專利名稱：包含鐵粉、添加劑和流動劑的聚集體的粉末組合物及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種粉末混合物及其制備方法。更具體地說，本發明涉及一種用在粉末冶金中的鐵基粉末混合物。
粉末冶金是一種沿用已久的用于制備不同的部件的技術，該部件例如用在汽車工業中。在該部件的制備過程中，粉末狀混合物被擠壓和煅燒以提供一種任意確定形狀的部件。該粉末混合物包括一種作為主要成分的基底金屬粉末和摻混的、粉末狀的添加劑。該添加劑例如可以是石墨、Ni、Cu、Mo、MnS、Fe3P等。為了通過使用粉末冶金技術對所需產品進行可再生生產，所述用作原材料的粉末混合物必須盡可能地均勻。當混合物的組成成分之間可以均勻地混合時這通常可以達到。然而由于該混合物的粉末成分在顆粒尺寸、密度和形狀上的不同，因而要使其均勻是不容易的。
因而在粉末混合物的運輸和處理過程中會出現分離，這是由于相對于基底金屬粉末較高密度和較小顆粒尺寸的粉末成分會漸漸地向組合物的底部聚集，而相對較低密度的成分會漸漸地向該混合物的上部集中。這種分離意味著所述混合物的構成將會不均勻，這又意味著由該粉末組合物制成的部件具有不同的構成并因而具有不同的特征。另外一個問題是在粉末混合物的處理過程中細顆粒(尤其是那些較低密度的顆粒，如石墨)會產生飛塵。
總的說來，該添加劑是相對于基底金屬粉末具有較小顆粒尺寸的粉末。該基底金屬粉末的顆粒尺寸小于約150微米，而大多數添加劑的顆粒尺寸小于約20微米。這種較小粒徑的粉末增加了該組合物的表面積，這又意味著其流動性(即其作為自由流動粉末的流動能力)減小。粉末的流動性減小表現在用粉末填充模具的時間要增加，這意味著其產率較低并會使擠壓部件的密度的波動有增加的危險，其在鍛燒后這會導致不可接受的缺陷。
迄今為止為解決上面所述問題人們已經做了努力，通過向粉末混合物中加入不同的粘合劑和潤滑劑。加入粘合劑的目的是為了將添加劑(如合金成分)的顆粒堅固而又有效地粘結在基底金屬顆粒的表面上，因而降低分離和飛塵的不利影響。加入潤滑劑的目的是降低粉末組合物之間的磨擦并因而增加其流動性和降低頂出力，即將最后擠壓產品從模具中頂出所需要的力量。
本發明的一個目的是試圖減少或消除上面所描述的在現有技術中所存在的問題。更具體地說，本發明的目的是提供一種減少所述分離和飛塵的粉末冶金混合物或組合物。本發明的第二個目的是提供一種具有所需流動性的粉末混合物。本發明的第三個目的是提供一種用于在室溫下(冷擠壓)擠壓的粉末混合物及本發明的第四個目的是提供一種適用于大規模生產這種粉末組成的方法。本發明的第五個目的是不使用傳統的粘合劑和溶劑。
根據本發明通過包括如下步驟的方法制備的粉末組合物可減少或消除上述這些問題-混合并加熱含鐵粉末、粉末添加劑和粉末潤滑劑至高于潤滑劑溶點的溫度；-冷卻所得到的混合物至低于潤滑劑溶點的溫度并保持一段時間以足以固化潤滑劑并將添加劑劑顆粒粘合在含鐵顆粒上以形成聚集顆粒；和-將粒徑小于200納米，優選小于40納米的流動劑與所得到的混合物相混合，所加入的流動劑的量基于組合物重量為0.005-約2％重量。
包含粘合劑和/或潤滑劑的先熔化后固化的粉末混合物是已知的，即所謂的熔化-粘合技術，例如美國專利US4946499公開了一種帶有粘合劑的鐵基粉末混合物，所述粘合劑是熔化在一起的油和金屬皂或蠟的結合物。當根據所公開的專利制備該組合物時，粉末與金屬皂(或蠟)和油相混合，并加熱所得到的混合物以使得所述油和金屬皂或蠟熔化在一起，然后冷卻該混合物。公布的日本專利申請公開號58-193302公開了使用粉末潤滑劑(如硬脂酸鋅)作為粘合劑。粉末潤滑劑被加至粉末組合物中并在持續的混合過程中被加熱至熔化，然后冷卻該混合物。公布的日本專利申請公開號1-219101也公開了使用潤滑劑作為粘合劑。當制備粉末組合物時，金屬粉末與潤滑劑相混合并被加熱至潤滑劑的熔點以上的溫度，然后進行冷卻。
歐洲專利申請EP580681公開了一種包括下述成分的鐵基冶金粉末組合物鐵基粉末，粉末添加劑粘合劑，聯氨蠟(diamide wax)，優選亞乙基雙硬脂酰胺，及任選一種粉末潤滑劑，其中所述粘合劑以先熔化后固化的形式存在以將添加劑的粉末顆粒與基底金屬的粉末顆粒粘合在一起。
流動劑的使用公開在美國專利US5782954中。該專利公開了含有用于提高該組合物流動性的納米級顆粒金屬或金屬氧化物流動劑的鐵基冶金粉末組合物，尤其是在升高的操作溫度下更易提高其流動性。該鐵基粉末組合物除了含鐵和合金元素外還包括粘合劑及高溫潤滑劑，該組合物可以與流動劑(如氧化硅或氧化鐵或者它們的結合)充分地混合以提供一種流動性提高的粉末組合物。
根據本發明所使用的流動劑優選氧化硅，最優選的是平均顆粒尺寸小于約40納米、優選約為1-35納米的二氧化硅，其用量基于全部組合物的總重為0.005-約2％，優選0.01-1％，最優選0.025-0.5％。其他可用作流動劑的以金屬或其氧化物的形式存在的金屬包括顆粒尺寸小于200nm的鋁、銅、鐵、鎳、鈦、金、銀、鉑、鈀、鉍、鈷、錳、鉛、錫、釩、釔、鈮、鎢及鋯。
所述含鐵的粉末可以是基本上純凈的鐵粉或與粉末添加劑相混合的不同的鐵粉混合物。所述粉末還可以是預合金粉末或一種分散物或部分合金的粉末。
一般用在合金元素中的添加劑如石墨、鐵磷合金及硬態材料，如碳化物和氮化物。所述含鐵的粉末可以含有含量高達10％的混合的合金元素，如Cu、Ni、Mo、石墨、Fe3P及MnS。
所述潤滑劑可以從蠟、金屬皂和熱塑性材料中選擇。蠟的實例是聯氨蠟，如亞乙基雙硬脂酰胺。金屬皂的實例是硬脂酸鋅、硬脂酸鋰，及熱塑性材料的實例是聚酰胺、聚酰亞胺、聚烯烴、聚酯、聚烷氧化物、聚醇。
所述潤滑劑的用量基于該組合物的重量為0.05-3％，優選0.2-2％，最優選0.5-1.5％。也可以使用多種潤滑劑形成的混合物，其中所述潤滑劑中的至少一種在操作過程中會熔化。潤滑劑的重量百分比小于0.05％會導致不令人滿意的粘合性，而當其重量百分比大于2％時又會使最終產品達不到所需要的孔隙度。在所述限定的數值范圍內，潤滑劑含量的選擇要依據添加劑的量，添加劑的量越多則需要越多的潤滑劑，反之亦然。
根據一個優選的實施方案，在高于室溫但是低于潤滑劑的熔點溫度下(如低于潤滑劑熔點10-30℃的范圍內)將粉末流動劑加入含鐵顆粒物的混合物中，所述混合物含有通過固化的潤滑劑粘合在一起的添加的顆粒物。在這種情況下在溫度達到室溫之前可將該流動劑加至聚集的粉末中。
根據本發明的粉末混合物在標準條件下可用來制備擠壓和燒結的部件。因而所述擠壓在室溫(冷擠壓)及400-1000Mpa的壓力下進行，所述燒結在1050-1200℃的溫度下進行。另外所述成形也可在升高的溫度下進行。
所述制備粉末混合物的方法可分批地或連續地進行。采用連續制備的特別優點是能夠獲得平滑和均勻的流動，這種性質的流動會產生更均勻的產品。
本發明還涉及包括含鐵粉末、添加劑、潤滑劑和流動劑的粉末組合物，其中該組合物基本上由含鐵的顆粒物和約0.005％(重量)—約2％(重量)的流動劑組成，其中在所述含鐵的顆粒物上通過一種先熔化后固化的潤滑劑粘合了添加劑以形成聚集的顆粒物，并且流動劑的顆粒尺寸小于200納米，優選小于40納米。
當實施根據本發明的方法時，重要的是包括潤滑劑的混合物成分之間需混合均勻。這可通過在一種混合設備上混合基底鐵粉、粉末添加劑(如石墨、Cu等)和粉末潤滑劑直到得到均勻的粉末混合物達到。在持續地混合過程中，該混合物然后被加熱直到所述潤滑劑熔化，最常使用的潤滑劑在空氣中熔點為約90-170℃，優選約120-150℃。所述潤滑劑不應有過高的熔點，因而使加熱所述粉末混合物所需要的能量降至最小并可使得所述潤滑劑熔化。因而所述潤滑劑的熔點的上限約為170℃。
在混合過程中當所述熔化的潤滑劑已經被均勻地分布在所述混合物中時，冷卻混合物以使得該潤滑劑固化并由此發揮其在基底鐵粉與較小顆粒的添加劑之間的粘合作用，所述添加劑如石墨、Ni、Cu、Mo、MnS、Fe3P等，它們排列在基底鐵粉的表面上。同樣重要的還有在混合過程中進行冷卻操作，因而保持所述混合物的均勻度。然而，在冷卻過程中的混合不象先前為提供均勻的混合物所進行的混合那樣劇烈。當所述潤滑劑已經固化后，在使用粉末混合物之前將其與流動劑均勻地混合。優選地流動劑被加至鐵和添加劑的聚集顆粒上并且聚集顆粒表面仍然保持粘著或粘合流動劑顆粒的可能，即聚集顆粒的表面仍然是熱的。
任選地，在潤滑劑已經固化及流動劑已經被混合之后在粉末混合物中加入附加的潤滑劑，然而這不是必須的。
為了更好地理解本發明，下面通過一個非限制性的實施例描述本發明。
在該實施例所描述的試驗中，采用下面的材料和方法。
對于基底金屬粉末，采用霧化的鐵粉，其平均粒徑約為63微米，所有的粒徑都小于150微米。
對于添加劑，采用銅(Cu)粉和石墨粉，所述銅粉的平均粒徑約為200目，所述石墨粉的平均粒徑約為4微米。
所述粉末混合物的混合操作以兩步進行，混合物的組成成分首先在一個混合設備(Lidige型，購自Gebr.Lodige Maschinenbau GmbH，W-4790 Paderborn，Germany)中進行預混合，持續2分鐘，然后所得到的混合物被轉移至一個圓筒形混合設備中，所述設備的高度約300mm，直徑約80mm，并裝配有雙螺旋混合器及一個帶有熱量可調的加熱夾套。在該圓筒形混合設備中攪拌所述粉末并經過約15分鐘加熱至約150℃以熔化該潤滑劑。然后保持所述溫度在約150℃并持續地攪拌約3分鐘，然后在加入所述流動劑之前在攪拌過程中不再進行加熱并將該混合物被冷卻至約120℃。根據瑞典標準SS 111031(該標準相應于國際標準ISO 4490-1978)測量粉末混合物的流動性。
根據瑞典標準SS 111030(該標準相應于國際標準ISO3923/1-1979)測量該粉末混合物的表觀密度。
通過一種裝置(Dust Track型)在給定的空氣流動中以每分鐘點數計測量粉末混合物的飛塵。
通過上面總體所描述的方法可以制備不同的粉末混合物，其中它們的組成如下表所示
*由Hgans AB，Sweden得到**由Hoechst AG，Germany得到
*由Degussa，Germany得到的Aerosil R 812的重量百分比，其粒徑約為7nm。
從該試驗及上面所描述的內容，顯然能夠看出根據本發明的技術可以提供具有優良流動性和低度分離和飛塵的粉末冶金混合物。
權利要求
1.一種包括含鐵粉末、添加劑、潤滑劑和流動劑的粉末組合物，其特征在于該粉末組合物基本上由含鐵的顆粒物和約0.005％重量—約2％重量的流動劑組成，其中在所述含鐵的顆粒物上通過一種先熔化后固化的潤滑劑粘合了添加劑以形成聚集的顆粒物，并且流動劑顆粒尺寸小于200納米，優選小于40納米。
2.如權利要求1的粉末組合物，其特征在于流動劑的量為0.01-1％重量，最優選為0.025-0.5％重量。
3.根據權利要求1或2的粉末組合物，其特征在于所述流動劑選自鋁、銅、鐵、鎳、鈦、金、銀、鉑、鈀、鉍、鈷、錳、鉛、錫、釩、釔、鈮、鎢及鋯，所述金屬以金屬或金屬氧化物形式使用。
4.根據權利要求1或2的粉末組合物，其特征在于所述流動劑是二氧化硅。
5.根據權利要求4的粉末組合物，其特征在于二氧化硅的顆粒尺寸小于40nm。
6.根據權利要求4的粉末組合物，其特征在于所述流動劑的顆粒尺寸約為1-35nm。
7.根據權利要求1-6的粉末組合物，其特征在于使用了多種潤滑劑的混合物，其中所述潤滑劑中的至少一種在操作過程中會熔化。
8.根據權利要求1-7任一項所述的粉末組合物，其特征在于所述含鐵的顆粒物包括用至少一種合金元素對鐵進行了預合金的鐵的顆粒。
9.根據權利要求1-8任一項所述的粉末組合物，其特征在于所述鐵基粉末包括帶有至少一種合金元素的鐵分散體的顆粒。
10.根據權利要求1-9任一項所述的粉末組合物，其特征在于所述鐵基粉末包括基本上為純鐵的顆粒。
11.根據前述權利要求任一項所述的粉末組合物，其特征在于所述合金元素選自石墨、鐵磷合金及硬態材料。
12.根據前述權利要求任一項所述的粉末組合物，其特征在于所述潤滑劑選自蠟、金屬皂和熱塑性材料。
13.根據權利要求12所述粉末組合物，其特征在于所述熱塑性材料選自聚酰胺、聚酰亞胺、聚烯烴、聚酯、聚烷氧化物、聚醇。
14.根據前述權利要求的任一項所述的粉末組合物，其特征在于所述潤滑劑的使用量基于所述組合物的重量為0.05-3％重量，優選0.2-2％重量，最優選0.5-1.5％重量。
15.根據前述權利要求的任一項所述的粉末組合物，其特征在于所述潤滑劑是一種在室溫下用于擠壓(冷擠壓)的潤滑劑。
16.根據前述權利要求的任一項所述的粉末組合物，其特征在于所述潤滑劑包括硬脂酸鋅和/或亞乙基雙硬脂酰胺。
17.根據前述權利要求的任一項所述的粉末組合物，其特征在于至少一部分所述流動劑的顆粒粘著在所述聚集顆粒上。
18.一種制備用于粉末冶金組件的制備粉末組合物的方法，包括如下步驟-混合并加熱含鐵粉末、粉末添加劑和粉末潤滑劑至高于潤滑劑溶點的溫度；-冷卻所得到的混合物至低于潤滑劑溶點的溫度并保持一段時間以足以固化潤滑劑并將添加劑劑顆粒粘合在含鐵顆粒上以形成聚集顆粒；和-將粒徑小于200納米，優選小于40納米的流動劑與所得到的混合物相混合，所加入的流動劑的用量基于組合物重量為0.005-約2％重量。
19.根據權利要求18的方法，其特征在于所述流動劑的顆粒的尺寸小于40nm。
20.根據權利要求18或19的方法，其特征在于在升高的溫度下加入所述流動劑并與聚集顆粒混合以將至少一部分所述流動劑的顆粒粘著在所述聚集粉末的顆粒上。
21.根據權利要求18-20的方法，其特征在于在低于所述潤滑劑的熔點峰值以下10-30℃加入所述流動劑并與聚集粉末混合。
22.根據要求18-21所述的方法，其特征在于所述方法以連續法進行。
全文摘要
本發明涉及包括含鐵粉末、添加劑、潤滑劑和流動劑的粉末組合物,其特征在于該粉末組合物基本上由含鐵的顆粒物和約0.005%重量—約2%重量的流動劑組成,其中在所述含鐵的顆粒物上通過一種先熔化后固化的潤滑劑粘合了添加劑以形成聚集的顆粒物,并且流動劑顆粒尺寸小于200納米,優選小于40納米。
文檔編號C22C33/02GK1373696SQ00812658
公開日2002年10月9日 申請日期2000年9月7日 優先權日1999年9月9日
發明者J·阿維德森, H·維達森 申請人:赫加奈斯公司