專利名稱：包括微粉化淀粉的粉末金屬混合物的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新穎粉末金屬混合物，其中一與粘合劑和潤滑劑組合的顆粒鐵金屬粉末常規(guī)上被模制成一具有任意形狀和尺寸且具有足夠的生坯強度以從模具中脫模的物件，其中所述物件在不刻劃模具并且不產(chǎn)生太多的熱量而使得潤滑劑在壓緊配件上產(chǎn)生氣泡的情況下被模制。
背景技術：
自從發(fā)現(xiàn)粉末形狀的適當磨碎的金屬顆粒與也為磨碎形式的粘合劑和潤滑劑混合的混合物能被壓緊并燒結(jié)以生產(chǎn)具有任意形狀和尺寸的物件以來，用于器具、車輛和機器的各種金屬配件的大規(guī)模生產(chǎn)的需要已推動粉末冶金技術的發(fā)展。在這項技術中，“粉末金屬混合物”指的是大量顆粒，其每一者在平均當量直徑(average equivalentdiameter)上小于150μm(微米)，其中優(yōu)選地其最大尺寸(金屬顆粒通常為最大)優(yōu)選地具有小于75μm的平均當量直徑，最小金屬顆粒具有約25μm的平均當量直徑，且非金屬添加劑通常具有小于金屬顆粒的平均當量直徑、通常小于50μm的平均當量直徑。根據(jù)經(jīng)燒結(jié)或經(jīng)燒結(jié)并熱處理的鐵物件的所要物理性質(zhì)，添加一大批粉末添加劑。這些添加劑中最常用的是潤滑劑和/或石墨，接下來是例如鎳、銅、鉬、錳、鉻、鈷的金屬和/或例如硫化物、磷化物和其類似物的有機金屬或金屬化合物，其在被燒結(jié)和/或熱處理時與粉末金屬形成合金。
本發(fā)明中術語“粉末金屬混合物”指的是鐵金屬顆粒的混合物，其中鐵(Fe)的存在量大于90％，其余成分為添加劑，例如潤滑劑、粘合劑(視需要而定，其可與所述潤滑劑相同或不同)和合金成分(例如石墨和金屬)，其每一者的存在量少于以總混合物(包括粉末)重量計的2％(重量％)。
術語“潤滑劑”指的是一種顆粒粉末，其尺寸不大于約100μm，且其平均當量直徑通常在約5μm到25μm的范圍內(nèi)；在本發(fā)明中，潤滑劑經(jīng)改良以基本上由一與顆粒淀粉摻合的潤滑劑粉末構成，其中所述潤滑劑粉末為例如常規(guī)上用于制造壓緊塊粉末金屬的潤滑劑粉末，所述顆粒淀粉的平均當量直徑小于150μm，優(yōu)選地小于50μm，該潤滑劑粉末視需要可與不多于相等量的微米級碎片纖維素纖維(如淀粉、多糖)組合，只要90％的碎片的長度小于金屬顆粒的平均當量直徑。為方便簡潔起見，僅具有淀粉的常規(guī)上使用的粉末金屬潤滑劑的改良被稱為“淀粉潤滑劑”。
因為像淀粉顆粒這樣的粉末金屬顆粒的形狀可能不規(guī)則，所以顆粒的當量直徑指的是其被假設為一具有相等體積的球體時的直徑。
可與淀粉顆粒混合的纖維素碎片優(yōu)選地比50μm小得多且在一狹窄尺寸范圍內(nèi)，即至少90重量％在長度上小于10μm，且所有碎片的平均長度在約4到5μm的范圍內(nèi)。碎片被稱為是被“微粉化的”，因為其是通過把長度小于約6.35mm(0.25″)的短纖維素纖維進料到一市售噴射式分級碾磨機或“微粉化器”(例如由Fluid EnergyAl-Jet公司制造的30型旋轉(zhuǎn)噴射)來方便地獲得的。最優(yōu)選地，纖維素纖維(例如棉花、大麻、馬尼拉麻、劍麻、黃麻和其類似物)首先由足量的輻射照射以改變其表面結(jié)構，優(yōu)選地通過把纖維暴露到電子束照射中以接收一在相當于約30到100百萬拉德(MegaRad)范圍內(nèi)的劑量(通常以千戈瑞(kGy)來測量)，如在前述′712專利中詳細描述，所述揭示內(nèi)容如同在本文完全闡述那樣以引用的方式并入本文中。因為，像淀粉顆粒一樣，纖維素碎片沒有明顯的潤滑性，所以其被一起稱為“非潤滑劑”。
實用粉末混合物最重要的標準是其均質(zhì)性，如果沒有均質(zhì)性，壓緊金屬配件的成分中將具有不可接受的差異，不僅是配件與配件之間，而且是在一個配件自身內(nèi)部。術語“配件”可與更正式的術語“物件”交換使用。此均質(zhì)性不僅包含單位體積粉末的質(zhì)量中顆粒的分布，而且包含粉末混合物的容積密度(被測量為“霍爾表觀密度”)和流動特性(被測量為“霍爾流率”)。表觀密度是單位體積的非壓緊粉末的質(zhì)量。按照ASTMB-212(“金屬粉末和粉末冶金產(chǎn)品的標準測試方法”中的金屬粉末工業(yè)協(xié)會“MPIF”測試方法04)中闡述來測量霍爾表觀密度。流率被量化為一標準重量的粉末流經(jīng)霍爾流量計所需的時間?；魻柫髀视葾STM B-213(MPIF測試方法03)規(guī)定。容積密度和流動的差異將導致“填充”和壓緊配件的尺寸的差異，其中所述“填充”是在混合物被壓緊之前填入模槽中的粉末混合物的量。在較小程度上，缺少均質(zhì)性反映在壓緊配件(尤其是在模制配件的敏感部分(例如齒輪的齒)中)的生坯強度的差異。
主要因為充分生坯強度是通過增加壓緊壓力來獲得的，所以生坯強度作為重要問題僅在以下情況中引起注意其中壓緊或模制壓力已經(jīng)高到明顯地縮短模具的使用壽命，和/或當在不能預防壓坯被碰撞(即使不是強有力地碰撞)的條件下被從模具中脫?；虮蛔詣虞斔偷綗Y(jié)爐時，被損壞的壓緊配件的數(shù)目令人擔憂。
生坯強度被測量為打破未經(jīng)燒結(jié)的坯塊(標準長方形棒)所要的壓力，如在ASTMB-312(MPIF測試方法15)中闡述。
雖然術語“粘合劑”和“潤滑劑”似乎用于在待壓緊的粉末金屬摻合物中專門執(zhí)行不同功能，但實際上，相同功能可由單一成分執(zhí)行，雖然與由不同高度專業(yè)化材料執(zhí)行相比，每一功能可能達到更大或更小程度。確切地說，乙撐雙硬脂酰胺(“EBS”)有時被稱為“粘合劑”，雖然其還可用作為潤滑劑；且金屬皂和蠟通常被稱為“潤滑劑”，雖然其還可以用作粘合劑。術語“摻合物”指的是鐵金屬粉末，包括所有基本上被均質(zhì)分散且適合被壓緊的成分。“鐵”金屬粉末意指這樣一種粉末，其中金屬顆粒主要含有元素鐵(Fe)，通常至少75％的Fe。粘合劑將石墨和合金組份的顆粒粘合到金屬顆粒的表面上。潤滑劑降低了當粉末受到剪切或被壓時所產(chǎn)生的摩擦力；因此，具有潤滑劑顆粒的金屬粉末比沒有潤滑劑的金屬粉末更容易流動；并且，金屬顆粒上添加有潤滑劑的粉術混合物可在模具中在壓力下被壓緊，且如果坯塊具有足夠的生坯強度，那么其可在使得模具配件上具有更少磨損和撕裂的情況下從模具中脫模。
通常，接著燒結(jié)所述生物件。燒結(jié)棒的強度被測量為“橫向斷裂強度”(“TRS”)，其使用一標準TRS夾具來測量，如ASTM B-528(MPIF測試方法41)中描述。如果所述TRS令人滿意，那么抗張強度一般也令人滿意。根據(jù)粉末金屬和添加劑的混合物(物件自其模制)的成分和其最終用途，其可接受進一步加工工序，例如定型/沖制、再燒結(jié)、熱處理和其他工序。
認識到金屬、粘合劑和/或潤滑劑的組份粉末和一種或一種以上額外添加劑在尺寸、密度和形狀上不同，通過選擇具有類似尺寸和形狀的顆粒并在使用所述粉末混合物之前充分混合各種顆粒來將均質(zhì)性問題最小化。在此機制中，顯然任何關于把淀粉顆粒和植物性材料的有機纖維(視需要)一起與潤滑劑和金屬顆粒混合的想法被迅速驅(qū)除，無論所述非潤滑劑在其他情況下是多么有利。
此外，至今為止，淀粉顆粒尚未被用作粉末金屬配件中的潤滑劑或粘合劑，因為像纖維素和其他多糖那樣，不認為淀粉對此目的具有任何重要有利價值。雖然淀粉和棉花具有類似化學式，但纖維素是纖維二糖聚合物，而淀粉是多糖聚合物。每種聚合物在結(jié)構上不同，且結(jié)構上的這種差異導致性質(zhì)極為不同。例如，淀粉一般可供人類食用，而纖維素不是。此外，聚纖維二糖天然地出現(xiàn)為纖維狀，而淀粉是顆粒狀。
如果混合物將用于壓緊和燒結(jié)配件的大規(guī)模生產(chǎn)中，那么添加小到以總粉末混合物重量計的2％的量的淀粉顆粒，無論水溶性淀粉還是不溶于水的淀粉，且其平均直徑不小于50μm(雖然與用于可壓緊粉末混合物中的金屬顆粒的平均當量直徑在相同尺寸范圍內(nèi))，均會導致不可接受的容積或表觀密度以及流動特征。含有50μm或更長的淀粉顆粒的粉末金屬混合物的不良物理性質(zhì)可歸因于顆粒所占的體積和其個體形狀的不規(guī)則性。添加總量小到2重量％(不管其各自比例如何)的視需要與微粉化棉纖維組合的小于50μm的淀粉顆粒(被稱為“微粉化淀粉”)產(chǎn)生與單獨添加淀粉相同的影響。
另一方面，將很好地認識到由粉末混合物中的較小顆粒提供的表面面積相對于由較大顆粒提供的面積的增加損害了粉末混合物的“流動性”或流動特征，從而導致需要一段更長時間來填充模具且造成壓緊配件中非均質(zhì)性的額外風險。雖然在實驗室中壓緊大約一打配件時此流動性并不成為問題，但在生產(chǎn)設備中所述問題可能是重要的，其中單位時間內(nèi)可產(chǎn)生的配件數(shù)目是一個決定性因素。
另一個近年來已日益突出的嚴重問題是“粉化”程度(特別是石墨)，以及在燒結(jié)過程中汽化硬脂酸鋅的有害副作用，其中硬脂酸鋅通常被用作潤滑劑。為了解決后一個問題，特別需要清潔燒結(jié)爐和其煙道，隨著包括蠟和金屬皂的大量其他潤滑劑的揭示此項技術正在激增。為了最小化或排除硬脂酸鋅的使用，在美國專利第6,511,945號中揭示了與寡聚酰胺組合的聚環(huán)氧乙烷；且EBS或多羧酸酰胺蠟被用作粘合劑，但是制造均質(zhì)粉末混合物通常需要加熱蠟以使其作為一涂層均勻地分布在金屬顆粒上，如分別在Storstrom等人的美國專利第5,480,469號和Vidarsson等人的美國專利第6,573,225號中揭示。為了改進潤滑作用，美國專利第6,413,919號使用兩種眾所周知的潤滑劑的組合，其中每一者憑借其自身能力是有效的，其中一種是脂肪酸單-或雙-酰胺(例如EBS)，另一種是金屬皂(例如硬脂酸鋅)，并且依靠處理所述混合物來形成由一種潤滑劑組成且涂覆有另一種潤滑劑的核心。

發(fā)明內(nèi)容
提供一具有任意形狀和尺寸的物件，其由以下材料模制得到(i)鐵金屬粉末，其平均顆粒尺寸小于約150μm(30篩目美國標準篩系列)；(ii)顆粒狀、可流動潤滑劑，其平均顆粒尺寸小于約50μm、優(yōu)選地小于30μm；和(iii)淀粉顆粒，其平均當量直徑小于50μm、優(yōu)選地在約1μm到50μm的范圍內(nèi)，或(iv)與微粉化纖維素纖維組合的淀粉顆粒；所述物件由粉末金屬混合物模制得到，在所述混合物中潤滑劑和淀粉顆?？梢黄鹨砸患s0.01重量％到小于2重量％的范圍內(nèi)的量存在，每一者優(yōu)選地以小于以混合物重量計的1％的量存在。約90重量％的淀粉顆粒的平均當量直徑在5到50μm的范圍內(nèi)；5重量％到40重量％范圍內(nèi)的淀粉顆粒的平均當量直徑在2到20μm的范圍內(nèi)，且1重量％到20重量％的淀粉顆粒的平均當量直徑在1到10μm的范圍內(nèi)，如在Microtrac標準范圍顆粒分析器(Microtrac Standard Range Particle Analyzer)中所測量得到。
最優(yōu)選地是已由X射線或γ射線(優(yōu)選地，γ射線)照射的前述尺寸范圍內(nèi)的淀粉顆粒，所述射線的強度足以提供一可至少有效改良淀粉顆粒的表面(即使不改良其化學結(jié)構)的劑量。有代表性的是玉米淀粉的顆粒，例如可從National Starch & Chemical公司購得的Purity21C，其已從鈷60γ射線源接收約10到30百萬拉德范圍內(nèi)、最優(yōu)選地約15百萬拉德的劑量。不同淀粉所需的劑量在很大程度上依賴于其在不受照射下的適用性而變化。一般而言，優(yōu)選地為此特定目的照射所有淀粉顆粒，因為經(jīng)照射的顆粒的物理化學性質(zhì)與那些未經(jīng)照射的顆粒具有出乎意料的不同。
由于依賴于蠟和/或金屬皂的固有的眾所周知的潤滑性與已知球形的霧化潤滑劑的組合來提供最高流率和表觀密度(在前述′919專利中)，因而特別料想不到淀粉顆粒(一種不具有明顯潤滑性且具有較低表觀密度的材料)能與已知潤滑劑組合且生產(chǎn)淀粉改良潤滑劑，其不但基本上與不具有淀粉的潤滑劑具有相同的物理性質(zhì)，而且還產(chǎn)生了表觀密度大體上類似的摻合物和生坯強度更好的坯塊。
雖然在上文指定的尺寸范圍和量中的淀粉顆粒自身不對粉末金屬摻合物提供明顯的潤滑性，但其可與任何適于提供可壓緊粉末金屬混合物(無論低合金鋼或不銹鋼，還是預合金鐵粉末)的潤滑劑一起使用；優(yōu)選地，調(diào)整纖維素纖維與潤滑劑的比率以提供“改良潤滑劑”或“淀粉潤滑劑”，其與粉末金屬摻合，為所選生配件產(chǎn)生摻合物，所述摻合物具有由模具的生產(chǎn)要求規(guī)定的霍爾表觀密度和流率的規(guī)格。由淀粉潤滑劑壓緊形成的生配件提供比在相同條件下由相同潤滑劑(與淀粉潤滑劑存在量相同但不具有纖維)壓緊形成的另一配件的生坯強度更高的生坯強度，且同時滿足燒結(jié)配件的硬度和TRS的預定規(guī)格?！暗秃辖稹狈勰┮庵富阼F的粉末，其可含有0.5重量％到5重量％的石墨和0.1％到25％的從由Ni、Cu、Cr、Mo、Mn、P、Si、V和W構成的組中選出的元素?！安讳P鋼”意指具有很多種成分但總是含有較高百分比的鉻(約8％到約25％)、通常0到12％的Ni和O到約0.5％的C(碳)的抗腐蝕鋼?！邦A合金”意指鐵以使其與一種或一種以上合金元素大體上均質(zhì)地互相混合的方式被熔化處理。低合金鋼配件通常由比鉻或鎳少得多的量的其他元素制成，其中銅的使用量高于Mn、Mo、Si、V、P和W，高達5％，且Mn、Mo、Si、V、P和W的使用量通常小于約2％。
鐵金屬粉末可從前述任何基于鐵的粉末中選出。通常，鐵金屬粉末為霧化粉末或從海綿鐵中取得，其顆粒的尺寸范圍經(jīng)選擇以滿足燒結(jié)最終產(chǎn)品的規(guī)格。
雖然可使用任何常規(guī)上使用的蠟制潤滑劑(例如EBS)，但是一種優(yōu)選潤滑劑是市售為聚合低碳烯烴氧化物或氧化聚烯烴均聚物或共聚物的微粉化聚烯烴蠟，其中所述烯烴具有2到4個碳原子；最優(yōu)選的是氧化微粉化聚烯烴均聚物蠟。由于少于0.1重量％的非潤滑劑本身與潤滑劑相比不具有明顯優(yōu)點，因此所使用的淀粉潤滑劑或(淀粉潤滑劑+纖維素碎片)的量優(yōu)選地在0.25重量％到1重量％的范圍內(nèi)，且淀粉潤滑劑中潤滑劑/淀粉或潤滑劑/(淀粉+纖維素碎片)的重量比在約1∶2到10∶1的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在1∶1到4∶1的范圍內(nèi)。
揭示一種用于制造均質(zhì)粉末金屬混合物的方法，其包含將平均當量顆粒直徑小于約150μm的金屬顆粒與包括存在量小于以混合物重量計的2％的改良潤滑劑和所屬領域中常規(guī)上所使用的粘合劑、加工助劑和添加劑(視需要)混合一段充分時間以產(chǎn)生以下規(guī)格(i)霍爾表觀密度在數(shù)值上比由不具有淀粉顆粒的常規(guī)潤滑劑制得的相同粉末金屬混合物獲得的霍爾表觀密度小不小于10％；和(ii)霍爾流率為至少25-35sec/50g混合物，其中所述改良潤滑劑基本上由優(yōu)選地平均當量直徑小于50μm的顆粒潤滑劑和平均當量直徑小于50μm的淀粉顆粒(其視需要與微粉化纖維素纖維組合)的組合構成。優(yōu)選地，所述霍爾表觀密度在數(shù)值上大于由不具有淀粉顆粒的常規(guī)潤滑劑制得的相同粉末金屬混合物獲得的霍爾表觀密度。
在由小于2重量％的常規(guī)潤滑劑制得的粉末金屬混合物(該混合物的霍爾流率低得無法接受，為小于25sec/50g)中，添加重量份相等但至少0.1重量％的顆粒淀粉或淀粉和微粉化纖維素纖維(其自身提供具有可忽視潤滑性的混合物)(以便使得非潤滑劑和潤滑劑一起的存在量小于以混合物重量計的2％)將產(chǎn)生一種摻合物，其不僅具有所要的霍爾表觀密度和流率，而且導致比省略淀粉顆粒時更高的生坯強度。不可接受的流率是導致不均勻填充模槽的流率。大多數(shù)粉末金屬混合物的最佳填充在25到35sec/50g的范圍內(nèi)，如果生產(chǎn)速度的需要不是太高的話，可接受稍微更長的時間，通常多達40sec/50g。
一種商業(yè)上可用的鐵粉末金屬摻合物(其包括小于2重量％的改良潤滑劑，所述改良潤滑劑包括0.1重量％到小于1重量％的淀粉顆粒和0.1重量％到小于1重量％的常規(guī)且優(yōu)選為聚合的潤滑劑的組合)具有2.7到3.5g/cc范圍內(nèi)、優(yōu)選地2.9到3.3g/cc范圍內(nèi)的霍爾表觀密度和25到35sec/50g、優(yōu)選地29到33sec/50g的霍爾流率。流動太慢或根本不流動的摻合物通常毫無困難地流過粉末箱的導管；例如一些淀粉重量比可能在填充模槽時遇到的此小困難可通過使用導管上的搖動構件(例如機械或聲波振動器)來解決。通常由所述新穎改良潤滑劑獲得的略微較低的表觀密度通過加深常規(guī)上和表觀密度較高的摻合物一起使用的模槽來得到補償。
與例如當量直徑小于約50μm的聚烯烴蠟顆粒的微粉化人造蠟組合的如本文所定義的淀粉顆粒是一種新穎組成物的成分，發(fā)現(xiàn)所述新穎組成物不僅是例如硬脂酸鋅的金屬皂或脂肪酸單-或雙-酰胺的替代物(全部或部分)，而且提供比可由相等重量的不具有淀粉顆粒的潤滑劑獲得的生坯強度更高的生坯強度。當含有所述淀粉潤滑劑的所模制的生鐵粉末金屬物件在常規(guī)燒結(jié)爐的無氧條件下被燒結(jié)時，不需要像燒結(jié)含硬脂酸鋅的物件的情況那樣頻繁地清理爐的煙道。淀粉顆粒還可以與例如石墨的無機潤滑劑組合，纖維的功能部分在于代替其他情況下所使用的石墨的一部分；或者與例如硬脂酸鋅的金屬有機化合物組合，纖維的功能部分在于代替其他情況下所使用的金屬有機化合物的一部分。


無
具體實施例方式
重要的是，使用前述尺寸范圍內(nèi)的淀粉顆粒，而相對不重要的是γ照射所述顆粒以改良其表面。術語“淀粉顆?！敝傅氖菑奶烊淮嬖诘闹参镄晕镔|(zhì)中取得的淀粉的顆粒，所述植物性物質(zhì)例如玉米、土豆、木薯、稻米、豌豆、小麥和其類似物，其產(chǎn)生前述尺寸范圍內(nèi)的顆粒。人們相信當10到30百萬拉德范圍內(nèi)的劑量輸送到大量淀粉顆粒時，其表面結(jié)構以促進粉末金屬混合物在經(jīng)照射的淀粉與常規(guī)有機潤滑劑的同樣小或更小的顆?；旌蠒r的流動的方式得到改良。
淀粉優(yōu)選地包含在纖維鼓中，其被輸送到一輻射室中且被保持若干連續(xù)周期，直到獲得所要劑量。劑量太低(例如在例如通常用于殺菌的2到6百萬拉德的范圍內(nèi))，不利地影響其中使用經(jīng)照射的淀粉顆粒的粉末金屬混合物的最理想表觀密度和流率；劑量太高可減削顆粒的顏色(如果顏色很重要)，但不會嚴重地影響與潤滑劑組合的性能；對于特定纖維的最佳劑量通過例如在這種情況下慣用的反復試驗來得到。
任何常規(guī)上使用的潤滑劑可用于粉末金屬混合物；且特別受到青睞的潤滑劑是那些滲透在霍爾表觀密度在2.7到3.5g/cc范圍內(nèi)且霍爾流率在29到35sec/50g范圍內(nèi)的摻合物中的潤滑劑。常用潤滑劑從由金屬皂和蠟(特別是，聚(低碳C1-C5)烯烴蠟和氧化聚(低碳)烯烴均聚物和共聚物、脂肪酸雙酰胺和脂肪酸單酰胺)構成的組中選出。優(yōu)選的蠟是Epolene牌蠟，其名為E-10，14，15，16，17，20，43；G-3003和G-3015；E-14，20，43；C-10，13，16，17，18；N-10，11，14，15，20，21，30，34，3，可從Eastman Chemical公司購得；和Acumist牌蠟，其名為A-6，12，18，45；B-6，9，12，18；C-5，12，18；D-5，9；1106，1112，1204，1306，3105，3205，可從Honeywell公司購得。蠟的特定選擇依賴于特定金屬粉末的物理特征、其將被壓緊和脫模的條件以及壓緊配件將被燒結(jié)的條件。
含有與淀粉顆粒組合的潤滑劑的摻合物經(jīng)常規(guī)制備，而無需額外加工工序?；旌纤龀煞?，直到形成一基本上均質(zhì)的摻合物為止，且用所述摻合物填充其中將模制配件的模槽；接著摻合物由錘體壓緊，所述錘體配合地且緊密地密接在模槽中，且施加足夠的壓力(通常在約300到900Mpa(43,500psi或43.5Ksi或21.75Tsi，tons/in2)到1000Mpa(130,500psi或130.5Ksi、或65.25Tsi)的范圍內(nèi))，以形成一生配件；接著所述生配件以一不足以損壞模制配件的完整性的峰值脫模力從模具中脫模，所述力在約453.6到2041.2Kgf(千克力)(1,000到4,500lbf(磅力))的范圍內(nèi)。接著生配件在燒結(jié)爐中在惰性空氣(通常，氮氣和/或氫氣)中在高溫條件下被燒結(jié)，其中所述高溫條件高到足以使得潤滑劑和一些或全部淀粉顆粒揮發(fā)，并形成燒結(jié)金屬配件。所述爐封裝有一燒結(jié)帶，其以足以提供在爐的熱空氣(通常具有80％的N2和20％的H2)中的所要時間的速度來移動，在從約1000到2500范圍內(nèi)的區(qū)域中燒結(jié)帶速度在從2.54cm(1″)每分鐘到30.5cm(12″)每分鐘的范圍內(nèi)。
低合金和預合金配件通常不被熱處理，除非其含有充足的石墨來保證熱處理。不銹鋼配件不被熱處理。在下文介紹的大部分說明性實例中，使用小于粉末金屬顆粒的淀粉顆粒以避免使得淀粉的尺寸插入額外變量。沒有測量只含有淀粉而不含潤滑劑的摻合物的表觀密度和流率，因為當含有0.75重量％的淀粉顆粒的摻合物由7030.77Kg/cm2(50TSI)的壓力來壓緊時，該棒不能以可接受量的力從模槽中脫模，這表明淀粉未提供明顯的潤滑性；因此，具有淀粉而不具有潤滑劑的摻合物不會是有用的。另外，只使用基本成分來制造每一摻合物以便集中淀粉顆粒的結(jié)果效能。為了集中所有摻合物中的淀粉顆粒的作用，避免使用石墨，除非必須需要石墨來提供燒結(jié)配件的所要性質(zhì)。
實例由下列實例進一步說明本發(fā)明，其中術語“份”指的是重量份，除非另外指出。所有結(jié)果都是被同樣執(zhí)行的測試的具有統(tǒng)計價值的數(shù)字(通常至少三個)的平均值。不希望下列實例為限制性的，而是希望其僅說明本發(fā)明范疇內(nèi)的一些實施例。
實例1-11對使用Hoeganaes Ancorsteel 1000B作為原料生鐵和各種潤滑劑(有些與淀粉顆粒組合)的MPIF F-0000組成物的霍爾表觀密度和霍爾流率的估算，其中每一潤滑劑或組合具有以(總混合物)重量計的0.75％的量
在下表1中，每個樣品被制備為1lb粉末金屬混合物(“摻合物”)，其是通過在直徑約8cm(3英寸)和約30.5cm(12″)長的圓筒中徹底混合成分來摻合的；接著頭尾相覆翻轉(zhuǎn)圓筒30sec，即圍繞其中心水平軸頭尾相覆旋轉(zhuǎn)；接著用手在多個軸上搖動圓筒30sec。接著再次重復這個進行了超過約90sec的過程以確保大體上的均質(zhì)性。接著估算每種摻合物的霍爾表觀密度。下文所列的具有MPIF F-0000(A1000B)的粉末混合物中的每一者與0.75重量％的改良潤滑劑摻合，所述改良潤滑劑被指定為常規(guī)“潤滑劑”和“非潤滑劑”的組合，所述“非潤滑劑”為微米級淀粉顆?；蛭⒎刍w維素纖維或者兩者。每種摻合物中的每種成分的量以摻合粉末金屬混合物的重量百分比給出。
“Allnat C”是微粉化纖維素纖維(確切地說是棉纖維)的內(nèi)部規(guī)定牌號。
“P-105”是熔點在約137℃到138℃(279到281)范圍內(nèi)的市售微米級AcumistA-12聚烯烴蠟(潤滑劑)的內(nèi)部規(guī)定牌號，在摻合物5中該蠟單獨使用。
在摻合物#4中，P-105與0.375％的淀粉和0.187％的Allnat C一起使用。
所使用的淀粉顆粒是Purity21C，其被一為15百萬拉德的劑量照射——其他淀粉顆?？删哂性诩s2.8g/cc到3.2g/cc范圍內(nèi)的表觀密度。每種淀粉的最佳劑量將取決于淀粉來源、其顆粒尺寸和其表面對于不同劑量的照射的反應。
剩余摻合物經(jīng)指定為與前述規(guī)格一致。
接著把由金屬粉末制得的摻合物中的每一者填充到常規(guī)模具的模槽中，且在足夠壓力下將其壓緊以提供生配件。壓緊壓力和峰值脫模壓力一般在粉末金屬配件的大規(guī)模生產(chǎn)中可接受的范圍內(nèi)。
通過以下步驟來生產(chǎn)燒結(jié)金屬配件把所選潤滑劑和非潤滑劑成分與鐵粉末金屬混合以用于生產(chǎn)可壓緊混合物；摻合所述成分以形成可在流率的所要范圍內(nèi)流動的均質(zhì)混合物，把所述混合物加進模槽中；壓緊所述混合物以形成生配件，視所使用的粉末金屬而定，所述生配件的生坯密度在約6.8g/cc到7.5g/cc的范圍內(nèi)；將所述生物件脫模；并且，在燒結(jié)爐中在適于生產(chǎn)燒結(jié)金屬配件的條件下將其燒結(jié)。
表1

從前述數(shù)據(jù)中可明顯地看出，所有摻合物具有一在約27到36sec/50g范圍內(nèi)的可接受的流率。公認一較低流率可需要振動輸送來加速混合物的流動。如果把霧化AcrawaxC的表觀密度作為標準，且從生產(chǎn)觀點來看低于不小于10％(即至少2.69g/cc)的霍爾表觀密度是可接受的，那么所有摻合物都將是可接受的，雖然密度在2.9到3.3g/cc范圍內(nèi)是理想的，以便避免加深現(xiàn)有模具。
從前述還可以明顯看出，如果把P-105作為標準，那么添加所示量的改良潤滑劑增加了霍爾表觀密度，這是出乎意外的。
接著以7030.77Kg/cm2或50TSI(噸/平方英尺)來把每種摻合物壓緊成標準測試棒，每一者為3.175cm(1.25″)長×1.27cm(0.5″)寬×0.635cm(0.25″)厚，以估算每一潤滑劑對可壓縮性和生坯強度的作用。此后，在燒結(jié)帶上燒結(jié)所有棒，所述燒結(jié)帶在常規(guī)燒結(jié)爐中在80％氮氣/20％氫氣的氣氛中以約12.7cm/min(5″/min)的速度移動通過溫度為649℃(1200)、760℃(1400)、1121℃(2050)和1121℃(2050)的連續(xù)區(qū)域；且估算所述燒結(jié)棒的性質(zhì)。
將了解到，所使用的改良潤滑劑的量以及潤滑劑與非潤滑劑的比例的選擇將取決于被壓緊的特定粉末金屬混合物和燒結(jié)配件的(待滿足的)規(guī)格。組合量或一種組份相對于另一種組份的比例太高或太低將導致?lián)胶衔锏谋碛^密度和流率超出所要參數(shù)的范圍。一般來說，當改良潤滑劑的存在量小于0.5重量％或大于1.5重量％時，摻合物在生產(chǎn)過程中不是十分有用；因此，該量優(yōu)選地不大于1.5重量％，且更優(yōu)選地不大于1重量％。
估算由以上表1中數(shù)字標志的摻合物制得的棒的生坯密度、生坯強度和需要用來把棒從模槽中脫模的峰值脫模壓力。接著在裝備有燒結(jié)帶的燒結(jié)爐中燒結(jié)所述棒，所述燒結(jié)帶以8.9cm(3.5″)每秒的速度移動穿過具有連續(xù)較高溫度的區(qū)域以提供在爐的97％N2/3％H2的熱氣氛中的所要時間，在穿過648.9℃(1200)、760℃(1400)、1121℃(2050)和1121℃(2050)的四個主要溫度區(qū)域時燒結(jié)帶速度在從2.54cm(1″)/min到30.5cm(12″)/min的范圍內(nèi)。每個區(qū)域的長度接近3米(7′7″)。
測量至少三個樣品的燒結(jié)密度、燒結(jié)TRS、燒結(jié)表觀Rockwell F硬度(HRF)和燒結(jié)尺寸一致性(DC)，并求出其平均值。
在下表2中給出結(jié)果表2

表2(續(xù))

在上表中，7+K Kg/cm2指的是7,030.8Kg/cm2壓力＝50tons/in2(TSI)，且Mpa指的是兆帕斯卡，其中1Mpa＝1000Kpa從前述結(jié)果中可明顯看到，摻合物#1到#7和#10&11的生坯強度是摻合物#8(Acrawax C)和9(硬脂酸鋅)的生坯強度的兩倍。雖然摻合物#1、2和6的峰值脫模壓力是摻合物#8和9的峰值脫模壓力的兩倍，但摻合物#10和11的峰值脫模壓力(即起始一模制配件離開模槽所需的力，由測壓儀測量得)只高了約25％。所有脫模壓力都在可接受范圍內(nèi)。
還可以明顯看到，由新穎燒結(jié)摻合物制得的所有棒的橫向斷裂強度(TRS)和表觀Rockwell F硬度高于由硬脂酸鋅、Acrawax和Acumist制得的燒結(jié)棒的TRS和表觀Rockwell F硬度。此外，新穎燒結(jié)棒具有最好的尺寸一致性(DC)，即最小變形。
以此提供相關主題的大體揭示并詳細描述新穎改良潤滑劑和粉末金屬混合物，且以具有制造和使用本發(fā)明的最佳模式的特定實施例來說明本發(fā)明，將了解到將不因為所說明和描述的特定實施例來強加任何不適當?shù)南薅?，確切地說，不將本發(fā)明限制于本文闡述的細節(jié)的盲目依附中。
權利要求
1.一種粉末金屬混合物，其包含鐵金屬粉末和改良潤滑劑，所述改良潤滑劑基本上由(i)潤滑劑粉末和(ii)具有小于150μm的平均當量直徑(average equivalentdiameter)的淀粉顆粒構成，所述改良潤滑劑以小于組成物重量計的2％的量存在，所述混合物具有(i)在數(shù)值上比由不具有所述淀粉顆粒的常規(guī)潤滑劑制得的相同粉末金屬混合物獲得的霍爾表觀密度小不小于10％的霍爾表觀密度；和(ii)在約25到40sec/50g混合物的范圍內(nèi)的霍爾流率。
2.如權利要求1所述的混合物，其中所述淀粉顆粒具有小于50μm的平均當量直徑，且所述潤滑劑粉末是從由脂肪酸單酰胺、脂肪酸雙酰胺、金屬皂和聚烯烴蠟構成的組中選出。
3.如權利要求1所述的混合物，其中約90重量％的淀粉顆粒具有在5到50μm范圍內(nèi)的平均當量直徑；5重量％到40重量％具有在2到20μm范圍內(nèi)的平均當量直徑；且所述淀粉具有在2.8到3.2g/cc范圍內(nèi)的霍爾表觀密度，且所述混合物的霍爾流率在約25到35sec/50g混合物的范圍內(nèi)。
4.如權利要求1所述的混合物，其包括碎片纖維素纖維，所述纖維具有小于150μm的平均長度和在約1μ到20μ范圍內(nèi)的直徑，且以不大于所述淀粉顆粒的量存在。
5.如權利要求4所述的混合物，其中所述改良潤滑劑優(yōu)選地在0.25重量％到1重量％的范圍內(nèi)，且淀粉潤滑劑中潤滑劑/淀粉和潤滑劑/(淀粉+纖維素碎片)(若存在)的重量比在約1∶2到10∶1、優(yōu)選地在1∶1到4∶1的范圍內(nèi)。
6.如權利要求1所述的改良潤滑劑，其中所述淀粉顆粒由10到30百萬拉德(MegaRad)的γ輻射照射。
7.如權利要求6所述的改良潤滑劑，其包括碎片纖維素纖維，所述纖維具有小于150μm的平均長度和在約1μ到20μ范圍內(nèi)的直徑，以不大于所述淀粉顆粒的量存在，且所述淀粉顆粒由約15百萬拉德的γ輻射照射。
8.如權利要求7所述的改良潤滑劑，其中所述碎片纖維素纖維已被暴露到電子束輻射以接收在約30到100百萬拉德范圍內(nèi)的劑量。
9.一種包括潤滑劑的粉末狀鐵金屬混合物，所述混合物具有在約25到40sec/50g混合物范圍內(nèi)的霍爾流率，改進包含改良潤滑劑，其基本由下列物質(zhì)構成(i)潤滑劑粉末和(ii)淀粉顆粒，其具有小于150μm的平均當量直徑且以所述混合物重量計約0.25％到小于0.75％的量存在；和(iii)碎片纖維素纖維，其具有小于150μm的平均長度和約1μ到20μ范圍內(nèi)的直徑且以所述混合物重量計的0％到小于0.75％的量存在，但不多于所述存在的淀粉，所述改良潤滑劑以小于組成物重量計的1.5％的量存在，所述混合物具有(i)在數(shù)值上比由不具有所述淀粉顆粒的常規(guī)潤滑劑制成的相同粉末金屬混合物獲得的霍爾表觀密度小不小于10％的霍爾表觀密度，淀粉潤滑劑中的潤滑劑/淀粉和潤滑劑/(淀粉+纖維素碎片)(若存在)的重量比在約1∶2到10∶1、優(yōu)選地在1∶1到4∶1范圍內(nèi)。
10.如權利要求9所述的混合物，其中所述淀粉顆粒被10到30百萬拉德的γ輻射照射，且所述碎片纖維素纖維已被暴露到電子束輻射以接收在約30到100百萬拉德范圍內(nèi)的劑量，且所述霍爾流率在約25到35sec/50g混合物的范圍內(nèi)。
11.一種用于制造均質(zhì)鐵粉末金屬混合物的方法，其包含把具有小于約150μm的平均顆粒直徑的金屬顆粒與改良潤滑劑組合，所述改良潤滑劑基本上由下列物質(zhì)構成(i)潤滑劑粉末和(ii)淀粉顆粒，所述顆粒具有小于150μm的平均當量直徑，所述改良潤滑劑以小于組成物重量計的2％的量存在，所述混合物具有(i)在數(shù)值上比由不具有所述淀粉顆粒的常規(guī)潤滑劑制成的相同粉末金屬混合物獲得的霍爾表觀密度小不小于10％的霍爾表觀密度；和(ii)在約25到40sec/50g混合物范圍內(nèi)的霍爾流率，和在模具中壓緊所述混合物以形成壓緊生坯物件。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述霍爾表觀密度大于由不具有所述淀粉顆粒的常規(guī)潤滑劑制得的相同粉末金屬混合物獲得的霍爾表觀密度，且所述霍爾流率在約25到35sec/50g混合物的范圍內(nèi)。
13.一種適合于粉末金屬物件中使用的改良潤滑劑，所述改良潤滑劑基本上由與淀粉顆粒組合的潤滑劑構成，所述潤滑劑從由無機化合物、金屬有機化合物和蠟構成的組中選出，所述潤滑劑具有小于50μm的平均顆粒直徑，其中約90重量％的淀粉顆粒具有在5到50μm范圍內(nèi)的平均當量直徑；5重量％到40重量％具有在2到20μm范圍內(nèi)的平均當量直徑；所述淀粉具有在2.8到3.2g/cc范圍內(nèi)的霍爾表觀密度。
14.如權利要求13所述的改良潤滑劑，其中所述淀粉顆粒被10到30百萬拉德的γ輻射照射。
15.如權利要求14所述的改良潤滑劑，其包括碎片纖維素纖維，所述纖維具有小于150μm的平均長度和在約1μ到20μ范圍內(nèi)的直徑，且以不多于所述淀粉顆粒的量存在。
16.如權利要求15所述的改良潤滑劑，其中所述碎片纖維素纖維已被暴露到電子束輻射以接收在約30到100百萬拉德范圍內(nèi)的劑量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種粉末金屬混合物，其包含常規(guī)上用于與改良潤滑劑組合來生產(chǎn)粉末金屬配件的潤滑劑粉末。通過向其添加一定量的小于平均金屬顆粒的淀粉顆粒和微粉化纖維素纖維(視需要)來改良常規(guī)上用于壓緊和燒結(jié)所選粉末金屬混合物的潤滑劑，其中所述量小到使得所述改良潤滑劑以小于所述混合物重量計的2％的量存在。由所述淀粉或(淀粉+纖維)的改良潤滑劑制得的粉末金屬混合物的霍爾表觀密度和霍爾流率保持在據(jù)認為適合生產(chǎn)壓緊粉末金屬配件的范圍內(nèi)。使用改良潤滑劑來代替常規(guī)潤滑劑提高了通過壓緊所述混合物而制得的配件的生坯強度，并改良了尺寸一致性。
文檔編號B29C43/16GK1902332SQ200480040353
公開日2007年1月24日 申請日期2004年2月24日 優(yōu)先權日2004年1月14日
發(fā)明者布魯斯·安東尼·塔瓦雷斯, 巴特·熱羅姆·納爾遜 申請人:里克特-恩提公司