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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft neue Schmiermittel für metallurgische
Pulverzusammensetzungen genauso wie Metallpulverzusammensetzungen,
die diese Schmiermittel enthalten. Im Einzelnen betrifft die Erfindung
auf Eisen basierende Pulverzusammensetzungen, die die neuen Schmiermittel
einschließen,
genauso wie Kompaktkörper,
die aus diesen Zusammensetzungen hergestellt sind und die durch
eine hohe Grünfestigkeit
unterscheidbar sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Grünfestigkeit
ist eines der wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Grünteilen.
Die Wichtigkeit dieser Eigenschaft vergrößert sich, wenn die P/M-Teile
größer sind
und ihre Geometrie komplexer wird. Die Grünfestigkeit vergrößert sich
mit zunehmender Kompaktkörperdichte
und wird durch Art und Menge des Schmiermittels, dem Pulver zugemischt
wird, beeinflusst. Die Grünfestigkeit
wird auch durch die Art des verwendeten Pulvers beeinflusst. Eine
andere Möglichkeit
zum Erreichen einer hohen Grünfestigkeit
ist es, das Mischen und/oder die Verdichtung des Metallpulvers bei
erhöhten
Temperaturen durchzuführen.
Eine hohe Grünfestigkeit
wird benötigt,
um zu verhindern dass Kompaktkörper
während
dem Ausstoß aus
dem Verdichtungswerkzeug Risse bilden und zu verhindern, dass diese
während
der Handhabung und dem Transport zwischen der Presse und dem Sinterofen
beschädigt
werden. Gegenwärtig
verwendete Kompaktkörper
mit einer relativ hohen Grünfestigkeit
werden vorteilhafterweise aus Schwammeisenpulvern hergestellt, wohingegen Schwierigkeiten
hinsichtlich der Herstellung von Kompaktkörpern aus atomisierten Pulvern
aufgetreten sind, trotz der Tatsache, dass ein atomisiertes Pulver
stärker
komprimierbar ist und somit eine höhere Gründichte ergibt.
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Aufgaben der
Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, kompaktierte Körper mit
einer hohen Grünfestigkeit bereitzustellen
und eine Haltbarkeit zur Handhabung nach Verdichtung und Ausstoß aus dem
Werkzeug sicherzustellen.
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Eine
zweite Aufgabe ist es, ein neues Schmiermittel bereitzustellen,
das die Herstellung von derartigen Kompaktkörpern aus hochkomprimierbaren
Eisenpulvern ermöglicht,
wie etwa atomisierte Eisenpulver oder hochkomprimierbare Eisen-basierte
Pulver.
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Eine
dritte Aufgabe ist es, eine auf Eisen-basierte Pulverzusammensetzung
bereitzustellen, die auf Eisen-basiertes
Pulver und das neue Schmiermittel einschließt.
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Eine
vierte Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung von verdichteten
Körpern
mit hoher Grünfestigkeit,
wenn bei Umgebungstemperatur verdichtet, bereitzustellen.
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Eine
fünfte
Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Grünkörpern mit
hoher Festigkeit trotz vergleichsweise niedriger Dichte bereitzustellen.
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Andere
Aufgaben der Erfindung werden aus dem folgenden Text ersichtlich.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
hat sich nun herausgestellt, dass die vorstehenden Aufgaben durch
neue Schmiermittel gelöst
werden können,
die 10 bis 60 Gew.-% Polyethylenether umfasst, das ein Polyethylenglycol
oder ein Polyethylenoxid ist, wobei der Rest ein Oligomeramid mit
einem Gewichtsdurchschnitts-Molekulargewicht
von wenigstens 1000 g/mol ist und die vorliegende Erfindung so solche
Schmiermittel betrifft.
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Die
Erfindung betrifft auch eine verbesserte metallurgische Pulverzusammensetzung,
die eine Hauptmenge eines auf Eisen basierenden Pulvers einer Gewichtsdurchschnitts-Teilchengröße in dem
Bereich von ungefähr
25–350 μm und eine
kleinere Menge dieses neuen Schmiermittels umfasst. Darüber hinaus
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Grünkörpern mit
hoher Grünfestigkeit,
während
eine niedrige Ausstoßkraft
und niedriger Ausstoßenergie
beibehalten wird. Zudem stellt das Verfahren die Haltbarkeit zum Handhaben
nach Verdichtung und Ausstoß aus
dem Werkzeug sicher, wie durch die niedrigen Rattler-Werte bewiesen.
Das Verfahren umfasst die Schritte des Mischens eines auf Eisen
basierenden Pulvers und gegebenenfalls Zusatzstoffen mit dem neuen
Schmiermittel und Verdichten der erhaltenen Pulverzusammensetzung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Im
Einzelnen besteht das neue Schmiermittel im Wesentlichen aus einer
Art von Polyether, wenn die Monomerwiederholungseinheit Ethylether
ist. Der Name Polyethylenether wird in diesem Zusammenhang verwendet,
um das Polymer zu beschreiben. Abhängig von dem Molekulargewicht
und der Ausgangsverbindung für
die Polymerisation, können
Polyethylenether in Polyethylenglycol (PEG) mit niedrigerem Molekulargewicht, und
Polyethylenoxid (PEO) mit höherem
Molekulargewicht eingeteilt werden. Der Gehalt an Polyethylenether in
dem neuen Schmiermittel ist zwischen 10 bis 60 Gew.-% des Schmiermittels,
wobei der Rest ein Oligomeramid mit einem Gewichtsdurchschnitts-Molekulargewicht
von wenigstens 1000 g/mol ist. Um die hohe Grünfestigkeit in Kombination
mit niedrigen Rattler-Werten zu erhalten, sollte der Polyethylenethergehalt
des neuen Schmiermittels wenigstens 20 und insbesondere bevorzugt
wenigstens 30 % betragen. Wenn die Menge an Polyethylenether oberhalb
60 % ist, wird die Grünfestigkeit
verringert. Unter Berücksichtigung
der Grünfestigkeit
werden die höchsten
Werte mit Schmiermitteln erhalten, die zwischen 30 und 50 % PEO
einschließen,
wobei der Rest das Oligomeramid ist.
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Die
Verwendung von Polyethylenglycolen in Kombination mit auf Eisen
basierenden Pulvern wird in dem US Patent 6 224 823 offenbart, gemäß welchem
hohe Grünfestigkeiten
erhalten werden können,
wenn die Polyethylenglycole ein Molekulargewicht von weniger als
7000 g/mol besitzen und das Verdichtungsverfahren bei einer erhöhten Temperatur durchgeführt wird.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung, welche die Herstellung von Grundkörpern betrifft, indem die Pulver
bei Umgehungstemperatur (normalerweise ungefähr 15 bis ungefähr 35°C) verdichtet
werden, ist herausgefunden worden, dass Polyethylenether mit Molekulargewichten
von oberhalb 700 g/mol unerwartete Vorteile besitzen, wenn sie mit
den Oligomeramiden kombiniert werden.
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Geeignete
Polyethylenether, die gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, werden in dem US Patent 5 498276 offenbart.
Diese Polyethylenether sind feste, teilchenförmige Substanzen mit einem Gewichtsdurchschnitts-Molekulargewicht
zwischen ungefähr
10 000 und ungefähr
4000 000.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sollten die Polyethylenether vorzugsweise ein Gewichtsdurchschnitts-Molekulargewicht
zwischen ungefähr
20 000 und ungefähr
400 000 g/mol besitzen. Insbesondere bevorzugt sollten die Ether
ein Gewichtsdurchschnitts-Molekulargewicht zwischen 50 000 und 300
000 g/mol besitzen. Beispiele von bevorzugten Materialien sind Oxide
mit einem Molekulargewicht von 100 000 g/mol oder 200 000 g/mol.
Wenn das Molekulargewicht weniger als 20 000 beträgt, wird
die Grünfestigkeit
nicht ausreichend hoch sein und wenn das Molekulargewicht 400 000
g/mol übersteigt,
können
Teilchen innerhalb des gewünschten
Größenbereichs
nicht mit herkömmlichen
Verfahren erhalten werden.
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Die
Verwendung von Polyethern in Verbindung mit Pulvermetallzusammensetzungen
ist auch aus den US Patentschriften 5290336, 6126715 und 6039784
bekannt.
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Diese
Patentschriften lehren unter anderem, dass Polyether als ein Mittel
zum Verbessern der Grünfestigkeit
und zum Verringern der Ausstoßkraft
verwendet werden können.
Es ist auch offenbart, dass Polyether mit verschiedenen Schmiermitteln,
wie etwa Stearaten und Wachsen, vermischt werden können. Gemäß der US
Patentschrift 5498276 sollten die Polyether vorzugsweise in Mengen
von wenigstens 90 bis 100 % des Schmiermittels, das in der Zusammensetzung
verwendet wird, verwendet werden.
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Im
Gegensatz zu dieser Lehre ist nun herausgefunden worden, dass zum
Erreichen der unerwarteten Ergebnisse gemäß der vorliegenden Erfindung
die Polyethylenether in Mengen von weniger als 90 % verwendet werden
sollten, und, dass das Polyethylenether mit einem Oligomeramid mit
einem Gewichtsdurchschnitts-Molargewicht von wenigstens 1000 g/mol
kombiniert werden sollte, wohingegen Kombinationen von Polyethylenether
mit verschiedenen Arten von anderen gewöhnlich verwendeten Schmiermitteln,
wie etwa Ethylenbisstearamid, wie in den vorstehenden Patenten vorgeschlagen,
nicht erfolgreich gewesen sind.
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Die
Oligomeramide, die gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, sind aus der US Patentschrift 5744433
bekannt. Gemäß dieser
Patentschrift werden die Oligomere als Schmiermittel in Metallpulverzusammensetzungen
verwendet. Diese Oligomere besitzen ein Gewichtsdurchschnitts-Molekulargewicht Mw von höchstens
30 000 und wenigstens 1000. Zudem besitzen diese Oligomeramide einen
Schmelzpunktpeak in dem Bereich von 120° bis 200°C. Insbesondere bevorzugt variiert
Mw zwischen 2000 und 20 000. Es wird auch
gelehrt, dass wenigstens 80 % des Schmiermittels, vorzugsweise wenigstens
85 % und insbesondere bevorzugt 90 Gew.-% des Schmiermittels aus
dem Oligomeramid hergestellt ist.
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Darüber hinaus
lehrt die US Patentschrift 5744433, dass diese Amide zur Warm-Verdichtung
verwendet werden. Wenn diese Amide zur Kalt-Verdichtung verwendet
werden, d.h. Verdichtung bei Umgebungstemperatur, wird die Ausstoßkraft zu
hoch für
die industrielle Anwendung. Dies ist im Gegensatz zu der vorliegenden
Erfindung, gemäß welcher
die Oligomeramide in Kombination mit Polyethylenether vorteilhafterweise
zur Kalt-Verdichtung verwendet werden, wohingegen schwächere Ergebnisse
erhalten werden, wenn die Pulverzusammensetzungen bei erhöhten Temperaturen
verdichtet werden.
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Wie
in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet, umfasst der
Ausdruck "auf Eisen
basierendes Pulver" Pulver,
die im Wesentlichen aus reinem Eisen hergestellt wurde; Eisenpulver,
das mit anderen Substanzen, die die Festigkeit, die Härtungseigenschaften,
die elektromagnetischen Eigenschaften oder andere erwünschte Eigenschaften
der Endprodukte verbessern, vorlegiert wurden; und Teilchen aus
Eisen, die mit Teilchen von derartigen Legierungselementen (diffusionsgehärtete Mischung
oder rein mechanische Mischung) vermischt wurden. Beispiele von
Legierungselementen sind Kupfer, Molybdän, Chrom, Mangan, Phosphor,
Kohlenstoff in der Form von Graphit und Wolfram, die entweder separat
oder in Kombination, z.B. in der Form von Verbindungen (Fe3P und FeMo) verwendet werden. Unerwartet
gute Ergebnisse werden erhalten, wenn die erfindungsgemäßen Schmiermittel
in Kombination mit atomisierten auf Eisen basierenden Pulvern mit
hoher Verdichtungsfähigkeit
verwendet werden. Im Allgemeinen besitzen derartige Pulver einen niedrigen
Kohlenstoffgehalt, vorzugsweise unterhalb 0,04 Gew.-%. Solche Pulver
beinhalten z.B. Distaloy AE, Astaloy Mo und ASC 100,29, die alle
kommerziell von Höganäs AB, Schweden
erhältlich
sind. Darüber
hinaus kann eine hohe Grünfestigkeit
und niedrige Rattler-Werte für
Grünkörper erhalten
werden, die schwammförmige
Eisenpulver und das neue Schmiermittel enthalten, die auf einer
relativ niedrige Gründichte
verdichtet worden sind.
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Abgesehen
von dem auf Eisen-basierenden Pulver und dem Schmiermittel gemäß der Erfindung, kann
die Pulverzusammensetzung eines oder mehrere Zusatzstoffe enthalten,
die aus der Gruppe ausgewählt sind,
die aus Bindemitteln, Prozesshilfen und harten Phasen bestehen.
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Das
Bindemittel kann zu der Pulverzusammensetzung in Übereinstimmung
mit dem in US Patent Nr. 4,834,800 beschriebenen Verfahren zugegeben
werden.
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Das
in der Pulverzusammensetzung verwendete Bindemittel kann aus z.B.
Celluloseesterharzen, Hydroxyalkylcelluloseharzen mit 1–4 Kohlenstoffatomen
in der Alkylgruppe, oder thermoplastischen Phenolharzen bestehen.
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Die
Verarbeitungshilfen, die in der Metallpulverzusammensetzung verwendet
werden, können
aus Talg, Forsterit, Mangansulfid, Schwefel, Molybdändisulfid,
Bornitrid, Tellur, Selen, Bariumdifluorid und Calciumdifluorid bestehen,
die entweder separat oder in Kombination verwendet werden.
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Die
harten Phasen, die in der Pulverzusammensetzung verwendet werden,
können
aus Carbiden aus Wolfram, Vanadium, Titan, Niob, Chrom, Molybdän, Tantal
und Zirkon, Nitriden von Aluminium, Titan, Vanadium Molybdän und Chrom,
Al2O3, B4C, und verschiedenen keramischen Materialien
bestehen.
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Mit
der Hilfe von herkömmlichen
Techniken werden das auf Eisen basierende Pulver und die Schmiermittelteilchen
mit einer im Wesentlichen homogenen Pulverzusammensetzungen vermischt.
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Vorzugsweise
wird die Schmiermittelzusammensetzung gemäß der Erfindung zu der Metallpufferzusammensetzung
in der Form von festen, zerkleinerten Teilchen zugegeben. Die durchschnittlichen
Teilchengröße des Schmiermittels
kann variieren, aber beträgt
vorzugsweise weniger als 150 μm
ist insbesondere bevorzugt in dem Bereich von 3–100 μm. Wenn die Teilchengröße zu groß ist, wird
es schwierig, dass das Schmiermittel die Porenstruktur der Metallpulverzusammensetzung
während
der Verdichtung verlässt
und das Schmiermittel kann dann große Poren nach dem Sintern hervorrufen,
was zu einem Kompaktkörper
führt,
der verschlechterte Festigkeitseigenschaften zeigt. Wenn die Teilchengröße andererseits
zu klein ist, wird die Schmierung und der Strom sich verschlechtern
und Ausstoßenergie
wird zu hoch sein.
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Die
Menge des für
die Verdichtung der Schmiermittelzusammensetzung verwendeten neuen Schmiermittels
kann höchstens
2 Gew.-% der Zusammensetzung betragen. Vorzugsweise variiert die
Menge zwischen 0,2 und 1,5 Gew.-%.
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Erfindungsgemäß ist es
möglich,
Kompaktkörper
mit einer Grünfestigkeit
von oberhalb 20 und sogar oberhalb 27 MPa ohne das Erfordernis einer
hohen Ausstoßkraft
und/oder hohen Ausstoßenergie
zu erhalten, wenn das Verdichtungsverfahren bei Umgebungstemperatur
(ungefähr
20°C) bei
Drücken
von ungefähr
600 MPa durchgeführt
wird. In dem Zusammenhang der vorliegenden Erfindung kann der Ausdruck "hohe Ausstoßkraft" als mehr als 15
N/mm2 und der Ausdruck "hohe Ausstoßenergie" als mehr als 35 J/cm2 definiert werden.
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Ein
wichtiges und vorteilhaftes Merkmal ist, dass hohe Grünfestigkeiten
und niedriger Materialverlust (niedrige Rattler-Werte) sogar erhalten
werden können,
wenn das neue Schmiermittel enthaltende Zusammensetzungen vermischt
werden und bei Umgebungstemperatur auf relativ niedrige Dichten,
z.B. ungefähr 5,5–6,5 g/cm3, verdichtet werden.
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Wenn
die Grünkompaktkörperprodukte
gesintert werden, können
gute mechanische Eigenschaften erhalten werden. Das Sintern kann
unter herkömmlichen
Bedingungen durchgeführt
werden.
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BEISPIELE
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Die
folgenden Beispiele, die nicht begrenzend sein sollen, stellen bestimmte
Ausführungsformen
und Vorteile der vorliegenden Erfindung dar. Wenn nicht anders angegeben,
sind irgendwelche Prozentsätze
auf einer Gewichtsbasis.
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In
jedem der Beispiele wurden, die die Pulverzusammensetzung zusammensetzen,
bei Umgebungstemperatur (ungefähr
20°C) für 2 Minuten
in einem Gerät
nach Gebrüder
Lödige
vermischt.
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Die
Pulverzusammensetzungen wurden dann bei Umgebungstemperatur in Grünbalken
in einer Form beim angegebenen Druck verdichtet, gefolgt von sintern
in einer 90/10 (90 % N2 und 10 % H2) Atmosphäre für ungefähr 30 Minuten bei Temperaturen
von ungefähr
1120°C bei
einem C Potential von ungefähr
0,5 % gesintert.
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Die
physikalischen Eigenschaften der Pulvermischungen und der Grün- und gesinterten
Balken wurden im Allgemeinen gemäß den folgenden
Testverfahren und Formen bestimmt:
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Die
Ausstoßkraft,
wie hierin definiert, ist eine statische Kraft, die überwunden
werden muss, um einen Ausstoß eines
verdichteten Teils aus einer Form zu initiieren. Diese wird als
de Quotient der Last berechnet, die benötigt wird, um den Ausstoß zu beginnen
und der Querschnittsfläche
des Teils, die in Kontakt mit der Formoberfläche ist, und wird in Einheiten
von N/mm2 dargestellt.
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Die
Ausstoßenergie,
wie hierin definiert ist, das Integral der Kraft, die auf den verdichteten
Körper
angelegt wird, um den Ausstoß fortzusetzen
und den verdichteten Körper
hinsichtlich des gesamten ausgestoßenen Abstands, geteilt durch
die Oberfläche,
die in Kontakt mit der Formoberfläche ist, auszustoßen. Die
Ausstoßenergie
wird in Einheiten von J/cm2 dargestellt.
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Beispiel 1
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Dieses
Beispiel demonstriert die Wichtigkeit der Verwendung von Schmiermittelkombination
gemäß der Erfindung
und, das schwächere
Ergebnisse erhalten werden, wenn Mengen von PEO von weniger als
10 % oder mehr 60 in der Schmiermittelzusammensetzung erhalten werden.
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Atomisiertes
Eisenpulver, 2 % Cu-Pulver, 0,5 % Graphit und 0,8 % des neuen Schmiermittels
wurden vermischt. Das Eisenpulver war ASC 100,29, erhältlich von
Höganäs AB, Schweden,
das Cu-Pulver besaß eine
mittlere Teilchengröße von 75 μm und das
Graphitpulver besaß eine
mittlere Teilchengröße von 5 μm. Das neue
Schmiermittel wurde durch ein Oligomeramid, Orgasol® einem
Gewichtsdurchschnitts-Molekulargewicht von 6000 und PEO mit einem
mittleren Molekulargewicht von 100 000 oder 200 000 hergestellt.
Das zerkleinerte Schmiermittel wurde gesiebt, um eine durchschnittliche
Teilchengröße von weniger
als 75 μm
zu besitzen.
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5
unterschiedliche Schmiermittelproben einschließlich des neuen Schmiermittels
mit der in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung wurden
hergestellt.
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Als
Referenz wurde Ethylenbissteramid, häufig als EBS abgekürzt, verwendet.
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Die
Mischungen wurden für
2 Minuten in einem Gerät
nach Gebrüder
Lödige
mit den Probenschmiermitteln 1–5
vermischt und jede Pulvermischung wurde hinsichtlich scheinbarer
Dichte, Strom, Gründichte
(bei 600 MPa), gesinterte Dichte, Ausstoßkraft, Ausstoßenergie,
Zurückspringen,
Größenänderung,
Grünfestigkeit, Rattler-Wert,
Zugfestigkeit, und Streckfestigkeit untersucht. Das Sintern wurde
bei 1120°C × 30 min
durchgeführt.
Die Atmosphäre
war 90/10 (90 % N2) und 10 % H2).
Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 offenbart.
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Die
vorstehenden Ergebnisse demonstrieren, das unter Verwendung der
erfindungsgemäßen 5chmiermittelzusammensetzung
unerwartet niedrige Werte der Ausstoßkraft und Ausstoßenergie
erhalten werden können.
Diese Eigenschaften und Kombinationen mit der erhaltenen hohen Grünfestigkeit
und niedrigen Rattler-Werten zeigen, dass wir Schmiermittelzusammensetzungen
mit überlegenen
Eigenschaften hinsichtlich der Eigenschaften finden konnten, die
für die
Haltbarkeit nötig
sind, wenn Grünkörper gehandhabt
und transportiert werden.
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Beispiel 2
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Dieses
Beispiel demonstriert den Effekt, der erhalten wurde, wenn das Polyethylenoxid
mit dem häufig verwendeten
EBS (Ethylenbisstearamid) vermischt wurde. Der Test wurde wie in
Beispiel 1 mit dem gleichen Pulver und den gleichen Mengen des Schmiermittels
durchgeführt.
Aus der folgenden Tabelle 3 kann ersehen werden, dass im Wesentlichen
keine Verbesserung der Grünfestigkeit
erhalten wird, wenn PEO mit EBS vermischt wird.
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Beispiel 3
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Dieses
Beispiel demonstriert, dass hohe Grünfestigkeitswerte auch für Grünkörper mit
vergleichsweise niedrigen Dichten erhalten werden können, d.h.
bei dem Pulverzusammensetzungen, die bei niedrigen Drücken verdichtet
wurden.
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Die
folgenden Mischungen wurden hergestellt.
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- MC 100,24 ist ein schwammförmiges Eisenpulver für Högenäs AB, Schweden
- 5 MH 80,23 ist ein schwammförmiges
Eisenpulver für
Högenäs AB, Schweden
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Die
Mischungen 1 und 3 beinhalteten 80 % PEO und 80 Orgasol. Die Mischungen
2 und 4, die das Zinkstearat 10 einschließen, wurden als Referenzen
verwendet. Die Mischungen wurden bei einem Verdichtungsdruck von
230 MPa verdichtet. Wie aus der folgenden Tabelle 5 ersichtlich
ist, kann eine hohe Grünfestigkeit
auch für
Kompaktkörper
mit vergleichsweise niedrigerer Gründichte erhalten 15 werden.
Die niedrigen Rattler-Werte demonstrieren, dass die Haltbarkeit
zum Handhaben nach Verdichtung und Ausstoß aus dem Werkzeug der Grünkörper, die
gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten wurden, vergleichsweise sehr hoch ist.
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