ES2248119T3 - Composicion en polvo que comprende agregados de polvo de hierro y aditivos y un agente de fluidez y un procedimiento para su preparacion. - Google Patents

Abstract

Una composición en polvo que incluye un polvo que contiene hierro, aditivos, lubricantes y agentes de fluidez, en la que dicha composición en polvo consiste en partículas que contienen hierro que tienen partículas de aditivos seleccionados del grupo que consiste en elementos aleantes, materiales de fase dura, grafito, materiales ferrofosforosos y MnS unidas entre sí mediante un lubricante fundido y posteriormente solidificado, el cual tiene un punto de fusión de cómo máximo 170C, para formar partículas aglomeradas, y de 0, 005 a 2 por ciento en peso de un agente de fluidez que tiene un tamaño de partículas inferior a 200 nanómetros, en la que el lubricante se selecciona de ceras, jabones metálicos y materiales termoplásticos, seleccionándose dicho material termoplástico del grupo que consiste en poliamidas, poliimidas, poliolefinas, poliésteres, polialcóxidos, polialcoholes y en la que el agente de fluidez se selecciona del siguiente grupo de metales; aluminio, cobre, hierro, níquel, titanio, oro, plata, platino, paladio, bismuto, cobalto, manganeso, plomo, estaño, vanadio, itrio, niobio, wolframio, zirconio y se usa o bien en su forma metálica o en forma de óxido, y dióxido de silicio y al menos una parte de las partículas del agente de fluidez se adhieren a las partículas del polvo aglomerado mediante un lubricante.

Description

Composición en polvo que comprende agregados de polvo de hierro y aditivos y un agente de fluidez y un procedimiento para su preparación.

La presente invención se refiere a una mezcla en polvo y a un método para su producción. Más particularmente, la invención se refiere a una mezcla en polvo a base de hierro para usar en técnicas metalurgias en polvo.

Las técnicas metalúrgicas en polvo son técnicas bien establecidas para producir diversos componentes, por ejemplo, para la industria del motor. En la producción de componentes, se compacta y sinteriza una mezcla en polvo para proporcionar una pieza de cualquier forma deseada. La mezcla en polvo comprende un polvo metálico base como el componente principal y mezclados aditivos pulverulentos. Los aditivos pueden ser, por ejemplo, grafito, Ni, Cu, Mo, MnS, Fe_{3}P, etc. Para la producción reproducible de los productos deseados usando técnicas metalúrgicas en polvo, la composición en polvo usada como material de partida debe ser tan homogénea como sea posible. Esto se consigue usualmente ya que los componentes de la composición están entremezclados de forma homogénea. Puesto que los componentes de polvo de la composición difieren en tamaño, densidad y forma, existirán, sin embargo problemas con la homogeneidad de la composición.

De este modo, se produce segregación durante el transporte y manejo de la composición en polvo debido a que los componentes pulverulentos de mayor densidad y menor tamaño que el polvo metálico base tienden a acumularse en la parte inferior de la composición, mientras que los componentes pulverulentos de menor densidad tienden a ascender hacia la parte superior de la composición. Esta segregación implica que la composición no será uniforme, lo cual a su vez significa que las piezas hechas de la composición en polvo tienen diferente composición y como consecuencia tienen propiedades diferentes. Un problema adicional es que las partículas finas, particularmente las de menor densidad tal como el grafito, producen pérdida de polvo en el manejo de la mezcla en polvo.

En general, los aditivos son polvos que tienen un tamaño de partículas más pequeño que el polvo metálico base. Mientras que el polvo metálico base tiene un tamaño de partículas inferior a aproximadamente 150 \mum, la mayoría de los aditivos tienen un tamaño de partículas inferior a aproximadamente 20 \mum. Este menor tamaño de partículas da lugar a una mayor superficie específica de la composición, lo que a su vez implica un deterioro de sus propiedades de fluidez, es decir, su capacidad para fluir como un polvo que fluye libremente. La fluidez empeorada se manifiesta en un aumento del tiempo requerido para rellenar las matrices con polvo, lo que significa una menor productividad y un aumento del riesgo de variaciones en la densidad del componente compactado, lo que puede conllevar deformaciones inaceptables después de sinterizar.

Se han hecho previamente esfuerzos para resolver los problemas descritos anteriormente añadiendo diferentes aglutinantes y lubricantes a la composición en polvo. El propósito del aglutinante es unir firmemente y de manera efectiva las partículas de aditivos, tales como componentes aleantes, a la superficie de las partículas del metal base y, como consecuencia, reducir los problemas de segregación y pérdida de polvo. El propósito del lubricante es reducir la fricción de la composición en polvo y, de este modo, aumentar su fluidez y también reducir la fuerza de expulsión, es decir, la fuerza requerida para expulsar el producto finalmente compactado de la matriz.

Un objeto de la presente invención es tratar de reducir o eliminar los problemas descritos anteriormente asociados a la técnica anterior. En particular, el objeto de la invención es proporcionar una mezcla o composición metalúrgica en polvo y a su vez reducir la segregación y pérdida de polvo. Un segundo objeto es proporcionar una mezcla en polvo que tenga una fluidez satisfactoria. Un tercer objeto es proporcionar una mezcla en polvo para compactación a temperatura ambiente (compactación en frío) y un cuarto objeto es proporcionar métodos adaptados a la producción a gran escala de dichas composiciones en polvo. Un quinto objeto es eliminar el uso de aglutinantes y disolventes convencionales.

Según la presente invención, estos problemas se reducen o eliminan mediante una composición en polvo preparada mediante un procedimiento que incluye las etapas de:

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mezclar un polvo que contiene hierro, un aditivo pulverulento y un lubricante pulverulento y calentar hasta una temperatura por encima del punto de fusión del lubricante,

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enfriar la mezcla obtenida hasta una temperatura inferior al punto de fusión del lubricante durante un periodo de tiempo suficiente para solidificar el lubricante y unir las partículas de aditivo a las partículas que contienen hierro con el fin de formar partículas aglomeradas, y

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mezclar un agente de fluidez pulverulento que tiene un tamaño de partículas inferior a 200 nanómetros, preferiblemente inferior a 40 nanómetros, con la mezcla obtenida en una cantidad entre 0,005 a aproximadamente 2% en peso de la composición.

Se conocen mezclamientos de polvos que implica la fusión y posterior solidificación de aglutinantes y/o lubricantes, es decir, la denominada técnica de unión por fusión, de, por ejemplo, la Patente de EE.UU. Nº 4.946.499, la cual describe una mezcla en polvo a base de hierro con un aglutinante que es una combinación de un aceite y un jabón metálico o una cera que se funden juntos. Cuando se produce la composición según esta publicación de patente, el polvo se mezcla con el jabón metálico o la cera, y el aceite, y la mezcla se calienta de manera que el aceite y el jabón metálico o la cera se fundan juntos, después de lo cual la mezcla se enfría. La Publicación de la solicitud JP Nº 58-193302 describe el uso de un lubricante pulverulento, tal como estearato de zinc, como un aglutinante. El lubricante pulverulento se añade a la composición en polvo y se calienta para fundirlo mientras se mezcla continuamente, después de lo cual la mezcla se enfría. La publicación de la solicitud JP Nº 1-219101 describe también el uso de un lubricante como un aglutinante. Cuando se produce una composición en polvo, el polvo metálico se mezcla con un lubricante y se calienta por encima del punto de fusión del lubricante, después de lo cual se realiza el
enfriamiento.

La Patente EP 580 681 describe una composición en polvo metalúrgica a base hierro que incluye un polvo de hierro base, aditivos pulverulentos, un aglutinante, una cera de diamina, preferiblemente etilén-bis-estearamida, y opcionalmente un lubricante pulverulento en el que el aglutinante está presente en forma fundida y posteriormente en forma solidificada para unir entre sí las partículas de polvo de los aditivos con las partículas de polvo del metal
base.

En la Patente de EE.UU. 5782954 se describe el uso de agentes de fluidez. Esta patente describe composiciones en polvo metalúrgicas a base de hierro que contienen agentes de fluidez de metales u óxidos metálicos en forma de nanopartículas útiles para mejorar las características de fluidez de las composiciones, particularmente a temperaturas de tratamiento elevadas. Las composiciones en polvo a base de hierro que, además de hierro y elementos aleantes incluyen aglutinante o aglutinantes y lubricante de alta temperatura, se pueden mezclar ventajosamente con un agente de fluidez tal como un óxido de silicio o un óxido de hierro, o una combinación de ambos, para proporcionar una composición en polvo que tiene propiedades de fluidez mejoradas.

El agente de fluidez usado según la presente invención es preferiblemente un óxido de silicio, más preferiblemente dióxido de silicio que tiene un tamaño medio de partículas inferior a aproximadamente 40, preferiblemente de aproximadamente 1 a 35 nanómetros y se usa en una cantidad de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 2, preferiblemente de 0,01 a 1 por ciento en peso, más preferiblemente de 0,025 a 0,5 por ciento en peso de la composición total. Otros metales que se pueden usar como agentes de fluidez o bien en sus formas metálicas o de óxido metálico son aluminio, cobre, hierro, níquel, titanio, oro, plata, platino, paladio, bismuto, cobalto, manganeso, plomo, estaño, vanadio, itrio, niobio, wolframio, y zirconio con un tamaño de partículas inferior a 200 nm.

El polvo que contiene hierro puede ser un polvo de hierro esencialmente puro o una mezcla de diferentes polvos de hierro los cuales se mezclan con los diferentes aditivos pulverulentos. El polvo puede ser también un polvo previamente aleado o un polvo parcialmente aleado o de difusión.

Los aditivos pueden ser elementos aleantes comúnmente usados tales como grafito, materiales ferrofosforosos y materiales de fase dura, tales como carburos y nitruros. El polvo que contiene hierro puede contener elementos aleantes mezclados tales como Cu, Ni, Mo, grafito, Fe_{3}P, y MnS en cantidades de hasta 10%.

Los lubricantes se seleccionan de ceras, jabones metálicos, y materiales termoplásticos. Ejemplos de ceras son ceras de diamida, tales como etilén-bis-estearamida. Ejemplos de jabones metálicos son estearato de zinc, estearato de litio y ejemplos de materiales termoplásticos son poliamidas, poliimidas, poliolefinas, poliésteres, polialcóxidos, polialcoholes.

Los lubricantes se pueden usar en cantidades entre 0,05 y 3%, preferiblemente entre 0,2 y 2% y más preferiblemente entre 0,5 y 1,5% en peso de la composición. Se puede usar también una mezcla de lubricantes, en la que al menos uno de los lubricantes se funde durante el procedimiento. Por debajo de aproximadamente 0,05% en peso de lubricante se produce una unión no satisfactoria, mientras que por encima de aproximadamente 2% en peso de lubricante se produce una porosidad no deseada del producto acabado. Dentro de los límites establecidos, la cantidad de lubricante se selecciona según la cantidad de aditivos, requiriendo una mayor cantidad de aditivos más cantidad de lubricante y viceversa.

Según una realización preferida, el agente de fluidez pulverulento se añade a la mezcla de las partículas que contienen hierro que tienen las partículas de aditivo unidas entre sí mediante el lubricante solidificado, a una temperatura superior a la temperatura ambiente pero inferior a la temperatura de fusión del lubricante, por ejemplo, dentro de un intervalo de 10 a 30ºC por debajo del punto de fusión del lubricante. En este caso el agente de fluidez se puede añadir al polvo aglomerado antes de que se haya alcanzado la temperatura ambiente.

Las mezclas en polvo según la invención según la invención se destinan a la preparación de componentes compactados y sinterizados en condiciones estándar. De este modo, la compactación se realiza a temperatura ambiente ("compactación en frió") a presiones entre 400 y 1000 MPa y el sinterizado se realiza a temperaturas entre 1050 y 1200ºC. De manera alternativa, la compactación se puede realizar a temperaturas elevadas.

El procedimiento para la preparación de mezclas en polvo se puede realizar a modo de tantas o continuamente. Las ventajas específicas conseguidas por la preparación continua son la posibilidad de obtener una fluidez suave y uniforme lo que a su vez da lugar a productos más homogéneos.

La invención se refiere también a composiciones en polvo que incluyen polvos que contienen hierro, aditivos, lubricantes y un agente de fluidez, en la que la composición consiste esencialmente en las partículas que contienen hierro que tienen aditivos unidos entre sí por medio de un lubricante fundido y posteriormente solidificado para formar partículas aglomeradas y de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 2 por ciento en peso del agente de fluidez que tiene un tamaño de partículas inferior a 200 nanómetros, preferiblemente inferior a 40 nanómetros.

Cuando se realiza el método según la invención es importante que los componentes de la mezcla, incluyendo el lubricante, se mezclen entre sí de manera homogénea. Esto se consigue mezclando en un dispositivo mezclador el polvo de hierro base y los aditivos pulverulentos, tales como grafito, Cu, etc, y el lubricante pulverulento hasta que se obtenga una mezcla en polvo homogénea. Durante el mezclamiento continuado, la mezcla se calienta entonces hasta que el lubricante se funde, lo cual ocurre, para la mayoría de los lubricantes actualmente usados, a aproximadamente 90º-170ºC en aire, preferiblemente a aproximadamente 120º-150ºC. El lubricante no ha de tener un punto de fusión demasiado alto, por lo que se minimiza la cantidad de energía requerida para calentar la mezcla en polvo para que el lubricante se funda. Por lo tanto, se ha de establecer un límite superior del punto de fusión del lubricante a una temperatura de aproximadamente 170ºC.

Cuando el lubricante fundido ha sido distribuido uniformemente en la mezcla durante la operación de mezclamiento, dicha mezcla se enfría para solidificar el lubricante y, de este modo, ejercer su efecto aglutinante entre las partículas de hierro base y las partículas más pequeñas de aditivos, tales como grafito, Cu, Ni, Mo, MnS, Fe_{3}P, etc., las cuales están dispuestas sobre su superficie. Es importante que la operación de enfriamiento se realice también con mezclamiento, con lo que se mantiene la homogeneidad de la mezcla. El mezclamiento realizado durante el enfriamiento, sin embargo, no es necesario que sea tan enérgico como el mezclamiento precedente para conseguir una mezcla homogénea. Cuando el lubricante ha solidificado, la mezcla en polvo se mezcla homogéneamente con el agente de fluidez antes de que esté lista para su uso. Preferiblemente el agente de fluidez se añade a las partículas aglomeradas de hierro y aditivo mientras la superficie del aglomerado conserva aún su capacidad para adherir o unir las partículas del agente de fluidez, es decir, mientras la superficie está todavía caliente.

Opcionalmente, se puede añadir lubricante adicional a la mezcla en polvo después de que el lubricante ha solidificado y el agente de fluidez ha sido entremezclado. Sin embargo, esto no es obligatorio.

Para facilitar el entendimiento de la invención, dicha invención se ilustrará más adelante mediante un ejemplo no limitante.

En los ensayos descritos en el ejemplo, se han usado los siguientes materiales y métodos.

Como polvo metálico base, se usó polvo de hierro atomizado, que tenía un diámetro medio de partículas de aproximadamente 63 \mum, siendo todas las partículas inferiores a 150 \mum.

Como aditivos, se usaron polvos de cobre (Cu) y grafito, teniendo el polvo de cobre un tamaño medio de partículas de aproximadamente 200 de malla y el polvo de grafito un tamaño medio de partículas de aproximadamente 4 \mum.

El mezclamiento de las mezclas en polvo se efectuó en dos etapas, mezclándose previamente en primer lugar los componentes de la mezcla con cada uno de los otros en un dispositivo mezclador, tipo Lodige, suministrado por Gebr. Lodige Maschinenbau GmbH, W-4790 Paderborn, Alemania, durante 2 minutos, después de lo cual la mezcla resultante se transfirió a un dispositivo mezclador cilíndrico que tenía una altura de aproximadamente 300 mm y un diámetro de aproximadamente 80 mm y estaba provisto de un mezclador de doble hélice y una camisa de calentamiento con calentamiento ajustable. En el dispositivo mezclador cilíndrico el polvo se agitó y se calentó hasta una temperatura de aproximadamente 150ºC durante aproximadamente 15 minutos para fundir el lubricante. La temperatura se mantuvo luego a aproximadamente 150ºC con agitación continuada durante aproximadamente 3 minutos, después de lo cual se detuvo el calentamiento y la mezcla se dejó enfriar hasta aproximadamente 120ºC con agitación antes de añadir el agente de fluidez. La mezcla se sometió luego a enfriamiento continuado antes de descargarla. Se midió el flujo de las mezclas en polvo según Swedish Standard SS 111031, que corresponde a International Stardard ISO 4490-
1978.

Se midió la densidad aparente (AD) de las mezclas en polvo según Swedish Standard SS 111030 que corresponde a ISO 3923/1-1979.

Se midió la pérdida de polvo de las mezclas en polvo como el número de recuentos por minuto a un flujo de aire dado mediante un aparato del tipo Dust Tack.

Se produjeron diversas mezclas en polvo de la manera que se ha descrito en general anteriormente, siendo sus composiciones las siguientes:

\newpage

Composición	% en peso
ASC 100,29*	96,70
Cu	2,00
C	0,50
H-cera**	0,80
*disponible de Höganäs AB, Suecia
**disponible de Hoechst AG, Alemania

Mezcla	Flujo/s/50g	AD(g/cm^{3})	Índice de	Pérdida de
			llenado(%)	polvo*
Composición de polvo	32,10	3,03	8,13	370
+0	29,23	3,02	6,48	116
+0,03 * (150ºC)	29,42	2,86	6,33	27
+0,03 *(120ºC)	26,08	2,92	4,24	13
+0,03 *(TA)	27,68	2,80	5,33	274
* \begin{minipage}[t]{130mm} % en peso de Aerosil R 812 disponible de Degussa, Alemania y que tiene un tamaño de partículas de aproximadamente 7 nm.\end{minipage}

Por lo tanto, de los ensayos y de lo que además se ha dicho anteriormente, resulta obvio que la técnica según la invención proporciona mezclas metalúrgicas en polvo que tiene una buena fluidez y un bajo grado de segregación y pérdida de polvo.

Claims (12)

1. Una composición en polvo que incluye un polvo que contiene hierro, aditivos, lubricantes y agentes de fluidez, en la que dicha composición en polvo consiste en partículas que contienen hierro que tienen partículas de aditivos seleccionados del grupo que consiste en elementos aleantes, materiales de fase dura, grafito, materiales ferrofosforosos y MnS unidas entre sí mediante un lubricante fundido y posteriormente solidificado, el cual tiene un punto de fusión de cómo máximo 170ºC, para formar partículas aglomeradas, y de 0,005 a 2 por ciento en peso de un agente de fluidez que tiene un tamaño de partículas inferior a 200 nanómetros, en la que el lubricante se selecciona de ceras, jabones metálicos y materiales termoplásticos, seleccionándose dicho material termoplástico del grupo que consiste en poliamidas, poliimidas, poliolefinas, poliésteres, polialcóxidos, polialcoholes y en la que el agente de fluidez se selecciona del siguiente grupo de metales; aluminio, cobre, hierro, níquel, titanio, oro, plata, platino, paladio, bismuto, cobalto, manganeso, plomo, estaño, vanadio, itrio, niobio, wolframio, zirconio y se usa o bien en su forma metálica o en forma de óxido, y dióxido de silicio y al menos una parte de las partículas del agente de fluidez se adhieren a las partículas del polvo aglomerado mediante un lubricante.

2. La composición en polvo según la reivindicación 1, caracterizada porque la cantidad del agente de fluidez es 0,01-1, más preferiblemente de 0,025 a 0,5 por ciento en peso.

3. La composición en polvo según la reivindicación 2, caracterizada porque el tamaño de partículas del dióxido de silicio es menor que 40 nm.

4. La composición en polvo según la reivindicación 2, caracterizada porque el tamaño de partículas del agente de fluidez es de 1 a 35 nanómetros.

5. La composición en polvo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque las partículas que contienen hierro comprenden partículas de hierro previamente aleado con al menos un elemento aleante.

6. La composición en polvo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el polvo a base de hierro comprende partículas de hierro unidas por difusión con al menos un elemento aleante.

7. La composición en polvo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el polvo a base de hierro comprende partículas de hierro sustancialmente puro.

8. La composición en polvo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el lubricante usado en una cantidad entre 0,05 y 3%, preferiblemente entre 0,2 y 2% y más preferiblemente entre 0,5 y 1,5% en peso de la composición.

9. La composición en polvo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el lubricante comprende estearato de zinc y/o etilén-bis-estearamida.

10. Un procedimiento para preparar composiciones en polvo para la preparación de componentes metalúrgicos en polvo, que incluye las etapas de:

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mezclar y calentar un polvo que contiene hierro, un aditivo pulverulento seleccionado del grupo que consiste en elementos aleantes, materiales en fase dura, grafito, materiales ferrofosforosos y MnS, y un lubricante pulverulento, que tiene un punto de fusión de menos de 170ºC y que se selecciona de ceras, jabones metálicos y material termoplástico, seleccionándose dicho material termoplástico del grupo que consiste en poliamidas, poliimidas, poliolefinas, poliésteres, polialcóxidos, polialcoholes, a una temperatura superior al punto de fusión del lubricante,

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enfriar la mezcla obtenida hasta una temperatura por debajo del punto de fusión del lubricante durante un periodo de tiempo suficiente para solidificar el lubricante y unir las partículas de aditivo a las partículas que contienen hierro para formar partículas aglomeradas, y

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mezclar un agente de fluidez pulverulento que tiene un tamaño de partículas inferior a 200 nanómetros con la mezcla obtenida en una cantidad entre 0,005 a 2% en peso de la composición, a una temperatura elevada para adherir al menos una parte de las partículas del agente de fluidez a las partículas del polvo aglomerado, en el que el agente de fluidez se selecciona de aluminio, cobre, hierro, níquel, titanio, oro, plata, platino, paladio, bismuto, cobalto, manganeso, plomo, estaño, vanadio, itrio, niobio, wolframio y zirconio, óxidos metálicos de dichos metales y dióxido de silicio.

11. El procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque el agente de fluidez se añade y se mezcla con el polvo aglomerado a una temperatura de 10 a 30ºC por debajo del punto de fusión del lubricante.

12. El procedimiento según la reivindicación 10-11 caracterizado porque se realiza como un procedimiento continuo.