TWI294317B - Method for making compacted products and powder composition - Google Patents

Description

1294317 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於供冶金粉末（PM)組合物使用之潤滑劑。明 確地，本發明係關於含液體潤滑劑之鐵或以鐵為主之粉末 組合物。 【先前技術】

在工業上，藉由壓實並燒結金屬粉末組合物所製成之金 屬產物之使用愈來愈普遍。許多具各種形狀及厚度之不同 產物被製成，且根據這些產物之最終用途，有不同的品質 需求。為了符合該等不同之需求，該粉末冶金工業已研發 多種鐵及以鐵為主之粉末組合物。 自這些粉末組合物製備該等零件之其它加卫技術為將該 粉末組合物裝入模腔内，並於高壓下壓實該組合物。然後 自該模腔移除所形成生部件。為了避免該模腔之過度磨 耗，於該屢實方法期間，普遍使用潤滑劑。通常可藉由掺 合一固體（特別為潤滑劑粉末）及該以鐵為主之粉末以得到 =作用滑作用）或藉由噴丨麗該潤滑劑之液體分散體 或溶液至該模腔表面上以得到濶滑作用（外潤滑作用在 某些情況下，可使用這兩潤滑技術。 廣泛使：藉由將固體濁滑劑摻合入該以鐵為主之粉末組 _ 用’且持績研發新的固體潤滑劑。 =固體㈣劑之密度通f為約⑴克㈣3，與該以鐵 二之密度(約7至8克/厘米3)比較，其密度很低。 矛上’該等固體潤滑劑之使用量必需為該粉末組 101193.doc 1294317 合物重量之至少〇.6% »因此，該組合物内所含之、言此 疋稠 . 密性潤滑劑可降低該經壓實部件之粉坯體密度。 美國專利第3 728 110號揭示液體潤滑劑合併鐵粉末以黎】 備壓實零件之方法。根據該專利，必需併用該潤滑劑及微 粒狀多孔氧化凝膠。而且，該專利之實例揭示亦可使用習 知固體潤滑劑（硬脂酸鋅）。所試驗之該鐵粉末為顆粒大小 低於80網目（美國標準篩大小）之電解粉末。美國專利第 4 〇〇2 474號亦係關於液體潤滑劑。根據該專利，使用離散 • 的壓力可斷裂之微膠囊。該等微膠囊包含核心及包圍該L 之固體咸，該核心包括有機液體濁滑劑。在美國專利第 6 679 935號揭示之潤滑劑系統種類中，於金屬零件之沖壓 — 期間，一旦施用壓力時，潤滑劑（其於環境條件下為固體） 會熔化，且該潤滑劑系統可沿著該模腔之鑄壁形成液相， 其中該粉末經壓制。然而，在現代ρΜ技術中，液體潤滑 劑本質上尚未成功。 φ 目刖業經意外地發現，當特定種類之鐵或以鐵為主之粉 末併用作為潤滑劑之特定種類之液體有機物質時，可得到 壓實例，其不僅具有高密度，而且業經發現這些壓實體可 讀用相當低的射出力自該模具射出。而且，結果已證明 k些潤碉劑旎有效防止該模具之鑄壁磨耗，且該等壓實體 之表面/又有刮痕。與美國專利第3 728 號之教示大不相 同，並不需要微粒狀多孔氧化凝膠。 【發明内容】 簡曰之’本發明係關於藉由使用該液體潤滑劑製備經壓 101193.doc I294317 實及燒結零件之方法。本發明亦關於含鐵或以鐵為主之粉 末、視需要選用之合金用元素及液體有機潤滑劑之粉末組 合物。 【實施方式】 粉末種類 可作為該壓實方法之起始物質之合適金屬粉末為自金屬 (例如，鐵）製成之粉末。可添加合金用元素（例如，碳、 _ 鉻、錳、鉬、銅、鎳、磷、硫等）作為預合金型或擴散合 金型顆粒以修飾該最終燒結產物之性質。該以鐵為主之粉 末可選自由實質上純鐵粉末、以預合金型鐵為主之粉末、 以擴散合金型鐵為主之鐵顆粒及鐵顆粒或以鐵為主之顆粒 及合金用元素之混合物所組成之群組。就該顆粒形狀而 言，該等顆粒較佳具有如藉由水霧化作用得到之不規則型 式。亦重要的是具有不規則形狀顆粒之海棉鐵粉末。 就高要求性應用之PM零件而言，使用含低含量之一或 _ 多該合金用元素Mo及Cr之預製合金型水霧化粉末，業經 得到特別好之結果。此等粉末之實例為具有化學組成相當 於得自瑞典 H6ganas AB 之 Astaloy Μο(1·5。/。Mo)與 Astaloy 85 Μο(〇·85% Mo)及 Astaloy CrM(3 Cr、0·5 Mo)與 Astaloy

CrL(1.5 Cr、0.2 Mo)之化學組成。 本發明一重要特性為所使用粉末具有粗顆粒，亦即，該 粉末基本上無細顆粒。該名詞”基本上無細顆粒”意指少於 約10%(較佳少於5%)之該等粉末顆粒之大小在45微米以下 24 497中所描述之方法測定）。平均顆粒直徑典 I0II93.doc 1294317 :在’丨於75與300微米之間，且顆粒直徑高於212微米之 含ϊ典型上高於2〇%。最大顆粒大小可以是約2毫米。 根據高斯分佈曲線（gaussian distribution curve)，分佈通 常使用於ΡΜ：ϋ業内之該等以鐵為主之顆粒的大小，且該 等顆粒之平均顆粒直徑在30至100微米範圍内，且10至 30义之”亥等顆粒小於45微米。因此，根據本發明使用之該 等粉末之顆粒大小分佈偏離正常使用之大小分佈。可藉由 移除該粉末之較細部分或藉由製備具有所欲顆粒大小分佈 之粉末以得到這些粉末。 因此就上述私末而έ ’具有化學組成相當於Astaloy 85 Mo之化學組成的粉末之合適顆粒大小分佈可以是至多 5%之该等顆粒應該小於45微米，且平均顆粒直徑典型上 在介於106與300微米之間。具有化學組成相當於Astal〇y CrL之粉末之相應值較佳為小於5%之該等顆粒應該小於45 微米，且平均顆粒直徑典型上在介於1〇6與212微米之間。 潤滑劑 根據本發明之潤滑劑之特徵為於環境溫度下係液體，亦 即，該晶體溶點應該在2 5 °C以下。

而且，於40°C下該黏度（π )應該高於15 mPas，且根據下 式，該黏度與溫度有關 10 log η =k/T+C 其中該斜率k較佳高於800 T為凱氏溫度，且 C為常數 101193.doc 1294317 可符合上述標準之物質種類為非乾燥油，例如，不同垆 油以楂物或動物為主之脂肪酸 、 ~ <細肪i，例如，油酸；及液體 、、例如，聚伸烧基二醇，例如，pEG糊。這些潤滑 ,油可併用特定添加劑，這些添加劑可以是"流變改質劑"、月 1度£力添加齊j，、"抗冷焊添加劑,，、"氧化抑制劑•，及 銹劑"。 旦該粉末混合物亦可包括w〇 2〇〇4/〇37467所揭示之潤滑數 里之矽烷化合物種類。明確地，該矽烷化合物可以是烷基 燒氧基或聚㈣氧基㈣，其中該燒基烧氧基料之燒^ 〜聚醚烷氧基矽烷之聚鹬鏈包括介於8與3〇個間之碳原 子’且該烧氧基包括1至3個碳原子。此等化合物之實例為 辛基-二-甲氧基矽烷、十六烷基_三·甲氧基矽烷及具有 個乙二醚基團之聚乙二醚_三甲氧基矽烷。 该潤滑劑可以構成根據本發明該金屬粉末組合物之介於 〇.04與〇.4重量％之間。該潤滑劑之含量較佳介於0.1與0.3 重置％之間’且最佳介於0.1與0.25重量％之間。使用报低 含量之根據本發明之潤滑劑之可能性尤其有利，因為其可 以得到具有高密度之粉壓坯及燒結產物，特別為當這些潤 滑劑不需合併固體潤滑劑時更佳。 在化學性質上，根據本發明使用之該液體潤滑劑或多或 少與使用或建議作為鐵或以鐵為主之組合物内之結合劑相 同。然而，在這些情況下，該等組合物包括固體潤滑劑。 根據本發明，為了得到具有令人滿意的機械燒結性質之 燒結金屬零件，需要添加石墨至該欲壓實之粉末混合物 101193.doc 1294317 因此，在壓實步驟之前，該石墨之添加量可介於該欲 i貫之總混合物重量之01至1%之間，較佳介於〇.2至1〇% ' 之間’更佳介於〇·2至0·7%之間，且最佳介於0·2至0.5%之 間然而，就某些應用而言，石墨之添加並不需要。 壓實法 於兩壓（亦即’壓力高於約_ MPa)下，使用習用之粉 (/、包括較細顆粒）與少量潤滑劑（少於〇·6重量％)混合所 ^ ^头壓實法，通常被認為不適合，因為為了自該模 具射出該等粉壓链需要高力，其會連帶使該模具產生高磨 象及”亥等元件之表面有低光澤或變質之傾向。藉由使 用^據本發明之粉末及液體潤滑劑，業經意外地發現於高 壓（高於約800 MPa)下，可減少該射出力，且未使用當模 具鑄壁潤滑作用時，亦可得到具有可接受或甚至完美表面 兀件可使用標準設備進行該壓實法，其意指可不需要 昂=的資金即可進行該新方法。可以於環境溫度或高溫下 籲以早T步驟單軸向進行該壓實法1 了得到本發明之優 點，較佳應該進行該壓實法至可得到高於7 45克/厘米3之 密度。 可藉由以下非限制實例進一步說明本發明。 使用根據下表1之物質作為液體潤滑劑； 表1 潤滑劑 A ~ 種類 ' ---一^〜 1乙一醇，分子置400 品名 _ PEG 400 JD 軸潤" ~-一一 C IV cV> Ab ^^T"' I ；---------------- 以口成J日為主之 Nimbus 410 D as ' --——---- 變迷态〉由 --~ ~~' ' ---—______ Hydro Joiner 101193.doc 1294317 E 部份合成電動機油 Fricco 10W/40 F 以酯為主之切削油 Cutway Bio 250 G 菜籽油 聚石夕氧烧，於20°C下黏度為l〇〇mPas Silcone oil 100 下表2表示於所使用該等液體潤滑劑之不同溫度下之黏 度； 表2 T(°C) 黏度 7?(mPa-s) ΐττ:——-— A B C D E F G H 30 73.0 10.7 45.6 72.5 46.9 88.0 40 47.0 7.7 78.3 31.4 85.4 50.2 32.7 73.2 50 32.0 5.9 53.0 21.6 56.5 35.8 24.1 62.5 60 23.0 4.9 39.0 15.9 39.1 26.7 18.0 52.4 J70_ Qf\ 17.5 4.0 30.4 12.1 28.4 20.6 14.2 44.8 〇0 1---— 13.5 3.4 23.1 9.5 21.4 16.3 11.5 39.0 下表3揭示該黏度之溫度相依性

表3 式：10 log 7^ =k/T+C(以k表示之T)

根據本發明之非乾制滑油或其它液體物f應該具有根據 上式所計算之黏度，其中必需符合以下要求：k> 800，且 其中於40°C下，該黏度>15mPa.s。 實例1 各：備…、為3公斤之不同混合物。纟用具有化學組成相 田；Astaloy 85 M〇及如表4之顆粒大小分佈之 以鐵為主之粉末； 不忭馮忒 101193.doc 12 1294317

表4 顆粒大小微米 重量％ >500 ^ --- 0 425 至 500 ~---- 1.9 300至425 ~~-- 20.6 212 至 300 -* 27.2 150 至 212 —~ ~—-- 20.2 106 至 150 —-- 13.8 75 至 106 6.2 45 至 75 -- 5.9 <45 ^ -- 4.2 在個別混合器内徹底混合180克該以鐵為主之粉末及7.5 克液體潤滑劑，得到所謂母體混合物。 添加9克石墨至L6diger混合器内之其餘以鐵為主之粉末 中，並徹底混合2分鐘。添加該母體混合物，並再混合該 最終混合物，費時3分鐘。 根據下表5，測定所得到混合物之卡尼流量（Carney flow)及視密度； 表5 卡尼流量 (s/100 g)

將所得到混合物轉移至模具，並於11〇〇略壓實壓力 下’以單軸向緊壓運轉將其壓實成直徑為25毫米之柱料 驗試樣。於該壓實試樣射出期間，敎該靜態射出力及動 &射出力’並计异自該模具射出該等試樣所需之總射出 :。下表6表示各該不同試樣之射出力、射出"胚體 密度、表面外觀及總性能。 101193.doc -13 - 1294317 表6 A B C D E F G Η 射出能 J/cm2 83 82 77 84 74 72 78 196 靜態射出 力kN 23 32 24 27 23 23 21 51 動態射出 力kN 27 32 25 29 24 24 27 77 表面外觀 完美 有刮痕 完美 無光澤、有 輕微刮痕 完美 完美 有刮痕 嚴重 滯塞 粉胚體密 度 G/cm3 7.63 7.61 7.60 7.59 7.60 7.60 7.60 7.61 總性能 佳 不能 接受 佳 可接受 佳 佳 佳 不能 接受 表2 製備含潤滑劑A、C、F及G之根據實例1之3種不同混合 物，並於不同壓實溫度下壓實根據實例1之試樣。下表7表 示自該模具射出該等試樣所需之射出力及射出能、該等射 出試樣之表面外觀及該等試樣之粉胚體密度。 表7

射出能 靜態射 動態射 表面 粉胚體密度 J/cm2 出力kN 出力kN 外觀 g/cm3 CRT 77 24 25 完美 7.60 40°C 72 23 23 完美 7.61 60°C 74 26 22 完美 7.62 70°C 74 37 21 完美 7.61 A 83 23 27 完美 7.63 40°C 77 25 23 完美 7.63 60°C 73 22 21 完美 7.63 70°C 78 26 23 完美 7.61 G 78 21 27 有刮痕 7.60 40°C 104 47 31 滯塞 7.61 FRT 72 23 24 完美 7.60 70°C 75 29 21 完美 7.61 實例3 本實例說明增加潤滑劑A及潤滑劑C之含量對於自該模 具射出該壓實試樣所需之射出力及射出能與該等射出試樣 101193.doc -14- 1294317 之表面外觀之影響。除了使用添加量為0.20%及015%之潤 滑劑不同外，製備根據實例1之混合物。於室溫（RT)下壓 實根據實例1之試樣。下表8表示自該模具射出該等試樣所 需之射出力及射出能與該等射出試樣之表面外觀。 表8 1100 MPa，RT 射出能 J/cm2 靜態射出 力kN 動態射出 力kN 表面外觀 粉胚體密 度 g/cm3 C 0.25% 77 24 25 完美 7.60 0.20% 84 27 29 完美 7.62 0.15% 106 27 37 輕微刮痕 7.63 A 0.25% 83 23 27 完美 7.63 0.20% 77 33 26 滯塞傾向 7.63 0.15% 87 30 30 滯塞 7.65 實例4

本實例說明當使用根據本發明之液體潤滑劑時，顆粒大 小分佈對於自該模具射出該等試樣所需之射出力及射出能 之影響，及該顆粒大小分佈對於該等射出試樣之表面外觀 之影響。 除了使用’’細緻粉末"Astaloy 85 Mo不同外，重複實例1 之步驟。Astaloy 85 Mo之大小低於45微米之顆粒的含量為 20%，而大於150微米之顆粒含量典型上為15%。 下表9表示自該模具射出該等試樣所需之射出力及射出 能與該等射出試樣之表面外觀。 表9 潤滑劑C 潤滑劑A 粗粉末 細粉末 粗粉末 細粉末 射出能J/cm2 77 134 83 154 靜態射出力kN 24 34 23 33 動態射出力kN 25 55 27 66 表面外觀 完美 滯塞 完美 滯塞 粉述體密度 g/cm 總性能 7.60 7.56 7.63 7.56 佳 不能接受 佳 不能接受 101193.doc -15 - 1294317 自上表可知含粗粉末及上文定義之液體潤滑劑種類之組 合物，可壓實成高粉坯體密度及具有完美表面光潔度之粉 質壓成體。 實例5 製備3種5公斤之以鐵為主之粉末混合物。以含約1.5% Cr及約0.2% Mo之預合金型粉末（其粗顆粒大小分佈為約 3%小於45微米，且約30%大於212微米）作為該以鐵為主之 粉末。 製備兩試驗混合物，除了該以鐵為主之粉末以外，試驗 混合物1含有0.25%石墨、0.15%十六烷基-三-甲氧基矽烷 及0.1 5%潤滑劑C。 除了使用0.25 5%十六烷基-三-甲氧基矽烷及0.045%潤滑 劑C不同外，試驗混合物2含有相同物質。 在參考物中係使用0.30°/。十六烷基-三-甲氧基矽烷作為 潤滑物質。 於三種不同壓實壓力下，將所得到粉末冶金混合物壓實 成高度為25毫米及直徑為25毫米之圓柱體。於該等組份射 出期間，測定該等射出力，並測定自該模具射出該等組份 所需之總射出能。下表1 〇表示該等壓實壓力及結果。 表10 壓實壓力(MPa) 射出能(J/cm2) 表面外觀 試驗混合物1 700 73 完美 試驗混合物1 950 77 完美 試驗混合物1 1100 67 完美 試驗混合物2 700 未測定 滯塞 試驗混合物2 950 未測定 滯塞 試驗混合物2 1100 85 滯塞傾向 101193.doc -16- 1294317 參考物 700 未測定 滯塞 參考物 950 未測定 滯塞 參考物 1100 104 滯塞 自表ίο内之結果可知，與該等參考實例所得到之結果比 較，根據本發明該等潤滑劑之添加可減少射出能，並可以 使射出步驟不會產生任何滯塞現象。 實例6 除了於60°C高溫下進行壓實步驟不同外，重複實例5。 下表11表示該結果。

表11 壓實壓力(MPa) 射出能(J/cm2) 表面外觀 試驗混合物1 700 75 完美 試驗混合物1 950 63 完美 試驗混合物1 1100 57 完美 試驗混合物2 700 74 完美 試驗混合物2 950 64 完美 試驗混合物2 1100 59 完美 參考物 700 未測定 滯塞 參考物 950 未測定 滯塞 參考物 1100 80 滯塞傾向

表11兼表示該試驗試樣及參考試樣於射出期間之高溫正 面影響。 101193.doc 17

Claims (1)

1. Ί2943Α7ΐ274”υ專’利申請案 中文申請專利範圍替換本(96年10月） 十、申請專利範園： 1. 一種製備壓實產物之方法，其包括以下步驟： (a)混合粗鐵或以鐵為主之粉末及潤滑劑，該潤滑劑之 晶體溶點在25 °C以下’於40°C下其黏度（π)高於15毫 帕（mPas);根據下式，其中該黏度與溢度有關： 10 log 77 =k/T+C 其中k為斜率， T為以飢氏度（degrees Kelvin)表示之溫度，而 C為常數， 該潤滑劑之含量為介於該混合物重量之〇 〇4與〇.4% 之間；及 (b)於高於約800百萬帕（MPa)i壓力下，壓實該所得到 之混合物。 2.如請求項i之方法，其中該斜率k高於8〇〇。 3·如叫求項1或2之方法，其中小於約1〇重量％之該粉末顆 粒之大小在45微米以下。 4.如#求項丨或2之方法，其中小於5%之該粉末顆粒之大小 在4 5微米下。 5·如清求項1之方法，其中該粉末混合物亦包括選自由炫 基烷氧基矽烷或聚醚烷氧基矽烷所組成之群組之有機矽 烧，其t該烧基燒氧基石夕烧之烧基及該聚醚烧氧基石夕炫 之聚醚鏈包括介於8與30個間之碳原子，且該烷氧基包 括1至3個碳原子。 6.如。月求項5之方法，丨中該有機石夕燒係選自纟辛基一三-甲 101193-961005.doc 1294317 修(更)正替換頁 氧基矽烷、十六烷基-三-曱氧基矽烷及具有10個乙二醚 基團之聚乙二醚三曱氧基矽烷所組成之群組。 Ί·如請求項2之方法，其中該粉末混合物亦包括選自由烧 基烧氧基矽烷或聚醚烷氧基矽烷所組成之群組之有機石夕 烧’其中該烷基烷氧基矽烷之烷基及該聚醚烷氧基^ 夕烧 之聚_鏈包括介於8與30個間之碳原子，且該烧氧基包 括1至3個碳原子。 8·如凊求項7之方法，其中該有機矽烷係選自由辛基_三_甲 虱基矽烷、十六烷基-三-曱氧基矽烷及具有10個乙二醚 基團之聚乙二醚三甲氧基矽烷所組成之群組。 9·如明求項}之方法，其中該潤滑劑之含量為〇· 1至〇 3重 % 〇 · 10. 11. 量〇/〇 ^請求項9之方法，其中該潤滑劑之含量為〇ι至〇25重 ^請未項2之方法，其中該潤滑劑之含量為（U至0.3重量 %。 1 2 ·如請求jg Ί】 旦 、方法，其中該潤滑劑之含量為〇·丨至 置％ 〇 1 3 .如請求項1 A 、2、9、10、11或中任一項之方+，兮、B 合物不含於 貝之方法该化 3於每境溫度下呈固體之潤滑劍。 14 ·如請求項1 只丄、2、5、6、7、8、（）、1^ ,, 之方法， 〇、11或12中任一項 '〆、中該壓實步驟係於高溫下進杆。 15. —種粉文士口人 、、’ δ物，其含有粗鐵或以鐵氧士 | + 潤滑劑之$丨 取飞乂鐵為主之粉末及作為 >、-非乾燥油或以植物或動物為主之脂肪酸 101193-961005.doc 1294317 、換頁 與視需要選用之添加劑，哕捫、、典今丨一一—^~一 J °亥，閏滑劑之晶體熔點在25°C以 下，於,40°C下其黏度（乃）古价 於15¾帕；根據下式，其中 该黏度與溫度有關： 10 log 7? =k/T+C 其中k為斜率 T為以飢氏溫度表示之溫度，而 C為常數， 該潤滑劑之含量介於續έ日人I ;丨組合物之0·04與0.4重量％之間。 16.如請求項15之粉末組合物， J 具中该斜率k高於800。 17 ·如請求項15或16之粉末组人私 不、、且口物，其中該潤滑劑係選自由 礦物油，以植物或動物盔士七〜 X勑物為主之脂肪酸所組成之群組，其 w要合併以下添加劑’例如，，，流變改質劑”、”極端 i力添加剡、抗冷焊添加劑”、"氧化抑制劑"及"防銹 劑”。 18·如明求項15或16之粉末組合物，其並不含於環境溫度下 呈固體之潤滑劑。 19.如#求項15或16之粉末組合物，其尚包含一或多個選自 由加工佐劑、合金用元素及硬相所組成之群組之添加 劑0 101193-961005.doc