包含炭黑作為流動增強劑的粉末冶金組合物的制作方法

專利名稱：包含炭黑作為流動增強劑的粉末冶金組合物的制作方法
技術領域：
本發明涉及鐵基粉末冶金組合物。更具體地，本發明涉及包含流動劑以提高流動性而且提高松裝密度的組合物。
背景技術：
用于生產粉末冶金零件的粉末冶金組合物為人們所熟知。生產粉末冶金零件包括將粉末裝填在壓制模具中、壓實粉末以及隨后對壓實體進行燒結。裝填粉末的先決條件是粉末可自由流動并且具有充分的流動性。要獲得能使生產成本更低并且使每個所生產零件的經濟性更高的高生產率，高粉末流速是必要的。
生產效率和經濟性的另一個必要要素是松裝密度。松裝密度對于模具設計來說很重要。松裝密度低的粉末需要更高的裝填高度，這會導致壓制模具不必要地變高，這進而又會導致更長的壓制行程和更低的壓制性能。
先前已知提高流動性能的作用劑。例如US專利3 357 818公開了硅酸可用于此目的。US 5 782 954公開了金屬、金屬氧化物或二氧化硅可用作流動劑。
本發明的目的是提供一種具有提高的粉末性能例如流動性和松裝密度的粉末冶金組合物。

發明內容
已經意外地發現，通過將少量的炭黑添加到鐵基粉末組合物中，可提高粉末組合物的性能。此外，添加受控量的炭黑不會使從新型鐵基組合物制備的生坯和燒結零件的性能惡化，反而甚至會提高這些性能。
具體實施例方式
粉末冶金組合物一般包含鐵粉或鐵基粉末和潤滑劑。所述組合物還可包含粘結劑、石墨和其它合金元素。還可包含硬質相材料、液相成形材料和機械加工性能增強劑。
所述鐵基粉末可以是任意類型的鐵基粉末，例如水霧化鐵粉、還原鐵粉、預合金化鐵基粉末或擴散合金化鐵基粉末。這些粉末例如為鐵粉ASC100.29、包含Cu、Ni和Mo的擴散合金化鐵基粉末Distaloy AB、與Cr和Mo進行預合金化的鐵基粉末Astaloy CrM和Astaloy CrL，所有這些粉末都可從瑞典的Hgans AB獲得。
根據本發明的鐵基粉末組合物中炭黑的量按重量計在0.001％至0.2％之間，優選在0.01％至0.1％之間。炭黑的主要粒度優選在200nm以下，更優選在100nm以下并且最優選在50nm以下。在一優選實施例中，通過BET-方法測得的比表面積在150m2/g至1000m2/g之間。然而，也可使用具有其它的表面積和主要粒度的其它類型的炭黑。
炭黑通常用作橡膠材料中的填料以及用作彩色顏料。它還由于其導電性而用在產品中以減少靜電。在US專利6 602 315中公開了炭黑與鐵粉或鐵基粉末的結合。該專利公開了這樣一種組合物，其中合金粉末通過粘結劑與鐵基粉末相粘結，在所述粘結劑中可加入炭黑。US 6 602 315沒有公開炭黑的任何含量、粒度或作用并且只與粘結材料相關。在專利申請JP7-157838中也公開了一種包含炭黑的粉末組合物。此處炭黑的用途是使基體材料脫氧。
根據本發明的組合物還可包含選自石墨、Cu、Ni、Cr、Mn、Si、V、Mo、P、W、S和Nb的合金元素。
為了提高粉末的可壓縮性并利于生坯部件的頂出，可向粉末冶金組合物中加入潤滑劑或不同潤滑劑的組合。潤滑劑可作為顆粒狀粉末存在或粘結在鐵基粉末的表面。通過加入溶解在溶劑中的粘結劑并隨后使溶劑蒸發，可使潤滑劑粘結到鐵基粉末的表面上。粘結劑也可以其能夠形成包圍鐵基粉末的薄膜的自然的液態形式加入。另一種可選方案是通過將組合物加熱到潤滑劑的熔點以上或加熱到潤滑劑組分中的至少一種的熔點以上，然后使組合物冷卻到所述熔點以下，而將潤滑劑用作粘結劑。
潤滑劑可選自脂肪酸，酰胺蠟例如乙撐雙硬脂酸酰胺(EBS)，或脂肪酸的其它衍生物例如金屬硬脂酸鹽，聚烷撐(polyalkylene)例如聚乙烯、聚乙二醇，氨基聚合物，或氨基低聚物。優選地，潤滑劑選自聚烷撐、酰胺蠟、氨基聚合物或氨基低聚物。
粘結劑選自纖維素酯樹脂、高分子量彈塑性酚醛樹脂、羥烷基纖維素樹脂以及它們的混合物。優選地，粘結劑選自纖維素酯樹脂和羥烷基纖維素樹脂。
其它可能的添加劑為機械加工性能改進劑、硬質相材料和液相成形劑。
根據一優選實施例，炭黑在粘結混合物——即，其中細粉例如合金元素顆粒通過粘結劑粘結在鐵粉顆粒或鐵基粉末顆粒表面上的混合物——中用作流動劑，這是因為這些混合物的流動性能通常較差。當用在粘結混合物中時，炭黑優選在粘結操作已經完成后加入。可通過在混合期間將混合物加熱到粘結劑熔點以上的溫度并冷卻混合物直到粘結劑凝固來完成粘結操作。粘結劑也可通過溶解在溶劑中而加入。在這種情況下，通過采用加熱使溶劑蒸發或通過真空來完成粘結操作。壓實并燒結組合物以獲得最終的粉末金屬零件。
通過下面的非限制性示例對本發明作進一步的說明。
示例1選擇具有根據表1的不同的比表面積和粒度的三種類型的炭黑。比表面積通過BET-方法確定。粒度通過電子顯微鏡檢查法測得并且是指炭黑的主要粒度。
表1

*可從德國的Degussa AG獲得將可從瑞典的Hgans AB獲得的鐵基粉末ASC100.29與按重量計為0.77％的石墨、0.8％的粘結劑/潤滑劑體系(包括0.2％的聚乙烯(Polywax650)和0.6％的乙撐雙硬脂酸酰胺(EBS))相混合。在混合期間將混合物加熱到合成蠟熔點以上的溫度并隨后冷卻。在低于合成蠟熔點的溫度下加入0.03％的炭黑。對根據表1的三種不同類型的炭黑進行了測試。制備兩種混合物作為參照混合物。除了加入0.8％的石墨以及未加入流動劑之外，根據測試混合物制備參照混合物C。在參照混合物R中加入了0.8％的石墨和0.06％的可從Degussa AG獲得的AerosilA-200。
對粉末性能進行了測量。使用根據ISO 4490的標準方法——霍爾流量計(Hall-flow cup)測量流動性，使用標準方法ISO 3923測量松裝密度AD。
在表2中給出粉末性能的結果。
表2

測試表明，與沒有任何流動劑的混合物相比，向粉末冶金混合物中添加炭黑提高了流速和AD。與添加已知的流動劑相比，添加CB1提高了流動性和AD，而與添加流動劑A-200相比，添加CB2和CB3對流動性的提高程度大致相同但是獲得了更高的AD。
示例2選擇炭黑類型CB1來確定對鐵基粉末混合物的最佳添加量。根據示例1的說明來制備混合物。合金元素、粘結劑/潤滑劑、流動劑和石墨的添加量如表3所示。
制備沒有流動劑的參照混合物R1和含有可商購的流動劑——可從Degussa AG獲得的AerosilA-200的參照混合物R2。
表3

將根據ISO 2740的試件在環境溫度下在600MPa的壓力下壓實并且在90/10 N2/H2的氣氛中在1120℃下燒結。在表4中示出根據表3的粉末組合物的機械性能。
表4

從表4可以看到，0.06％的炭黑添加量會影響抗拉強度TS、屈服強度YS和伸長率A。當添加按重量計為0.04％或更低的炭黑量時，對機械性能的影響可以忽略。
示例3示例3表明新型流動劑可以用在溫壓組合物中。如下分別制備3000克的一種測試混合物B5和一種參照混合物R3。
作為參照混合物，將60克的銅粉、24克的石墨、13.5克的可從美國俄亥俄州辛辛那提的Morton International獲得的高溫潤滑劑Promold以及剩余為鐵粉ASC 100.29在加熱到45℃期間完全混合。此外，添加4.5克溶解在丙酮中的纖維素酯樹脂并且使混合物混合5分鐘。在10-30分鐘的第二混合階段期間，在保持材料溫度為45℃的情況下使溶劑蒸發。最后，作為流動劑添加1.8克的AerosilA-200并完全混合。
作為測試混合物，將60克的銅粉、23.1克的石墨、13.5克的可從美國俄亥俄州辛辛那提的Morton International獲得的高溫潤滑劑Promold以及剩余為鐵粉ASC 100.29在加熱到45℃期間完全混合。此外，添加4.5克溶解在丙酮中的纖維素酯樹脂并且使混合物混合5分鐘。在10-30分鐘的第二混合階段期間，在保持材料溫度為45℃的情況下使溶劑蒸發。最后，作為流動劑添加0.9克的炭黑CB1并完全混合。
在120℃的溫度下根據ASTM B 213測量兩種混合物的流動性和AD。從表5可以看到，根據本發明的粉末混合物在AD上獲得了顯著的增加，與包含已知流動劑的組合物相比，包含新型流動劑的組合物獲得了大致相同的流速。
表5

示例4示例4表明新型流動劑可與不同的鐵基粉末結合使用。根據示例1的方法制備混合物并且使用與示例1相同的粘結劑/潤滑劑體系。表6中示出所用的鐵基粉末和添加劑的量。標識RA、RB、RC、RE和RF表示混合物是包含0.06％的可從Degussa AG獲得的流動劑Aerosil A-200的參照混合物。標識C、E和F表示混合物是沒有任何流動劑的參照混合物。在所有混合物中都使用了炭黑CB1。所用的鐵粉或鐵基粉末為ASC 100.29，一種來自于Hgans AB的霧化的普通鐵粉；Distaloy AB，一種來自于Hgans AB的包含Cu、Ni和Mo的擴散合金化鐵基粉末；Astaloy CrM，一種來自于Hgans AB的包含Cr和Mo的預合金化鐵基粉末；Astaloy CrL，一種來自于Hgans AB的包含Cr和Mo的預合金化鐵基粉末。
表6

測量粉末混合物的粉末性能。將根據ISO 2740的試件在環境溫度下在600MPa的壓力下壓實并且在90/10 N2/H2的氣氛中在1120℃下燒結。確定機械性能，例如生坯強度GS、尺寸變化DC和燒結密度SD，結果顯示在表7中。
表7

表7表明，與包含已知流動劑的混合物相比，炭黑在具有不同基粉的混合物中提高了流動性、AD和生坯強度。
示例5示例5表明新型流動劑還提高了沒有任何粘結劑的普通混合物(非粘結混合物)的流動性。制備了包含鐵粉ASC 100.29、2％的銅粉、0.5％的石墨、0.8％的作為潤滑劑的乙撐雙硬脂酸酰胺和根據表8的不同量的炭黑CB1的三種混合物。使用沒有任何炭黑的混合物作為參照混合物。對不同混合物的流速進行了測量。
表8

從表8可以看到，向非粘結混合物中添加炭黑提高了流速。
權利要求
1.一種包含鐵粉或鐵基金屬粉末、潤滑劑和/或粘結劑以及炭黑的粉末冶金組合物，其中炭黑的量按重量計在0.001％至0.2％之間，優選在0.01％至0.1％之間。
2.根據權利要求1所述的粉末冶金組合物，其特征在于，炭黑的粒度在200nm以下，優選在100nm以下并且更優選在50nm以下。
3.根據權利要求1或2所述的粉末冶金組合物，其特征在于，比表面積在100m2/g以上，優選在150m2/g以上并且更優選在200m2/g以上。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的粉末冶金組合物，其特征在于，該粉末冶金組合物還包含選自合金元素、機械加工性能改進劑、硬質相材料和液相成形劑的添加劑。
5.根據權利要求4所述的粉末冶金組合物，其特征在于，所述合金元素選自石墨、Cu、Ni、Cr、Mn、Si、V、Mo、P、W、S和Nb。
6.根據權利要求5所述的粉末冶金組合物，其特征在于，至少一種選自石墨和Cu的合金元素的顆粒粘結在鐵粉顆粒或鐵基粉末顆粒上。
7.炭黑作為流動增強劑在鐵基粉末組合物中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種包含鐵粉或鐵基粉末和少量即0.001－0.2wt％的炭黑的粉末冶金組合物。炭黑用作流動增強劑。
文檔編號B22F3/00GK1976774SQ200580021375
公開日2007年6月6日 申請日期2005年7月1日 優先權日2004年7月2日
發明者N·索利姆亞德 申請人:霍加納斯股份有限公司