Металлический порошковый состав, содержащий связующее на высыхающем масле

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым смесям на основе железа для изготовления прессованных заготовок. Порошковая металлургическая смесь содержит порошок на основе железа и связующее, содержащее высыхающее масло и сушильный агент. Использование смеси обеспечивает массовое производство изделий с небольшими весовыми различиями, минимальным расслоением. 11 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к порошковому металлургическому составу, используемому для изготовления прессованных порошковых заготовок. В частности, изобретение относится к смеси из железного порошка, содержащей усовершенствованное связующее.

Уровень техники

Использование металлических изделий, изготовленных прессованием и спеканием смесей из железного порошка, получает все большее распространение. Требования к качеству этой металлопродукции постоянно растут, и вследствие этого разрабатываются новые порошковые смеси с улучшенными свойствами. Некоторыми наиболее важными свойствами готовой спеченной продукции являются плотность и габаритные допуски, которые должны быть постоянными. Связанные с изменениями размера конечной продукции проблемы нередко обусловлены неоднородностями прессуемой порошковой смеси. Эти проблемы наиболее заметны в случае порошковых смесей с порошковидными компонентами разного размера, плотности и формы, что является причиной возникновения расслоения при транспортировании, хранении и обработке порошковой смеси. Это расслоение обуславливает отсутствие единообразия смеси, что, в свою очередь, означает, что изготавливаемые из порошковой смеси заготовки будут по-разному скомпонованы и, следовательно, будут иметь разные свойства. Еще одна трудность заключается в том, что мелкие частицы, особенно частицы меньшей плотности, такие как графит, являются причиной образования пыли во время обработки порошковой смеси.

Проблемы расслоения или образования пыли можно уменьшить или устранить введением связующего в порошковую смесь. Назначение связующего заключается в прочном и эффективном связывании частиц небольшого размера таких добавок, как легирующие компоненты, с поверхностью частиц основного металла, и следовательно, в уменьшении проблем расслоения и образования пыли.

Один из типов связующих основан на талловом масле, которое является высыхающим маслом, состоящим из трех полимеров и содержащим около 20-50% канифольных кислот (талловая канифоль), и около 35-55% свободных жирных кислот. Такие связующие описываются в патентах США №№4676831; 4834800; 6682579 B2; 6068813 и 5429792.

Патент США 4676831 (Engström) в основном раскрывает использование некоторых талловых масел в качестве связующих.

Патент США 4834800 (Semel) раскрывает использование некоторых образующих пленку и нерастворимых в воде алкидовых полимеров, являющихся продуктом взаимодействия многоатомного спирта и многоосновной кислоты в присутствии модификатора, которым может быть высыхающее масло или полимеризуемый жидкий мономер, такой как, например, льняное масло, соевое масло, тунговое масло или талловое масло.

Патенты США 6682579 В2 (Naramsimhan) и 6068813 (Semel) раскрывают возможное использование сложных эфиров таллового масла в качестве связующих в металлургических порошковых смесях.

Патент США 5429792 (Luk) раскрывает металлургическую порошковую смесь, прессуемую при повышенных температурах и содержащую порошок на основе железа, легирующий порошок, смазку высокотемпературного прессования и связующее. Предпочтительными связующими являются целлюлозные полиэфирные полимеры, термопластичные феноло-альдегидные полимеры высокой молекулярной массы, гидроксиалкилцеллюлозные полимеры и их смеси. Термопластичный феноло-альдегидный полимер является продуктом реакции эстерификации между канифольными кислотами, полученными из природных древесных канифолей, и канифолями таллового масла; и содержащим спиртовую группу соединением, например, с метанол-, метилен- и диэтиленгликолем, глицерином и пентаэритритом.

Хотя связующие на высыхающих маслах нередко дают удовлетворительные результаты, но проблемы могут возникать в массовом производстве и обуславливать неприемлемые неоднородности продуктов и слишком широкий диапазон весовых различий у прессованных деталей. Проведенные широкие исследования обнаружили, что эти проблемы возникают, когда время высыхания масла является разным и не регулируемым должным образом. Изобретение направлено на решение этой проблемы.

Сущность изобретения

Цель изобретения заключается в обеспечении новой порошковой металлургической смеси для изготовления прессованных порошковых заготовок с небольшими весовыми различиями. Эта новая смесь целесообразна для массового производства прессованных деталей и отличается минимальным расслоением во время транспортирования, хранения и обработки, низким уровнем образования пыли и надлежащими реологическими свойствами.

Эта цель достигается при использовании высыхающего масла в сочетании с сушильным агентом в качестве связующего. Изобретение относится к порошковым металлургическим смесям для изготовления прессованных заготовок, причем эти смеси содержат железный порошок или порошок на основе железа, графит и, дополнительно, прочие легирующие элементы, смазки или добавки, и связующее, содержащее высыхающее масло и сушильный агент.

Подробное описание изобретения

Сушильные агенты согласно изобретению являются соединениями, обеспечивающими регулируемое высушивание высыхающего масла, в результате чего время высушивания масла можно регулировать в соответствии с применяемыми технологическими требованиями. Сушильные агенты должны быть растворимыми в высыхающем масле, и химически их можно охарактеризовать как металлические мыла, содержащие либо щелочно-земельные металлы, либо тяжелые металлы. Сушильный агент предпочтительно выбирается из группы, в которую входят соли Zn, Co, Mn, Pb, Zr или Ca октаноиновой или нафтеновой кислот, из которых наиболее предпочтительной является нафтенат кобальта.

В зависимости от типа используемого сушильного агента оптимальную норму введения высыхающего масла можно легко определить экспериментально.

В рамках этого изобретения высыхающее масло можно охарактеризовать как сложный эфир полиненасыщенной жирной кислоты и полиола, который полимеризуется (отверждается) при реакции с кислородом, образуя твердые пленки, связывающие более мелкие части с частицами порошка на основе железа. В предпочтительном высыхающем масле полиненасыщенные жирные кислоты являются производными жирных кислот таллового масла или жирных кислот льняного масла, и полиол предпочтительно выбирают из группы, в которую входят: глицерин, пропан-1,3-диол, пента-, дипента- или трипентаэритрит.

Связующее вводят в порошковую смесь на основе железа в количествах 0,01-1 вес.%, предпочтительно 0,01-0,5 вес.%. Количество сушильного агента в связующем составляет 0,01-5 вес.% в зависимости от типа высыхающего масла и используемого сушильного агента, и предпочтительного времени высушивания. В соответствии с предпочтительным осуществлением изобретения сушильный агент используют в количестве 0,05-2,5, более предпочтительно от 0,1 до 1 вес.% связующего.

Поэтому, как указано выше, назначение связующего состоит в прочном и эффективном связывании мелких частиц графита, других легирующих элементов и других добавок с поверхностью частиц основного металла, и следовательно, в снижении расслоения и образования пыли. Установлено, что точным регулированием времени высыхания содержащего высыхающее масло связующего можно добиться не только приемлемого уровня образования пыли и расхода, но также и существенного сужения диапазона весовых различий компонентов, изготавливаемых в промышленном масштабе.

Время высыхания связующего предпочтительно регулируется в значениях менее 4 часов за счет введения по меньшей мере одного сушильного агента в высыхающее масло. Для получения однородно связанных порошковых смесей в промышленном масштабе до полного высушивания связующего предпочтительно, чтобы время высушивания было не менее 30 мин. Прочие предпочтительные сроки высыхания также могут быть целесообразными в зависимости от количества, типа и размера связываемого материала и/или других параметров. Предпочтительный срок времени высушивания можно легко установить экспериментально. Указываемые выше значения времени высыхания даны по данным измерений температуры и влажности окружающей среды, выполненных «Анализатором тонкой пленки «Ропойнт»».

Характеристики прочих компонентов металлургической порошковой смеси согласно изобретению излагаются ниже.

Железный, или на основе железа, порошок может быть, по существу, чисто железным порошком или смесью разных железных порошков с примесью порошковых добавок. Порошок может также быть предварительно легированным порошком, либо диффундированным или частично легированным порошком. Приблизительный максимальный размер средневесовых частиц железа или частиц на основе железа - до 500 мкм.

Примерами легирующих элементов являются медь, молибден, хром, никель, марганец, фосфор, углерод в виде графита и вольфрам - отдельно или в комбинации. Медь и никель, обычно используемые в качестве легирующих элементов, могут целесообразно использоваться в количестве до 3 и 5 вес.% соответственно. Количество графита может быть в пределах 0,1-2 вес.%. Эти добавки обычно являются порошками, размер которых меньше размера частиц порошка основного металла, и большинство добавок имеют приблизительный размер частиц менее 20 мкм.

Помимо этого смеси в соответствии с изобретением могут содержать такие распространенные добавки, как интенсификаторы спекания, твердофазные материалы, повышающие механическую обрабатываемость вещества.

Примеры смазок: стеараты металлов, например стеарат цинка, и амидовые парафины, например этиленбистеарамид. Металлургическая смесь может содержать смазку в количестве до 1,5 вес %.

Изобретение далее поясняется следующими не ограничивающими примерами предпочтительного осуществления.

Пример 1

Этот пример относится к взаимосвязи между временем высыхания и вводимыми количествами сушильного агента.

В качестве связующего было использовано: высыхающее масло, содержащее полиэфиры таллового масла, получаемые эстерификацией жирных кислот таллового масла и дипентаеритрита; и сушильный агент. В качестве сушильного агента использовался раствор нафтената кобальта - 10 вес.%.

Для регулирования времени высыхания высыхающего масла с ним смешивали разные количества сушильного агента. Взаимосвязь между вводимым количеством сушильного агента в весовых процентах от высыхающего масла и временем высыхания, измеряемым при температуре и влажности окружающей среды «Анализатором тонкого слоя «Ропойнт»», показана в приводимой ниже Таблице 1.

Таблица 1
Количество сушильного агента (%)	Время высушивания (ч)
0,20	6,5
0,25	4,8
0,30	4,0
0,40	2,3
0,50	1,7
0,60	0,5

Очевидно, что количество сушильного агента - нафтената кобальта в полиэфире таллового масла - нужно изменять в пределах 0,3-0,6 вес.%, чтобы обеспечить целесообразное время высыхания.

Пример 2

Этот пример показывает влияние количества сушильного агента в связующем на весовые различия получаемых прессованных порошковых заготовок.

Использованы те же высыхающее масло и сушильный агент, что и в Примере 1.

Были приготовлены две смеси железного порошка: А и В соответственно. Обе смеси содержали полученный распылением железный порошок «АНС 100.29» производства компании Höganäs АВ, 2 вес.% медного порошка, 0,8 вес.% графита UF-4 и 0,8 вес.% стеарата цинка в качестве смазки. В первую смесь ввели 0,05 вес.% связующего, содержащего 0,25 вес.% сушильного агента, остальное - высыхающее масло; и во вторую смесь ввели 0,05 вес.% связующего, содержащего 0,5 вес.% сушильного агента и остальное - высыхающее масло.

Из каждой из этих смесей было изготовлено в промышленных условиях 200 шт с запланированным весом 250 г. Каждая заготовка была взвешена, и заготовки с отклонением более ±1,25 г были отбракованы. Таблица 2 показывает число отбракованных заготовок, изготовленных в промышленных условиях, из каждой из смесей.

Таблица 2
Смесь	Количество сушильного агента (вес.%)	Число отбракованных заготовок
А	0,25	20
В	0,5	0

Согласно данным Таблицы 2 введение сушильного агента в количестве, достаточном для регулирования времени высушивания в пределах 30 мин-4 часа, значительно сократило число отбракованных заготовок при изготовлении заготовок в промышленных условиях.

1. Порошковая металлургическая смесь для изготовления прессованных порошковых заготовок, содержащая железный порошок или порошок на основе железа и связующее, содержащее высыхающее масло и сушильный агент.

2. Смесь по п.1, в которой высыхающее масло содержит полиэфир полиненасыщенной жирной кислоты и полиола.

3. Смесь по п.2, в которой полиненасыщенная жирная кислота является производным таллового масла или льняного масла.

4. Смесь по п.2, в которой полиол выбран из группы, в которую входят: глицерин, пропан-1,3-диол и дипента- или трипентаэритрит.

5. Смесь по п.1 или 2, в которой по меньшей мере один компонент сушильного агента выбран из группы, в которую входят: растворимые в масле соли Zn, Co, Mn, Pb, Zr или Ca октаноиновой или нафтеновой кислот.

6. Смесь по п.5, в которой сушильным агентом является нафтенат кобальта.

7. Смесь по п.1 или 2, в которой количество сушильного агента в связующем: 0,01-5 вес.%.

8. Смесь по п.1 или 2, в которой количество связующего находится в пределах 0,01-1 вес.%, предпочтительно в пределах 0,01-0,5 вес.%.

9. Смесь по п.1, в которой время высушивания связующего 0,5-4 ч.

10. Смесь по п.1 или 2, дополнительно содержащая графит.

11. Смесь по п.1 или 2, дополнительно содержащая по меньшей мере одну смазку.

12. Смесь по п.1 или 2, дополнительно содержащая по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, в которую входят: легирующие элементы, интенсификаторы спекания, улучшающие механическую обрабатываемость вещества и твердофазные материалы.