專利名稱：：用于冶金粉末組合物的潤滑劑的制作方法
技術領域：
：本發明涉及用于鐵基冶金粉末組合物的潤滑劑以及含有該潤滑劑的金屬粉末組合物。本發明還涉及一種采用該潤滑劑生產燒結制品的方法以及在熱壓時該潤滑劑在金屬粉末組合物中的應用。通過使用本發明的這種潤滑劑，可以獲得高的生坯強度。在工業中，日益廣泛地使用通過壓制和燒結金屬粉末組合物生產的金屬制品。生產了許多形狀和厚度各異的不同制品，而對這些制品的質量要求是所生產的金屬制品應具有高密度和高強度。在金屬壓制中，采用不同的標準溫度范圍。冷壓和熱壓均要求使用潤滑劑。在高于室溫的溫度下壓制具有明顯的優點，與在較低溫度下進行的壓制相比，可以生產出較高密度和較高強度的制品。大多數用于冷壓的潤滑劑不能用于高熱壓制，因為它們似乎僅在有限的溫度范圍內有效。不適合的潤滑劑會顯著地增加壓制模具的磨損。對模具的磨損程度受各種因素的影響，例如模具材料的硬度、施加的壓力以及排出坯塊時坯塊與模具壁之間的摩擦。后一種因素與所用的潤滑劑密切相關。推頂力是從模具中排出坯塊所需的力。由于高推頂力不僅會增加壓制模具的磨損而且還可能損壞坯塊，因此，應優選降低推頂力。然而，使用潤滑劑可能在壓制中引起一些問題，因此，重要的是該潤滑劑應非常適合于所進行的壓制類型。為了滿意地進行，在壓制操作中必須迫使潤滑劑脫離該粉末組合物的孔隙結構而進入坯塊和模具之間的間隙，從而潤滑壓制模具的壁。由于對壓制模具壁這樣潤滑，即可降低推頂力。為什么必須將潤滑劑從坯塊中脫出的另一原因是，不如此，它就會在燒結后在坯塊中形成微孔。眾所周知，大量的孔隙對制品的動力學強度性能有不利的影響。根據本發明的新型潤滑劑的一個目的是使生產具有高生坯強度、高生坯密度的壓實制品以及具有高燒結密度和由于潤滑劑與金屬粉末結合而形成低推頂力的燒結制品成為可能。由于坯塊從壓制模具中排出時，會受到相當大的應力且由于在壓制和燒結之間的處理過程中必須使制品保持其完整性而不致破裂或損壞，具有高生坯強度是重要的。在薄零件的情況下這是特別重要的。本發明的潤滑劑含有聚酯，它是通過例如雙官能醇和酸的酯化縮合而形成的一種聚合物。聚酯可以樹脂和熱塑性塑料的形式得到，且可再分成脂族和芳族聚酯，這主要取決于所用酸單體的類型。芳族聚酯通常是不吸濕的，然而，已知脂族聚酯對潮濕更為敏感。聚酯還可以分類為飽和聚酯和不飽和聚酯，這取決于在該聚合物主鏈中是否存在雙鍵。雖然飽和聚酯是比較惰性的，然而不飽和聚酯通過與其他單體例如苯乙烯、鄰苯二甲酸二烯丙酯等共聚卻適于作為樹脂。本發明的聚酯是飽和聚酯、是芳族的或部分芳族的，它具有的數均分子量Mn為5000—50000，而50—100wt％、優選60—100wt％、最優選70—100wt％的潤滑劑是由這種聚酯組成的。除聚酯之外，本發明的潤滑劑可以含有其他PM—潤滑劑，例如硬脂酸鋅、硬脂酸鋰和／或酰胺蠟型的潤滑劑，例如亞乙基雙—硬脂酰胺。根據本發明優選的潤滑劑含有0—30wt％的硬脂酸鋅、0—30wt％的硬脂酸鋰和／或0—30wt％的酰胺蠟型潤滑劑，其余為聚酯。優選的聚酯是一種鄰苯二甲酸亞烷基酯的聚合物或共聚物，其中鄰苯二甲酸亞烷基酯是鄰苯二甲酸C2—C8亞烷基酯，由此，優選該聚酯具有高于100℃的熔點峰值。最優選該聚酯是聚(對苯二甲酸亞烷基二醇酯)或聚(間苯二甲酸亞烷基二醇酯)。本發明還涉及一種含有金屬粉末和根據本發明的潤滑劑的金屬粉末組合物。這種金屬粉末組合物可用于熱壓。本發明的金屬粉末組合物包括0．1—2wt％根據本發明的潤滑劑、0．005—3wt％的粘合劑、0—0．5wt％的增塑劑、0．01—3wt％的石墨、0—2wt％的熱塑性塑料、0—15wt％、優選0—7wt％的合金元素、0—2wt％的加工助劑以及0—2wt％的硬相，其余為鐵粉，它們選自基本上純的鐵粉、部分預合金化的鐵粉和和預合金化的鐵粉。優選以金屬粉末組合物的總量為基準，按本發明金屬粉末組合物的0．2—0．8wt％配入潤滑劑。使用少量本發明潤滑劑的可能性是本發明特別有利的特點，因為它可以制得具有高密度的坯塊和燒結制品從而實現節省成本。本說明書和所附權利要求書中所用的措詞“部分芳族的”包括聚酯，其中一些芳族二羧酸已經被脂族二羧酸置換以改變所得聚酯的溫度依賴性／熔融性能(流變能力)。本說明書和所附權利要求書中所用的措詞“金屬粉末”包括主要由所含普通雜質不大于約1．0wt％、優選不大于約0．5wt％的鐵粉組成的鐵基粉末。這類可壓縮性強、冶金級的鐵粉的實例是ANCORSTEEL1000系列的純鐵粉，例如1000、1000B和1000C，可從HoeganaesCorporation，Riverton，NewJersey買到，而類似的粉末可從HgansAB，Sweden買到。例如，ANCORSTEEL1000鐵粉，具有約22wt％的顆粒小于325篩網(U．S．系列)和約10wt％的顆粒大于100篩網，其余在這兩個篩網之間(痕量的顆粒大于60篩網)的典型篩分曲線圖。ANCORSTEEL1000粉末具有的表觀密度為約2．85—3．00g／cm3、通常為2．94g／cm3。其他可用于本發明的鐵粉是像Hoeganaes’ANCORMH—100粉末樣的典型的海綿鐵粉。鐵基粉末也可以包括已經預合金化的、擴散結合了的或與一種或多種合金元素混合的鐵、優選基本上純的鐵。可以與鐵顆粒混合的合金元素的實例包括但不限于鉬、錳、鎂、鉻、硅、銅、鎳、金、釩、鈳(鈮)、石墨、磷、鋁；銅和錫或磷的二元合金；錳、鉻、硼、磷或硅的鐵合金；碳和兩種或三種鐵、釩、錳、鉻和鉬的低熔點三元共晶體和四元共晶體；鎢或硅的碳化物；氮化硅；氧化鋁；和錳或鉬的硫化物；及其組合物。通常，將合金元素按至多約為7wt％、更優選約為0．25％至約5wt％、最優選約為0．25％至約4wt％的量與鐵粉、優選基本上純的鐵粉混合，不過，在某些特定用途下，例如用于生產不銹鋼時，該合金元素的用量可以約為鐵粉和合金元素的7％至約15wt％。因此，鐵基粉末可以包括與呈合金粉末形式的合金元素混合的鐵顆粒。本文中所用的術語“合金粉末”指的是任一種如上所述物理地與鐵顆粒混合的微粒元素或化合物，無論如何元素或化合物最終與鐵粉合金。合金元素的顆粒通常具有的重均粒度小于約100微米、優選小于約75微米、更優選小于約30微米。優選將粘合劑包含在鐵顆粒和合金粉末的混合物內，以防止合金粉末粉化并與鐵粉分離。通常采用的粘合劑的實例包括Engstrm的美國專利4，483，905和4，676，831以及Semel的美國專利4，834，800中所述的那些粘合劑，茲將這些專利全部引入本文作為參考。鐵基粉末還可以呈已經與一種或多種合金元素預合金化的鐵的形式。預合金化的粉末可以這樣制備制備鐵和所需合金元素的熔體，然后將該熔體霧化，從而使該霧化的液滴在固化時形成粉末。合金元素或摻入的元素的量取決于最終金屬零件所需的特性。摻入這種合金元素的預合金化的鐵粉可以從作為其ANCORSTEEL粉末生產線一部分的HoeganaesCorp．買到。鐵基粉末的另一個實例是擴散結合的鐵基粉末，它含有基本上純的鐵顆粒，該純鐵具有擴散結合在其外表面上的上述合金元素。這種在市場上可買到的粉末包括可從HoeganaesCorporation買到的DISTALOY4600A擴散結合的粉末，該粉末含有約1．8％鎳、約0．55％鉬和約1．6％銅，而含有約4．05％鎳、約0．55％鉬和約1．6％銅的DISTALOY4800A擴散結合的粉末可從HoeganaesCorporation買到。類似等級的粉末也可以從HgansAB，Sweden買到。優選的鐵基粉末由鐵與鉬(Mo)預合金制成。該粉末是通過將含有約0．5％至約2．5wt％Mo的基本上純鐵的熔體霧化進行生產的。這種粉末的實例是HoeganaesANCORSTEEL85HP鋼粉，它含有約0．85wt％的Mo、總計小于約0．4wt％的這類其他的物料，例如錳、鉻、硅、銅、鎳、鉬或鋁，和小于約0．02wt％的碳。這類粉末的另一個實例是HoeganaesANCORSTEEL4600V鋼粉，它含有約0．5—0．6wt％的鉬、約1．5—2．0wt％的鎳和約0．1—0．25wt％的錳和小于約0．02wt％的碳。另一種可以用于本發明的預合金化的鐵基粉末公開在Causton的題為”具有獨特鐵合金的預合金粉末的鋼粉混合物(SteelPowderAdmixtureHavingDistinctPre—alloyedPowderofIronAlloys)”的美國專利5，108，93中，茲將該專利全部引入本文作為參考。這種鋼粉組合物是兩種不同預合金化的鐵基粉末的混合物，其中的一種是鐵與0．5—2．5wt％鉬的預合金，另一種是鐵與碳和與至少約25wt％過渡元素組分的預合金，其中該組分包括至少一種選自鉻、錳、釩和鈳的元素。該混合物按可提供至少約0．05wt％的過渡元素組分到鋼粉組合物中的比例混合而成。這種粉末的實例是市場上可買到的HoeganaesANCORSTEEL41AB鋼粉，它含有約0．85wt％的鉬、約1wt％的鎳、約0．9wt％的錳、約0．75wt％的鉻以及約0．5wt％的碳。其他適用于實施本發明的鐵基粉末是鐵磁粉。一個實例是將基本上純的鐵粉末與已用少量磷預合金化了的鐵粉混合的組合物。另一些適用于實施本發明的鐵基粉末是涂覆了熱塑性材料以提供基本上均勻的熱塑性材料涂層的鐵顆粒，如Rutz等人的美國專利5，198，137中所述，茲將該專利全部引入本文作為參考。優選每一顆粒在鐵芯顆粒的周圍具有基本上均勻的涂層。涂覆足夠的熱塑性材料以使涂覆后形成的涂層約為鐵顆粒重量的0．001—15wt％。通常，熱塑性材料的用量至少為被涂覆顆粒的0．2wt％、優選約為0．4—2wt％、且更優選約為0．6—0．9wt％。優選的熱塑性材料是例如具有重均分子量為約10000至50000的聚醚砜、聚醚酰亞胺、聚碳酸酯或聚苯醚。其他涂覆了聚合物的鐵基粉末包括含有磷酸鐵內涂層的那些，如Rutz等人的美國專利5，063，011中所述，茲將該專利全部引入本文作為參考。純鐵的顆粒、預合金化的鐵、擴散結合的鐵或涂覆了熱塑性材料的鐵可以具有的重均粒度小至1微米或1微米以下，或至多約為850—1000微米，但是，通常這類顆粒具有的重均粒度為約10—500微米。優選的是具有最大數均粒度至多約為350微米、優選50—150微米的顆粒。除金屬粉末和根據本發明的潤滑劑之外，該金屬粉末組合物可以含有，如上所述，一種或多種選自粘合劑、加工助劑和硬相的添加劑。可以根據US—P—4834800(茲將該專利引入本文作為參考)中所述的方法將粘合劑添加到該粉末組合物中，且可按該鐵和合金粉末重量的約0．005—3wt％、優選約0．05—1．5wt％、更優選約0．1—1wt％的量將其混入該金屬粉末組合物中，且可以包括例如纖維素酯樹脂、在烷基中具有1—4個碳原子的羥烷基纖維素樹脂或熱塑性酚醛樹脂。美國專利5，368，630中所述的粘合劑是可溶于或不溶于水的聚合樹脂材料，不過，優選的是不溶于水的樹脂。優選呈其天然液態或溶于溶劑中的樹脂具有在鐵基粉末和合金粉末周圍形成薄膜的能力。重要的是，對粘合劑樹脂加以選擇以使其不致對高熱壓制過程產生不利的影響。優選的粘合劑包括纖維素酯樹脂例如具有數均分子量(MW)為約30，000—70，000的乙酸纖維素、具有Mw為約10，000—100，000的乙酸丁酸纖維素、具有Mw為約10，000—100，000的乙酸丙酸纖維素、及其混合物。同樣適用的是具有MW為約10，000—80，000的高分子量的熱塑性酚醛樹脂，和具有Mw為約50，000—1，200，000、其中烷基部分具有1—4個碳原子的羥烷基纖維素樹脂，及其混合物。另一種優選的粘合劑是聚乙烯吡咯烷酮，它是優選與增塑劑例如PEG、甘油及其酯類、有機二元酸的酯類、山梨糖醇、磷酸酯、纖維素酯、芳基磺酰胺—甲醛樹脂以及長鏈醇配合使用，如美國專利5，432，223中所述。用于金屬粉末組合物中的加工助劑可以包括滑石、鎂橄欖石、硫化錳、硫、二硫化鉬、氮化硼、碲、硒、二氟化鋇和二氟化鈣，它們可以單獨或配合使用。用于金屬粉末組合物中的硬相可以包括鎢、釩、鈦、鈮、鉻、鉬、鉭和鋯的碳化物；鋁、鈦、釩、鉬和鉻的氮化物；Al2O3；B4C和各種陶瓷材料。借助于常規技術，將該金屬粉末和潤滑劑顆粒混合成基本上均勻的粉末組合物。優選將本發明的潤滑劑以固體顆粒的形式添加到該金屬粉末組合物中。該潤滑劑的平均粒度可以改變，但是，優選為3—100微米。如果粒度太大，它就會使潤滑劑難以在壓制過程中脫離金屬粉末組合物的孔隙結構，于是在燒結后潤滑劑就可能引起大量的孔隙，導致產生顯示出削弱了強度性能的坯塊。除聚酯之外，如果潤滑劑還含有硬脂酸鋅、硬脂酸鋰和／或酰胺蠟型的潤滑劑，可將這些潤滑劑組合物的成分分別地添加或以單相潤滑劑的形式添加。本說明書中所用的措詞“單相潤滑劑”包括已將不同成分熔融在一起以形成均勻的潤滑劑顆粒的潤滑劑組合物，在這種情況下，所有的成分基本上均存在于每一潤滑劑顆粒中。本發明還涉及一種生產燒結制品的方法，其中包括以下步驟a)將金屬粉末、本發明的潤滑劑和任選的添加劑混合到金屬粉末組合物中，b)將該金屬粉末組合物預熱到預定的溫度，c)在預熱的模具中將加熱了的金屬粉末組合物壓制成壓實體，和d)將該壓實體燒結。優選將步驟b)中的金屬粉末組合物預熱到低于聚酯的熔點峰值的溫度，優選在步驟c)之前將模具預熱到等于或低于聚酯的熔點峰值的溫度。最優選將該金屬粉末組合物預熱到90—130℃，且將模具預熱到110—140℃。優選將壓實體在1100—1250℃下燒結15—60分鐘。根據本發明在熱壓時，如上所述，優選在將該金屬粉末組合物供給到預熱了的壓制模具之前將其先預熱。在這樣預熱金屬粉末組合物的情況下，重要的是該潤滑劑不致軟化或熔化，否則將使該粉末組合物在裝入壓制模具時難以處理，且又會導致產生具有密度不均勻和零件重量重現性差的壓實體。為了說明本發明是有效的且能產生高生坯密度以及高生坯強度的制品，進行了一些試驗。試驗1．下面的表1列出了一些潤滑劑，表中標明了粉末溫度(℃)、模具溫度(℃)、壓制壓力(壓制壓力，MPa)、生坯密度(GD，g／cm2)和推頂力(Ej．F，N／mm2)。該金屬粉末組合物含有以下成分DistaloyAE，HgansAB銷售0．3wt％的石墨0．6wt％的根據表1的潤滑劑將該金屬粉末組合物在Ldige混合器中混合。表1用于熱壓的潤滑劑<tablesid="table1"num="001"><table>潤滑劑粉末溫度℃模具溫度℃壓制壓力MPaGDg／cm2Ej．FN／mm2WCE341251506007．3410．1WCE341251508007．4412．3WCS41001206007．3216．9WCS41001208007．4616．8WCS4+H—WAX1101207007．40WCS51001206007．3215．9WCS51001208007．4717．6潤滑劑X11501506007．1613．1</table></tables>WCE34是根據本發明的潤滑劑且具有的數均分子量(Mn)約為10000—20000，是一種具有對苯二甲酸作為最有代表性酸的部分芳族的聚酯，熔點峰值為150—160℃，熔融粘度為700Ps(160℃，載荷2．16kg，ISO1133的方法)，而Tg為10℃。WCS4是根據本發明的潤滑劑且具有的數均分子量Mn為20000，且是聚(對苯二甲酸亞己基二醇酯)。WCS4+H—WAX是根據本發明的潤滑劑且是如上的75wt％的WCS4和25wt％的H—WAX的混合物，它是亞乙基雙—硬脂酰胺蠟。WCS5是根據本發明的潤滑劑且具有的數均分子量Mn為40000，且是聚(對苯二甲酸亞己基二醇酯)。潤滑劑X1是根據PCT／SE95／00636的潤滑劑，它基本上由具有重均分子量Mw為18000的酰胺型低聚物組成，該潤滑劑不在本發明的范圍內。根據1985年的ISO3927測定生坯密度，根據Hgans404的方法測定推頂力。從表1可以明顯看出，采用本發明的潤滑劑可以獲得比潤滑劑X1更高的生坯密度，雖然推頂力有變化，但在某些情況下比潤滑劑X1的更低，而在某些情況下較高，但是仍然在可接受的范圍內。與含有潤滑劑X1的材料比較，混合了本發明潤滑劑的材料在壓制后能給出可比的生坯密度(GD)和推頂力(Ej．F)。因此，根據本發明的潤滑劑可構成與潤滑劑X1同等好的潤滑劑。權利要求1．一種用于熱壓鐵基冶金粉末組合物的潤滑劑，其特征在于50—100wt％該潤滑劑是芳族的或部分芳族的聚酯，它具有的數均分子量Mn為5000—50000。2．權利要求1的潤滑劑，其特征在于該潤滑劑還含有至多40wt％的一種或多種常規的PM—潤滑劑，例如硬脂酸鋅、硬脂酸鋰和／或酰胺蠟型的潤滑劑。3．權利要求2的潤滑劑，其特征在于該潤滑劑含有0—30wt％的硬脂酸鋅、0—30wt％的硬脂酸鋰和／或0—30wt％的酰胺蠟型潤滑劑，其余為聚酯。4．權利要求1—3中任一項的潤滑劑，其特征在于該聚酯是一種聚合物或鄰苯二甲酸亞烷基酯的共聚物，其中鄰苯二甲酸亞烷基酯是鄰苯二甲酸C2—C8亞烷基酯。5．權利要求1—4中任一項的潤滑劑，其特征在于該聚酯具有高于100℃的熔點峰值。6．一種用于熱壓的含有金屬粉末和潤滑劑的金屬粉末組合物，其特征在于該金屬粉末組合物包括0．1—2wt％的根據權利要求1—5中任一項的潤滑劑、0．005—3wt％的粘合劑、0—0．5wt％的增塑劑、0．01—3wt％的石墨、0—2wt％的熱塑性塑料、0—15wt％、優選0—7wt％的合金元素、0—2wt％的加工助劑以及0—2wt％的硬相，其余為鐵粉，它們選自基本上純的鐵粉、部分預合金化的鐵粉和預合金化的鐵粉。7．權利要求6的金屬粉末組合物，其特征在于按該組合物重量的0．2—0．8wt％配入潤滑劑。8．一種制備燒結制品的方法，該方法包括以下步驟a)將權利要求6或7的金屬粉末組合物混合，b)將該金屬粉末組合物預熱到預定的溫度，c)在預熱的模具中將加熱了的金屬粉末組合物壓制成壓實體，和d)將該壓實體燒結。9．權利要求8的方法，其特征在于將步驟b)中的金屬粉末組合物預熱到低于聚酯的熔點峰值的溫度。10．權利要求9的方法，其特征在于將該金屬粉末組合物預熱到90—130℃。11．權利要求8—10中任一項的方法，其特征在于在步驟c)之前將模具加熱到等于或低于聚酯的熔點峰值的溫度。12．權利要求11的方法，其特征在于將該模具預熱到110—140℃。13．權利要求8—12中任一項的方法，其特征在于將該壓實體在1100—1250℃下燒結15—60分鐘。14．根據權利要求1—5中任一項的潤滑劑在熱壓鐵基冶金粉末中的應用。全文摘要本發明涉及用于熱壓鐵基冶金粉末組合物的潤滑劑。該潤滑劑的50—100wt%是芳族的或部分芳族的聚酯,它具有的數均分子量M文檔編號B22F3/12GK1279630SQ9881129公開日2001年1月10日申請日期1998年12月1日優先權日1997年12月2日發明者H·斯托斯特羅姆,H·維達森申請人:赫加奈斯公司