MXPA06014484A - Lubricantes para composiciones en polvo basadas en hierro magnetico suave aislado. - Google Patents

Abstract

La invencion concierne a composiciones metalurgicas en polvo que contienen, preferentemente, un polvo basado en hierro o hierro magnetico suave abrasivo, en donde las particulas estan rodeadas por un recubrimiento organico aislante y como lubricante por lo menos un aceite o liquido no seco que tiene un punto de fusion cristalino debajo de una temperatura de 25 degree C, una viscosidad (?) a una temperatura de 40 degree C por encima de 15mPas y en donde dicha viscosidad es dependiente de la temperatura de acuerdo con la siguiente formula: 10 log ?=k/T+C en donde la pendiente k esta por encima de 800, T esta en Kelvin y C es una constante en una cantidad entre el 0.05 y 0.4% por peso de la composicion.

Description

LUBRICANTES PARA COMPOSICIONES EN POLVO BASADAS EN HIERRO MAGNÉTICO SUAVE AISLADO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a lubricantes para composiciones magnéticas suaves (SMC). Específicamente, la presente invención se refiere a lubricantes líquidos para polvos basados en hierro o hierro magnético suave, en donde las partículas están rodeadas por una capa de aislante inorgánica ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En la industria, el uso de productos metálicos fabricados por compactación y composiciones de polvo magnético suave tratadas por calor se está volviendo cada vez más popular. Un número de diferentes productos de formas y espesores diversos están siendo producidos, y diferentes requerimientos de calidad son colocados en estos productos dependiendo de su utilización final. Con el fin de cumplir los diferentes requerimientos del polvo, la industria metalúrgica ha desarrollado una amplia variedad de composiciones de polvos basados en hierro y hierro. Una técnica de procesamiento para producir las partes de estas composiciones de polvo es cargar la composición de polvo dentro de una cavidad de troquel y compactar la composición bajo presión alta. La parte verde resultante es entonces removida de la cavidad de troquel y tratada por calor. Para evitar el desgaste excesivo en la cavidad de troquel, los lubricantes que son utilizados de forma común durante el procedimiento de compactación. La lubricación es generalmente lograda mezclando un sólido, un polvo lubricante en particular con el polvo basado en hierro (lubricante interno) o rociando un líquido de dispersión o una solución del lubricante dentro de la superficie de la cavidad de troquel (lubricación externa). En algunos casos, se utilizan ambas técnicas de lubricación. La lubricación por medio del mezclado de un lubricante sólido dentro de la composición de polvo basada en hierro es ampliamente utilizada y continuamente son desarrollados lubricantes sólidos nuevos. Estos lubricantes sólidos generalmente tienen una densidad de aproximadamente 1-2 g/cm3, el cual es muy bajo en comparación con la densidad del polvo basado en hierro, el cual es de aproximadamente 7-8 g/cm3. Adicionalmente, en la práctica, los lubricantes sólidos tiene que ser utilizados en cantidades de por lo menos 0.6% por peso de la composición de polvo. Como una consecuencia la inclusión de estos lubricantes menos densos en la composición disminuye la densidad verde de las partes compactadas. En la tecnología moderna PM, la lubricación únicamente con los lubricantes líquidos no ha sido exitosa debido al manejo y propiedades deficientes del polvo. Sin embargo, los lubricantes líquidos han sido sugeridos para utilizarlos en combinación con los lubricantes sólidos. Por consiguiente, la Patente de E.U.A. 6537389 describe un método de fabricación de un material de composición magnética suave. En este método el aceite de perforación o aceite de éster metílico de semilla de colza son mencionados como ejemplos de adiciones adecuadas de lubricación en la composición del polvo a ser compactada. Estos compuestos son sugeridos para ser utilizados en combinación con el lubricante de ácido amida esteárico sólido, aunque nada se enseña sobre la naturaleza física del aceite de perforación o aceite de éster metílico de semilla de colza y los ejemplos actuales no demuestran el uso de estos compuestos. El uso de los lubricantes líquidos es también conocido en la Patente de E.U.A. 3728110, la cual enseña que el lubricante líquido debe de ser utilizado en combinación con un gel de sílice poroso. También en este caso el lubricante líquido debe estar combinado con un lubricante sólido. Se ha descubierto ahora de manera inesperada que cuando los polvos basados en hierro o hierro magnético suave de un tipo determinado están combinados con un tipo específico de sustancias orgánicas líquidas como lubricantes, será posible obtener cuerpos compactados que no únicamente tienen alta densidad, sino que también ha sido descubierto que estos cuerpos compactados pueden ser expulsados desde los troqueles con fuerzas de expulsión comparativamente bajas. Adicionalmente, ha resultado que estos lubricantes son efectivos para evitar el desgaste de las paredes de troquel y proporcionar a los cuerpos compactados un excelente terminado de la superficie. El gel sílice no es necesitado para la lubricación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En resumen, la presente invención se refiere a una composición de polvo que incluye un polvo basado en hierro o hierro magnético suave en donde las partículas son rodeadas por una capa aislante inorgánica, y un lubricante orgánico líquido. La presente invención también se refiere a un método para prepara las partes compactadas y tratadas por calor mediante el uso de lubricante líquido.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Tipos de polvo Los polvos metálicos adecuados, los cuales pueden ser utilizados como materiales de partida para el procedimiento de recubrimiento, son polvos preparados a partir de metales ferromagnéticos tales como hierro. Los elementos de aleación tales como níquel, cobolt, fósforo, silicio, aluminio, cromo, boro, etc., pueden ser agregados como partículas o previamente aleados con el fin de modificar las propiedades del producto basado en hierro. Los polvos basados en hierro pueden estar seleccionados desde el grupo que consiste de forma sustancial de polvos de hierro puro, polvos basados en hierro previamente aleados, y partículas basadas en hierro o hierro substancialmente puro y elementos de aleación. Con respecto a la forma de las partículas, es preferido que las partículas tengan una forma irregular como es obtenida mediante la atomización de agua o hierro afelpado. También los polvos atomizados de gas y las hojuelas pueden ser de interés. El tamaño de las partículas basadas en hierro que normalmente se utilizan dentro del PM industrial están distribuidas de acuerdo a una curva de distribución gausiana con un diámetro de partícula promedio en la región de 30 a 100 µm y aproximadamente del 10 al 30% de las partículas son menores que 45 µm. Por consiguiente, los polvos utilizados de acuerdo a la presente invención tienen una distribución de tamaño de partícula que se desvía desde aquella utilizada normalmente. Estos polvos pueden ser obtenidos removiendo las fracciones más finas del polvo o fabricando un polvo que tiene la distribución de tamaño de partícula deseada. De acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención, los polvos deben tener partículas desiguales, es decir, los polvos están esencialmente sin partículas finas. El término "esencialmente sin partículas finas" pretende significar que es menor de aproximadamente el 10%, preferentemente menos del 5% de las partículas de polvo tienen un tamaño por debajo de 45 µm medidas mediante el método descrito en SS-EN 24 497. El diámetro promedio de las partículas se encuentra normalmente entre 106 y 425 µm. La cantidad de partículas mayores de 212 µm es normalmente por encima del 20%. El tamaño de partículas máximo puede ser de aproximadamente de 2 mm. Con respecto a las partes SMC para las aplicaciones de alta demanda, especialmente han sido obtenidos resultados prometedores con polvos de hierro atomizados en agua, en donde las partículas están rodeadas por una capa inorgánica. Los ejemplos de polvos dentro del alcance de la presente invención son polvos que tienen la distribución de tamaño de partícula y la composición química que corresponde a Somaloy®550 y Somaloy®700 de Hóganás AB, Suecia.

Lubricante El lubricante de acuerdo con la presente invención se distingue por ser líquido a temperatura ambiente, es decir, el punto de fusión cristalino debe estar por debajo de una temperatura de 25°C. Otra característica del lubricante es que no es un líquido o aceite de secado. Además, la viscosidad (µ) a una temperatura de 40°C debe estar por arriba de 15 mPa.s y depende de la temperatura de acuerdo a la siguiente formula: Lg (?) = k T +C, en donde la pendiente k preferentemente está por arriba de 800 (T es en Kelvin y C es una constante). Un tipo de sustancias que cumplen con el criterio anterior son los líquidos o aceites que no se secan, por ejemplo, diferentes aceites minerales, vegetales o animales basados en ácidos grasosos, aunque también compuestos tales como el polietilénglicol, polipropilénglicol, glicerina y los derivados esterificados de los mismos. Estos aceites lubricantes pueden ser utilizados en combinación con determinados aditivos, los cuales pueden ser referidos como "modificadores Teológicos", "aditivos de presión extrema", "aditivos de soldadura anti-frío", "inhibidores de oxidación" e "inhibidores de sarro". El lubricante puede componer hasta el 0.4% por peso de la composición de polvo metálico de acuerdo con la presente invención. Preferentemente, hasta el 0.3% por peso y más preferentemente hasta el 0.20% por peso del lubricante está incluido en la composición en polvo. La posibilidad de utilizar el lubricante de acuerdo con la presente invención en cantidades muy bajas es especialmente ventajosa debido a que permite que los productos compactos y tratados por calor que tienen densidades altas puedan ser logrados, especialmente ya que esos lubricantes no necesitan ser combinados con un lubricante líquido. Sin embargo, la presente invención no excluye la adición de cantidades pequeñas de lubricante(s) sólido (en partículas). Se debe observar que la geometría del componente, así como también el material y calidad de la herramienta tienen un gran impacto sobre la condición de la superficie de las partes SMC después de la expulsión. Por consiguiente, en algunos casos puede existir el contenido óptimo del lubricante siendo menor del 0.20% por peso. Adicionalmente, y en contraste con la enseñanza en la Patente de E.U.A. No. 6537 389, las partículas de polvo de hierro no son recubiertas con un compuesto termoplástico.

Compactación La compactación convencional a temperaturas altas, es decir presiones por encima de aproximadamente 600 MPa con los polvos utilizados convencionalmente incluyen partículas más finas, mezcladas con cantidades bajas de lubricantes (menores del 0.6% por peso) generalmente son inadecuadas debido a que las fuerzas altas requeridas con el fin de expulsar los compactos del troquel, el desgaste alto que acompañantes del troquel y el hecho de que las superficies de los componentes tienden a ser menos brillantes o deterioradas. Utilizando los lubricantes en polvo y líquidos de acuerdo con la presente invención se ha descubierto en forma inesperada que la fuerza de expulsión es reducida a presiones altas, por encima de aproximadamente 600 MPa, y que los componentes que tienen superficies aceptables o incluso perfectas se pueden obtener también cuando no se utilice la lubricación de la pared del troquel. La compactación puede ser realizada con equipo estándar, lo cual significa que el método nuevo puede ser realizado sin inversiones costosas. La compactación es realizada en forma no axial en un paso único a temperatura ambiente o temperatura elevada. Con el fin de alcanzar las ventajas con la presente invención, la compactación preferentemente debe ser realizada a densidades por encima de 7.50 g/cm3. La presente invención adicionalmente está ilustrada mediante los ejemplos no limitantes.

Como los lubricantes líquidos, se utilizaron las sustancias de acuerdo con el Cuadro 1 que se encuentra a continuación CUADRO 1 (Los lubricantes B y E están fuera del alcance de la presente invención) El Cuadro 2 siguiente, muestra la viscosidad a temperaturas diferentes de los lubricantes líquidos utilizados; CUADRO 2 El siguiente Cuadro 3, describe las constantes en la fórmula lg(?) = k/T+C (T en K) que proporciona la dependencia de la temperatura de la viscosidad de los lubricantes líquidos; CUADRO 3 Los aceites lubricante no secos o líquidos de acuerdo con la presente invención deben tener la viscosidad calculada de acuerdo con la fórmula reportada, en donde se cumple el siguiente requerimiento: k > 800, y en donde la viscosidad a una temperatura de 40°C es > 15 mPa- s. Por lo tanto, los lubricantes B y E, los cuales están fuera del alcance de la presente invención, demuestran claramente el efecto de los lubricantes líquidos los cuales no cumplen con los requerimientos de la fórmula representada.

EJEMPLO 1 Se prepararon composiciones en polvo basadas en hierro diferentes 2 kg totales. El polvo basado en hierro utilizado fue un polvo magnético suave, las partículas del cual han sido provistas con un recubrimiento inorgánico aislante. La distribución de tamaño de partícula fue como se describe en "polvo abrasivo" en el Cuadro 4 que se encuentra a continuación CUADRO 4 400 gramos del polvo basado en hierro fue mezclado en forma intensiva con 4.0 gramos de lubricantes líquidos en un mezclador separado, una mezcla denominada maestra se mezcla y entonces se obtuvo. La mezcla maestra posteriormente fue agregada a la cantidad restante del polvo basado en hierro magnético suave y la mezcla final se mezcló durante 3 minutos adicionales. Las mezclas obtenidas fueron transferidas a un troquel y fueron compactadas en muestras de prueba cilindricas (50 g), con un diámetro de 25 mm, en un movimiento de presión no axialmente a una presión de compactación de 1100 MPa. El material de troquel utilizado fue acero de herramientas convencional. Durante la expulsión de las muestras compactadas, las fuerzas de expulsión estáticas y dinámicas fueron medidas, y se calculó la energía de expulsión total necesaria para expulsar las muestras del troquel. El siguiente Cuadro 5, muestra las fuerzas de expulsión, energía de expulsión, densidad verde, la apariencia de la superficie y el desempeño general para las muestras diferentes.

CUADRO 5 EJEMPLO 2 Una mezcla de polvo que contiene el lubricante C se preparó de acuerdo con el Ejemplo 1 , y las muestras de prueba cilindricas de acuerdo con el Ejemplo 1 se compactaron a cinco temperaturas diferentes del troquel.

El siguiente Cuadro 6 muestra las fuerzas de expulsión y la energía de expulsión necesarias para expulsar las muestras de prueba del troquel, la apariencia de la superficie de las muestras expulsadas, y la densidad verde de las muestras.

CUADRO 6 A partir del cuadro anterior, se puede concluir que las propiedades de expulsión excelentes pueden ser obtenidas en un troquel a una temperatura debajo de 80°C.

EJEMPLO 3 Este ejemplo ¡lustra la influencia de la cantidad agregada de lubricante C en la fuerza de expulsión y la energía de expulsión necesaria con el fin de expulsar la muestra compactada del troquel así como también las apariencias de la superficie de las muestras expulsadas. Las mezclas se prepararon de acuerdo con el Ejemplo 1 con la excepción de que se agregaron los niveles de lubricante de 0.05%, 0.10% y 0.40%. Las muestras de acuerdo con el Ejemplo 1 fueron compactadas a temperatura ambiente (RT). El siguiente Cuadro 7 muestra la energía necesaria con el fin de expulsar las muestras del troquel, así como también las apariencias de superficie de la muestra expulsada.

CUADRO 7 A partir del Cuadro 7, se muestra que un contenido de por lo menos 0.10% de lubricante C es necesario para esta presión de compactación con el fin de obtener un comportamiento de expulsión aceptable desde el troquel. Adicionalmente, el tipo de geometría del componente y el material de la herramienta también se espera tengan una influencia durante la expulsión.

EJEMPLO 4 Este ejemplo ilustra la influencia de la distribución del tamaño de partícula sobre la fuerza de expulsión y la energía de expulsión necesarias con el fin de expulsar las muestras del troquel y la influencia de la distribución de tamaño de la partícula sobre la apariencia de la superficie de la muestra expulsada cuando se utilizan lubricantes líquidos de acuerdo con la presente invención. El Ejemplo 1 se repitió con la excepción de que se utilizó un "polvo fino" en comparación con el polvo abrasivo (Cuadro 4). El siguiente Cuadro 8, muestra la fuerza de expulsión y la energía necesaria con el fin de expulsar las muestras del troquel, así como también las apariencias de la superficie de la muestra expulsada.

CUADRO 8 A partir del Cuadro anterior se puede observar que las composiciones que incluyen el tipo de lubricantes líquidos definidos anteriormente pueden ser utilizados, tanto en polvos finos como en polvo magnético suave abrasivo. Sin embargo, cuando se utilizan los polvos abrasivos, tanto el terminado de superficie como la densidad verde de la parte compactada son mejorados. Adicionalmente, las propiedades del polvo, tales como densidad y flujo aparentes de los polvos finos, normalmente son deficientes utilizando los lubricantes líquidos de acuerdo con la presente invención. No obstante, para aplicaciones sin requerimientos altos de estas propiedades de polvo, los polvos finos pueden proveer componentes de calidad aceptable utilizando los lubricantes líquidos de acuerdo con la presente invención.

EJEMPLO 5 Este ejemplo ilustra las excelentes propiedades magnéticas obtenidas utilizando contenidos bajos de lubricantes líquidos de acuerdo con la presente invención. En general, las propiedades menos lubricantes tendrán como resultado la resistividad eléctrica disminuida y la pérdida de núcleo incrementada. Sin embargo, este ejemplo muestra que aún cuando el desempeño del lubricante no es aceptable, las propiedades magnéticas tales como permeabilidad máxima puede ser aceptable (muestra B). Dichos lubricantes que muestran desempeño lubricante inaceptable, sin embargo no pueden ser utilizados en polvos para la producción en grandes escalas debido al terminado de superficie deficiente y el desgaste de herramienta excesivo.

Los sistemas de lubricación de partículas convencionales, tales como Kenolube®, generalmente necesitan cantidades mayores de lubricante (>0.5% por peso) para alcanzar el desempeño lubricante similar. En dichas cantidades altas de lubricante agregado, las presiones de compactación por encima de 800 MPa no tienen como resultado propiedades magnéticas mejoradas ya que no se pueden obtener mejoramientos adicionales en los niveles de densidad (muestra G de referencia). Se prepararon seis muestras de acuerdo con el Ejemplo 1. Las mezclas obtenidas fueron transferidas a un troquel y compactadas en tiroides de 45/55 mm, con una altura de 5 mm, en un movimiento de presión no axial a una presión de compactación de 1100 MPa. Las muestras fueron tratadas por calor en aire a una temperatura de 530°C durante 30 minutos. Las propiedades magnéticas fueron medidas en las muestras de tiroides con 100 vueltas de giro y 100 de sentido utilizando un histeresisgrafo de Brockhaus. El siguiente Cuadro 9 muestra la resistividad eléctrica como medida por el método de cuatro puntos, la permeabilidad máxima, el nivel de inducción a 10 kA/m, así como también las pérdidas de núcleo a 1T 400 z, respectivamente.

CUADRO 9 * No de acuerdo con la presente invención ** La muestra G de referencia es polvo abrasivo mezclado con el 0.5% de Kenolube®.

Claims (14)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Una composición en polvo para compactación que contiene un polvo de hierro o basado en hierro, caracterizado porque las partículas están rodeadas por un recubrimiento inorgánico aislante, y como lubricante por lo menos un aceite no seco o líquido que tiene un punto de fusión cristalino debajo de una temperatura de 25°C, una viscosidad (?) a una temperatura de 40°C por encima de 15mPa s, en donde dicha viscosidad depende de la temperatura de acuerdo con la siguiente fórmula: lg(?)= k T + C, en donde la inclinación k es de aproximadamente 800 (T está en Kelvin y C es una constate), en una cantidad entre el 0.05 y el 0.40% por peso de la composición. 2.- La composición en polvo de conformidad con la

Reivindicación 1 , caracterizada además porque el lubricante es seleccionado del grupo que consiste de aceites minerales, ácidos grasos de base vegetal o animal, polietilénglicoles, polipropilénglicoles, glicerina y derivados esterificados de los mismos, opcionalmente en combinación con aditivos. 3.- La composición en polvo de conformidad con la

Reivindicación 2, caracterizada además porque los aditivos son seleccionados del grupo que consiste de "modificadores Teológicos", "aditivos de presión extrema", "aditivos de soldadura anti-frío", "inhibidores de oxidación" e "inhibidores de sarro".

4.- La composición en polvo de conformidad con la Reivindicación 1 , caracterizada además porque el lubricante está incluido en una cantidad del 0.1 al 0.3% por peso.

5.- La composición en polvo de conformidad con la Reivindicación 4, caracterizada además porque el lubricante está incluido en una cantidad del 0.15 al 0.25% por peso.

6.- La composición en polvo de conformidad con la Reivindicación 1 , caracterizada además porque está libre de lubricante(s), el(los) cual(es) es (son) sólido(s) a temperatura ambiente.

7.- La composición en polvo de conformidad con la Reivindicación 1 , caracterizada además porque menos de aproximadamente el 5% por peso de las partículas en polvo tiene un tamaño debajo de 45 µm.

8.- La composición de conformidad con la Reivindicación 7, caracterizada además porque por lo menos el 40% por peso del polvo basado en hierro consiste en partículas que tienen un tamaño de partícula por encima de aproximadamente 106 µm.

9.- La composición de conformidad con la Reivindicación 8, caracterizada además porque por lo menos el 60% por peso del polvo basado en hierro consiste en partículas que tienen un tamaño de partícula por encima de aproximadamente 106 µm.

10.- La composición de conformidad con la Reivindicación 7, caracterizada además porque por lo menos el 20% por peso del polvo basado en hierro consiste en partículas que tienen un tamaño de partícula de por encima de aproximadamente 212 µm.

11.- La composición de conformidad con la Reivindicación 10, caracterizada además porque por lo menos el 40% por peso del polvo basado en hierro consiste en partículas que tienen un tamaño de partícula de por encima de aproximadamente 212 µm.

12.- La composición de conformidad con la Reivindicación 11 , caracterizada además porque por lo menos el 50% por peso del polvo basado en hierro consiste en partículas que tienen un tamaño de partícula de por encima de aproximadamente 212 µm.

13.- La composición en polvo de conformidad con la Reivindicación 1 , caracterizada además porque contiene adicionalmente uno o más aditivos seleccionados del grupo que consiste de aglutinadores orgánicos y resinas, agentes que mejoran el flujo, auxiliares de procesamiento y lubricantes en partículas.

14.- Un método para elaborar componentes magnéticos suaves tratados por calor, caracterizado porque comprende los pasos de: a) mezclar un polvo de hierro o basado en hierro magnético suave, en donde las partículas están rodeadas por una capa aislante inorgánica, y tiene un lubricante de aceite no seco o líquido, el cual tiene un punto de fusión cristalino debajo de una temperatura de 25°C, una viscosidad (?) a una temperatura de 40°C por encima de 15mPa s y en donde dicha viscosidad depende de la temperatura de acuerdo con la siguiente fórmula: lg(?)= k T + C, en donde la inclinación k es de aproximadamente 800, T está en Kelvin y C es una constate, en una cantidad entre el 0.05 y el 0.4% por peso de la composición y b) compactar la composición para lograr un cuerpo compactado a una presión por encima de aproximadamente 600 MPa.