DE69327313T2

DE69327313T2 - Eisenbasis pulver zusammensetzung mit neuem binder/schmiermittel

Info

Publication number: DE69327313T2
Application number: DE69327313T
Authority: DE
Inventors: Sydney Luk
Original assignee: Hoeganaes Corp
Current assignee: Hoeganaes Corp
Priority date: 1992-05-04
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2013-02-20
Also published as: HK1014378A1; TW231978B; US5290336A; JP2612146B2; ES2140454T3; WO1993022469A1; EP0639232A1; KR0168901B1; DE69327313D1; EP0639232B1; JPH07505924A; EP0639232A4; KR950701394A

Description

Bereich der Erfindung:

Diese Erfindung betrifft metallurgische Pulverzusammensetzungen auf Eisenbasis, insbesondere Pulverzusammensetzungen, die ein verbessertes Bindemittel/Gleitmittel enthalten.

Hintergrund der Erfindung:

Die Verwendung von pulvermetallurgischen Techniken bei der Herstellung von Metallteilen ist gut etabliert. Derartige Techniken umfassen typischerweise das Mischen von Eisenbasispulvern mit einem Legierungselement wie Graphit, Kupfer oder Nickel in Pulverform, Verdichtung der Mischung in einer Matrize, das Auswerfen des Preßteils aus der Matrize und das Sintern des Preßteils. Die Gegenwart des Legierungselements erlaubt die Erzielung von Festigkeit und anderen mechanischen Eigenschaften in dem gesinterten Teil zu erreichen, die allein mit Eisenbasispulvern nicht erreicht werden könnten.
Die legierenden Bestandteile, die normalerweise in Eisenbasispulvermischungen verwendet werden, unterscheiden sich typischerweise von dem zugrunde liegenden Eisenbasispulver in der Partikelgröße, -form und -dichte. Beispielsweise ist die durchschnittliche Partikelgröße von Eisenbasispulvern, die bei der Herstellung von gesinterten Metallteilen eingesetzt werden, typischerweise ungefähr 25-150 Mikrometer. Im Gegen satz dazu ist die durchschnittliche Partikelgröße der meisten Legierungsbestandteile, die in Verbindung mit Eisenbasispulvern eingesetzt werden, kleiner als ungefähr 75 Mikrometer und häufig kleiner als ungefähr 20 Mikrometer. Legierungspulver werden deshalb in einem derartig fein verteilten Zustand eingesetzt, um eine schnelle Homogenisierung der Legierungsbestandteile durch Festkörperdiffusion während des Sintervorgangs zu unterstützen. Allerdings macht diese sehr kleine Größe zusammen mit den gesamten Unterschieden zwischen den Eisenbasis- und den Legierungspulvern bezüglich Partikelgröße, -form und -dichte diese Pulvermischungen anfällig für unerwünschte Trennungsphänomene wie Entmischung und Stäuben. Bindemittel werden häufig zugesetzt, um die Pulverpartikel zu verbinden und die Entmischung zu vermindern. Beispielsweise offenbart US-Patent Nr. 4,834,800 von Semel bestimmte wasserunlösliche Harze als Bindemittel.
Ebenso können einer Pulvermischung Gleitmittel zugemischt werden, um die innere Reibung zwischen Partikeln während der Verdichtung zu verringern, um einen leichteren Auswurf des Preßteils aus der Aushöhlung der Matrize zu gewährleisten, um die Abnutzung der Preßform zu reduzieren und/oder um eine einheitlichere Verdichtung der Mischung zu ermöglichen. Übliche Gleitmittel enthalten Feststoffe wie metallische Stearate oder synthetische Wachse. US-Patent Nr. 4,106,932 von Blanchford offenbart die Verwendung von gewissen flüssigen Gleitmitteln in der Form von Mikroeinkapselungen.
Wie man erkennt, reduzieren die meisten bekannten Gleitmittel die Grünfestigkeit des Preßteils. Man nimmt an, daß das Gleitmittel während der Verdichtung zwischen Eisen und Legierungspartikeln so austritt, daß es das Porenvolumen zwischen den Partikeln füllt und in die Partikel/Partikelbindung eingreift. Tatsächlich können gewisse Formen nicht unter Verwendung der bekannten Gleitmittel gepreßt werden. Hohe, dünnwandige Hülsen beispielsweise erfordern große Mengen Gleit mittel, um die Wandreibung zu überwinden und um die benötigte Auswurfkraft zu verringern. Derartige Mengen von Gleitmittel reduzieren allerdings typischerweise die Grünfestigkeit derart, daß die entstehenden Preßteile beim Auswurf zerbröseln. Um diese Probleme zu vermeiden, ist es bekannt, eher die Matrizenwand mit Gleitmittel einzusprayen als das Gleitmittel in die Pulvermischung einzuarbeiten. Allerdings erhöht das Sprayen des Gleitmittels die Verdichtungszykluszeit und führt zu einer weniger gleichmäßigen Verdichtung. Darüberhinaus beeinflussen Gleitmittel wie Zinkstearat häufig die Pulverfließgeschwindigkeit und die offenbare Dichte, wie auch die Gründichte des Preßteils, insbesondere bei höheren Verdichtungsdrücken, ungünstig. Darüberhinaus kann überschüssiges Gleitmittel zu Preßteilen führen, die eine schlechte Maßhaltigkeit aufweisen und verdampftes Gleitmittel kann auf den Heizelementen des Ofens Ruß bilden.
Demzufolge ist es wünschenswert, metallurgische Pulvermischungen zu erhalten, die widerstandsfähig gegen Stäuben und Entmischung sind und die leicht zu festen Grünteilen verdichtet werden können und die leicht aus Matrizenaushöhlungen auszuwerfen sind.

Zusammenfassung der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung offenbart metallurgische Eisenbasispulvermischungen nach Anspruch 1, die durch mechanisches Vermischen von Eisenbasispulver und, fakultativ, Legierungspulver mit einem verbesserten Bindemittel/Gleitmittel hergestellt sind. Das Bindemittel/Gleitmittel enthält zweibasige organische Säure und Poyether. In bevorzugten Ausführungsformen enthält das Bindemittel/Gleitmittel: zweibasige Säure und einen Polyether, der unter Umgebungsbedingungen ein Feststoff ist; zweibasige Säure, festen Polyether und einen Polyether, der unter Umgebungsbedingungen flüssig ist; zweibasige Säure, festen Polyether, flüssigen Polyether und Akrylharz; zweibasige Säure, festen Polyether und Akrylharz; oder zweibasige Säure, flüssigen Polyether und Akrylharz.
Diese neuen Bindemittel/Gleitmittel verbessern eine oder mehrere physikalische Eigenschaften der Pulvermischung, wie offenbare Dichte, Fluß, Kompressibilität und Grünfestigkeit. Weil Preßteile aus den vorliegenden Pulvermischungen eine geringere Kraft für den Auswurf aus Gesenken und Matrizen benötigen, gibt es bei den Werkzeugen geringeren Verschleiß und Abtrag. Ferner können die Mischungen zu komplexen Formen verdichtet werden, die bisher durch pulvermetallurgische Techniken nicht erreicht werden konnten.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung:

Die metallurgischen Pulverzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung werden allgemein durch Mischung von Eisenbasispulver mit einem Bindemittel/Gleitmittel hergestellt. Die Eisenbasispulver, die für die Erfindung hilfreich sind, sind alle Reineisen- oder eisenenthaltenden (einschließlich Stahl- oder ferromagnetische) Pulver, die allgemein für pulvermetallurgische Verfahren benutzt werden. Beispiele sind Pulver aus im wesentlichen reinem Eisen und Pulver aus Eisen, das mit anderen Elementen (zum Beispiel Elemente für die Stahlerzeugung) vorlegiert ist, die die Festigkeit, die Härtbarkeit, die elektromagnetischen Eigenschaften oder andere gewünschte Eigenschaften des Endproduktes verbessern. Die Eisenbasismaterialpulver, die für diese Erfindung nützlich sind, können eine Partikelgröße im gewichteten Mittel von einem Mikrometer oder darunter oder bis zu ungefähr 850-1000 Mikrometer haben, im Durchschnitt werden die Partikel jedoch eine Partikelgröße im gewichteten Mittel in dem Bereich von ungefähr 10-500 Mikrometer haben. Vorzugsweise werden Pulvermischungen eingesetzt, die eine maximale durchschnittliche Partikelgröße von ungefähr 150 Mikrometer haben und darüberhinaus vorzuziehen sind Pulvermischungen, die eine maximale Partikelgröße von ungefähr 100 Mikrometer haben.
Die bevorzugten Eisenbasispulver für die Verwendung in dieser Erfindung sind hochkompressible Pulver aus im wesentlichen reinem Eisen; das heißt, Eisen, das nicht mehr als ungefähr 1,0 Gewichtsprozent vorzugsweise nicht mehr als 0,5 Gewichtsprozent normaler Verunreinigungen enthält. Beispiele derartiger metallurgischer Eisenpulver mit derartiger Reinheitsgüte sind die ANCORSTEEL 1000-Serien von Eisenpulvern, die von der Hoeganaes Corporation, Riverton, NJ erhältlich sind. Ein insbesonders bevorzugtes Pulver ist ANCORSTEEL 1000C-Eisenpulver, das ein typisches Siebprofil von ungefähr 13 Gewichtsprozent Partikel kleiner als Sieb Nr. 325 und ungefähr 17 Gewichtsprozent von Partikeln größer als Sieb Nr. 100 enthält, wobei sich der Rest zwischen diesen beiden Größen (Spuren von Partikeln größer als Sieb Nr. 60) bewegt. Das ANCORSTEEL 1000C-Pulver hat eine offenbare Dichte von ungefähr 2,8 bis ungefähr 3,0 g/cm³.
Weitere Eisenbasispulver, die in der Anwendung der Erfindung nützlich sind, sind ferromagnetische oder Stahlpulver, die einen effektiven Anteil von Legierungselementen enthalten, die mit dem Eisen vorlegiert sind. Beispiele von guten ferromagnetischen Materialien sind Partikel aus Eisen, das mit Phosphor vorlegiert ist und mit Mischungen von derartigen vorlegierten Eisenpulvern, die Partikel aus im wesentlichen reinem Eisen enthalten, wie in US-Patent Nr. 3,836,355 und 4,190,441, beide von Tengzelius und anderen, offenbart. Beispiele von Stahlpulvern sind Partikel aus Eisen, das mit einem oder mehreren Übergangselementen oder anderen härtenden Elementen wie zum Beispiel Molybdän, Nickel, Mangan, Kupfer und Chrom vorlegiert ist. Geeignete Stahlpulver sind von der Hoeganaes Corporation als Teile ihrer ANCORSTEEL-Serie von vorlegierten Eisenpulvern erhältlich.
In bestimmten Ausführungsformen enthalten die Pulvermischungen ein Legierungspulver zusätzlich zu den unlegierten oder teilweise legierten Eisenpulvern. Im Zusammenhang mit dieser Erfindung bezieht sich der Ausdruck "Legierungspulver" auf jedes spezielle Element oder jede Verbindung, die dem Eisenbasispulver zugeführt wurde, unabhängig davon, ob das Element oder die Verbindung letztendlich tatsächlich nach dem Pressen und Sintern mit dem Eisenbasispulver legiert ist. Nicht einschränkende Beispiele von Legierungspulvern sind metallurgischer Kohlenstoff in der Form von Graphit; elementares Nickel, Kupfer, Molybdän, Schwefel oder Zinn; binäre Legierungen von Kupfer mit Zinn oder Phosphor; Eisenlegierungen mit Mangan, Chrom, Bor, Phosphor oder Silizium; niedrigschmelzende ternäre oder quarternäre Eutektika mit Kohlenstoff und zwei oder drei (Anteilen) Eisen, Vanadium, Mangan, Chrom und Molybdän; Wolfram- oder Siliziumkarbide; Siliziumnitrid; Aluminiumoxyd; und Mangan- oder Molybdänsulfide. Insgesamt ist der Gesamtanteil von Legierungspulver geringer, im Bereich von ungefähr 0,01 bis ungefähr 3% des Gesamtmischungsgewichts, obwohl 10-15 Gewichtsprozent im Falle von gewissen spezialisierten Pulvern vorkommen können.
Erfindungsgemäß werden Eisenbasispulver und vorzugsweise Legierungspulver mit einem Bindemittel/ Gleitmittel der Erfindung vermischt, das zweibasige organische Säure und Polyether enthält. Es stellt sich heraus, daß der Ausdruck "zweibasige organische Säure" alle dicarboxylischen Derivate von aliphatischen Kohlenwasserstoffen enthält, die zumindest zwei Karboxylgruppen enthalten. Bevorzugte zweibasige organische Säuren haben die Formel:
HOOC-R&sub1;-COOH,
wobei R&sub1; ein Alkyl oder Alkenyl ist, das 1 bis ungefähr 10 Kohlenstoffatome enthält. Repräsentative zweibasige organische Säuren enthalten Oxalsäuren, Malonsäuren, Bernsteinsäuren, Glutarinsäuren, Adipinsäuren, Pimelinsäuren, Suberinsäuren und Sebacinsäuren. Azelainsäure ist eine bevorzugte zweibasige organische Säure.
Gewisse vorliegende Bindemittel/Gleitmittel enthalten weiterhin festen Polyether, das ist ein Polyether, der unter Umgebungsbedingungen als Feststoff existiert (das heißt ungefähr 68º F (20ºC) und ungefähr 10&sup5; P (760 Torr)). Feststoffe im Sinne der Erfindung sind Materialien, die ihre Form und/oder Abmessungen ohne unterstützende oder haltende Oberflächen oder Substrate bewahren. Repräsentative feste Polyether enthalten Verbindungen, die mehr als eine Untereinheit der folgenden Formel enthalten:
-[O(CH&sub2;)q]-,
wobei q zwischen 1 und ungefähr 7 ist. Darüberhinaus bevorzugt sind feste Polyether, die die Formel haben:
H-[O(CH&sub2;)q]n-OH,
wobei q zwischen 1 und ungefähr 7 liegt und n so gewählt ist, daß der Polyether ein Molekulargewicht im gewichteten Mittel von größer als 10000 hat, basierend auf rheologischen Messungen. Vorzugsweise ist q = 2 und n so ausgewählt, daß der Polyether ein durchschnittliches Molekulargewicht von ungefähr 2000 bis ungefähr 180000 hat, bestimmt durch geldurchlässige Chromatographie (GPC); weiter ist q vorzugsweise 2 und das Polyether hat ein durchschnittliches Molekulargewicht im gewichteten Mittel von ungefähr 20000 oder ungefähr 100000. Der feste Polyether ist in der Struktur vorzugsweise im wesentlichen linear und ist ein orientiertes Polymer, der einen hohen Grad von Kristallinität hat, vorzugsweise so hoch wie 95% Kristallinität. Er sollte beim Sinterprozeß sauber brennen, um keine Asche zurückzulassen. Bevorzugte feste Polyether sind Ethylenoxydderivate, die allgemein im US-Patent Nr. 3,154,514 von Kelly offenbart sind. Insbesondere sind die CARBOWAX® 2OM und POLYOX® N-10 Harze bevorzugt, die beide von Union Carbide Corporation aus Danbury, CT erhältlich sind.
In bestimmten Ausführungsformen enthält das Bindemittel/Gleitmittel der Erfindung einen flüssigen Polyether zusätzlich oder anstelle des festen Polyethers. Unter "flüssigem Polyether" wird hier einer verstanden, der unter Umgebungsbedingungen als Flüssigkeit existiert und "flüssig" bezieht sich auf Substanzen, die dazu tendieren, zu fließen oder sich an die Umrisse einer unterstützenden Vorrichtung oder eines Behälters anpassen. Repräsentative flüssige Polyether enthalten Verbindungen, die mehr als eine Untereinheit der Formel:
-[O(CH&sub2;)q]-
aufweisen, wobei q von 1 bis ungefähr 7 reicht. Bevorzugte flüssige Polyether sind Glyzerinpolymere, Ethylenoxydpolymere und Propylenoxydpolymere, die ein Molekulargewicht im gewichteten Mittel kleiner als ungefähr 8000 haben, bestimmt durch GPC. Flüssige Polymere haben vorzugsweise ein Molekulargewicht im gewichteten Mittel von 190 und ungefähr 630, vorzugsweise ungefähr 400. Bevorzugte flüssige Polymere sind von Union Carbide Corporation und von Dow Chemical Corporation aus Midland, MI erhältlich. Siehe zum Beispiel CARBOWAX® Polyethylen Glykol, Produktinformationsheft, 1986, Union Carbide Corporation. Besonders bevorzugt sind Polyglykol-Copolymere, wie zum Beispiel Polyglykol 15-200 (CAS #51259-15-2), erhältlich von Dow. Das erfindungsgemäße Bindemittel/Gleitmittel kann ebenfalls ein Akrylharz enthalten, das Acryl- und/oder Methacrylsäure-Polymere oder -Copolymere enthält. Repräsentative Akrylharze enthalten Verbindungen, die mehr als eine Untereinheit der Formel:
-[CH&sub2;-C(H)(R&sub2;)-COOR&sub3;]-
enthalten, wobei R&sub2; H oder Methyl ist, R&sub3; H, Alkyl oder Alkenyl ist, mit 1 bis ungefähr 7 Kohlenstoffatomen. In bevorzugten Ausführungsformen ist R&sub2; H und R&sub3; H, Methyl oder Buthyl. Das Akrylharz sollte bei Temperaturen bis ungefähr 177ºC (350º F) thermisch stabil sein (das heißt, nicht in Komponenten mit geringerem Molekulargewicht zerfallen) und sollte beim Sintern sauber brennen, um keine Asche zurückzulassen. Bevorzugte Akrylharze haben ein Molekulargewicht im gewichteten Mittel von ungefähr 25000 bis ungefähr 350000.
In bestimmten Ausführungsformen enthalten die Bindemittel/Gleitmittel darüberhinaus ein Plastifizierungsmittel. Repräsentative Plastifizierungsmittel, die allgemein von R. Gachter und H. Muller, eds., Handbuch der Plastikadditive (1987), beispielsweise auf den Seiten 270-281 und 288-295, offenbart sind, enthalten Estheralkyl, Alkenyl oder phtalische Säure, phosphorische Säure und zweibasige Säure von Arylesthern, wobei die Anteile von Alkyl, Alkenyl und Aryl jeweils 1 bis ungefähr 10 Kohlenstoffatomen, 1 bis ungefähr 10 Kohlenstoffatome und ungefähr 6 bis ungefähr 30 Kohlenstoffatome aufweisen. Bevorzugte Esther sind Alkylesther, wie Di-2-Ethylhexyl Phthalate (DOP), Di-Iso-Nonyl Phthalate (DINP), Dibutyl-Phthalate (DBP), Trixylenyl-Phosphate (TCP) und Di-2-Ethylhexyl Adipate (DOA). DBP und DOP sind besonders bevorzugte Plastifizierungsmittel.
Das Bindemittel/Gleitmittel kann mit dem Eisenbasispulver entsprechend den Vorschriften aus US-Patent 4,484,905, deren Offenbarung hierdurch durch Bezugnahme aufgenommen wird, gemischt werden. Inder Regel jedoch wird eine trockene Mischung des Eisenbasispulvers und des Legierungspulvers mit konventionellen Techniken gemacht, wonach das Bindemittel/Gleitmittel, vorzugsweise in flüssiger Form hinzugefügt, und gründlich mit den Pulvern vermischt wird. Die Mischung wird dann über ein flaches Tablett gesprüht und trocknen gelassen, gelegentlich unter Zuhilfenahme von Hitze oder unter Vakuum. Die Bestandteile des Bindemittels/Gleitmittels, die unter Umgebungsbedingungen in flüssiger Form vorliegen, können zu dem trockenen Pulver hinzugefügt werden, obwohl sie vorzugsweise zuerst in einem organischen Lösungsmittel verdünnt werden, um eine bessere Verteilung zu gewährleisten. Feste Bestandteile werden in der Regel in einem organischen Lösungsmittel oder Medium aufgelöst oder verteilt und in dieser flüssigen Form hinzugefügt. Feste Bestandteile können jedoch auch sehr fein gemahlen werden und trocken mit den hinzugemischten Eisenbasis- und Legierungspulvern gemischt werden. Zu der Absicht, nicht auf eine spezielle Theorie der Erfindung begrenzt zu sein, wird angenommen, daß das polare Bindemittel/Gleitmittel der vorliegenden Erfindung einen polymerischen Komplex auf der Oberfläche des Eisenpulvers bildet.
Die Menge des Bindemittels/Gleitmittels, die der Pulvermischung hinzugefügt wird, hängt von Faktoren wie der Dichte und der Partikelgrößenverteilung des Eisenbasispulvers und jedes Legierungspulvers und dem relativen Gewicht der Pulver in der Legierung ab. Generell stellt das Bindemittel/ Gleitmittel ungefähr 0,3-10,0 Gewichtsprozent, vorzugsweise ungefähr 0,5-0,3 Gewichtsprozent, am meisten bevorzugt ungefähr 0,8-1,2 Gewichtsprozent der Gesamtpulvermischung. Das Bindemittel/Gleitmittel kann von ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent zweibasige organische Säure enthalten, von ungefähr 50 bis ungefähr 90 Gewichtsprozent festen Polyether, von ungefähr 5 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent flüssigen Polyether und von ungefähr 5 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent Akrylharz. In gewissen bevorzugten Ausführungsformen enthalten die Bindemittel/Gleitmittel zweibasige organische Säure (ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent) und festen Polyether (ungefähr 90 bis ungefähr 99 Gewichtsprozent). In anderen bevorzugten Ausführungsformen enthalten die Bindemittel/Gleitmittel zweibasige Säure (ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent), testen Polyether (ungefähr 70 bis ungefähr 99 Gewichtsprozent) und flüssigen Polyether (ungefähr 5 bis ungefähr 30 Gewichtsprozent). In weiteren bevorzugten Ausführungsformen enthalten die Bindemittel/Gleitmittel zweibasige Säure (ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent), festen Polyether (ungefähr 30 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent), flüssigen Polyether (ungefähr 10 bis ungefähr 30 Gewichtsprozent) und Akrylharz (ungefähr 30 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent). In weiteren bevorzugten Ausführungsformen enthalten die Bindemittel/Gleitmittel zweibasige organische Säure (ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent), festen Polyether (ungefähr 40 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent) und Akrylharz (ungefähr 40 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent). In anderen bevorzugten Ausführungsformen enthalten die Bindemittel/Gleitmittel zweibasige organische Säure (ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent), flüssigen Polyether (ungefähr 10 bis ungefähr 30 Gewichtsprozent) und Akrylharz (ungefähr 70 bis ungefähr 90 Gewichtsprozent).
Die folgenden Beispiele, die nicht einschränkend ausgelegt werden sollen, stellen gewisse Ausführungsbeispiele und Vorteile der vorliegenden Erfindung dar. Wenn nicht anders gekennzeichnet, sind alle Prozentangaben Gewichtsprozentangaben. Bei jedem Beispiel wurden die Eisenbasispulver und die Legierungspulver in einer Standardlaborflaschen-Mischeinrichtung 20-30 Minuten lang gemischt. Die daraus hervorgehende trockene Mischung wurde in eine entsprechende, größenmäßig angepaßte Schüssel eines normalen Lebensmittelmixers gegeben. Sorgfältig wurde darauf geachtet, jedes Stäuben des Pulvers zu vermeiden. Die Bindemittel/Gleitmittel-Komponenten wurden dann zu der Pulvermischung hinzugefügt und mit der Hilfe von Spachteln mit dem Pulver vermischt. Dieses Vermischen wurde so lange fortgesetzt, bis die Mischung ein einheitliches Erscheinungsbild aufwies. Danach wurde die Mischung auf einem Flachmetalltablett ausgebreitet und getrocknet. Nach dem Trocknen wurde die Mischung durch ein 60-Mesh-Gitter geschoben, um alle großen Agglomerate, die sich beim Trocknen gebildet haben könnten, aufzubrechen.
Der Stäubewiderstand wurde dadurch bestimmt, daß die Pulvermischung von einer kontrollierten Stickstoffströmung umspült wurde. Der Testapparat bestand aus einem zylindrischen Glasrohr, das vertikal auf einen Zweiliter-Erlenmeyerkolben montiert war, der mit einer Seitenöffnung für die Aufnahme des Stickstoffflusses ausgestattet war. Das Glasrohr (17,5 cm Länge; 2,5 cm innerer Durchmesser) war mit einer 400-Maschen-Siebplatte ausgestattet, die ungefähr 2,5 cm oberhalb der Öffnung des Erlenmeyerkolbens positioniert war. Eine 20-25 g Probe der zu messenden Pulvermischung wurde auf die Siebplatte gelegt und Stickstoff wurde mit einer Durchflußrate von 2 Litern pro Minute 15 Minuten lang durch das Rohr geschickt. Am Ende des Tests wurde die Pulvermischung analysiert, um den relativen Anteil von Legierungspulver, das in der Mischung (ausgedrückt als Prozentanteil der Konzentration des Legierungspulvers vor dem Test) zurückgeblieben war, zu bestimmen, was ein Maß für den Widerstand der Mischung gegenüber dem Verlust von Legierungspulver durch Stäuben/Entmischung ist.
Die Pulvermischungen wurden in einer Matrize bei einem Druck von etwa 5-60 tsi (69-830 MPa) zu Grünteilen verdichtet, gefolgt von einer Sinterung in einer dissoziierten Ammoniakatmosphäre für ungefähr 24 Stunden bei Temperaturen von ungefähr 1000-1400ºC (1850-2575º F).
Die physikalischen Eigenschaften der Pulvermischungen, der Grünteile und der gesinterten Teile wurden generell in Übereinstimmung mit den folgenden Testmethoden und Formeln bestimmt:

Eigenschaft Testmethode

offenbare Dichte ASTM B212-76
Maßänderung ASTM B610-76
Fluß ASTM B213-77
Gründichte ASTM B331-76
Grünfestigkeit ASTM B312-76
Härte ASTM E18-84
Sinterdichte ASTM B331-76
Transversale Reißfestigkeit (TRS) ASTM B528-76

Grünausdehnung

G. E. (%) = 100 [(Grünteillänge) - (Matrizenlänge)] /Matrizenlänge
Porenfreie Dichten wurden durch Summierung des Produktes aus der absoluten Dichte und den Gewichtsanteil für jeden Bestandteil in der Pulvermischung berechnet.
Der Abziehdruck mißt die statische Reibung, die überwunden werden muß, um den Auswurf eines Preßteils aus der Matrize zu erreichen. Er wurde berechnet als der Quotient der Last, die benötigt wurde, um den Auswurf bezogen auf die Querschnittsfläche des Teils, das in Kontakt mit der Matrizenoberfläche ist, zu starten.
Der Gleitdruck ist ein Maß für die Bewegungsreibung, die überwunden werden muß, um den Auswurf des Teils aus der Matrizenausnehmung fortzusetzen; er wird berechnet als der Quotient der durchschnittlichen Last, die auftritt, wenn das Teil den Abstand von dem Verdichtungspunkt zur Öffnung der Matrize überschreitet, geteilt durch die Oberfläche des Teils.

Beispiel 1 - Vergleich von Bindemittel/Gleitmittel und Zinkstearat bei Eisenpulver

Die Mischung A-E, mit den in Tabelle I aufgeführten Zusammensetzungen, wurden wie oben beschrieben hergestellt: Tabelle I
¹ Mallinkrodt Flowmet Z, Mallinkrodt Specialty Chemical Co., St. Louis, MO.
² 50% fester Polyether (Polyethylen Oxid; Molekulargewicht - 20000; (CARBOWAX® 20M, Dow)); 49,9% Akrylharz (Copolymer aus 85% Butyl-Methakrylat and 15% Methyl-Methacrylat (Molekulargewicht = 150.000 (gewichtetes Mittel)); E. I. DuPont de Nemours & Co., Inc., Wilmington, DE); 0,1% Azelainsäure (Quantum Chemical Corp., Cincinatti, OH)
³ Qualität 3203HS, Ashbury Graphite Mill, Ashbury, NJ
&sup4; Ancorsteel 1000B; Hoeganaes
Die Pulvereigenschaften waren die folgenden: Tabelle II
Die Mischungen wurden in einer TRS-Matrize (ASTM B213) mit einem Karbideinsatz verdichtet. Die Grüneigenschaften von 0,5- Inch TRS-Teilen, die bis 50 TSI bei 63ºC (145º F) verdichtet wurden, sind in Tabelle III aufgeführt. Tabelle III
Diese Ergebnisse zeigen, daß eine Pulvermischung, die 0,75% Bindemittel/Gleitmittel (Mischung A) enthält, einer Pulvermischung, die 0,75% Zinkstearat (Mischung D) enthält bezüglich Gründichte, Grünfestigkeit, Gleitdruck, Abziehdruck und erreichtem Prozentsatz theoretisch porenfreier Dichte überlegen ist. Teile, die aus der Pulvermischung mit 0,75% Bindemittel/Gleitmittel (Mischung A) hergestellt waren, besaßen ebenfalls eine höhere Gründichte als Teile, die aus einer Mischung mit 1,0% Zinkstearat (Mischung E) hergestellt wurden. Das Bindemittel/Gleitmittel ist jedenfalls mit Zinkstearat kompatibel, wie durch die verbesserten Ergebnisse von Mi schung B und Mischung C, im Vergleich zum Zinkstearat (Mischung D) alleine gezeigt.
Um das Sinterverhalten des Bindemittels/Gleitmittels zu testen, wurden 0,25 Inch TRS-Teile bei bis zu 50 tsi und 63ºC (145º F) gepreßt und dann bei 1122ºC (2050º F) bei einer Geschwindigkeit von 2 Inch/Minute in einem Luzifer-Zonen- Ofen 30 Minuten lang unter dissoziiertem Ammoniak gesintert. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV aufgeführt. (1 Inch = 2,54 cm; 1 psi = 70,307 g/cm²; 1 tsi = 1,575 kg/mm) Tabelle IV
Durch die Reduzierung des organischen Gehalts von 1,0% auf 0,75% (das heißt, Mischung E gegenüber Mischung A) wird die resultierende gesinterte Dichte angehoben. Obwohl der organische Gehalt reduziert wurde, ist die Gleitqualität von 0,75% Bindemittel/Gleitmittel äquivalent zu 1,0% Zinkstearat, wie durch die Abzieh- und Gleitdruckdaten gezeigt. Somit erscheint die Gleitqualität des Bindemittels/Gleitmittels der von Zinkstearat überlegen zu sein. Tatsächlich sind die entsprechenden Abzieh- und Gleitdrücke von Zinkstearat höher als des Bindemittels/Gleitmittels bei einem organischen Niveau von 0,75% (das heißt Mischung A gegenüber Mischung D).
Testergebnisse für TRS-Teile, die bei 30, 40 und 50 tsi und 63ºC (145º F) gepreßt wurden und dann bei 1121ºC (2050º F) für 30 Minuten in einem Luzifer-Zonen-Ofen unter dissoziiertem Ammoniak gesintert wurden, sind in Tabelle V gezeigt. Tabelle V
Die Tendenzen, die für die Gründichte, die Grünfestigkeit, den Abziehdruck und den Gleitdruck beobachtet wurden, zeigen, daß das Bindemittel/Gleitmittel ein besseres Gleitmittel als Zinkstearat ist.

Beispiel 2 - Vergleich von Bindemitteln/Gleitmitteln und synthetischem Wachs bei Molybdän/Eisenpulver

Die Mischungen F-J, die wie in Tabelle 7 aufgeführt zusammengesetzt sind, wurden wie oben beschrieben hergestellt: Tabelle VI
¹ Ethylenbistearimid; AcrawaxTM, Lonza, Inc., Fair Lawn, NJ
² 50% fester Polyether (Polyethylenoxid; Molekular gewicht - 100000; POLYOX® N-10, Union Carbide); 49,9% Akrylharz (Poly(methylmethakrylat; Molekulargewicht = 153 000 (gewichteten Mittel) E. I. DuPont de Nemours & Co., Inc., Wilmington, DE); 0,1% Azelainsäure (Quantum Chemical Corp., Cincinnati, OH)
³ Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, PA
&sup4; Qualität 3203HS, Ashbury Graphite Mill, Ashbury, NJ
&sup5; Niedrig mit Molybdän legiertes Eisenpulver mit 0,85% gelöstem Molybdän; Ancorsteel 85HP; Hoeganaes
Die Pulvereigenschaften sind die folgenden: Tabelle VII
Die Pulvermischungen wurden zu 0,25 Inch TRS-Teilen bei 50 tsi und 63ºC (145º F) gepreßt und dann bei 1121ºC (2050º F) für 30 Minuten unter dissoziiertem Ammoniak in einem Luzifer-Zonen-Ofen gesintert. Die Ergebnisse sind in Tabelle VIII gezeigt. Tabelle VIII
Diese Ergebnisse zeigen die Fähigkeit des Bindemittel/Gleitmittels die Grünfestigkeit zu erhöhen ohne Kompressibilität und Gleitqualität an der Matrizenwand zu opfern. Die Pulvermischung, die das Bindemittel/Gleitmittel (das heißt Mischung H) enthält, zeigt eine verbesserte Kompressibilität und Grünfestigkeit bei reduziertem Abzieh- und Gleitdruck im Vergleich zu Mischungen, die synthetisches Wachs und/oder übliche Bindemittel (das heißt Mischungen F und G) enthalten. Die gesinterte Dichte ist ebenfalls erhöht. Das Bindemittel/Gleitmittel brennt ebenfalls sauber ab, wobei es keine Asche in dem Preßteil oder dem Ofen hinterläßt.
- Eine weitere Verringerung des Bindemittel/Gleitmittel- Anteils auf 0,5% (Mischung I) zeigte weitere Verbesserungen in der Gründichte und Sinterdichte. Allerdings stieg die Gleitdichte gegenüber der Bezugsmischung G. Der Abziehdruck ist niedriger als der für Mischung F und Mischung G. Die Grünfestigkeit ist auf 5900 psi erhöht. Die erhöhte Sinterfestigkeit ist wahrscheinlich auf den reduzierten Anteil von organischem Material in dem Preßteil zurückzuführen.
Weitere Reduzierung des Bindemittel/Gleitmittels auf 0,25% (Mischung J) resultierte in einem erhöhten Abziehdruck und in erhöhten Gleitdrücken. Dies zeigt, daß ein für das Auswerfen ungenügender Anteil Gleitmittel verfügbar sein könnte. Die Grünfestigkeit von Mischung J ist ebenfalls herabgesetzt. Dies zeigt, daß die Grünfestigkeit von der Konzentration von Bindemittel/Gleitmittel in dem Grünteil abhängig ist.

Beispiel 3 - Vergleich von Bindemittel/Gleitmittel und Zinkstearat bei Molybdän/Eisenpulver

Die Mischungen K-N, die Zusammensetzungen wie in Tabelle IX aufgeführt aufweisen, wurden wie oben beschrieben hergestellt: Tabelle IX
¹ Mallinkrodt Flowmet Z, Mallinkrodt Specialty Chemical Co., St. Louis, MO.
² POLYOX N-10; Union Carbide
³ Poyglycol 15-200; Dow Chemical
&sup4; Azelainsäure; Quantum Chemical
&sup5; INCO123; Inco
&sup6; Greenback Qualität 24 OMD95; Greenback Industries, Inc., Greenback, TN
&sup7; Qualität 3203HS, Ashbury Graphite Mill, Ashbury, NJ
&sup8; Niedrig mit Molybdän legiertes Eisenpulver mit 0,85% gelöstem Molybdän; Ancorsteel 85HP; Hoeganaes
Die Pulvermischungen wurden zu 0,25 Inch TRS Teilen bei 50 tsi und 63ºC (145º F) gepreßt und dann bei 1121ºC (2050º F) für 30 Minuten in einem Luzifer-Zonen-Ofen gesintert. Die Ergebnisse sind in Tabelle X aufgeführt. Tabelle X
Wie durch den Stäubewiderstand gezeigt, liefert das Bindemittel/Gleitmittel der Erfindung überlegene Bindungsfähigkeit für Nickel, Kupfer und Graphit.
Die Ergebnisse zeigen ebenfalls, daß das Bindemittel/Gleitmittel die Auswurfkraft bezüglich Abziehdruck und Gleitdruck im Vergleich zu Zinkstearat reduziert. Tatsächlich wird der Gleitdruck auf 66% bezüglich einer Zinkstearatmischung reduziert.

Claims

1. Zusammensetzung eines metallurgischen Pulvers, mit einem Pulver auf Eisenbasis, dem ungefähr 0,3 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, einer Mischung zugemischt sind, die zweibasige organische Säure und Polyether enthält.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweibasige organische Säure die folgende Formel hat:

HOOC-R&sub1;-COOH

wobei R&sub1; Alkyl oder Alkenyl mit einem bis ungefähr 10 Kohlenstoffatomen ist.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweibasige organische Säure Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Suberinsäure, Azelainsäure, Sebazinsäure, oder Mischungen davon ist.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweibasige organische Säure Azelainsäure ist.

5. Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyether ein Feststoff unter Umgebungsbedingungen ist.

6. Zusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Polyether eine Vielzahl von Untereinheiten mit der Formel:

-[O(CH&sub2;)q]-

aufweist, wobei q eine Zahl von 1 bis ungefähr 7 ist.

7. Zusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Polyether eine Formel:

H-[O(CH&sub2;)q]n-OH

hat, wobei q eine Zahl von 1 bis ungefähr 7 ist und n so ausgewählt ist, daß der Polyether ein durchschnittliches Molekulargewicht größer als 10000 aufweist.

8. Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß q gleich 2 ist und n so ausgewählt ist, daß der Polyether ein durchschnittliches Molekulargewicht von ungefähr 20000 oder ungefähr 100000 hat.

9. Zusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Polyether eine Formel hat:

H-[O(CH&sub2;)q]n-OH,

wobei q eine Zahl von 1 bis 7 ist und n so ausgewählt ist, daß der Polyether ein durchschnittliches Molekulargewicht von ungefähr 2000 bis ungefähr 180000 hat.

10. Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß n so ausgewählt ist, daß der Polyether ein durchschnittliches Molekulargewicht von ungefähr 20000 bis ungefähr 100000 hat.

11. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyether eine Flüssigkeit unter Umgebungsbedingungen ist.

12. Zusammensetzung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Polyether eine Vielzahl von Untereinheiten enthält, die eine Formel:

-[O(CH&sub2;)q]-

haben, wobei q eine Zahl von 1 bis ungefähr 7 ist.

13. Zusammensetzung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß q 2 oder 3 ist.

14. Zusammensetzung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Polyether eine durchschnittliches Molekulargewicht geringer als ungefähr 8000 hat.

15. Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung weiterhin Akrylharz enthält.

16. Zusammensetzung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Akrylharz Polymere der Akrylsäure oder der Methakrylsäure enthält.

17. Zusammensetzung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Akrylharz mehr als eine Untereinheit der Formel:

-[CH&sub2;-C(H) (R&sub2;)-COOR&sub3;]-

enthält, wobei R&sub2; H oder Methyl ist und R&sub3; H, Alkyl oder Alkenyl mit einem bis ungefähr 7 Kohlenstoffatomen ist.

18. Zusammensetzung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß R&sub2; H ist und R&sub3; H, Methyl oder Butyl ist.

19. Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei weiterhin ein Plastifizierungsmittel enthalten ist.

20. Zusammensetzung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Plastifizierungsmittel ein Esther der Phthalsäure, Phosphorsäure oder einer zweibasigen Säure ist.

21. Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei weiterhin ein Legierungspulver enthalten ist.

22. Zusammensetzung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver Graphit enthält.

23. Zusammensetzung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver einen Anteil von ungefähr 0,01 bis ungefähr 3 Gewichtsprozent der Mischung darstellt.

24. Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung einen Anteil von ungefähr 0,3 bis ungefähr 3,0 Gewichtsprozent der Mischung darstellt.

25. Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung einen Anteil von ungefähr 0,8 bis ungefähr 1,2 Gewichtsprozent der Mischung darstellt.

26. Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung zweibasige organische Säure mit einem Anteil von ungefähr 1 bis 10 Gewichtsprozent enthält.

27. Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung Polyether mit einem Anteil von ungefähr 50 bis 90 Gewichtsprozent enthält, wobei der Polyether ein Feststoff unter Umgebungsbedingungen ist.

28. Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung Polyether mit einem Anteil von ungefähr 5 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent enthält, wobei der Polyether eine Flüssigkeit unter Umgebungsbedingungen ist.

29. Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung ungefähr 5 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent Akrylharz enthält.

30. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung enthält:

(a) zweibasige organische Säure; und einen Polyether, der ein Feststoff unter Umgebungsbedingungen ist; oder

(b) zweibasige organische Säure; einen Polyether, der ein Feststoff unter Umgebungsbedingungen ist; und einen Polyether, der eine Flüssigkeit unter Umgebungsbedingungen ist; oder

(c) zweibasige organische Säure; einen Polyether, der ein Feststoff unter Umgebungsbedingungen ist; einen Polyether, der eine Flüssigkeit unter Umgebungsbedingungen ist; und ein Akrylharz; oder

(d) zweibasige organische Säure; einen Polyether, der ein Feststoff unter Umgebungsbedingungen ist; und ein Akrylharz; oder

(e) zweibasige organische Säure; einen Polyether, der eine Flüssigkeit unter Umgebungsbedingungen ist; und ein Akrylharz.

31. Geformtes Teil, hergestellt durch Kompaktifizierung der Mischung nach einem der vorherigen Ansprüche in einer Form.

32. Geformtes Teil, hergestellt durch Kompaktifizierung der Mischung nach einem der vorherigen Ansprüche in einer Form und Sinterung des resultierenden kompakten Teils.