IT8922242A1

IT8922242A1 - Miscela di polvere ferrosa di qualita' lavorabile alla macchina, contenente nitruro di boro

Info

Publication number: IT8922242A1
Application number: IT1989A22242A
Authority: IT
Inventors: Cavit Ciloglu; Martin Gagne; Edy Laraque; Joel Poirier; Sylvain Tremblay; Yves Trudel
Original assignee: Quebec Metal Powders Ltd
Priority date: 1988-11-02
Filing date: 1989-11-02
Publication date: 1991-05-02
Also published as: IT1236968B; AU613532B2; KR900007998A; IT8922242A0; BR8905602A; DE3936523A1; DK544289D0; GB2225023B; SE505271C2; FR2638381B1; AU4364689A; ES2018117A6; CA1327463C; FR2638381A1; US4927461A; MX166164B; DE3936523C2; TR24306A; ATA253089A; GB8924283D0

Description

DESCRIZIONE

BASI DELL?INVENZIONE

1. Settore dell'invezione

La presente invenzione riguarda miscele di polveri ferrose. Secondo un aspetto l'invenzione riguarda miscele di polveri ferrose di qualit? lavorabile alla macchina contenenti nitruro di boro, mentre secondo un altro aspetto l'invenzione riguarda l'uso di una polvere di nitruro di boro comprendente agglomerati di particelle submicroniche di forma irregolare.

2 . Descrizione della Tecnica Nota

La fabbricazione e l'uso di polveri ferrose sono ben noti, e sono descritti con considerevole dettaglio in Kirk-Othmer 's Encyclopedia of Chemical Technology, Terza Edizione, Volume 19, alle pagg. 28-62. Le polveri ferrose possono essere preparate scaricando metallo di ferro fuso da un forno in una paniera dove, dopo passaggio attraverso ugelli in refrattario, il ferro fuso viene sottoposto a granulazione mediante getti orizzontali di acqua. Il ferro granulato viene quindi essiccato e ridotto ad una polvere, che viene successivamente ricotta per allontanare l'ossigeno ed il carbonio. Viene recuperata una torta di ferro puro che viene rimacinata ad una polvere.

Le polveri di ferro presentano molte applicazioni, come fabbricazione di parti con polvere metallurgica (P/M), rivesimento di elettrodi di saldatura, taglio e scriccatura alla fiamma. Per le applicazioni P/M, la polvere di ferro viene spesso mescolata con additivi scelti come lubrificanti, leganti e agenti di lega. Una parte ferrosa P/M viene formata iniettando polvere di ferro o di acciaio in una cavit? dello stampo formata in una qualche configurazione specifica, applicando la pressione per formare un compattato, sinterizzando il compattato e rifinendo quindi il compattato sinterizzato fino alle specifiche desiderate.

I compattati sinterizzati e sagomati P/M richiedono spesso la lavorazione alla macchina quale uno degli stadi di finitura per produrre il prodotto desiderato P/M. Quando il prodotto P/M ? un prodotto ottenuto in massa (per il quale il processo P/M ? ben adatto), allora la velocit? e l'efficienza alle quali questi prodotti P/M possono essere ottenuti dipenderanno in parte dalla velocit? e dall'efficienza dello stadio di lavorazione alla macchina. La velocit? e l'efficienza dello stadio di lavorazione alla macchina ? a sua volta funzione, tra le altre cose, di quanto facilmente il compattato sinterizzato P/M pu? essere tagliato dal dispositivo di lavorazione alla macchina.

Generalmente pi? ? difficoltoso il taglio del compattato sinterizzato P/M, pi? energia ? richiesta per il dispositivo di taglio, pi? breve ? la vita del dispositivo di taglio, e pi? tempo ? richiesto per completare lo stadio di lavorazione alla macchina.

Uno dei metodi per aumentare la velocit? e l'efficienza dello stadio di lavorazione alla macchina ? quello di preparare il compattato sinterizzato P/M con un basso coefficiente di attrito all'interfaccia tra il dispositivo di taglio ed il compattato, e con caratteristiche migliorate di formazione dei trucioli. Ci? pu? essere realizzato mescolando la polvere ferrosa con un agente di riduzione dell'attrito, come solfuro di manganese o nitruro di boro, ma questi agenti noti per le polveri ferrose, sebbene operativi richiedono miglioramenti. Ad esempio, mentre tutti gli agenti vengono mescolati con la polvere ferrosa prima della sinterizzazione, alcuni influenzano negativamente le variazioni dimensionali alle quali ? soggetto il compattato durante la sinterizzazione, oppure generalmente riducono le caratteristiche di resistenza del compattato sinterizzato, o entrambi. Un effetto significativo sulla variazione dimensionale pu? richiedere una variazione di filiera da parte del produttore di P/M, uno stadio costoso da evitare se possibile. Le caratteristiche di resistenza significativamente ridotte del compattato sinterizzato riducono generalmente la sua utilit? finale. Questi effetti indesiderabili sono funzione, almeno in parte, della natura e della quantit? dell'agente realmente aggiunto alla polvere ferrosa, e l'identificazione degli agenti che possano provvedere gli effetti desiderabili ma con livelli di aggiunta inferiori, e con costi inferiori, costituisce un traguardo continuo nella ricerca P/M.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Secondo la presente invenzione una miscela di polveri ferrose di qualit? lavorabile alla macchina viene preparata da:

A. almeno circa 85% in peso di una polvere ferrosa avente una grandezza massima delle particelle inferiore a circa 300 micron; e

B. almeno circa 0,01% in peso di polvere di nitruro di boro comprendente agglomerati di particelle submicroniche di forma irregolare.

I compattati sinterizzati P/M preparati da questa miscela di polvere ferrosa dimostrano una migliorata lavorabilit? alla macchina. Inoltre l'agente di riduzione dell'attrito nitruro di boro presenta un effetto minimo sia sulla resistenza del compattato sinterizzato P/M che sulle variazioni dimensionali alle quali ? soggetto il compattato durante la sinterizzazione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

Essenzialmente qualsiasi polvere ferrosa avente una grandezza massima delle particelle inferiore a circa 300 micron pu? essere utilizzata nella composizione della presente invenzione. Polveri ferrose tipiche sono le polveri ferrose Atomet?, prodotte da Quebec Metal Powders Limited di Tracy, Quebec, Canada. Queste polveri possono presentare un contenuto di ferro superiore a 99% in peso, con meno di 0,2% in peso di ossigeno e 0,1% di carbonio. Le polveri ferrose Atomet? presentano tipicamente una densit? apparente di almeno 2,50 g/cm3 ed una velocit? di flusso inferiore a 30 secondi per 50 g. sebbene il nitruro di boro di questa invenzione ? stato trovato pi? efficace nelle polveri ferrose Atomet?, si possono utilizzare anche polveri di acciaio, comprese le polveri di acciaio inossidabile e di acciaio legato, quali polveri ferrose per le miscele della presente invnzione, e le polveri di acciaio Atomet? 1001, 4201 e 4601 sono rappresentative delle polveri di acciaio e di acciaio legato. Queste polveri Atomet? contengono pi? del 97% in peso di ferro ed hanno una densit? apparente di 2,85-3,05 g/cm3 ed un flusso di 24-28 secondi per 50 g. La polvere di acciaio Atomet? 1001 ? costituita da pi? del 99% in peso di ferro, mentre le polveri di acciaio Atomet? 4201 e 4601 contengono ciascuna 0,55% in peso di molibdeno e 0,5 e 1,8% in peso di nichel rispettivamente. Si pu? utilizzare virtualmente qualsiasi qualit? di polvere di acciaio.

Preferibilmente la polvere ferrosa presenta una grandezza massima delle particelle inferiore a circa 212 micron.

La polvere di nitruro di boro utilizzata nella presente invenzione comprende particelle con forma irregolare con una grandezza media delle particelle di almeno circa 0,05, preferibilmente almeno circa 0,1 micron. Come qui utilizzata, l'espressione "particelle con forma irregolare" indica non solamente particelle simili a quelle descritte nella fig. 2(f) alla pag. 32 di Kirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology, terza Edizione, Volume 19, ma anche particelle simili a quelle descritte nelle figg. 2(c), (d), (e), (g) e (h) dello stesso riferimento. Sebbene le particelle stesse presentino una grandezza submicronica, esse tendono a legarsi l'una con l'altra e formare agglomerati che variano per quanto riguarda la grandezza da circa 5 a circa 50 micron. Sebbene non noto con certezza, questi agglomerati sono ritenuti rompersi quando mescolati con le particelle di ferro, e le particelle submicroniche si concentrano a loro volta entro o presso i pori o le fessure delle particelle di ferro. Questo posizionamento delle particelle di nitruro di boro sulle particelle ferrose ? ritenuto minimizzare l'effetto del nitruro di boro sulle particelle di ferro durante il processo di sinterizzazione e in accordo con ci? dal comprimere materialmente la resistenza meccanica del compattato P/M dopo il processo di sinterizzazione. Un simile effetto ? atteso dall'aggiunta di particelle di nitruro di boro submicroniche e non agglomerate. La grandezza media preferita delle particelle di nitruro di boro utilizzate nella presente invenzione varia da circa 0,2 a circa 1,0 micron.

Il nitruro di boro ? di per s? un materiale relativamente inerte che ? immiscibile con il ferro e con l'acciaio a temperature inferiori a 1400?C e sostanzialmente ? non reattivo con il carbonio al di sotto di 1700?C. Tuttavia, l 'igroscopicit? generalmente associata con il nitruro di boro ? dovuta in gran parte alla presenza di ossido borico, un residuo del procedimento di manifattura del nitruro di boro. Poich? la vita della miscela della polvere ferrosa ? dipendente in parte dalla quantit? di acqua che viene assorbita tra il tempo di formazione della miscela ed il tempo della sua utilizzazione per preparare un compattato sinterizzato P/M, la quantit? di ossido borico presente nel nitruro di boro utilizzato per preparare le miscele della presente invenzione ? tipicamente inferiore a circa 5% in peso (sulla base del peso totale del nitruro di boro) e preferibilmente inferiore a circa 3% in peso.

Le miscele della polvere ferrosa della presente invenzione vengono preparate mescolando almeno circa 0,01 preferibilmente almeno circa 0,02% in peso di polvere di nitruro di boro con almeno 85, preferibilmente almeno 90% in peso di una polvere ferrosa. Preferibilmente una quantit? da circa 0,01 a 0,10% in peso della polvere di nitruro di boro viene mescolata con la polvere ferrosa, e pi? preferibilmente da 0,03 a 0,07% in peso. La miscelazione viene effettuata in maniera tale che la miscela risultante della polvere ferrosa e del nitruro di boro sia sostanzialmente omogenea. Essenzialmente si pu? utilizzare qualsiasi forma di miscelazione, la miscelazione meccanica convenzionale essendo la pi? tipica.

La miscela della polvere ferrosa della presente invenzione pu? contenere altri materiali in aggiunta alle polveri ferrosa e di nitruro di boro. Possono essere presenti anche agenti leganti come glicole polietilenico, glicole polipropilenico, kerosene e simili, come pure polveri per lega come grafite, rame e/o nichel. Questi materiali, il loro uso ed i metodi di inclusione nelle miscele della polvere ferrosa, sono ben noti nella tenica. I compattati sinterizzati P/M dotati di caratteristiche migliorate di lavorabilit? alla macchina costituiscono l'aspetto fondamentale della presente invenzione. Questi compattati sono pi? facilmente lavorati alla macchina che non i compattati ottenuti da composizioni di polvere ferrosa non contenenti polvere di nitruro di boro come qui descritto, e cos? lo stadio di lavorazione alla macchina del processo P/M presenta una efficienza superiore. Questo aspetto vantaggioso viene realizzato senza alcun impatto negativo significativo sulle caratteristiche di sinterizzazione della miscela della polvere ferrosa.

Gli esempi che seguono sono illustrativi delle attuazioni della presente invenzione.

ATTUAZIONI SPECIFICHE

Polvere di ferro Atomet? 28 fu utilizzata per studiare l'effetto delle aggiunte dell'agente di riduzione dell'attrito sulle caratteristiche di sinterizzazione di compattati P/M e sulla resistenza e la lavorabilit? alla macchina di compattati sinterizzati P/M. Polvere di ferro Atomet? 28 ? ferro al 99+ percento in peso e contiene circa 0,18% in peso di ossigeno e 0,07% in peso di carbonio. Essa presenta una densit? apparente di circa 2,85 g/cm3 ed una velocit? di flusso di circa 26 secondi per 50 g. L'analisi al setaccio (mesh U.S.) era:

Grandezza del setaccio Percento in peso sopra 100 5

-100 140 28

-140 200 23

-325 20

L'agente di riduzione dell'attrito solfuro di manganese (MnS) utilizzato in questi esempi comprendeva particelle non agglomerate aventi una grandezza media di circa 5 micron.

Furono inoltre utilizzate 3 qualit? di agente di riduzione dell'attrito nitruro di boro (BN). la prima qualit? (BN-I) era formata da agglomerati di 5-10 micron di particelle simili a piastrine aventi una grandezza media delle particelle di 0,5-1 micron. Questa qualit? di nitruro di boro conteneva anche da circa 0,2 a circa 0,4% in peso di ossido borico.

La seconda qualit? (BN-II) era formata da particelle simili a piastrine non agglomerate di 5-15 micron e conteneva un massimo di circa 0,5% in peso di ossido borico.

La terza qualit? {BN-III}, similmente alla prima qualit?, era formata da agglomerati di 5-30 micron di particelle aventi una grandezza media delle particelle di 0,05-1 micron, ma queste particelle avevano una forma non a piastrine o irregolare, diversamente dalla forma a piastrine della prima qualit?. Il contenuto di ossido borico di BN-III era da circa 0,5 a circa 3% in peso.

La polvere di ferro Atomet? fu dapprima mescolata con circa 0,5% in peso di stearato di zinco (quale lubrificante) e con livelli variabili di grafite da 0 a 0,9% in peso. Quantit? varie dell'agente di riduzione dell'attrito furono quindi aggiunte ad aliquote della miscela e quindi mescolate meccanicamente per formare una miscela sostanzialmente omogenea (entro 5% del livello di aggiunta). I pezzi per il saggio furono compattati a 6,7 g/cm<3 >e quindi sinterizzati per 30 minuti a 1120?C in atmosfera ricca ed endotermica. Le caratteristiche di sinterizzazione furono misurate su sbarre, standard di rottura trasversale in accordo con i metodi di saggio della Metal Powder Industries Federation. I valori riportati in Tabella costituiscono la media di almeno tre misure.

La lavorabilit? alla macchina fu valutata utilizzando il saggio della forza della spinta di perforazione. Trapani di acciaio a torsione di uso generale furono inseriti nella testa ruotante di un tornio industriale ed alimentati nei campioni montati su una cella di carico. Le forze di spinta furono misurate su sbarre per il saggio che misuravano 31,8 mm per 12,7 mm per 12,7 mm, compattate e sinterizzate secondo le procedure sopra descritte. Due fori di 6,4 mm in diametro e 10 mm di profondit? furono ricavati in ciascun campione. Non fu utilizzato alcun refrigerante durante l'operazione di foratura e la velocit? di penetrazione veniva fissata a 40 mm/min e la velocit? del trapano a 800 rpm per tutti i saggi. Le forze di spinta furono misurate tramite la cella di carico e registrate su un registratore grafico ad alta velocit?. La forza di spinta fu utilizzata quale indice di lavorabilit? alla macchina delle parti sinterizzate e quanto pi? bassa ? la forza di spinta, tanto migliore ? la lavorabilit? alla macchina (vita pi? lunga del dispositivo di taglio, meno esigenze di potenza del dispositivo di taglio, e minor tempo richiesto per lavorare alla macchina il compattato sinterizzato).

I risultati di questi saggi sono riportati nella Tabella e, come dimostrano, l'aggiunta di qualsiasi degli agenti di riduzione dell'attrito riportati presentava un effetto positivo sulla riduzione della forza di spinta. Tuttavia la quantit? dell'agente richiesto per ottenere qualsiasi dato livello di riduzione della forza di spinta variava con l'agente ed anche l'effetto negativo sulla resistenza, sulla variazione dimensionale e sulla durezza del compattato variava con l'agente e con la quantit? utilizzata.

Ad esempio, 0,5% in peso di MnS provvedeva una riduzione del 10% della forza di spinta per un compattato formato da una miscela contenente 0,9% in peso di grafite, ma esso riduceva anche i valori di TRS (del 15%) e della durezza (da 77 a 74), e provocava maggiore variazione dimensionale (+ 0,1%). Risultati migliori venivano ottenuti utlizzando quantit? significativamente minori di BN-I e BN-II. Entrambi questi agenti riducevano la forza di spinta di almeno 17%, mentre riducevano TRS e durezza meno o circa lo stesso di quando si usava MnS ad un livello di additivazione di 0,5% in peso. L'uso di BN-I e II a questi livelli di aggiunta inferiori (0,1, 0,2 e 0,3% in peso) comportava anche una minore variazione dimensionale.

L'uso di BN-III (una attuazione della presente invenzione) comporta una riduzione molto positiva della forza di spinta (23%) ad un livello di aggiunta (0,05) quasi di un ordine di grandezza inferiore di quello richiesto per risultati simili da BN-I e II. Inoltre la riduzione di TRS (7,1%) e della durezza (da 77 a 74) e l'impatto sulla variazione dimensionale (+ 0,01) sono virtualmente gli stessi. Riduzioni superiori della forza di spinta (61%) possono essere ottenuti utilizzando pi? BN-III (0,3% in peso) ma a spese di una riduzione superiore di TRS (43%) e della durezza (da 77 a 54), e dell'impatto sulla variazione dimensionale (-0,04). Tuttavia questi fuori-mercato esistono anche per altri agenti (confrontare i livelli 0,1 e 0,2 di BN-II). In accordo con ci? utilizzando l'agente di riduzione dell'attrito della presente invenzione (BN-III), si pu? utilizzare una quantit? considerevolmente minore dell'agente, ottenendo ancora caratteristiche desiderabili di lavorabilit? alla macchina senza aumentare il fuorimercato in quanto a riduzione della resistenza meccanica, della durezza o variazioni dimensionali esagerate, cos? anche se i livelli di aggiunta di BN-III sono inferiori a quelli di BN-I e BN-II, il numero maggiore DI PARTICELLE PER UNITA' IN PESO IN BN-III VIENE RITENUTO COMPORTARE UN EFFETTO DI ROTTURA DEL TRUCIOLO PIU' CONTINUO ED UNA ENTIT?' SUPERIORE DI LUBRIFICABILITA ' OSSERVATA ALL'INTERFACCIA TRUCIOLO-DISPOSITIVO.

EFFETTI DEGLI AGENTI DI RIDUZIONE DELL'ATTRITO SULLE

CARATTERISTICHE DI COMPATTATI SINTERIZZATI DI ATOMET? 28

Resistenza alla rottura trasversale, differenziale percentuale dallo standard

ariazione dimensionale, differenziale percentuale dallo standard

<3>Rockwell B.

Sebbene la presente invenzione sia stata descritta con riferimento specifico ad attuazioni particolari, queste attuazioni vengono riportate solamente per scopo illustrativo e non devono essere intese quale limitazione per la portata delle rivendicazioni che seguono.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Miscela di polveri di qualit? lavorabile alla macchina comprendente : A. almeno circa 85% in peso di una polvere ferrosa avente una grandezza massima delle particelle inferiore a circa 300 micron; e B. almeno circa 0,01%? in peso di polvere di nitruro di boro comprendente agglomerati di particelle submicroniche di forma irregolare.
2. Miscela di polveri secondo la rivendicazione 1, in cui la grandezza massima delle particelle della polvere ferrosa ? inferiore a circa 212 micron.
3. Miscela di polveri secondo la rivendicazione 1, in cui la polvere ferrosa costituisce almeno circa 90% della miscela.
4. Miscela di polveri secondo la rivendicazione 1, in cui il nitruro di boro costituisce almeno circa 0,02% in peso della miscela.
5. Miscela secondo la rivendicazione 3, in cui la polvere di nitruro di boro costituisce da circa 0,02 a circa 0,1% in peso della miscela.
6. Miscela secondo la rivendicazione 5, in cui la polvere di nitruro di boro contiene meno di circa 5% in peso di ossido borico.
7. Miscela secondo la rivendicazione 5, in cui la polvere di nitruro di boro contiene meno di circa 3% in peso di ossido borico.
8. Miscela secondo la rivendicazione 7, in cui le particelle submicroniche di nitruro di boro presentano una grandezza media delle particelle da circa 0,05 a 1,0 micron.
9. Miscela secondo la rivendicazione 7, in cui le particelle submicroniche di nitruro di boro presentano una grandezza media delle particelle da circa 0,1 a 1 micron.
10. Forma ferrosa ottenuta compattando la miscela di polveri secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 o 9.