含有粘合润滑剂的金属粉末组合物及含有硬脂酸甘油酯的粘合润滑剂

技术领域

本发明涉及一种用于粉末金属工业的金属粉末组合物。本发明尤其涉及一种含有硬脂酸甘油酯的铁基金属粉末组合物。

背景技术

在工业上，通过压制和烧结铁基粉末组合物制成的金属产品的应用日益广泛。人们正在制造大量形状和厚度各异的不同产品。一种由基体粉末制造这些产品的加工技术是将粉末填装到模腔内，并在高压下将粉末压实。随后将得到的压坯从模腔中取出并烧结。

对这些产品的质量要求不断提高。在质量要求方面，一个重要因素在于制得的产品要具有高且均一的密度。为开发这种产品，在研究中进行了大量努力。此研究中的一个领域涉及润滑，采用润滑来避免在压制过程中模腔上的过度磨损。可以将润滑剂的液相分散体或溶液喷涂到模腔表面上(外部润滑)，或将固体润滑剂粉末与铁基粉末混合(内部润滑)，由此实现润滑。在某些情况下，两种润滑技术都要使用。

使用外部的、模壁润滑剂可以减少或消除对内部润滑剂的需要，但是外部润滑技术存在一些问题。首先，模腔内的薄膜厚度易于变化，且已知润滑剂分散体会在加工过程中从模腔中滴出。此外，含水分散体是模腔上生成锈蚀的来源。另一个问题在于，各种外部润滑剂组合物不一定足以充分降低推顶力，尤其在较高的压制压力下更是如此。最后，作为一项工艺，与内部润滑相比，模壁润滑不能实现高生产率。

通过将固体润滑剂混入铁基粉末组合物中实现的润滑也有缺点。一个问题在于，与大约为7-8g/cm³的铁基粉末相比，润滑剂的密度通常为大约1-1.2g/cm³。组合物中包含不太密实的润滑剂会降低压制部件的生坯密度。其次，当制造高度超过大约2.5-5厘米的部件时，内部润滑剂通常不能充分有效地降低脱模压力。另一个问题在于，当内部润滑剂颗粒在烧结过程中烧尽时，会在压实部件中留下孔隙，这会导致部件的强度降低。许多目前使用的润滑剂也存在着需要高能量将生坯压制件从模具中顶出的缺点。

目前使用的润滑剂的另一个缺点在于，它们通常含有硬脂酸锌。这是由于硬脂酸锌令含有这种硬脂酸盐的金属粉末组合物具有良好的流动性能。在还原性气氛中，这种硬脂酸盐最初分解后留下的氧化锌被还原成锌，由于锌的沸点低，它容易挥发。不幸的是，与加热炉较冷的部分或外部空气接触时，锌易于凝结或再次氧化。由于不得不定期清理加热炉，反应的后果是只得中断生产。

通过使用如蜡之类完全有机的材料能够避免与硬脂酸锌相关的问题。在粉末冶金中最广泛使用的蜡是亚乙基双硬脂酰胺，EBS(可以以Acrawax^TM C或Licowax^TM的名称取得)。这种材料的熔点高(140℃)，但会在相对较低的温度下燃尽而且不留任何金属残渣。最严重的缺点是其在金属粉末中的流动性能差。

本发明特别涉及使用内部润滑的铁基组合物，而且其中润滑是由一种含硬脂酸甘油酯的新型润滑剂组合物提供的。

本发明的硬脂酸甘油酯组合物或混合物的另一应用领域是用作加入金属粉末中的粉状添加剂的粘合剂，这样可以生产完全避免隔离的不掉尘的粉末混合物。

在美国专利5 518 639以及相关的美国专利5 538 684中，已经在用于PM-工业的铁基金属粉末方面提及硬脂酸甘油酯，其公开了含有一种固相润滑剂(例如石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯之类)和一种液相润滑剂的润滑剂组合物，该液相润滑剂是固相润滑剂的粘合剂。该粘合剂可以选自包括聚乙二醇类、聚乙二醇酯类、C_3-6多元醇的偏酯、聚乙烯酯和聚乙烯吡咯烷酮类在内的各种类别的化合物。该粘合剂可在有机溶剂中增溶。在压制金属粉末组合物之前将该润滑剂组合物施用于模腔表面。由此可知，该硬脂酸甘油酯可以用作与外部润滑结合使用的粘合剂，而且，与本发明的润滑剂不同，其在压制前没有与铁基粉末和可选择含有的添加剂混合。

此外，美国专利5 432 223公开了硬脂酸甘油酯可以用作聚乙烯吡咯烷酮中的增塑剂(plastiziser)，聚乙烯吡咯烷酮是一种可用于金属粉末组合物中的粘合剂。

另一项在金属粉末方面提及硬脂酸甘油酯的专利是美国专利6187259。在该专利中，硬脂酸甘油酯作为在用于生产小颗粒的稀土合金粉末中提供疏水性(hydrofobicity)的试剂，与多种其它物质一起被提及。

美国专利5 641 920提到了在用于注射模塑的粉末中使用硬脂酸甘油酯作为增塑剂/相容剂用途。Advances in Powder Metallurgy & ParticulateMaterials，1996中German的论文《烧结中粘合剂和润滑剂的热萃取》(Thermal extraction of binders and lubricants in sintering)也提到了硬脂酸甘油酯。

在最近公布的WO 03/015962中，提到了结合不同的胍类化合物的润滑剂体系中的单硬脂酸甘油酯。与金属粉末结合进行实际测试的体系却不含硬脂酸甘油酯。与本发明相关，已经观察到使用胍类化合物没有任何有益的效果，这也是为什么在本发明的润滑剂/粘合剂体系中不含有此类胍化合物的原因。

发明目标

本发明的一个目标是提供一种含润滑剂的铁基粉末金属组合物，该润滑剂可以使压制件具有高且均一的密度。

本发明的第二个目标是提供一种含润滑剂的铁基粉末金属组合物，该润滑剂可以使压制件仅需低推顶能。

本发明的第三个目标是提供一种具有良好流动性并含有无锌润滑剂的铁基粉末金属组合物。

本发明的第四个目标是提供一种铁基粉末金属组合物，其基本上可以避免掉尘和隔离，而且其中硬脂酸甘油酯被用作粘合剂。

发明概要

根据本发明，通过提供一种含有润滑剂和/或含有硬脂酸甘油酯的粘合剂体系的金属粉末组合物，已经实现了这些目标和其它基于下述说明显而易见的目标。

发明详述

在本说明书和所附权利要求书中使用的说明语“铁基粉末”一词包括由雾化法、优选由水雾化法制备的粉末。或者，该粉末可以海绵状铁为基体。该粉末可以基本上由纯铁，已经与能够提高最终产品的强度、硬度性能、电磁性能或其它所需性能的其它物质预合金化的铁粉，以及与此类合金元素颗粒混合的铁颗粒(扩散退火过的混合物或纯粹机械混合物)所组成。合金元素的实例为铜、钼、铬、镍、锰、磷、石墨形式的碳和钨，这些元素可以单独使用或结合使用—例如，以化合物的形式结合(Fe₃P和FeMo)。当本发明的润滑剂与具有高度可压缩性的铁基粉末结合使用时获得了出乎意料的好结果。通常，此类粉末具有优选低于0.04％(按重量计)的低碳含量。举例来说，此类粉末包括Distaloy AE、Astaloy Mo和ASC100.29，所有这些粉末均可从Hgans AB，Sweden购得。铁基粉末颗粒的重均颗粒尺寸高于约10微米。优选的是最大重均颗粒尺寸最高可达大约350微米的铁颗粒或预合金化的铁颗粒；更优选此颗粒的重均颗粒尺寸在大约25-150微米之间，最优选在40-100微米之间。

本发明的一个关键特征是硬脂酸甘油酯润滑剂。存在三种形式的硬脂酸甘油酯，即单硬脂酸甘油酯、二硬脂酸甘油酯和三硬脂酸甘油酯。在本发明的优选实施方案中，使用含有大约20％二硬脂酸甘油酯的工业级硬脂酸甘油酯。

优选将硬脂酸甘油酯与至少一种其它润滑剂/粘合剂结合使用，该其它润滑剂/粘合剂优选选自由非金属脂肪酸化合物和/或脂肪酸金属盐组成的组。非金属脂肪酸化合物有例如亚乙基双硬脂酰胺、硬脂酸、油酸、油酰胺、硬脂酰胺、亚乙基双油酰胺；脂肪酸金属盐有例如硬脂酸锌、硬脂酸钙和硬脂酸锂。按照本发明的优选实施方案，润滑剂/粘合剂由5-95％(按重量计)的硬脂酸甘油酯和95-5％(按重量计)的其它润滑剂/粘合剂组成。目前该润滑剂/粘合剂的最优选的实施方案是含有5-95％(按重量计)硬脂酸甘油酯和95-5％(按重量计)亚乙基双硬脂酰胺的组合物。本发明的润滑剂/粘合剂最优选含有15-40％(按重量计)的硬脂酸甘油酯和85-60％(按重量计)的亚乙基双硬脂酰胺。如果使用超过95％(按重量计)的硬脂酸甘油酯，会使粉末的性能变差，而且压制部件的表面会发粘。本发明的一个方面涉及这种润滑剂组合物本身。

金属粉末组合物中含有硬脂酸甘油酯的润滑剂/粘合剂的总量可以在0.1到2.0％(按重量计)之间变化，优选在0.1到0.8％(按重量计)之间。

可以以物理混合物的形式使用润滑剂组合物，但是，最优选以固体颗粒熔融并随后固化和微粉化的粉末的形式使用。润滑剂颗粒的平均颗粒尺寸不定，但是优选在3-150微米之间。如果颗粒尺寸太大，润滑剂在压制过程中难以离开金属粉末组合物的孔隙结构，并且润滑剂会在烧结后产生大的孔隙，导致压制件的强度性能降低。

当本发明的硬脂酸甘油酯混合物用作粘合剂时，可以如美国专利5480469中或WO公开01/17716(其内容均经此引用并入本文)中所述那样制备将被压实的金属粉末混合物。如本文所述，当以熔融并随后固化的形式存在时，粘合剂可以有效地实现其粘合作用，也就是说，均匀的粉末混合物与熔融状态的粘合剂接触，此时可以使粘合剂固化。根据我们的观察，已经发现，无须将本发明的润滑剂/粘合剂组合物全部熔融，部分熔融就足够了。

除铁基粉末和本发明的润滑剂/粘合剂外，金属粉末组合物还可以含有一种或多种选自由粘合剂、加工助剂、硬相和流动增强剂组成的组的添加剂。可以按照US-P-4 834 800(其内容经此引用并入本文)中描述的方法将粘合剂加入到粉末组合物中。

用于金属粉末组合物的粘合剂可包括例如纤维素树脂、烷基基团中含1-4个碳原子的羟烷基纤维素树脂或热塑性酚醛树脂。

用于金属粉末组合物的加工助剂可包括滑石、镁橄榄石、硫化锰、硫、二硫化钼、氮化硼、氟化钡、碲、硒、和氟化钙，这些化合物可以单独使用或结合使用。

用于金属粉末组合物的硬相可包括钨、钒、钛、铌、铬、铜、钽、锆的碳化物，以及铝、钛、钒、钼和铬的氮化物、Al₂O₃、B₄C及各种陶瓷材料。

流动增强剂可以是例如二氧化硅或美国专利5 782 954(其内容经此引用并入本文)中公开的其它种类物质的纳米颗粒。

总之，根据本发明尤其优选的粉末组合物是下述金属粉末组合物：其含有金属基粉末；一种或多种粉末状添加剂，其中至少一种添加剂的颗粒通过至少部分熔融、固化的混合物粘接到金属基粉末颗粒上，该混合物由5-95％(按重量计)的硬脂酸甘油酯和95-5％(按重量计)的至少一种选自由非金属脂肪酸化合物和脂肪酸金属盐组成的组的润滑剂所组成。

本发明的另一实施方案涉及下述金属粉末组合物：其含有金属基粉末、可选择含有的一种或多种粉末状添加剂、以及0.1-2.0％(按重量计)的粉末状润滑剂组合物，该润滑剂组合物包含由5-95％(按重量计)的硬脂酸甘油酯和95-5％(按重量计)的至少一种选自由非金属脂肪酸化合物和脂肪酸金属盐组成的组的润滑剂组成的混合物。

借助于常规技术可将铁基粉末和润滑剂颗粒混合成非常均匀的粉末组合物。

实施例

以下非限制性实施例介绍了本发明的某些实施方案和优点。除非另外指明，任何百分比均为重量百分比。

制备表1所列的混合物：

表1

^*单硬脂酸甘油酯

^**亚乙基双硬脂酰胺

所有实施例中的铁基粉末均为ASC100.29，这种铁基粉末是水雾化的高纯度的铁粉，可获自Hgans AB，Sweden。与0.5％的石墨(C-uf4)一起混在粉末组合物中的润滑剂的总量为0.8％。将不同测试混合物中的干燥成分，即铁粉、润滑剂和石墨混合成均匀混合物，并在压实前加到模腔中。在室温下，在400、600和800MPa下对不同的粉末混合物进行压实操作。

测试不同试验混合物的生坯密度(GD)、烧结密度(SD)、推顶能和流动性，结果列示在图1-5中，其中

图1公开了采用含有硬脂酸甘油酯的本发明粉末组合物获得的生坯密度和烧结密度，与含有通常使用的润滑剂EBS的相同粉末相对照。

图2公开了作为生坯密度的函数的顶出能，该生坯密度是采用本发明的粉末组合物获得的，与含有通常使用的润滑剂EBS的相同粉末相对照。

图3公开了作为生坯密度的函数的回弹率，该生坯密度是采用本发明的粉末组合物获得的，与含有通常使用的润滑剂EBS的相同粉末相对照。

图4公开了本发明粉末组合物的流动性和表观密度，与含有通常使用的润滑剂EBS的相同粉末相对照。

实施例2

本实施例阐述了本发明的其它优点。在该实施例中，按照美国专利5480469(Strostrom等人)，使用不同比例的EBS/GMS作为粘合剂/润滑剂。

制备列示在下表2中的粘合剂/润滑剂混合物，EBS和GMS的含量以润滑剂组合物的百分比表示。

表2

将ASC100.29与2％的铜粉、0.5％的石墨和0.6％的表2的润滑剂/粘合剂组合物均匀混合，由此制备四种不同的金属粉末组合物。在混合和粘合剂/润滑剂熔融的过程中，将组合物加热到150℃，并随后将其冷却直到粘合剂/润滑剂固化。

通过单轴压制操作，在600MPa下由这四种金属粉末组合物制造样品，并测量回弹率(SB)、生坯密度(GD)和生坯强度。由下表3可以得出结论，与含EBS作为唯一粘合剂/润滑剂的样品相比，对于含有EBS/GMS混合物的粘合剂/润滑剂组合物的样品，其生坯强度、以及生坯密度和回弹率已经获得了显著的提高。

表3