KR20040077703A - 개선된 분말 야금 윤활제 조성물 및 이를 이용한 방법 - Google Patents

개선된 분말 야금 윤활제 조성물 및 이를 이용한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체 윤활제를 포함하는 개선된 야금 분말 조성물, 이를 제조하고 사용하는 방법에 관한 것이다. 압축된 부품의 스트립 압력과 슬라이드 압력과 같은 배출 물성은 상기 고체 윤활제를 사용함으로써 개선이 가능하다. 상기 고체 윤활제는 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 고폴리머 윤활제 또는 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 고폴리머 윤활제와 촤소한 하나의 첨가 윤활제의 혼합물을 함유한다. 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 고폴리머 윤활제는 탄소수 약 5 내지 500을 갖는 선형 또는 가지형 폴리알킬렌 사슬의 최소한 하나의 블록 A, 및 화학식 -[O(CH2)r]m-, 또는 -[(CH2)rO]m-를 갖는 알킬렌 옥사이드 사슬의 최소한 하나의 블록 B를 포함한다. 상기 폴리알킬렌 블록 코폴리머 윤활제는 A-B 또는 A-B-A의 구조를 가질 수 있다.

Description

개선된 분말 야금 윤활제 조성물 및 이를 이용한 방법{Improved Powder Metallurgy Lubricant Compositions And Methods For Using The Same}
기술분야
본 발명은 야금 분말 조성물 및 이를 이용한 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 스트립 압력(strip pressure)과 슬라이드 압력(slide pressure)을 감소시키는 반면에 그린 밀도(green density)와 소결 밀도(sintered density)를 강화시키는 개선된 윤활제를 포함한 분말 야금 조성물에 관한 것이다.
배경기술
분말 야금 산업은 금속기재 분말, 일반적으로 철기재 분말 조성물을 발전시켜왔는데, 그것은 자동차나 전자 산업을 포함한 여러 산업분야에서 사용하기 위해 다양한 형태와 크기를 갖는 필수적인 금속 부품으로 가공될 수 있다. 금속기재 분말 조성물로부터 부품을 제조하는 하나의 공정 기술은 다이 공동(die cavity)을 금속기재 분말 조성물로 채우는 것과 그린 컴팩트(green compact)를 형성하는 고압 하에서 금속기재 분말 조성물을 압축하는 것에 관련이 있다. 그 다음, 그린 컴팩트는 다이 공동으로부터 분리되어 최종 부품을 형성하기 위해 소결된다.
전통적으로 야금 분말 조성물은 다이 공동으로부터 컴팩트를 보다 쉽게 배출해 내고, 다이의 손상을 감소시키고, 그리고/또는 야금 분말 조성물이 보다 균일하게 압축되도록, 압축 시에 입자간 내부 마찰을 줄이기 위한 윤활제가 함께 제공된다. 다이로부터 압축된 부품을 제거하기 위해 반드시 극복해야하는 내부 마찰력은 "스트립 압력(strip pressure)" 및 "슬라이드 압력(sliding pressure)"으로서 측정된다. 내부 마찰력은 압축 압력이 증가하면서 함께 증가한다.
윤활제는 내부(건조) 윤활제 또는 외부(분사) 윤활제로 분류된다. 내부 윤활제는 다이에 금속기재 분말 조성물을 첨가하기 이전에 금속기재 분말과 함께 혼합된다. 외부 윤활제는 금속기재 분말 조성물을 첨가하기 전에 다이 공동의 내부 벽면에 분사된다. 통상 윤활제는 금속 스테아레이트산염이나 합성 왁스를 포함한다.
종래의 대부분의 내부 윤활제는 컴팩트의 그린 강도를 감소시킨다. 압축 시에 내부 윤활제는 입자 사이의 공극 부피를 채우고 입자와 입자간의 결합을 간섭하기 위해, 철 및/또는 합금 금속 입자 사이에서 유출되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 어떤 형태는 종래의 내부 윤활제를 사용해서 압축될 수 없다. 예를 들어, 크고 얇은 벽을 가진 부싱의 경우, 다이 벽 마찰을 극복하고 필요한 배출력(ejection force)을 감소시키기 위해 다량의 내부 윤활제를 필요로 한다. 그러나, 그 만큼의 내부 윤활제를 사용하면 일반적으로 배출 시에 컴팩트가 부수어질 정도로 그린 강도를 감소시킨다. 또한, 금속 스테아레이트산염과 같은 내부 윤활제는 종종 컴팩트의 그린 밀도뿐만 아니라 분말 흐름 속도 및 겉보기 밀도에 특히 높은 압축 압력에서 나쁜 영향을 준다. 더욱이, 내부 윤활제의 잉여량에 의하여 컴팩트의 치수 순도가 불량해질 수 있으며, 증발된 윤활제에 의해 소결로의 가열 성분에 그을음이 형성될 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 내부 윤활제보다는 외부 분사 윤활제를 사용하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 외부 윤활제의 사용은 압축 사이클 시간을 증가시키고 압축의 균일성을 저하시킨다. 외부 윤활제의 구체적인 예는 루크(Luk)로부터 회가나에스 코포레이션(Hoeganaes Corporation)에 양도된 미국특허 제5,518,639호에 설명되어 있다.
그러므로, 외부 윤활제를 사용할 필요가 없이 다이 공동으로부터 쉽게 배출될 수 있는 강도 높은 그린 컴팩트를 제조하는데 사용할 수 있는 야금 분말 조성물에 대한 기술이 요구되고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 하는 종래기술로는 루크로부터 회가나에스 코포레이션에 양도된 미국특허 제5,498,276호, 제5,290,336호, 제5,154,881호, 및 제5,256,185호가 있다. 상기 제5,498,276호 특허는 다른 윤활제를 사용했을 때 동등하거나 상대적으로 우수한 압축성을 유지하는데 비하여, 그린 컴팩트의 개선된 강도 및 배출 성능을 제공하는 야금 분말 조성물의 윤활제로서 폴리에테르를 사용한 기술에 대하여 개시하고 있다. 상기 제5,290,336호 특허는 이염기 유기산 및 하나 또는 그 이상의 극성 성분 첨가제로 이루어지고, 겉보기 밀도, 흐름, 압축성 및 그린 강도와 같은 분말 조성물의 물리적 성질을 강화시킨 결합제/윤활제에 대하여 개시하고 있다. 상기 제5,154,881호 특허는 고온의 온도에서 다이를 심각하게 손상시키지 않으면서 분말 조성물의 압축이 가능하고, 그린 강도 및 밀도를 증대시킨, 금속기재 분말과 혼합된 아미드 윤활제의 사용에 대해 개시하고 있다.
발명의 요약
본 발명의 야금 분말 조성물은 금속기재 분말과 고체 윤활제를 포함한다. 상기 고체 윤활제는 폴리알킬렌-폴리알릴렌옥사이드(PAO) 블록 코폴리머 윤활제 또는 폴리알킬렌-폴리알릴렌옥사이드 블록 코폴리머 윤활제와 최소한 하나 이상의 첨가 윤활제의 혼합물을 포함한다.
상기 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제는 적어도 하나 이상의 약 5 내지 500의 탄소수를 갖는 선형 또는 가지형 폴리알킬렌 사슬의 블록 A와, 적어도 하나 이상의 아래 화학식을 갖는 알켈렌 옥사이드 사슬의 블록 B를 포함한다:
-[O(CH2)r]m-, 또는
-[(CH2)rO]m-
상기 식에서 r은 약 1 내지 7이고, m은 약 1 내지 350이며, 그리고 상기 코폴리머는 중량평균분자량이 약 20,000 이하이다. 상기 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제는 A-B, A-B-A, 또는 B-A-B로 표현된 화학식을 가질 수 있다.
첨가 윤활제는 폴리이미드, C10에서 C25의 지방산, C10에서 C25의 지방산의 금속염, 폴리이미드의 금속염, 또는 그것의 혼합물을 포함한다. 이러한 첨가 윤활제는 최소한 약 30 ℃ 이상의 녹는점 범위를 갖는다.
금속 윤활제는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제, 또는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제와 최소한 하나 이상의 첨가 윤활제의 혼합물을 포함한다. 바람직하게, 상기 윤활제의 혼합물은 각각 분리된 입자형태이거나, 상기 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제 및 최소한 하나 이상의 첨가 윤활제는 그것의 균일한 혼합물을 형성하는 용융 블랜드이다.
본 발명은 또한 고체 윤활제를 제조하는 방법을 포함한다. 상기 고체 윤활제는, 예를 들어, 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제를 제조하여 분말화하거나, 또는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제와 적어도 하나 이상의 첨가 윤활제의 분리된 입자를 혼합함으로써 제조될 수 있다. 선택적으로, 상기 고체 윤활제는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제와 적어도 하나 이상의 첨가 윤활제를 용해물로서 혼합함으로써 제조될 수 있다. 상기 용융물은 그 다음에 고화되고 분사된다.
본 발명은 또한 야금 분말 조성물을 제조하는 방법을 포함한다. 야금 분말 조성물은 상기 고체 윤활제와 금속기재 분말을 혼합함으로써 제조될 수 있다.
본 발명은 또한 금속 부품을 제조하는 방법을 포함한다. 금속 부품은 본 발명의 야금 분말 조성물을 제공하고, 상기 야금 분말 조성물을 다이에 채우고, 그리고 금속 부품을 형성하기 위해 상기 야금 분말 조성물을 최소한 약 5 tsi의 압력에서 압축함으로써 제조할 수 있다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
본 발명은 개선된 야금 분말 조성물, 상기 조성물을 제조하는 방법, 압축된 부품을 제조하기 위해 상기 조성물을 이용하는 방법, 야금 분말 조성물에 사용하는 고체 윤활제를 제조하는 방법, 기르고 고체 윤활제 자체에 관련된다. 스트립 압력(strip pressure)과 슬라이드 압력(slide pressure)과 같은 압축 부품의 배출 물성(ejection property)은 상기 고체 윤활제를 사용함으로써 향상될 수 있다. 스트립 압력은 압축된 부품을 다이로부터 배출하는 것을 시작하기 위해 극복되어야 하는 정적 마찰력을 나타낸다. 슬라이드 압력은 다이 공동으로부터 부품을 배출하는 것을 계속하기 위해 극복되어야 하는 동적인 마찰력을 나타낸다.
또한, 그린 밀도(green density), 그린 강도(green strength), 그린 신장(green expansion)과 같은 그린 물성(green property)은 고체 윤활제를 사용함으로써 개선될 수 있다. 고체 윤활제는 종래의 윤활제와 비교하였을 때에 동등한 또는 월등한 압축성을 유지하는 반면 그린 밀도와 소결 밀도는 증대시킨다.
본 발명의 야금 분말 조성물은 금속기재 분말, 바람직하게는 철기재 분말을 포함하는데, 바람직하게는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제를 포함하는 특정 분말의 형태인 개선된 고체 윤활제와의 혼합물과 함께 사용한다.
본 발명의 야금 분말 조성물은 철기재 분말 및 니켈기재 분말과 같은 분말 야금 산업에서 통상적으로 사용하는 종류의 금속기재 분말을 포함한다. 여기서 사용된 용어 "철기재" 분말의 예로는 실질적으로 순수한 철의 분말, 철과 다른 성분(예를 들어, 강철제조 성분)과의, 최종 제품의 강도, 경화도, 전자기적 성질, 또는 다른 필요한 물성을 강화시키기 위한 예비합금의 분말, 및 그와 같은 다른 성분이 확산 결합되는 철의 분말을 들 수 있다.
본 발명에 사용되는 실질적으로 순수한 철 분말은 약 1.0 중량%가 넘지 않도록, 바람직하게는 0.5 중량% 정도의 통상의 불순물을 포함하는 철의 분말이다. 그와 같은 고도로 압축가능하고 야금 급의 철 분말의 예로는 뉴저지주의 리버튼에 있는 회가나에스 코포레이션으로부터 이용가능한 순수한 철 분말인 1000, 1000B, 및 1000C와 같은 ANCORSTEEL 1000 시리즈를 들 수 있다. 예를 들어, ANCORSTEEL 1000 철 분말은 약 22 중량%의 입자로서 제325호체(U.S. 시리즈) 아래이고, 약 10 중량%의 입자로서 제100호체보다 큰, 즉 이 두 가지 사이즈의 나머지 정도(추정치는 제60호체보다는 큼)의 전형적인 스크린 프로파일(screen profile)을 갖는다. 상기 ANCORSTEEL 1000 분말은 2.85∼3.00 g/㎤의 겉보기 밀도, 전형적으로는 2.94 g/㎤의 겉보기 밀도를 갖는다. 본 발명에 사용되는 다른 철 분말은 회가나에스의 ANCOR MH-100 분말과 같은 전형적인 스폰지 철 분말이다.
상기 철기재 분말은 최종 금속 부품의 기계적 또는 다른 물성을 강화시키기 위해 선택적으로 하나 또는 그 이상의 합금 성분을 포함할 수 있다. 상기 철기재 분말은 철의 분말, 바람직하게는 하나 또는 그 이상의 성분으로 된 예비합금인 실질적으로 순수한 철일 수 있다. 상기 예비합금 분말은 철과 필요한 합금 성분과의 용융물을 제조하고, 그리고 상기 용융물을 분사하고, 상기 분사된 입자는 고체화되자마자 분말을 형성하도록 함으로써 제조할 수 있다.
상기 철기재 분말은 선택적으로 최종 금속 부품의 기계적 또는 다른 물성을 증대시키도록 하나 또는 그 이상의 합금 성분을 포함할 수 있다. 상기 철기재 분말은 철의 분말, 바람직하게는 하나 또는 그 이상의 성분과의 예비합금인 실질적으로 순수한 철의 분말일 수 있다. 상기 예비합금 분말은 철 및 필요한 합금 성분의 용융물을 제조함으로써, 그 다음에는 상기 용융물을 분사함으로써, 여기서 상기 분사된 입자는 고체화되자마자 분말을 형성함으로써 만들 수 있다.
제한하고자 하는 것은 아니지만, 상기 철 분말과 함께 예비합금될 수 있는 합금 성분의 예로는, 몰리브덴, 망간, 마그네슘, 크롬, 실리콘, 구리, 니켈, 금, 바나듐, 콜럼븀(니오븀), 그라파이트, 인, 알루미늄 및 그것의 혼합물을 들 수 있다. 합금되는 성분의 함량은 최종 금속 부품의 필요한 물성에 따라 결정된다. 이러한 합금 성분을 포함하는 예비합금 철 분말은 회가나에스 사의 ANCORSTEEL 분말 라인의 일부로서 얻을 수 있다.
철기재 분말의 다른 예로는 바깥쪽 표면에 확산되는 강철제조 성분과 같은, 하나 또는 그 이상의 다른 금속 층이나 코팅층을 갖는 실질적으로 순수한 철의 입자인 확산 결합된 철기재 분말을 들 수 있다. 이러한 상업적으로 이용가능한 분말은 회가나에스 코포레이션의 확산 결합된 분말 DISTALOY 4600A를 포함하는데, 이것은 약 1.8%의 니켈, 약 0.55%의 몰리브덴, 및 약 1.6%의 구리를 함유한다. 그리고, 회가나에스 코포레이션의 확산 결합된 분말 DISTALOY 4800A는 약 4.05%의 니켈, 약 0.55%의 몰리브덴, 및 약 1.6%의 구리를 함유한다.
바람직한 철기재 분말은 몰리브덴(Mo)과의 철 예비합금이다. 상기 분말은 약 0.5 내지 2.5 중량%의 몰리브덴을 함유한 실질적으로 순수한 철의 용융물을 분말화하여 제조된다. 이러한 분말의 예로는 약 0.85 중량%의 몰리브덴, 총 함량 약 0.4 중량% 이하의 망간, 크롬, 실리콘, 구리, 니켈, 또는 알루미늄과 같은 다른 물질, 약 0.02 중량% 이하의 탄소를 함유한 회가나에스의 ANCORSTEEL 85HP 강철 분말이있다. 분말의 다른 예로는 약 0.5 내지 0.6 중량%의 몰리브덴, 약 1.5 내지 2.0 중량%의 니켈, 약 0.1 내지 2.5 중량%의 망간, 및 약 0.02 중량%이하의 탄소를 함유하는 회사나에스의 ANCORSTEEL 4600V 강철 분말이 있다.
본 발명에 사용되는 다른 예비합금 철기재 분말은 "철 합금의 예비합금 분말을 포함한 강철 분말 혼합물"이라는 제목의 미국특허 제5,108,493호에 개시되어 있는데, 그 전체 범위가 여기에 포함된다. 이러한 강철 분말 조성물은 두 개의 다른 예비합금 철기재 분말의 혼합물인데, 그 하나는 0.5 내지 2.5 중량%의 몰리브덴과 철의 예비합금이고, 다른 하나는 탄소와 최소한 약 25 중량%의 전이 원소 성분과 철의 예비합금인데, 이 전이 원소 성분은 크럼, 망간, 바나듐 및 컬럼븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 최소한 하나의 원소로 이루어진다. 상기 혼합물은 강철 분말 조성물에 대하여 최소한 약 0.05 중량%의 전이 원소 성분을 제공하는 혼합비를 갖는다. 이러한 분말의 예로는 상업적으로 이용 가능한 회가나에스의 ANCORSTEEL 41 AB 강철 분말이 있는데, 이것은 약 0.85 중량%의 몰리브덴, 약 1 중량%의 니켈, 약 0.9 중량%의 망간, 약 0.75 중량%의 크롬, 및 약 0.5 중량%의 탄소를 함유한다.
본 발명의 실시에 유용한 다른 철기재 분말은 강자성 분말이다. 그 예로는 소량의 인의 철 예비합금의 분말이다.
본 발명의 실시에 유용한 상기 철기재 분말은 또한 스테인리스 강철 분말을 포함한다. 이러한 스테인리스 강철 분말은 ANCOR7 303L, 304L, 316L, 410L, 430L, 434L 및 409Cb 분말과 같은 회가나에스 ANCOR7 시리즈에서 다양한 등급의 것을 상업적으로 이용할 수 있다.
상기 철 또는 예비합금 철의 입자는 중량 평균 입자 크기가 1 미크론 또는 이하 정도로 작거나, 또는 약 850 내지 1,000 미크론 이상일 수 있다. 하지만, 일반적으로 상기 입자는 약 100 내지 500 미크론 범위의 중량 평균 입자 크기를 갖는다. 바람직하게는 철 또는 예비합금 철 입자의 최대 중량 평균 입자 크기가 약 350 미크론 이하가 되도록 하며, 더욱 바람직하게는 중량 평균 입자 크기가 약 25 내지 150 미크론이고, 가장 바람직하게는 80 내지 150 미크론이다.
본 발명에 사용되는 상기 금속기재 분말은 또한 니켈기재 분말을 포함한다. 본 발명에 사용되는 용어 "니켈기재" 분말의 예로는 실질적으로 순수한 니켈, 및 최종 제품의 강도, 경화도, 전자기적 성질, 또는 다른 필요한 물성을 증대시키기 위한 다른 요소와의 니켈 예비합금의 분말을 들 수 있다. 상기 니켈기재 분말은 철을 포함한 철기재 분말과 관련된 앞서 언급한 합금 분말 중 어느 것과도 혼합될 수 있다. 니켈기재 분말의 예는 N-70/30 Cu, N-80/20, 및 N-20 분말과 같은 상업적으로 이용 가능한 회가나에스 ANCORSPRAY 7을 포함한다.
본 발명의 야금 분말 조성물은 또한 소량의 합금 분말을 포함한다. 여기서, "합금 분말"이란 소결 시에 철기재 또는 니켈기재 물질과 합금 가능한 물질을 일컫는다. 상술한 금속기재 분말과 혼합 가능한 합금 분말은 최종 소결 제품의 강도, 경화도, 전자기적 물성, 또는 다른 필요한 물성을 증대시키기 위한 야금 기술분야에서 잘 알려져 있다. 강철제조 성분은 이러한 물질 중에서 가장 잘 알려진 것 중의 하나이다. 제한하는 것은 아니지만, 합금 물질의 구체적인 예로는 몰리브덴 원소, 망간, 크롬, 실리콘, 구리, 니켈, 주석, 바나듐, 컬럼븀(니오븀), 야금 탄소(흑연), 인, 알루미늄, 황, 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 다른 적절한 합금 물질은 주석 또는 인과 구리의 이성분 합금; 망간, 크롬, 붕소, 인 또는 실리콘의 합금철; 탄소와, 철, 바나듐, 망간, 크롬 및 몰리브덴 중의 2개 또는 3개와의 3원소 또는 4원소 공융화합물; 텅스텐 또는 실리콘의 탄화물; 실리콘 질화물; 및 망간 또는 몰리브덴의 황화물이 있다.
합금 분말은 혼합되어 있는 금속기재 분말의 입자보다 일반적으로 미세한 크기의 입자 형태이다. 상기 합금 입자는 일반적으로 중량 평균 입자 크기가 약 100 미크론 이하이고, 바람직하게는 약 75 미크론 이하이며, 더욱 바람직하게는 약 30 미크론 이하이고, 가장 바람직하게는 약 5 내지 20 미크론의 범위이다. 상기 조성물의 합금 분말의 함량은 최종 소결 부품의 필요한 물성에 따라 결정된다. 일반적으로 그 함량은 전체 분말 조성물 중량에 대해, 어떤 특정의 분말의 경우에는 10 내지 15 중량% 정도임에도 불구하고, 약 5 중량% 까지의 소량이다. 대부분의 응용에 적합한 바람직한 범위는 약 0.25 내지 4 중량%이다.
일반적으로 금속기재 분말은 최소한 약 80 중량%, 바람직하게는 최소한 약 85 중량%, 그리고 더욱 바람직하게는 약 90 중량%의 야금 분말 조성물을 포함한다.
상기 금속기재 분말은 야금 분말 조성물을 형성하기 위해 본 발명의 고체 윤활제와 혼합된다. 상기 고체 윤활제는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제 또는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제와 적어도 하나의 첨가 윤활제의 혼합물로 이루어진다. 상기 야금 분말 조성물은 본 발명의 고체 윤활제나, 일반적인 내부 또는 외부 분말 야금 윤활제와 결합된 고체 윤활제를 포함할 수 있다. 이러한 일반적인윤활제로는 Witco Corp.의 상업적으로 이용 가능한 리튬, 아연, 망간 및 칼슘 스테아레이트와 같은 스테아레이트 화합물과 Shamrock Technologies Inc.로부터 상업적으로 이용 가능한 폴리올레핀; Alcan Powders & Pigments로부터 Ferrolube M으로 알려진 상업적으로 이용가능한 아연 및 리튬 스테아레이트의 혼합물, 그리고 Witco ZB-90과 같은 에틸렌 비스-스테아라미드와 금속 스테아레이트의 혼합물이 있다. 고체 윤활제의 일부로서 사용될 수 있는 다른 일반적인 윤활제는 ACRAWAX(Lonza Corporation) 및 KENOLUBE(스웨덴의 회가나에스 AG)를 포함한다.
폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제를 사용함으로써 얻을 수 있는 그린 물성의 이점은 일반적으로 다른 어떠한 내부 윤활제에 비해 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제의 양에 비례한다. 따라서, 상기 야금 분말 조성물에서 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제는 일반적으로 최소한 약 10 중량%, 바람직하게는 최소한 약 30 중량%, 더욱 바람직하게는 최소한 약 50%, 그리고 보다 더욱 바람직하게는 최소한 약 70 중량%의 고체 내부 윤활제를 포함한다. 어떤 경우에는, 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제는 전체가 고체 윤활제로 이루어질 수 있다.
폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제는 최소한 하나의 선형 또는 가지형 블록 A, 치환 또는 비치환된 폴리알킬렌 사슬 및 최소한 하나의 선형 또는 가지형 블록 B, 치환 또는 비치환된 폴리알킬렌 옥사이드 사슬을 포함한다. 상기 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제의 블록 구조는 A-B, A-B-A, 또는 B-A-B와 같이 나타낼 수 있다. 바람직하게, A 블록과 B 블록은 에테르, 에스테르, 또는 아미드 결합으로 결합되어 있다.
바람직하게, 상기 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제는 탄소수 약 20 내지 약 700을 갖는다. 상기 블록 A 폴리알킬렌은 바람직하게 탄소수 약 10 내지 약 80을 갖는다. 상기 바림직한 블록 A 폴리알킬렌은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜틸렌 또는 그것의 혼합물이다. 더욱 바람직한 블록 A 폴리알킬렌은 폴리에틸렌이다.
상기 블록 B 폴리알킬렌 옥사이드는 바람직하게 하기 구조를 갖는 탄소수 약 5 내지 약 500을 갖는다:
-[O(CH2)r]m-, 또는
-[(CH2)rO]m-
상기 식에서 r은 약 1 내지 7이고, m은 약 1 내지 400이며, 그리고 상기 블록 B 폴리알킬렌 옥사이드는 중량평균분자량이 약 20,000 이하이다. 바람직하게, m은 약 2 내지 약 200이고, r은 2이다.
A-B, A-B-A, 또는 B-A-B 블록 구조를 갖는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제는 통상적인 방법에 의하여 합성될 수 있다. a-b 블록 구조를 갖는 블록 코폴리머의 예로는 Baker Petrolite의 X-1149 수지와 Aldrich의 수지가 있다.
또한, 본 발명에서는 고체 윤활제가 폴리알킬렌 블록 코폴리머 윤활제 및 최소한 하나의 첨가 윤활제의 혼합물을 포함하는 것도 생각할 수 있다. 상기 첨가 윤활제는 C5내지 C30지방산, 폴리아미드의 금속염, 또는 C5내지 C30지방산의 금속염이거나 C5내지 C30지방산의 암모늄염일 수 있다.
하나의 구체예에서, A-B-A 블록 구조를 갖는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제는 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 및 C5내지 C30지방산을 약 120 ℃에서 약 200 ℃이 온도로 약 4 내지 약 24 시간동안 용융 블렌딩함으로써 합성된다. 이러한 반응은 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머의 폴리알킬렌 옥사이드 세그먼트의 사슬말단 히드록실 작용기 및 지방산의 산 작용기와 연관된 에스테르 결합을 형성한다.
바람직하게, 폴리아미드는 최소한 약 70 ℃의 온도에서 시작하는 용융 범위를 갖는다. 더욱 바람직하게, 상기 폴리아미드는 Lonza Corporation의 ACRAWAX와 같이 상업적으로 이용 가능한 에틸렌 비스-스테아라미드이다.
상기 C5내지 C30지방산은 포화 또는 불포화 지방족 모노카르복시산이다. 바람직하게, 상기 모노카르복시산은 C12-C20포화산이다. 가장 바람직한 포화 모노카르복시산은 스테아릭산이다. 가장 바람직한 불포화 모노카르복시산은 올레익산이다.
본 발명의 상기 고체 윤활제는 일반적으로 최소한 약 10 중량%, 바람직하게는 약 10 내지 약 90 중량%, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 약 80 중량%, 그리고 보다 더욱 바람직하게는 약 40 내지 약 80 중량%의 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제이다.
상기 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제가 첨가 윤활제와 결합되는 경우, 본 발명의 상기 고체 윤활제는 일반적으로 약 10 내지 90 중량%, 더욱 바람직하게는 약 20 내지 약 90 중량%, 그리고 보다 더욱 바람직하게는 약 30 내지 약 70 중량%의 최소한 하나의 첨가 윤활제이다. 혼합되어 사용되는 경우에는, 약 10 내지 약 90 중량%의 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제와 약 90 내지 약 10 중량%의 첨가 윤활제를 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 약 10 내지 약 80 중량%의 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제 및 약 20 내지 약 90 중량%의 상기 첨가 윤활제를 사용한다.
본 발명의 고체 윤활제는 바람직하게 분리된 입자의 형태를 갖는다. 이러한 입자의 중량 평균 입자 크기는 바람직하게 약 2 내지 200 미크론이고, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 약 150 미크론이며, 그리고 보다 더욱 바람직하게는 약 20 내지 110 미크론 범위에 있다. 바람직하게 약 90 중량%의 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제 입자는 약 200 미크론 이하이고, 바람직하게 약 175 미크론 이하이며, 그리고 더욱 바람직하게 약 150 미크론 이하이다. 바람직하게, 최소한 90 중량%의 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제 입자는 약 3 미크론 이상이고, 바람직하게 약 5 미크론 이상이며, 그리고 더욱 바람직하게 약 10 미크론 이상이다. 입자 크기는 종래의 레이저 회절법을 이용하여 측정할 수 있다.
상기 고체 윤활제는 일반적으로 약 0.01 내지 약 5 중량%의 함량으로 야금 분말에 혼합된다. 바람직하게, 상기 고체 윤활제는 전체 야금 분말 조성물에 대하여 약 0.1 내지 5 중량%, 더욱 바람직하게 약 0.25 내지 2 중량%, 그리고 보다 더욱 바람직하게 약 0.25 내지 0.8 중량%로 구성된다.
선택적으로 결합제가 상기 야금 분말 조성물에 포함될 수 있다. 상기 결합제는 합금 분말 또는 통상적으로 철 또는 강철 분말과 함께 사용되는 다른 특수 목적의 첨가제의 격리 및/또는 살포를 방지하는데 유용하다. 따라서, 상기 결합제는 최종 소결 금속 부품의 조성 일정성과 합금 균일성을 증대시킨다.
본 발명의 방법에 사용되는 결합제는 분말 야금 분야에서 통상적으로 사용되는 것이다. 여기서 참조하는 예는 미국특허 제4,483,905호 및 제4,834,800호에서 설명된 것들을 포함하고 있다. 이러한 결합제로는 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리프로필렌 글리콜, 글리세린, 폴리비닐 알콜, 비닐 아세테이트의 호모폴리머 또는 코폴리머; 셀룰로오스 에스테르 또는 에테르 수지, 폴리에스테르 수지, 및 이들의 혼합물과 같은 폴리글리콜을 포함한다. 적용가능한 결합제의 다른 예로는 고분자량 폴리알킬렌 옥사이드이다. 상기 결합제는 본 발명에서 전부 참조하여 포함되는 미국특허 제4,483,905호 및 제4,834,800호에서 개시하고 있는 방법에 따른 금속기재 분말에 첨가될 수 있다.
일반적으로, 상기 분말이 잘 습윤될 때까지 액체 형태에 첨가되어 분말과 혼합된다. 주변 조건에서 액체 형태 내에 있는 이러한 결합제는 그와 같이 금속기재 분말에 첨가될 수 있으나, 상기 결합제는 액체이든지 고체이든지 간에 유기 용제 내에 용해되거나 분산되고 이러한 액체 용액에 첨가되는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 전체 혼합물에 결합제의 실질적으로 균일한 분포가 이루어진다.
상기 금속기재 분말에 첨가되는 결합제의 함량은 미국특허 제4,834,800호와 1992년 3월 9일에 함께 출원된 출원번호 제848,264호에 논의된 바와 같이, 합금 분말의 밀도 및 입자 크기 분포와 조성물 내의 합금 분말의 상대 중량과 같은 요소에 의존한다. 일반적으로, 상기 결합제는 상기 금속기재 분말에 야금 분말 조성물의전체 중량에 대하여, 약 0.005 내지 1 중량%의 함량으로 첨가된다.
본 발명은 고체 윤활제를 제조하는 방법과도 관련이 있다. 하나의 바람직한 구체예에서, 상기 고체 윤활제는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제의 분리된 건조 입자와 최소한 하나의 첨가 윤활제의 분리된 건조 입자와의 혼합물을 포함한다. 상기 고체 윤활제는 종래의 습식 또는 건식 혼합기술을 이용하여 제조된다.
다른 바람직한 구체예에서, 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제와 최소한 하나의 첨가 윤활제의 균일 혼합물인 입자의 최종 형태에서 제조된다. 상기 고체 윤활제는 전통적인 용융 블렌딩 기술로써 제조된다. 바람직하게, 고체 윤활제의 용융제조 시에 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제의 최소한 일부는 첨가 윤활제와 반응한다.
본 발명은 야금 분말 조성물을 제조하는 방법에도 관련이 있다. 야금 분말 조성물은 우선 금속기재 분말, 본 발명의 고체 윤활제, 및 선택적인 합금 분말을 종래의 블렌딩 기술을 이용해 제조된다. 이러한 혼합물은 실질적으로 균일한 입자 블렌드를 형성하기 위해, 통상적인 고체 입자 블렌딩 기술에 의해 형성된다.
본 발명은 통상적인 야금 기술에 따라 다이에서 압축되는 금속 부품을 제조하는 방법과도 관련이 있다. 금속 부품은 본 발명에 따라 야금 분말 조성물을 제공하고, 야금 분말 조성물을 다이에 채우고, 그리고 상기 야금 분말 조성물을 금속 부품을 형성하기 위해 최소한 약 5 tsi의 압력에서 압축함으로써 제조된다. 압축 압력은 약 5 내지 100 tsi(평방인치당 톤: 69-1379 MPa), 바람직하게 20 내지 100 tsi(276-1379 MPa), 그리고 더욱 바람직하게 약 25 내지 70 tsi(345-966 MPa)이다.압축 후에 상기 부품은 통상적인 야금 기술에 따라 소결된다.
실시예
다음의 실시예는 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니고, 본 발명에 대한 어떤 구체예나 이점을 나타낸다. 특별히 언급되지 않은 경우에 퍼센트는 중량을 기준으로 나타낸다.
각각의 실시예에서, 야금 분말 조성물을 구성하는 분말은 약 20-30 분 동안 표준 실험용기-혼합 장비 내에서 혼합하였다. 그 다음, 상기 야금 분말 조성물은 약 1120 ℃(2050。F)의 온도에서 약 30 분 동안 해리된 암모니아 분위기에서 소결된 다음, 50 TSI의 다이에서 그린 바(green bar)로 압축하였다.
야금 분말과 그린 및 소결 바의 물리적 성질은 일반적으로 다음의 시험 방법과 식에 따라 결정하였다.
물성 시험 방법
겉보기 밀도 (g/cc) ASTM B212-76
치수 변화 (%) ASTM B610-76
흐름 (sec/50 g) ASTM B213-77
그린 밀도 (g/cc) ASTM B331-76
그린 강도 (psi) ASTM B312-76
경도 (RB) ASTM E18-84
소결 밀도 (g/cc) ASTM B331-76
또한, 각 바에 대하여 스트립 압력 및 슬라이드 압력을 측정하였다. 스트립 압력은 다이로부터 압축된 부품의 배출을 시작하는데 극복해야 하는 정적인 마찰을 나타낸다. 이것은 다이 표면과 접촉하는 부품의 단면적 상으로 배출되기 시작하는데 필요한 부하의 지수로서 계산되었고, psi 단위로 나타낸다.
슬라이드 압력은 다이 공동으로부터 부품의 배출이 계속되기 위해 극복되어야 하는 동적인 마찰을 나타낸다. 이것은 압축되는 점으로부터 다이의 입구까지의 거리를 부품이 가로지를 때 관찰되는 평균 부하의 지수로서 계산되고, 다이 표면과 접촉된 부품의 표면적으로 나누어지고, 그리고 psi 단위로 나타낸다.
스트립 및 슬라이드 압력은 다음과 같이 압축된 그린 바가 배출되는 동안 측정된다. 압축 단계 이후에, 펀치 중 하나는 다이로부터 제거되고, 그리고 다이로부터 그린 바를 밀어내기 위해 제2 펀치 위에 압력이 가해진다. 그린 바가 움직이도록 시작하는데 필요한 부하를 기록하였다. 일단 그린 바가 움직이기 시작하면, 초당 0.10 cm (0.14 인치)의 속도로 다이로부터 인출되었다. 스트립 압력은 움직임이 개시된 점에서 바를 제거하기 위한 압력과 같았다. 슬라이드 압력은 부품이 압축되는 점에서 다이 입구까지의 거리를 가로지를 때 관찰된 압력과 같았다.
고체 윤활제와 종래의 왁스 윤활제를 비교하기 위한 시험을 수행하였다. 다섯 가지의 다른 야금 분말 조성물이 제조하여, 종래의 윤활제를 함유한 참조 분말 조성물과 비교하였다. 참조 조성물은 96.6 중량%의 회가나에스 ANCORSTEEL 1000B 철 분말, 2.9 중량%의 Fe3P, 및 0.5 중량%의 종래 윤활제(스웨덴 회가나에스 AG의 Kenolube)를 함유하도록 제조하였다.
실시예 1
첫 번째 실험 조성물인 조성물 A는 종래의 윤활제를 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제와 하나의 첨가 윤활제를 포함하는 고체 윤활제 0.5 중량%를 사용한 점을 제외하고는 참조 분말 조성물과 동일하였다. 상기 고체 윤활제는 스테아릭산 30 중량%와 수평균 분자량 약 1400을 갖는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제 및 약 50 중량% 함량의 에틸렌 옥사이드(X-1149, Baker-Petrolite)를 6 시간 동안 175 ℃에서 용융 및 혼합함으로써 제조한 다음, 상온에서 분말화 및 냉각시켰다.
조성물 A에 대한 분말 물성은 하기 표 1과 같다.
분말 물성 참조 조성물 조성물 A
겉보기 밀도 3.33 3.18
흐름(flow) 23.5 28.4
실험결과로부터 조성물 A의 흐름성(flowability)은 참조 조성물보다 낮음을 알 수 있다. 조성물 A의 겉보기 밀도는 참조 조성물보다 작다.
압축 압력이 50 tsi인 경우 그린 바의 압축 물성은 표 2에서 알 수 있다.
그린 물성 참조 조성물 조성물 A
그린 밀도 7.23 7.31
그린 강도 4412 4870
그린 신장 0.13 0.14
스트립 압력 4931 3938
슬라이드 압력 2053 2572
조성물 A로 만든 바의 스트립 압력은 참조 조성물의 경우보다 작지만, 슬라이드 압력은 참조 조성물로 만든 바보다 조성물 A로 만든 바가 더 높다. 더욱이, 조성물 A로 만든 바의 그린 강도는 참조 조성물로 만든 바의 그린 강도보다 더 높다. 조성물 A로 만든 바의 그린 밀도는 참조 조성물로 만든 바의 그린 밀도보다 크다.
50 tsi에서 압축된 그린 바의 소결 물성은 아래 표 3과 같다.
소결 물성 참조 조성물 조성물 A
소결 밀도 7.28 7.36
치수 변화 0.09 0.11
실험결과로부터 조성물 A로 만든 바의 치수 변화는 참조 조성물의 경우보다 치수 변화보다 크게 나타났다. 조성물 A로 만든 바의 소결 밀도는 참조 조성물로 만든 바의 소결 밀도보다 크게 나타났다.
따라서, 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제로는, 다이로부터 그린 바를 제거하는데 필요한 적은 힘으로도 다이로부터 쉽게 제거 가능하게 하는 높은 그린 강도와 그린 밀도를 갖는 부품으로 압축될 수 있는 야금 분말 조성물의 제조가 가능하다.
실시예 2
고체 윤활제와 용융 블렌딩되는 제2 첨가 윤활제의 효과를 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 이러한 두 번째 실험 조성물인 조성물 B는 종래의 윤활제를 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제 및 두 가지의 첨가 윤활제를 함유한 고체 윤활제 0.5 중량%로 사용한 점 이외에는 참조 조성물과 동일하게 제조하였다. 상기 고체 윤활제는 스테아릭산 30 중량%, 에틸렌 비스-스테아라미드 30 중량%, 및 수평균 분자량 약 920인 폴리에틸렌-폴리에틸렌 옥사이드 블록 코폴리머 40 중량%와 에틸렌 옥사이드 약 50 중량%를 175 ℃에서 6 시간 동안 용융 및 혼합함으로써 제조한 다음, 상온에서 분말화 및 냉각하였다.
조성물 B의 분말 물성은 표 4에 나타낸 바와 같다.
소결 물성 참조 조성물 조성물 B
겉보기 밀도 3.33 3.32
흐름 23.5 26.1
조성물 B의 흐름성은 참조 조성물의 흐름성보다 낮다. 그러나, 조성물 B의 겉보기 밀도는 참조 조성물의 겉보기 밀도보다 낮다.
압축 압력 50 tsi에 대해 그린 바의 압축 물성은 표 5와 같다.
그린 물성 참조 조성물 조성물 B
그린 밀도 7.23 7.29
그린 강도 4412 3890
그린 신장 0.13 0.16
스트립 압력 4931 3255
슬라이드 압력 2053 2667
스트립 압력은 참조 조성물로 만든 바에 비교하였을 때, 조성물 B로 만든 바의 경우가 더 낮았다. 그러나, 슬라이드 압력은 참조 조성물로 만든 바의 경우와 비교하여 조성물 B로 만든 바가 더 높게 나타났다. 더욱이, 조성물 B로 만든 바의 그린 강도는 참조 조성물로 만든 바의 그린 강도보다 낮았다. 조성물 B로 만든 바의 그린 밀도는 참조 조성물로 만든 바의 그린 밀도보다 높았다.
50 tsi에서 압축된 그린 바의 소결 물성은 표 6과 같다.
소결 물성 참조 조성물 조성물 B
소결 밀도 7.28 7.33
치수 변화 0.09 0.07
이 결과로부터, 조성물 B의 치수 변화는 참조 조성물의 치수 변화보다 낮음을 알 수 있다. 조성물 B로 만든 바의 소결 밀도는 참조 조성물로 만든 바의 소결 밀도보다 크다.
따라서, 에틸렌 비스-스테아라미드와 같은 제2 첨가 윤활제를 포함시키면, 다이로부터 그린 바를 제거하는데 필요한 이와 같이 개선된 스트립 압력에 의해 더욱 쉽게 다이로부터 제거되는 높은 그린 밀도를 갖는 부품에 압축될 수 있는 야금분말 조성물을 얻을 수 있었다.
실시예 3
두 가지의 첨가 윤활제와 결합되었을 때, 낮은 에틸렌 옥사이드 함량을 갖는 폴리알킬렌 블록 코폴리머 윤활제의 효과를 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 세 번째 실험 조성물인 조성물 C는 통상적인 윤활제 대신에 폴리알킬렌 블록 코폴리머 윤활제 및 두 가지 첨가 윤활제를 함유한 고체 윤활제 0.5 중량%를 사용한 것을 제외하고는 참조 조성물과 동일하게 제조하였다. 조성물 C는 A-B 블록 구조를 갖고, 수평균 분자량이 약 875 이며, 그리고 약 20 중량% 함량의 에틸렌 옥사이드를 함유한 폴리알킬렌 블록 코폴리머와 두 가지 첨가 윤활제를 포함하였다. 윤활제 C의 용융 블렌드는 175 ℃에서 6 시간 동안 30 중량%의 스테아릭 산과 30 중량%의 에틸렌 비스-스테아라미드 및 40 중량%의 UNITHOX 720을 용융 및 혼합시킨 다음, 상온에서 분말화 및 냉각하였다.
조성물 C의 분말 물성은 표 7에 나타낸 바와 같다.
분말 물성 참조 조성물 조성물 C
겉보기 밀도 3.33 3.26
흐름 23.5 24.2
조성물 C의 흐름성은 참조 조성물의 흐름성보다 낮다. 조성물 C는 참조 조성물보다 낮은 겉보기 밀도를 갖는다.
50 tsi의 압축 압력에 대한 그린 바의 압축 물성은 표 8에 나타낸 바와 같다.
그린 물성 참조 조성물 조성물 C
그린 밀도 7.23 7.26
그린 강도 4412 4522
그린 신장 0.13 0.15
스트립 압력 4931 3371
슬라이드 압력 2053 1737
스트립 및 슬라이드 압력은 참조 조성물로 만든 바에 비해 조성물 C로 만든 바의 경우 더 낮았다. 또한, 조성물 C로 만든 바의 그린 강도는 참조 조성물로 만든 바의 경우보다 높았다. 조성물 C로 만든 바의 그린 밀도도 참조 조성물로 만든 바의 그린 밀도보다 높았다.
소결 물성 참조 조성물 조성물 C
소결 밀도 7.28 7.33
치수 변화 0.09 0.07
이 결과로부터 조성물 C로 만든 바의 치수 변화는 참조 조성물로 만든 바의 치수 변화보다 작음을 알 수 있다. 조성물 C로 만든 바의 소결 밀도는 참조 조성물로 만든 바의 소결 밀도보다 높았다.
따라서, 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제를 함유함으로써, 다이르부터 그린 바를 제거하는데 보다 작은 배출력으로써 다이로부터 용이하게 제거할 수 있도록 높은 그린 강도와 그린 밀도를 갖는 부품으로 압축될 수 있는 야금 분말 조성물의 제조가 가능하다. 나아가, 야금 분말 조성물의 에틸렌 옥사이드 함량을 낮추면서도 에틸렌 옥사이드 함량이 높은 야금 분말 조성물과 유사한 결과를 얻을 수 있다.
실시예 4
하나의 첨가 윤활제와 결합되었을 때, 높은 에틸렌 옥사이드 함량을 갖는 폴리알킬렌 블록 코폴리머 윤활제의 효과를 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 네 번째 실험 조성물인 조성물 D는 통상적인 윤활제 대신에 폴리알킬렌 블록 코폴리머 윤활제 및 하나의 첨가 윤활제를 함유한 고체 윤활제 0.5 중량%를 사용한 것을 제외하고는 참조 조성물과 동일하게 제조하였다.
상기 고체 윤활제는 A-B 블록 구조를 갖고, 수평균 분자량이 약 1750 이며, 그리고 약 80 중량% 함량의 에틸렌 옥사이드(Aldich로부터 입수가능)를 함유한 폴리에틸렌-폴리에틸렌 옥사이드 블록 코폴리머 70 중량%와 스테아릭산 30 중량%를 175 ℃에서 6 시간 동안 용융 및 혼합시킨 다음, 상온에서 분말화 및 냉각하여 제조하였다.
조성물 D의 분말 물성은 표 10에 나타낸 바와 같다.
분말 물성 참조 조성물 조성물 D
겉보기 밀도 3.33 3.32
흐름 23.5 21.8
조성물 D의 흐름성은 참조 조성물의 흐름성보다 높다. 조성물 D의 겉보기 밀도는 참조 조성물에 비하여 상대적으로 변화가 없었다.
50 tsi의 압축 압력에 대한 그린 바의 압축 물성은 표 11에 나타낸 바와 같다.
그린 물성 참조 조성물 조성물 D
그린 밀도 7.23 7.31
그린 강도 4412 4505
그린 신장 0.13 0.15
스트립 압력 4931 3809
슬라이드 압력 2053 2585
이 결과로부터 조성물 D로 만든 바가 참조 조성물로 만든 바에 비해 낮은 스트립 압력을 가짐을 알 수 있다. 나아가, 조성물 D로 만든 바는 참조 조성물로 만든 바보다 높은 그린 강도를 나타냈다. 조성물 D로 만든 바의 그린 밀도도 참조 조성물로 만든 바의 그린 밀도보다 높았다.
50 tsi에서 압축한 그린 바의 소결 물성은 표 12에 나타낸 바와 같다.
소결 물성 참조 조성물 조성물 D
소결 밀도 7.28 7.36
치수 변화 0.09 0.08
이 결과로부터 조성물 D로 만든 바의 치수 변화는 참조 조성물로 만든 바의 치수 변화보다 작음을 알 수 있다. 조성물 D로 만든 바의 소결 밀도는 참조 조성물로 만든 바의 소결 밀도보다 높았다.
따라서, 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제를 함유함으로써, 다이로부터 그린 바를 제거하는데 보다 작은 배출력으로써 다이로부터 용이하게 제거할 수 있도록 높은 그린 강도와 그린 밀도를 갖는 부품으로 압축될 수 있는 야금 분말 조성물의 제조가 가능하다.
실시예 5
야금 분말 조성물의 다양한 블록 코폴리머 구조가 미치는 영향을 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 다섯 번째 실험 조성물인 조성물 E는 종래의 윤활제 대신에 0.5 중량%의 고체 윤활제를 사용한 점을 제외하고는 참조 조성물과 동일하였다. 상기 고체 윤활제는 A-B-A 블록 구조를 갖는 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제와 하나의 첨가 윤활제를 함유하였다.
상기 고체 윤활제는 스테아릭산 16.7 중량%와 수평균 분자량 약 1400을 갖는 폴리에틸렌-폴리에틸린 옥사이드 블록 코폴리머 83.3 중량% 및 약 50 중량%의 에틸린 옥사이드(X-1149, Baker-Petrolite)를 함께 용융 및 혼합함으로써 제조하였다. 상기 고체 윤활제는 8 시간 동안 175 ℃에서 가열한 다음, 상온에서 분말화 및 냉각시켰다. IR 분광기를 사용하여 A-B-A형의 블록 코폴리머 약 15 내지 20 중량%의 구조가 관찰되었다.
조성물 E에 대한 분말 물성은 하기 표 13과 같다.
분말 물성 참조 조성물 조성물 E
겉보기 밀도 3.33 3.18
흐름(flow) 23.5 26.8
조성물 E의 흐름성은 참조 조성물의 흐름성보다 낮았다. 그러나, 조성물 E의 겉보기 밀도는 참조 조성물보다 낮았다.
압축 압력이 50 tsi인 경우 그린 바의 압축 물성은 표 14와 같다.
그린 물성 참조 조성물 조성물 E
그린 밀도 7.23 7.30
그린 강도 4412 4637
그린 신장 0.13 0.14
스트립 압력 4931 4645
슬라이드 압력 2053 2197
조성물 E로 만든 바의 스트립 압력은 참조 조성물의 경우보다 낮지만, 슬라이드 압력은 참조 조성물로 만든 바보다 조성물 E로 만든 바가 약간 더 높았다. 더욱이, 조성물 E로 만든 바의 그린 강도는 참조 조성물로 만든 바의 그린 강도보다 더 높다. 조성물 E로 만든 바의 그린 밀도는 참조 조성물로 만든 바의 그린 밀도보다 크다.
50 tsi에서 압축된 그린 바의 소결 물성은 아래 표 15와 같다.
소결 물성 참조 조성물 조성물 E
소결 밀도 7.28 7.34
치수 변화 0.09 0.08
실험결과로부터 조성물 E로 만든 바의 치수 변화는 참조 조성물의 경우보다 치수 변화보다 낮게 나타났다. 그러나, 조성물 E로 만든 바의 소결 밀도는 참조 조성물로 만든 바의 소결 밀도보다 더 크게 나타났다.
따라서, 폴리알킬렌-PAO 블록 코폴리머 윤활제로는, 다이로부터 그린 바를 제거하는데 필요한 보다 작은 힘에 의해 다이로부터 쉽게 제거 가능하게 하는 높은 그린 강도와 그린 밀도를 갖는 부품으로 압축될 수 있는 야금 분말 조성물의 제조가 가능하다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 바람직한 구체예에 대해 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형과 변경이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그러므로, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 존재하는 동등한 변형물에 대해서도 포함된다 할 것이다.

Claims (20)

  1. (a) 최소한 약 80 중량%의 금속기재 분말; 및
    (b) 야금 분말 조성물 전체 중량에 대하여, 고체 윤활제 약 0.01 내지 5 중량%;
    로 이루어지고, 상기 고체 윤활제는 탄소수 약 5 내지 500을 갖는 선형 또는 가지형 폴리알킬렌 사슬의 최소한 하나의 블록 A, 및 아래 구조를 갖는 알킬렌 옥사이드 사슬의 최소한 하나의 블록 B로 이루어지는 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제를 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물:
    -[O(CH2)r]m-, 또는
    -[(CH2)rO]m-
    상기 식에서 r은 약 1 내지 7이고, m은 약 1 내지 350이며, 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머는 중량 평균 분자량이 약 20,000 이하임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제는 고체 윤활제를 약 10 내지 90 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제는 약 2 내지 200 미크론의 입자 크기를 갖는 분말의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 폴리아미드, C5내지 C30지방산, 폴리아미드의 금속염, 또는 C5내지 C30지방산의 금속염, 또는 C5내지 C30지방산의 암모늄염으로 이루어진 최소한 하나의 첨가 윤활제를, 전체 고체 윤활제의 중량에 대하여 최소한 10 중량%로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물.
  5. 제2항에 있어서, 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제는 탄소수 약 10 내지 100을 갖는 폴리알킬렌 사슬을 포함하고, 상기 알킬렌 옥사이드 사슬에서 m은 약 2 내지 200이고, 그리고 r은 2인 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 전체 고체 윤활제의 중량에 대하여 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제를 최소한 40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물.
  7. (a) 고체 윤활제를 제조하고, 여기서 상기 고체 윤활제는 탄소수 5 내지 500을 갖는 선형 또는 가지형 폴리알킬렌 사슬의 최소한 하나의 블록 A, 및 아래 구조를 갖는 알킬렌 옥사이드 사슬의 최소한 하나의 블록 B로 이루어진 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머를 적어도 약 10 중량%로 포함함:
    -[O(CH2)r]m-, 또는
    -[(CH2)rO]m-
    상기 식에서 r은 약 1 내지 7이고, m은 약 1 내지 350이며, 상기 코폴리머는 중량 평균 분자량이 약 20,000 이하임; 그리고
    (b) 야금 분말 조성물을 제조하기 위해 상기 금속 윤활제와 금속기재 분말을 혼합하는, 여기서 전체 야금 분말 조성물의 중량에 대하여 상기 금속기재 분말이 최소한 80 중량% 존재하고 상기 고체 부품 윤활제는 약 0.01 내지 20 중량%의 양으로 존재함;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 폴리아미드, C5내지 C30지방산, 폴리아미드의 금속염, 또는 C5내지 C30지방산의 금속염, 또는 C5내지 C30지방산의 암모늄염으로 이루어진 최소한 하나의 첨가 윤활제를, 전체 고체 윤활제의 중량에 대하여 최소한 10 중량%로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제 및 최소한 하나의 첨가 윤활제를 용융물로서 혼합하고, 그리고 상기 고체 윤활제를 형성하도록 상기 용융물을 고화시키는 단계에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 야금 분말 조성물의 제조 방법.
  10. (a) (i) 최소한 80 중량%의 금속기재 분말; 및
    (ii) 전체 야금 분말 조성물의 중량에 대하여 약 0.01 내지 5 중량%의 고체 윤활제;
    로 이루어진 야금 분말 조성물을 제조하고, 여기서 상기 고체 윤활제는 탄소수 5 내지 500을 갖는 선형 또는 가지형 폴리알킬렌 사슬의 최소한 하나의 블록 A, 및 아래 구조를 갖는 알킬렌 옥사이드 사슬의 최소한 하나의 블록 B로 이루어진 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머를 최소한 10 중량%를 포함함:
    -[O(CH2)r]m-, 또는
    -[(CH2)rO]m-
    상기 식에서 r은 약 1 내지 7이고, m은 약 1 내지 350이며, 상기 코폴리머는 중량 평균 분자량이 약 20,000 이하임; 그리고
    (b) 금속 부품을 형성하기 위해 최소한 약 5 tsi의 압력에서 상기 야금 분말 조성물을 압축하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 부품의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 폴리아미드, C5내지 C30지방산, 폴리아미드의 금속염, C5내지 C30지방산의 금속염, 및 C5내지 C30지방산의 암모늄염으로 이루어진 군으로부터 선택된 최소한 하나의 첨가 윤활제를 전체 고체 윤활제의 중량에 대하여 최소한 10 중량%로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 부품의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제 및 최소한 하나의 첨가 윤활제를 용융 상태에서 혼합하고,그리고 상기 고체 윤활제를 형성하도록 상기 용융된 윤활제를 고화시키는 단계에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 부품의 제조 방법.
  13. (a) 탄소수 5 내지 500을 갖는 선형 또는 가지형 폴리알킬렌 사슬의 최소한 하나의 블록 A, 및 아래 구조를 갖는 알킬렌 옥사이드 사슬의 최소한 하나의 블록 B로 이루어진 적어도 약 10 중량%의 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머:
    -[O(CH2)r]m-, 또는
    -[(CH2)rO]m-
    상기 식에서 r은 약 1 내지 7이고, m은 약 1 내지 350이며, 상기 코폴리머는 중량 평균 분자량이 약 20,000 이하임; 및
    (b) 전체 고체 윤활제의 중량에 대하여, 폴리아미드, C5내지 C30지방산, 폴리아미드의 금속염, 또는 C5내지 C30지방산의 금속염, 또는 C5내지 C30지방산의 암모늄염으로 이루어진 최소한 10 중량%의 최소한 하나의 첨가 윤활제;
    로 이루어지고, 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제 및 상기 적어도 하나의 첨가 윤활제는 상기 고체 윤활제를 형성하기 위해 긴밀하게 혼합된 상태인 것을 특징으로 하는 고체 윤활제 조성물.
  14. 제13항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 상기 고체 윤활제의 전체 중량에 대하여 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제 약 10 내지 80 중량% 및 최소한 하나의 첨가 윤활제 약 20 내지 90 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 윤활제 조성물.
  15. 제13항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 중량 평균 입자 크기가 약 2 내지 200 미크론의 분말 형태인 것을 특징으로 하는 고체 윤활제 조성물.
  16. 제14항에 있어서, 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제는 탄소수 약 10 내지 100인 폴리알킬렌 사슬을 포함하고, 상기 알킬렌 옥사이드 사슬에서, m은 약 2 내지 200이고, 그리고 r은 2인 것을 특징으로 하는 고체 윤활제 조성물.
  17. (a) 아래 구조를 갖는 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제 약 10 내지 90 중량%와, 여기서 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제는 탄소수 5 내지 500을 갖는 선형 또는 가지형 폴리알킬렌 사슬의최소한 하나의 블록 A, 및 아래 구조를 갖는 알킬렌 옥사이드 사슬의 최소한 하나의 블록 B로 이루어짐:
    -[O(CH2)r]m-, 또는
    -[(CH2)rO]m-
    상기 식에서 r은 약 1 내지 7이고, m은 약 1 내지 350이며, 상기 코폴리머는 중량 평균 분자량이 약 20,000 이하임; 및
    폴리아미드, C5내지 C30지방산, 폴리아미드의 금속염, 또는 C5내지 C30지방산의 금속염, 또는 C5내지 C30지방산의 암모늄염, 또는 이들의 혼합물, 또는 이들의 용융상태에서의 혼합물로 이루어진 최소한 하나의 첨가 윤활제 10 내지 90 중량%를 블렌딩하고; 그리고
    (b) 상기 고체 윤활제를 형성하기 위해 상기 용융물을 고화시키는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 윤활제 조성물의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 중량 평균 입자 크기가 약 2 내지 200 미크론의 분말 형태인 것을 특징으로 하는 고체 윤활제 조성물의 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머의 최소한 일부는, 트리-블록 코폴리머를 형성하기 위해 상기 고체 윤활제를 블렌딩하는 동안, 상기 최소한 하나의 첨가 윤활제와 반응하는 것을 특징으로 하는 고체 윤활제 조성물의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 폴리알킬렌-폴리알킬렌 옥사이드 블록 코폴리머 윤활제는 에스테르기에 의하여 상기 최소한 하나의 첨가 윤활제와 결합하는 것을 특징으로 하는 고체 윤활제 조성물의 제조 방법.
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