СМАЗКА ДЛЯ ПОРОШКОВЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЙ
LUBRICANT FOR POWDER METALLURGICAL COMPOSITIONS

Настоящее изобретение относится к порошковой металлургической композиции. Конкретно, изобретение относится к порошковой металлургической композиции, содержащей новую дисперсную композиционную смазку. Изобретение также относится к новой дисперсной композиционной смазке, а также к способу приготовления этой смазки.
В отрасли промышленности, называемой порошковой металлургией (ПМ), порошковые металлы, наиболее часто на основе железа, используются для производства изделий. Процесс производства включает в себя прессование порошковой смеси металла в пресс-форме с образованием неспеченной прессовки, выталкивание прессовки из пресс-формы и спекание неспеченной прессовки при таких температурах и при таких условиях, что получается спеченная прессовка, имеющая достаточную прочность. Посредством использования порошково-металлургического способа производства можно избежать дорогостоящей механической обработки резанием и потерь материала по сравнению с традиционной механической обработкой резанием изделий из сплошных металлов, так как могут быть произведены изделия конечной или близкой к конечной формы. Порошково-металлургический способ производства является наиболее подходящим для производства небольших и довольно сложных деталей, таких как зубчатые колеса.
Для того чтобы облегчить производство ПМ-деталей, к порошку на основе железа перед прессованием могут быть добавлены смазки. При использовании смазок внутренние трения между отдельными частицами металла в ходе прессования уменьшаются. Другая причина добавления смазки состоит в том, что понижаются усилие выталкивания и общая энергия, необходимые для того, чтобы выталкивать неспеченную деталь из пресс-формы после прессования. Недостаточное смазывание приведет в результате к износу и заеданию в пресс-форме в ходе выталкивания неспеченной прессовки.
Эта проблема с недостаточным смазыванием может быть решена главным образом двумя путями: либо путем увеличения количества смазки, либо путем выбора более эффективных смазок. При увеличении количества смазки, однако, встречается нежелательный побочный эффект, который состоит в том, что выигрышу в плотности за счет лучшего смазывания противостоит увеличенное количество смазок.
Поэтому лучшим выбором был бы выбор более эффективных смазок. Это, однако, представляет собой проблему, поскольку составы, имеющие хорошую смазывающую способность в контексте ПМ, имеют тенденцию к агломерации во время хранения или способствуют образованию агломератов в порошковой металлургической композиции, следствием чего является то, что впоследствии спрессованное и спеченное изделие может иметь сравнительно большие поры, которые оказывают вредное воздействие на статические и динамические механические свойства изделия. Другая проблема состоит в том, что смазки, имеющие хорошие смазывающие свойства, часто оказывают отрицательное воздействие на так называемые порошковые свойства, такие как текучесть и насыпная плотность (НП). Текучесть является важной из-за ее влияния на заполнение пресс-формы, что, в свою очередь, является важным для производительности по ПМ-деталям. Высокая НП является важной для того, чтобы обеспечить более короткие глубины заполнения, а равномерная НП является важной для того, чтобы избежать отклонений по размерам и массе готовых изделий. Таким образом, желательно получить новую смазку для порошковых металлических композиций, которая преодолевает или уменьшает вышеупомянутые проблемы.
Задачи изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить смазку, имеющую хорошие смазывающие свойства, но без тенденции к агломерации или с пониженной тенденцией к агломерации.
Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить смазку, имеющую хорошие смазывающие свойства и все еще придающую реологические или улучшенные реологические свойства, когда она используется в порошковой композиции железа или на основе железа.
Другая задача состоит в том, чтобы предложить новую порошковую композицию железа или на основе железа, которая включает в себя новую смазку и которая имеет хорошие реологические свойства и высокую и равномерную насыпную плотность.
Еще одна задача состоит в том, чтобы предложить способ производства смазки.
Сущность изобретения
В соответствии с изобретением теперь неожиданно было обнаружено, что вышеупомянутые задачи могут быть решены посредством порошковой металлургической композиции на основе железа, содержащей порошок железа или на основе железа, и новую дисперсную композиционную смазку, причем указанная композиционная смазка содержит частицы, имеющие сердцевину, содержащую твердую органическую смазку, с налипшими на нее тонкодисперсными частицами углерода.
Изобретение также относится к самой дисперсной композиционной смазке, а также к ее приготовлению.
Подробное описание изобретения
Тип твердой органической смазки в композиционной смазке по изобретению не является критически важным, но в связи с недостатками металлоорганических смазок эта органическая смазка предпочтительно не должна включать металлических компонентов. Таким образом, органическая смазка может быть выбрана из широкого разнообразия органических веществ, имеющих хорошие смазывающие свойства. Примерами таких веществ являются жирные кислоты, воски, полимеры или их производные и смеси.
Предпочтительные твердые органические смазки представляют собой жирные кислоты, выбранные из группы, состоящей из пальмитиновой кислоты, стеариновой кислоты и бегеновой кислоты; моноамиды жирных кислот, выбранные из группы, состоящей из пальмитамида, стеарамида, бегенамида, олеамида и эрукамида; бисамиды (диамиды) жирных кислот, таких как этиленбисстеарамид (EBS), этиленбисолеамид (EBO), полиэтилен, полиэтиленовый воск; вторичные амиды жирных кислот, выбранные из группы, состоящей из эруцилстеарамида, олеилпальмитамида, стеарилэрукамида, стеарилолеамида, стеарилстеарамида, олеилстеарамида.
Особенно предпочтительные твердые органические смазки представляют собой стеарамид, эрукамид, стеарилолеамид, эруцилстеарамид, стеарилэрукамид, EBO, EBS и EBS в сочетании с олеамидом, эрукамидом, стеарилолеамидом, стеарилэрукамидом или эруцилстеарамидом. Имеющиеся в настоящее время результаты показывают, что порошковые металлические композиции, содержащие эти композиционные смазки по изобретению, отличаются своими особенно высокими значениями насыпной плотности и/или текучести. Дополнительно, эти смазки известны своими превосходными смазывающими свойствами.
Средний размер частиц органической сердцевины может составлять 0,5-100 мкм, предпочтительно 1-50 мкм, а наиболее предпочтительно 5-40 мкм. Кроме того, является предпочтительным, чтобы размер частиц сердцевины был по меньшей мере в пять раз большим, чем размер частиц углерода, и является предпочтительным, чтобы тонкодисперсные частицы углерода образовали покрытие на поверхности сердцевины.
В этом контексте термин «тонкодисперсные частицы углерода» предназначен обозначать частицы кристаллического, полукристаллического или аморфного углерода. Тонкодисперсные частицы углерода могут происходить из природного или синтетического графита, углеродной сажи, активированного углерода, угля и антрацита и т.д. и могут также быть смесью двух или более из них. Тонкодисперсные частицы углерода, налипшие на поверхность сердцевины с твердой органической смазкой, могут предпочтительно быть выбраны из группы, состоящей из углеродной сажи и природного или синтетического графита, имеющих средний размер частиц менее 10 мкм и более 5 нм.
2
Размер первичной частицы углеродной сажи может быть менее 200 нм, предпочтительно менее 100 нм, а наиболее предпочтительно менее 50 нм и более 5 нм. Удельная площадь поверхности может составлять между 20 и 1000 м/г, как измерено методом БЭТ. Углеродная сажа может быть получена от поставщика, такого как, например, Degussa AG, Германия. Содержание углеродной сажи в композиционной смазке может составлять 0,1-25% по массе, предпочтительно 0,2-6% по массе, а наиболее предпочтительно 0,5-4% по массе.
Средний размер частиц графита может быть менее 10 мкм и более 500 нм. Содержание графита в композиционной смазке может составлять 0,1-25% по массе, предпочтительно 0,5-10% по массе, а наиболее предпочтительно 1-7% по массе. Графит может быть получен от поставщика, такого как, например, Graphit Kropfmühl AG, Германия, или синтетический графит со сверхвысокой площадью поверхности от Asbury Carbons, США.
Содержание композиционной смазки в порошковой металлической композиции может составлять 0,05-2% по массе.
Дисперсная композиционная смазка по изобретению может быть приготовлена посредством традиционной технологии покрытия частиц, включая смешение органического дисперсного смазочного материала и тонкодисперсных частиц углерода. Способ может дополнительно содержать стадию нагрева. Температура термической обработки может быть ниже точки плавления твердой дисперсной органической смазки.
Твердая дисперсная органическая смазка может быть тщательно перемешана с тонкодисперсными частицами углерода в смесителе. Смеситель может быть высокоскоростным смесителем. Смесь может быть нагрета в ходе смешения при температуре и в течение периода времени, достаточных для того, чтобы дать возможность тонкодисперсным частицам углерода налипнуть на поверхность дисперсного органического смазочного материала во время следующей за тем необязательной стадии охлаждения.
Порошок на основе железа может быть порошком на основе предварительно легированного железа или порошком на основе железа с диффузионно связанными с частицами железа легирующими элементами. Порошок на основе железа может также быть смесью порошка по существу чистого железа или порошка на основе предварительно легированного железа и легирующих элементов, выбранных из группы, состоящей из Ni, Cu, Cr, Mo, Mn, P, Si, V, Nb, Ti, W и графита. Углерод в форме графита представляет собой легирующий элемент, используемый в значительной степени для того, чтобы придать достаточные механические свойства готовым спеченным изделиям. При добавлении углерода как отдельного компонента в порошковую композицию на основе железа содержание растворенного углерода в порошке на основе железа может поддерживаться низким, повышая улучшенную прессуемость. Порошок на основе железа может быть полученным распылением порошком, таким как, например, порошок, полученный распылением водой, или порошком губчатого железа. Размер частиц порошка на основе железа выбирается в зависимости от конечного использования материала. Частицы порошка железа или на основе железа могут иметь средний по массе размер частиц вплоть до примерно 500 мкм, более предпочтительно частицы могут иметь средний по массе размер частиц в диапазоне 25-150 мкм, а наиболее предпочтительно 40-100 мкм.
Порошковая металлическая композиция может дополнительно содержать одну или более добавок, выбранных из группы, состоящей из связующих, технологических добавок, твердых фаз, улучшающих обрабатываемость веществ, если имеется потребность в механической обработке спеченного изделия резанием, и твердых смазок, обычно используемых в ПМ, таких как EBS, стеарат цинка и Kenolube, получаемый от Häganäs AB. Концентрация порошкообразной композиционной смазки по изобретению плюс необязательных твердых смазок может составлять в диапазоне 0,05-2% от порошковой металлической композиции.
Новая порошковая композиция железа или на основе железа может быть спрессована и необязательно спечена посредством традиционных методов ПМ.
Следующие примеры служат для того, чтобы иллюстрировать изобретение, но объем изобретения не должен быть ограничен ими.
Примеры
Материалы
Были использованы следующие материалы
(1) Был использован полученный распылением водой порошок на основе железа (ASC100.29, получаемый от Häganäs AB, Швеция).
(2) В качестве смазочных материалов сердцевины были использованы следующие вещества: этиленбисстеарамид (EBS), получаемый как Licowax™ от Glariant (Германия), стеарамид, эрукамид, олеилпальмитамид, стеарилолеиламид, эруцилстеарамид, стеарилэрукамид, этиленбисолеамид (EBO) и полиэтиленовые воски. Средние размеры частиц смазок можно увидеть в Таблице 2.
3) В качестве графита, добавляемого в порошковую композицию на основе железа, был использован Графит UF-4 (от Graphit Kropfmühl AG, Германия).
(4) Частицы покрытия представляли собой Графит UF-1 (UF1) (от Graphit Kropfmühl AG, Германия) и Графит 4827 (4827) (от Asbury Carbons, США), имеющие средний размер частиц 2 мкм и 1,7 мкм соответственно, и углеродную сажу (CB) (от Degussa AG, Германия), имеющую размер первичных частиц 30 нм.
Порошковые композиции на основе железа состояли из ASC100.29, смешанного с 0,5% по массе графита и 0,8% по массе композиционной смазки.
Различные композиционные смазки были приготовлены посредством смешения материала сердцевины в соответствии с Таблицами 1 и 2 с тонкодисперсными частицами углерода при различных концентрациях в высокоскоростном смесителе от Hosokawa. Сажа была добавлена при концентрациях 0,75, 1,5, 3 и 4% по массе соответственно. Графит был добавлен при концентрациях 1,5, 3, 5 и 6% по массе соответственно к композиционным смазкам. Технологические параметры процесса смешения, такие как температура порошка в смесителе и продолжительности смешения для каждого композита, можно увидеть в таблице 2. Скорость вращения ротора в смесителе составляла 1000 оборотов в минуту (об/мин), а количество смазочного материала сердцевины составляло 500 г.
Таблица 1
Смазочные вещества, использованные в качестве материалов сердцевины
Марка
Общее название
ES
Эруцилстеарамид
OP
Олеилпальмитамид
S
Стеарамид
O
Олеамид
E
Эрукамид
EBS
Этиленбисстеарамид
PW655
Полиэтиленовый воск
PW1000
Полиэтиленовый воск
SE
Стеарилэрукамид
EBO
Этиленбисолеамид
SO
Стеарилолеамид
Таблица 2
Параметры процесса
Марка
Средний размер частиц X50 (мкм)
Температура порошка в смесителе (°С)
Продолжительность смешения (мин)
S-1
5,2
50°C
25
S-2
5,8
50°C
25
S-3
15,4
50°C
25
S-4
16,5
50°C
45
S-5
17,8
50°C
25
S-6
21,5
50°C
25
S-7
4,0
83°C
60
ES-1
24,0
25°C
25
ES-2
29,5
25°C
25
E
20,3
25°C
45
OP
16,0
25°C
45
EBS
8,5
75°C
55
EBS/O
25,6
40°C
20
PW655
10,0
25°C
45
PW1000
10,0
40°C
45
SE
27,4
25°C
45
SO
35,4
25°C
45
EBS/SE
29,0
25°C
45
EBS/SO
29,2
25°C
45
EBS/SE
20,4
25°C
45
EBS/E
26,0
25°C
15
S/E
24,3
25°C
45
EBO
16,0
50°C
10
Различные порошковые композиции на основе железа (смеси номер 1-63) по 25 кг каждая были приготовлены посредством смешения полученной композиционной смазки или традиционной дисперсной смазки (используемой в качестве контрольной) с графитом и ASC100.29 в смесителе Nauta на 50 кг. Частицы твердой органической смазки в смесях номер 36-38 и 50-61 были расплавлены, впоследствии отверждены и микроизмельчены перед их использованием в качестве материала сердцевины для приготовления композиционных смазок или перед добавлением к контрольным смесям. Насыпная плотность (НП) и текучесть по Холлу были измерены в соответствии с ISO 4490 и ISO3923-1 соответственно на полученных порошковых композициях на основе железа через 24 часа после смешения. В таблице 3 показаны результаты измерений.
Как можно увидеть из таблицы 3, при использовании различных композиционных смазок по изобретению текучесть порошковых композиций на основе железа улучшилась и могли быть получены более высокие значения насыпной плотности по сравнению с использованием традиционной смазки. Фактически, когда ПМ-композиция, содержащая традиционную смазку, не имеет текучести, ПМ-композиция, содержащая композиционную смазку по изобретению, обеспечивает текучесть. Особенно высокие значения насыпной плотности и/или текучести были получены для порошковых металлических композиций, содержащих композиционные смазки по изобретению, содержащие стеарамид, эрукамид, эруцилстеарамид, стеарилэрукамид, EBO, EBS и EBS в сочетании с олеамидом или стеарилэрукамидом.
Для того чтобы измерить тенденцию композиционных смазок и традиционных смазок к образованию агломератов, смазки были просеяны на стандартном сите 315 мкм после хранения в течение по меньшей мере одной недели. Количество удержанного материала было измерено.
Таблица 4 показывает, что тенденция к образованию агломератов уменьшается, когда органический смазочный материал сердцевины покрывается тонкодисперсными частицами углерода, что приводит в результате к композиционной смазке по изобретению.
Тот же самый тип измерений, что и показанный в таблице 4, был повторен с определенными порошковыми композициями на основе железа для того, чтобы оценить тенденцию к образованию агломератов в порошковой композиции на основе железа, содержащей соответственно традиционные смазки и композиционные смазки по изобретению.
Таблица 5 показывает, что тенденция к образованию агломератов является менее явной в порошковых композициях на основе железа, содержащих композиционную смазку по изобретению, по сравнению с композициями, содержащими традиционную смазку.
Таблица 3
Текучесть и насыпная плотность (НП) композиций 1-63
Номер смеси
Традиционная смазка, использованная в качестве контрольной
Сердцевина композиционной смазки
Тип частиц углерода, налипших на сердцевину смазки
Процентное содержание частиц углерода по отношению к общему количеству композиционной смазки (%)
Текучесть (секунд / 50 г)
НП (г/см<sup>3</sup>)
1
S-1
Нет текучести
2,97
2
S-1
UF1
3,0
Нет текучести
2,99
3
S-1
CB
1,5
34,5
2,85
4
S-1
CB
3,0
30,4
2,92
5
S-2
Нет текучести
2,98
6
S-2
UF1
3,0
Нет текучести
2,99
7
S-2
CB
3,0
32,9
2,91
8
S-3
Нет текучести
3,05
9
S-3
UF1
3,0
29,5
3,17
10
S-4
Нет текучести
3,12
11
S-4
UF1
3,0
28,3
3,18
12
S-4
CB
0,75
27,1
3,21
13
S-4
CB
1,5
27,2
3,17
14
S-5
30,6
3,05
15
S-5
CB
0,75
28,5
3,13
16
S-5
CB
1,5
27,3
3,13
17
S-5
4827
5,0
29,3
3,17
18
S-6
31,5
3,06
19
S-6
UF1
3,0
27,7
3,20
20
S-6
CB
0,75
26,9
3,21
21
S-7
28,2
3,17
22
S-7
UF1
3,0
26,1
3,19
23
S-7
CB
3,0
26,0
3,11
24
ES-1
Нет текучести
3,10
25
ES-1
CB
1,5
33,1
3,19
26
ES-2
Нет текучести
3,13
27
ES-2
CB
1,5
31,3
3,15
28
ES-2
4827
1,5
29,7
3,18
29
E
Нет текучести
3,03
30
E
CB
1,5
30,3
2,97
31
E
CB
3,0
28,8
3,01
32
OP
Нет текучести
2,92
33
OP
CB
1,5
34,3
2,94
34
EBS
33,5
3,01
35
EBS
CB
1,5
30,8
3,00
36
EBS/O
31,0
3,03
37
EBS/O
UF1
3,0
30,4
3,10
38
EBS/O
CB
3,0
28,4
3,09
39
PW655
Нет текучести
2,76
40
PW655
CB
1,5
32,1
2,82
41
PW1000
Нет текучести
2,78
42
PW1000
CB
1,5
32,5
2,85
43
Стеарат цинка
35,4
3,18
44
SE
Нет текучести
2,96
45
SE
CB
3,0
29,9
3,11
46
SE
UF1
6,0
31,2
3,08
47
SE
4827
5,0
30,4
3,10
48
SO
Нет текучести
2,95
49
SO
CB
1,5
30,9
2,98
50
EBS/SE
Нет текучести
2,98
51
EBS/SE
CB
1,5
29,6
3,17
52
EBS/SO
Нет текучести
2,95
53
EBS/SO
CB
1,5
30,9
3,03
54
EBS/SO
Нет текучести
3,00
55
EBS/SO
CB
1,5
33,4
2,99
56
EBS/E
Нет текучести
2,96
57
EBS/E
CB
1,5
30,0
3,03
58
S/E
Нет текучести
3,00
59
S/E
CB
4,0
29,1
3,16
60
S/E
UF1
6,0
28,4
3,17
61
S/E
4827
5,0
28,2
3,18
62
EBO
Нет текучести
2,95
63
EBO
CB
3,0
34,0
3,04
Таблица 4
Тенденция к образованию агломератов для традиционных смазок и композиционных смазок по изобретению
Традиционная смазка
Материал сердцевины композиционной смазки
Тип частиц углерода, налипших на материал сердцевины смазки
Процентное содержание частиц углерода по отношению к общему количеству композиционной смазки (%)
Тенденция к образованию агломератов
S-1
Агломераты
S-1
CB
1,5
Меньше агломератов
S-1
CB
3,0
Меньше агломератов
S-2
Агломераты
S-2
CB
3,0
Меньше агломератов
S-4
Агломераты
S-4
UF1
3,0
Нет агломератов
S-4
CB
0,75
Нет агломератов
S-4
CB
1,5
Нет агломератов
S-5
Агломераты
S-5
CB
0,75
Нет агломератов
S-5
CB
1,5
Нет агломератов
S-5
4827
5,0
Нет агломератов
S-7
Агломераты
S-7
UF1
3,0
Нет агломератов
s-7
CB
0,75
Нет агломератов
ES-2
Агломераты
ES-2
CB
1,5
Нет агломератов
ES-2
4827
1,5
Нет агломератов
E
Агломераты
Е
СВ
1,5
Меньше агломератов
ОР
Агломераты
ОР
СВ
1,5
Нет агломератов
EBS
Нет агломератов
EBS
CB
1,5
Нет агломератов
EBS/O
Нет агломератов
EBS/O
UF1
3,0
Нет агломератов
SE
Агломераты
SE
CB
1,5
Нет агломератов
SE
UF1
6,0
Нет агломератов
SE
4827
5,0
Нет агломератов
SO
Агломераты
SO
CB
1,5
Нет агломератов
EBS/SE
Агломераты
EBS/SE
CB
1,5
Нет агломератов
EBS/SO
Агломераты
EBS/SO
CB
1,5
Нет агломератов
EBS/ES
Агломераты
EBS/ES
CB
1,5
Нет агломератов
EBS/E
Агломераты
EBS/Е
СВ
1,5
Нет агломератов
S/E
Агломераты
S/E
CB
4,0
Нет агломератов
S/E
UF1
6,0
Нет агломератов
S/E
4827
5,0
Нет агломератов
EBO
Агломераты
EBO
CB
3,0
Нет агломератов
Таблица 5
Тенденция к образованию агломератов в порошковых композициях на основе железа, содержащих традиционные смазки и композиционную смазку по изобретению
Номер смеси
Традиционная смазка
Материал сердцевины композиционной смазки
Тип частиц углерода, налипших на материал сердцевины смазки
Процентное содержание частиц углерода по отношению к общему количеству композиционной смазки (%)
Тенденция к образованию агломератов
1
S-1
Агломераты
3
S-1
CB
1,5
Нет агломератов
4
S-1
CB
3,0
Нет агломератов
5
S-2
Агломераты
7
S-2
CB
3,0
Нет агломератов
24
ES-1
Агломераты
25
ES-1
СВ
1,5
Нет агломератов
29
Е
Агломераты
30
Е
СВ
1,5
Меньше агломератов
31
Е
СВ
3
Нет агломератов
32
ОР
Агломераты
33
ОР
СВ
1,5
Нет агломератов
34
EBS
Нет агломератов
35
EBS
CB
1,5
Нет агломератов
39
PW655
Агломераты
40
PW655
CB
1,5
Нет агломератов
41
PW1000
Агломераты
42
PW1000
CB
1,5
Нет агломератов
43
Стеарат цинка
Нет агломератов
44
SE
Агломераты
45
SE
CB
1,5
Нет агломератов
46
SE
UF1
6,0
Нет агломератов
47
SE
4827
5,0
Нет агломератов
48
SO
Агломераты
49
SO
CB
1,5
Нет агломератов
50
EBS/SE
Агломераты
51
EBS/SE
CB
1,5
Нет агломератов
52
EBS/SO
Агломераты
53
EBS/SO
CB
1,5
Нет агломератов
54
EBS/ES
Агломераты
55
EBS/ES
CB
1,5
Нет агломератов
56
EBS/E
Агломераты
57
EBS/E
CB
1.5
Нет агломератов
58
S/E
Агломераты
59
S/E
CB
4,0
Нет агломератов
60
S/E
UF
6,0
Нет агломератов
61
S/E
4827
5,0
Нет агломератов
62
EBO
Агломераты
63
EBO
CB
3,0
Нет агломератов