Порошковый состав, содержащий агрегаты из железного порошка, добавки и повышающее текучесть вещество, и способ его получения
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошкового состава, пригодного для изготовления различных деталей в области двигателестроения. Заявлен порошковый состав, включающий в себя железосодержащий порошок, добавки, смазки и повышающие текучесть вещества. При этом железосодержащие частицы связаны с частицами добавок с помощью расплавленной и затем затвердевшей смазки с образованием агрегатных частиц, поверхность которых покрыта повышающим текучесть веществом с размером частиц менее чем 200 нм, в количестве от около 0,005 до около 2 мас.%. Техническим результатом изобретения является получение порошкового состава с минимальной склонностью к пылеобразованию и сегрегации, имеющего высокую текучесть, пригодного для холодного прессования. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 2 табл.
Настоящее изобретение относится к порошковой смеси и способу ее получения. В частности, изобретение относится к порошковой смеси на основе железа, предназначенной для использования в порошковой металлургии.
Методы порошковой металлургии широко применяются для изготовления различных деталей, например, в области двигателестроения. При изготовлении деталей порошковую смесь прессуют и спекают, чтобы получить деталь любой требуемой формы. Порошковая смесь содержит основной металлический порошок в качестве главного компонента и примешиваемые к нему порошкообразные добавки. Такими добавками могут быть, например, графит, Ni, Cu, Mo, MnS, Fе3Р и т.д. Для воспроизводимости производства требуемых изделий методами порошковой металлургии порошковый состав, используемый в качестве исходного материала, должен быть как можно более однородным. Для этого компоненты состава обычно подвергают однородному перемешиванию. Поскольку порошкообразные компоненты состава имеют различный размер, плотность и форму, получение однородного состава проблематично.
Во время транспортировки и обработки порошкового состава в нем происходит сегрегация, так как компоненты порошка, имеющие более высокую плотность и меньший размер, чем основной металлический порошок, склонны скапливаться в нижней части состава, а компоненты порошка, имеющие меньшую плотность, склонны подниматься в верхнюю часть состава. Сегрегация приводит к неоднородности состава порошковой композиции и детали, изготовленные из такого порошкового состава, будут различаться и поэтому иметь различные свойства. Еще одной проблемой является то, что мелкие частицы, особенно с плотностью меньше, чем плотность графита, образуют пыль при работе с порошковой смесью.
Обычно в качестве добавок используются порошки, имеющие меньший размер частиц, чем основной металлический порошок. Большинство добавок имеет частицы размером менее чем около 20 мкм, тогда как основной металлический порошок имеет частицы размером менее чем около 150 мкм. В результате меньшего размера частиц добавок увеличивается поверхностная площадь состава, а это, в свою очередь, означает, что ухудшаются его реологические свойства, т.е. его способность к текучести как сыпучего порошка. Ухудшение текучести приводит к увеличению времени заполнения форм порошком, а это снижает производительность и повышает вероятность колебания плотности прессованных деталей, что может приводить к недопустимым деформациям при спекании.
Предпринимались попытки решить описанные выше проблемы посредством добавления различных связующих добавок и смазок в порошковую композицию. Цель связующей добавки состоит в том, чтобы прочно и эффективно связать частицы других добавок, таких как легирующие компоненты, с поверхностью частиц основного металла и тем самым уменьшить проблемы сегрегации и пылеобразования. Цель смазки состоит в том, чтобы уменьшить трение порошкового состава и повысить его текучесть, а также уменьшить усилие, необходимое для извлечения готового прессованного изделия из формы.
В основу настоящего изобретения поставлена задача частично или полностью решить описанные выше проблемы, присущие известным методам. В частности, изобретение решает задачу получения порошковой металлургической смеси или состава с меньшей сегрегацией и пылеобразованием. Вторая задача состоит в получении порошковой смеси, обладающей удовлетворительной текучестью. Третьей задачей изобретения является получение порошковой смеси для прессования при температуре окружающей среды (холодное прессование), и четвертой задачей является создание способов, пригодных для крупносерийного производства таких порошковых составов. Пятая задача изобретения заключается в исключении необходимости использования обычных связующих добавок и растворителей.
Перечисленные выше задачи полностью или частично решаются настоящим изобретением порошкового состава, полученного способом, согласно которому перемешивают и нагревают железосодержащий порошок, порошкообразную добавку и порошкообразную смазку до температуры выше температуры плавления смазки, охлаждают полученную смесь до температуры ниже температуры плавления смазки в течение периода времени, достаточного для затвердевания смазки и связывания частиц добавки с железосодержащими частицами для того, чтобы образовались агрегатные частицы, и смешивают порошкообразное повышающее текучесть вещество, имеющее частицы размером меньше чем 200 нм, предпочтительно меньше чем 40 нм, с полученной смесью в количестве от 0,005 до около 2 маc.% состава.
Порошковые смеси, полученные плавлением и последующим затвердеванием связующих добавок и/или смазок, т.е. так называемым методом соединения плавкой, известны, например, из патента США 4946499, в котором описана порошковая смесь на основе железа со связующей добавкой, представляющей собой комбинацию сплавленных между собой масла и металлического мыла или воска. При изготовлении состава, известного из данного патента, порошок смешивают с металлическим мылом или воском и маслом, и смесь нагревают, чтобы масло и металлическое мыло или воск сплавились вместе, после чего смесь охлаждают. В опубликованной заявке Японии №58-193302 описано использование порошкообразной смазки, такой как стеарат цинка, в качестве связующей добавки. Порошкообразную смазку добавляют в порошковый состав и нагревают до плавления при постоянном перемешивании, после чего смесь охлаждают. В опубликованной заявке Японии №1-219101 также описано использование смазки в качестве связующей добавки. При изготовлении порошкового состава металлический порошок смешивают со смазкой и нагревают до температуры выше температуры плавления смазки, после чего осуществляют охлаждение.
В патенте ЕР 580681 описан металлургический порошковый состав на основе железа, включающий основной железный порошок, порошкообразные добавки, связующую добавку, диамидный воск, предпочтительно этилен-бис-стеарамид, и предпочтительно порошкообразную смазку, причем связующая добавка присутствует в расплавленном виде и затем в затвердевшем виде, чтобы связать порошкообразные частицы добавок с порошкообразными частицами основного металла.
Использование повышающих текучесть веществ описано в патенте США 5782954. В данном патенте описаны металлургические порошковые составы на основе железа, содержащие повышающие текучесть вещества в виде наночастиц металла или оксида металла для повышения характеристик текучести составов, особенно при повышенных температурах обработки. Порошковые составы на основе железа, которые в дополнение к железу и легирующим элементам содержат связующую добавку (добавки) и высокотемпературную смазку, можно смешивать с повышающим текучесть веществом, таким как оксид кремния или оксид железа, или их комбинацией, для получения порошкового состава, обладающего повышенной текучестью.
В настоящем изобретении в качестве повышающего текучесть вещества используется предпочтительно оксид кремния, более предпочтительно диоксид кремния, со средним размером частиц менее чем около 40 нм, предпочтительно около 1-35 нм, в количестве, составляющем от около 0,005 до около 2 маc.%, предпочтительно 0,01-1 маc.%, более предпочтительно 0,025-0,5 маc.% всего состава. Другие металлы, которые можно использовать в качестве повышающих текучесть веществ либо в форме металла, либо оксида металла, включают в себя алюминий, медь, железо, никель, титан, золото, серебро, платину, палладий, висмут, кобальт, марганец, свинец, олово, ванадий, иттрий, ниобий, вольфрам и цирконий с размером частиц менее чем 200 нм.
В качестве железосодержащего порошка можно использовать по существу чистый железный порошок или смесь различных железных порошков, которую перемешивают с порошкообразными добавками. Порошком может быть также предварительно легированный порошок или диффузионно-цясвязанный или частично легированный порошок.
В качестве добавок могут использоваться обычные легирующие элементы, такие как графит, феррофосфор и твердофазные материалы, такие как карбиды и нитриды. Железосодержащий порошок может содержать смешанные с ним легирующие элементы, такие как Сu, Ni, Mo, графит, Fе3Р и MnS в количестве до 10 маc.%.
Смазки можно выбрать из восков, металлического мыла и термопластичных материалов. Примерами восков являются диамидные воски, такие как этилен-бис-стеарамид. Примерами металлического мыла являются стеарат цинка, стеарат лития, а примерами термопластичных материалов являются полиамиды, полиимиды, полиолефины, полиэфиры, полиалкоксиды, полиспирты.
Смазки можно использовать в количестве от 0,05 до 3 маc.%, предпочтительно от 0,2 до 2 маc.%, более предпочтительно от 0,5 до 1,5 маc.% состава. Можно также использовать смесь смазок, в которой по меньшей мере одна из смазок плавится во время обработки. Количество смазки менее чем около 0,05 маc.% не обеспечивает достаточную связь, а количество смазки более чем около 2 маc.%, приводит к получению готового продукта, имеющего нежелательную пористость. В установленных пределах количество смазки выбирают в зависимости от количества добавок: чем больше количество добавок, тем больше требуется смазки, и наоборот.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения порошкообразное повышающее текучесть вещество добавляют в смесь железосодержащих частиц, с которыми связаны частицы добавок с помощью затвердевшей смазки, при температуре выше, чем температура окружающей среды, но ниже, чем температура плавления смазки, например, в интервале на 10-30°С ниже температуры плавления смазки. В этом случае повышающее текучесть вещество можно добавлять в агрегатный порошок до того, как будет достигнута температура окружающей среды.
Порошковые смеси согласно изобретению предназначены для изготовления прессованных и спеченных деталей в стандартных условиях. Следовательно, прессование осуществляют при температуре окружающей среды ("холодное прессование") и давлении в интервале 400-1000 МПа, а спекание осуществляют при температуре в интервале 1050-1200°С. Альтернативно, можно осуществлять прессование при повышенных температурах.
Процесс получения порошковых смесей можно вести периодически или непрерывно. Особым преимуществом непрерывного процесса является то, что можно получить ровный и плавный поток, а это, в свою очередь, позволяет получать более однородные изделия.
Изобретение также касается порошковых составов, включающих железосодержащие порошки, добавки, смазки и повышающее текучесть вещество, причем состав в основном состоит из железосодержащих частиц, связанных с добавками с помощью расплавленной, а затем затвердевшей смазки для образования агрегатных частиц, а также из повышающего текучесть вещества с размером частиц менее 200 нм, предпочтительно менее 40 нм в количестве от около 0,005 до около 2 маc.%.
При осуществлении предложенного способа важно, чтобы компоненты смеси, включая смазку, были равномерно перемешаны. Это достигается путем перемешивания в смесительном устройстве основного железного порошка и порошкообразных добавок, таких как графит, Сu и т.п., и порошкообразной смазки до тех пор, пока не будет получена однородная порошковая смесь. Затем смесь нагревают, продолжая перемешивание, до тех пор, пока смазка не расплавится, что для большинства современных смазок происходит на воздухе при температуре около 90-170°С, предпочтительно около 120-150°С. Смазка не должна иметь слишком высокую температуру плавления для уменьшения количества энергии, необходимой для нагревания порошковой смеси для того, чтобы расплавить смазку. Поэтому верхний предел температуры плавления смазки установлен на уровне около 170°С.
После того, как расплавленная смазка равномерно распределится в смеси во время операции смешивания, смесь охлаждают, чтобы смазка затвердела и тем самым связала основные железные частицы с меньшими частицами добавок, таких как графит, Сu, Ni, No, MnS, Fе3Р и т.п., которые располагаются по поверхности железных частиц. Также важно, чтобы операция охлаждения осуществлялась во время перемешивания для сохранения однородности смеси. Однако перемешивание во время охлаждения не должно быть таким же интенсивным, как предыдущее перемешивание для получения однородной смеси. После затвердевания смазки порошковую смесь равномерно перемешивают с повышающим текучесть веществом до тех пор, пока она не будет готова к использованию. Предпочтительно, повышающее текучесть вещество добавляют к агрегатным частицам железа и добавок, когда поверхность агрегатов все еще сохраняет способность прилипать или связывать частицы повышающего текучесть вещества, т.е. когда поверхность еще теплая.
Как вариант, можно добавить дополнительную смазку в порошковую смесь после затвердевания смазки и перемешивания с повышающим текучесть веществом. Однако это не является обязательным.
Для облегчения понимания изобретения в дальнейшем оно будет проиллюстрировано с помощью неограничительного примера.
В испытаниях, описанных в примере, были использованы следующие материалы и методы.
В качестве основного металлического порошка использовался диспергированный железный порошок со средним диаметром частиц около 63 мкм, причем все частицы были меньше 150 мкм.
В качестве добавок использовали порошки меди (Сu) и графита, при этом порошок Сu имел средний размер частиц около 200 меш (номер сита), а порошок графита -около 4 мкм.
Перемешивание порошковых смесей осуществляли в два этапа:
сначала компоненты смеси перемешивали в смесительном устройстве типа Lodige компании Gebr.Lodige Maschinenbau GmbH, W-4790 Paderborn, Германия, в течение 2 мин, после чего полученную смесь перегружали в цилиндрическое смесительное устройство высотой около 300 мм и диаметром около 80 мм, снабженное двойной спиральной мешалкой и нагревательной рубашкой с регулируемым нагревом. В цилиндрическом смесительном устройстве порошок перемешивали и нагревали до около 150°С в течение 15 мин для того, чтобы расплавить смазку. Затем выдерживали температуру около 150°С, продолжая перемешивание в течение около 3 мин, после чего нагревание прекращали и давали смеси остыть до около 120°С при перемешивании до добавления повышающего текучесть вещества. Затем давали смеси еще остыть до ее выгрузки. Текучесть порошковых смесей измеряли в соответствии с шведским стандартом SS 111031, который соответствует международному стандарту ISO 4490-1978.
Реальную плотность (РП) порошковых смесей измеряли в соответствии с шведским стандартом SS 111030, который соответствует международному стандарту ISO 3923/1-1979.
Образование пыли порошковыми смесями измеряли как количество отсчетов в минуту при определенном потоке воздуха с помощью прибора типа Dust Track.
С помощью описанного выше способа были получены различные порошковые смеси следующего состава:
| Состав | Мас.% | |||
| ASC 100.29* | 96,70 | |||
| Си | 2,00 | |||
| С | 0,50 | |||
| Н-воск** | 0,80 | |||
| * - продукция фирмы Hoganas AB, Швеция ** - продукция фирмы Hoechst AG, Германия. | ||||
| Смесь | Текучесть (сек/50 г) | РП (г/см3) | Показатель незаполненности (%) | Пылеобразование* |
| Порошковый состав | 32,10 | 3,03 | 8,13 | 370 |
| +0 | 29,23 | 3,02 | 6,48 | 116 |
| +0,03* (150°С) | 29,42 | 2,86 | 6,33 | 27 |
| +0,03 * (120°С) | 26,08 | 2,92 | 4,24 | 13 |
| +0,03* (RT) | 27,68 | 2,80 | 5,33 | 274 |
| * % маc. вещества Aerosil R 812, выпускаемого компанией Degussa, Германия, с размером частиц около 7 нм. |
Из приведенных выше испытаний и описания видно, что предложенный способ позволяет получать порошковые металлургические смеси, обладающие хорошей текучестью и имеющие низкую степень сегрегации и пылеобразования.
1. Порошковый состав, включающий в себя железосодержащий порошок, добавки, смазки и повышающие текучесть вещества, отличающийся тем, что состоит, по существу, из железосодержащих частиц, связанных с частицами добавок с помощью расплавленной и затем затвердевшей смазки для образования агрегатных частиц, а также из повышающего текучесть вещества с размером частиц менее чем 200 нм, в количестве от около 0,005 до около 2 мас.%.
2. Порошковый состав по п.1, отличающийся тем, что количество повышающего текучесть вещества составляет 0,01-1, более предпочтительно от 0,025 до 0,5 мас.%.
3. Порошковый состав по п.1 или 2, отличающийся тем, что повышающее текучесть вещество выбирают из следующей группы металлов: алюминий, медь, железо, никель, титан, золото, серебро, платина, палладий, висмут, кобальт, марганец, свинец, олово, ванадий, иттрий, ниобий, вольфрам, цирконий, и используют их либо в форме металла, либо оксида металла.
4. Порошковый состав по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве повышающего текучесть вещества используют диоксид кремния.
5. Порошковый состав по п.4, отличающийся тем, что частицы диоксида кремния имеют размер менее чем 40 нм.
6. Порошковый состав по п.4, отличающийся тем, что частицы повышающего текучесть вещества имеют размер от около 1 до 35 нм.
7. Порошковый состав по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в нем используют смесь смазок, по меньшей мере одна из которых плавится во время процесса.
8. Порошковый состав по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что железосодержащие частицы содержат частицы железа, предварительно легированные по меньшей мере одним легирующим элементом.
9. Порошковый состав по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что порошок на основе железа содержит частицы железа, диффузионно связанные по меньшей мере с одним легирующим элементом.
10. Порошковый состав по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что порошок на основе железа содержит частицы, по существу, чистого железа.
11. Порошковый состав по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что легирующий элемент выбирают из группы, состоящей из графита, феррофосфора, твердофазных материалов.
12. Порошковый состав по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что смазку выбирают из группы, состоящей из восков, металлического мыла и термопластичных материалов.
13. Порошковый состав по п.12, отличающийся тем, что термопластичный материал выбирают из группы, состоящей из полиамидов, полиимидов, полиолефинов, полиэфиров, полиалкоксидов, полиспиртов.
14. Порошковый состав по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что смазку используют в количестве от 0,05 до 3 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 2 мас.%, и наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мас.% композиции.
15. Порошковый состав по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что в качестве смазки используют смазку для прессования при температуре окружающей среды (холодного прессования).
16. Порошковый состав по любому из пп.1-15, отличающийся тем, что смазка содержит стеарат цинка и/или этилен-бис-стеар-амид.
17. Порошковый состав по любому из пп.1-16, отличающийся тем, что по меньшей мере часть частиц повышающего текучесть вещества прилипает к агрегатным частицам.
18. Способ получения порошковых составов для изготовления порошковых металлургических деталей, заключающийся в том, что перемешивают и нагревают железосодержащий порошок, порошкообразную добавку и порошкообразную смазку до температуры выше температуры плавления смазки, охлаждают полученную смесь до температуры ниже температуры плавления смазки на период времени, достаточный для затвердевания смазки и связывания частиц добавки с железосодержащими частицами, для образования агрегатных частиц, и смешивают с полученной смесью порошкообразное повышающее текучесть вещество, имеющее частицы размером менее чем 200 нм, в количестве от 0,005 до около 2 мас.% состава.
19. Способ по п.18, отличающийся тем, что размер частиц повышающего текучесть вещества составляет менее чем 40 нм.
20. Способ по любому из п.18 или 19, отличающийся тем, что повышающее текучесть вещество добавляют и перемешивают с агрегатным порошком при повышенной температуре для прилипания по меньшей мере части частиц повышающего текучесть вещества к частицам агрегатного порошка.
21. Способ по любому из пп.18-20, отличающийся тем, что повышающее текучесть вещество добавляют и перемешивают с агрегатным порошком при температуре на 10-30°С ниже температуры плавления смазки.
22. Способ по любому из пп.18-21, отличающийся тем, что его ведут в непрерывном режиме.
