СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕССОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ И ПОРОШОК НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, СОДЕРЖАЩИЙ СМАЗОЧНОЕ ВЕЩЕСТВО Российский патент 2009 года по МПК B22F3/02 C22C33/02 

Область техники

Данное изобретение касается смазочных веществ для композиций из металлургических порошков (ПМ). Конкретно, данное изобретение касается композиций из порошка железа или на основе железа, включающих жидкие смазочные вещества.

Уровень техники

В промышленности использование металлических изделий, получаемых путем прессования и спекания композиций из металлических порошков, находит все более широкое применение. Изготавливают ряд различных изделий, имеющих разнообразные формы и толщину, при этом предъявляются различные требования к качеству получаемых изделий в зависимости от их конечного использования. С целью удовлетворения различных требований в области порошковой металлургии был разработан широкий спектр композиций из порошка железа или на основе железа.

Один из способов обработки для получения деталей из таких порошковых композиций включает загрузку порошковой композиции в полость матрицы и ее прессование под высоким давлением. Полученную неспеченную деталь затем удаляют из полости матрицы. Во избежание излишнего износа полости матрицы во время процесса прессования обычно используют смазочные вещества. Смазывание обычно осуществляют, смешивая твердые частицы смазочного порошка с порошком на основе железа (внутренняя смазка) либо распыляя жидкую дисперсию или раствор смазочного вещества на поверхность полости матрицы (внешняя смазка). В некоторых случаях используют оба способа смазывания.

Смазывание путем подмешивания твердого смазочного вещества в порошковую композицию на основе железа широко используется, поэтому постоянно разрабатываются новые твердые смазочные вещества. Такие твердые смазочные вещества обычно имеют плотность около 1-2 г/см³, которая является очень низкой по сравнению с плотностью порошка на основе железа, составляющей около 7-8 г/см³. Кроме того, на практике твердые смазывающие вещества должны быть использованы в количествах, составляющих по меньшей мере 0,6 мас.% от порошковой композиции. В результате включение таких менее плотных смазочных веществ в композицию понижает плотность до спекания прессованной детали.

Жидкие смазочные вещества в сочетании с порошками железа для получения прессованных деталей описаны в патенте США 3728110. Согласно данному патенту смазочное вещество должно быть использовано в сочетании с гелем из пористых частиц оксида. Более того, примеры данного патента также иллюстрируют использование известного твердого смазывающего вещества (стеарата цинка). Подвергнутый испытанию порошок железа представляет собой электролитический порошок размером менее 80 меш (номер сита согласно стандарту США). Патент США 4002474 также касается жидких смазочных веществ. Согласно данному патенту используются дискретные, разрушающиеся под давлением микрокапсулы. Микрокапсулы включают ядро и твердую оболочку, окружающую ядро и включающую органическое жидкое смазывающее вещество. Согласно системе для смазывания, описанной в патенте США 6679935, смазывающее вещество, которое является твердым в условиях окружающей среды, плавится под давлением во время прессования металлических деталей, при этом система для смазывания образует жидкую фазу вдоль стенок полости, в которой прессуется порошок. Однако в современной технологии ПМ жидкие смазывающие вещества per se не имели успеха.

Было неожиданно обнаружено, что в результате соединения определенного вида порошков железа или порошков на основе железа с конкретным видом жидких органических веществ в качестве смазочных материалов могут быть получены прессованные изделия, имеющие не только высокую плотность, но и, как было установлено, такие прессованные изделия могут быть вытолкнуты из матриц со сравнительно небольшими усилиями. Более того, оказалось, что такие смазывающие вещества эффективно предотвращают износ стенок матрицы, при этом поверхности прессованных деталей не имеют недостатков. В отличие от патента США 3728110 отсутствует необходимость использования геля из пористых частиц оксида.

Сущность изобретения

Вкратце данное изобретение касается способа получения прессованных и спеченных деталей с использованием жидкого смазочного вещества. Данное изобретение также касается порошковой композиции, включающей железо или порошок на основе железа, необязательные легирующие элементы и жидкое органическое смазочное вещество.

Подробное описание изобретения

Виды порошков

Подходящие металлические порошки, которые могут быть использованы в качестве исходных материалов для процесса прессования, представляют собой порошки, полученные из металлов, таких как железо. Легирующие элементы, такие как углерод, хром, марганец, молибден, медь, никель, фосфор, сера и т.д., могут быть добавлены в виде частиц, подвергнутых предварительному или диффузионному легированию с целью модификации свойств продукта окончательного спекания. Порошки на основе железа могут быть выбраны из группы, состоящей из по существу чистых порошков из железа, подвергнутых диффузному легированию частиц на основе железа, а также смеси частиц железа или частиц на основе железа и легирующих элементов. Что касается формы частиц, она предпочтительно является неправильной, получаемой путем распыления воды. Интерес могут также представлять губчатые железные порошки с частицами неправильной формы.

Что касается деталей ПМ для имеющих высокий спрос видов применения, особенно многообещающие результаты были получены при использовании предварительно легированных, полученных распылением воды порошком, включающих небольшое количество одного или более таких легирующих элементов, как Мо и Cr. Примерами таких порошков служат порошки, имеющие химический состав, соответствующий химическому составу Astaloy Мо (1,5% Мо) и Astaloy 85 Мо (0,85% Мо), а также Astaloy CrM (3 Cr, 0,5 Мо) и Astaloy CrL (1,5 Cr, 0,2 Мо) от Нäganäs AB, Sweden.

Критическим признаком данного изобретения является то, что порошок состоит из крупных частиц, т.е. порошок по существу не имеет мелких частиц. Фраза "по существу не имеет мелких частиц" означает, что менее приблизительно 10%, предпочтительно - менее приблизительно 5% частиц порошка имеют размер менее 45 мкм, измеряемый способом, описанным в SS-EN 24497. Средний диаметр частиц обычно составляет от 75 до 300 мкм, а количество частиц, имеющих размер более 212 мкм, обычно составляет более 20%. Максимальный размер частиц может составлять около 2 мм.

Размер частиц на основе железа, обычно используемых в области ПМ, распределен согласно кривой гауссова распределения со средним диаметром частиц в районе до 100 мкм, при этом около 10-30% частиц имеют размер менее 45 мкм. Таким образом, порошки, используемые согласно настоящему изобретению, имеют гранулометрический состав, отличный от обычно используемого состава. Такие порошки могут быть получены путем удаления более мелких фракций порошка либо путем получения порошка, имеющего желаемый гранулометрический состав.

Таким образом, подходящий гранулометрический состав вышеупомянутых порошков, имеющих химический состав, соответствующий химическому составу Astaloy 85, может быть таким, при котором максимально 5% частиц имеют размер менее 45 мкм, а средний диаметр частиц обычно составляет от 106 до 300 мкм. Соответствующие подходящие величины для порошка, имеющего химический состав, соответствующий Astaloy CrL, являются такими, при которых менее 5% частиц имеют размер менее 45 мкм, а средний диаметр частиц обычно составляет от 106 до 212 мкм.

Смазывающее вещество

Смазывающее вещество согласно настоящему изобретению отличается тем, что оно является жидким при температуре окружающей среды, т.е. температура плавления кристаллов должна составлять менее 25°С.

Кроме того, вязкость (η) при 40°С должна составлять более 15 мПА·с в зависимости от температуры согласно следующей формуле:

10 log η=k/T+С,

где угловой коэффициент k предпочтительно более 800;

Т означает температуру по шкале Кельвина;

С является постоянной.

Виды веществ, удовлетворяющие вышеперечисленным критериям, представляют собой невысыхающие масла, такие как различные минеральные масла, жирные кислоты растительного или животного происхождения, такие как олеиновая кислота, а также жидкие вещества, такие как полиалкиленгликоли, например, ПЭГ 400. Такие смазочные масла могут быть использованы в сочетании с определенными добавками, такими как реологические модификаторы, противозадирные добавки, добавки против холодной сварки, ингибиторы окисления и ингибиторы коррозии.

Подходящее для смазывания количество силанового соединения описанного в WO 2004/037467 типа также может быть включено в порошковую смесь. Конкретно силановое соединение может представлять собой алкилалкокси- или полиэфиралкоксисилан, в котором алкилгруппа алкилалкоксисилана и полиэфирная цепь полиэфиралкоксисилана содержат от 8 до 30 атомов углерода, а алкоксигруппа содержит 1-3 атома углерода. Примерами таких соединений являются октил-три-метоксисилан, гексадецил-три-метоксисилан и полиэтиленэфир-триметоксисилан с 10 этиленэфирными группами.

Смазывающее вещество может составлять от 0,04 до 0,4 мас.% металлопорошковой композиции согласно данному изобретению. Количество смазывающего вещества предпочтительно составляет от 0,1 до 0,3 мас.%, а наиболее предпочтительно - от 0,1 до 0,25 мас.%. Возможность использования очень небольших количеств смазочного вещества согласно настоящему изобретению является особенно выгодной, поскольку она позволяет получать прессовки и спеченные изделия с высокой плотностью, особенно при отсутствии необходимости соединения таких смазочных веществ с твердым смазочным веществом.

Химически жидкое смазочное вещество, используемое согласно настоящему изобретению, может быть более или менее идентично органическим веществам или предложено в качестве связующих в композициях из железа или на основе железа. Однако в таких случаях композиции включают твердое смазочное вещество.

Для получения спеченных металлических деталей, имеющих удовлетворительные механические свойства после спекания, согласно настоящему изобретению может возникнуть необходимость добавления графита к прессуемой порошковой смеси. Таким образом, графит в количествах 0,1-1, предпочтительно 0,2-1,0, более предпочтительно 0,2-0,7 и наиболее предпочтительно 0,2-0,5 мас.% от общей массы прессуемой смеси может быть добавлен перед прессованием. Однако при некоторых видах использования добавление графита является необязательным.

Прессование

Общепринятое прессование при высоком давлении, т.е. свыше приблизительно 600 МПа, обычно используемых порошков, включающих более мелкие частицы, в смеси с небольшим количеством смазывающих веществ (менее 0,6 мас.%) обычно считается неподходящим из-за слишком больших усилий, необходимых для выталкивания прессовок из матрицы, сопутствующего сильного износа матрицы и того, что поверхности деталей становятся менее блестящими или ухудшаются. При использовании порошков и жидких смазывающих веществ согласно настоящему изобретению было неожиданно обнаружено, что усилие выталкивания снижается при высоком давлении, выше приблизительно 800 МПа, и что детали, имеющие приемлемые или даже безупречные поверхности могут быть также получены при отсутствии смазывания стенок матрицы. Прессование может быть осуществлено при помощи стандартного оборудования, что означает, что новый способ может быть осуществлен без высоких затрат. Прессование осуществляют одноосно, за одну стадию при температуре окружающей среды или повышенной температуре. Для реализации преимуществ настоящего изобретения прессование должно предпочтительно продолжаться до получения плотности свыше 7,45 г/см³.

Далее данное изобретение проиллюстрировано следующими неограничивающими примерами.

В качестве жидких смазывающих веществ были использованы вещества, перечисленные в таблице 1.

Таблица 1Смазочное веществоВидТорговое названиеАПолиэтиленгликоль, молекулярный вес 400ПЭГ 400ВВеретенное масло CМасло для волочения на основе сложного синтетического эфираNimbus 410DТрансмиссионное маслоHydro JolnerЕЧастично синтетическое моторное маслоFrico 10W/40FМасло для обработки резанием на основе сложного эфираCutway Bio 250GРапсовое масло HПолисилоксан, вязкость 100 мПА·с при температуре 20°СМасло Silcone 100

В таблице 2 представлена вязкость при различных температурах жидких используемых смазочных веществ.

Таблица 2Т (°С)Вязкость η (мПА·с) АВСDЕFGH3073,010,7 45,6 72,546,988,04047,07,778,331,485,450,232,773,25032,05,953,021,656,535,824,162,56023,04,939,015,939,126,718,052,47017,54,030,412,128,420,614,244,88013,53,423,19,521,416,311,539,0

В таблице 3 показана зависимость температуры от вязкости.

Таблица 3Формула: 10 log η=k/T+C (Т в К)Смазочное веществоАВСDEFGHk1563105114411466166113881308759с-3,316-2,462-2,725-3,189-3,387-2,732-2,659-0,561

Невысыхающие смазочные масла или иные жидкие смазочные вещества согласно данному изобретению имеют вязкость, рассчитанную согласно приведенной формуле, удовлетворяющей следующим требованиям: k>800, при этом вязкость при 40°С составляет >15 мПА·с.

Пример 1

Были приготовлены различные смеси общей массой 3 кг. В качестве порошка на основе железа был использован порошок, имеющий химический состав, соответствующий Astaloy 85 Мо, и гранулометрический состав согласно нижеприведенной таблице 4.

Таблица 4Размер частиц μmмас.%>5000425-5001,9300-42520,6212-30027,2150-21220,2106-15013,875-1066,245-755,9<454,2

180 г порошка на основе железа интенсивно перемешивают с 7,5 г жидких смазочных веществ в отдельном смесителе, получая в результате так называемую "маточную смесь".

К оставшемуся порошку на основе железа в смесителе Ludiger добавляют 9 г графита и интенсивно перемешивают в течение 2 минут. Затем добавляют маточную смесь и готовую смесь перемешивают в течение еще 3 минут.

Результаты измерения потока Carney и насыпной плотности полученных смесей представлены ниже в таблице 5.

Таблица 5 АВСDEFGHПоток Carney (сек/100 г)15,414,214,914,815,615,114,412,9AD2,882,953,032,982,993,023,073,09

Полученные смеси переносят в матрицу и прессуют в виде цилиндрических образцов для испытаний диаметром 25 мм при одноосном движении пресса и давлении прессования, составляющем 1100 МПа. Во время выталкивания спрессованных образцов измеряют статические и динамические усилия выталкивания, а также общую энергию выталкивания, необходимую для выталкивания образцов из матрицы. В таблице 6 представлены результаты измерений усилий выталкивания, энергии выталкивания, плотность до спекания, внешний вид поверхности и общие свойства различных образцов.

Таблица 6 АВСDEFGHЭнергия выталкивания, J/см²83827784747278196Стат. усилия выталкивания kN2332242723232151Дин. усилия выталкивания kN2732252924242777Внешний вид поверхностиБезупречныйПоцарапанныйБезупречныйТусклый, слегка поцарапанныйБезупречныйБезупречныйПоцарапанныйСильные задирыПлотность до спекания, г/см³7,637,617,607,597,607,607,6 07,61Общие свойстваХорошиеНеприемлемыеХорошиеПриемлемыеХорошиеХорошиеХорошиеНеприемлемые

Пример 2

Были получены три различные смеси согласно примеру 1, содержащие смазочные вещества А, С, F и G, при этом образцы согласно примеру 1 были спрессованы при различных температурах прессования. В таблице 7 представлены результаты измерений усилий выталкивания и энергии, необходимой для выталкивания образцов из матрицы, внешний вид поверхности вытолкнутых образцов и плотность образцов до спекания.

Таблица 7 Энергия выталкивания, J/см²Стат. усилия выталкивания kNДинам. усилия выталкивания kNВнешний вид поверхностиПлотность до спекания, г/см³Комнатная температура, °С772425Безупречный7,6040722325″7,6160742622″7,6270743721″7,61А832327Безупречный7,6340772523″7,6360732221″7,6370782623″7,61G782127Поцарапанный7,60401044731Задиры7,61F
Комнатная температура722324Безупречный7,6070752921″7,61

Пример 3

Данный пример иллюстрирует влияние добавляемого количества смазывающего вещества А и смазывающего вещества С на усилие выталкивания и энергию, необходимую для выталкивания спрессованного образца из матрицы, а также внешний вид поверхности вытолкнутых образцов. Были получены смеси согласно примеру 1, за исключением того, что количество добавляемого смазочного вещества составило 0,20 и 0,15%. Образцы согласно примеру 1 были спрессованы при комнатной температуре (RT). В таблице 8 представлены результаты измерений усилий выталкивания и энергии, необходимой для выталкивания образцов из матрицы, а также внешний вид поверхностей вытолкнутого образца.

Таблица 81100 МРа, комнатная температураЭнергия выталкивания, J/см²Стат. усилия выталкивания kNДинам. усилия выталкивания kNВнешний вид поверхностиПлотность до спекания, г/см³С0,25%772425Безупречный7,600,20%842729Безупречный7,620,15%1062737Слегка поцарапанный7,63А0,25%832327Безупречный7,630,20%773326Тенденция к задиранию7,630,15%873030Задиры7,65

Пример 4

Данный пример иллюстрирует влияние гранулометрического состава на усилие выталкивания и энергию, необходимую для выталкивания спрессованного образца из матрицы, а также влияние гранулометрического состава на внешний вид поверхностей вытолкнутого образца при использовании жидких смазочных веществ согласно данному изобретению.

Пример 1 повторяют, за исключением того, что в качестве "тонкодисперсного порошка" был использован Astaloy 85 Мо. Количество частиц Astaloy 85 Мо размером менее 45 мкм составляет 20%, а количество частиц размером более 150 мкм обычно составляет 15%.

В таблице 9 представлены результаты измерений усилий выталкивания и энергии, необходимой для выталкивания образцов из матрицы, а также внешний вид поверхностей вытолкнутого образца.

Таблица 9 Смазочное вещество ССмазочное вещество АКрупнодисперсный порошокТонкодисперсный порошокКрупнодисперсный порошокТонкодисперсный порошокЭнергия выталкивания, J/см²7713483154Статич. усилия выталкивания kN24342333Динам. усилия выталкивания kN25552766Внешний вид поверхностиБезупречныйЗадирыБезупречныйЗадирыПлотность до спекания, г/см³7,607,567,637,56Общие свойстваХорошиеНеприемлемыеХорошиеНеприемлемые

Из вышеприведенных таблиц очевидно, что композиции, включающие крупнодисперсный порошок и вид вышеописанных жидких смазочных веществ, могут быть спрессованы до высокой степени плотности до спекания с получением прессовок, имеющих безупречную отделку поверхности.

Пример 5

Были приготовлены три пятикилограммовые порошковые смеси на основе железа. В качестве порошка на основе железа был использован предварительно легированный порошок, содержащий около 1,5% Cr и около 0,2% Мо, в котором около 3% крупных частиц имеют размер менее 45 мкм, а около 30% - более 212 мкм.

Были приготовлены две смеси для испытаний; смесь для испытаний 1 содержит, помимо порошка на основе железа 0,25% графита, 0,15% гексадецил-три-метоксисилана и 0,15% смазочного вещества С.

Смесь для испытаний 2 содержит такой же материал, за исключением того, что было использовано 0,255% гексадецил-три-метоксисилана и 0,045% смазочного вещества С.

В сравнительной смеси в качестве смазочного вещества было использовано 0,30% гексадецил-три-метоксисилана.

Полученные порошковые металлургические смеси были спрессованы при трех различных давлениях прессования в виде цилиндров, имеющих высоту 25 мм и диаметр также 25 мм. Во время выталкивания деталей были измерены усилия выталкивания и общая энергия, необходимая для их выталкивания из матрицы. В таблице 10 указаны давления прессования и полученные результаты.

Таблица 10 Давление выталкивания (МПа)Энергия выталкивания (J/см²)Внешний вид поверхностиСмесь для испытаний 170073БезупречныйСмесь для испытаний 195077БезупречныйСмесь для испытаний 1110067БезупречныйСмесь для испытаний 2700He измеряласьЗадирыСмесь для испытаний 2950Не измеряласьЗадирыСмесь для испытаний 2110085Тенденция к задираниюСмесь для сравнения700Не измеряласьЗадирыСмесь для сравнения950Не измеряласьЗадирыСмесь для сравнения1100104Задиры

Как следует из результатов, представленных в таблице 10, добавление смазочных веществ согласно данному изобретению позволяет снизить энергию выталкивания и обеспечивает выталкивание без каких-либо задиров по сравнению с результатами, полученными при использовании сравнительных образцов.

Пример 6

Пример 5 повторяют, за исключением того, что прессование осуществляют при повышенной температуре, составляющей 60°С. Результаты представлены в таблице 11.

Таблица 11 Давление выталкивания (МРа)Энергия выталкивания (J/см²)Внешний вид поверхностиСмесь для испытаний 170075БезупречныйСмесь для испытаний 195063БезупречныйСмесь для испытаний 1110057БезупречныйСмесь для испытаний 270074БезупречныйСмесь для испытаний 295064БезупречныйСмесь для испытаний 2110059БезупречныйСмесь для сравнения700Не измеряласьЗадирыСмесь для сравнения950Не измеряласьЗадирыСмесь для сравнения110080Тенденция к задиранию

Положительное влияние повышенной температуры во время выталкивания показано в таблице 11 как для испытуемого, так и сравнительного образцов.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения изделий на основе железа из композиций, содержащих порошок на основе железа и жидкое смазочное вещество. Порошковую композицию получают смешиванием крупнодисперсных частиц порошка железа или порошка на основе железа и 0,04-0,4 мас.% смазочного вещества с температурой плавления ниже 25°С и вязкостью, рассчитанной по формуле 10 log η=k/T+С, где η - вязкость; k - угловой коэффициент предпочтительно более 800; Т - температура по шкале Кельвина; С - постоянная. Вязкость составляет более 15 мПа·с при 40°С. Смазочное вещество представляет собой по меньшей мере одно вещество из группы: невысыхающее масло и жирная кислота растительного или животного происхождения. Для получения изделий порошковую композицию прессуют под давлением выше приблизительно 800 МПа. Использование композиции позволяет получить изделие с высокой плотностью и снизить усилие выталкивания прессовки из матрицы. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 табл.

1. Способ получения прессованных изделий, включающий следующие стадии:

a) получение композиции смешиванием крупнодисперсных частиц порошка железа или порошка на основе железа и смазочного вещества в количестве от 0,04 до 0,4 мас.% композиции, имеющего температуру плавления кристаллов ниже 25°С, вязкость (η) при 40°С более 15 мПа·с, при этом упомянутая вязкость зависит от температуры согласно следующей формуле

10 log η=k/T+C,

в которой k означает угловой коэффициент и имеет значение более 800,

Т означает температуру по шкале Кельвина, а С является постоянной,

и

b) прессование полученной композиции под давлением выше приблизительно 800 МПа.

10 log η=k/T+С,

в которой k означает угловой коэффициент и имеет значение более 800,

Т означает температуру по шкале Кельвина, а С является постоянной,

и дополнительные добавки.