Смазка для порошка в порошковой металлургии

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к смазкам для прессования порошков. Смазка для металлургического порошкового состава содержит 10-60% по весу полиэтиленэфира и остальное - олигомерамид. Порошковый состав содержит смазку и порошок на основе железа, частицы которого имеют размер 25-350 мкм. Из порошкового состава получают высокопрочные неспеченные изделия путем прессования при комнатной температуре. Техническим результатом является получение прессованных изделий, обладающих повышенной прочностью при низкой плотности. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Настоящее изобретение относится к новым смазкам для металлургических порошковых составов, а также к составам из металлического порошка, которые содержат эти смазки. В частности, изобретение касается состава из порошка на основе железа, включающего в себя новые смазки, так же как прессовок, изготовленных из этих составов, которые отличаются высокой прочностью неспеченного материала.

Прочность неспеченного материала является одной из наиболее важных физических характеристик неспеченных деталей. Важность этой характеристики возрастает при увеличении размеров деталей, полученных методами порошковой металлургии, и усложнении их геометрической формы. Прочность неспеченного материала возрастает при увеличении плотности прессовки и зависит от типа и количества смазки, смешанной с порошком. Прочность неспеченного материала зависит также от типа применяемого порошка. Другая возможность повышения прочности неспеченного материала заключается в выполнении смешивания и/или прессования металлического порошка при повышенной температуре. Высокая прочность неспеченного материала требуется для того, чтобы предупредить растрескивание прессовок при их выталкивании из пресса и не допустить их повреждения при перемещении от пресса к печи для спекания. Применяемые в настоящее время прессовки, которые обладают относительно высокой прочностью неспеченного материала, преимущественно изготавливают из порошков губчатого железа, в то время как при изготовлении прессовок из порошков, полученных распылением, возникают трудности, несмотря на то что порошок, полученный распылением, в большей степени поддается сжатию и обеспечивает, таким образом, получение более высокой плотности неспеченного материала.

Целью настоящего изобретения является разработка прессованных изделий, обладающих высокой прочностью неспеченного материала, и обеспечение их долговечности при обращении после прессования и извлечения из пресса.

Второй целью является предложение новой смазки, позволяющей изготавливать такие прессовки из обладающих высокой сжимаемостью железных порошков, таких как железные порошки, полученные распылением, или из обладающих высокой сжимаемостью порошков на основе железа.

Третьей целью является предложение состава из порошка на основе железа, состоящего из порошка на основе железа и новой смазки.

Четвертой целью является предложение способа изготовления прессованных изделий, обладающих высокой прочностью неспеченного материала при прессовании при комнатной температуре.

Пятой целью является предложение способа изготовления неспеченных изделий, обладающих высокой прочностью, несмотря на относительно низкую плотность.

Другие цели настоящего изобретения станут очевидными из приведенного ниже текста.

Обнаружено, что указанные цели могут быть достигнуты с помощью новых смазок, состоящих из сочетания полиэтиленоксида и олигомерамида, а настоящее изобретение, таким образом, относится к таким смазкам.

Изобретение относится также к усовершенствованному металлургическому порошковому составу, состоящему в основном из порошка на основе железа, состоящего преимущественно из частиц средних размеров приблизительно 25-350 мкм, и в меньшей степени из этой новой смазки. Кроме того, изобретение относится к способу получения неспеченных изделий, обладающих высокой прочностью неспеченного материала, при сохранении низкого усилия выталкивания и низкой энергии выталкивания. Кроме того, способ гарантирует долговечность при обработке после прессовки и выталкивания из пресса, свидетельством чего являются низкие показатели испытаний на истираемость. Способ включает в себя операции смешивания с новой смазкой порошка на основе железа и необязательных добавок и прессования полученного порошкового состава.

Более конкретно новая смазка состоит по существу из полиэфира, относящегося к тому типу, в котором повторяющимся мономерным звеном является этиленэфир. В этом контексте для описания полимера будет использоваться наименование полиэтиленэфир. В зависимости от молекулярного веса и исходного соединения при полимеризации полиэтиленэфиры можно разделить на полиэтиленгликоль (PEG) с более низким молекулярным весом и полиэтиленоксид (РЕО) с более высоким молекулярным весом. Содержание полиэтиленэфира в новой смазке составляет от 10 до 60% от веса смазки, в то время как остаток приходится на долю олигомерамида. Для того чтобы получить высокую прочность неспеченного материала при низких показателях истираемости, содержание полиэтиленэфира в новой смазке должно составлять не менее 20 и наиболее предпочтительно не менее 30%. Если содержание полиэтиленэфира превышает 60%, прочность неспеченного материала снижается. Наиболее высокие значения прочности неспеченного материала достигаются при смазках, которые содержат от 30 до 50% РЕО, в то время как остаток приходится на долю олигомерамида.

Использование полиэтиленгликолей в сочетании с порошками на основе железа описано в патенте США №6224823, согласно которому можно добиться высокой прочности неспеченного материала, когда полиэтиленгликоли имеют молекулярный вес менее 7000 г/моль, а операция прессования выполняется при повышенной температуре. Согласно настоящему изобретению, которое касается изготовления неспеченных изделий путем прессования порошков при комнатной температуре (обычно от приблизительно 15 до приблизительно 35°С), было обнаружено, что полиэтиленэфиры, обладающие молекулярным весом более 7000 г/моль, имеют преимущества при их комбинировании с олигомерамидами.

Подходящие полиэтиленэфиры, которые могут использоваться согласно настоящему изобретению, описаны в патенте США №5498276, который включается в качестве ссылки. Эти полиэтиленэфиры являются твердыми, сыпучими материалами, имеющими преимущественно среднюю молекулярную массу в пределах от приблизительно 10000 до приблизительно 4000000 г/моль.

Согласно настоящему изобретению полиэтиленэфиры должны предпочтительно иметь преимущественно среднюю молекулярную массу от приблизительно 20000 до приблизительно 400000 г/моль. Наиболее предпочтительно полиэтиленэфиры должны иметь среднюю молекулярную массу от приблизительно 50000 до приблизительно 300000 г/моль. Примерами предпочтительных материалов являются оксиды, имеющие молекулярный вес 100000 г/моль или 200000 г/моль. При молекулярном весе меньше 20000 г/моль прочность неспеченного материала будет недостаточно высока, а при молекулярном весе, превышающем 400000 г/моль, невозможно получить обычными средствами частицы в нужном диапазоне размеров.

Использование полиэфиров вместе с составами из металлических порошков также описано в патентах США №№5290336, 6126715 и 6039784. В этих патентах показано, например, что полиэфиры могут быть средством для повышения прочности неспеченного материала и уменьшения усилия выталкивания. Указано также, что полиэфиры могут быть смешаны с различными смазками, такими как стеараты и парафины. Согласно патенту США 5498276, полиэфиры должны предпочтительно использоваться в количестве, составляющем не меньше 90% от всей смазки, используемой в составе.

В отличие от этих способов в настоящее время обнаружено, что для того, чтобы достичь результатов согласно настоящему изобретению, полиэтиленэфиры должны использоваться в количестве менее 90%, и что полиэтиленэфир должен сочетаться с олигомерамидом, в то время как комбинации полиэтиленэфира с различными видами других широко применяемых смазок, таких как этиленбисстеарамид, как предложено в указанных патентах, не будет успешным.

Олигомерамиды, которые используются согласно настоящему изобретению, известны из патента США №5744433, включенного сюда в качестве ссылки. Согласно этому патенту, олигомеры используются в качестве смазок в составах из металлических порошков. Эти олигомеры имеют среднюю молекулярную массу M_W не более 30000 и предпочтительно не более 1000. Кроме того, эти олигомерамиды имеют температуру плавления в диапазоне от 120° до 200°С. Наиболее предпочтительно M_W варьируется в пределах от 2000 до 20000. В патенте указано также, что по меньшей мере 80% смазки, предпочтительно по меньшей мере 85% и наиболее предпочтительно 90% смазки по весу выполнено из олигомерамида.

Кроме того, в патенте США №5744433 указано, что эти амиды используются для прессования в нагретом состоянии. При использовании этих амидов для холодного прессования, т.е. прессования при комнатной температуре, усилие выталкивания будет слишком большим для промышленного применения. Это не противоречит настоящему изобретению, согласно которому олигомерамиды в сочетании с полиэтиленэфиром используются для холодного прессования, в то время как при прессовании порошковых составов при повышенной температуре получаются худшие результаты.

Что касается выражений, применяемых в описании и в прилагаемой формуле изобретения, то выражение «порошок на основе железа» указывает на порошок, состоящий, по существу, из чистого железа; железный порошок, который был предварительно соединен с другими веществами, способствующими повышению прочности, характеристик упрочнения, электромагнитных характеристик или других желательных свойств конечной продукции; и частицы железа, соединенные с частицами таких легирующих элементов (смесь, подвергнутая диффузионному отжигу, или чисто механическая смесь). Примерами названных элементов являются медь, молибден, хром, марганец, фосфор, углерод в форме графита и вольфрам, которые используются в отдельности или в сочетании, например в форме соединений (Fe₃P или FeMo). Хорошие результаты получены при использовании смазок, являющихся предметом настоящего изобретения, в сочетании с распыленными порошками на основе железа, обладающими высокой сжимаемостью. Обычно такие порошки имеют низкое содержание углерода, предпочтительно менее 0,4% по весу. Такие порошки включают в себя, например, сплавы Distaloy AE, Astaloy Mo и ASC 100.29, которые все поставляются в промышленных масштабах компанией Hoganas AB, Швеция. Кроме того, высокая прочность неспеченного материала и низкие показатели истираемости можно получить с неспеченными изделиями, которые содержат порошки губчатого железа и новую смазку, спрессованные до относительно высокой плотности неспеченного материала.

Наряду с порошком на основе железа и смазкой, являющейся предметом настоящего изобретения, порошковый состав может содержать одну или несколько добавок, выбранных из группы, состоящей из связующих, технологических добавок и твердых фаз. Связующее может быть добавлено к порошковому составу в соответствии со способом, описанным в патенте США №4834800 (включенном сюда в качестве ссылки).

Связующее, используемое в порошковом составе, может состоять, например, из эфирцеллюлозных смол, гидроаксилцеллюлозных смол, имеющих в алкильной группе 1-4 атома углерода, или термопластических фенольных смол.

Технологические добавки, применяемые в металлических порошковых составах, могут состоять из талька, форстерита, сульфида марганца, серы, дисульфида молибдена, нитрида бора, теллура, селена, дифторида бария и дифторида кальция, которые используются по отдельности или совместно.

Твердые фазы, применяемые в порошковом составе, могут состоять из карбидов вольфрама, ванадия, титана, ниобия, хрома, молибдена, тантала и циркония, нитридов алюминия, титана, ванадия, молибдена и хрома, Al₂O₃, B₄C, и различных керамических материалов.

С помощью обычной техники порошок на основе железа и частицы смазки смешивают до получения по существу однородного порошкового состава.

Предпочтительно смазочный состав, являющийся предметом настоящего изобретения, добавляют к металлическому порошковому составу в форме твердых тонкоизмельченных частиц. Средний размер частиц смазки может варьироваться, но предпочтительно он ниже 150 мкм и более предпочтительно находится в диапазоне 3-100 мкм. Если размеры частиц слишком велики, то смазка с трудом оставляет пористую структуру металлического порошкового состава во время прессования и смазка может вызвать образование крупных пор после спекания, в результате чего получается прессовка, демонстрирующая ухудшенные прочностные характеристики. С другой стороны, при слишком малых размерах частиц произойдет ухудшение смазки и пластической деформации, при слишком большой энергии выталкивания.

Количество новой смазки, применяемой при прессовании порошкового состава, не превышает 2% от общего веса состава. Предпочтительно это количество варьируется в пределах от 0,2 до 1,5% от общего веса.

Согласно настоящему изобретению можно получить прессовки, обладающие прочностью неспеченного материала, превышающей 20 и даже 27 МПа без потребности в большом усилии выталкивания и/или большой энергии выталкивания, когда процесс прессования выполняется при комнатной температуре (около 20°С) и при давлении около 600 МПа. В контексте настоящего изобретения термин «большое усилие выталкивания» может относиться к значениям, превышающим 15 Н/мм², а термин «большая энергия выталкивания» может относиться к значениям, превышающим 35 Дж/см².

Важным и выгодным признаком является то, что высокая прочность неспеченного материала и низкие потери материала (низкий показатель истираемости) могут быть получены даже в тех случаях, когда составы, включающие в себя новую смазку, смешивают и прессуют при комнатной температуре с достижением относительно низкой плотности, например, порядка 5,5-6,5 г/см³.

При спекании неспеченных прессовок можно получить изделия с хорошими механическими свойствами. Спекание может осуществляться при обычных условиях.

ПРИМЕРЫ

Следующие примеры, которые ограничивают ограничения рамки изобретения, представляют различные варианты реализации и преимущества настоящего изобретения. Все проценты весовые, если специально не оговорено иное.

В каждом из примеров порошки, образующие порошковый состав, смешивали при комнатной температуре (около 20°С) в течение 2 минут в аппарате братьев Ледиге (Gebruder Lödige).

Затем порошковые составы прессовали при комнатной температуре в прессе при заданном давлении, получая неспеченные заготовки, которые затем подвергали спеканию в атмосфере 90/10 (90% N₂ и 10% Н₂) в течение около 30 минут при температуре около 1120^оС и при углеродном потенциале 0,5%.

Физические характеристики порошковых смесей и неспеченных и спеченных заготовок определяли в целом в соответствии со следующими способами и формулами испытаний:

Характеристика	Способ испытаний
Насыпная плотность	ISO 3923/s, SS EN23923-1
Пластическая деформация	ISO 4490
Испытание на уплотнение и растяжение заготовки типа N	ISO 2740
Испытание на уплотнение и растяжение заготовки типа TRS	ISO 3325
Определение твердости по Роквеллу	SS EN 10109-1
Прочность на разрыв (прочность на разрыв, предел текучести)	SS EN10002-1
Изменение размеров и упругость	SS EN 24492, ISO 4492
Плотность неспеченного и спеченного материала	SS EN 23927, ISO 3927
Прочность неспеченного материала	SS EN 23995
Истирание	JSPM 4-69

Усилие выталкивания обозначается здесь как статическое усилие, которое необходимо преодолеть для начала выталкивания прессованной детали из пресса. Его рассчитывают как показатель нагрузки, необходимой для начала выталкивания, к площади поперечного сечения детали, соприкасающейся с поверхностью пресса, и оно выражается в Н/мм².

Энергия выталкивания обозначается здесь как произведение усилия, приложенного к прессованному изделию с целью продолжения выталкивания и выталкивания прессованного изделия, на суммарное расстояние выталкивания, деленное на поверхность, соприкасающуюся с поверхностью пресса. Энергия выталкивания выражается в Дж/см².

Пример 1

Этот пример показывает использование сочетаний смазок, являющихся предметом настоящего изобретения, а также возможность получения худших результатов в результате использования в составе смазки менее 10% или более 60% полиэтиленоксида.

Смешали распыленный железный порошок, 2% порошка Cu, 0,5% графита и 0,8% новой смазки. Железным порошком был ASC 100.29, поставляемый компанией Höganäs AB, Швеция, средний размер частиц порошка Cu составил 75 мкм, а средний размер частиц графитового порошка составил 5 мкм. Новая смазка состояла из олигомерамида, Orgasol®, имеющего среднюю молекулярную массу 6000, и полиэтиленоксида, имеющего среднюю молекулярную массу 100000 или 200000. Измельченную смазку просеивали, чтобы сохранить средний размер частиц на уровне ниже 75 мкм.

Были приготовлены 5 различных образцов смазки, включая новую смазку, имеющих состав, показанный ниже в табл.1.

Таблица 1
Номер состава	1	2	3	4	5
Orgasol	0	50	60	80	100
Полиэтиленоксид	100	50	40	20	0

В качестве эталона использовали бисстерамид этилена, который часто сокращенно обозначают как EBS.

Смеси смешивали в течение 2 минут в аппарате братьев Ледиге с образцами смазок 1-5 и затем подвергли исследованию для определения насыпной плотности, пластической деформации, плотности неспеченного материала (при 600 МПа), плотности после спекания, усилия выталкивания, энергии выталкивания, упругости, изменения размеров, прочности неспеченного материала, показателя истирания, прочности на разрыв и предела текучести. Спекание производили при температуре 1120^оС в течение 30 минут. Атмосфера имела состав 90/10 (90% N₂ и 10% Н₂). Результаты показаны в табл.2.

Таблица 2
Номер состава	Эталон	1	2	3	4	5
Насыпная плотность 24, г/см3	2,99	2,94	3,00	2,96	2,98	2,89
Пластическая деформация, с/50 г	31,14	24,48	26,39	28,15	28,24	31,95
Плотность неспеченного материала, г/см3	7,07	7,02	7,03	7,04	7,02	7,08
Плотность спеченного материала, г/см3	6,96	6,88	6,90	6,90	6,91	6,94
Усилие выталкивания, Н/мм2	11,10	19,70	15,70	15,40	19,70	19,70
Энергия выталкивания, Дж/см2	23,10	46,20	32,50	31,30	42,10	59,00
Упругость, %	0,30	0,24	0,32	0,31	0,36	0,31
Изменение размеров, %	0,66	0,68	0,69	0,71	0,66	0,66
Прочность неспеченного материала, МПа	14,90	25,59	23,09	27,43	24,03	31,19
Показатель истирания, %	0,73	0,20	0,20	0,22	0,23	0,28
Прочность на разрыв, МПа	465	413,6		452,6	470	467,3
Предел текучести, МПа	335	307		322		332

Приведенные выше результаты показывают, что применение смазочных составов, являющихся предметом настоящего изобретения, позволяет получить низкие значения усилия выталкивания и энергии выталкивания. Эти свойства в сочетании с полученной высокой прочностью неспеченного материала и низкими показателями истирания показывают возможность подобрать составы смазки с улучшенными характеристиками по сравнению с характеристиками, необходимыми для сохранения долговечности неспеченных изделий при их эксплуатации или транспортировке.

Пример 2

Этот пример показывает эффект, полученный за счет смешивания полиэтиленоксида с часто используемым EBS (бисстерамидом этилена). Испытание было выполнено так же, как и в Примере 1, с тем же порошком и тем же количеством смазки. Из таблицы 2 можно видеть, что при смешивании полиэтиленоксида с EBS практически не удается добиться повышения прочности неспеченного материала.

Таблица 3
	100% EBS	20% PEO + 80% EBS	20% PEO + 80% Orgasol
Насыпная плотность 24, г/см3	2,99	3,1	2,98
Пластическая деформация, с/50 г	31,14	25,21	28,84
Плотность неспеченного материала, г/см3	7,07	6,97	7,02
Плотность спеченного материала, г/см3	14,90	15,34	19,70
Показатель истирания, %	0,73	0,54	0,23

Пример 3

Этот пример показывает, что высокие значения прочности неспеченного материала могут быть также получены для неспеченных изделий со сравнительно низкой плотностью, т.е. при прессовании порошковых составов при низком давлении.

Были приготовлены следующие смеси.

Таблица 4
Смесь 1	NC100.24 + 20% Cu + 0,75% (PEO/Orgasol 20/80)
Смесь 2	NC100.24 + 20% Cu + 0,75% стеарат цинка
Смесь 3	МН 80.23 + 20% Cu + 0,75% (PEO/Orgasol 20/80)
Смесь 4	МН 80.23 + 20% Cu + 0,75% стеарат цинка
NC100.24 - порошок из губчатого железа компании Höganäs AB, Швеция.
МН 80.23 - порошок из губчатого железа компании Höganäs AB, Швеция.

Смеси 1 и 3 содержат 20% полиэтиленоксида и 80% Orgasol. Смеси 2 и 4, которые содержат стеарат цинка, использовались в качестве эталона. Смеси прессовали при давлении прессования 230 МПа. Как показано ниже в табл.5, высокая прочность неспеченного материала может достигнута также с прессовками, обладающими относительно низкой плотностью неспеченного материала. Низкие показатели истираемости показывают, что долговечность при использовании после прессования и выталкивания из пресса неспеченных изделий, полученных согласно настоящему изобретению, является сравнительно высокой.

1. Смазка для металлургического порошкового состава, состоящая, по существу, на 10-60% по весу из полиэтиленэфира, в то время как остаток приходится на долю олигомерамида.

2. Смазка по п.1, отличающаяся тем, что содержание полиэтиленэфира составляет 20-50%, предпочтительно 30-50% по весу.

3. Смазка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что имеет форму тонкоизмельченного порошка.

4. Смазка по п.3, отличающаяся тем, что размеры частиц в среднем ниже приблизительно 150 мкм, предпочтительно от 3 до 100 мкм.

5. Смазка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что полиэтиленэфир имеет среднюю молекулярную массу приблизительно от 20000 до 400000 г/моль.

6. Смазка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что олигомерамид имеет среднюю молекулярную массу приблизительно от 2000 до 20000 г/моль.

7. Порошковый состав, состоящий в основном из порошка на основе железа, состоящего из частиц размерами в среднем приблизительно 25-350 мкм, и из состоящей из твердых частиц смазки по любому из пп.1-6.

8. Порошковый состав по п.7, в котором доля смазки по весу не превышает 2%.

9. Порошковый состав по п.8, в котором доля смазки по весу составляет от 0,2 до 1,5%.

10. Порошковый состав по любому из пп.7-9, который дополнительно содержит одну или несколько добавок, выбранных из группы, состоящей из связующих, технологических добавок и твердых фаз.

11. Порошковый состав по любому из пп.7-9, в котором порошок на основе железа является распыленным порошком.

12. Способ производства обладающих высокой прочностью неспеченных изделий, который включает в себя операции смешивания порошка на основе железа со смазкой по п.1 и прессования металлургического порошкового состава при комнатной температуре.