ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ, ВКЛЮЧАЮЩАЯ САЖУ В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТЕКУЧЕСТИ Российский патент 2009 года по МПК B22F1/00 C22C33/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к порошковым металлургическим композициям на основе железа. Более конкретно, настоящее изобретение относится к композициям, содержащим добавки для повышения текучести, а также для увеличения насыпной плотности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Использование порошковых металлургических композиций для получения изделий порошковой металлургии хорошо известно. Получение таких изделий включает загрузку порошка в устройство для прессования, прессование порошка и последующее спекание прессованного изделия. Необходимое условие при загрузке порошка заключается в том, чтобы порошок являлся сыпучим и обладал достаточной текучестью. Высокий уровень текучести порошка является существенным для достижения высокой производительности, обеспечивая более низкую производственную стоимость и большую экономию для каждой изготавливаемой детали.

Другим важным фактором для эффективного и экономичного производства является насыпная плотность. Насыпная плотность является существенной для конструкции устройства. У порошка с низкой насыпной плотностью высота загрузки является большей, что требует использования излишне высоких прессовых штампов и, в свою очередь, приводит к более длинному ходу при уплотнении и к более низкой производительности прессования.

Агенты для улучшения текучести были известны ранее. Так, в патенте США 3357818 указано, что для этой цели может быть использована кремниевая кислота. В патенте США 5782954 указано, что в качестве добавок для улучшения текучести могут быть использованы металлы, оксиды металла или оксид кремния.

Целью настоящего изобретения является разработка порошковой металлургической композиции с улучшенными порошковыми свойствами порошка, такими как текучесть и насыпная плотность.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Было неожиданно обнаружено, что в результате добавления небольшого количества сажи к порошковой композиции на основе железа свойства порошковой композиции могут быть улучшены. Кроме того, добавление контролируемых количеств сажи не только не ухудшает свойства неспеченных и спеченных деталей, полученных из новой композиции на основе железа, но даже и улучшает их.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обычно порошковые металлургические композиции содержат железный порошок или порошок на основе железа и смазывающее вещество. Композиция может также включать связывающий агент, графит и легирующие элементы. Также могут быть включены твердофазный материал, формирующий жидкую фазу материал и агенты, улучшающие механическую обрабатываемость.

Порошок на основе железа может представлять собой любой порошок на основе железа, такой как распыляемый водой железный порошок, восстановленный железный порошок, предварительно легированный порошок на основе железа или диффузионно-легированный порошок на основе железа. Такими порошками являются, например, железный порошок ASC100.29, диффузионно-легированный порошок на основе железа Distaloy АВ, содержащий Cu, Ni и Мо, порошок на основе железа Astaloy CrM и Astaloy CrL, предварительно легированные Cr и Мо, выпускаемые Höganäs, Sweden.

Содержание сажи в порошковой композиции на основе железа согласно данному изобретению составляет от 0,001 до 0,2% мас., предпочтительно от 0,01 до 0,1% мас. Первичный размер частиц сажи предпочтительно составляет менее 200 нм, более предпочтительно менее 100 нм, наиболее предпочтительно менее 50 нм. Удельная площадь поверхности, измеряемая способом ВЕТ, составляет в предпочтительном варианте от 150 до 1000 м²/г. Однако могут быть использованы и другие виды сажи, имеющие другую удельную площадь поверхности и первичный размер частиц.

Сажу обычно используют в качестве наполнителя в резиновом материале и в качестве красящих пигментов. Благодаря ее низкой электрической проводимости ее также используют в изделиях для снижения уровня статического электричества. Сажа в сочетании с железом или порошками на основе железа описана в патенте США 6602315. В данном патенте описана композиция, в которой легирующий порошок связан с порошком на основе железа связующим, к которому может быть добавлена сажа. Не упоминая ни содержания, ни размера частиц или действия сажи, патент США 6602315 касается только связующего материала. В патентной заявке JP 7-157838 также описана порошковая композиция, содержащая сажу. Целью включения сажи согласно данному документу является раскисление материала основы.

Композиции согласно настоящему изобретению могут также включать легирующие элементы, выбранные из группы, включающей графит, Cu, Ni, Cr, Mn, Si, V, Mo, P, W, S и Nb.

С целью улучшения прессуемости порошка и облегчения выталкивания неспеченного изделия к порошковой металлургической композиции может быть добавлено смазывающее вещество или смесь различных смазывающих веществ. Смазывающее вещество может присутствовать в виде частиц порошка либо быть связано с поверхностью порошка на основе железа. В результате добавления связующего агента, растворенного в растворителе, и последующего выпаривания растворителя смазывающее вещество может быть связано с поверхностью порошка на основе железа. Связующее может быть также добавлено в своем натуральном жидком состоянии, обеспечивая возможность формирования пленки вокруг порошка на основе железа. Другой альтернативой является использование смазывающих веществ в качестве связующих агентов путем нагревания композиции выше точки плавления смазывающего вещества или выше точки плавления по меньшей мере одного из компонентов смазывающего вещества с последующим охлаждением композиции до температуры ниже точки плавления.

Смазывающие вещества могут быть выбраны из группы, включающей жирные кислоты, амидные воски, такие как этиленбисстеарамид (EBS), или другие производные жирных кислот, такие как стеараты металлов, полиалкилены, такие как полиэтилен, полигликоли, амидные полимеры или амидные олигомеры. Смазывающие вещества предпочтительно выбирают из группы, включающей полиалкилены, амидные воски, амидные полимеры или амидные олигомеры.

Связующие выбирают из группы, включающей смолы сложных эфиров целлюлозы, высокомолекулярные термопластичные фенольные смолы, гидроксиалкилцеллюлозные смолы и их смеси. Связующие предпочтительно выбирают из группы, включающей смолы сложных эфиров целлюлозы и гидроксиалкилцеллюлозные смолы.

Другие возможные добавки представляют собой улучшающие механическую обрабатываемость агенты, твердофазный материал и формирующий жидкую фазу агент.

Согласно предпочтительному варианту сажу используют в качестве добавки для повышения текучести в смесях, содержащих связующее, то есть смесях, в которых тонкодисперсный порошок, например, частиц легирующего элемента связан при помощи связующего агента с поверхностью частиц железа или порошка на основе железа, поскольку такие смеси часто имеют низкую текучесть. При использовании в таких смесях сажу предпочтительно добавляют после осуществления операции связывания. Операция связывания может быть осуществлена путем нагревания смеси во время смешивания до температуры выше точки плавления связующего агента и охлаждения смеси до затвердения связующего. Связующее может быть также добавлено после его растворения в растворителе. В таком случае операцию связывания осуществляют путем выпаривания растворителя нагреванием или в вакууме. Композицию прессуют и спекают, получая готовое изделие.

Далее данное изобретение проиллюстрировано следующими неограничивающими примерами.

Пример 1

Согласно таблице 1 отбирают три вида сажи с различными удельными площадями и размерами частиц. Удельную площадь поверхности определяют способом ВЕТ. Размер частиц, представляющий собой первичный размер частиц сажи, измеряют при помощи электронной микроскопии.

Таблица 1ВидУдельная площадь
поверхности (м²/г)Первичный размер частиц (нм)СВ1*100030СВ2*25018СВ3*15023* может быть приобретен у Degussa AG, Germany

Порошок на основе железа ASC100.29, выпускаемый Höganäs, Sweden, смешивают с 0,77% мас. графита, 0,8% системы связующее/смазывающее вещество (включающее 0,2% полиэтилена (Polywax 650) и 0,6% этиленбисстеарамида (EBS)). Смесь нагревают во время смешивания до температуры выше точки плавления Polywax, а затем охлаждают. При температуре ниже точки плавления Polywax добавляют 0,03% сажи. Испытанию подвергают три различных вида сажи согласно таблице 1. Две смеси готовят в качестве сравнительных смесей. Сравнительную смесь С готовят так же, как и смеси для испытаний, за исключением того, что добавляют 0,8% графита и не добавляют повышающую текучесть добавку. К сравнительной смеси R добавляют 0,8% графита и 0,6% Aerosil® А-200, выпускаемого Degussa AG.

Определяют свойства порошков. Текучесть определяют при помощи стандартного способа, калибровочной воронки Холла для определения текучести, согласно ISO 4490, а насыпную плотность AD измеряют, используя стандартный способ ISO 3923.

Результаты определения свойств порошков представлены в таблице 2.

Таблица 2ОбразецСостав порошкаТекучесть
(с/50 г)Насыпная плотность (г/см³)CASC100.29+0,8%С+0,8% смазывающего вещества30,03,06RASC100.29+0,8%С+0,8% смазывающего вещества+0,6%
А-20025,43,11СВ1ASC100.29+0,77%С+0,8% смазывающего вещества+0,03 СВ123,03,29СВ2ASC100.29+0,77%С+0,8% смазывающего вещества+0,03 СВ226,43,15СВ3ASC100.29+0,77%С+0,8% смазывающего вещества+0,03 СВ325,83,14

Испытания показывают, что добавление сажи к порошковой металлургической смеси улучшает текучесть и насыпную плотность по сравнению со смесью, не содержащей повышающую текучесть добавку. Добавление СВ1 улучшает текучесть и насыпную плотность по сравнению с добавлением известной повышающей текучесть добавки, в то время как добавление СВ2 и СВ3 обеспечивает почти такое же улучшение текучести, но более высокую насыпную плотность по сравнению с добавлением повышающей текучесть добавки А-200.

Пример 2

Для определения оптимального добавляемого к смеси порошков на основе железа количества выбирают сажу типа СВ1. Смеси готовят согласно описанию, приведенному в примере 1. Добавляемые количества легирующих элементов, связующего/смазывающего вещества, повышающей текучесть добавки и графита указаны в таблице 3.

Были приготовлены сравнительные смеси: R1 без повышающих текучесть добавок и R2 с коммерчески доступной повышающей текучесть добавкой, представляющей собой Aerosil® А-200 и выпускаемой Degussa AG.

Таблица 3 ОбразецСостав порошка Текучесть
(с/50 г)Насыпная плотность (г/см³)В1 ASC100.29+2%Cu+0,8%С+0,8% смазывающего вещества+0,025% СВ1 20,93,48В2 ASC100.29+2%Cu+0,8%С+0,8% смазывающего вещества+0,03% СВ120,83,49В3 ASC100.29+2%Cu+0,8%С+0,8% смазывающего вещества+0,04% СВ121,13,46В4 ASC100.29+2%Cu+0,8%С+0,8% смазывающего вещества+0,06% СВ1 21,63,43R1 ASC100.29+2%Cu+0,8%С+0,8% смазывающего вещества 29,63,19R2 ASC100.29+2%Cu+0,8%С+0,8% смазывающего вещества+0,06%
A-200 24,53,28

Образцы для испытаний согласно ISO 2740 прессуют под давлением 600 МПа при температуре окружающей среды и спекают при 1120°С в 90/10 атмосфере N₂/Н₂. В таблице 4 представлены механические свойства порошковых композиций согласно таблице 3.

Таблица 4 ОбразецПредел прочности
(TS), МПаПредел текучести (Ys), МПаУдлинение (A), %B16104442,12B26034421,98B35964381,93B45364111,49R16034372,22R25453971,93

Как следует из таблицы 4, добавление 0,06% сажи влияет на предел прочности при растяжении (TS), предел текучести (YS) и удлинение (А). При добавлении 0,04% мас. сажи и менее ее влияние на механические свойства является пренебрежительно малым.

Пример 3

Пример 3 показывает, что новая добавка, повышающая текучесть, может быть использована в композициях для горячего прессования. Одну смесь для испытаний, В5, и одну сравнительную смесь, R3, массой 3000 г, соответственно, готовят следующим образом.

Для получения сравнительной смеси 60 г медного порошка, 24 г графита, 13,5 г высокотемпературного смазывающего вещества Promold®, выпускаемого Morton International, Cincinnati, Ohio, USA, и оставшийся железный порошок, ASC 100.29, тщательно смешивают при нагревании до 45°С. Затем добавляют 4,5 г смолы сложного эфира целлюлозы, растворенного в ацетоне, и смесь перемешивают в течение 5 минут. Во время второго периода смешивания, составляющего 10-30 минут, поддерживая температуру материала на уровне 45°С, растворитель выпаривают. Наконец добавляют 1,8 г Aerosil® A-200 в качестве повышающей текучесть добавки и смесь тщательно перемешивают.

Для получения смеси для испытаний 60 г медного порошка, 23,1 г графита, 13,5 г высокотемпературного смазывающего вещества Promold®, выпускаемого Morton International, Cincinnati, Ohio, USA, и оставшийся железный порошок, ASC 100.29, тщательно смешивают при нагревании до 45°С. Затем добавляют 4,5 г смолы сложного эфира целлюлозы, растворенного в ацетоне, и смесь перемешивают в течение 5 минут. Во время второго периода смешивания, составляющего 10-30 минут, поддерживая температуру материала на уровне 45°С, растворитель выпаривают. Наконец добавляют 0,9 г сажи СВ1 в качестве добавки для повышения текучести и смесь тщательно перемешивают.

Текучесть и насыпную плотность обеих смесей измеряют согласно ASTM В 213 при температуре 120°С. Из таблицы 5 очевидно, что было достигнуто существенное повышение насыпной плотности порошковой смеси согласно данному изобретению, по существу такой же уровень текучести был достигнут для композиции, содержащей новую добавку для повышения текучести, по сравнению с композицией, содержащей известную добавку для повышения текучести.

Таблица 5ОбразецТекучесть (с/50 г)Насыпная плотность (г/см³)R321,33,25B522,03,35

Пример 4

Пример 4 показывает, что новая добавка для повышения текучести может быть использована в сочетании с различными порошками на основе железа. Смеси получают согласно способу, описанному в примере 1 с использованием такой же системы связующее/смазывающее вещество, как и в примере 1. Используемый порошок на основе железа и количество добавок представлены в таблице 6. Анализ RA, RB, RC, RE и RF показывает, что полученные смеси представляют собой сравнительные смеси, содержащие 0,06% добавки для повышения текучести Aerosil A-200, выпускаемой Degussa AG. Анализ C, E и F показывает, что полученные смеси представляют собой сравнительные смеси, не содержащие никаких добавок для повышения текучести. Во всех смесях присутствует сажа СВ1. Используемое железо или порошок на основе железа представляют собой:

ASC 100.29, распыленный простой железный порошок от Höganäs, АВ.

Distaloy AB, диффузионно-легированный порошок на основе железа, содержащий Cu, Ni и Мо, от Höganäs, АВ.

Astaloy CrM, предварительно легированный порошок на основе железа, содержащий Cr и Мо, от Höganäs, АВ.

Astaloy CrL, предварительно легированный порошок на основе железа, содержащий Cr и Мо, от Höganäs, АВ.

Таблица 6ОбразецСостав смесиRAASC 100.29+ 2% порошка Cu+ 0,8% графита + 0,8% смазывающего вещества + 0,06% А-200A1ASC 100.29+ 2% порошка Cu + 0,77% графита + 0,8%
смазывающего вещества + 0,03% СВ 1RBDist AE + 0,08% графита + 0,8% смазывающего вещества + 0,06% А-200 B1 Dist AE + 0,77% графита + 0,8% смазывающего вещества + 0,03% СВ 1 CASC100.29+0,8%C+0,8% смазывающего вещества RCASC100.29+0,8%C+0,8% смазывающего вещества + 0,06% А-200C1ASC100.29+0,77%C+0,8% смазывающего вещества + 0,03% СВ1EAst.CrM +0,4%C+0,8% смазывающего вещества REAst.CrM +0,37%C+0,8% смазывающего вещества + 0,06% А-200E1Ast.CrM +0,37%C+0,8% смазывающего вещества + 0,03% СВ1FAst.CrL +0,6%C+0,8% смазывающего вещества RFAst.CrL +0,57%C+0,8% смазывающего вещества + 0,06% А-200F1Ast.CrL +0,57%C+0,8% смазывающего вещества + 0,03% СВ1

Определяют свойства порошков порошковых смесей. Образцы для испытаний согласно ISO 2740 прессуют под давлением 600 МПа при температуре окружающей среды и спекают при 1120°С в 90/10 атмосфере N₂/Н₂. Результаты определения механических свойств, таких как прочность неспеченного материала (GS), изменение размеров (DC), а также плотность спеченного материала (SD), представлены в таблице 7.

Таблица 7 ОбразецТекучесть (с/50 г)Насыпная плотность (г/см³)GS (МПа) DC% SD [г/см³]RA24,83,1311,30,187,01A122,63,3512,80,187,04RB24,83,1712,3-0,157,12B123,13,4313,3-0,157,13C303,06   RC25,43,1111,6-0,037,06C123,03,2912,6-0,007,07E31,92,82   RE27,52,9313,8-0,256,94E123,93,0816-0,246,94F33,12,78   RF28,42,8812,2-0,136,99F126,52,9614,6-0,116,99

Из таблицы 7 следует, что сажа улучшает текучесть, насыпную плотность и прочность неспеченных смесей, основу которых составляют различные порошки, по сравнению со смесями, содержащими известную добавку для повышения текучести.

Пример 5

Из примера 5 следует, что новая добавка для повышения текучести также улучшает текучесть простой смеси, не содержащей никаких связывающих агентов (не связанная смесь). Согласно таблице 8 готовят три смеси, содержащие порошок железа ASC100.29, 2% порошка меди, 0,5% графита, 0,8% этиленбисстеарамида в качестве смазки и различные количества сажи, СВ1. Смесь, не содержащая сажи, была использована в качестве сравнительной смеси. Был установлен уровень текучести всех смесей.

Таблица 8ОбразецCB1 (%)Уровень текучести (с)Сравнительная смесь034,210,0631,020,0830,3

Как следует из таблицы 8, добавление сажи к несвязанным смесям улучшает их текучесть.

Изобретение относится к порошковой металлургической композиции, содержащей порошок железа или порошок на основе железа, смазывающее и/или связывающее вещество и сажу в количестве 0,001-0,2 мас.%. Размер частиц сажи составляет мене 200 нм, предпочтительно менее 100 нм и наиболее предпочтительно менее 50 нм. Удельная площадь поверхности сажи составляет от 150 до 1000 м²/г. Использование сажи позволяет получать композиции с улучшенными свойствами, такими как текучесть и насыпная плотность. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 табл.

1. Порошковая металлургическая композиция, содержащая порошок металлического железа или порошок на основе железа, смазывающее и/или связующее вещество и сажу, при этом количество сажи составляет от 0,001 до 0,2 мас.%.2. Порошковая металлургическая композиция по п.1, в которой количество сажи составляет от 0,01 до 0,1 мас.%.3. Порошковая металлургическая композиция по п.1, в которой размер частиц сажи составляет менее 200 нм.4. Порошковая металлургическая композиция по п.1, в которой размер частиц сажи составляет менее 100 нм.5. Порошковая металлургическая композиция по п.1, в которой размер частиц сажи составляет менее 50 нм.6. Порошковая металлургическая композиция по п.1, в которой удельная площадь поверхности частиц сажи составляет более 100 м²/г.7. Порошковая металлургическая композиция по п.3, в которой удельная площадь поверхности частиц сажи составляет более 100 м²/г.8. Порошковая металлургическая композиция по п.1, в которой удельная площадь поверхности частиц сажи составляет более 150 м²/г.9. Порошковая металлургическая композиция по п.3, в которой удельная площадь поверхности частиц сажи составляет более 150 м²/г.10. Порошковая металлургическая композиция по п.1, в которой удельная площадь поверхности частиц сажи составляет более 200 м²/г.11. Порошковая металлургическая композиция по п.3, в которой удельная площадь поверхности частиц сажи составляет более 200 м²/г.12. Порошковая металлургическая композиция по п.1, содержащая добавки, выбранные из группы, включающей легирующие элементы, улучшающие механическую обрабатываемость агенты, твердофазный материал и формирующие жидкую фазу агенты.13. Порошковая металлургическая композиция по п.3, содержащая добавки, выбранные из группы, включающей легирующие элементы, улучшающие механическую обрабатываемость агенты, твердофазный материал и формирующие жидкую фазу агенты.14. Порошковая металлургическая композиция по п.6, содержащая добавки, выбранные из группы, включающей легирующие элементы, улучшающие механическую обрабатываемость агенты, твердофазный материал и формирующие жидкую фазу агенты.15. Порошковая металлургическая композиция по п.7, содержащая добавки, выбранные из группы, включающей легирующие элементы, улучшающие механическую обрабатываемость агенты, твердофазный материал и формирующие жидкую фазу агенты.16. Порошковая металлургическая композиция по п.12, в которой легирующие элементы выбраны из группы, включающей графит, Cu, Ni, Cr, Mn, Si, V, Мо, Р, W, S и Nb.17. Порошковая металлургическая композиция по п.15, в которой легирующие элементы выбраны из группы, включающей графит, Cu, Ni, Cr, Mn, Si, V, Мо, Р, W, S и Nb.18. Порошковая металлургическая композиция по п.16, в которой частицы по меньшей мере одного легирующего элемента, выбранного из группы, включающей графит и Cu, связаны с частицами порошка железа или порошка на основе железа.19. Применение сажи в качестве добавки для повышения текучести в порошковых композициях на основе железа.20. Порошковая металлургическая композиция, содержащая порошок металлического железа или порошок на основе железа, смазывающее и/или связующее вещество и сажу, при этом количество сажи составляет от 0,001 до 0,2 мас.%, причем для повышения текучести металлургической композиции размер частиц сажи составляет менее 100 нм, а удельная площадь поверхности частиц сажи составляет более 100 м²/г.21. Способ повышения текучести металлургической композиции, содержащей порошок металлического железа или порошок на основе железа, смазывающее и/или связующее вещество и сажу, в котором количество сажи устанавливают от 0,001 до 0,2 мас.%, причем размер частиц сажи составляет менее 100 нм, а удельная площадь поверхности частиц сажи составляет более 100 м²/г.