專利名稱：包括碎片纖維素纖維的粉末金屬混合物的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新穎的粉末金屬混合物，其中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，其每一者的平均當量直徑(average equivalentdiameter)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50μm的平均當量直徑。因為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具有相等體積的球體時的直徑。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/或粘合劑，接下來是石墨和例如鎳、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)存在的量大于90％，其余成分為添加劑，例如潤滑劑、粘合劑(視需要)(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)，其每一者存在的量少于以總混合物(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碎片纖維素纖維摻合的潤滑劑粉末構(gòu)成，所述潤滑劑粉末例如常規(guī)上用于制造粉末金屬的壓緊塊，且平均長度小于150μm，優(yōu)選地小于20μm，且其直徑在約1μm到20μm的范圍內(nèi)。
實用粉末混合物的最重要的標準是其均質(zhì)性，沒有均質(zhì)性的話，壓緊金屬配件的成分中將具有不可接受的差異，不僅在配件與配件之間，而且在一配件自身內(nèi)部。術語“配件”可與更正式的術語“物件”交換地使用。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(Hall)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。如在ASTM B-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)中闡述的來測量霍爾表觀密度。流率被量化為具有標準重量的粉末流經(jīng)一霍爾流量計所需的時間?；魻柫髀视葾STM B-213(MPIFS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，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(尤其是模制配件的敏感部分(例如齒輪的齒狀物)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，所以生坯強度作為一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過高而明顯地縮短了模具的使用壽命，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)的壓坯(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，相同功能可由一單一成分執(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)地分散且適合被壓緊的成分?！拌F”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末混合物可在模具中在壓力下被壓緊，且如果壓坯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或多種額外添加劑在尺寸、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，顯然任何關于將植物性材料的有機纖維與其他顆?；旌系南敕ū谎杆衮?qū)除，無論纖維在另外方面是多么有利。
此外，至今已可得到平均長度不小于70μm的粉碎纖維素纖維，因為要將其進一步粉碎通常會導致形成一纖維壓緊層。雖然這些粉碎纖維的長度與用于可壓緊粉末混合物的金屬顆粒的平均當量直徑的尺寸范圍相同，但是如果混合物將用于壓緊和燒結(jié)配件的大規(guī)模生產(chǎn)，那么添加少達以總粉末混合物重量計的2％的量的這些纖維也會導致不可接受的體積或表觀密度和流動特征。含有150μm或更長的纖維的粉末金屬混合物的不良物理性質(zhì)可歸因于纖維所占的體積和其個體形狀的不規(guī)則性。
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這種流動性并不成問題，但在生產(chǎn)設備中所述問題可能是重要的，因為在這種情況下單位時間內(nèi)可產(chǎn)生的配件數(shù)目是一個決定性因素。
另一個重要問題(近年來其已顯得突出)在于(特別是)石墨的“粉化”程度，以及在燒結(jié)過程中硬脂酸鋅(通常被用作潤滑劑)汽化的有害副作用。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所屬領域正在增生。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為粘合劑，但是制造均質(zhì)粉末混合物通常需要加熱蠟以使其均勻地分布為金屬顆粒上的涂層，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，其中每一潤滑劑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并涂覆有另一種潤滑劑的核心。雖然廣泛建議使用纖維素衍生物作為粘合劑(見美國專利第5,480,469號)，并且也建議使用纖維素酯樹脂和羥烷基纖維素樹脂(見美國專利第6,573,225號)，但是顯然這些化合物在物理上與纖維素纖維無關且沒有相似化學性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種具有任意形狀和尺寸的物件，其是由以下材料模制而成(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)纖維素纖維，以天然棉纖維(棉屬(gossypium)的種子毛)為例，其長度在約1cm到2cm的范圍內(nèi)且直徑在約5到20μm的范圍內(nèi)，其已被粉碎成平均長度小于70μm、優(yōu)選地小于30μm的纖維的微米級部分(微粉化)。所述物件由粉末金屬混合物模制而成，其中潤滑劑和微粉化纖維共同以一約0.01重量％到小于2重量％范圍內(nèi)的量存在，每一者優(yōu)選地以一小于混合物重量計的1％的量存在。雖然大部分纖維的直徑不會因粉碎而減小，但有相當數(shù)目的纖維碎片(在5重量％到40重量％的范圍內(nèi))的平均長度在2μm到20μm的范圍內(nèi)，且在1重量％到20重量％的范圍內(nèi)的纖維碎片的平均長度在1μm到10μm的范圍內(nèi)且其平均直徑在0.5μm到5μm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，在被微粉化后，90％的纖維小于25μm，最優(yōu)選地小于10μm，其中間值在約8μm到12μm的范圍內(nèi)，且平均值在約9μm到15μm的范圍內(nèi)，如在Microtrac標準范圍顆粒分析器(Microtrac Standard Range ParticleAnalyzer)中所測量得到。
鑒于依賴于蠟和/或金屬皂的固有的眾所周知的潤滑性與霧化潤滑劑的球形的組合來提供最高流率和表觀密度(在前述′919專利中)，因而特別料想不到纖維素的碎片纖維(一種不具有潤滑性且具有較低表觀密度的材料)能與一已知潤滑劑組合且生產(chǎn)纖維改良潤滑劑(在本文中被稱為“改良潤滑劑”或更方便地被稱為“纖維潤滑劑”)，其不但基本上與不具有纖維的潤滑劑具有相同的物理性質(zhì)，而且還產(chǎn)生了具有基本上類似的表觀密度的摻合物和具有更好生坯強度的壓塊。
雖然在上文指定的尺寸范圍和量中的微粉化纖維素纖維(通過粉碎較長的纖維而得到)其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“纖維潤滑劑”，其與粉末金屬摻合，為所選擇的生配件產(chǎn)生一摻合物，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。由纖維潤滑劑壓緊形成的生配件提供的生坯強度比在相同條件下由相同潤滑劑(與纖維潤滑劑存在相同量但不具有纖維)壓緊形成的另一配件的生坯強度更高，且同時滿足燒結(jié)配件的硬度和TRS預定規(guī)格?！暗秃辖稹狈勰┮庵富阼F的粉末，其含有0.5重量％到5重量％的石墨和0.1％到25％的一種從由Ni、Cu、Cr、Mo、Mn、P、Si、V和W構(gòu)成的組中選出來的元素?！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0到約0.5％的C(碳)的抗腐蝕鋼。“預合金”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擇。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％的纖維本身與潤滑劑相比并不具有明顯優(yōu)點，因此所使用的纖維潤滑劑的量優(yōu)選地在0.25重量％到1重量％的范圍內(nèi)，且潤滑劑/纖維的重量比在約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(視需要而定)在內(nèi)的添加劑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)值上比由不具有纖維素纖維的常規(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％；且(ii)霍爾流率為至少25sec/50g混合物，其中所述改良潤滑劑基本上由優(yōu)選地平均當量顆粒直徑小于50μm的潤滑劑和平均長度小于70μm的纖維素纖維組合構(gòu)成。優(yōu)選地，所述霍爾表觀密度在數(shù)值上大于由不具有纖維素纖維的常規(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)(以便使得纖維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，而且導致比省略纖維素纖維時更高的生坯強度。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，其中包括0.1重量％到小于1重量％的微粉化纖維素纖維，結(jié)合0.1重量％到小于1重量％的常規(guī)的優(yōu)選為聚合的潤滑劑)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；例如可能由一些纖維/潤滑劑的重量比在填充模槽時遇到的這種微小困難可通過使用導管上的搖動構(gòu)件(例如機械或聲波振動器)來解決。通常通過加深常規(guī)上與表觀密度較高的摻合物一起使用的模槽來補償由所述新穎改良潤滑劑獲得的略微較低的表觀密度。
與當量直徑小于約50μm的微粉化聚烯烴蠟顆粒組合的如本文所定義的微粉化纖維素纖維是一種新穎合成物的成分，發(fā)現(xiàn)所述新穎合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纖維素纖維的潤滑劑獲得的生坯強度更高的生坯強度。當含有所述改良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。微粉化纖維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
關鍵是要使用微粉化的纖維素纖維。我們所說的纖維素纖維是指主要為纖維素材料的纖維，所述纖維素材料例如大麻、黃麻、棉花、木材、劍麻、竹子、玉米桿和其類似物，其可產(chǎn)生直徑小于約20μm的單個纖維。雖然這些纖維素纖維中的任何一者均可被粉碎成小于約75μm的平均長度，但其在受到一足以使得被曝露的纖維變得高度易碎的量的γ射線、X射線或電子束照射后更容易地被微粉化為更小尺寸范圍的碎片，如前述′712專利所揭示，所述揭示內(nèi)容如同在本文完全闡述的那樣以引用的方式并入到該處。人們相信當30到100MR(百萬拉德(MegaRad))范圍內(nèi)的劑量輸送到大量纖維素纖維時，其表面結(jié)構(gòu)也以以下方式被改良促進粉末金屬混合物在被曝露的粉碎纖維與常規(guī)有機潤滑劑的同樣小或更小的顆?；旌蠒r的流動。最優(yōu)選的是可在不改變其分子結(jié)構(gòu)的情況下被漂白的纖維素纖維。認識到在從中收獲纖維素的原材料的生長時期中，每一纖維的直徑隨著纖維素層在纖維的細胞壁上的積累而變得更厚；需要使用具有平均直徑的原纖維，以便在粉碎所述纖維后，至少50重量％具有小于70μm的平均長度和小于10μm的直徑?！霸牧稀币庵肝唇?jīng)化學處理來改變纖維素分子結(jié)構(gòu)的纖維，即，相對于其他多糖的纖維素或聚纖維二糖的獨特結(jié)構(gòu)被保持且不被衍生化。最優(yōu)選的是已受到前述劑量范圍內(nèi)的電子束照射的纖維素纖維，所述纖維之后在一高速旋轉(zhuǎn)切斷機(例如811型系列直進式成粒機)或在噴射式分級碾磨機(例如30型旋轉(zhuǎn)噴射或24型)中被粉碎，且具有約1到小于50μm的范圍內(nèi)的平均長度和約1到10μm的范圍內(nèi)的平均直徑，優(yōu)選地平均長度在約1到20μm的范圍內(nèi)且平均直徑在約1到5μm的范圍內(nèi)，且最優(yōu)選地平均長度在約1到10μm的范圍內(nèi)且平均直徑在約1到3μm的范圍內(nèi)。這些粉碎的經(jīng)電子束照射的纖維的在較小尺寸范圍內(nèi)的這些尺寸很大程度上取決于纖維素纖維的來源和在其被粉碎之前單個纖維的尺寸以及其在被粉碎時纖維自身之間的碰撞程度。
任何常規(guī)粉末金屬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以2.7到3.5g/cc范圍內(nèi)的霍爾表觀密度和29到35sec/50g范圍內(nèi)的霍爾流率浸透摻合物的潤滑劑。常用潤滑劑從由金屬皂和蠟(特別是聚(低碳)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(gòu)成的組中選出。優(yōu)選的蠟是Epolene牌蠟，其型號為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，其型號為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。蠟的特定選擇取決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。
含有與微粉化纖維素纖維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。所述成分經(jīng)過混合，直到形成基本上均質(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；接著摻合物由一錘體壓緊，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))，以形成生配件；接著所述生配件以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(通常為氮氣和/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纖維素纖維揮發(fā)，并形成燒結(jié)金屬配件。所述爐封裝被一個燒結(jié)帶密封，所述燒結(jié)帶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，除非其含有足夠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，使用平均長度小于10μm和平均直徑小于約5μm的纖維素纖維，以避免使得纖維尺寸插入一額外變量。沒有測量只含有纖維素纖維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％的棉纖維的摻合物由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，這表明纖維素纖維不提供明顯的潤滑性；因此，具有纖維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纖維素纖維的結(jié)果效能。為了集中所有摻合物中的纖維素纖維的作用，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，而是希望其只說明本發(fā)明范疇內(nèi)的一些實施例。
實例1-7對使用Hoeganaes Ancorsteel 1000B作為原料生鐵和各種潤滑劑(有些與棉纖維組合)的MPIF F-0000成分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％在以下表1中，每個樣品被制備為11b粉末金屬混合物(“摻合物”)，其是通過在直徑約8em(3英寸)和約30.5cm(12″)長的圓筒中徹底混合成分來摻合的。手動滾動圓筒30sec，即在平臺上前后平移的同時圍繞其縱向中心軸旋轉(zhuǎn)；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的程序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。潤滑劑P-105(內(nèi)部規(guī)定牌號)是一種市售微粉化Acumist聚烯烴蠟，其熔點在約137℃到138℃(279-281)的范圍內(nèi)，在摻合物1中該蠟單獨使用，而在摻合物2、3和4中該蠟與不同比例的微粉化棉纖維一起使用。在摻合物5和6中，使用廣泛使用的潤滑劑硬脂酸鋅和EBS(每一者都單獨使用)；且在摻合物7中，0.56％的纖維與0.19％的EBS一起使用，與摻合物3中與聚烯烴蠟一起使用時的比例相同。
表1

*粉末不流動通過漏斗，除非其被搖動從上述數(shù)據(jù)中很明顯地看出因為摻合物不流動，單獨使用的微粉化聚烯烴蠟沒有實際使用價值。其余摻合物滿足經(jīng)認可的霍爾表觀密度和流率標準，其理想地分別在2.9到3.3g/cc和27到36sec/50g的范圍內(nèi)。與EBS和硬脂酸鋅相比，具有棉纖維的摻合物的霍爾表觀密度介于EBS與硬脂酸鋅的霍爾表觀密度之間；且其霍爾流率比兩者都好；具有相同比例的棉纖維的摻合物#4和#7大體上具有相同表觀密度和流率，無論潤滑劑是EBS還是硬脂酸鋅，這表明對選擇常規(guī)、優(yōu)良的潤滑劑基本上沒有敏感性。
然而，應注意到，具有0.75％的P-105潤滑劑的摻合物(不能容易地流動通過漏斗)的表觀密度為3.00g/cc，其基本上與具有等量EBS的表觀密度相同；然而，雖然碎片纖維素纖維的表觀密度比金屬粉末的表觀密度小得多，但在P-105由棉纖維替代的每種情況下，表觀密度出乎意料地增加；且這個增加在EBS的一部分由棉纖維替代時也是明顯的。顯然，在流率大于35sec/50g的快速流動的粉末中添加0.25重量％到1重量％范圍內(nèi)的量的纖維潤滑劑將對流動造成微不足道的影響，且將不會對其產(chǎn)生不利影響，但是人們不希望把纖維潤滑劑添加到流率為30sec/50g的Ancorsteel 1000B金屬粉末中以改良流率；也不希望進行添加來增加摻合物的表觀密度。
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1121℃(2050)下80％氮氣/20％氫氣的氣氛中在常規(guī)燒結(jié)爐中一移動燒結(jié)帶上燒結(jié)所有棒，且估算所述燒結(jié)棒的性質(zhì)。
將了解到，所使用的潤滑劑和纖維的組合量以及纖維與潤滑劑的比例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)。一般來說，當組合量小于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的；因此，組合量優(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的熱空氣中的所要時問，在穿過648.9℃(1200)、760℃(1400)、1121℃(2050)和112℃(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

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。
從上述結(jié)果中明顯地看出摻合物#4(其中組合物包括相對于潤滑劑量較大重量比例的棉纖維)提供不僅具有最高生坯強度、TRS和硬度(HRF)而且還具有最佳尺寸一致性(DC)(即，最小變形)的燒結(jié)棒。
與EBS和硬脂酸鋅相比，具有棉纖維的摻合物的生棒具有相似生坯密度和所要峰值脫模壓力(用測壓儀測量得)。
實例8-11估算一纖維潤滑劑，其為50％的微粉化聚烯烴蠟潤滑劑(“蠟”)和50％的微粉化棉纖維的組合，其在兩種標準粉末金屬合成物中總共存在0.75重量％為了比較在(i)MPIF F-0000鐵粉末金屬和(ii)MPIF FC-0208粉末金屬中纖維潤滑劑的作用與常規(guī)霧化AcrawaxEBS潤滑劑的作用，制備了四種摻合物。對于MPIFF-0000，我們使用Hoeganes Ancorsteel 1000原料生鐵；且對于MPIF FC-0208，我們使用(Hoeganes Ancorsteel 1000原料生鐵+2％銅+0.8％石墨)。
首先，在一實驗室雙錐鼓摻合器中把兩組物質(zhì)分別與獨立組MPIF F-0000粉末金屬和MPIF FC-0208粉末金屬攪勻，以產(chǎn)生兩個4.5Kg(10lb)組大體上均質(zhì)的摻合物(#8和#10)，每一者含有0.75重量％的EBS。
在摻合器中把粉末金屬的兩個額外組(每一者具有相同重量)與相等重量分的Acumist微粉化聚烯烴蠟和棉纖維摻合，以產(chǎn)生兩種混合物(#9和#10)，每一者含有0.75重量％的纖維潤滑劑。測量在至少三個樣品中每一摻合物的霍爾表觀密度和流率并求出其平均值；在下表3中給出結(jié)果表3

*粉末不會流動通過霍爾漏斗，除非其被搖動(“不流動”條件)由纖維潤滑劑制成的樣品的不流動條件可能是所使用的摻合程序造成的，且程序中的變化可能是獲得流動所必須的。應注意到，不流動條件不能與在生產(chǎn)設備中獲得的流動相關聯(lián)，在生產(chǎn)設備中從粉末金屬進料斗出來的導管的公稱直徑通常至少為2.54cm(1″)。另外，應注意到，具有改良潤滑劑的表觀密度比具有EBS的表觀密度低0.08-0.09g/cc，但是并未超出F-0000的常規(guī)限制(2.90-3.20g/cc)的范圍；摻合物#9的表觀密度比摻合物#8的表觀密度低小于3％；且摻合物#11的表觀密度比摻合物#10的表觀密度低小于4％。在生產(chǎn)用壓機的模槽中通常能容許這些小差異。
接著使用四種摻合物中的每一者在2812Kg/cm2(20TSI)到8436Kg/cm2(60TSI)范圍內(nèi)的壓力下制造標準棒，測試所述棒的TRS、可壓縮性(生坯密度)、生坯強度和燒結(jié)性質(zhì)。接著在20TSI到60TSI范圍內(nèi)的壓力下把所有棒壓緊成標準測試棒，且在裝備有燒結(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的熱空氣中的所要時間，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)。求在至少三個樣品上所作測量的平均值，并做記錄。
在下表4和表5中，闡述由使用等量潤滑劑(0.75重量％)的相同-0000粉末獲得的比較結(jié)果，且其中一種潤滑劑是AcrawaxEBS，另一種是Acumist聚烯烴蠟和微粉化棉纖維的50/50組合。
在下列表6和表7中，闡述由使用等量潤滑劑(0.75重量％)的相同F(xiàn)C-0208粉末獲得的比較結(jié)果，其中一種潤滑劑是AcrawaxEBS，且另一種是Acumist聚烯烴蠟和微粉化棉纖維的50/50組合。
表4-MPIF F-0000+0.75％EBS

10tons/in2(TSI)＝1406.16Kg/cm2壓力Mpa指的是兆帕斯卡，其中1Mpa＝1000KPa平均脫模壓力的范圍從20TSI下的1125lbf到60TSI下的1650。
表5-MPIF F-0000+0.75％(纖維+聚烯烴蠟)

10tons/in2(TSI)＝1406.16Kg/cm2壓力，Mpa指的是兆帕斯卡，其中1Mpa＝1000KPa表6-MPIF FC-2008+0.75％EBS

10tons/in2(TSI)＝1406.16Kg/cm2壓力Mpa指的是兆帕斯卡，其中1Mpa＝1000KPa
表7-MPIF FC-2008+0.75％(纖維+聚烯烴蠟)

10tons/in2(TSI)＝1406.16Kg/cm2壓力Mpa指的是兆帕斯卡，其中1Mpa＝1000KPa平均脫模壓力在2812Kg/cm2(20TSI)下的408.3Kgf(900lbf)到Kg/cm2(60TSI)下的930.1Kgf(2050lbf)的范圍內(nèi)。
從上表4到表7所闡述的結(jié)果中可明顯地看到，由改良潤滑劑制得的F-0000棒比由EBS制得的棒具有略微較低的可壓縮性，而由FC-02108制得的棒具有大體上相同的可壓縮性。
由改良潤滑劑制得的F-0000棒具有大大增加的生坯強度，比由EBS制得的棒的生坯強度好平均36％，而不管壓緊壓力如何；且F-0208棒的生坯強度高了51％。生坯強度上的這種改進確保抵抗在模制和脫模配件的壓力下破裂；且抵抗配件在生坯狀態(tài)下被處理時的刻痕、碎裂和破裂。
峰值脫模壓力，即起始模制配件離開模槽的運動所需的力，基本上與在典型模制壓力下模制得的摻合物#8和#9的棒相同，但是在更極端壓力下所模制得的棒所需的力更高。然而，對于從摻合物#10和#11制得的棒而言，峰值脫模壓力基本上相同或者較低，而不管模制壓力如何。
平均脫模壓力，即保持配件移動離開模槽所需的力，對于F-0000棒的每一者一律較高，但對于F-0208棒則大體上相同或較低。
由改良潤滑劑制得的F-0000棒的生長相對于由EBS制得的棒的生長異常地低，在極端壓力下尤其明顯；由FC-0208制得的棒具有正常的燒結(jié)密度和尺寸變化，其非常類似于由EBS制得的棒的燒結(jié)密度和尺寸變化。
TRS(其從為估算強度而在受控條件下對燒結(jié)棒執(zhí)行的三點測試中獲得)對于在較低壓力下制得的F-0000棒是正常的，但對于在較高壓力下制得的棒卻降低了；但對于FC-0208棒而言，對于每種潤滑劑獲得的TRS值大體上類似。
由改良潤滑劑在較低模制壓力下制得的F-0000棒的表觀硬度是正常的，但相對于由EBS在較高壓力下制得的棒的硬度卻降低了；對于F-0208棒，表觀硬度對于兩種潤滑劑在所有模制壓力下都大體上相同。
實例12-14估算兩種組成物，其在一標準316不銹鋼粉末金屬組成物中具有不同比例和不同量的微粉化聚烯烴蠟潤滑劑(“蠟”)與微粉化棉纖維的組合，一種組成物存在1.0重量％的量，另一種存在0.75重量％的量為了比較摻合物#13和#14中的纖維潤滑劑的作用和1重量％的常規(guī)霧化AcrawaxEBS潤滑劑(摻合物#12)的作用，(其每一者都在Hoeganaes 316L粉末中)，類似地制備所述三種摻合物。
首先，在一實驗室雙錐鼓摻合器中把較小量的EBS潤滑劑與一組316L粉末摻合，以產(chǎn)生一0.907Kg(2lb)組的含有1.0重量％的EBS的大體上均質(zhì)的摻合物(#12)。
在摻合器中把316L粉末的兩個額外組(每組具有相同重量)摻合，以制造摻合物#13和#14。#13含有0.67％纖維/0.33重量份的Acumist；且#14含有0.56％纖維和0.19％Acumist，所以摻合物#13和#14分別含有1.0重量％和0.75重量％的纖維潤滑劑。測量至少三個樣品中的每一摻合物的霍爾表觀密度和流率并求出其平均值；在以下表8中給出結(jié)果表8

*粉末不會流動通過霍爾漏斗，除非其被搖動顯然，具有纖維潤滑劑的摻合物的表觀密度比具有EBS的摻合物的表觀密度低約0.15g/cc。如早先指出的那樣，表觀密度中的此微小差異在生產(chǎn)設備中是容許的；如果需要極端精確性，那么可將模槽做得更深。應注意到，摻和物#14的流率大體上隨纖維潤滑劑含量中的僅一微小降低而增加。
接著使用所述三種摻合物中的每一者在從2812Kg/cm2(20TSI)到8436Kg/cm2(60TSI)范圍內(nèi)的壓力下制造標準棒，測試所述棒的TRS、可壓縮性(生坯強度)和燒結(jié)性質(zhì)。接著在20TSI到60TSI范圍內(nèi)的壓力下把所有棒壓緊成標準測試棒，且在裝備有燒結(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100％H2的熱空氣中的所要時間，在穿過648.9℃(1200)、760℃(1400)、1287.8℃(2350)和1287.8℃(2350)的四個主要溫度區(qū)域時燒結(jié)帶速度為3.5″/min。求在至少三個樣品上所作測量的平均值，并做記錄。
在下表9、10和11中，闡述由摻合物#12、13和14中的每一者獲得的比較結(jié)果。
表9-316-L+1.0％EBS

10tons/in2(TSI)＝1406.16Kg/cm2壓力Mpa指的是兆帕斯卡，其中1Mpa＝1000KPa表10-316-L+1.0％纖維潤滑劑

10tons/in2(TSI)＝1406.16Kg/cm2壓力Mpa指的是兆帕斯卡，其中1Mpa＝1000KPa表11-316-L+0.75％纖維潤滑劑

10tons/in2(TSI)＝1406.16Kg/cm2壓力Mpa指的是兆帕斯卡，其中1Mpa＝1000KPa注意，含有纖維潤滑劑的摻合物的生坯強度高得驚人，而不管模制壓力如何。
從前述數(shù)據(jù)中還可以明顯地看出，具有纖維潤滑劑的摻合物的可壓縮性通常比具有EBS的摻合物的可壓縮性低約0.15g/cc；纖維潤滑劑含量降低到0.75％展示出在較高壓力下生坯密度的改進。峰值脫模壓力的差異在生產(chǎn)設備中并不重要。棒的燒結(jié)密度一般與生坯密度的差異一致。在相同密度下，與具有EBS的摻合物相比，尺寸變化的收縮百分比對于含有纖維潤滑劑的摻合物來說更?。磺揖哂邢嗤瑹Y(jié)密度的棒的TRS和表觀硬度大體上相同。
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，應了解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?，且確切地說，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
1.一種粉末金屬組成物，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潤滑劑粉末和碎片纖維素纖維構(gòu)成，所述碎片纖維素纖維具有小于150μm的平均長度和在約1μ到20μ范圍內(nèi)的直徑，所述改良潤滑劑以小于所述組成物重量計的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纖維素纖維的常規(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)為至少25sec/50g混合物的霍爾流率。
2.如權利要求1所述的組成物，其中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(gòu)成的組中選出。
3.如權利要求1所述的組成物，其中所述纖維素纖維具有在從約1μ但小于70μ范圍內(nèi)的平均長度和在從2.7g/cc到3.5g/cc范圍內(nèi)的霍爾表觀密度。
4.一種包括潤滑劑的粉末狀鐵金屬混合物，所述混合物具有小于25sec/50g混合物的霍爾流率，改進包含微粉化纖維素纖維，所述微粉化纖維素纖維具有在約1μ但小于70μ范圍內(nèi)的平均長度和在約1μ到20μ范圍內(nèi)的直徑，所述潤滑劑和纖維總共以小于所述粉末金屬混合物重量計的2％的量存在，潤滑劑/纖維素的比例在1∶2到10∶1的范圍內(nèi)。
5.一種用于制造均質(zhì)鐵粉末金屬混合物的方法，其包含把金屬顆粒和改良潤滑劑組合，其中所述金屬顆粒具有小于約150μm的平均顆粒直徑，所述改良潤滑劑基本上由總共以小于所述混合物重量計2％的量存在的潤滑劑和纖維素纖維構(gòu)成，所述潤滑劑具有小于50μm的平均顆粒當量直徑(average equivalent diameter)，所述纖維素纖維具有小于70μm的平均長度；和將所述混合物混合一段足夠長的時間以產(chǎn)生下列規(guī)格(i)霍爾表觀密度在數(shù)值上比由不具有所述纖維素纖維的常規(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％；且(ii)霍爾流率為至少25sec/50g混合物。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述霍爾表觀密度大于由不具有所述纖維素纖維的常規(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。
7.一種適合用于粉末金屬物件的改良潤滑劑，所述改良潤滑劑基本上由與纖維素纖維組合的潤滑劑構(gòu)成，其中所述潤滑劑從由無機化合物、金屬有機化合物和蠟構(gòu)成的組中選出，所述潤滑劑具有小于50μm的平均顆粒直徑，所述纖維素纖維具有小于70μm的平均長度，潤滑劑和纖維的重量比在約1∶2到10∶1的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包含潤滑劑粉末的粉末金屬混合物，所述潤滑劑粉末常規(guī)上與碎片纖維素纖維一起以少于以混合物重量計2％的量產(chǎn)生粉末金屬配件。所述碎片纖維素纖維的平均長度小于150微米，且其直徑在約10到20微米的范圍內(nèi)。在纖維中加入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，并改進了尺寸一致性。
文檔編號C10M159/02GK1902017SQ200480040351
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