專利名稱：制備含粘合劑/潤(rùn)滑劑的改進(jìn)的冶金組合物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂敷工藝和由該工藝制備的組合物。本發(fā)明特別涉及鐵基冶金組合物，更具體地說(shuō)涉及含有粘合劑的冶金組合物，該粘合劑在用于形成部件的沖壓工藝中也提供潤(rùn)滑作用。
背景技術(shù)：
顆粒的涂敷是一種用于改進(jìn)顆粒以及顆粒的表面性質(zhì)的重要過(guò)程。顆粒涂敷的方法包括mirster工藝，該工藝在USP2，648，609，3，117，027和3，253，944，以及最近的 USP4, 731，195和5，085，930中進(jìn)行了描述；在該工藝中顆粒以某種方式流動(dòng)，然后將流動(dòng)的顆粒用溶解在各種溶劑中的涂敷材料進(jìn)行噴涂，或者將涂敷材料以低粘度熔融物的形式噴涂在核心顆粒上；也可以將顆粒和涂敷材料通過(guò)一個(gè)合適的霧化器而進(jìn)行噴涂。這種方法的一個(gè)例子如USP4，675，140中所描述，其中的涂敷材料為熔融的聚合物。USP5，262, 240 中提出了一種有趣的方法，其中通過(guò)將顆粒與一種膠乳混合并將所得混合物干燥而實(shí)行涂敷。在該工藝中會(huì)產(chǎn)生涂敷聚合體。用薄有機(jī)層涂敷顆粒的已知的方法可以使用表面活性劑如有機(jī)硅烷和碳氟化合物，以改進(jìn)表面性質(zhì)。在該方法中，顆粒被浸泡在溶液中，表面活性劑與顆粒反應(yīng)。USP4，994，3 是這種工藝和由該工藝所得材料的一個(gè)例子。最后，一種優(yōu)選的顆粒涂敷的方法是翻滾混合法或高剪切力熱混合法。有一系列專利描述了該工藝。 USP4, 233，387描述了一種工藝，其中的靜電復(fù)印載體用大約325° F的熱塑性樹脂處理。然后將所得混合物冷卻，研磨成合適的大小，并用于裝填影印機(jī)中的色粉。USP4，774，139描述了一種用于將石蠟涂敷在熱塑性熱熔融樹脂上的方法。USP4，885，175描述了一種用熔融蠟涂敷甜料，將混合物冷卻，并將冷卻物研磨至所希望的大小的方法。最后，作為該熱熔融混合工藝的一個(gè)例子，USP4，136，566描述了一種通過(guò)將組分在高剪切力混合器中在高于聚合物涂敷材料的熔點(diǎn)的溫度下混合而用聚合物和添加劑涂敷鐵粉的方法。所有上述情況下的方法在許多重要的方面有缺點(diǎn)。在mirster類工藝中，該方法都包括具有可流動(dòng)的顆粒。具體地說(shuō)，這是一種具有至少50微米的平均大小的顆粒。另外， 在mirster類工藝中如果使用溶液作為涂敷載體，則其溶劑，水或者有機(jī)溶劑，必須通過(guò)干燥而除去。對(duì)于水這種干燥是冗長(zhǎng)的，而對(duì)于可燃性液體這種干燥是危險(xiǎn)的。在直接霧化方法中，存在著涂敷顆粒與未涂敷顆粒的分離的困難。雖然USP4，675，140描述了一種用于顆粒分離的方法，但這種技術(shù)不能普遍適用于所有材料。存在二個(gè)問(wèn)題阻礙了加工溫度高于熔點(diǎn)的熱混合法的應(yīng)用。第一，聚集對(duì)于該工藝是一種不希望有的負(fù)效應(yīng)。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，后研磨和分粒工作可能是困難的，或者成本太高。第二，高于熔點(diǎn)的工藝操作導(dǎo)致高的能耗，這一般是希望避免的。USP5, 147，722提出了一種方法，其中顆粒的涂敷可以在低于聚合物粘合劑熔點(diǎn)下進(jìn)行。在該方法的條件下，顆粒通過(guò)高剪切混合和高使用壓力而被涂敷，但是形成網(wǎng)狀基質(zhì)。而且，對(duì)于各種組合物，聚集體是不希望的，并且高剪切混合器和高壓力增加了額外的資金和操作成本。USP5，236，649也提出顆粒涂敷可以在低于涂敷材料的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行。但是，與USP5，147，722 一樣，該方法需要高剪切混合以獲得良好的涂敷。涂敷顆粒已用于裝飾性磚石，油井支持者，食品和藥物工業(yè)的味覺(jué)掩蔽，以及粉末冶金工業(yè)中。粉末冶金工業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了金屬基粉末組合物，一般是鐵基粉末，它可以被加工成具有各種形狀和大小的，可用于各種工業(yè)包括汽車和電子工業(yè)的整金屬部件。用于從基礎(chǔ)粉末生產(chǎn)該部件的一種加工技術(shù)是，用粉末裝填模槽，并在高壓力下沖壓該粉末。然后將所得生沖壓件從模槽取出并燒結(jié)，形成最后的部件。由金屬粉末組合物的沖壓和燒結(jié)而制造的金屬部件的工業(yè)使用已迅速擴(kuò)展到許多領(lǐng)域。這些帶有金屬粉末組合物的部件的制造與那些在制造步驟中必須使用熔融合金的方法相比具有巨大的好處。例如，金屬粉末組合物的制造工藝只需要一種高壓沖模機(jī)和一種燒結(jié)爐便可進(jìn)行。通過(guò)簡(jiǎn)單地更換沖模便可制造不同的部件。而且，不必運(yùn)用熔融合金。在這種部件的制造中，鐵或鋼的顆粒粉末一般與至少一種其它的也為顆粒形式的合金元素混合。這些合金元素可使最后的燒結(jié)部件保持較高的強(qiáng)度和其它機(jī)械性能。合金元素在顆粒大小、形狀和密度方面與基質(zhì)鐵或鋼的粉末明顯不同。例如，鐵基粉末的平均顆粒大小典型的是大約70 100微米或更大，而大多數(shù)合金組分的平均顆粒大小為小于大約 20微米，更經(jīng)常的是小于大約15微米，在某些情況下小于大約5微米。合金粉末特意以這種細(xì)分的狀態(tài)使用，以通過(guò)燒結(jié)操作過(guò)程中的固相擴(kuò)散促進(jìn)合金組分的快速均質(zhì)化。不同顆粒大小的材料的存在導(dǎo)致諸如在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用時(shí)的偏析和塵積等問(wèn)題。鐵和合金元素粉末在開(kāi)始時(shí)混合成均勻的粉末。儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移過(guò)程中混合粉末的動(dòng)態(tài)操作將使較小的合金粉末顆粒遷移通過(guò)鐵基粉末基質(zhì)的空隙，導(dǎo)致混合物均勻性的損失，或者產(chǎn)生偏析。另一方面，在操作時(shí)粉末基質(zhì)產(chǎn)生的空氣流可使較小的合金粉末向上遷移，特別是當(dāng)它們比鐵基粉末密度小時(shí)。如果這些浮力足夠高，一些合金顆粒，在稱為除塵的現(xiàn)象中，可以完全脫離混合物，導(dǎo)致合金元素濃度的降低。已有各種有機(jī)粘合劑用于將較細(xì)的合金粉末粘合或“膠合”在較粗的鐵基顆粒上防止偏析和塵積，以使粉末在室溫下沖壓。例如，頒發(fā)給EngStrom的美國(guó)專利 USP4, 483，905提出了粘合劑的使用，該粘合劑只是寬范圍地描述為“一種有粘性的或脂肪性的特性”，其用量高至粉末組合物重量的1 %。頒發(fā)給Engstrom的美國(guó)專利USP4，676，831 公開(kāi)了使用特定的妥爾油作為粘合劑。頒發(fā)給kmel的美國(guó)專利USP4，834，800公開(kāi)了使用特定的不溶或基本不溶于水的成膜的聚合物樹脂作為粘合劑。有多種其它類型的粘合劑在專利文獻(xiàn)中公開(kāi)。在USP5，298，055中描述了用具有至少大約7000的分子量的聚醚作為粘合劑。在USP5，290，336中描述了用二元有機(jī)酸與一種或多種添加組分如固態(tài)聚醚、液態(tài)聚醚和丙烯酸樹脂的結(jié)合作為粘合劑。在 USP5, 368，630中描述了粘合劑可以與高溫沖壓潤(rùn)滑油一起使用。USP5, 480, 469( “專利469”)提供了在粉末冶金工業(yè)中使用粘合劑的簡(jiǎn)短綜述。 專利469指出，重要的是不僅有具有通過(guò)粘合劑的方式粘合在鐵基粉末上的合金粉末的粉末組合物，而且也有潤(rùn)滑劑存在，以使模穴中的粉末組合物獲得合適的可壓縮性，并降低部件從模穴中取出時(shí)所需要的力。專利469討論了各種公開(kāi)了與鐵基和合金粉末混合的與潤(rùn)滑劑粉末如金屬皂聯(lián)合使用的粘合劑的參考文獻(xiàn)。然后將這種混合物加熱并混合，以使粘合劑和潤(rùn)滑劑熔融，并使合金粉末與鐵基粉末粘合。然后將這種混合物冷卻以形成最后的組合物。專利469公開(kāi)了一種通過(guò)使用二酰胺蠟作為粘合劑從而不需要金屬皂潤(rùn)滑劑的對(duì)該類技術(shù)的改進(jìn)。粘合劑的存在不應(yīng)對(duì)粉末冶金組合物的可壓縮性有不利影響。粉末混合物的“可壓縮性”是在各種沖壓條件下對(duì)其性能的度量。在粉末冶金領(lǐng)域，粉末組合物在模穴中在高壓下被逐漸沖壓，然后將沖壓的“生”部件從模穴中取出并燒結(jié)。本領(lǐng)域的人認(rèn)識(shí)到，該生部件的密度，通常是強(qiáng)度，直接隨沖擊壓力而變化。在術(shù)語(yǔ)“可壓縮性”中，在給定的沖擊壓力下，如果一種粉末組合物可被壓縮成較高的生密度，或者換句話說(shuō)，如果一種粉末組合物獲得特定的生密度時(shí)需要較低的沖擊壓力，那么就說(shuō)這種粉末組合物比其它的組合物更可壓縮。如果粘合劑具有良好的“內(nèi)部”潤(rùn)滑特性，它將增強(qiáng)粉末組合物的可壓縮性，并在給定的沖擊壓力下獲得較高的生密度。因此，涂敷工藝需要提供一種簡(jiǎn)單和低成本的方法以涂敷各種顆粒。在粉末冶金工業(yè)中，含有粘合在金屬基粉末上的合金粉末的冶金組合物特別需要該組合物能在無(wú)溶劑的過(guò)程中制造。在冶金組合物中使用的粘合劑應(yīng)該能夠起到降低合金粉末的除塵量和/或偏析量的作用，并且對(duì)組合物的可壓縮性沒(méi)有不利影響。發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于顆粒涂敷的改進(jìn)方法，使用低剪切、低溫度的方法生產(chǎn)無(wú)聚集的涂敷顆粒。在一種具體實(shí)施方式
中，本發(fā)明提供了含有結(jié)合了較少量的至少一種合金粉末的主要量的金屬基粉末的改進(jìn)的粉末冶金組合物?？砂凑毡景l(fā)明進(jìn)行涂敷的顆粒粉末包括金屬粉末如鐵、銅、鎳、鈷、鉻、鋁、鋅、硅、 錳、銀、金、鉬、鈀、鈦、它們的合金以及它們的混合物；無(wú)機(jī)氧化物如氧化鋁、氧化硅和氧化鈦；無(wú)機(jī)化合物如普通食鹽、過(guò)氧化物漂白劑、浴鹽、氯化鈣、和無(wú)機(jī)肥料如鉀堿；以及固態(tài)有機(jī)化合物如聚合物、酸和堿。核心顆?？梢允侨魏涡问饺缰榱?、小薄片、纖維、和針形顆粒，其中其至少一維的數(shù)均尺寸在10微米至1厘米的范圍內(nèi)，優(yōu)選的是在20微米至0. 75 厘米的范圍內(nèi)，更優(yōu)選的是在25 10000微米的范圍內(nèi)。涂敷材料，此處特別是關(guān)于粉末冶金組合物時(shí)也涉及粘合劑或材料，可以是低熔點(diǎn)的固態(tài)聚合物或蠟，例如具有低于200°C (390° F)，優(yōu)選低于150°C (300° F)，更優(yōu)選大約65 95°C (150 250° F)的軟化溫度的聚合物或蠟。固態(tài)聚合物粘合劑的例子包括聚酯、聚烯烴、環(huán)氧化物和尿烷。蠟的例子包括石蠟、亞乙基雙硬脂酰胺、和棉籽蠟。固態(tài)粘合劑也可以是具有低于3000的重均分子量的聚烯烴，和氫化的甘油部分C14_24烷基三酯的植物油，及其衍生物，包括氫化的衍生物，如棉籽油、豆油、西蒙得木油、和其混合物。固態(tài)涂敷材料優(yōu)選的是減小至其至少一維的平均顆粒尺寸小于100或200微米，優(yōu)選的是在0. 01 50微米的范圍內(nèi)，更優(yōu)選的是在0. 01 20微米的范圍內(nèi)。本發(fā)明的涂敷工藝可以是其粘合劑不需要溶劑的“干”粘合工藝。所用的工藝包括將在優(yōu)選的顆粒大小范圍內(nèi)的合適的粘合劑與核心顆粒和任何合金顆?；蛉魏翁砑觿┰谑覝鼗蜉^高溫度下混合。然后將該混合物使用常規(guī)混合器在低剪切條件下逐步混合。該混合物優(yōu)選地加熱至至少120° F(49°C )，優(yōu)選的是加熱至低于粘合劑的熔點(diǎn)的溫度，混合， 然后冷卻，得到最終產(chǎn)品。本發(fā)明的粉末冶金組合物通過(guò)將金屬基粉末與合金粉末在室溫或較高溫度下混合，并將粘合劑與這些粉末在室溫或較高溫度下混合而制備。在混合期間，粘合劑在至少大約120° F(49°C)的溫度下與金屬基粉末和合金粉末接觸。然后可將混合的組合物冷卻至室溫?；旌线^(guò)程的溫度優(yōu)選的是在低于該粘合劑的熔點(diǎn)的體相粉末溫度下實(shí)行。粉末冶金應(yīng)用中優(yōu)選的粘合劑是聚乙烯蠟。聚乙烯蠟優(yōu)選的是以其固體狀態(tài)引入到金屬基粉末和合金粉末的混合物中。如果以其固體狀態(tài)引入，它可以采用各種形式如球、 纖維、或小薄片。通過(guò)使用具有低于大約50微米，優(yōu)選低于大約30微米的平均顆粒大小的球形的聚乙烯蠟，可獲得特別有利的結(jié)果。發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明涉及一種用于形成涂敷顆粒的改進(jìn)方法，改進(jìn)的冶金粉末組合物，制造這些組合物的方法，以及使用這些組合物制備沖壓部件的方法。粉末冶金組合物含有一種與至少一種合金粉末混合的金屬基粉末，優(yōu)選一種鐵基金屬粉末，和一種用于將合金粉末粘合在金屬基粉末上的粘合劑。用于粉末冶金工業(yè)的優(yōu)選的粘合劑是具有低于大約4000，更優(yōu)選低于大約2000的重均分子量的聚乙烯蠟。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用該聚乙烯蠟作為冶金粉末組合物的粘合劑時(shí)，能提供出色的抗除塵性/抗偏析性，并使生沖壓件的強(qiáng)度和排出性能得到改進(jìn)。可以按照本發(fā)明進(jìn)行涂敷的顆粒包括金屬粉末如鐵、銅、鎳、鈷、鉻、鋁、鋅、硅、錳、 銀、金、鉬、鈀、鈦、它們的合金以及它們的混合物；無(wú)機(jī)氧化物如氧化鋁、氧化硅和氧化鈦； 無(wú)機(jī)化合物如普通食鹽、過(guò)氧化物漂白劑、浴鹽、氯化鈣、和無(wú)機(jī)肥料如鉀堿；以及固態(tài)有機(jī)化合物如聚合物、酸和堿。核心顆?？梢允侨魏涡问饺缰榱！⑿”∑?、纖維、和針形顆粒，其中其至少一維的數(shù)均尺寸在10微米至1厘米的范圍內(nèi)，優(yōu)選的是在20微米至0. 75厘米的范圍內(nèi)，更優(yōu)選的是在25 10000微米的范圍內(nèi)。本發(fā)明的粉末冶金組合物含有在粉末冶金工業(yè)中常規(guī)使用的類型的金屬粉末，如鐵基粉末和鎳基粉末。該金屬粉末構(gòu)成了該冶金粉末組合物的主要部分，一般構(gòu)成了該組合物的至少大約80重量％，優(yōu)選至少大約90重量％，更優(yōu)選至少大約95重量％。此處所用的術(shù)語(yǔ)“鐵基”粉末的例子有基本上為純鐵的粉末，與能增強(qiáng)最終產(chǎn)品的強(qiáng)度、可淬性、電磁性質(zhì)、或其它所希望的性質(zhì)的其它元素(例如，能生成鋼的元素)預(yù)合金化的鐵的粉末，以及這些其它元素已經(jīng)擴(kuò)散鍵合在鐵上的鐵的粉末。能用于本發(fā)明的基本上為純鐵的粉末是一般雜質(zhì)含量不大于大約1. 0重量％，優(yōu)選不大于大約0. 5重量％的鐵的粉末。這種高可壓縮的、冶金級(jí)的鐵粉的例子是可從位于美國(guó)新澤西州Riverton的Hoeganaes公司商購(gòu)的ANC0RSTEEL 1000系列純鐵粉，例如 1000，1000B和1000C。例如，ANC0RSTEEL 1000鐵粉具有小于第325號(hào)篩(美國(guó)篩系列)的顆粒的量為大約22重量％、大于第100號(hào)篩的顆粒的量為大約10重量％、其余為這二種篩之間的顆粒(大于第60號(hào)篩的顆粒的量很少)的典型的篩分輪廓。ANC0RSTEEL 1000粉具有大約2. 85-3. 00g/cm3,典型為2. 94g/cm3的表觀密度。其它可用于本發(fā)明的鐵粉是典型的海綿鐵粉，如Hoeganaes公司的ANCOR MH-100粉。鐵基粉末可以結(jié)合進(jìn)一種或多種可增強(qiáng)最終金屬部件的機(jī)械性質(zhì)或其它性質(zhì)的合金元素。這種鐵基粉末可以是已與一種或多種這種元素預(yù)合金化的鐵的，優(yōu)選基本上為純鐵的粉末。該預(yù)合金化的粉末可以通過(guò)制造一種鐵和所希望的合金元素的熔融物，然后霧化該熔融物，從而在固化后使霧化的小滴形成粉末而制備。
可與鐵粉預(yù)合金化的合金元素的例子包括，但不限于，鉬、錳、鎂、鉻、硅、銅、鎳、 金、釩、鈳(鈮)、石墨、磷、鋁、以及它們的結(jié)合。合金元素或結(jié)合元素的量取決于最終金屬部件所希望的性質(zhì)。結(jié)合了這些合金元素的預(yù)合金化的鐵粉可從Hoeganaes公司商購(gòu)，它是ANC0RSTEEL粉末系列的一部分。鐵基粉末的進(jìn)一步的例子是擴(kuò)散鍵合的鐵基粉末，該鐵基粉末是具有擴(kuò)散進(jìn)其外層表面的一種或多種其它金屬，如可生成鋼的元素，的層或涂層的，基本上為純鐵的顆粒。這種可商購(gòu)的粉末包括Hoeganaes公司的DISTALOY 4600A擴(kuò)散鍵合粉末，它含有大約 1. 8%的鎳，大約0. 55%的鉬，和大約1. 6%的銅；以及Hoeganaes公司的DISTALOY 4800A 擴(kuò)散鍵合粉末，它含有大約4. 05%的鎳，大約0. 55%的鉬，和大約1. 6%的銅。優(yōu)選的鐵基粉末是與鉬(Mo)預(yù)合金化的鐵的粉末。該粉末通過(guò)將含有大約 0. 5 - 2. 5重量％的Mo的基本上為純鐵的熔融物霧化而制備。這種粉末的一個(gè)例子是 Hoeganaes公司的ANCORSTEEL 85HP鋼粉，它含有大約0. 85重量％的Mo，總量低于大約0. 4 重量％的錳、鉻、硅、銅、鎳、鉬或鋁等其它材料，以及低于大約0. 02重量％的碳。這種粉末的另一個(gè)例子是Hoeganaes公司的ANCORSTEEL 4600V鋼粉，它含有大約0. 5-0. 6重量％的 Mo,大約1. 5-2. 0重量％的鎳，和大約0. 1-0. 25重量％的錳，以及低于大約0. 02重量％的碳。另一種可用于本發(fā)明的預(yù)合金化鐵基粉末已在發(fā)明名稱為“具有鐵合金的不同預(yù)合金化粉末的鋼粉混合物”的美國(guó)專利USP5，108，493中公開(kāi)，該專利的整體結(jié)合進(jìn)本發(fā)明。該鋼粉組合物是一種由二種不同的預(yù)合金化鐵基粉末組成的混合物，其中一種是鐵與 0. 5-2. 5重量％的鉬的預(yù)合金化粉末，另一種是鐵與碳并與至少大約25重量％的一種過(guò)渡元素組分的預(yù)合金化粉末，其中該過(guò)渡元素組分含有選自由鉻、錳、釩、和鈳所組成的組中的至少一種元素。該混合物在比例上能使鋼粉組合物含有至少大約0. 05重量％的過(guò)渡元素組分。這種粉末的一個(gè)例子是可商購(gòu)的Hoeganaes公司的ANCORSTEEL 41 AB鋼粉，它含有大約0. 85重量％的Mo，大約1重量％的鎳，大約0. 9重量％的錳，大約0. 75重量％的鉻， 以及大約0.5重量％的碳。其它可用作本發(fā)明實(shí)踐的鐵基粉末是磁性鐵的粉末。其中一個(gè)例子是與少量的磷預(yù)合金化的鐵的粉末?？捎米鞅景l(fā)明實(shí)踐的鐵基粉末也包括不銹鋼粉末?？蓮腍oeganaes公司的 ANCOR 系列購(gòu)買不同級(jí)別的這些不銹鋼粉末，例如ANCOR 303L，304L, 316L，410L， 430L, 434L 和 409Cb 粉末。鐵或預(yù)合金化的鐵的顆?？梢跃哂行≈?微米或更低，或者高至大約850-1000微米的重均顆粒大小，但是一般來(lái)說(shuō)該顆粒具有大約10-500微米范圍的重均顆粒大小。優(yōu)選的是具有大約350微米以下的最大重均顆粒大小的鐵或預(yù)合金化的鐵的顆粒；更優(yōu)選的顆粒將具有大約25-150微米范圍的重均顆粒大小，最優(yōu)選的是具有80-150微米范圍的重均顆粒大小。用于本發(fā)明的金屬粉末也包括鎳基粉末。此處所用的術(shù)語(yǔ)“鎳基”粉末的例子是基本上為純鎳的粉末，和與能增強(qiáng)最終產(chǎn)品的強(qiáng)度、可淬性、電磁性質(zhì)、或其它所希望的性質(zhì)的其它元素預(yù)合金化的鎳的粉末。該鎳基粉末可與任何前面提到的涉及鐵基粉末的合金粉末混合。鎳基粉末的例子包括那些可商購(gòu)的粉末，例如Hoeganaes公司的ANCORSPRAY 粉末，如 N-70/30Cu，N_8(V20，和 N-20 粉末。金屬基粉末也包括上面描述的金屬基粉末的任何結(jié)合。本發(fā)明的冶金粉末組合物也包括少量的至少一種合金粉末。此處所用的術(shù)語(yǔ)“合金粉末”是指能夠在燒結(jié)時(shí)與金屬基粉末形成合金的材料?？膳c上述類型的金屬基粉末混合的合金粉末是那些冶金領(lǐng)域中已知的能增強(qiáng)最終燒結(jié)產(chǎn)品的強(qiáng)度、可淬性、電磁性質(zhì)、或其它所希望的性質(zhì)的合金粉末。能生成鋼的元素是這些材料中最著名的。合金材料的具體例子包括，但不限于，元素鉬、錳、鉻、硅、銅、鎳、錫、釩、鈳(鈮)、冶金碳(石墨)、磷、鋁、硫、 以及它們的結(jié)合。其它合適的合金材料是銅與錫或磷的二元合金；錳、鉻、硼、磷、或硅的鐵合金；碳和鐵、釩、錳、鉻、鉬中的二種或三種的低熔點(diǎn)三元和四元低共熔混合物；鎢或硅的碳化物；氮化硅；以及錳或鉬的硫化物。該合金粉末是其顆粒大小一般比與其混合的金屬粉末顆粒更細(xì)的顆粒形式。該合金顆粒一般具有低于大約100微米，優(yōu)選低于大約75微米，更優(yōu)選低于大約30微米，最優(yōu)選在大約5-20微米范圍內(nèi)的重均顆粒大小。組合物中合金粉末的量取決于最終燒結(jié)部件所希望的性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)該量是較少的，為粉末組合物總重量的大約5重量％以下，雖然對(duì)于某些特殊的粉末該量可高達(dá)10-15重量％。大多數(shù)應(yīng)用中合適的優(yōu)選范圍是粉末組合物總重量的大約0. 25-4. 0重量％。本發(fā)明的粘合劑可以包括低熔點(diǎn)的固態(tài)聚合物或蠟，它們具有低于 200°C (390° F)，優(yōu)選低于 150°C (300° F)，再優(yōu)選大約 50 110°C (125 225° F)，更優(yōu)選大約65 95°C (150 200° F)的軟化溫度。聚合物粘合劑的例子包括聚酯、聚烯烴、 環(huán)氧化物和尿烷。蠟的例子包括石蠟、亞乙基雙硬脂酰胺(ACRAWAX)、和棉籽蠟。該粘合劑也可以包括具有低于3000的重均分子量的固態(tài)聚烯烴，和一般可以描述為具有C14,側(cè)鏈的甘油三酯的氫化的固態(tài)植物油，以及它們的衍生物，包括氫化的衍生物，如棉籽油、豆油、 西蒙得木油、和其混合物。粘合劑優(yōu)選的是減小至其至少一維的平均顆粒尺寸小于200微米，優(yōu)選小于100 微米，優(yōu)選的是在0. 01 50微米的范圍內(nèi)，最優(yōu)選的是在0. 01 20微米的范圍內(nèi)。因此， 優(yōu)選的是球、針形珠粒、小薄片、或纖維的形式。為獲得小顆粒而制備粘合材料的方法包括研磨，壓碎，噴霧干燥，熔融霧化，擠壓，刨花，和直接反應(yīng)。最優(yōu)選的是采用熔融霧化以制備具有上述顆粒大小范圍的粘合材料。在需要時(shí)可向粘合材料中加入添加劑，如顏料，其它金屬，無(wú)機(jī)化合物如鹽、石墨或炭黑，無(wú)機(jī)氧化物如鋁酸鹽、氧化硅和氧化鈦。本發(fā)明的，特別是對(duì)于粉末冶金應(yīng)用的，優(yōu)選的粘合劑是固態(tài)聚乙烯蠟，該固態(tài)聚乙烯蠟具有低于大約4000，優(yōu)選大約2000或更低，并且一般為大約100-4000，更優(yōu)選為大約500-2000的重均分子量。合適的聚乙烯蠟是可從Petrolite特種聚合物集團(tuán)購(gòu)買的 Polywax系列，如Polywax 500和Polywax 2000。聚乙烯蠟優(yōu)選的是具有1至大約500厘泊 (cps)范圍，更優(yōu)選在大約3和50cps之間的熔融粘度。聚乙烯蠟的熔點(diǎn)優(yōu)選的是在50°C 和200°C之間，更優(yōu)選是在75°C和130°C之間。在粉末冶金應(yīng)用中，為了在混合過(guò)程中有助于粘合劑與鐵粉和合金粉末之間的接觸，粘合劑如聚乙烯蠟的優(yōu)選的平均顆粒大小是在大約1和大約50之間，更優(yōu)選的是在大約1和大約25微米之間?？梢允褂镁哂猩鲜龇秶鷥?nèi)的大小的球狀顆粒，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在此情況下，為了確保足夠的粘合，混合過(guò)程的溫度應(yīng)該提高。如果顆粒粘合劑不是球狀，該顆粒的至少一維大小應(yīng)在球狀顆粒的所述范圍內(nèi)。粘合劑的顆粒大小可以通過(guò)諸如激光散射技術(shù)等方法進(jìn)行測(cè)定。粘合劑的顆粒大小可以通過(guò)本領(lǐng)域熟知的噴霧霧化技術(shù)降低至這些范圍內(nèi)。冶金粉末組合物可以通過(guò)各種混合技術(shù)進(jìn)行制備。所有技術(shù)共同的是，聚合物或蠟粘合劑與金屬基和合金粉末的混合是在至少大約27°C，優(yōu)選至少大約50°C，一般是在大約50-190°C范圍內(nèi)，更優(yōu)選在大約65-90°C之間的粉末混合溫度下進(jìn)行。在某些情況下，特別是當(dāng)使用固態(tài)小薄片或較小顆粒大小的球狀形式的粘合劑時(shí)，優(yōu)選的是在低于粘合劑的熔點(diǎn)的溫度下將粘合劑與金屬基和合金粉末混合，以改善生沖壓部件的性質(zhì)并減小將沖壓部件從模槽中取出時(shí)所需要的驅(qū)逐力。因此在某些情況下， 優(yōu)選的是將固態(tài)粘合劑與金屬基和合金粉末在低于粘合劑的熔點(diǎn)大約3-35°C，優(yōu)選大約 5-30°C，更優(yōu)選大約8-25°C的溫度下混合。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用具有大約88°C的熔點(diǎn)、 大約500的Mw、和大約20微米的重均顆粒大小的聚乙烯時(shí)，在大約65°C的溫度下將聚乙烯材料與金屬基和合金粉末混合可以獲得有利的性質(zhì)。金屬基粉末可以在周圍環(huán)境條件下或在較高的混合溫度下先與合金粉末混合形成均勻混合物。然后可以將或者部分預(yù)熱或者全部預(yù)熱的粘合劑與金屬基和合金粉末在一個(gè)合適的容器中混合，在該容器中混合的粉末的溫度可以在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持在所希望的水平以接觸大部分，如果不是全部，的金屬基和合金粉末。粘合劑的混合優(yōu)選的是一直持續(xù)直到獲得均勻的混合物?；蛘?，粘合劑可以與金屬基和合金粉末在開(kāi)始時(shí)混合，然后可以將該混合物加熱到合適的選定混合溫度，在該溫度或溫度范圍內(nèi)進(jìn)行混合直到獲得均勻的混合物。不論在那種過(guò)程中，都是然后用間歇或連續(xù)的混合將混合的組合物冷卻至環(huán)境溫度。冶金組合物(含有金屬基和合金粉末以及潤(rùn)滑劑等)中粘合劑的濃度是在大約 0. 05-2重量％，優(yōu)選大約0. 25-1. 5重量％，更優(yōu)選大約0. 5-1重量％的范圍內(nèi)。粘合劑的濃度低于該水平時(shí)不能獲得在合金粉末和金屬基粉末之間的有效的結(jié)合，而濃度高于該水平時(shí)一般會(huì)得到較差的生密度和強(qiáng)度性質(zhì)。在粘合劑混入到冶金組合物之后，并且優(yōu)選的是在組合物已經(jīng)冷卻到一定程度， 典型的是冷卻到至少低于粘合劑的熔點(diǎn)，優(yōu)選低于大約65°C，更優(yōu)選低于大約50°C和更優(yōu)選低于大約40°C，通常當(dāng)該組合物為室溫時(shí)，可以非必須地加入一種常規(guī)的潤(rùn)滑劑并混合直到獲得均勻的組合物。加入的潤(rùn)滑劑的量可以在最終冶金組合物的重量的大約 0. 01-2重量％，優(yōu)選大約0. 05-1重量％的范圍內(nèi)。典型的潤(rùn)滑劑包括硬脂酸鹽化合物，如從Witco公司購(gòu)買的鋰、鋅、錳、和鈣的硬脂酸鹽；蠟，如從a^mrock技術(shù)有限公司購(gòu)買的亞乙基雙硬脂酰胺和聚烯烴；從Alcan粉末和顏料公司購(gòu)買的鋅和鋰的硬脂酸鹽的混合物 Ferrolube M，和從Glyco化學(xué)品公司購(gòu)買的亞乙基雙硬脂酰胺與金屬硬脂酸鹽如Witco ZB-90的混合物，金屬硬脂酸鹽與合成蠟如“ACRAWAX”或“PM 100”的混合物。然后可將上面描述的冶金粉末組合物在模穴中沖壓以按照常規(guī)方法形成金屬部件。然后可將得到的生沖壓部件按照常規(guī)方法燒結(jié)。
實(shí)施例下面的實(shí)施例不是對(duì)本發(fā)明的限定，而是用于介紹本發(fā)明的一些具體實(shí)施方式
和優(yōu)點(diǎn)效果。除非另有指明，其中的任何百分?jǐn)?shù)都是以重量為基準(zhǔn)。在每個(gè)實(shí)施例(除了實(shí)施例1中的對(duì)照組合物外)中，冶金組合物的制備是首先將鐵基粉末(從Hoeganaes公司購(gòu)買的ANC0RSTEEL1000B)與合金粉末混合，接著將該混合物加熱至大約200° F(93°C)。然后將該加熱的混合物加入到一個(gè)已加熱至試驗(yàn)溫度的混合容器中進(jìn)行混合直到該組合物達(dá)到試驗(yàn)溫度。然后將粘合劑加入到該混合容器中并進(jìn)行連續(xù)混合直到獲得均勻的混合物。然后將混合的組合物冷卻至室溫，并用間歇混合改善冷卻操作。所用的合金粉末為2-6微米的石墨粉末(Asbury等級(jí)3203)和鎳粉末(國(guó)際鎳有限公司，等級(jí)為INCO 123)。然后在每平方英寸50噸(50tsi)的壓力和大約145° F (63°C )的模穴和粉末溫度下將該組合物在模穴中沖壓成生的棒件。冶金組合物和生的燒結(jié)棒件的物理性質(zhì)一般按照下面的試驗(yàn)方法和公式測(cè)定
權(quán)利要求
1.一種制備具有改進(jìn)抗偏析性和抗塵性的含有通過(guò)一種粘合劑粘合至金屬基粉末的合金粉末的冶金組合物的方法，該冶金組合物包含(a)至少80重量％的金屬基粉末；(b)0.25-4. 0重量％的合金粉末；和(c)0.05-2重量％的用于金屬基粉末和合金粉末的粘合劑，其中該粘合劑是一種具有低于150°C的軟化溫度的固態(tài)、低熔點(diǎn)的聚合物或蠟，并在至少一維上具有小于100微米的平均顆粒尺寸，所述方法包括(1)預(yù)備一種金屬基粉末和至少一種合金粉末的混合物；以及(2)將粘合劑與所說(shuō)金屬基粉末和所說(shuō)至少一種合金粉末混合以形成一種初始混合物，其中所述粘合劑是一種具有低于150°C的軟化溫度的固態(tài)、低熔點(diǎn)的聚合物或蠟，并且該粘合劑在至少一個(gè)方向上具有低于100微米的平均顆粒尺寸；(3)將所述初始混合物升溫至至少50°C但低于所述粘合劑的熔點(diǎn)溫度以通過(guò)所述粘合劑將所述金屬基粉末與至少一種合金粉末有效地粘合；和(4)將該混合物的溫度降至室溫以形成所述冶金粉末組合物，其中以冶金粉末組合物的總重量為基準(zhǔn)，所述金屬基粉末以至少80重量％的量存在，合金粉末以0. 25-4重量％的量存在，所述粘合劑以0. 05-2重量％的量存在。
2.權(quán)利要求1的方法，其中的粘合劑包括聚酯、環(huán)氧化物、尿烷、石蠟、亞乙基雙硬脂酰胺、或棉籽蠟。
3.權(quán)利要求1的方法，其中的粘合劑包括具有低于4000的重均分子量的聚乙烯。
4.權(quán)利要求3的方法，其中的組合物含有至少80重量％的鐵基粉末。
5.權(quán)利要求4的方法，其中的聚乙烯粘合劑具有2000或更低的重均分子量。
6.權(quán)利要求4的方法，其中的冶金組合物含有0.25-2重量％的聚乙烯粘合劑。
7.權(quán)利要求6的方法，其中的聚乙烯粘合劑具有500-2000的重均分子量。
8.權(quán)利要求4的方法，其中所述粘合劑主要為具有低于50微米的體積平均顆粒大小的球形顆粒形式。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述混合步驟(b)在低于粘合劑熔點(diǎn)3-30°C的溫度下進(jìn)行。
10.權(quán)利要求1的方法，其中的粘合劑是具有500-2000的分子量的聚乙烯，并且其中在所述混合步驟之前的聚乙烯的體積平均顆粒大小為1-25微米。
11.權(quán)利要求1的方法，其中的粘合劑是一種具有低于150°C的軟化溫度的固態(tài)、低熔點(diǎn)聚合物或蠟，并且所述粘合劑具有在至少一個(gè)方向上低于50微米的平均顆粒大小。
12.權(quán)利要求11的方法，其中的粘合劑包括聚酯、環(huán)氧化物、尿烷、石蠟、亞乙基雙硬脂酰胺、或棉籽蠟。
13.權(quán)利要求11的方法，其中的粘合劑包括具有低于4000的重均分子量的聚乙烯。
14.權(quán)利要求11的方法，其中該組合物含有至少90重量％的鐵基粉末。
15.權(quán)利要求11的方法，其中的聚乙烯粘合劑具有2000或更低的重均分子量。
16.權(quán)利要求11的方法，其中該粘合劑為一種具有重均分子量為3000以下的固態(tài)、低熔點(diǎn)聚烯烴或固態(tài)植物油或其氫化衍生物。
17.權(quán)利要求11的方法，其中所述粘合劑具有在至少一維上為0.01-20微米的平均顆粒尺寸。
18.權(quán)利要求1的方法，其中的粘合劑是一種具有低于3000的重均分子量的固態(tài)、低熔點(diǎn)的聚烯烴或一種固態(tài)植物油或其氫化衍生物。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備含粘合劑/潤(rùn)滑劑的改進(jìn)的冶金組合物的方法。本發(fā)明提供一種制備具有改進(jìn)抗偏析性和抗塵性的含有通過(guò)一種粘合劑粘合至金屬基粉末的合金粉末的冶金組合物的方法。該粘合的冶金組合物可用于沖壓工藝以制造能夠燒結(jié)出高沖擊強(qiáng)度的成型件。
文檔編號(hào)B05D7/14GK102172772SQ20111003229
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期1998年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月21日
發(fā)明者威廉·亨德里克森, 悉尼·盧科 申請(qǐng)人:赫格納斯公司, 阿韋卡公司