СМАЗОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАННЫХ МАГНИТОМЯГКИХ КОМПОЗИЦИЙ ПОРОШКА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
LUBRICANT FOR ISOLATED SOFT MAGNETIC COMPOSITIONS OF POWDER ON BASIS OF IRON

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к смазочным материалам для магнитомягких композиционных материалов (SMC). В частности, изобретение имеет отношение к жидким смазочным материалам для магнитомягкого железа или порошка на основе железа, в котором частицы окружены неорганическим изолирующим слоем.
Уровень техники
В промышленности все более и более широко распространенным становится использование металлических изделий, полученных прессованием и термической обработкой магнитомягких порошковых композиций. Получено множество различных изделий разной формы и толщины, и на эти изделия в зависимости от их конечного использования устанавливают различные требования к качеству. Для того чтобы удовлетворять различным требованиям порошковой металлургии, было разработано большое разнообразие композиций порошков железа и порошков на основе железа.
Одна технология производства для изготовления деталей из этих композиций порошков заключается в заполнении композицией порошка полости матрицы и прессование композиции под высоким давлением. Полученную в результате неспеченную деталь затем извлекают из полости матрицы и подвергают термической обработке. Для того чтобы избежать чрезмерного износа на полости матрицы, обычно в течение процесса прессования используют смазочный материал. Смазывание, главным образом, осуществляют путем смешивания твердых частиц смазочного порошка с порошком на основе железа (внутренняя смазка) или путем напыления жидкой суспензии или раствора смазочного материала на поверхность полости матрицы (внешняя смазка). В некоторых случаях используются обе технологии смазки.
3
3
Смазывание посредством смешивания твердого смазочного материала в композицию порошка на основе железа широко используется, и постоянно разрабатываются новые твердые смазочные материалы. Эти твердые смазочные материалы, главным образом, имеют плотность приблизительно 1-2 г/см, которая является очень низкой по сравнению с плотностью порошка на основе железа, который имеет плотность приблизительно 7-8 г/см.
Более того, на практике твердые смазочные материалы должны использоваться в количестве, по крайней мере, 0,6 вес.% композиции порошка. В результате включение этих менее плотных смазочных материалов в композицию снижает плотность неспеченного материала уплотненной детали.
В современной технологии порошковой металлургии смазка с только жидкими смазочными материалами не является удачной ввиду низких свойств порошка и обработки. Однако было предложено использовать жидкие смазочные материалы в комбинации с твердыми смазочными материалами. Таким образом, в патенте США 6537389 раскрыт способ получения магнитомягкого композиционного материала. В этом способе масло для штамповки или сложный метиловый эфир рапсового масла упомянуты как примеры соответствующих смазочных присадок в прессуемой порошковой композиции. Эти композиции предлагают использовать в комбинации с твердым смазочным материалом амид стеариновой кислоты, но ничего не известно о физической природе масла для штамповки или сложного метилового эфира рапсового масла и нет конкретных примеров, демонстрирующих использование этих композиций. Использование жидких смазочных материалов также известно из патента США 3728110, из которого известно, что жидкий смазочный материал должен использоваться в комбинации с пористым силикатным гелем. Также в этом случае жидкий смазочный материал должен быть в комбинации с твердым смазочным материалом.
В настоящее время было неожиданно обнаружено, что когда магнитомягкое железо или порошки на основе железа одного типа соединяют с определенным типом жидких органических веществ в качестве смазочных материалов, возможно получить прессованные детали, имеющие не только высокую плотность, но также было обнаружено, что эти прессованные детали могут быть извлечены из матриц со сравнительно низкими усилиями выталкивания. Более того, оказалось, что эти смазочные материалы эффективны в предотвращении разрушения стенок матрицы и обеспечивают прессованным деталям превосходное качество поверхности. Также для смазки не требуется силикагель.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к композиции порошка, включающей магнитомягкое железо или порошок на основе железа, в которой частицы окружены неорганическим изолирующим слоем и жидким органическим смазочным материалом. Изобретение также относится к способу получения прессованных и термически обработанных деталей с использованием жидкого смазочного материала.
Подробное описание изобретения
Типы порошков
Соответствующие металлические порошки, которые могут использоваться в качестве исходных материалов для нанесения покрытия, могут быть порошками, приготовленными из ферромагнитных металлов, таких как железо. Легирующие элементы, такие как никель, кобальт, фосфор, кремний, алюминий, хром, бор и т.д., могут быть добавлены как частицы или предварительно легированы для того, чтобы изменить свойства изделия на основе железа. Порошки на основе железа могут быть выбраны из групп, состоящих из, главным образом, порошков чистого железа, предварительно легированных порошков на основе железа и, главным образом, чистого железа или частиц на основе железа и легирующих элементов. Что касается формы частиц, предпочтительно, чтобы частицы имели неправильную форму, как полученные распылением водой или губчатое железо. Также могут быть использованы распыленные газом порошки и пластинки.
Размер частиц на основе железа, обычно используемых в порошковой металлургии, распределяют согласно кривой распределения Гаусса со средним диаметром частиц в диапазоне 30-100 мкм, и приблизительно 10-30% частиц составляют менее 45 мкм. Таким образом, порошки, используемые согласно настоящему изобретению, имеют гранулометрический состав, отличающийся от обычно используемого. Эти порошки могут быть получены путем удаления мелких фракций порошка или путем получения порошка, имеющего требуемый гранулометрический состав.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения порошки должны иметь крупные частицы, то есть порошки, по существу, без мелких частиц. Выражение "по существу без мелких частиц" подразумевает, что менее приблизительно 10%, предпочтительно, менее 5% частиц порошка имеют размер менее 45 мкм, что измерено способом, описанным в SS-EN 24497. Средний диаметр частиц обычно находится в диапазоне 106-425 мкм. Количество частиц более 212 мкм обычно более 20%. Максимальный размер частиц может быть приблизительно 2 мм.
Что касается SMC деталей, применяемых с высокими требованиями, особенно превосходные результаты были получены с распыленными водой порошками железа, в которых частицы окружены неорганическим слоем. Примерами порошков в рамках настоящего изобретения являются порошки, имеющие гранулометрический состав и химический состав, соответствующий Somaloy550 и Somaloy700, Höganäs AB, Швеция.
Смазочный материал
Смазочный материал согласно настоящему изобретению отличается тем, что является жидкостью при температуре окружающей среды, т.е. кристаллическая температура плавления должна быть ниже 25°С. Другой особенностью смазочного материала является то, что он является невысыхающим маслом или жидкостью.
Более того, вязкость (η) при 40°С должна быть более 15 мПа·с и зависит от температуры согласно следующему уравнению:
lg(η)=k/T+C,
где k - коэффициент предпочтительно выше 800 (Т выражена в Кельвинах, а С является постоянной). Коэффициент k и константа С в уравнении были определены при помощи общеизвестного математического метода «Метод наименьших квадратов» (учебник по методу наименьших квадратов (1909) Mansfield Merriman; ISBN 9780548629567).
Видами веществ, выполняющих вышеупомянутые критерии, являются невысыхающие масла или жидкости, например различные минеральные масла, жирные кислоты на основе растительных или животных жиров, а также соединения, такие как полиэтиленгликоль, полипропиленгликоль, глицерин и их этерифицированные производные. Эти смазочные масла могут использоваться в сочетании с некоторыми добавками, которые могут быть упомянуты, как "реологические модификаторы", "противозадирные присадки", "добавки против холодной сварки", "противоокислительные ингибиторы" и "ингибиторы коррозии".
Смазочный материал согласно изобретению может составлять до 0,4 вес.% композиции металлического порошка. Предпочтительно до 0,3 вес.% и наиболее предпочтительно до 0,20 вес.% смазочного материала включены в композицию порошка. Возможность использования смазочного материала согласно настоящему изобретению в очень малых количествах особенно выгодна ввиду того, что это позволяет прессовкам и термически обработанным изделиям достигать высоких плотностей, тем более что эти смазочные материалы необязательно должны быть в комбинации с твердым смазочным материалом. Однако настоящее изобретение не исключает добавления небольших количеств твердого(ых) (в виде частиц) смазочного(ых) материала(ов). Следует отметить, что геометрия детали, а также материал и качество оборудования имеют большое влияние на качество поверхности деталей SMC после извлечения. Поэтому в некоторых случаях оптимальное содержание смазочного материала может быть менее 0,20 вес.%. Более того, и в отличие от раскрытого в патенте США 6537389, частицы железного порошка не покрыты термопластичным соединением.
Прессование
3
Обычное прессование при высоких давлениях, т.е. давлениях приблизительно более 600 МПа, с обычно используемыми порошками, включающими мелкие частицы в смеси с небольшими количествами смазочного материала (менее 0,6 вес.%), которое обычно применяется, является неподходящим ввиду того, что требуются большие усилия для того, чтобы извлечь прессовки из матрицы, а также сопровождается быстрым износом матрицы, и результатом является то, что поверхности изделий имеют склонность быть менее блестящими или разрушенными. При использовании порошков и жидких смазочных материалов согласно настоящему изобретению было неожиданно обнаружено, что усилие выталкивания снижается при высоких давлениях, приблизительно более 600 МПа, и что изделия, имеющие приемлемые или даже идеальные поверхности, могут быть получены также, когда не используется смазывание стенки матрицы. Прессование может быть выполнено на обычном оборудовании, это означает, что новый способ может быть выполнен без больших затрат. Прессование выполняют в одном направлении, в один этап, при температурах окружающей среды или повышенных. Для того чтобы достигнуть преимуществ настоящего изобретения, прессование должно быть выполнено предпочтительно до плотностей более 7,50 г/см.
Далее изобретение поясняется следующими неограничивающими примерами.
В качестве жидких смазочных материалов были использованы вещества, приведенные ниже в таблице 1.
Таблица 1
Смазочный материал
Тип
Торговое наименование
А
Полиэтиленгликоль, Mw 400 г/моль
PEG 400 (Clariant GmbH)
В
Дистиллированное минеральное масло с низкой вязкостью
Шпиндельное масло
С
Синтетическое смазочное масло для волочения на основе сложного эфира
Nimbus 410 (Statoil ASA)
D
Олеоил саркозин
Crodasinic O (Croda Chem. Ltd.)
Е
Диметилполисилоксан, вязкость (25°С) 100 мПа·с
DMPS (Sigma-Aldrich)
F
1,2,3-пропантриол
Глицерин
(Смазочные материалы В и Е находятся за пределами изобретения).
Следующая таблица 2 показывает вязкость при различных температурах используемых жидких смазочных материалов.
Таблица 2
Т (°С)
Вязкость η (мПа·с)
А
В
С
D
E
F
30
73,0
10,7
--
2600
89,8
68,7
40
47,0
7,7
78,3
1100
74,6
40,3
50
32,0
5,9
53,0
600
62,8
25,5
60
23,0
4,9
39,0
400
53,5
17,3
70
17,5
4,0
30,4
130
45,6
12,9
80
13,5
3,4
23,1
85
39,5
8,8
Следующая таблица 3 показывает постоянные в уравнении lg(η)=k/T+C (Т в К), задающем температурную зависимость вязкости жидких смазок.
Таблица 3
А
В
С
D
Е
F
k
1563
1051
1441
3172
763
1875
С
-3,316
-2,462
-2,725
-7,050
-0,565
-4,375
Невысыхающие смазочные масла или жидкости согласно изобретению должны иметь вязкость, вычисленную согласно приведенному уравнению, в котором удовлетворены следующие требования: k>800, и где вязкость при 40°С > 15 мПа·с. Следовательно, смазочные материалы В и Е, которые находятся за пределами изобретения, ясно показывают влияние жидких смазочных материалов, которые не выполняют требования представленной формулы.
Пример 1
Были приготовлены различные композиции порошков на основе железа, всего 2 кг. Используемый порошок на основе железа был магнитомягким порошком, частицы которого имеют изолирующее неорганическое покрытие. Гранулометрический состав раскрыт ниже, в таблице 4, в колонке "крупный порошок":
Таблица 4
Размер частиц (мкм)
Крупный порошок (вес.%)
Мелкий порошок (вес.%)
>425
0,1
0
425-212
64,2
0
212-150
34,0
11,2
150-106
1,1
25,0
106-75
0,3
22,8
45-75
0,2
26,7
<45
0
14,3
400 г порошка на основе железа было интенсивно смешано с 4,0 г жидкого смазочного материала в отдельном миксере, и затем была получена так называемая исходная смесь. Исходная смесь затем была добавлена к оставшемуся количеству магнитомягкого порошка на основе железа, и готовая смесь была перемешана еще в течение 3 мин.
Полученные смеси были помещены в матрицу и спрессованы в цилиндрические образцы для испытаний (50 г) с диаметром 25 мм при движении пресса по одной оси и давлении прессования 1100 МПа. Используемый материал матрицы был обычной инструментальной сталью. В течение извлечения спрессованных образцов были измерены статические и динамические усилия выталкивания, и была вычислена полная энергия выталкивания, необходимая для того, чтобы извлечь образцы из матрицы. Следующая таблица 5 показывает усилия выталкивания, энергию выталкивания, плотность неспеченного материала, внешний вид и общие рабочие характеристики для различных образцов.
Таблица 5
Смазочный материал
А
В
С
D
Е
F
Энергия выталкивания (Дж/см<sup>2</sup>)
101
156
79
76
208
96
Статическое усилие выталкивания (кН)
46
58
35
27
53
27
Динамическое усилие выталкивания (кН)
40
63
29
27
97
33
Внешний вид
Небольшие царапины
С царапинами
Идеальный
Идеальный
С задирами
Небольшие царапины
Плотность неспеченного материала (г/см<sup>3</sup>)
7,70
7,68
7,69
7,68
7,69
7,69
Общие показатели
Приемлемый
Неприемлемый
Хороший
Хороший
Неприемлемый
Приемлемый
Пример 2
Согласно примеру 1 была приготовлена смесь порошка, содержащего смазочный материал С, а также согласно примеру 1 цилиндрические образцы для испытаний были спрессованы при пяти различных температурах матрицы. Следующая таблица 6 показывает усилия выталкивания и энергию выталкивания, необходимую для того, чтобы извлечь образцы для испытаний из матрицы, внешний вид извлеченных образцов и плотность неспеченного материала образцов.
Таблица 6
Смазочный материал С 1100 МПа; 0,20 вес.%
Энергия выталкивания (Дж/см<sup>2</sup>)
Статическое усилие выталкивания (кН)
Динамическое усилие выталкивания (кН)
Внешний вид
Плотность неспеченного материала (г/см<sup>3</sup>)
RT
79
35
29
Идеальный
7,69
40°С
77
32
26
Идеальный
7,70
60°С
74
31
26
Идеальный
7,70
80°С
73
36
25
Идеальный
7,70
100°С
80
41
29
Небольшие царапины
7,70
Из таблицы, приведенной выше, можно сделать вывод, что превосходные свойства извлечения могут быть получены при температуре матрицы ниже 80°С.
Пример 3
Этот пример показывает влияние добавленного количества смазочного материала С на усилие выталкивания и энергию выталкивания, необходимую для того, чтобы извлечь спрессованный образец из матрицы, а также внешний вид извлеченных образцов. Согласно примеру 1 были приготовлены смеси за исключением того, что были добавлены смазочные материалы в количестве 0,05%, 0,10% и 0,40%. Согласно примеру 1 образцы были спрессованы при комнатной температуре (RT). Следующая таблица 7 показывает энергию, необходимую для того, чтобы извлечь образцы из матрицы, а также внешний вид извлеченных образцов.
Таблица 7
Смазочный материал С 1100 МПа; RT
Энергия выталкивания (Дж/см<sup>2</sup>)
Внешний вид
Плотность неспеченного материала (г/см<sup>3</sup>)
0,05%
197
С задирами
7,71
0,10%
151
С царапинами
7,70
0,20%
79
Идеальный
7,69
0,40%
76
Идеальный
7,58
Из таблицы 7 видно, что содержание, по крайней мере, 0,10% смазочного материала С необходимо для такого давления прессования, чтобы получить приемлемое протекание процесса извлечения из матрицы. Более того, предполагают, что тип геометрии изделия и материал оборудования также будут влиять на извлечение.
Пример 4
Этот пример показывает влияние гранулометрического состава на усилие выталкивания и энергию выталкивания, необходимую для того, чтобы извлечь образцы из матрицы, и влияние гранулометрического состава на внешний вид извлеченного образца при использовании жидких смазочных материалов согласно изобретению.
Пример 1 был повторен за исключением того, что в отличие от крупного порошка (таблица 4) использовался "мелкий порошок".
Следующая таблица 8 показывает усилие выталкивания и энергию, необходимую для того, чтобы извлечь образцы из матрицы, а также внешний вид извлеченных образцов.
Таблица 8
1100 МПа; RT
Смазочный материал С (0,20 вес.%)
Крупный порошок
Мелкий порошок
Энергия выталкивания (Дж/см<sup>2</sup>)
79
142
Статическое усилие выталкивания (кН)
35
36
Динамическое усилие выталкивания (кН)
29
57
Внешний вид
Идеальный
Небольшие царапины
Плотность неспеченного материала (г/см<sup>3</sup>)
7,69
7,67
Общие показатели
Хорошие
Приемлемые
Из таблицы, приведенной выше, может быть замечено, что композиции, включающие тип жидких смазочных материалов, описанных выше, могут быть использованы и с мелкими, и с крупными магнитомягкими порошками. Однако, когда используется крупный порошок, улучшаются и качество поверхности, и плотность неспеченного материала спрессованной детали. Более того, свойства порошка, такие как насыпная плотность и текучесть мелких порошков, обычно ухудшаются при использовании жидких смазочных материалов согласно изобретению. Однако при использовании порошков без высоких требований к этим свойствам мелкие порошки могут обеспечить изделиям приемлемое качество, используя жидкие смазочные материалы согласно изобретению.
Пример 5
Этот пример показывает превосходные магнитные свойства, полученные при использовании низких содержаний жидких смазочных материалов согласно изобретению. Вообще, малые смазывающие свойства приведут к уменьшению удельного электрического сопротивления и увеличению потерь в магнитной системе. Однако этот пример показывает, что, даже когда смазочные характеристики являются неприемлемыми, магнитные свойства, такие как максимальная магнитная проницаемость, могут быть приемлемыми (образец В). Такие смазочные материалы, которые показывают неприемлемые смазочные характеристики, не могут быть использованы в порошках для серийного производства ввиду плохого качества поверхности и чрезмерного износа оборудования.
Обычные порошковые системы смазки, такие как Kenolube, в основном, требуют больших количеств смазки (>0,5 вес.%) для того, чтобы достичь подобных смазочных характеристик. При таких больших количествах добавленного смазочного материала давление прессования более 800 МПа не приводит к улучшению магнитных свойств, поскольку не могут быть получены дальнейшие улучшения в уровнях плотности (эталонный образец G).
Согласно примеру 1 были приготовлены шесть смесей. Полученные смеси были помещены в матрицу и спрессованы в тороиды 55/45 мм с высотой 5 мм при движении пресса по одной оси и давлении прессования 1100 МПа. Образцы были подвергнуты термической обработке на воздухе при 530°С в течение 30 мин. С использованием гистерезисографа Brockhaus были измерены магнитные свойства тороидных образцов, обмотанных 100 сигнальными и 100 возбуждающими витками. Следующая таблица 9 показывает удельное электрическое сопротивление, измеренное четырехточечным способом, максимальную магнитную проницаемость, уровень индукции при 10 кА/м, а также потери в магнитной системе при 1T (Тесла) 400 Гц и 1 кГц соответственно.
Таблица 9
Смазочный материал 0,20 вес.%
Смазочные характеристики
Плотность (г/см<sup>3</sup>)
Удельное сопротивление (мкОм·м)
Максимальная магнитная проницаемость
В@10 кА/м(Т)
Потери @1Т 400 Гц(Вт/кг)
А
Приемлемые
7,67
60
867
1,71
41
В*
Неприемлемые
7,67
45
926
1,71
42
С
Отличные
7,68
170
703
1,69
39
D
Хорошие
7,68
85
756
1,69
40
Е*
С задирами
--
--
--
--
--
F
Приемлемые
7,64
27
934
1,72
47
G**
Хорошие
7,50
300
580
1,58
44
* Не по изобретению.
** Эталонный образец G является крупным порошком, смешанным с 0,5% Kenolube.