedrigen spezifischen Gewichts. Graphit und die anderen ähnlichen Stoffe wurden in einem Staubkollektor abgeschieden.

Für das Lösungsmittel-Wiedergewinnungs-System wurde die gesamte Trockenzeit als Funktion der Temperatur von Heiz/Kühl-System bestimmt. Dieses System regelt die Temperatur des zufließenden Öls, welches durch die Ummantelung des Mischers zirkuliert, und ermöglicht die Feststellung des Temperatureinflusses.

Vor der Festlegung des Vorrichtungsbedarfs wurden noch Versuche durchgeführt zur Ermittlung dessen, ob die Reihenfolge der Zugabe der einzelnen Materialien in die Mischung einen Einfluß auf die Qualität der Mischung hat. Tabelle 2 zeigt die untersuchten Sequenzen.

Tabelle 2

Bei "A" wurde das Stahlpulver unter Vermischen mit der Bindemittellösung besprüht. Dies wurde während 5 Minuten fortgesetzt, woraufhin Graphit und Gleitmittel zugegeben wurden. Bei "B" wurden Gleitmittel und Graphit dem Stahlpulver zugesetzt und während 5 Minuten vermischt, wonach die Bindemittellösung eingesprüht wurde. Im Anschluß an Stufe 3 wurde sowohl bei "A" als auch bei "B" das Vermischen noch 30 Minuten fortgesetzt, wobei periodisch Proben gezogen wurden.

Aus der Untersuchung der Proben ergab sich, daß die Sequenz "A" zu manchem unerwünschten Agglomerationen von ZnSt und Graphit führten; bei der Sequenz "B" wurden diese nicht festgestellt. Indessen konnten nach der Entfernung der Agglomerate durch Siebung keine Differen zen in physikalischer oder metallurgischer Hinsicht bei der Verarbeitung der sonst übereinstimmenden Mischungen gemäß Sequenz "A" und "B" beobachtet werden. Insofern als jedoch die Sequenz "B" zu keiner Agglomeratbildung führte, wurden die nachfolgenden Mischungen unter Einhaltung dieser Arbeitsweise durchgeführt.

Bei der für die Herstellung von entmischungsfreien Mischungen entwickelten Technik ist eine wesentliche Menge an Flüssigkeit in die Mischung einzumischen (z. B. etwa 200 Liter für eine Mischung von 20 metric tons (=20.000 kg). Demzufolge ist die Einbringungsart des Lösungsmittels ein wesentlicher in Betracht zu ziehender Parameter. Drei verschiedene Methoden der Flüssigkeits zugabe wurden untersucht.

Bei der ersten wurde die Bindemittellösung einfach in seiner Gänze in den Mischer durch die Zuführöffnung eingegossen. Bei der zweiten wurde die Bindemittellösung durch Schwerkraft über eine Dispersionsbarre, die um die Achse des Mischers rotiert, eingespeist. Die dritte Methode der Flüssigkeitszugabe erfordert eine spezielle Pumpe und Düse zum Einsprühen des flüssigen Bindemittels, damit keine Druckänderung im Inneren des Mischers verursacht wird.

Bei Anwendung des Sprühsystems wird die für das Erzielen einer homogenen Mischung benötigte Zeit wesentlich verkürzt (5 bis 10 Minuten). Der sehr feine Nebel, der mit diesem System erzielt werden kann, verteilt das Bindemittel gleichmäßig und zu keinem Zeitpunkt war dort irgendeine Akkumulation der Bindemittellösung in der Mischung. Bei den Verfahren unter Verwendung der Dispersionsbarre oder mittels Eingießen zeigten sich zwar in den ersten Stadien des Einmischens einige slurry ähnliche Bereiche, jedoch wurden mit wachsender Ein mischzeit homogene Mischungen festgestellt. Resistenz gegen Stäuben und Fließeigenschaften waren, wenn einmal homogene Mischungen vorlagen, praktisch übereinstimmend mit denen des. Sprühverfahrens. Gleichwohl hält es der Erfinder für wahrscheinlich, daß einige Teilchen der Mischung bei der Dispersionsbarren oder Eingieß-Methode überbeschichtet sind. Die metallurgischen Eigenschaften waren von einem zum anderen Einfüllsystem artgleich.

Nach der Vervollständigung der Mischung wird das Lösungsmittel entfernt oder verdampft unter Hinterlassung der zugemischten Stoffe als gut eingebundener, dünner, fester Film, der die Eisenteilchen überdeckt. Dieser feste klebfreie Film verbessert - so wird angenommen - die Fließeigenschaften. Wenn das Lösungsmittel nicht evaporiert wird, so trocknet die Mischung von selbst nicht hinreichend. Demzufolge lassen sich die mit den entmischungsfreien Mischungen verbundenen verbesserten Fließ- und Stäubungseigenschaften nicht verwirklichen. Insofern ist ein Teil der für die Erzielung von ent mischungsfreien Mischungen benötigten Vorrichtungen ein Trocken oder Vakuum-System.

Das Vakuum-System wird üblicherweise mit einer Konden sationskammer zur Rückgewinnung des Lösungsmittels verbunden. Innerhalb dieses Rückgewinnungs-Systems wird das den Mischer verlassende Gas mit dem Lösungsmittel gesättigt, welches sich dann in der Kondensationskammer niederschlägt. Das Lösungsmittel kann dann wiederverwen det werden, wodurch die Herstellungskosten herabgesetzt werden.

Die Gesamttrockenzeit hängt sehr stark ab von der Produktionstemperatur. Die Erhöhung der Produktionstempe ratur führt zu einer Erhöhung der Verdunstungsrate sowie Abnahme der Trockenzeit und umgekehrt. Die Produkttempe ratur kann leicht reguliert werden, z. B. durch Zirkula tion einer Flüssigkeit oder eines Gases bei eingestellter Temperatur durch die Ummantelung des Mischers.

Die Trockenzeit der Mischungen wurde zunächst ohne Kontrolle der Produkttemperatur registriert. Extrem lange Trockenzeiten wurden benötigt, nachdem - sobald als Vakuum auf das Produkt angelegt war - die Produkttempe ratur abnahm. Infolge der Temperaturherabsetzung sank die Evaporationsrate und erforderte Trockenzeiten bis zu 1-1/2 Stunde. Anschließend wurde dann die Temperatur der in der Ummantelung des Mischers zirkulierenden Flüssig keit eingestellt auf 38, 52 und 66°C. Mit der Erhöhung der Flüssigkeitstemperatur wurde die Produkttemperatur höher gehalten, wodurch die Gesamttrockenzeit gesenkt wurde. Bei einer Temperatur der Flüssigkeit von 60°C oder höher erreichte die Produkttemperatur hohe Werte.

Indessen können - so wird angenommen - hohe Produkt temperaturen während des Mischens dazu führen, daß Gleitmittel (Wachs, ZnSt, Stearinsäure usw.) erweichen und so die Pulvereigenschaften beeinflussen. Die optimale Flüssigkeitstemperatur wurde unter den besonderen Testbedingungen als zwischen 50 bis 55°C liegend gefunden. Bei diesen Temperaturen konnte die Produkttem peratur bei etwa 25°C gehalten werden und die Trockenzeit war knapp unter 0,5 Stunden.

Der Einfluß der verschiedenen Bindemittel auf die Pulvereigenschaften der Mischungen sind in den Figuren 1 bis 4 dargestellt. Für Mischungen ohne jeden Bindemittel zusatz wurde eine Resistenz gegen Stäuben von 30% gemessen (Fig. 1). Das Bindemittel PVP-K15 wurde bei 4 verschiedenen Konzentrationen untersucht, und zwar 0,05, 0,10, 0,125 und 0,175%. Bei einer Bindemittelkonzentra tion von 0,125% betrug die Staubresistenz etwa 95% und war ausgezeichnet. Bei 0,10% an PVP-K15 war die Staub resistenz 88%.

Die Fig. 2 erläutert die verbesserte Durchflußrate, die mit Bindemitteln erhalten wird. Bei einer Konzentration von 0,125% an PVP oder PVAc wurde die Durchflußrate von 30 s/50g (für eine Mischung ohne Bindemittel) auf etwa 23 s/50g verbessert.

Die Grüneigenschaften von aus bindemittelhaltigen Mischungen hergestellten Teilen wurden als nur wenig beeinflußt gefunden.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, war der für eine Gründichte von 6,8 g/cm³ erforderliche Verdichtungsdruck um etwa 1tsi (≈154,44 bar) höher im Vergleich zu einer Mischung mit einer 0,125%-Konzentration an PVP. Butvar hat einen stärker nachteiligen Einfluß auf die Verdicht barkeit. Ein anderer Weg zur Wiedergabe der Beeinflussung der Verdichtbarkeit beruht auf der Messung der Gründichte bei demselben Verdichtungsdruck (ASTM B331-76). Bei 30 tsi (≈4632 bar) wurde bei einer 0,125%-Konzentration von PVAc oder PVP eine Abnahme um 0,02 bis 0,03 g/cm³ beobachtet gegenüber einer bindemittelfreien Mischung.

Erfindungsgemäß wird Polyvinylpyrrolidon der Stahlpulver mischung in einer Menge bis zu höchstens etwa 0,2 Gew.-% (trocken) zugesetzt, bevorzugt bis zu etwa 0,15 Gew.-% und insbesondere bis zu höchstens 0,1 Gew.-%. Sofern Eisenpulver anstelle von Stahlpulver verwendet wird, setzt man im allgemeinen mehr Polyvinylpyrrolidon zu. Wenn also Eisenpulver als eisenhaltige Pulver verwendet werden, wird das Polyvinylpyrrolidon in einer Menge bis zu höchstens etwa 0,3 Gew.-% (trocken) zugesetzt, bevorzugt bis zu 0,25 Gew.-% und insbesondere bis zu höchstens 0,2 Gew.-%. Am meisten bevorzugt ist es jedoch, überhaupt nicht mehr Polyvinylpyrrolidon den eisenhal tigen Pulvermischungen zuzusetzen, als zur Verbesserung des Einflusses auf die Pulvermischungen hinsichtlich des Stäubens und der Erzielung der Segregationsfreiheit der Mischung notwendig ist.

Wenn auch keine besonderen Begrenzungen für das erfin dungsgemäß verwendete Polyvinylpyrrolidon-Bindemittel bestehen, so ist es doch bevorzugt, daß es zur Verbes serung der Löslichkeit in einem Lösungsmittel und der Verteilbarkeit in der Pulverzusammensetzung minimalst vernetzt ist.

Auch ist es - obgleich kein maximales Molekulargewicht für das Polymer vorgesehen ist - wünschenswert, hochpolymere Produkte nicht zu verwenden, da sie dazu neigen, zu enthüllen (disclose) und langsam zu dispergie ren. Üblicherweise kommen Molekulargewicht bis zu 400 000 in Frage, und Polymere im Bereich von 10 000 bis 100 000 werden bevorzugt.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, Copolymere des Vinylpyrrolidons zu verwenden. Sofern im Rahmen der Erfindung ein solches Copolymer für die Verwendung als Bindemittel ausgewählt wird, ist es bevorzugt, aus der Gruppe der Monomeren Vinylacetat und dergl. als Comonomer zu nehmen. Es ist weiter bevorzugt, daß das Vinylpyrro lidon-Monomer zu wenigstens 50% der Monomereinheiten im Copolymer vorliegt; besonders bevorzugt ist, daß wenigstens 70% der Monomereinheiten im Copolymer auf Vinylpyrrolidon entfallen.

Polyvinylpyrrolidon ist in hohem Maße löslich in vielen organischen Lösungsmitteln, wie Alkoholen, Säuren, Estern, Ketonen, chlorierten Kohlenwasserstoffen, Aminen, Glykolen, Lactamen und Nitroparaffinen Die Löslichkeit des Polymeren in Wasser ist an sich allein begrenzt durch die Viskosität der resultierenden Lösung. Generell kann jedes gewünschte Lösungsmittel verwendet werden, indessen sind Alkohole bevorzugt und am meisten Methanol. Idealerweise wird so wenig als möglich vom Lösungsmittel eingesetzt; im allgemeinen werden jedoch 10%ige Lösungen verwendet. Das Polyvinylpyrrolidon kann aber natürlich auch in trockener Form sowohl mit den trockenen oder angefeuchteten Pulvermischungen vermischt werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß verschiedene Modifikatio nen der hier angeführten bevorzugten Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne daß dadurch vom Geist oder Umfang der Erfindung abgewichen wird oder ein Verlust der erzielbaren Vorteile eintritt.

Insofern sollten auch andere Beispiele in den Bereich der Erfindung fallen, sofern sie die in irgendeinem der nachfolgenden Ansprüchen niedergelegten Merkmale oder deren Äquivalente benutzen.

Claims

1. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel für eine Pulver zusammensetzung, die aus
einem eisenhaltigen Pulver mit einer maximalen Teilchengröße von höchstens 300 µm und
wenigstens einem von

- weniger als 15 Gew.-% eines Legierungspulvers,
- weniger als 5 Gew.-% eines Gleitmittels, und
- weniger als 5 Gew.-% eines Additivs

besteht.

2. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 1, worin das legierende Pulver, Gleitmittel oder Additiv eine maximale Teilchengröße, die kleiner als die des eisenhaltigen Pulvers ist, hat.

3. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 2, worin das eisenhaltige Pulver ein Stahlpulver ist und das Bindemittel in einer Menge von weniger als 0,2 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,15 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 0,1 Gew.- %, vorliegt.

4. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 2, worin das eisenhaltige Pulver ein Eisenpulver ist und das Bindemittel in einer Menge von weniger als 0,3 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,25 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 0,2 Gew.-%, vorliegt.

5. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 3 oder 4, worin das legierende Pulver in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% vorliegt.

6. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 3 oder 4, worin das legierende Pulver in einer Menge von weniger als 3 Gew.-% vorliegt.

7. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 5, worin das legierende Pulver eine maximale Teilchengröße von weniger als etwa 150 µm hat.

8. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 7, worin das legierende Pulver in einer Menge von weniger als 3 Gew.-% vorliegt.

9. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 6, worin das legierende Pulver eine maximale Teilchengröße von weniger als etwa 50 µm aufweist.

10. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 4, worin das legierende Pulver in einer Menge von weniger als 3 Gew.-% vorliegt und eine mittlere Teilchengröße von weniger als 20 µm aufweist.

11. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 3 oder 4, worin das Gleitmittel in einer Menge von weniger als 2 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-%, vorliegt.

12. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 11, worin das Gleitmittel eine maximale Teilchengröße von weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 50 µm, aufeist.

13. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 3 oder 4, worin das Gleitmittel in einer Menge von weniger als 1 Gew.-% vorliegt und eine mittlere Teilchengröße von weniger als 25 µm aufweist.

14. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 3 oder 4, worin das Additiv in einer Menge von weniger als 2 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-%, vorliegt.

15. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 3 oder 4, worin das Additiv eine mittlere Teilchengröße von weniger als 50 µm aufweist.

16. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 14, worin das Additiv eine maximale Teilchengröße von weniger als 50 µm, insbesondere weniger als 20 µm, aufweist.

17. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 3 oder 4, worin das Additiv in einer Menge von weniger als 1 Gew.-% vorliegt und eine mittlere Teilchengröße von weniger als 5 µm aufweist.

18. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 2, worin das Bindemittel ein Molekulargewicht von weniger als 400 000 aufweist.

19. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 18, worin das Bindemittel ein Molekulargewicht zwischen 10 000 und 100 000 hat.

20. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 18, worin das Bindemittel ein Copolymer aus Vinylpyrrolidon mit wenigstens etwa 50% an Monomereinheiten aus Vinylpyrrolidon ist.

21. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 20, worin in dem Copolymer wenigstens etwa 70% der Monomereinheiten auf Vinylpyrrolidon entfallen.

22. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 21, worin das Copolymer ein solches aus Vinylpyrrolion und Vinylacetat ist.

23. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 2, worin das Bindemittel ein Homopolymer ist.

24. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 23, worin das Bindemittel ein Molekulargewicht von weniger als 400 000 hat.

25. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß Anspruch 24, worin das Bindemittel ein Molekulargewicht von etwa 10 000 und 100 000 hat.

26. Verwendung von Polyvinylpyrrolidon als Bindemittel gemäß einem jeden der Ansprüche 18, 19, 24 oder 25, worin das Bindemittel wasserlöslich ist.