Композиция порошка на основе железа, включающая соединение связующего-смазки, и приготовление композиции порошка - RU2314896C1

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к новым композициям металлических порошков для порошковой металлургии. В частности, изобретение относится к композициям порошков на основе железа, которые содержат композицию связующего, которая также обеспечивает смазку в течение процесса прессования, используемого для формирования детали.

Уровень техники

Все более и более широко распространенным в промышленности становится использование металлических изделий, изготовленных прессованием и спеканием композиций порошков на основе железа. Требования к качеству этих металлических изделий постоянно растут, и, как следствие, были разработаны новые композиции порошков с улучшенными свойствами. Одно из самых важных свойств готовых спеченных изделий - плотность и допуск по размерам, которые прежде всего должны быть унифицированными. Проблемы с изменениями размера в готовом продукте часто возникают от негомогенности порошковой смеси, которая подвергается прессованию. Эти проблемы особенно проявляются у порошковых смесей, включающих порошкообразные компоненты, которые отличаются по размеру, плотности и форме, что ведет к возникновению сегрегации в течение транспортировки, хранения и обработки композиции порошка. Эта сегрегация подразумевает, что композиция будет неравномерно составлена, и, в свою очередь, ведет к тому, что детали, изготовленные из композиции порошка, составлены неравномерно и, следовательно, имеют различные свойства. Дальнейшая проблема состоит в том, что мелкодисперсные частицы, особенно с низкой плотностью, такие как графит, вызывают пылеобразование при обработке порошковой смеси.

Малый размер частиц различных добавок также вызывает проблемы со свойствами течения порошка, то есть способностью порошка к свободному течению. Ослабленный поток ведет к увеличению времени наполнения матрицы порошком, что означает более низкую производительность и увеличенный риск изменений в плотности в спрессованном изделии, а также может привести к нежелательным деформациям после спекания.

Были сделаны попытки по решению проблем, описанных выше, путем добавления различных связующих веществ и смазок к композиции порошков. Цель связующего - связать прочно и эффективно частицы различных добавок, имеющие малый размер, такие как легирующие компоненты, с поверхностью основного металла и, следовательно, уменьшить проблемы сегрегации и пылеобразования. Цель смазки - снизить внутреннее и внешнее трение в течение прессования композиции порошка и также снизить усилие выталкивания, то есть силу, требуемую для извлечения спрессованного изделия из матрицы.

Различные органические связующие вещества раскрыты в, например, патенте США 4483905 (Engstrom), в котором описано использование связующего вещества, которое охарактеризовано присущими ему "липкими или жирными свойствами". В патенте США 4676831 (Engstrom) описано использование некоторых талловых масел как связующих веществ. Более того, в патенте США 4834800 (Semel) описано использование как связующих веществ некоторых пленкообразующих полимерных смол, которые являются нерастворимыми или в основном нерастворимыми в воде.

Другие типы связующих веществ, описанные в патентной литературе, - оксиды полиалкилена, имеющие молекулярные массы, по крайней мере, приблизительно 7000, которые описаны в патенте США 5298055 (Semel). Комбинации двухосновной органической кислоты и одного или более дополнительного компонента, такого как твердые полиэфиры, жидкие полиэфиры и акриловые смолы, как связующих веществ, раскрыты в патенте США 5290336. Связующие вещества, которые могут быть использованы с высокотемпературными смазками при прессовании, раскрыты в патенте США 5368630 (Luk).

Более того, в патенте США 5480469 (Storstrom) представлен краткий обзор использования связующих веществ в порошковой металлургии. В патенте упомянуто, что важно иметь не только композицию порошка, которая содержит легирующий порошок, сцепленный с порошком на основе железа посредством связующего вещества, но также иметь смазку, которая содержится в композиции порошка для получения ее достаточной прессуемости в матрице и уменьшения силы, требуемой для извлечения детали из матрицы.

В частности, в патенте США 5480469 описан способ для связывания добавок в порошковой металлургической смеси на основе железа с порошком железа или с частицами порошка на основе железа при помощи связующего компонента диамида воска. Для достижения эффективного связывания между частицами железа или частицами на основе железа и частицами добавок порошковую металлургическую смесь, включающую связующее, смешивают и нагревают до приблизительно 90-160°С в течение смешивания и плавления связующего и впоследствии охлаждают смесь при смешивании до тех пор, пока связующее не затвердеет. При этом способе текучесть и насыпная плотность в основном улучшаются, а проблема пылеобразования может быть снижена или устранена.

Свойство порошковой смеси, которое, в частности, не упомянуто в патенте США 5480469 - это смазочное свойство. Это свойство имеет особое значение, когда требуются изделия, имеющие высокую плотность и/или сложную форму. При производстве таких изделий важно, чтобы смазочные свойства используемой порошковой металлургической смеси были хорошими, это в свою очередь означает, что энергия, необходимая для того, чтобы извлечь изделие из матрицы, то есть энергия для извлечения, должна быть низкой, что является предпосылкой для хорошей конечной поверхности извлекаемого изделия, то есть конечной поверхности без царапин или других дефектов.

Авторами разработана новая композиция железа или композиция на основе железа, которую отличает низкая сегрегация и низкое пылеобразование, хорошая текучесть и высокая насыпная плотность и которую также отличают хорошие смазочные свойства, то есть свойства, которые являются важными для прессованных и спеченных порошков для изготовления высококачественных изделий.

Сущность изобретения

Коротко, композиция железа или композиция на основе железа согласно настоящему изобретению включает, по крайней мере, приблизительно 80 весовых процентов порошка железа или порошка на основе железа; по крайней мере, один легирующий порошок в количестве до 20 весовых процентов и приблизительно от 0,05 до приблизительно 2 весовых процентов соединения полиэтиленового воска и этилен бис-стеарамида. Полиэтиленовый воск должен иметь среднюю молекулярную массу ниже приблизительно 1000 и температуру плавления ниже, чем у этилен бис-стеарамида. Более того, количество полиэтиленового воска должно варьироваться между 10 и 90% по весу от общего веса соединения связующего/смазки полиэтиленового воска и этилен бис-стеарамида. В композиции порошка, используемой для прессования, полиэтиленовый воск содержится как слой или покрытие на частицах железа или частицах на основе железа и связывает частицы легирующего элемента и частицы этилен бис-стеарамида с частицами железа или частицами на основе железа. Предпочтительно, чтобы композиция также включала жирную кислоту и добавку для улучшения текучести. Изобретение также касается способа приготовления композиции порошка, которая впоследствии будет спрессована.

Подробное описание изобретения

Как упомянуто в описании и в прилагаемой формуле изобретения, выражение "порошок железа или порошок на основе железа" касается порошков, полученных распылением, предпочтительно распылением водой. В качестве альтернативы порошок может быть на основе губчатого железа. Порошки могут быть по существу чистыми порошками железа, предпочтительно такими порошками, которые имеют высокую прессуемость. Как правило, такие порошки имеют низкое содержание углерода, такое как ниже 0,04% по массе. Другие примеры порошка - порошки железа, которые были предварительно легированы или частично легированы другими веществами, улучшающими свойства прочности и твердости, электромагнитные свойства или другие желательные свойства готовых изделий. Примеры порошков, например, Distaloy AE, Astaloy Mo и ASC 100.29, все из которых доступны для приобретения в Hoganas AB, Швеция.

Максимальная массовая доля частиц железа или частиц на основе железа обычно лежит в диапазоне среднего размера частиц до приблизительно 500 микрон; более предпочтительно в пределах приблизительно 25-150 микрон, и наиболее предпочтительно - 40-100 микрон.

Примерами легирующих элементов являются медь, молибден, хром, никель, марганец, фосфор, углерод в форме графита и вольфрам, которые используются каждый в отдельности или вместе. Эти добавки, в основном порошки, имеющие размер частиц меньший, чем у основного железного порошка, и большинство добавок имеет размер частиц меньше, чем приблизительно 20 мкм.

Молекулярная масса полиэтиленового воска влияет на свойства порошка, и было обнаружено, что сочетание хорошей текучести, высокой насыпной плотности и низкой энергии выталкивания может быть получено с низкомолекулярным полиэтиленом, который согласно настоящему изобретению обозначает линейный полиэтилен, имеющий среднюю молекулярную массу ниже 1000, в частности ниже 800 и выше 300, в частности выше 400. Кроме молекулярной массы полиэтиленового воска также соотношение между этилен бис-стеарамидом и полиэтиленовым воском влияет на эти свойства. Этилен бис-стеарамид доступен как, например, Acrawax® или Licowax®. Полиэтиленовый воск поставляется из Allied Signal и Baker Petrolite.

Согласно настоящему изобретению и как поясняется примерами, являются существенными относительные содержания полиэтиленового воска и этилен бис-стеарамида. В соединении связующего/смазки из полиэтиленового воска и этилен бис-стеарамида было обнаружено, что полиэтиленового воска должно быть 10-90% по весу. Согласно наиболее предпочтительному варианту количество полиэтиленового воска должно содержаться 20-70% по весу соединения связующего/смазки. Если используется больше чем 90% по весу полиэтиленового воска, смазка будет в большинстве случаев недостаточной, и если используется больше чем 90% по весу этилен бис-стеарамида, связывание будет недостаточным. Общее количество соединения связующего/смазки в композиции предпочтительно составляет от 0,5 до 1% по весу.

Улучшенная по устойчивости к сегрегации и устойчивости к пылеобразованию металлургическая композиция согласно изобретению может быть описана как композиция, содержащая, по меньшей мере, приблизительно 80 весовых процентов порошка на основе железа; по меньшей мере, один легирующий порошок и приблизительно от 0,05 до приблизительно 2 весовых процентов частично расплавленного и впоследствии затвердевшего соединения связующего/смазки, соединяющего частицы легирующего порошка с частицами порошка железа или частицами порошка на основе железа.

Низкомолекулярные полиэтиленовые воски упомянуты в связи с применением металлических порошков на основе железа в порошковой металлургии в, например, патенте США 6605251 (Vidarsson), в котором раскрыто, что полиэтиленовые воски могут быть использованы как смазка при горячем или холодном прессовании порошков железа или порошков на основе железа. Когда используют при горячем прессовании смесь, включающую полиэтиленовый воск, то ее нагревают до температуры ниже температуры плавления полиэтиленового воска перед прессованием. В патенте США 6602315 (Hendrickson) и связанном с ним патенте США 6280683 {Hendrickson) раскрыто использование низкомолекулярного полиэтиленового воска в связанных смесях. Связывающий эффект достигается воском при повышенной температуре, которая ниже температуры плавления воска. Поясняющие примеры, которые относятся к порошкам железа или порошкам на основе железа, показывают, что ни один из образцов не проявляет текучесть. Более того, патенты США 6533836 (Uenosono), и 6464751 (Uenosono) раскрывают нейтральную смазку из низкомолекулярного полиэтиленового воска и этилен бис-стеарамида в соединении со связующим, которое включает, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из стеариновой кислоты, олеамида, стеарамида, расплавленной смеси стеарамида и этилен бис(стеарамид) и этилен бис(стеарамид). Связующее может также включать стеарат цинка и, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из олеиновой кислоты, веретенного масла и турбинного масла.

Согласно настоящему изобретению также предпочтительно, чтобы, кроме того, начальная смесь порошка железа или порошка на основе железа, легирующего порошка и полиэтиленового воска и этилен бис-стеарамида также содержала жирную кислоту, предпочтительно, чтобы жирная кислота содержала 10-22 С атомов. Примеры таких кислот - олеиновая кислота, стеариновая кислота и пальмитиновая кислота. Количество жирной кислоты обычно составляет 0,005-0,15, предпочтительно 0,010-0,08 и наиболее предпочтительно 0,015-0,07%, рассчитанное от общего веса композиции порошка. Содержание жирной кислоты ниже 0,005 затрудняет достижение равномерного распределения жирной кислоты. Если содержание выше 0,15, то присутствует значительный риск того, что текучесть ухудшится.

Более того, предпочтительно, чтобы добавка для повышения текучести, описанная в патенте США 5782954 (Luk), содержалась в композиции после завершения ее связывания. Предпочтительно, чтобы добавкой для повышения текучести являлся оксид кремния, наиболее предпочтительно - диоксид кремния, имеющий средний размер частиц менее приблизительно 40, предпочтительно приблизительно от 1 до 35 нанометров, и добавляемый в количестве от приблизительно 0,005 до приблизительно 2, предпочтительно 0,01-1 весовых процентов, наиболее предпочтительно от 0,025 до 0,5 весовых процентов от общей композиции. Другие металлы, которые могут быть использованы как добавки для повышения текучести в металлической или в оксидной форме, включают алюминий, медь, железо, никель, титан, золото, серебро, платину, палладий, висмут, кобальт, марганец, свинец, олово, ванадий, иттрий, ниобий, вольфрам и цирконий с размером частиц менее чем 200 нанометров.

Способ для приготовления новой композиции порошка включает этапы

- смешивания и нагрева смеси порошка железа или порошка на основе железа, порошка легирующего элемента, этилен бис-стеарамида и порошкообразного полиэтиленового воска и при необходимости жирной кислоты до температуры выше температуры плавления полиэтиленового воска и ниже температуры плавления этилен бис-стеарамида (EBS),

- охлаждения полученной смеси до температуры ниже температуры плавления полиэтиленового воска в течение времени, достаточного для затвердевания полиэтиленового воска и связывания частиц легирующего элемента с железосодержащими частицами для того, чтобы образовать соединенные частицы при необходимости,

- смешивания порошкообразной добавки для улучшения текучести, имеющей размер частиц менее 200 нанометров, предпочтительно менее 40 нанометров, с полученной смесью в количестве между 0,005 до приблизительно 2% по весу композиции. Нагревание предпочтительно выполняют при температуре в интервале от 70 до 150°C в течение от 1 до 60 минут.

Изобретение далее поясняется следующими, неограничивающими примерами, в которых используются следующие компоненты смеси и способы:

Порошок железа AHC 100.29, продукция Höganäs AB (Швеция).

Графит uf4 продукция Kropfmuhl.

Полиэтиленовый воск 400, 500, 655, 750 и 1000, продукция Baker Petrolite(США).

Этилен бис-стеарамид (EBS), известный как Licowax™), продукция Clariant (Германия).

Стеариновая кислота, продукция Faci (Италия).

Аэросил, продукция Degussa AG (Германия).

Текучесть была измерена согласно ISO 4490.

Насыпная плотность была измерена согласно ISO 3923.

Энергия выталкивания была оценена в оборудованном измерительной аппаратурой 125-тонном гидравлическом одноосном лабораторном прессе. Сила и смещение были зарегистрированы в течение выталкивания прессовки. Энергия выталкивания была рассчитана суммированием силы относительно смещения извлекаемой детали. Энергия выталкивания выражена, как энергия на замкнутую площадь поверхности.

Пылеобразование было измерено путем воздействия на 5-граммовый образец потоком воздуха 1,7 литров/минуту, частицы менее 10 микрон, перемещенные потоком воздуха, были посчитаны измерительным прибором Dust Track Aerosol Monitor, модель 8520. Пылеобразование выражается в мг/м³. Фракция, связанная графитом и смазкой, была измерена прибором Roller Air Analyzer или Roller Particle Size Analyzer фирмы Aminco. Прибор - воздушный сепаратор, который отделяет материал по диаметру и плотности. Был использован 50-граммовый образец. Фракция связанного графита рассчитана сравнением содержания графита до и после воздушной сепарации. Связывание в этом случае выражено в % связанного графита.

ПРИМЕР 1

Смеси, содержащие порошок железа, 0,5 весовых процентов графита и 0,8 весовых процентов соединения связующего/смазки из полиэтиленового воска с различной средневесовой молекулярной массой и этилен бис-стеарамида согласно таблице 1 и 0,05% стеариновой кислоты, были полностью нагреты и смешаны при температуре выше температуры плавления полиэтиленового воска, но ниже температуры плавления этилен бис-стеарамида. Затем смеси подвергали охлаждению для того, чтобы получить связанную порошковую смесь, в которой частицы графита были связаны с частицами железа. В течение охлаждения были добавлены 0, 06% неорганических частиц добавок для повышения текучести. Были измерены такие свойства порошка, как текучесть, насыпная плотность и пылеобразование. Для того чтобы измерить смазочные свойства, были спрессованы кольца с наружным диаметром 55 мм, внутренним диаметром 45 мм и высотой 10 мм при трех различных давлениях прессования и энергиях, необходимых для того, чтобы извлечь заготовку из пресс-формы после прессования, то есть была измерена энергия выталкивания.

ПРИМЕР 2

Смеси, содержащие порошок железа, 0,5 весовых процентов графита и 0,8 весовых процентов соединения связующего/смазки полиэтиленового воска и этилен бис-стеарамида в различных пропорциях и 0,05% стеариновой кислоты согласно таблице 2, были полностью нагреты и смешаны при температуре выше температуры плавления полиэтиленового воска, но ниже температуры плавления этилен бис-стеарамида. Затем смеси подвергали охлаждению для того, чтобы получить связанную порошковую смесь, в которой частицы графита были связаны с частицами железа. В течение охлаждения были добавлены 0,06% неорганических частиц добавок для повышения текучести. Были измерены такие свойства порошка, как текучесть, насыпная плотность и пылеобразование. Для того чтобы измерить смазочные свойства, были спрессованы кольца с наружным диаметром 55 мм, внутренним диаметром 45 мм и высотой 10 мм при трех различных давлениях прессования и энергией, необходимой для того, чтобы извлечь заготовку из пресс-формы после прессования, то есть была измерена энергия выталкивания.

ПРИМЕР 3 - СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР

Были приготовлены две смеси, содержащие порошок железа, 0,5 весовых процентов графита и 0,8 весовых процентов этилен бис-стеарамида, но без полиэтиленового воска. Смесь номер 11, содержащая 0,05 весовых процентов стеариновой кислоты, была полностью нагрета и смешана при температуре выше температуры плавления этилен бис-стеарамида. Затем смеси подвергали охлаждению для того, чтобы получить связанную порошковую смесь, в которой частицы графита были связаны с частицами железа. В течение охлаждения были добавлены 0,06% неорганических частиц для повышения текучести. Смесь номер 12 была полностью смешана без нагревания. Были измерены такие свойства порошка, как текучесть, насыпная плотность и пылеобразование. Для того чтобы измерить смазочные свойства, были спрессованы кольца с наружным диаметром 55 мм, внутренним диаметром 45 мм и высотой 10 мм при трех различных давлениях прессования и энергиях, необходимых для того, чтобы извлечь заготовку из пресс-формы после прессования, то есть была измерена энергия выталкивания.

Как можно видеть из таблицы 3, лучшее сочетание насыпной плотности AD, текучести, связывания и смазочных свойств было получено для порошковой металлургической композиции, содержащей соединение связующего/смазки из полиэтиленового воска и этилен бис-стеарамида, когда средняя молекулярная масса полиэтиленового воска составляет 500 и 750, содержание полиэтиленового воска составляет 10-90% и содержание этилен бис-стеарамида составляет 90 и 10% в соединении связующего/смазки.

Как можно видеть из следующей таблицы 3, лучшее сочетание насыпной плотности AD, текучести, связывания и смазочных свойств было получено для порошковой металлургической композиции, содержащей соединение связующего/смазки из полиэтиленового воска и этилен бис-стеарамида, когда средняя молекулярная масса полиэтиленового воска составляет 500 и 750, содержание полиэтиленового воска составляет 20-80% и содержание этилен бис-стеарамида составляет 80 и 20% в соединении связующего/смазки.

Реферат

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к композиции порошка на основе железа. Металлургическая композиция для изготовления прессованных деталей включает, по меньшей мере, 80 мас.% порошка железа или порошка на основе железа, по меньшей мере один легирующий порошок и от 0,05 до 2 мас.% соединения связующего-смазки из полиэтиленового воска и этилен бис-стеарамида. Полиэтиленовый воск имеет среднюю молекулярную массу менее приблизительно 1000 и температуру плавления менее, чем у этилен бис-стеарамида и содержится в количестве от 10 до 90 массовых процентов в соединении связующего-смазки. Композицию получают путем смешивания и нагрева порошка железа или порошка на основе железа, порошка легирующего элемента, этилен бис-стеарамида и порошкообразного полиэтиленового воска и при необходимости жирной кислоты и охлаждения полученной смеси. Нагрев ведут до температуры выше температуры плавления полиэтиленового воска и ниже температуры плавления этилен бис-стеарамида, а охлаждение - до температуры ниже температуры плавления полиэтиленового воска. Полученная композиция обладает высокой насыпной плотностью, хорошей текучестью, низкими сегрегацией и пылеобразованием. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 табл.

Формула