TWI472389B - 粒狀材料之冶金組合物、自潤燒結產品及獲得自潤燒結產品之方法 - Google Patents

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Description

粒狀材料之冶金組合物、自潤燒結產品及獲得自潤燒結產品之方法
本發明係關於用於製造成品(部件)與半成品(若干物件)之特定技術，其由粒狀材料(呈金屬與非金屬粉末形式)之冶金組合物保形而得及其經設計以待燒結，除構成待於燒結步驟中形成產品之金屬結構基體之元素外，該等產品尚包括呈粒狀形式且分散於金屬基體中之固態潤滑劑，其導致形成呈現連續金屬基體之自潤複合產品之微結構及其可賦予該燒結產品與該燒結部件或產品之高機械強度及高硬度有關之低摩擦係數。本發明係關於用於形成該自潤複合產品(部件)之該冶金組合物，該複合產品係藉由自該組合物燒結而得，本發明亦係關於藉由粉末冶金學獲得該等部件或產品之特定選擇技術或方法。
在機械工程中，越來越頻繁地尋找以獲得用於需要諸如與低摩擦係數相關之高機械強度及高磨損強度之性質之應用的材料。
現今，磨損與腐蝕問題共同占世界GDP之2%至5%的損失；地球上產生的總機械能有約35%係由於潤滑不足而損失，及其藉由摩擦轉化為熱量。除能量損失以外，產生的熱量會由於加熱而損害機械系統之性能。因此，在摩擦下之機械部件中維持低摩擦係數極其重要，不僅係為了能量經濟，並且亦為了增進該等部件及其等於其中操作之機械系統之耐久性，除此之外還有助於保護環境。
經用以減少在相對運動中的表面之間的磨損與摩擦之方式係在其間插入潤滑層以維持此等表面分離。在可行之潤滑方法中，最常使用流體動力學(液態潤滑劑)。在流體動力潤滑中形成油膜，其完全分離在相對運動中之表面。然而，應指出當在極高或極低溫度下之應用中、在液態潤滑劑可起化學反應之應用中及當液態潤滑劑可成為污染物時，使用液態潤滑劑通常會有問題。此外，在由循環停止而引起限制潤滑之情況下，或在不可能形成連續油膜之情況下，在部件之間會發生接觸，因此會導致該等部件之磨損。
乾式潤滑(即使用固態潤滑劑者)係傳統潤滑之另一選擇，此乃因其係藉由存在一可防止組件表面間的接觸但未表現出形成層之破壞的潤滑層而作用。
固態潤滑劑已可極佳地於難以解決的潤滑區域中使用。其等可在極端溫度下、在高負荷條件下及在化學反應性環境下使用，在該等情況下不可使用習知潤滑劑。此外，乾式潤滑(固態潤滑劑)係一環境較清潔之選擇方案。
固態潤滑劑可施用於摩擦對之組件上，其係呈沉積或產生於該等組件表面上的薄膜(或層)之形式，或係以第二相顆粒之形式併入該等組件材料之體積中。當施用特定薄膜或層及在其等受到磨損之情況下，就會發生金屬-金屬接觸及因此在未受保護的裸露表面與相對可移動組件上產生快速磨損。在此類施用薄膜或層之解決方案中，應進一步考慮替換潤滑劑之難度，及後者之氧化與降解。
因此，允許增加材料(即組件)壽命之更加妥善的解決方案係將固態潤滑劑併入構成該組件之材料之體積中，以使得以低摩擦係數之複合材料形成該組件之結構。此可通過由粉末加工材料之技術而實行，即藉由包含壓製、輥壓、擠壓及其他壓實，或亦藉由射出成形將粉末混合物保形，然後燒結以獲得連續、通常已呈最終幾何結構與尺寸(成品)或呈接近於成品者(半成品)之幾何結構與尺寸之複合材料。
由複合材料藉由粉末冶金學製得及包括形成部件結構基體之粒狀前驅物與待併入於部件結構基體中之粒狀固態潤滑劑之呈現出低摩擦係數的自潤機械組件(粉末冶金學產品)，諸如燒結自潤軸襯，已被用於各種家用電器與小型設備中，諸如：印表機、電動刮鬍刀、鑚機、攪拌器及其類似物。大多數該結構基體之已熟知之先前技術解決方案使用青銅、銅、銀與純鐵。用作固態潤滑劑者為：二硫化鉬(MoS2 )、銀(Ag)、聚四氟乙烯(PTFE)與二硒化鉬(MoSe2 )。此類主要具有青銅與銅基體，包含石墨粉末、硒與二硫化鉬及低熔點金屬作為固態潤滑劑顆粒之自潤軸襯已在許多工程應用中製造及使用數十年。
然而，此等部件並未呈現出成其固態潤滑劑顆粒高體積含量(自25%至40%)之函數的高機械強度，其導致基體相之低程度連續性，基體相之連續性係造成該部件機械強度原因之微結構要素。據認為需要此高含量固態潤滑劑來在金屬基體之機械性能(強度與硬度)及微結構參數兩者不在最佳之狀況下獲得低摩擦係數，該微結構參數諸如分散於基體中之固態潤滑劑顆粒之尺寸與在所形成複合材料中此等顆粒間之平均自由程。具有固有低剪切強度之固態潤滑劑之高體積百分比並不利於金屬基體之機械強度。
此外，金屬基體之低硬度會逐漸阻礙在燒結材料或產品之接觸面上產生固態潤滑劑顆粒。因此，為維持足夠低的摩擦係數，傳統上在乾自潤複合材料之組合物中使用高體積百分比之固態潤滑劑。
相較於先前所述，於US6890368A中揭示一局部差異及更先進的方案，其提出在300℃與600℃之間範圍之溫度下使用、具有充足的牽引阻力(MPa)及低於0.3之摩擦係數的自潤複合材料。此文獻提出一種用於由形成金屬結構基體之粒狀材料之混合物燒結，且於其體積中主要包含六方氮化硼、石墨或其混合物作為固態潤滑劑顆粒之獲得低摩擦係數之部件或產品之解決方案，且其陳述該材料適於在介於300℃與600℃之間範圍之溫度下使用、具有充足的牽引阻力(MPa)及小於0.3之摩擦係數。
然而，由同時存在結構基體粉末與固態潤滑劑粉末(諸如六方氮化硼及石墨)之粉末混合物聚結而得的部件或產品在燒結後具有低機械強度與結構脆性。
上述引述之缺失係由在待製得部件或產品之混合與保形(壓緊)步驟期間，自附圖之圖1A中所述情況至圖1B中所述情況，在結構基體10之粉末顆粒之間之固態潤滑劑20相藉由剪切力的分散不充分所引起。如在附圖之圖1B中概要說明，該固態潤滑劑20藉由剪切散佈在該結構基體10相之顆粒之間，及傾向於在混合與諸如藉由壓實、藉由粉末壓製、粉末輥壓、粉末擠壓及藉由粉末射出成形之保形步驟期間包圍該等顆粒，該等步驟使該固態潤滑劑受到超過其之低剪切應力之應力作用。
另一方面，在固態潤滑劑可溶於基體中之情況中，在結構基體之顆粒(粉末)之間存在固態潤滑劑層並不會損害在複合物之金屬結構基體之顆粒間之燒結頸之形成。然而，在此情況，由於固態潤滑劑相因溶於基體中而消失，故固態潤滑劑因在部件之燒結期間溶解而失去其之潤滑功能。在不溶於結構基體之固態潤滑劑(諸如六方氮化硼)的情況下，由剪切形成之層21(見圖1B)會削弱在燒結期間於形成複合物之結構基體10之此等顆粒之間之金屬接點之形成；此會導致減低複合材料之該結構基體10相之連續性程度，使材料及所得產品結構脆化。
由於上述限制，需要既可阻止潤滑劑在可溶於結構基體時之增溶，又可在燒結期間在粒狀材料混合物之機械均質化及保形(壓緊)步驟中再組合呈層21之形式分散於離散顆粒中之不溶固態潤滑劑之技術解決方案。
在令複合材料之結構基體顆粒與不溶固態潤滑劑顆粒混合時，發生與上述相似之狀況，固態潤滑劑20具有甚小於形成複合物之結構基體10之材料顆粒之粒度(見附圖之圖2B)。在此情況下，即使在燒結前之加工步驟期間無剪切應力，該固態潤滑劑20之甚為微細之顆粒亦傾向於在該結構基體10之金屬粉末顆粒之間形成相對連續層21。該固態潤滑劑20之細粒狀材料之幾近連續層21會削弱在該金屬結構基體10之顆粒間的燒結，使成品部件結構脆化。在不溶相的情況中，更適宜的分佈係該複合物基體之粒狀材料之顆粒與待分散於基體中之固態潤滑劑之顆粒呈現相同數量級之粒度(見圖2A)。
由於該金屬結構基體10係賦予待形成的複合材料機械強度之組合物之唯一的微結構要素，故該複合物之金屬基體連續性程度越高，則由該材料製得之燒結物品或部件之機械強度就越高。為保持乾自潤燒結複合材料之金屬結構基體之高程度連續性，除了低孔隙度外，還需要低體積百分比的固態潤滑劑相，此乃由於該固態潤滑劑不利於材料之機械強度，及因此不利於燒結產品之機械強度。
因此，需要既可阻止潤滑劑在可溶於基體時之增溶，又可在混合物之機械均質化與保形(壓緊)步驟中再組合藉由剪切導致在材料體積中呈層21之形式分佈，而削弱複合物之燒結與其結構基體10之連續性程度之固態潤滑劑的技術解決方案。該固態潤滑劑20應呈均勻分佈之離散顆粒形式分散於複合材料之體積內，即具有在金屬結構基體10之顆粒之間規則的平均自由程「λ」(見圖3)。如在圖3中所述，此可促進較高的潤滑效率及同時複合基體之較高程度的連續性，確保在燒結期間形成之自潤複合材料之較高的機械強度。
經製備以形成自潤複合物之組合物(其存在金屬元素鐵或含鐵合金作為形成基體之材料及同時具有石墨作為固態潤滑劑)，由於藉由鐵基體之碳的增溶作用，其產生具有可能過硬且脆性之基體及具有高於所預期及所期望者之摩擦係數的自潤燒結複合材料。
在高燒結溫度(超過723℃)下，石墨之化學元素碳溶於鐵(γ鐵)或奧氏體(austenitic)鐵合金之中心面之立方結構中。因此，在燒結期間，自高於723℃之溫度起，使用含有石墨之固態潤滑劑會導致碳與鐵之不期望的反應，而產生具有經降低或無自潤性能之部件，此乃由於石墨之全部或大部分碳停止作為固態潤滑劑，而形成碳化鐵。
該文獻US6890368提出一種經提供來形成金屬基體的材料之解決方案，及其中為防止由石墨界定之固態潤滑劑與含鐵結構基體顆粒之相互作用，其提出在高燒結溫度期間用金屬預先塗佈石墨顆粒可減小經塗佈石墨與含鐵結構基體的相互作用之可能性。
雖然於US6890368中所提出之解決方案藉由塗布石墨而解決在部件燒結期間失去石墨固態潤滑劑之問題，但該塗布會防礙石墨在使用中(當在相對運動中摩擦時)於部件之工作表面上散佈形成層，減少固態潤滑劑之供應及因此使得潤滑效率較低。除此以外，當固態潤滑劑含有可在於磨機中機械混合與保形(壓緊)之步驟期間藉由剪切於基體顆粒之間產生薄膜之六方氮化硼時，僅塗布石墨並不能解決金屬基體之脆性問題。在該先前US文獻中並未論述由於六方氮化硼之固態潤滑劑之剪切所引起之燒結部件之脆性問題，儘管此文獻將壓實與預燒結視為用於成型含有低剪切應力之該固態潤滑劑之待燒結部件的其中一種可行技術。
除上述缺失外，該石墨塗布解決方案尚具有與所用之材料及此固態潤滑劑之先前金屬化處理需求相關的高成本。
此外，直到最近才被普遍用於在自潤複合材料中製造部件或產品之基體類型並未呈現出防止固態潤滑劑相之顆粒經基體相快速覆蓋所需之硬度，此乃由於因部件之工作表面受到機械力而引起之塑性微變形，削弱保持藉由固態潤滑劑散佈於部件之該工作表面上之摩擦層。
材料之金屬基體需能高度抗塑性變形，以不僅能作為具有必要負荷容量之機械支承物來操作，並且亦可防止固態潤滑劑顆粒在操作該等部件時(當在相對運動中摩擦時)因結構基體之塑性變形而被覆蓋，防止固態潤滑劑散佈於在該等部件間發生相對運動之界面中。
因此，本發明之一目的係提供一種由金屬結構基體與由非金屬固態潤滑劑形成之複合材料之冶金組合物，且其適於藉助於保形(壓緊)與燒結操作來製造呈現出與高機械強度及高硬度有關之低摩擦係數的燒結產品(成品與半成品)。
本發明之一相似目的係提供一種複合材料之冶金組合物，其藉助於保形(壓緊)與燒結操作來製造諸如以上引述之燒結產品，且其當應用於基於鐵或含鐵合金之基體時，即使該基體允許碳在燒結溫度下發生溶解，其亦不需要含有碳(亦即來自石墨)之粒狀固態潤滑劑之先前處理。
本發明之另一目的係提供一種諸如以上所引之組合物，且其可以低成本容易地獲得。
本發明之又一目的係提供一種由保形獲得之燒結產品，該保形係將以上定義之組合物經由壓製、輥壓、擠壓等等壓實或藉由射出成形，隨後再燒結，及該燒結產品藉由使用包括(例如)石墨、六方氮化硼或兩者之混合物之固態潤滑劑而呈現出金屬結構基體之高程度連續性、低摩擦係數及高機械強度。
本發明之另一目的係提供一種藉助於保形(壓緊)與燒結而獲得燒結產品之方法，及其避免預先製備所用組合物之顆粒，以確保所獲得產品之結構基體之連續性及所期望之摩擦係數與機械強度值的需求。
在本發明之第一態樣中，以上所引之目的係通過一種用於製造自潤燒結複合產品之複合材料之冶金組合物而達成，該自潤燒結複合產品係藉由使該組合物壓實與射出成形操作之一者而預先成形的，該組合物包括以下之混合物：一界定金屬結構基體之粒狀材料；一界定在該等組份之混合物之機械均質化或在該複合材料之組合物保形(壓緊)時受到剪切及於形成金屬結構基體之材料顆粒上形成一層之固態潤滑劑之粒狀材料；及至少一界定可在燒結期間藉由與複合材料之基體反應而形成液相之粒狀合金元素(化學元素)的粒狀材料，其允許逆轉在燒結期間以層形式存在之固態潤滑劑的不利分佈。
由粒狀混合物之組份相互擴散而形成及在存在於所形成材料中之基體材料顆粒上分散之液相在此等顆粒與經黏附之固態潤滑劑層之間滲透，去除該固態潤滑劑及引起分散於基體材料之體積內之離散顆粒中之固態潤滑劑之聚結，而使該基體相顆粒之材料在燒結期間達成連續性。
在本發明之另一態樣中，提供一種複合材料之冶金組合物，其用於由將以上所定義之組合物預先保形(壓緊)之組份來製造燒結產品，及該組合物包括以下之混合物：一界定金屬結構基體(複合基體)之粒狀材料，及一界定在該粒狀材料之燒結溫度下與金屬結構基體之粒狀材料發生反應之固態潤滑劑之粒狀材料；及至少一界定在該燒結溫度下使金屬結構基體(複合基體)材料之α相安定之合金組份之粒狀材料。
在本發明之另一態樣中，以上目的係通過一種燒結產品而達成，該燒結產品包括由先前組合物之任一者獲得之金屬結構基體及呈現固態潤滑劑之離散顆粒之分散，該金屬結構基體係連續及呈現出與在產品保形所用之該冶金組合物中含有者相同之固態潤滑劑量。
在本發明之另一態樣中，以上目的係通過一種用於由以上所定義之冶金組合物獲得燒結產品及呈現固態潤滑劑顆粒之分散之方法而達成，該方法包括以下步驟：a-將界定冶金組合物之粒狀材料以預定量混合及進行均質化，例如以機械方式及在磨機/混合器內；b-提供所得混合物之保形(壓緊)，賦與該混合物待燒結產品(部件)之形狀；及c-燒結該預壓實材料。
當在燒結前之冶金組合物之保形係藉由擠壓或藉由射出成形進行時，需在該組合物中包含有機黏合劑，以在保形階段提供該組合物流動性。
藉由本發明獲得之自潤複合材料可用於製造高機械強度之組件，亦即用於製造諸如齒輪、小齒輪、頂、叉架及傳動器、用於壓縮機之活塞及連桿等機械組件，而不僅係用於乾自潤軸襯。
同時存在之高機械與摩擦學性能係由應用一系列與基體之機械性能及與為組合物之材料所設計之微結構參數有關之特定必要條件所產生，其等如下：基體之硬度與機械強度、尺寸及介於分散在基體中的固態潤滑劑顆粒間之平均自由程；基體之連續性程度；分散於結構基體中的固態潤滑劑顆粒之體積百分比；及固態潤滑劑相與基體間之相對安定性。
如前所提，本發明之一項目的係提供一種粒狀材料之冶金組合物，其可經均勻混合及藉由壓實(壓製、輥壓、擠壓)或藉由射出成形而保形(壓緊)，以致其可呈現出待遞交至燒結操作之定義幾何結構(部件)，以獲得相對於先前技術教示所獲得之產品呈現高硬度、機械強度及減少摩擦係數之產品。本發明之冶金組合物包括在該組合物之形成中佔優勢之主要粒狀金屬材料，及至少一粒狀硬化合金元素，此等組份在待燒結之複合產品中形成結構基體10。
根據本發明，該主要粒狀金屬材料通常為鐵或鎳，其界定含鐵結構基體或鎳基結構基體。
在使用鐵作為主要粒狀金屬材料之組合物中，該具有硬化基體功能之粒狀硬化合金元素係(例如)由選自鉻、鉬、碳、矽、錳及鎳之元素中之至少一者所界定，但應瞭解可使用在該結構基體10中起相同作用之其他元素。應注意本發明要求提供可用於硬化該形成之結構基體10之合金硬化元素，但此態樣不應限於本文所呈現之例示性合金元素。
除形成該結構基體10之組份外，本發明之組合物尚包括一非金屬粒狀固態潤滑劑20，其較佳(但不排除)由六方氮化硼、石墨或亦由兩者以任何比例之混合物所界定，該粒狀固態潤滑劑20占待形成之複合材料體積之低於或等於約15%的體積百分比，該百分比甚低於先前技術之通常25%至40%，其相應地促成該結構基體10較高程度之連續性及因此促成待獲得之燒結產品之較高機械強度。
如已在先前技術討論中所提及與如在圖1A、1B、2A與2B中所述，因用於組合物與隨後之燒結複合產品之形成之非金屬粒狀固態潤滑劑之低剪切應力，在該組合物之粒狀材料之混合步驟與藉由壓實或藉由射出成形使該組合物保形之步驟中，施用於該固態潤滑劑20之應力會導致該固態潤滑劑於形成該結構基體10相之顆粒之間散佈，傾向於以薄膜或層21包圍該等結構基體，削弱在形成該金屬結構基體10之顆粒之間形成燒結頸，以防該粒狀固態潤滑劑20不溶於該結構基體10之材料中，如六方氮化硼相對於含鐵或鎳基結構基體10所發生之情況。
為避免上述缺失，如圖3所示，本發明之組合物進一步包括至少一粒狀合金元素，其可在經保形之冶金組合物之燒結溫度下在形成該結構基體10之粒狀材料與該粒狀固態潤滑劑20之間形成一液相，迫使該粒狀固態潤滑劑聚結成均勻分散於該結構基體10之材料中的離散顆粒。液相之形成及其對粒狀固態潤滑劑20之作用允許在待獲得之燒結複合產品中獲得該結構基體10高程度之連續性。
當本發明之冶金組合物係藉由壓實保形且使用含鐵結構基體時，該鐵的主要粒狀金屬材料呈現出較佳介於約10μm至約90μm間之平均粒度。依次而來，該具有硬化該結構基體10之功能的硬化元素及具有在藉由壓實(壓緊)而保形之冶金組合物燒結期間形成液相及使該粒狀固態潤滑劑20聚結之功能的該粒狀合金元素呈現小於約45μm之平均粒度。應瞭解該鐵的主要粒狀金屬材料之平均粒度較佳應大於該硬化元素與合金元素之平均粒度。
當該粒狀固態潤滑劑20係在該含鐵結構基體10中之不溶類型時(例如六方氮化硼)，由於該粒狀固態潤滑劑20不會在約1125℃至約1250℃之燒結溫度下與形成該結構基體10之材料反應，因此如上所述及藉由壓實或藉由射出成形而保形之具有鐵基結構基體10之冶金組合物可以硬化元素及合金元素完成。該粒狀固態潤滑劑20與該結構基體10之反應導致該粒狀固態潤滑劑部分或全部地消失於該結構基體10之材料中，而削弱或甚至消去待獲得之燒結產品之自潤特徵。
然而，在該結構基體10(例如)為鐵基，及該粒狀固態潤滑劑20在藉由壓實或藉由射出成形而保形之冶金組合物之燒結溫度下至少部分可溶於該結構基體10中之情況下，例如在石墨或由石墨與六方氮化硼所組成之混合物之情況下，本發明之冶金組合物應進一步包括至少一合金組份，其在冶金組合物之燒結期間可使鐵α相安定，及因此防止發生溶解與該粒狀固態潤滑劑20之併入於該結構基體10之鐵中。
根據本發明，使鐵α相安定之該合金組份係由選自磷、矽、鈷、鉻與鉬之元素中之至少一者所界定。雖然據認為此等元素最適於分開地或共同地在燒結溫度(約1125℃至約1250℃)下起安定鐵α相之作用，但應瞭解本發明在於安定鐵α相之概念，而不在於所用之合金組份必須係本文例示者的事實。
較佳地，對於具有鐵基結構基體10與至少部分可溶於該結構基體10內之粒狀固態潤滑劑20(且其係例如由石墨或由石墨與六方氮化硼組成之混合物所構成)之組合物，該具有硬化該結構基體10之功能的粒狀硬化合金元素、該具有形成液相與使該粒狀固態潤滑劑20聚結之功能的粒狀合金元素、及該具有使鐵α相安定之功能的合金組份係例如由選自含量為冶金組合物之約2重量%至約5重量%的矽與含量為冶金組合物之約2重量%至約8重量%的矽、錳與碳之混合物之元素所界定。
當本發明之冶金組合物係藉由射出成形而保形且使用含鐵結構基體時，該鐵的主要粒狀金屬材料較佳呈現介於約1μm至約45μm間之粒度。以相同的方式，該具有硬化該結構基體10之功能之硬化元素、該具有在藉由射出成形而保形之冶金組合物之燒結期間形成液相及使該粒狀固態潤滑劑20聚結之功能的粒狀合金元素及該粒狀固態潤滑劑亦呈現約1μm至約45μm之粒度。
如已提及，冶金組合物之該結構基體10可係鎳基，及在此情況下，該等粒狀固態潤滑劑20之任一者(本文例示為石墨、六方氮化硼或其以任何比例之混合物)將具有在冶金組合物之燒結溫度下(約1125℃至約1250℃)不溶於鎳結構基體10之特徵，其免除使用使鐵α相安定之粒狀合金組份。
在具有鎳結構基體10之冶金組合物中，所需要之具有在冶金組合物之燒結期間形成液相及使粒狀固態潤滑劑20聚結之功能的粒狀合金元素係例如由選自鉻、磷、矽、鐵、碳、鎂、鈷與錳之元素中之至少一者所界定。
當本發明之冶金組合物使用鎳基結構基體10時，在藉由壓實保形時鎳的主要粒狀金屬材料呈現較佳介於約10μm與約90μm間之平均粒度，具有硬化該結構基體10之功能之該硬化元素、及具有在藉由壓實(壓緊)而保形之冶金組合物之燒結期間形成液相及使該粒狀固態潤滑劑20聚結之功能之該粒狀合金元素呈現等於或小於約45μm之平均粒度。當藉由射出成形使組合物保形時，鎳的主要粒狀金屬材料與具有硬化該結構基體10之功能之硬化元素、以及具有形成液相之功能之粒狀合金元素較佳呈現介於約1μm與約45μm間之粒度。
考慮包括鎳基結構基體10、具有硬化鎳基體之功能之硬化元素、及具有形成液相與使粒狀固態潤滑劑20聚結成離散顆粒之功能之粒狀合金元素之冶金組合物係由選自含量約2重量%至約5重量%之矽、磷與鉻或含量為冶金組合物之約2重量%至約8重量%之由矽、磷與鉻所組成之混合物之元素所界定。
當在燒結前之冶金組合物之保形係藉由擠壓或藉由射出成形進行時，該組合物應進一步包括至少一有機黏合劑，其較佳係由石蠟及其他蠟類、EVA及低熔點聚合物組成之群中選出，在藉由擠壓成形時，其比例通常為冶金組合物總體積之約15%至約45%，及在藉由射出成形而保形時，通常為約40%至45%。在保形步驟後，從該組合物中提取出該有機黏合劑，例如藉由在將經保形之產品引至燒結步驟之前進行蒸發而達成。
上述之冶金組合物係藉由在任何適當的混合器內，將經選出用於形成該組合物及用於隨後獲得自潤燒結產品之預定量的粒狀材料混合而獲得。
將不同粒狀材料之混合物均質化及將其遞交至藉由壓實，亦即藉由壓製、輥壓或擠壓或亦藉由射出成形之壓緊操作，以致其可經保形成待藉由燒結獲得之產品之期望形狀。
在藉由射出成形而保形之情況中，將含有有機黏合劑之組份混合物在不低於熔化該有機黏合劑之溫度下均質化，將經如此均質化之混合物造粒以便於其處理、儲存及供應至射出成形機。
在該組合物保形後，將經保形的部件遞交至通常藉由熱製程提取有機黏合劑之步驟。
隨後可將該經均質化及保形之冶金組合物遞交至在約1125℃至約1250℃之溫度下的燒結步驟。考慮到具有鐵基或鎳基結構基體10之冶金組合物皆包括至少一具有形成液相之功能之粒狀合金元素，其在燒結期間藉由粒狀合金元素形成該液相，及促使該粒狀固態潤滑劑20聚結成分散於該結構基體10之體積內之離散顆粒。
當該冶金組合物包括至少部分可溶於鐵基結構基體中之粒狀固態潤滑劑時(如在石墨及其與六方氮化硼之混合物的情況)，該經均質化及保形之冶金組合物進一步包括至少一合金組份，其已於先前定義及其可在該冶金組合物之燒結步驟中使該結構基體10之鐵α相安定，防止由石墨所界定之固態潤滑劑部分的一部分溶解在鐵結構基體中。
藉由本文提出之冶金組合物，可由不需要對非金屬粒狀固態潤滑劑進行先前處理之粒狀材料獲得自潤燒結部件或產品，該等部件或產品呈現出：在使用鐵結構基體10之情況，硬度，摩擦係數，機械牽引阻力MPa，以及對藉由壓實而保形之產品具有介於約10μm與約60μm之間之平均粒度，及對藉由射出成形而保形之產品具有介於約2μm與約20μm之間之平均粒度之固態潤滑劑20之離散顆粒分散物；及在鎳基結構基體10之情況，硬度，摩擦係數，機械牽引阻力MPa，以及對藉由壓實而保形之產品具有介於約10μm與約60μm之間之平均粒度，及對藉由射出成形而保形之產品具有介於約2μm與約20μm之間之平均粒度之固態潤滑劑20之離散顆粒分散物。
附圖之圖5、6A、6B、6C與7具有例示藉由壓實某預定量的冶金組合物至任意期望形狀(其可為期望獲得之自潤燒結成品部件或產品之形狀，或與期望成品相近之形狀)而使本發明之冶金組合物保形之不同可能性之目的。
然而，在大量應用中，僅在會與其他相對可移動元件發生摩擦接觸之機械組件或部件之一或多個表面區區需要自潤特徵。
因此，期望的自潤產品可如圖5所示由較佳以粒狀材料保形及在一或兩個對立面31中接受本發明之冶金組合物40之表面層41之結構基板30所構成。在所述之實例中，該結構基板30與該冶金組合物40之兩對立表面層在任何適當的模具M之內部藉由兩個相對衝頭P壓實，形成經壓實及經保形之複合產品1，其後將其遞交至燒結步驟。在此實例中，僅該結構基板30之兩個對立面31呈現期望的自潤性能。
圖6A與6B例示分別呈棒2與管3之形式之產品，其係由在適當的擠壓基體(未闡述)中擠壓該冶金組合物40而獲得。在此例中，藉由壓實該冶金組合物40使其保形係在後者之擠壓步驟中進行。然後可將棒2或管3遞交至燒結步驟，用於形成鐵基或鎳基結構基體10及併入分散的粒狀固態潤滑劑20之離散顆粒，如在圖3與4中概要地顯示。
圖6C闡述藉由一複合棒4形成之產品之另一實例，其包括以粒狀材料製成之一結構芯35及其由本發明之冶金組合物40形成之一表面層41於外周上包圍。同樣的，在此例中，該結構芯35及在該冶金組合物40中之該外表面層41之保形與壓實(壓緊)係由該複合棒4之兩部分共擠壓而獲得，隨後將其遞交至燒結步驟。
當藉由擠壓將該冶金組合物20進行壓實時，例如如於圖6A、6B與6C之棒2、3與4之形成中的情況，該組合物可進一步包括有機黏合劑，其可在該組合物之保形後及在燒結步驟之前藉由任何已知之移除技術從該組合物中經熱去除。
該有機黏合劑可為(例如)由石蠟及其他蠟類、EVA及低熔點聚合物組成之群中選出之任一者。
圖7亦概要顯示獲得燒結複合產品之另一方法，該燒結複合產品呈現一或多個具有自潤特徵之表面區域。在此實例中，待獲得之該產品5呈現以粒狀材料形成之經預先保形為條狀物形式之結構基板30，其指出在該結構基板30之至少一對立面上以連續條狀物之形式輥壓本發明之冶金組合物40之表面層41。然後將該複合產品5遞交至燒結步驟。
雖然本發明已藉由一些可能的冶金組合物及與不同結構基板相關聯之實例呈現於文中，但應瞭解該等組合物與關聯可受到熟習此項技術者當淺顯易懂之變化，而不脫離控制呈離散顆粒之固態潤滑劑在結構基體內之分佈及該固態潤滑劑在燒結步驟中溶於該基體中之最終傾向之發明概念，如於本技術說明書隨附之申請專利範圍中所定義。
1．．．複合產品
2．．．棒
3．．．管
4．．．複合棒
5．．．複合產品
10．．．結構基體
20．．．固態潤滑劑
21．．．層
30．．．結構基體
31．．．對立面
35．．．結構芯
40．．．冶金組合物
41．．．表面層
M．．．模具
P．．．衝頭
本發明已參考作為本發明實施例的實例之附圖描述於上，其中：
圖1A概要地顯示粒狀材料之先前技術組合物之一部分微結構，其包括結構基體與含有六方氮化硼及/或石墨之固態潤滑劑，係在遞交至機械均質化粒狀材料之混合物與在燒結前使該部件保形(壓緊)之操作之前；
圖1B係與圖1A相似，但闡述在經均質化與保形後之粒狀材料之相同先前技術組合物之微結構，其於該結構基體之顆粒之間形成固態潤滑劑層；
圖2A概要地顯示金屬結構基體之粒狀材料與具有與金屬結構基體之粒度相似(相同的數量級)之粒度之粒狀固態潤滑劑材料之組合物或混合物之一部分微結構，其有利於金屬結構基體之連續性程度；
圖2B概要地顯示結構基體之粒狀材料與具有甚小於金屬結構基體之粒度之固態潤滑劑之組合物的微結構部分，藉此即使係在燒結前之加工步驟期間不存在剪切應力時，甚為微細的固態潤滑劑顆粒亦傾向於在金屬結構基體之顆粒之間形成相對連續層；
圖3概要地顯示呈離散顆粒形式均勻分佈於本發明之粒狀材料組合物之一部分微結構中之固態潤滑劑，其間具有規則的平均自由程「λ」；
圖4顯示結構基體為含鐵合金之自潤燒結產品之微結構之圖片，其證實有石墨與六方氮化硼顆粒及在燒結期間提供分散於結構基體之粒狀材料中之液相；
圖5以簡圖概要地顯示在形成隨後待燒結之部件或產品中壓實之一實例，該壓實係經作成在待燒結產品之兩對立面中提供自潤層；
圖6A、6B與6C顯示藉由分別擠壓以自潤複合材料製成之棒、以自潤複合材料製成之管、及具有芯以金屬合金製成、外層塗佈有自潤材料之棒進行壓實而獲得保形之產品實例；及
圖7以簡圖概要地顯示在形成隨後待燒結之部件或產品中壓實之實例，該壓實係藉由將自潤複合材料輥壓在金屬合金板或條之對立面上而達成。
10．．．結構基體
20．．．固態潤滑劑

Claims (13)

  1. 一種用於形成經保形及燒結的自潤複合產品的粒狀材料之冶金組合物，其特徵在於其包括一優勢化學元素形式之主要粒狀金屬材料、及至少一粒狀硬化元素，其中該主要粒狀金屬材料為鐵，其等形成待燒結之複合產品的一結構基體(10)，其中該粒狀硬化元素具有硬化該結構基體(10)之功能；一非金屬之粒狀固態潤滑劑(20)，至少部分可溶於該結構鐵基體中，其中該粒狀固態潤滑劑(20)為一由石墨及六方氮化硼組成之混合物；一合金組份，其功能在使鐵α相安定；及至少一粒狀合金元素，其可在該經保形之冶金組合物之燒結期間，在形成該結構基體(10)之粒狀材料與該粒狀固態潤滑劑(20)之間形成一液相，及使該粒狀固態潤滑劑聚結成離散顆粒；其中，該粒狀固態潤滑劑(20)所佔之一體積百分比，係低於或等於待形成複合材料的體積的15%，且該粒狀硬化元素、該粒狀合金元素及該合金組份係由矽所界定，其含量為冶金組合物之重量%從2%至5%。
  2. 如請求項1之組合物，該組合物係藉由壓實而保形，及其特徵在於該鐵之主要粒狀金屬材料呈現介於約10μm與約90μm間之一平均粒度，該具有硬化結構基體(10)功能之硬化元素、及該具有在藉由壓實而保形之冶金組合物之燒結期間形成液相及聚結粒狀固態潤滑劑之功能的 粒狀合金元素，呈現小於約45μm之平均粒度。
  3. 如請求項1之組合物，該組合物係藉由射出成形而保形，及其特徵在於其進一步包括有機黏合劑，及該鐵之主要粒狀金屬材料、該硬化元素、該形成液相之粒狀合金元素、及該粒狀固態潤滑劑呈現介於約1μm與約45μm間之一平均粒度。
  4. 如請求項3之組合物，其特徵在於該有機黏合劑係選自由石蠟及其他蠟類、EVA及低熔點聚合物組成之群，其比例為冶金組合物總體積之約40%至約45%。
  5. 一種用於從請求項1或2之粒狀材料的冶金組合物獲得自潤燒結產品之方法，其特徵在於其包括以下步驟：將界定冶金組合物之粒狀材料以預定量混合；使該粒狀材料混合物均質化；將該粒狀材料混合物壓實，以提供具有待燒結產品形狀之混合物；在約1125℃至約1250℃之溫度下燒結該經壓實及保形的混合物，在燒結期間，形成具有粒狀合金元素之一液相、及因此促進固態潤滑劑聚結成分散於結構基體體積內之離散顆粒。
  6. 如請求項5之方法，其特徵在於該壓實界定冶金組合物(40)之粒狀材料混合物之步驟包括下列步驟其中之一：-將該冶金組合物輥壓成待於隨後燒結之一板或條狀物之形式；-在一結構基板(30)之對立面中之至少一面者上，輥 壓該冶金組合物，該結構基板(30)係呈與形成結構基體(10)之主要粒狀金屬材料相容之粒狀材料的一板或條狀物形式；-擠壓成由棒(2)與管(3)所界定之形狀中之其中一形狀；及-將該冶金組合物共擠壓成環繞一結構芯(35)之一表面層(41)之形式，以形成一複合棒(4)，該結構芯係呈與形成結構基體(10)之主要粒狀金屬材料相容的粒狀材料的一棒形式。
  7. 一種用於從請求項3所定義、且含有不溶於結構基體之一固態潤滑劑的粒狀材料之冶金組合物獲得自潤燒結產品之方法，其特徵在於其包括以下步驟：將界定冶金組合物之粒狀材料以預定量混合；使該粒狀材料混合物在一不低於有機黏合劑熔化的溫度下均質化；將該組合物造粒，以便於其之處理、儲存及供應至射出成形機中；將該粒狀材料混合物射出成形，以提供具有待燒結產品形狀之混合物；從經成形的部件中提取該有機黏合劑；及在約1125℃至約1250℃之溫度下燒結該經保形的混合物，在燒結期間，形成具有粒狀合金元素之一液相及因此促進固態潤滑劑聚結成分散於結構基體體積內之離散顆粒。
  8. 一種用於形成經保形及燒結的自潤複合產品的粒狀材料之冶金組合物，其特徵在於其包括一優勢化學元素形式之主要粒狀金屬材料、及至少一硬化元素，其中該主要粒狀金屬材料為鎳，其等形成待燒結之複合產品的一結構基體(10)；一非金屬之粒狀固態潤滑劑(20)，其中該粒狀固態潤滑劑(20)選自石墨、六方氮化硼或兩者以任意比例之混合物；及至少一粒狀合金元素，其可在該經保形之冶金組合物之燒結期間，在形成該結構基體(10)之粒狀材料與該粒狀固態潤滑劑(20)之間形成一液相，及使該粒狀固態潤滑劑聚結成離散顆粒；其中，該具有硬化鎳基體功能之粒狀硬化元素、及該具有形成液相及使固態潤滑劑聚結成離散顆粒之功能之粒狀合金元素，係由選自含量為冶金組合物之重量%從2%至8%之由矽、磷及鉻組成之混合物的元素所界定。
  9. 如請求項8之組合物，該組合物係藉由壓實而保形，且其特徵在於該鎳之主要粒狀金屬材料呈現介於約10μm與約90μm間之平均粒度，該具有硬化該基體之功能之硬化元素、及該具有在藉由壓實而保形之冶金組合物之燒結期間形成液相及聚結粒狀固態潤滑劑之功能的粒狀合金元素呈現等於或小於約45μm之平均粒度。
  10. 如請求項8之組合物，該組合物係藉由射出成形而保形，且其特徵在於其進一步包括一有機黏合劑，及該鎳 之主要粒狀金屬材料、該硬化元素、該形成液相之粒狀合金元素、及該粒狀固態潤滑劑呈現介於約1μm與約45μm間之一平均粒度。
  11. 如請求項10之組合物，其特徵在於該有機黏合劑係選自由石蠟及其他蠟類、EVA及低熔點聚合物組成之群，其比例為冶金組合物總體積之約40%至約45%。
  12. 一種用於從請求項8或9之粒狀材料的冶金組合物獲得自潤燒結產品之方法，其特徵在於其包括以下步驟：將界定冶金組合物之粒狀材料以預定量混合；使該粒狀材料混合物均質化；將該粒狀材料混合物壓實，以提供具有待燒結產品形狀之混合物；在約1125℃至約1250℃之溫度下燒結該經壓實及保形的混合物，在燒結期間，形成具有粒狀合金元素的一液相、並因此促進固態潤滑劑聚結成分散於結構基體體積內之離散顆粒。
  13. 如請求項12之方法，其特徵在於該壓實界定冶金組合物(40)之粒狀材料混合物之步驟包括下列步驟其中之一：-將該冶金組合物輥壓成待於隨後燒結之一板或條狀物之形式；-在一結構基板(30)之對立面中之至少一面上，輥壓該冶金組合物，該結構基板(30)係呈與形成結構基體(10)之主要粒狀金屬材料相容之粒狀材料的一板或條狀物形式； -擠壓成由棒(2)與管(3)所界定之形狀中之其中一形狀；及-將該冶金組合物共擠壓成環繞一結構芯(35)之一表面層(41)之形式，以形成一複合棒(4)，該結構芯係呈與形成結構基體(10)之主要粒狀金屬材料相容的粒狀材料的一棒形式。
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