ES2230700T3

ES2230700T3 - Composiciones metalurgicas a base de hierro que contienen agentes de flujo y metodos para utilizarlas.

Info

Publication number: ES2230700T3
Application number: ES98929953T
Authority: ES
Inventors: Sydney Luk
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 2005-05-01
Anticipated expiration: 2018-05-15
Also published as: AU7945098A; EP1094909A1; JP2002515542A; EP1094909B1; DE69828315D1; JP3964135B2; DE69828315T2; ATE285306T1; WO1999059753A1

Abstract

Una composición de polvo metalúrgico, que comprende, al menos aproximadamente 85%, en peso de un polvo metálico a base de hierro, en la que el polvo comprende un polvo de hierro sustancialmente puro en mezcla con un polvo de aleación y en la que la composición metalúrgica comprende, además, 0, 005 a 3%, en peso de un agente aglutinante que aglutina el polvo de hierro al polvo de aleación, seleccionándose dicho agente aglutinante entre resinas de ésteres de celulosa, acetato-butiratos de celulosa, acetato-propionatos de celulosa y sus mezclas, resinas fenólicas termoplásticas y resinas de hidroxialquilcelulosa de alto peso molecular y sus mezclas y 0, 1-2%, en peso de un lubricante a altas temperaturas, caracterizada porque la composición de polvo metalúrgico comprende, además, 0, 0052%, en peso de un óxido de silicio en forma de partículas, que tiene un tamaño medio de partícula inferior a 40 nm, determinándose dicho tamaño medio de partícula, sobre una base en peso, de acuerdo con la fórmula: TMP = 6/(rho x SA) en la que: TMP es el tamaño medio de partícula, rho es la densidad del polvo, y AS es el área superficial del polvo.

Description

Composiciones metalúrgicas a base de hierro que contienen agentes de flujo y métodos para utilizarlas.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a composiciones de polvos metalúrgicos a base de hierro. Más particularmente, la presente invención se refiere a tales composiciones que contienen agentes de flujo para mejorar las características de flujo de las composiciones de polvos, y especialmente a temperaturas de procesado elevadas.

Antecedentes de la invención

En la técnica de la pulvimetalurgia, una composición de polvo metalúrgico se usa para producir piezas metálicas de acuerdo con técnicas bien establecidas. Generalmente, el polvo metalúrgico se vierte en una matriz de compactación y se compacta a presión alta y, en algunas circunstancias, a temperaturas elevadas, para formar la pieza compactada, o "cruda". Esta pieza cruda se sinteriza, luego, para formar una pieza metálica cohesiva. La operación de sinterización consume por combustión, también, cualesquiera materiales orgánicos, tales como el residuo de cualquier lubricante de la matriz o de lubricante interno, del material metálico.

La velocidad y eficiencia a la que tales piezas se pueden producir están afectadas por las características de flujo del polvo metalúrgico. En la mayoría de las técnicas de procesos de producción, el polvo metalúrgico debe fluir, por gravedad, desde un depósito a un recipiente o "canal de conducción", que transporta el polvo desde el sitio de almacenamiento a la matriz. El polvo, luego, se vierte desde el canal de conducción a la cavidad de la matriz. La velocidad a la que el polvo puede fluir es una etapa determinante de la velocidad en la fabricación de piezas en muchos casos.

Existe corrientemente una creciente demanda de composiciones de polvos metalúrgicos, particularmente composiciones de polvos a base de hierro, que se pueden utilizar en operaciones de compactación conducidas en condiciones de compresión "en caliente". Mejores composiciones de polvos útiles en tales operaciones de compactación se proponen en la Patente de EE.UU. No. 5.154.881 para Rutz y Luk. Generalmente, el polvo y/o la matriz se calientan a una temperatura de hasta 370ºC para la compactación. En ciertos casos, se desea precalentar las composiciones de polvos a, al menos aproximadamente 150ºC o más para incrementar la eficiencia de tal proceso de compactación. Sin embargo, se ha descubierto que la capacidad de flujo de ciertas composiciones de polvos a base de hierro es afectada por estas temperaturas de procesado.

Por tanto, existe la necesidad, en la técnica de la metalurgia de polvos, de producir composiciones de polvos metalúrgicos a base de hierro que tengan mejores características de flujo. Existe una particular necesidad de preparar tales composiciones de polvos a base de hierro, que tengan mejores características de flujo a temperaturas elevadas asociadas con operaciones de compactación en caliente.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona composiciones de polvos metalúrgicos a base de hierro tal como se definen en la reivindicación 1, que se caracterizan por tener superiores propiedades de flujo, particularmente a temperaturas elevadas, asociadas con operaciones de compactación en caliente. La invención proporciona, también, un método de acuerdo con la reivindicación 6 para usar las composiciones de polvo para producir piezas compactadas. De acuerdo con la presente invención, un agente de flujo se incorpora a una composición de polvo a base de hierro; la presencia del agente de flujo mejora la facilidad de resbalamiento de la composición de polvo, particularmente a temperaturas elevadas.

Los materiales del agente de flujo son nanopartículas de diversos óxidos. Típicamente, estos materiales tienen tamaños medios de partículas inferiores a aproximadamente 500 nm. En una realización de la presente invención las composición de polvo a base de hierro se mezcla con un agente de flujo de óxido de silicio. Los agentes de flujo de óxidos de silicio se mezclan con los polvos a base de hierro en una cantidad de entre aproximadamente 0,005 y aproximadamente 2%, en peso de la composición de polvos resultante. El óxido de silicio tiene un tamaño medio de partícula inferior a aproximadamente 40 nm.

En otra realización de la presente invención, la composición de polvo a base de hierro se mezcla con un agente de flujo de óxido de hierro. Los agentes de flujo de óxidos de hierro preferidos tienen un tamaño medio de partícula inferior a aproximadamente 500 nm. Los agentes de flujo de óxido de hierro se mezclan preferentemente con los polvos a base hierro en una cantidad de entre aproximadamente 0,01 a aproximadamente 2%, en peso de la composición de polvos resultante. Es particularmente ventajoso mezclar los agentes de flujo de óxido de hierro con los agentes de flujo de óxido de silicio.

La adición de los agentes de flujo es particularmente beneficiosa para mejorar las propiedades de flujo de las composiciones de polvos a base de hierro usadas en procesos de compactación en caliente. En tal caso, las composiciones preferiblemente incluyen un lubricante específicamente diseñado para tales aplicaciones de compactación en caliente y, cuando sea necesario, un agente aglutinante específicamente diseñado para tales aplicaciones.

Se ha comprobado, además, que la adición de los agentes de flujo inesperadamente reduce las fuerzas de extracción requeridas para separar la pieza compactada de la matriz. Por tanto, la adición de los agentes de flujo de esta invención se supone que reducen el desgaste de la matriz.

Descripción detallada de la invención

La presente invención proporciona mejores composiciones de polvos metalúrgicos que tienen características de flujo superiores, particularmente a temperaturas elevadas. Las composiciones de polvos metalúrgicos son, generalmente, las que contienen un polvo a base de hierro, un polvo lubricante, y un agente aglutinante, y se mejoran, además, por la adición de un polvo de agente de flujo que tiene una determinada distribución de tamaños de partículas.

Las composiciones de polvos metálicos que son el objeto de la presente invención contienen polvos a base de hierro de la clase generalmente usada en métodos metalúrgicos de polvos. Los polvos "a base de hierro", tal como se usa la expresión en la presente memoria descriptiva, son polvos de hierro sustancialmente puro en mezcla con partículas de elementos de aleación (por ejemplo, elementos de producción acero) que mejoran la rigidez, la aptitud para ser templado, las propiedades electromagnéticas, u otras propiedades deseables del producto final. Los polvos a base de hierro generalmente constituyen, al menos aproximadamente 85%, en peso y más comúnmente, al menos 90%, en peso de la composición de polvos metálicos.

Polvos de hierro sustancialmente puro que se pueden usar en la invención son polvos de hierro que contienen no más de aproximadamente 1,0% en peso de impurezas normales. Ejemplos de polvos de hierro de calidad metalúrgica altamente compresibles son la serie ANCORSTEEL 1000 de polvos de hierro puro, por ejemplo 1000. 1000B y 1000C, disponibles de Hoeganaes Corporation, Riverton, New Jersey y polvos similares disponibles de Höganäs AB, Suecia. Por ejemplo, el polvo de hierro ANCORSTEEL 1000 tiene un perfil de malla típico de aproximadamente 22%, en peso de las partículas inferior al tamiz No. 325 (serie U.S.) y aproximadamente 10%, en peso de las partículas mayores que el tamiz No. 100, con el resto entre estos dos tamaños (cantidades secundarias mayores que el tamiz No. 60). El polvo ANCORSTEEL 1000 tiene una densidad aparente de aproximadamente 2.85-3,00 g/cm^{3}, y típicamente 2,94 g/cm^{3}. Otros polvos de hierro que se pueden utilizar en la invención son polvos de esponja de hierro típica, tal como polvo ANCOR MH-100 de Hoeganaes.

Ejemplos de elementos de aleación que se pueden combinar con las partículas de hierro incluyen, pero no están limitados a ellos, molibdeno; manganeso; magnesio; cromo; silicio; cobre; níquel; oro; vanadio; columbio (niobio); grafito; fósforo; aluminio; aleaciones binarias de cobre y estaño o fósforo; ferro-aleaciones de manganeso, cromo, boro, fósforo o silicio; eutécticos ternarios o cuaternarios de bajo punto de fusión de carbono y dos o tres de entre hierro, vanadio, manganeso, cromo, y molibdeno; carburos de volframio o silicio; nitruro de silicio; óxido de aluminio; y sulfuros de manganeso o molibdeno, y sus combinaciones. Típicamente, los elementos de aleación generalmente se combinan con el polvo de hierro, preferiblemente el hierro sustancialmente puro en una cantidad de hasta aproximadamente 7% en peso, más preferiblemente de aproximadamente 0,25% a aproximadamente 5% en peso, y más preferiblemente de aproximadamente 0,25% a aproximadamente 4% en peso, aunque en ciertos usos especializados, los elementos de aleación pueden estar presentes en una cantidad entre aproximadamente 7% a aproximadamente 15% en peso, del polvo de hierro y elemento de aleación.

Los polvos a base de hierro pueden incluir, por tanto, partículas de hierro que están en mezcla con los elementos de aleación que están en forma de polvos de aleación. La expresión "polvo de aleación" tal como se usa en la presente memoria descriptiva se refiere a cualquier elemento o compuesto en forma de partículas, como se ha mencionado previamente, mezclado físicamente con las partículas de hierro, se alee o no ese elemento o compuesto finalmente con el polvo de hierro. Las partículas de elementos de aleación generalmente tienen un tamaño de partícula medio en peso inferior a aproximadamente 100 \mum, preferiblemente inferior a aproximadamente 75 \mum y más preferiblemente inferior a aproximadamente 30 \mum. Agentes aglutinantes se incluyen en mezclas de partículas de hierro y polvos de aleación para evitar el polvo y la segregación del polvo de aleación del polvo de hierro. Ejemplos de agentes aglutinantes corrientemente usados incluyen los sugeridos en las Patentes de EE.UU. Nos. 4.483.905 y 4.676.831, ambas de Engström, y en la Patente de EE.UU. No. 4.834.800 de Semel, todas las cuales se incorporan íntegramente como referencia en la presente memoria descriptiva. Los agentes aglutinantes se mezclan en las composiciones de polvos metálicos en cantidades de entre aproximadamente 0,005 y 3% en peso, con preferencia aproximadamente de 0,05 a 1,5% en peso y con más preferencia, aproximadamente de 0,1 a 1% en peso, basadas en el peso de los polvos de hierro y de aleación.

El polvo de hierro puede incluir, además, hierro que se ha pre-aleado con uno o más de los elementos de aleación. Los polvos pre-aleados se pueden preparar fabricando una masa fundida de hierro y los elementos de aleación deseados y, luego, pulverizando la masa fundida, con lo cual las gotitas pulverizadas forman el polvo por solidificación. La cantidad del elemento o elementos de aleación incorporada depende de las propiedades deseadas en la pieza metálica final. Polvos de hierro pre-aleados que incorporan tales elementos de aleación están disponibles de Hoeganaes Corp. como parte de su línea ANCORSTEEL de polvos.

Un ejemplo adicional de polvos a base de hierro añadidos es polvo a base de hierro unido por difusión, ejemplo que es un polvo que son partículas de hierro sustancialmente puro, que tienen una capa o revestimiento de uno o más de otros metales, tales como elementos que producen acero y los elementos de aleación sugeridos más arriba, difundidos en sus superficies exteriores. Tales polvos disponibles comercialmente incluyen el polvo unido por difusión DISTALOY 4600A de Hoeganaes Corporation, que contiene aproximadamente 2,8% de níquel, aproximadamente 0,55% de molibdeno y aproximadamente 1,6% de cobre. Polvos de calidad similar están, también, disponibles de Höganäs AB, Sweden.

Un polvo preferido a base de hierro añadido es de hierro pre-aleado con molibdeno (Mo). El polvo se produce pulverizando una masa fundida de hierro sustancialmente puro que contiene de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2,5% en peso de Mo. Un ejemplo de tal polvo es el polvo de acero ANCORSTEEL 85HP de Hoeganaes, que contiene aproximadamente 0,85% en peso de Mo, menos de aproximadamente 0,4% en peso, en total, de otros materiales tales como manganeso, cromo, silicio, cobre, níquel, molibdeno o aluminio, y menos de aproximadamente 0,02% en peso de carbono. Otro ejemplo de tal polvo es el polvo de acero ANCORSTEEL 4600V de Hoeganaes, que contiene aproximadamente 0,5-0,6% en peso de molibdeno, aproximadamente 1,5-2,0% en peso de níquel y aproximadamente 0,1-0,25%, en peso de manganeso, y menos de aproximadamente 0,02% en peso de carbono.

Otro polvo pre-aleado a base de hierro que se puede usar en la invención se describe en la Patente de EE.UU. No. 5.108.93 de Causton, titulada "Steel Powder Admixture Having Distinct Pre-alloyed Powder of Iron Alloys". Esta composición de polvos de acero es una mezcla de dos polvos diferentes a base de hierro pre-aleados, siendo uno, una pre-aleación de hierro con 0,5-2,5% en peso de molibdeno, y siendo el otro, una pre-aleación de hierro con carbono y con, al menos aproximadamente 25% en peso de un componente de elemento de transición, en la que este componente comprende, al menos un elemento elegido en el grupo que consiste en cromo, manganeso, vanadio, y columbio. La mezcla es en porciones que proporcionan, al menos aproximadamente 0,05%, en peso del componente de elemento de transición a la composición de polvo de acero. Un ejemplo de tal polvo de acero estás disponible comercialmente como polvo de acero ANCORSTEEL 41 AB de Hoeganaes, que contiene aproximadamente 0,85%, en peso de molibdeno, aproximadamente 1%, en peso de níquel, aproximadamente 0,9%, en peso de manganeso, aproximadamente 0,75%, en peso de cromo, y aproximadamente 0,5%, en peso de carbono.

Otros polvos a base de hierro que son útiles en la práctica de la invención son polvos ferromagnéticos. Un ejemplo es una composición de polvos de hierro sustancialmente puro en mezcla con polvo de hierro que se ha pre-aleado con cantidades secundarias de fósforo.

Aún otros polvos más a base de hierro que son útiles en la práctica de la invención son partículas de hierro revestidas con un material termoplástico para proporcionar un revestimiento sustancialmente uniforme del material termoplástico según se describe en la Patente de EE.UU. No. 5.198.137 de Rutz et al. Preferiblemente, cada partícula tiene un revestimiento circunferencial sustancialmente uniforme alrededor de la partícula de núcleo de hierro. Suficiente material termoplástico se proveyó para proporcionar un revestimiento de aproximadamente 0,001-15%, en peso de las partículas de hierro revestidas. Generalmente el material termoplástico está presente en una cantidad de, al menos 0,2% en peso, con preferencia aproximadamente 0,4-2% en peso, y con más preferencia aproximadamente 0,6-0,9%, en peso de las partículas revestidas. Son preferidos los termoplásticos tales como poliétersulfonas, poliéterimidas, policarbonatos, o polifenilen-éteres, que tienen un peso molecular promedio en peso en el intervalo de aproximadamente 10.000 a 50.000. Otros polvos a base de hierro con revestimiento polímero incluyen los que contienen un revestimiento interior de fosfato de hierro según se establece en la Patente de EE.UU. No. 5.063.011 para Rutz et al., que se incorpora en la presente memoria descriptiva en su totalidad.

Las partículas de hierro puro, y hierro pre-aleado, hierro unido por difusión o hierro revestido con material termoplástico pueden tener un tamaño de partículas promedio en peso tan pequeño como una micra o menor, o hasta aproximadamente 850-1.000 \mum, pero generalmente las partículas tendrán un tamaño de partículas promedio en peso en el intervalo de aproximadamente 10-500 \mum. Se prefieren las que tienen un tamaño de partícula promedio en número máximo de hasta aproximadamente 350 \mum, y preferiblemente 50-150 \mum.

El comportamiento de flujo de composiciones de polvos a base de hierro es una característica física importante, ya que afecta directamente a la velocidad a la que las piezas se pueden fabricar usando técnicas convencionales de pulvimetalurgia. La presente invención proporciona la mejora del flujo de los polvos a base de hierro generalmente conocidos y usados, incorporando un agente de flujo en forma de partículas. Se ha descubierto que la presencia del agente de flujo, que tiene una definida distribución de tamaños de partículas, mejora las características de flujo de la composición de polvo metálico, particularmente a temperaturas elevadas. El agente de flujo no deberá afectar adversamente la aptitud para ser compactada de la composición de polvos, ni afectará adversamente las propiedades, sinterizadas o compactadas (en crudo), de las piezas resultantes.

Los agentes de flujo de la presente invención se pueden denominar por "nanopartículas", porque son materiales en forma de partículas en los que una mayoría del polvo tiene un diámetro de partícula inferior a 1 \mum. La distribución de tamaños de partículas de los agentes de flujo se puede determinar por diversos medios. La expresión "tamaño medio de partículas" tal como se usa con respecto a la presente invención se determina, sobre la base de peso, de acuerdo con la fórmula (I):

(I)TMP \ = \ 6 / (\rho \ x \ AS)

en la que:

: TMP = tamaño medio de partículas

: \rho = densidad del polvo

: AS = área superficial del polvo

La densidad del polvo se determina usando procedimientos estándar, tales como los establecidos en la norma de ensayo ASTM D70. El área superficial es el área superficial BET (Brunauer, Emmet, Teller) determinado usando procedimientos normalizados, tales como los establecidos en ASTM D4820. La distribución de tamaños de partículas se puede verificar por medio de microscopía electrónica, que se puede usar para examinar visualmente el tamaño de las partículas del polvo.

El agente de flujo se elige a partir de óxidos de silicio que tienen tamaños medios de partículas inferiores a aproximadamente 40 nm y, por tanto, se denominan materiales de nanopartículas. Metales representativos que se pueden añadir, además, como materiales de nanopartículas en sus formas de metales o de óxidos metálicos, incluyen silicio, aluminio, cobre, hierro, níquel, titanio, oro, plata, platino, paladio, bismuto, cobalto, manganeso, magnesio, plomo, estaño, vanadio, itrio, niobio, volframio y circonio. Tales materiales están disponibles comercialmente de ULTRAM International. Estos materiales en forma de nanopartículas están presentes en las composiciones metalúrgicas en una cantidad entre aproximadamente 0,005 y aproximadamente 2%, en peso, preferiblemente entre aproximadamente 0,01 y aproximadamente 1% en peso y más preferiblemente entre aproximadamente 0,025 y aproximadamente 0,5%, en peso, basada en el peso total de la composición metalúrgica. Dichos otros materiales en forma de nanopartículas se pueden mezclar beneficiosamente con los óxidos de silicio para mejorar adicionalmente el flujo de la composición de los polvos metalúrgicos.

Los óxidos de silicio particularmente útiles en la práctica de la presente invención son los que tienen una área superficial de entre aproximadamente 75 y aproximadamente 600 m^{2}/g, preferiblemente entre aproximadamente 100 y aproximadamente 500 m^{2}/g, y más preferiblemente entre aproximadamente 150 y aproximadamente 500 m^{2}/g. La densidad de los óxidos de silicio está preferiblemente entre aproximadamente 0,02 y aproximadamente 0,15 g/cm^{3}, preferiblemente entre aproximadamente 0,035 y aproximadamente 0,1 g/cm^{3}, y más preferiblemente entre aproximadamente 0,04 y aproximadamente 0,08 g/cm^{3}. Los óxidos de silicio tienen un tamaño medio de partícula, determinado de acuerdo con la fórmula (I) de más arriba (y generalmente un tamaño de partícula promedio en número determinado por examen visual por microscopía electrónica) inferior a aproximadamente 40 nm, ventajosamente entre aproximadamente 1 y aproximadamente 35 nm, preferiblemente entre aproximadamente 1 y aproximadamente 25 nm, y más preferiblemente entre aproximadamente 5 y aproximadamente 20 nm. La distribución de tamaños de partículas del óxido de silicio es preferiblemente tal, que aproximadamente el 90%, sobre la base del número de las partículas, es inferior a aproximadamente 100 nm, preferiblemente inferior a 75 nm, y más preferiblemente inferior a aproximadamente 50 nm.

Los óxidos de silicio están presentes en las composiciones metalúrgicas en una cantidad desde aproximadamente 0,005 a aproximadamente 2% en peso, preferiblemente desde aproximadamente 0,01 a aproximadamente 1% en peso, y más preferiblemente desde aproximadamente 0,025 a aproximadamente 0,5%, en peso, basada en el peso total de la composición metalúrgica. Óxidos de silicio preferidos son los materiales de dióxido de silicio, ambas formas hidrófila e hidrófoba, disponibles comercialmente como línea Aerosil de dióxidos de silicio, tales como los productos de Aerosil 200 y R812, disponibles de Degussa Corporation.

Otra clase preferida de agentes de flujo añadidos a óxido de silicio son óxidos de hierro. Los óxidos de hierro útiles en la práctica de la presente invención son aquellos que tienen una área superficial entre aproximadamente 2 y aproximadamente 150 m^{2}/g, preferiblemente entre aproximadamente 5 y aproximadamente 50 m^{2}/g, y más preferiblemente entre aproximadamente 5 y aproximadamente 20 m^{2}/g. La densidad de los óxidos de silicio está generalmente entre aproximadamente 3 y aproximadamente 5 g/cm^{3}, preferiblemente entre aproximadamente 4 y aproximadamente 5 g/cm^{3} y más preferiblemente entre aproximadamente 4,4 y aproximadamente 4,7 g/cm^{3}. Los óxidos de hierro preferiblemente tendrán un tamaño medio de partículas, determinado de acuerdo con la fórmula (I) de más arriba (y generalmente un tamaño de partícula promedio en número determinado por examen visual por microscopía electrónica), de menos de aproximadamente 500 nm, ventajosamente entre aproximadamente 10 y aproximadamente 400 nm, preferiblemente entre aproximadamente 25 y aproximadamente 300 nm, y más preferiblemente entre aproximadamente 40 y aproximadamente 200 nm. La distribución de tamaños de partículas del óxido de hierro es preferiblemente tal, que aproximadamente 90%, sobre la base del número, de partículas, está por debajo de aproximadamente 1 \mum, preferiblemente por debajo de 750 nm y más preferiblemente por debajo de 500 nm.

Los óxidos de hierro están presentes en las composiciones metalúrgicas en una cantidad de aproximadamente 0,01 a aproximadamente 2% en peso, preferiblemente de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 0,5% en peso, basada en la composición metalúrgica total. Óxidos de hierro preferidos son los disponibles comercialmente como línea Bayferrox de óxidos de hierro, tales como los productos de pigmentos Bayferrox 318M y 330, de Miles Inc. Se prefiere usar los materiales de óxidos de hierro en unión con los materiales de óxidos de silicio para proporcionar propiedades sinérgicas de mejora del flujo a las composiciones de polvos metálicos.

La composición de polvo metálico de la presente invención contiene, además, un lubricante de alta temperatura para reducir la fuerza de extracción requerida para separar la pieza compactada de la cavidad de la matriz. El lubricante está presente en la composición de polvo metálico en una cantidad de aproximadamente 0,1-2%, en peso, y con la máxima preferencia, aproximadamente 0,2-1%, en peso, de la composición de polvo metálico.

Las composiciones de polvos metálicos de la presente invención se compactan en una matriz de acuerdo con las técnicas metalúrgicas estándar. Presiones de compactación típicas oscilan entre aproximadamente 69 y 2.760 MPa, preferiblemente entre aproximadamente 276 y 1.379 MPa, y más preferiblemente entre aproximadamente 345 y 828 MPa. Después de la compactación, la pieza se puede sinterizar de acuerdo con técnicas metalúrgicas estándar, a temperaturas y otras condiciones apro piadas para la composición del polvo a base de hierro. Las composiciones de polvos metálicos que contienen un revestimiento termoplástico, generalmente no se sinterizan después de la compactación, sino que más bien se someten a un tratamiento térmico de post-compactación, tal como se describe en la Patente de EE.UU. No. 5.225.459 para Oliver y Clisby, que por este medio se incorpora para referencia en su totalidad.

Los agentes de flujo de óxidos de la presente invención se ha comprobado que mejoran ventajosamente las características de flujo de las composiciones de polvos metálicos diseñados para compactación en condiciones de temperatura "en caliente". La compactación de acuerdo con las técnicas de temperatura en caliente generalmente requerían que la composición de polvo metálico se comprima a una temperatura de compactación - medida como temperatura de la composición cuando se está compactando - hasta aproximadamente 370ºC. La compactación se realiza a una temperatura superior a 100ºC y, corrientemente, superior a aproximadamente 125ºC, preferiblemente a una temperatura entre aproximadamente 150ºC y aproximadamente 370ºC, y más preferiblemente entre aproximadamente 175ºC y aproximadamente 260ºC. Las composiciones de polvos metálicos diseñadas para uso en condiciones de compactación en caliente contienen un lubricante adaptado para compactación a altas temperaturas. Cuando el polvo a base de hierro que se ha de compactar en caliente es de la clase que contiene partículas de elementos de aleación, la composición usualmente contiene un aglutinante para prevenir la segregación y formación de polvos. Un lubricante de altas temperaturas útil y diversos agentes aglutinantes que se comportan bien en tales composiciones destinadas a compactación en caliente se sugieren en la Patente de EE.UU. No. 5.368.630 para Luck.

El lubricante de altas temperaturas descrito en la Patente de EE.UU. No. 5.368.630 es un lubricante de poliamida que es, en esencia, una cera de alto punto de fusión. Los lubricantes formados por reacción de condensación son poliamidas caracterizadas por tener un intervalo de fusión en lugar de un punto de fusión. Como los expertos en la técnica comprenderán, el producto de reacción es generalmente una mezcla de restos cuyos pesos moleculares y, por tanto, las propiedades que dependen de ello, variarán. En conjunto, el lubricante de poliamida comienza a fundir a una temperatura entre aproximadamente 150ºC y 260ºC, y preferiblemente entre aproximadamente 200ºC y aproximadamente 260ºC. Generalmente, la poliamida estará completamente fundida a una temperatura de aproximadamente 250ºC por encima de esta temperatura de fusión inicial, aunque se prefiere que el producto de reacción de poliamida funda a lo largo de no más de aproximadamente 100ºC. Un lubricante preferido está disponible comercialmente como poliamida ADVAWAX 450, o PROMOLD 450, poliamida disponible de Morton International of Cincinnati, Ohio, que es una etilen-bis-estearamida que tiene un punto de fusión inicial entre aproximadamente 200ºC y 300ºC. El lubricante de alta temperatura generalmente se añadirá a la composición en forma de partículas sólidas. El tamaño de partícula del lubricante puede variar, pero preferiblemente es inferior a aproximadamente 100 \mum. Lo más preferiblemente, las partículas de lubricante tienen un tamaño de partícula promedio en peso de aproximadamente 10-50 \mu.

Los agentes aglutinantes descritos en la Patente de EE.UU. No. 5.368.630 son materiales de resinas polímeras que pueden ser solubles o insolubles en agua, aunque se prefiere que la resina sea insoluble en agua. Preferiblemente, la resina tendrá capacidad para formar película, tanto en su estado líquido natural como disuelta en un disolvente, alrededor del polvo a base de hierro y del polvo de aleación. Es importante que la resina del agente aglutinante se elija de manera que no afectará adversamente al proceso de compactación a temperatura elevada. Agentes aglutinantes preferidos incluyen resinas de ésteres de celulosa, tales como acetato de celulosa que tienen un peso molecular promedio en número (PM) de aproximadamente 30.000 a 70.000, acetato-butirato de celulosa que tienen un PM de aproximadamente 10.000 a 100.000, acetato-propionato de celulosa que tienen un PM de aproximadamente 10.000 a 100.000, y sus mezclas. Son, también, útiles resinas fenólicas termoplásticas de alto peso molecular, que tienen un PM de aproximadamente 10.000 a 80.000 y resinas de hidroxilalquilcelulosa en las que el resto alquilo tiene de 1 a 4 átomos de carbono y que tienen un PM de aproximadamente 50.000 a 1.200.000, y sus mezclas. Otro agente aglutinante preferido es poli(pirrolidona de vinilo) que se usa preferiblemente en combinación con los plastificantes tales como PEG, glicerol y sus ésteres, ésteres de ácidos orgánicos, sorbitol, ésteres fosfato, ésteres de celulosa, resinas de arilsulfonamida-formaldehído y alcoholes de cadena larga, tal como se describe en la Patente de EE. UU. No. 5.432.223.

Los agentes de flujo de esta invención se pueden mezclar con el polvo a base de hierro para formar la composición metalúrgica por técnicas de mezcla convencionales. Generalmente, el polvo a base de hierro, que incluye el polvo de aleación, se mezcla con cualquiera de los lubricantes, agentes aglutinantes, y los agentes de flujo de la presente invención, en cualquier orden. En las realizaciones en las que el polvo metálico contiene un polvo a base de hierro, que es un polvo de hierro mezclado con un polvo de aleación, junto con un agente aglutinante y un lubricante, la mezcla de polvos metálicos se puede preparar de acuerdo con los procedimientos establecidos en la Patente de EE. UU. No. 5.368.630. Generalmente, el agente aglutinante se mezcla, preferentemente en forma líquida, con los polvos durante un tiempo suficiente para conseguir buena humectación de los polvos. El agente aglutinante preferiblemente se disuelve o se dispersa en un disolvente orgánico para proporcionar mejor dispersión del agente aglutinante en la mezcla de polvos, proporcionando, así, una distribución sustancialmente homogénea del agente aglutinante por toda la mezcla. El lubricante se puede añadir generalmente en su forma de partículas en estado seco, antes o después de la adición del agente aglutinante. Preferiblemente, el lubricante, junto con el polvo a base de hierro se mezclan primero en seco, después de lo cual el agente aglutinante se aplica a la composición de polvo metálico y se separa cualquier resto de disolvente, seguido por la adición, mediante mezcla en seco, del agente de flujo.

La secuencia de la adición del agente aglutinante y lubricante se puede variar para alterar las características finales de la composición de polvos. Otros dos métodos de mezcla se pueden usar, además del método de mezcla descrito, en los cuales el agente aglutinante se añade después de que el lubricante se ha mezclado con el polvo a base de hierro. En un método preferido, una porción del lubricante, de aproximadamente 50 a aproximadamente 99%, en peso, y preferiblemente de aproximadamente 75 a aproximadamente 95%, en peso, se añade al polvo a base de hierro, después se añade el agente aglutinante, seguido por la separación del disolvente, y subsiguientemente el resto del lubricante se añade a la composición de polvo metálico. El otro método es añadir el agente aglutinante primero al polvo a base de hierro, separar el disolvente, y subsiguientemente añadir la cantidad total del lubricante. El agente de flujo se mezcla, luego, a las composiciones de polvo metálico así formadas.

Se ha comprobado que los agentes de flujo de esta invención proporcionan un beneficio adicional durante el proceso de compactación, porque reducen la fuerza de extracción máxima y la presión de extracción máxima requeridas para separar la pieza compactada de la cavidad de la matriz. Como tales, los agentes de flujo pueden funcionar, también, como lubricantes internos durante el proceso de compactación.

Aunque descrito con particular referencia a las características de flujo a temperaturas elevadas para propósitos de compactación en caliente, se deberá subrayar que ventajas inesperadas en el llenado de las cavidades de la matriz se obtienen, también, a temperatura ambiente cuando los agentes de flujo de acuerdo con la presente invención se usan en mezclas de polvos aglutinados, en comparación con mezclas aglutinadas sin agentes de flujo. Ejemplos de tales ventajas son densidades de llenado más uniformes en cavidades de tamaños diferentes y un mejor comportamiento con mayores velocidades del canal de alimentación durante la compresión. La adición de agentes de flujo a mezclas de polvos aglutinados hace posible, por tanto, obtener densidad más uniforme en piezas compactadas de forma compleja y producir componentes me talúrgicos de polvos a velocidades más altas.

Ejemplos Ejemplo 1

Se estudió la mejora de las características de flujo de una composición de polvo metálico por la incorporación de un polvo de dióxido de silicio como agente de flujo. El flujo se determinó de acuerdo con el procedimiento de ensayo estándar ASTM B213-77, en el que el aparato de flujo se mantenía dentro de un recinto de temperatura controlada.

Se fabricó una composición de polvo metálico que tenía la composición presentada en la Tabla 1.1. Este polvo se preparó mezclando el polvo ANCORSTEEL 1000B, el polvo de grafito, y aproximadamente 90%, en peso del polvo de lubricante en un equipo estándar de laboratorio con frasco de mezcla, durante aproximadamente 15 a 30 minutos. El agente aglutinante, disuelto en acetona (aproximadamente 10%, en peso de agente aglutinante) se vertió, luego, en la mezcla y se mezcló con una espátula en un bol de acero de tamaño apropiado, hasta que el polvo estaba bien mojado. El disolvente se separó, luego, mediante aire seco y la mezcla se hizo pasar a través de un tamiz de 60 mallas para romper cualesquiera aglomerados grandes que se pudieran haber formado durante el secado, sin embargo, no se comprobó nada de aglomeración significativa. Finalmente, la cantidad restante de lubricante se mezcló con la composición de polvo. La mezcla se llevó a cabo hasta que la composición de polvo alcanzaba un estado sustancialmente homogéneo.

TABLA 1.1

Mezcla de referencia
Componente	% en peso
ANCORSTEEL 1000B^{1}	99
Grafito^{2}	0,4
Lubricante ^{3}	0,45
Aglutinante^{4}	0,15
^{1} - Polvo de hierro puro; Hoeganaes Corp.
^{2} - Asbury 32303; Asbury Graphite Mills, Inc.
^{3} - PROMOLD 450; Morton International
^{4} - Acetato-butirato de celulosa CAB-381; Eastman Chemical Products, Inc.

La composición del polvo metálico que figura en la Tabla 1.1 funcionó como polvo de control. Una cantidad secundaria de dos polvos de dióxido de silicio diferentes se mezcló, luego, en el polvo de control en la cantidad presentada en la Tabla 1.2 en porcentaje, en peso, de la composición de polvo de control. En la mezcla A se utilizó agente de flujo Aerosil 200 (tamaño medio de partícula = 12 nm) y en la mezcla B se utilizó agente de flujo Aerosil R812 (tamaño medio de partícula = 7 nm), ambos disponibles de Degussa Corporation. Los resultados de las características de flujo figuran en la tabla 1.2, en la que se comprueba que las características de flujo del polvo metálico se extienden más allá de 95ºC por la adición de ambos agentes de flujo. Tal extensión posibilita que estas composiciones de polvos se usen en procesado de compactación en caliente cuando se desea calentar el polvo a temperaturas más altas que se aproximan a la temperatura de la matriz antes de la compactación. La designación NF significa que el polvo no fluye en las condiciones fijadas.

\vskip1.000000\baselineskip

1

Ejemplo 2

Se estudió la mejora en las características de flujo de la composición de polvo que contiene un polvo de aleación de ferrofósforo por la adición de un agente de flujo de acuerdo con la presente invención. Una composición de polvo de base presentada en la Tabla 2.1 se usó como polvo de referencia, en la que el lubricante y aglutinante eran los mismos usados en el Ejemplo 1. Este polvo se preparó mezclando en seco el polvo ANCORSTEEL 1000B con el polvo de ferrofósforo (15-16% en peso de P; Hoeganaes, Suecia) y mezclando, luego, el agente de aglutinación con una espátula en un bol de acero de tamaño apropiado hasta que el polvo está bien humedecido. A continuación se separó el disolvente secando con aire y la mezcla se hizo pasar a través de un tamiz de 60 mallas para desmenuzar cualesquiera aglomerados grandes que podían haberse formado durante la operación de secado, sin embargo no se ha descubierto ninguna aglomeración importante. Finalmente, la cantidad total de lubricante se mezcló con la composición de polvo. La mezcla se mantuvo hasta que la composición de polvo alcanzó un estado sustancialmente
homogéneo.

TABLA 2.1

Mezcla de referencia
Componente	% en peso
ANCORSTEEL 1000B	96,5
Fe_{3}P	2,9
Lubricante	0,45
Aglutinante	0,15

Cantidades diversas del agente de flujo de polvo de dióxido de silicio Aerosil 200 usadas en el Ejemplo 1 se mezclaron en la mezcla de referencia, en los porcentajes, en peso (de la composición del polvo de control) presentados en la Tabla 2.2 para formar las mezclas C-E. Los resultados de las características de flujo se presentan en la Tabla 2.2, en la que se comprueba que las características de flujo del polvo de referencia se mejoran significativamente por la adición del polvo de dióxido de silicio.

\vskip1.000000\baselineskip

2

Ejemplo 3

Las características de flujo de las composiciones de polvos metálicos que contienen un agente de flujo de dióxido de silicio se mejoraron, además, por la adición de un agente de flujo de óxido de hierro, Fe_{3}O_{4}. Se usaron dos polvos de Fe_{3}O_{4} diferentes, pigmentos Bayferrox 318M y 330, disponibles de Miles, Inc. El polvo 318M (tamaño medio de partícula = 100 nm) se usó en las mezclas F-G, y el polvo 330 (tamaño medio de partícula = 200 nm) se usó en la mezcla H. Las composiciones de polvos se prepararon mezclando los polvos de Fe_{3}O_{4} con la Mezcla C del Ejemplo 2, usando técnicas de mezcla en frasco. Las Mezclas F y H contenían 0,08% en peso de óxido de hierro y la Mezcla G contenía 0,12%, en peso de óxido de hierro, basados en el peso de la mezcla C. Las propiedades de flujo de estas Mezclas se presentan en la Tabla 3.1.

\vskip1.000000\baselineskip

3

Por la adición de los agentes de flujo, las composiciones de polvos metálicos se pueden procesar a temperaturas crecientemente altas.

Ejemplo 4

Los efectos de las fuerzas de extracción requeridas para separar la pieza compactada de la cavidad de la matriz, se estudiaron con el inesperado descubrimiento de que la adición de los agentes de flujo reducían significativamente tanto la fuerza máxima de extracción como la presión máxima de extracción. La fuerza máxima de extracción se define como la fuerza máxima por unidad de área transversal de la cavidad de la matriz registrada durante la extracción de la pieza compactada de la matriz; esto es una medida de la fuerza máxima aplicada al punzón para empujar la pieza compactada fuera de la cavidad de la matriz. La presión máxima de extracción se calcula por el cociente de la carga máxima durante la extracción, dividida por el área transversal de la pieza en contacto con la superficie de la matriz; esto es la medida de la fuerza de fricción máxima entre las superficies de la pieza compactada y la matriz, que se debe superar para acabar el proceso de extracción.

Una mezcla de composición de referencia se preparó tal como se presenta en la Tabla 4.1 usando los mismos polvos de FeP, lubricante y aglutinante que se usaron en el Ejemplo 2. Mezclas experimentales C1, D1, E1 y F1 se prepararon que contenían cantidades similares de agente(s) de flujo a las mezclas C-F en los ejemplos 2-3. Es decir, 0,04% en peso, 0,08% en peso, y 0,12% en peso de polvo de dióxido de titanio Aerosil 200 se añadieron a la mezcla de referencia para formar las mezclas C1, D1 y E1 respectivamente, y 0,04% en peso de polvo de Aerosil 200 y 0,08% en peso de polvo de Fe_{3}O_{4} Bayferrox 318M se añadieron a la mezcla de referencia para formar la mezcla F1.

\newpage

TABLA 4.1

Las mezclas se compactaron, luego, a la presión de 7,75 ton/cm^{2} a una temperatura de aproximadamente 150ºC. Las fuerzas máximas de extracción y las presiones máximas de extracción se presentan en la Tabla 4.2. La presencia de los agentes de flujo redujeron marcadamente la fuerza y la presión de extracción, proporcionando, así, una beneficio adicional por su incorporación a las composiciones de polvos metálicos.

4

Ejemplo 5

Se estudiaron los beneficios de la adición del agente de flujo a las características de flujo de un polvo metálico, en el que el polvo a base de hierro era un material de hierro prealeado. El polvo a base de hierro usado en este experimento fue polvo Hoeganaes 85HP, y la composición del polvo de control se presenta en la Tabla 5.1. A este polvo de control se añadió el polvo de dióxido de silicio Aerosil 200 para preparar la Mezcla I de ensayo.

TABLA 5.1

Componente	Mezcla de referencia, % en peso
Polvo de acero Ancorsteel 85HP	94,9
Níquel^{1}	4
Grafito	0,5
Lubricante	0,45
Aglutinante	0,15
^{1} - INCO Nickel Powder 123; INCO Ltd.

Las características de flujo para estos dos polvos a diversas temperaturas se presentan en la Tabla 5.2. La introducción del agente de flujo extendió marcadamente la región de temperaturas en la que el polvo fluirá.

5

Ejemplo 6

El ejemplo siguiente demuestra las mejores características de flujo y de llenado cuando una mezcla de polvo de hierro aglutinado se somete a ensayo en un banco de pruebas de llenado de la matriz a velocidades crecientes del canal de alimentación. El banco de pruebas de llenado de la matriz, que utiliza cavidades rectangulares pulidas de diferentes dimensiones y un canal de conducción de llenado rectangular, se usó para estudiar polvo con una composición básica de acuerdo con la Tabla 6.1. En este estudio se usaron los resultados de las dimensiones de dos cavidades (L = 30 mm, H = 30 mm, W = 13 mm) con volúmenes medidos de 11,7 cm^{3} y 1,8 cm^{3}, respectivamente). El llenado se llevó a cabo con las cavidades orientadas en paralelo con la dirección del canal de conducción de llenado. Los datos sobre la densidad de llenado en las dos cavidades se trataron de acuerdo con la fórmula:

ÍNDICE \ DE \ LLENADO \ = \ (DLL _{máx} \ - DLL_{mín}) / DLL_{máx}

en la que:

DLL_{máx} = Densidad de llenado (g/cm^{3}) de la cavidad más grande

DLL_{mín} = Densidad de llenado (g/cm^{3}) de la cavidad más pequeña

Por tanto, cuanto más pequeño es el índice de llenado, más se evidencia un llenado uniforme, es decir, menos sensible es el polvo a las dimensiones de a cavidad.

TABLA 6.1

Mezcla de referencia
Componente	% en peso
ASC 100.29^{1}	El resto
Grafito^{2}	0,5
Lubricante^{3}	0,45
Aglutinante^{4}	0,15
Cu^{5}	2,0
^{1} - Polvo de hierro puro; Högenäs AB, Sweden.
^{2} - Grafito; C-uf4; Grafitwerk Kropfmühl AG, Germany.
^{3} - Etilen-bis-estearamida; Hoechst Wax C Micropowder PM; Calriant GmmH, Germany.
^{4} - Poli(acetato de vinilo); Vinac B15; Air Products and Chemicals Inc., USA
^{5} - Cobre; Cu 200; Makin, UK.

Los resultados en la tabla 6.2 presentan el impacto de la adición de 0,04% de Aerosil 200 a la mezcla aglutinada de más arriba. Se comprueban dos efectos: un índice de llenado más pequeño, es decir, llenado más uniforme y un comportamiento mejor y más uniforme a más altas velocidades del canal de conducción de llenado.

Índices de llenado a diferentes velocidades del canal de conducción de alimentación

6

Claims

1. Una composición de polvo metalúrgico, que comprende, al menos aproximadamente 85%, en peso de un polvo metálico a base de hierro, en la que el polvo comprende un polvo de hierro sustancialmente puro en mezcla con un polvo de aleación y en la que la composición metalúrgica comprende, además, 0,005 a 3%, en peso de un agente aglutinante que aglutina el polvo de hierro al polvo de aleación, seleccionándose dicho agente aglutinante entre resinas de ésteres de celulosa, acetato-butiratos de celulosa, acetato-propionatos de celulosa y sus mezclas, resinas fenólicas termoplásticas y resinas de hidroxialquilcelulosa de alto peso molecular y sus mezclas y 0,1-2%, en peso de un lubricante a altas temperaturas, caracterizada porque la composición de polvo metalúrgico comprende, además, 0,005-2%, en peso de un óxido de silicio en forma de partículas, que tiene un tamaño medio de partícula inferior a 40 nm, determinándose dicho tamaño medio de partícula, sobre una base en peso, de acuerdo con la fórmula:

TMP \ = \ 6 / (\rho \ x \ SA)

en la que:

TMP es el tamaño medio de partícula,

\rho es la densidad del polvo, y

AS es el área superficial del polvo.

2. Una composición de polvo aglutinado de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el agente de aleación es grafito.

3. Una composición de acuerdo con la reivindicación 2, en la que la cantidad de grafito es 0,01-3%, en peso.

4. Una composición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el agente de aleación se elige en el grupo que consiste en molibdeno; manganeso; magnesio; cromo; silicio; cobre, níquel; oro; vanadio; columbio (niobio); grafito; fósforo; aluminio; ferro-aleaciones de manganeso, cromo, boro, fósforo o silicio; eutécticos ternarios y cuaternarios de bajo punto de fusión de carbono y dos o tres de hierro, vanadio, manganeso, cromo, y molibdeno, carburos de volframio o silicio, nitruro de silicio; óxido de aluminio, y sulfuros de manganeso o molibdeno, y sus combinaciones.

5. Una composición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende, además, 0,01-2%, en peso de óxido de hierro en forma de partículas.

6. Un método de fabricar una pieza a base de hierro de polvo compactado, que comprende las etapas de:

a) proporcionar una composición de polvo a base de hierro aglutinado tal como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5; y

b) compactar la composición en una matriz a una presión de aproximadamente 69-2.760 MPa y a una temperatura superior a 100ºC para formar dicha pieza.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la compactación se realiza a una temperatura superior a 125ºC.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la compactación se realiza entre 125 y 370ºC.