TWI331632B - Metal powder composition and preparation thereof - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於粉末冶金工業之一種新顆金屬粉末組合 物特別地，本發明係關於_種鐵基粉末組合物，其含有 在用於形成零件之壓實製程時亦提供潤滑之黏著組合物。 【先前技術】 、在工業中藉壓實及燒結鐵基粉末組合物製造之金屬產物 :使用逐漸廣泛地增加。這些金屬產物之品質要求持續提 同’因此發展具有改良性質之料末組合物。最終、燒結 匆之最重要性吳之—為密度及尺寸公S，其皆必須為一 致的。在最終產物中大小變化之問題常來自欲壓實粉末組 合物中之不同質°這些問題以包括粉狀組分（其在大小、密 度及形狀上不同）之粉末混合物特別明顯，這是為什麼在移 儲存及處理粉末組合物時發生分離之原因。此一分離 思未、’且5物將非均勻地組成，這意指由該粉末組合物製造 <零件為不同地組成且最後有不同之性質。額外之問題為 微細 < 粒子（特別是低密度者，如石墨）在處理粉末混合物時 產生塵埃。 添加劑之小的粒子大小亦產生粉末流動性質（即粉末表 現自由流動粉末之能力）之問題。減少之流動本身顯示增加 以1¾末填模之時間，這意味低生產率及壓實元件中密度變 化之風險’後者可導致燒結後無法接受之形變。 已藉由添加不同黏著劑及潤滑劑至粉末組合物嘗試解決 上述問題。黏著劑之目的為牢固且有效地結合添加劑（如合 98419.doc 1331632 :化組分)之小大小粒子到基礎金屬粒子之表面，最後減少 分離及塵埃之問題。潤滑劑之目的為減少壓實粉末組合物 時之内及外摩擦且亦減少脫模力（即由模具排出最終壓實 產物所需之力）。 種種有機黏著劑揭示在例如美國專利4 483 905 (英格斯 東（Engstrom))中’其教導使用廣泛敘述為「黏或油之特徵」 之黏著劑。美國專利4 676 831 (英格斯東）揭示使用某種松 脂油作為黏著劑。此外美國專利4 834 8〇〇 (伸米爾（s瞻⑴ 揭示使用在水中不溶或基本上不溶之某種成膜聚合樹脂作 為黏者劑。 在專利文件中陳述之其他形式之黏著劑為分子量至少約 7000之聚晞氧化物’其揭示在美國專利5 298㈣（伸米爾） 中。作為黏著劑之二驗有機酸及—或多種額外組分（如固態 聚醚、液態聚醚及丙烯酸樹脂）之組合揭示在美國專利5 “Ο 336中。可與高溫壓實潤滑劑使用之黏著劑揭示在美國專利 5 368 630 (路克（Luk))。 此外，美國專利US 5 480 469 (斯多爾斯隆（St〇rstr0m)) 提供在粉末冶金工業中潤滑劑使用之簡短評論。專利記錄 不僅有具有以黏著劑黏附到鐵基粉末之合金化粉末之粉末 組合物，且亦有潤滑劑存在以達到在模内粉末組合物之適 當壓縮能力並減少由模内移除零件所需之力是重要的。 制地，美國專利5 48() 469教導藉使用二醯胺蟻黏著劑 黏著鐵基粉末冶金混合物中之添加劑到鐵基粉末粒子之方 法。為了達到在鐵或鐵基粒子及添加粒子間有效之黏著， 98419.doc 1331632 包括黏著劑之粉末冶金混合物混合並在混合及溶化時加熱 士 90 160 C，P退後混合物在混合時冷卻，直到黏著劑固化。 藉由此彳法基本上改良流動及視密度且可減少或除去塵 埃之問題。 在美國專利5 48〇 469中未特別討論之粉末混合物性質為 潤滑性質。此性質當需要具有高密度及/或複雜形狀之元件 時特別重要。關於這類元件之生產使用粉末冶金混合物之 潤滑性質為良好的是必要的，這意味由模具排出元件所需 之能量（即脫模能量）應較低，這是滿足排出元件之表面加工 (即表面加工沒有任何刮傷或其他缺陷）的先決條件。 我們現在發展一種新的鐵或鐵基組合物，其區別為不易 分離及低塵埃、良好之流動性及高視密度，且亦區別為良 好之潤滑性質，亦即對欲壓實並燒結成高品質產物之所有 重要性質。 【發明内容】 簡言之，根據本發明之鐵或鐵基組合物包括至少約肋重 量百分比之鐵或鐵基粉末；量最高2〇重量百分比之至少— 合金化粉末；及約0.05至約2重量百分比之聚乙婦蠟與乙撐 雙硬脂醯胺之組合。聚乙埽蠟之重量平均分子量應低於約 1000且熔點低於乙撐雙硬脂醯胺。此外，聚乙烯蟻之量废 在10至90重量％之聚乙埽蠟與乙撐雙硬脂醯胺之黏著/潤滑 結合物之總重量之間變化。在用於壓實之粉末組合物中聚 乙烯蟠以在鐵或鐵基粉末上之一層或塗佈於鐵或鐵基粒予 上存在’並黏奢合金化元素粒子及乙撐雙硬脂酿胺粒予至 984l9.doc 1331632 鐵或鐵基粒子上。組合物亦包括脂肪酸及流動劑較佳。本 發明亦關於製備欲壓實之粉末組合物之方法。 【實施方式】 當在本說明書及附帶之申請專利範圍中使用時，「鐵或 鐵基粉末」包含以霧化（以水霧化較佳）製備之粉末。另一 選擇為粉末以海綿鐵為基礎。粉末可為實質上純之鐵粉 末，以具有較高壓縮能力之粉末較佳。通常，這類粉末具 低碳含量（如低於〇.〇4重量％)。其他粉末實例為已經與改良 最終產物之強度、硬化性質、電磁性質或其他所需性質之 其他物質預合金或部分合金化之鐵粉末。粉末實例為例如 帝士 特羅伊 AE (Distaloy AE)、亞士 特羅伊 M〇 (Astal〇y M〇)及 Asc 1〇0.29 ’這些皆可購自瑞典何格納斯（Hdganas AB)。 鐵或鐵基粒子之粒子大小通常具有最高約5〇〇微米之最 大重量平均粒子大小，粒子之重量平均粒子大小在約 25-1 50微米之範圍内更佳，而以40-1 〇〇微米最佳。 合金元素之實例為銅、鉬、鉻、鎳、錳、磷、石墨形式 4岐及鎢，其以分開或結合使用。這些添加劑通常為具有 比基礎鐵粉末小之粒予大小之粉末且大部分添加劑之粉末 粒子大小小於約20微米。 聚乙缔蠟之分子量對粉末性質有衝擊且已發現可由低分 子里聚乙缔得到良好流動、高视密度及低脫模能量之結 合，其關於本發明具有低於1000 (特別是低於800)且高於 300^ (特別是W4GG)之重量平均分子量之線性聚乙婦。除 了聚乙烯蠟之外，乙撐雙硬脂醯胺及聚乙婦蠟之比例影響 984l9.doc 1331632 這些性質。乙撐雙硬脂醯胺可得自如亞克拉蠟（Acrawax②) 或里可蠟（Licowax(g))。聚乙埽蠟可得自聯合信號（Ained

Signal)及貝克比耗萊特（Baker Petrolite)。 根據本發明及如實例所描述聚乙埽蠟與乙撐雙硬脂醯胺 •^相對量為重要的。在聚乙埽蠟與乙撐雙硬脂醯胺之黏著/ 潤滑結合物中如此已發現10_9〇重量％應為聚乙烯蠟。根據 目前之最佳具體實施例聚乙埽蠟之量應以2〇_7〇重量％之黏 著/潤滑結合物存在。若使用超過9〇重量％之聚乙烯蠟，則 在大部分之情況中潤滑將不足；而若使用超過9〇重量％乙 撐雙硬脂醯胺，則黏著將不足.在組合物中黏著/潤滑結合 物之總量以〇 · 5至1重量％間較佳。 根據本發明之改良抗分離及抗塵埃冶金組合物可界定為 含至少約80重量百分比之鐵基粉末、至少一種合金化元素 及約0.05至約2重量百分比之黏附合金化粉末粒子到鐵或 鐵基粉末粒子之部分熔化且隨後固化之黏著/潤滑結合物。 低分子I聚乙埽蠟已在如美國專利6 6〇5 25丨（維達爾生 (Vidarsson)) t相關PM工業之鐵基金屬粉末提及，其中揭示 聚乙婦蠟可在鐵或鐵基粉末之暖或冷壓實中作為潤滑劑。 當用在暖壓實時包括聚乙婦蠘之混合物在壓實前加熱到低 於聚乙烯蠟熔點之溫度。美國專利6 6〇2 315 (漢德瑞克生 (HendriCkS〇n))及相關之美國專利6 28〇 6M (漢德瑞克生） 揭π在結合混合物中使用低分子量聚乙埽蠟。結合效應以 在低於蠟熔點之提高溫度下之蠟達到。關於鐵或鐵基粉末 之描述實例顯示沒有實例展現流動。此外美國專利6 98419.doc 1331632 836 (上之園（Uen〇s〇n〇))&6 464 751 (上之園）揭示結合黏著 劑之低分子量聚乙稀蠟及乙撐雙硬脂醯胺之自由潤滑劑， 該黏著劑包括至少一種選自由硬脂酸、油酸醯胺、硬脂醯 胺、一種硬脂醯胺與乙撐雙硬脂醯胺之熔化混合物及乙撐 雙硬脂醯胺组成之群之成員。黏著劑亦可包括硬脂酸鋅及 至少一種選自由油酸、錠子油及輪機油组成之群之成員。 根據本發明起始混合物最好除了鐵或鐵基粉末、合金化 粉末及聚乙婦蠟與乙撐雙硬脂醯胺之外亦包括脂肪酸，以 具有10-22個C原子之脂肪酸較佳。這類酸之實例為油酸、 硬脂酸及棕櫚酸。脂肪酸之量以粉末組合物之總重量計算 通常為 0.005-0.15，以 〇·〇ι〇_〇.〇8較佳而以 〇 〇15 〇 〇7% 最 佳。低於0.005之脂肪酸含量使其不易達到同樣之脂肪酸分 佈。若含量高於0.15，則有流動將惡化之高危險性。 此外在完全結合後美國專利5 782 954 (路克）中揭示之形 式的流動劑包括在組合物中更佳。此流動劑為氧化矽較 佳，以平均粒子大小低於約40奈米之氧化矽最佳，以約卜” 較佳且以約0 · 0 0 5至約2重量百分比之總組合物之量使用， 以0.01-1重量百分比較佳，以0.025至〇 5重量百分比最佳。 其他可以金屬或金屬氧化物形式作為流動劑之金屬包括粒 子大小小於200 nm之銘、銅、鐵、鎳、鈦、金、銀、舶、 鈀、鉍、鈷、錳、鉛、錫、釩、釔、鈮、鎢及鍺。 製備新粉末組合物之方法包括步驟 -混合並加熱鐵或鐵基粉末、合金化元素粉末、乙撐雙硬 脂醯胺及粉狀聚乙晞蠟與視需要之脂肪酸之混合物至高於 98419.doc 1331632 聚乙締蠟熔點並低於EBS熔點之溫度 -冷卻得到之混合物至低於聚乙婦蠟熔點之溫度一段足以 固化聚乙缔蠟並黏著合金元素粒子到含鐵粒子上以形成聚 集粒子之時間，及視需要 -混合量在0.005至約2重量。/。之組合物之間之粒子大小低 於200奈米（以低於40奈米較佳）之粉狀流動劑與得到之混合 物。在70至150°C間之溫度適當地加熱1至6〇分鐘之時間。 本發明以下列非限制性實例進一步描述，其中使用下列 原料及方法： 何格納斯（瑞典）之鐵粉末-AHC 100.29 克路夫穆爾（Kropfmuhl)之石墨uf4 貝克比托萊特（美國）之聚乙缔蠟4〇〇、5〇〇、655、750及1000 可取自科萊恩（Clariant)(德國）之里可蠟tm之乙撐雙硬脂醯 胺（EBS) 硬脂酸可得自費西（Faci)(義大利） 艾羅矽爾（Aerosil)可得自德固薩（Degussa ag)(德國）。 流動根據IS Ο 4 4 9 0測量。 視密度根據ISO 3923測量。 脫模能量在可操作125噸液壓等軸向實驗室壓機評價。在 壓實物脫模時記錄力及位移。脫模能量以力對脫模零件之 位移積分計算。脫模能量以每包覆表面積之能量表示。 塵埃以5克樣品在1.7公升/分鐘之空氣流動測量，由空氣 流輸送之小於1 0微米之粒子以測量儀器塵埃蹤跡煙霧監視 器（Dust Track Aerosol Monitor)型號 852〇計量。塵埃以 mg/m3 表 98419.doc 1331632 示。結合石墨與潤滑劑之零件以安明可（Amino)滾筒空氣分 析儀（Roller Air Analyzer)或滾筒粒子大小分析儀（Roller particle size Analyzer)之儀器測量。此儀器為空氣分類儀，其以直徑 及密度分離材料。使用5 0克之樣品。結合石墨之分數藉比 較空氣分類之前及之後的石墨含量計算。在此情況中結合 以°/〇結合石墨表示。 實例1 包括鐵粉末、〇.5重量％之石墨及0.8重量％之具不同重量 平均分子量之聚乙烯蠟與乙撐雙硬脂醯胺之黏著/潤滑結 合物（根據表1)、及0.05%之硬脂酸之混合物在高於聚乙烯 蠟之熔點但低於乙撐雙硬脂醯胺之熔點之溫度下完全加熱 並混合。之後讓混合物冷卻以得到結合之粉末混合物，其 中石墨粒子結合到鐵粒子上。在冷卻時添加0.06°/。之無機粉 末流動劑。測量粉末性質（如流動、視密度及塵埃）。為了測 量潤滑性質在三種不同之壓實壓力下壓實外徑55 mm、内徑 45 mm且高1 0 mm之環，並測量在壓實後由模具排出壓實物 所需之能量（即脫模能量）。 表1 混合物 結合/潤滑結合物 1 75% EBS/25% 聚合蠟 400 2 75% EBS/25% 聚合蠟 500 3 75% EBS/25% 聚合蠟 655 4 75% EBS/25% 聚合蠟750 5 75% EBS/25% 聚合蠟 1000 實例2 包括鐵粉末、0.5重量％之石墨及0.8重量％之不同比例之 98419.doc -13- 1331632 聚乙烯蠟與乙撐雙硬脂醯胺之黏著/潤滑結合物（根據表 2)、及0.05°/。之硬脂酸之混合物在高於聚乙晞蠟之熔點但低 於乙撐雙硬脂醯胺之熔點之溫度下完全加熱並混合。之後 讓混合物冷卻以得到結合之粉末混合物，其中石墨粒子結 合到鐵粒子上。在冷卻時添加0.06%之無機粉末流動劑。測 量粉末性質（如流動、視密度及塵埃）。為了測量潤滑性質在 三種不同之壓實壓力下壓實外徑55 mm、内徑45 mm且高10 mm之環，並測量在壓實後由模具排出壓實物所需之能量 (即脫模能量）。 表2 混合物 結合/潤滑結合物 6 90% EBD/10% 聚合蠟655 7 75% EBD/25% 聚合蠟 655 8 60% EBD/40% 聚合蠟 655 9 40% EBD/60% 聚合堪 655 10 100%聚合蠟655 實例3 -比較實例 製備二種包括鐵粉末、〇.5重量％之石墨及0.8重量％之乙 撐雙硬脂醯胺但沒有聚乙烯蠟之混合物。包括0.05重量％硬 脂酸之混合物編號11在高於乙撐雙硬脂醯胺熔點之溫度下 完全加熱並混合。之後讓混合物冷卻以得到結合之粉末混 合物，其中石墨粒子結合到鐵粒子上。在冷卻時添加0.06% 之無機粉末流動劑。混合物編號12不加熱下完全混合。測 量粉末性質（如流動、視密度及塵埃）。為了測量潤滑性質在 三種不同之壓實壓力下壓實外徑55 mm、内徑45 mm且高10 mm之環，並測量在壓實後由模具排出壓實物所需之能量 98419.doc • 14- (即脫模能量卜 :表4所見到’當在黏著/潤滑結合物中聚 分:量在_至750之間、聚乙締犧之含量在〗。二二 乙#牙雙硬脂醯胺之含量在9〇至1〇%之間時，達到含包括聚 乙缔蠟及乙撐雙硬脂醯胺之黏著/潤滑結合物之粉末冶金 組合物之AD、流動、結合及潤滑性質之最佳組合。 如下面表4所見到，當在黏著/潤滑結合物中聚乙烯蠟之 平均分子量在500至750之間、聚乙埽蠟之含量在2〇_8〇%之 間且乙撐雙硬脂醯胺之含量在80至20%之間時，達到含包 括聚乙締蠟及乙撐雙硬脂醯胺之黏著/潤滑結合物之粉末 冶金組合物之AD、流動、結合及潤滑性質之最佳組合。 表4 混合物 編號 AD g/cm3 流動 sek 塵埃 mg/m3 結合 % 1 3.03 27.5 26 97.8 2 3.09 26.5 23 97.0 3 3.13 24.3 46 100.0 4 3.13 24.8 67 98.6 5 3.17 24.3 36 100.0 6 3.07 24.7 112 97.3 7 3.13 24.3 46 100.0 8 3.16 24.1 29 99.2 9 3.23 22.9 22 100.0 10 2.92 25.8 31 100 11 3.28 24.4 39 99.8 12 2.98 33.5 288 54.9 98419.doc 15 1331632 表4 混合物 編號 GD 400 MPa g/cm3 GD 600 MPa g/cm3 GD 800 MPa g/cm3 1 6.75 7.10 7.23 2 6.74 7.09 7.22 3 6.70 7.06 7.20 4 6.70 7.05 7.19 5 6.69 7.04 7.19 6 6.69 7.04 7.19 7 6.70 7.06 7.20 8 6.69 7.06 7.20 9 6.67 7.04 7.18 10 6.69 7.03 7.16 11 6.63 7.00 7.17 12 6.66 7.04 7.18 表4 混合物 編號 脫模能量 400 MPa J/cm2 脫模能量 600 MPa J/cm2 脫模能量 800 MPa J/cm2 1 20.0 28.9 31.4 2 19.8 29.2 31.5 3 20.1 25.9 32.4 4 20.1 30.1 32.5 5 20.1 30.5 34.0 6 20.1 30.6 33.2 7 20.1 25.9 32.4 8 19.4 29.3 33.3 9 18.9 27.3 31.5 10 23.6 31.0 34.9 11 20.1 31.6 38.7 12 19.3 29.0 33.5 984】 9.doc 16

Claims (1)

1331632 弟〇9314〇124號專利申請案） 中文申請專利範圍替換本牟3十、申請專利範圍j#告 >*Λ； 物 種製造經壓β離^及0!^ ’其包括： 丨·』9修正 冶金組合 (a) 至少80重量百分比之鐵或鐵基粉末； (b) 至少一合金化粉末；及 (0 0.05至2重量百分比之聚乙烯蠟及乙撐雙硬脂醯胺 之黏著/潤滑結合物，該聚乙烯蠟之重量平均分子量在4〇〇 至800之間且熔點低於乙撐雙硬脂醯胺，並以在1〇至9〇重 量〇/❶之黏著/潤滑結合物間之量存在， 其中該鐵或鐵基粉末之粒子以一聚乙烯蠟層塗佈以結合 合金化元素之粒子與乙撐雙硬脂醯胺之粒子。 2·如請求項1之組合物’其中該黏著/潤滑結合物由2〇_7〇重 量％之聚乙烯蠟及80-30重量％之乙撐雙硬脂醯胺製備。 3. 如請求項1或2之組合物，其中該黏著/潤滑結合物物以 0 · 5 -1.5重量％之總組合物之量存在。 4. 如凊求項1或2之組合物，其尚包括以〇·〇〇5_〇_ΐ5重量％之 δ亥組合物之量存在之一種脂肪酸。 5. 如請求項4之組合物，其中該脂肪酸之量以該組合物之量 計為0.010-0.08重量％。 6·如請求項4之組合物，其中該脂肪酸之量以該組合物之量 計為0.015-0.07重量％。 7. 如請求項4之組合物，其中該脂肪酸為硬脂酸。 8. 如請求項1或2之組合物，其尚包括以0.01-1重量百分比之 該總組合物之量存在之一種流動劑。 98419-9903l9.doc 1331632 9·如吻求項8之組合物，其中該流動劑之量以該總組合物之 量計為0.025-0.5重量百分比。 I 〇·如凊求項1或2之組合物，其中該流動劑為二氧化矽。 II · 種衣備含結合到鐵基粉末之合金化粉末之改良抗分離 及抗塵埃冶金組合物之方法’其包括步驟

混&並加熱鐵或鐵基粉末、合金化元素粉末、乙撐雙 硬脂醯胺及粉狀聚乙烯蠟至高於聚乙烯蠟熔點並低於乙 樓雙硬脂醯胺熔點之溫度；及 -冷卻得到之混合物至低於聚乙烯蠟熔點之溫度一段足 以固化聚乙烯蠟並黏著合金化元素之粒子至含鐵粒子以 形成聚集粒子之時間。 12.如請求項“之方法，其進一步包括脂肪酸於混合及加熱 步驟中β 13. 如請求項11或12之方法，其進一步包括下列步驟： -混合量在0.0 0 5至2重量％之該組合物之間之粒子大小 低於200奈米之粉狀流動劑與得到之混合物。 14. 如請求項13之方法，其中該粉狀流動劑之粒子大小低於 40奈米。 、 15_如請求項11之方法，其中該混合物加熱1至6〇分鐘之時間 到70至150°C間之溫度。 98419-990319.doc