SE505271C2 - Järnpulverblandning av maskinbearbetbar kvalitet innehållande bornitrid - Google Patents

Description

505 271 2 någon speciell form, anläggande av tryck till bildning av en presskrøpp, Sintring av presskroppen och därefter färdig- eller ytbearbetning av den sintrade presskroppen till de öns- kade specifikationerna.

Formade pulvermetallurgiska sintrade presskroppar kräver ofta maskinbearbetning såsom en av färdigställningsstegen för fram- ställning av den önskade pulvermetallurgiska produkten. Om den pulvermetallurgiska produkten är en masstillverkad produkt (för vilket den pulvermetallurgiska processen är väl lämpad), beror den hastighet och effektivitet med vilken dessa pulver- metallurgiska produkter kan tillverkas delvis på hastigheten och effektiviteten av maskinbearbetningssteget. Hastigheten och effektiviteten av maskinbearbetningssteget beror i sin tur bl.a. på hur lätt den pulvermetallurgiska sintrade presskrop- pen kan skäras med maskinbearbetande verktyg. Allmänt gäller att ju svårare det är att skära den pulvermetallurgiska sint- rade presskroppen desto mer energi erfordras för det skärande verktyget och desto kortare blir livslängden hos det skärande verktyget och desto mer tid erfordras för fullbordande av maskinbearbetningssteget.

En av metoderna för att höja hastigheten och effektiviteten vid maskinbearbetningssteget är att framställa en pulvermetal- lurgisk sintrad presskropp, som har en låg friktionskoeffi- cient vid gränsytan mellan det skärande verktyget och press- kroppen samt med förbättrade spånbildningsegenskaper. Detta kan åstadkommas genom blandning av järnpulvret med ett frik- tionsreducerande medel, exempelvis mangansulfid eller bornit- rid, men dessa kända medel för järnpulver är, även om de är användbara, mål för förbättring. Såsom exempel gäller att även om alla medel tillsättes tillsammans med järnpulvret före sintringen, har vissa antingen en ofördelaktig effekt på dimensionsförändringarna som uppkommer vid sintringen av presskroppen eller sänker allmänt hållfasthetsegenskaperna hos den sintrade presskroppen eller ger båda dessa effekter. En signifikant effekt på dimensionsförändringen kan kräva ett matrisbyte av tillverkaren av den pulvermetallurgiska produk- '505 271 3 ten, vilket är ett dyrbart steg som måste undvikas om så är möjligt. Väsentligt försämrade hållfasthetsegenskaper hos den sintrade presskroppen minskar i allmänhet dess slutliga användbarhet. Dessa oönskade effekter är åtminstone delvis en funktion av arten och mängden av medel, som i det aktuella fallet tillsättes till järnpulvret, och identifiering av medel som kan ge de önskade effekterna men vid lägre tillsatshalter och -kostnader är ett fortsatt mål för pulvermetallurgisk forskning.

Enligt denna uppfinning framställes en järnpulverblandning av maskinbearbetbar kvalitet av: A. minst c:a 85 viktprocent av ett järnpulver med en maximal partikelstorlek som är mindre än c:a 300 um; och B. minst c:a 0,01 viktprocent bornitridpulver innefattande agglomerat med oregelbundet formade submikronpartiklar.

Pulvermetallurgiska sintrade presskroppar framställda av denna järnpulverblandning uppvisar förbättrad maskinbearbetbarhet.

Dessutom har det friktionsnedsättande medlet bornitrid minimal effekt på både hållfastheten hos den pulvermetallurgiska sint- rade presskroppen och på dimensionsförändringarna som press- kroppen undergår under sintring.

Väsentligen alla slags järnpulver med en maximal partikelstor- lek mindre än c:a 300 pm kan användas i kompositionen enligt denna uppfinning. Typiska järnpulver är Atonæt.Ga-järnpulver tillverkade av Quebec Metal Powders Limited of Tracy, Quebec, Kanada. Dessa pulver har en järnhalt överstigande 99 viktpro- cent med mindre än 0,2 viktprocent syre och 0,1 viktprocent kol. Atomet.G9 -järnpulver har typiskt en skenbar densitet av minst 2,50 g/cm” och en flödeshastighet av mindre än 30 sekun- der per 50 g. Även om bornitriden enligt denna uppfinning visade sig mer effektiv i Atomet -järnpulver, kan även stål- pulver, inkluderande pulver av rostfritt och legerat stål, användas såsom järnpulver för blandningar enligt denna uppfin- 505 271 4 ning och stålpulver Atometdä 1001, 4201 och 4601 är represen- tativa för pulver av stål och legerat stål. Dessa Atomet - -pulver innehåller mer än 97 viktprocent järn och har en sken- bar densitet av 2,85-3,05 g/cm” och ett flöde av 24-28 sekun- der per 50 g. Atometdâ -stålpulver 1001 är till mer än 99 viktprocent järn, under det att Atomet.G9-stålpulver 4201 och 4601 vardera innehåller 0,55 viktprocent molybden och 0,5 resp. 1,8 viktprocent nickel. Så gott som godtycklig kvalitet av stålpulver kan användas. Företrädesvis har järnpulvret en maximal partikelstorlek som är mindre än c:a 2l2 um.

Bornitridpulvret som användes enligt denna uppfinning innefat- tar oregelbundet formade partiklar med en genomsnittlig parti- kelstorlek av minst c:a 0,05, företrädesvis minst c:a 0,1 um.

Med uttrycket "oregelbundet formade partiklar" häri avses icke endast partiklar liknande de som beskrives på figur 2(f) på sidan 32 i Kirk-Othmers Encyclopedia of Chemical Technology, tredje upplagan, volym l9, utan även partiklar som liknar de som beskrives på figurerna 2(c), (d), (e), (g) och (h) i samma publikation. Även om partiklarna i sig är av submikronstor- lek, har de en benägenhet att bindas till varandra och bilda agglomerat som sträcker sig i storlek från c:a 5 till c:a 50 um. Även om det icke är känt med säkerhet, antages dessa agglomerat brytas isär när de blandas med järnpartiklarna och submikronpartiklarna koncentreras i sin tur i eller runt porerna eller fördjupningarna hos järnpartiklarna. Denna för- delning av bornitridpartiklarna på järnpartiklarna antages minimera effekten av bornitriden på järnpartiklarna under sintringsprocessen och sålunda minimera den materiella inver- kan på den mekaniska hållfastheten hos de pulvermetallurgiska presskropparna efter sintringsprocessen. En likartad effekt förväntas av tillsatsen av icke-agglomererade submikron-bor- nitridpartiklar. Den föredragna genomsnittliga partikelstor- leken hos bornitridpartiklarna som användes enligt denna upp- finning är mellan c:a 0,2 och c:a 1,0 pm.

Bornitrid i sig är ett förhållandevis inert material, som är icke-blandbart med järn och stål vid temperaturer under l400°C 505 271 5 och är väsentligen icke-reaktivt med kol under l700°C. Den hygroskopicitet som i allmänhet är förenad med bornitrid beror i stor utsträckning på närvaron av boroxid, en rest från bor- nitridtillverkningsprocessen. Eftersom lagringslivslängden hos järnpulverblandningen beror delvis på mängden av vatten som absorberas mellan tidpunkten för bildning av blandningen och tidpunkten för användning därav för framställning av en pulvermetallurgisk sintrad presskropp, är mängden av boroxid som närvarar i bornitriden som användes för framställning av blandningarna enligt denna uppfinning typiskt mindre än cza 5 viktprocent (baserat på den totala vikten av bornitriden) och företrädesvis mindre än c:a 3 viktprocent.

Järnpulverblandningarna enligt denna uppfinning framställes genom blandning av från minst c:a 0,01, företrädesvis minst c:a 0,02 viktprocent bornitridpulver med minst 85, företrädes- vis minst 90 viktprocent av ett järnpulver. Företrädesvis blandas mellan 0,01 och 0,10 viktprocent bornitridpulver med järnpulvret och mer föredraget mellan 0,03 och 0,07 viktpro- cent. Denna blandning förformas på sådant sätt, att den erhållna blandningen av järnpulver och bornitrid är väsentli- gen homogen. Väsentligen godtycklig form av blandning kan användas och konventionell mekanisk blandning är mest typisk.

Järnpulverblandningen enligt denna uppfinning kan innehålla andra material förutom järn- och bornitridpulver. Bindemedel, såsom polyetylenglykol, polypropylenglykol, fotogen och lik- nande, kan även närvara liksom legeringspulver, såsom grafit, koppar och/eller nickel. Dessa material, användningen av dessa och metoder för införlivande i järnpulverblandningar är välkända inom tekniken.

Pulvermetallurgiska sintrade presskroppar med förbättrad maskinbearbetbarhetsegenskaper är ett kännetecken för denna uppfinning. Dessa presskroppar är mer lättmaskinbearbetade än presskroppar framställda av järnpulverkompositioner, som icke innehåller bornitridpulver såsom beskrives här, och sålunda uppvisar maskinbearbetningssteget vid den pulvermetallurgiska 505 271 processen större effektivitet. Denna fördelaktiga egenskap åstadkommes utan någon väsentlig negativ inverkan på egenska- perna i sintrade tillstånd hos järnpulverblandningen.

Följande exempel åskådliggör utföringsformer av uppfinningen.

SPECIFIKA.UTFÖRINGSFORMER Järnpulver Atomet®28 användes för undersökning av effekten av tillsatser av friktionssänkande medel på sintringsegenska- perna hos pulvermetallurgiska presskroppar och på hållfast- heten och maskinbearbetbarheten hos pulvermetallurgiska sint- rade presskroppar. .Iärnpulver Atomet.G9 28 är till mer än 99 viktprocent järn och innehåller c:a 0,18 viktprocent syre och 0,07 viktprocent kol. Det har en skenbar densitet av c:a 2,85 g/cm! och en flödeshastighet av c:a 26 sekunder per 50 g.

Siktanalysen (U.S. mesh) var: Siktstorlek Viktprocent på 100 5 -100 +l40 28 -140 +200 23 -200 +325 24 -325 20 Det friktionsnedsättande medel av mangansulfid (MnS) som användes i dessa exempel innefattade icke-agglomererade par- tiklar med en genomsnittlig partikelstorlek av c:a 5 pm.

Tre kvaliteter av bornitrid-(BN)-friktionsnedsättande medel användes även. Den första kvaliteten (BN-I) innefattade 5-10 pm agglomerat och skivliknande partiklar med en genomsnittlig partikelstorlek av 0,5-l pm. Denna kvalitet av bornitrid innehöll även mellan c:a 0,2 och c:a 0,4 viktprocent boroxid.

Den andra kvaliteten (BN-II) innefattade icke-agglomererade skivliknande partiklar med storleken 5-15 pm samt innehöll maximalt c:a 0,5 viktprocent boroxid. 505 271 7 Den tredje kvaliteten (BN-III) innehöll, liksom den första kvaliteten, även 5-30 um agglomerat av partiklar med en genom- snittlig partikelstorlek av 0,05-1 um men dessa partiklar hade en icke skivformig eller oregelbunden form till motsats mot skivformen hos den första kvaliteten. Boroxidhalten hos BN-III var cza 0,5 och c:a 3 viktprocent.

Järnpulver Atomet® 28 blandades först med c:a 0,5 viktprocent zinkstearat (ett smörjmedel) och olika halter av grafit varie- rande från 0 till 0,9 viktprocent. Olika mängder av det frik- tionsnedsättande medlet tillsattes därefter till lika stora provkvantiteter av blandningen och blandades därefter meka- niskt till bildning av en väsentligen homogen blandning (inom 5 % av tillsatshalten). Provstycken pressades till 6,7 g/cm” och sintrades därefter 30 minuter vid ll20°C i en rik endoter- misk atmosfär. De sintrade egenskaperna uppmättes på stan- dard-tvärbrottstänger i enlighet med Metal Powder Industries Federation provningsmetoder. De angivna värdena i tabellen är medelvärden för minst tre mätningar.

Maskinbearbetbarheten värderades med användning av borrtryck- kraftsprovning. Stålborrar för allmänt ändamål (general purpose twist steel drills) anbringades i den roterande chucken på en industrisvarv och matades in i provstycken som var monterade på en belastningscell. Tryckkrafterna uppmättes på provstänger med måtten 31,8 mm gånger 12,7 mm gånger 12,7 mm, som var pressade och sintrade enligt de ovan beskrivna tillvägagångssätten. Två hål med diametern 6,4 mm och djupet 10 mm borrades i varje provstycke. Inget kylmedel användes under borrningsoperationen och inträngningshastigheten fixera- des till 40 mm/minut samt rotationshastigheten hos borren till 800 varv per minut vid alla provningar. Tryckkrafterna upp- mättes med belastningscellen och registrerades på en höghas- tighetsskrivare. Tryokkraften användes såsom ett maskinbear- betbarhetsindex för de sintrade föremålen och ju lägre tryck- kraften är, desto bättre är maskinbearbetbarheten (längre livslängd hos det skärande verktyget, lägre kraftbehov för det skärande verktyget och kortare tidrymd erfordras för maskin- 505 271 8 bearbetning av den sintrade presskroppen.

Resultaten av dessa provningar anges i tabellen och visar att tillsatsen av något av de angivna friktionssänkande medlen hade en positiv inverkan på sänkningen av tryckkraften. Mäng- den av medel som erfordrades för att erhålla en viss nivå av tryckkraftssänkning varierade emellertid med medlet och den negativa effekten på hållfastheten, dimensionsförändring och hårdhet hos presskroppen varierade även med medlet och mängden av det som användes.

Såsom exempel gav 0,5 viktprocent MnS en l0%-ig reduktion av tryckkraften för en presskropp tillverkad av en blandning innehållande 0,9 viktprocent grafit men sänkte även tvärbrott- gränsen (med 15 %) och hårdheten (från 77 till 74) och orsa- kade större dimensionsförändring (+0,l %). Bättre resultat erhölls genom användning av väsentligt mindre BN-I och BN-II.

Båda dessa medel sänkte tryckkraften med minst 17 % samtidigt som de sänkte tvärbrottgränsen och hårdheten mindre än eller i ungefär samma grad som användningen av MnS i en tillsatt halt- nivå av 0,5 viktprocent. Användningen av BN-I och II vid dessa lägre tillsatsnivåer (0,1, 0,2 och 0,3 viktprocent) ledde även till mindre dimensionsförändring.

Användningen av BN-III (en utföringsform enligt denna uppfin- ning) leder till en mycket positiv tryckkraftssänkning (23 %) vid en tillsatsnivå (0,05) i det närmaste en storleksordning mindre än den som erfordrades för likartade resultat med BN-I och II. Dessutom var sänkningen av tvärbrottgränsen (7,1 %) och hårdheten (77 till 74) och inverkan på dimensionsföränd- ringen (+0,0l) i huvudsak densamma. Större tryckkraftsreduk- tioner (6l %) kan åstadkommas genom användning av mer BN-III (0,3 viktprocent) men på bekostnad av större reduktion av tvärbrottgränsen (43 %) och hårdheten (77 till 54) samt press- kroppens dimensionsförändring (-0,04). Dessa försämringar erhålles emellertid även med de andra medlen (jämför halterna 0,1 och 0,2 av BN-II). Genom användning av det friktionsned- sänkande medlet enligt denna uppfinning (BN-III) kan sålunda 505 271 9 väsentligt mindre mängd medel användas samtidigt som man erhåller önskade maskinbearbetbarhetsegenskaper utan att öka försämringarna genom sänkning av den mekaniska hållfastheten, hårdheten eller ökad dimensionsförändring. Även om tillsats- halterna av BN-III är mindre än de för BN-I och BN-II, antages det större antalet partiklar per viktenhet av BN-III leda till mer kontinuerlig spånbrytningseffekt och större grad av smörj- förmåga som iakttages vid spån-verktygsgränsytan.

TABELL EFFEKTER AV FRIKTIONSNEDSÄTTANDE MEDEL PÅ EGENSKAPERNA HOS SINTRADE.PRESSKROPPAR AV ATOMETG§28 Tillsats- Tillsätt Hård- Tryckkraft- nivå grafit TBG 1 N 2 het sänkning Medel vikt-% vikt-% % sänkn. % D.A. i§Bl_ % Inget - 0,3 - O 51 0 0,6 - 0 66 0 0,9 - 0 77 0 MnS 0,5 0,3 13 +0,l0 52 23 (KOntIO11) 0,6 11 +0,ll 65 18 0,9 15 +0,l0 74 10 BN-I 0,1 0,9 2,6 +0,02 76 4 (KOntrO11) 0,2 0,3 2,1 +0,03 51 21 0,6 0,8 +0,01 68 19 0,9 2,5 -0,01 76 17 BN-II 0,1 0,9 10,3 +0,04 77 21 (Kontroll) 0,3 0,9 16, +0,04 73 36 BN-III 0,02 0,9 0,8 -0,01 75 3,5 (Enligt 0,05 0,3 1,9 o 46 15 uppfin- 0,6 1,5 -o,o3 59 19 ningen) 0,9 7,1 +0,0l 74 23 0,1 0,6 7,1 +0,03 59 30 0,9 12,3 +0,03 70 28 0,2 0,6 15 +0,04 60 47 0,9 38 0 62 46 0,3 0,9 43 -0,04 54 61 0,5 0,6 36,6 -0,10 53 61 lTvärbrottgräns, procentuell skillnad från standard Dimensionsförändring, procentuell skillnad från standard Rockwell B 10 Under det att uppfinningen har beskrivits under speciell hän- visning till speciella utföringsformer, är dessa utföringsfor- mer avsedda endast för åskådliggörande och är icke avsedda att begränsa skyddsomfånget enligt de följande patentkraven.

Claims (9)

505 271 PATENTKRAV

1. l. Pulverblandning av maskinbearbetbar kvalitet inne- fattande: A. minst c:a 85 viktprocent av ett järnpulver (järn- materialpulver) med en maximal partikelstorlek mindre än c:a 300 pm; och B. minst c:a 0,01 viktprocent bornitridpulver inne- fattande agglomerat med oregelbundet formade sub- mikronpartiklar.

2. Pulverblandning enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a d därav, att den maximala partikelstorleken hos järnpulvret är mindre än c:a 212 um.

3. Pulverblandning enligt patentkrav l eller 2, k ä n - n e t e c k n a d därav, att järnpulvret utgör minst c:a 90 viktprocent av blandningen.

4. Pulverblandning enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d därav, att bornitriden utgör minst c:a 0,02 viktprocent av blandningen.

5. Blandning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att bornitriden utgör mellan c:a 0,02 och 0,1 viktprocent av blandningen.

6. Blandning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att bornitridpulvret innehål- ler mindre än c:a 5 viktprocent boroxid.

7. Blandning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att bornitridpulvret innehål- ler mindre än c:a 3 viktprocent boroxid. 12

8. Blandning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att submikronpartiklarna av bornitrid har en medelpartikelstorlek mellan c:a 0,05 och 1,0 pm.

9. Blandning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att submikronpartiklarna av bornítrid har en medelpartikelstorlek mellan c:a 0,1 och l pm. 10, Järnformkr0PP, k ä n n e t e c k n a d därav, att den är framställd genom sammanpressning av pulverblandningen enligt något av föregående patentkrav.