專利名稱：含酰胺型潤滑劑的鐵粉末組合物及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬粉末組合物和制備該組合物的方法。特別地，本發明涉及鐵基組合物，它在不同溫度下具有一致的表觀密度和流動性。
背景技術：
在粉末冶金領域對于壓實(compaction)金屬粉末形成金屬組件，通常采用不同的標準溫度規范。這些包括冷壓(低于環境溫度壓制)、常溫壓制(在環境溫度下壓制)、熱壓(在環境溫度之上的溫度下壓制，其中在該溫度下，金屬粉末能保持功致硬化)和中溫壓制(在常溫壓制與熱壓之間的溫度下壓制)。
在高于環境溫度的溫度下壓制具有明顯的優點。隨著溫度升高，大多數金屬的拉伸強度和功致硬化速率降低，并且可在較低的壓實壓力下實現改進的密度和強度。然而，熱壓的極高溫度引入了加工問題和加速了模具的磨耗。因此，目前的努力是針對于開發適于中溫壓制的金屬組合物。
美國專利4955789(Musella)概括地公開了中溫壓實。根據該專利，常用于冷壓實的潤滑劑，如硬脂酸鋅可同樣用于中溫壓實。然而，在實踐中，證明在中溫壓實中不可能使用硬脂酸鋅或亞乙基雙硬脂酰胺(可以ACRAWAX商購得到)，而它們是目前最常用于冷壓實和中溫壓實的潤滑劑。所產生的問題在于難以以滿意的方式填充模具。
美國專利5744433(Storstrom等)和5154881(Rutz)公開了包括酰胺潤滑劑的金屬粉末組合物，它們被特別地開發用于中溫壓實。美國專利5744433公開了用于冶金粉末組合物的潤滑劑，它含有重均分子量Mw最多為30000的酰胺型低聚物。在美國專利5154881中，酰胺潤滑劑由單羧酸、二羧酸和二胺的反應產物組成。特別優選用作潤滑劑的是ADVAWAX..450，它是一種亞乙基雙硬脂酰胺產品。
盡管在這兩個專利中公開的潤滑劑被特別地開發用于中溫壓實并且在許多情況下作用良好，但已發現，當在打算大規模生產燒結組件的金屬組合物內使用這些潤滑劑時，遇到了不同的問題。
發明目的本發明的目的是降低或消除目前與大規模生產有關的問題。
另一目的是提供一類新的潤滑劑，它可用于打算在高溫下壓實的金屬組合物內。
再一目的是提供具有優異的流動速率和表觀密度的鐵基粉末組合物。
進一步的目的是提供一種粉末組合物，它生成最小量的灰塵和它的制備不要求使用有機溶劑。
又一目的是提供一種中溫壓實這種金屬粉末組合物的方法。
發明概述通過含鐵基粉末、至少一種低聚物酰胺型潤滑劑、至少一種脂肪酸和任選的一種或多種添加劑如流動劑、加工助劑和硬質相(hardphase)的粉末組合物，可實現這些目的。
本發明的方法包括下述步驟-混合并加熱鐵基粉末、潤滑劑、脂肪酸和添加劑(如果有的話)到比潤滑劑的熔點高的溫度；和-冷卻所得混合物。
發明詳述在本說明書和所附的權利要求中所使用的措辭“鐵基粉末”包括基本上由純鐵組成的粉末；與改進最終產品強度、硬度性能、電磁性能或其它所需性能的其它物質預合金的鐵粉末；和與這種合金元素的顆粒混合的鐵顆粒(擴散退火的混合物或純粹的機械混合物)。合金元素的實例是鎳、銅、鉬、鉻、錳、磷、以石墨形式存在的碳和鎢，可獨立地或結合，例如以化合物形式(Fe3P和FeMo)使用它們。當本發明的潤滑劑與具有高壓縮性的鐵基粉末結合使用時，可獲得預料不到的良好結果。一般地，這種粉末具有低的碳含量，優選低于0.04wt％。這種粉末包括例如Distaloy AE、Astaloy Mo和ASC100.29，所有這些可商購于瑞典的Hoganas AB。
本發明所使用的潤滑劑是新的潤滑劑，可用下式表示D-Cma-B-A-B-Cmb-D其中D是-H，COR，CNHR，其中R是含2-21個碳原子的直鏈或支鏈的脂族或芳族基團；C是基團-NH(CH)nCO-；B是氨基或羰基；A是任選地包括最多4個氧原子且具有4-16個碳原子的亞烷基；ma是1-10的整數；mb是1-10的整數；n是5-11的整數。
優選潤滑劑具有下述化學結構，其中D是COR，其中R是具有16-20個碳原子的脂族基團；C是-NH(CH)nCO-，其中n為5或11；B是氨基；A是任選地包括最多3個氧原子且具有6-14個碳原子的亞烷基；ma與mb是相同或不同的2-5的整數。
這種潤滑劑的實例可選自CH3(CH2)16CO-[HN(CH2)11CO]2-HN(CH2)12NH-[OC(CH2)11NH]2-OC(CH2)16CH3；CH3(CH2)16CO-[HN(CH2)11CO]2-HN(CH2)12NH-[OC(CH2)11NH]3-OC(CH2)16CH3；CH3(CH2)16CO-[HN(CH2)11CO]3-HN(CH2)12NH-[OC(CH2)11NH]3-OC(CH2)16CH3；
CH3(CH2)16CO-[HN(CH2)11CO]3-HN(CH2)12NH-[OC(CH2)11NH]4-OC(CH2)16CH3；CH3(CH2)16CO-[HN(CH2)11CO]4-HN(CH2)12NH-[OC(CH2)11NH]4-OC(CH2)16CH3；CH3(CH2)16CO-[HN(CH2)11CO]4-HN(CH2)12NH-[OC(CH2)11NH]5-OC(CH2)16CH3；CH3(CH2)16CO-[HN(CH2)11CO]5-HN(CH2)12NH-[OC(CH2)11NH]5-OC(CH2)16CH3。
其它實例是MW為370.49的CH3CO-HN(CH2)5CO-HN(CH2)2NH-OC(CH2)5NH-OC(CH3)；MW為1240.10的CH3(CH2)20CO-HN(CH2)11CO-HN(CH2)12NH-OC(CH2)11NH-OC(CH2)20CH3；MW為8738.04的CH3(CH2)20CO-[HN(CH2)11CO]10-HN(CH2)12NH-[OC(CH2)11NH]10-OC(CH2)20CH3；MW為1580.53的CH3(CH2)4CO-[HN(CH2)11CO]3-HN(CH2)12NH-[OC(CH2)11NH]3-OC(CH2)4CH3；MW為1980.86的CH3(CH2)4CO-[HN(CH2)5CO]7-HN(CH2)6NH-[OC(CH2)5NH]7-OC(CH2)4CH3；MW為2429.69的CH3(CH2)20CO-[HN(CH2)5CO]7-HN(CH2)6NH-[OC(CH2)5NH]7-OC(CH2)20CH3；和MW為2283.73的CH3(CH2)16NH-[OC(CH2)11NH]4-CO(CH2)10CO-[HN(CH2)11CO]4-HN(CH2)16CH3。
添加到鐵基粉末中的低聚物酰胺型潤滑劑優選呈固體粉末形式，可占到金屬粉末組合物總量的0.1-1wt％，優選0.2-0.8wt％。低含量地使用本發明的潤滑劑的可能性是本發明特別有利的特征，因為它能實現高密度。
本發明所使用的脂肪酸優選具有10-22個碳原子的脂肪酸。這種酸的實例是油酸、硬脂酸和棕櫚酸。盡管脂肪酸的用量小，但對流動速率和表觀密度的影響是顯著的。根據粉末組合物的總重量所計算的脂肪酸的用量通常為0.005-0.15％，優選0.010-0.08％，和最優選0.015-0.07％。低于0.005的脂肪酸含量使之難以實現脂肪酸的均勻分布。若含量高于0.15％，則存在流動性劣化的相當大的危險。
脂肪酸的熔點應當低于酰胺低聚物潤滑劑的熔點。
除了鐵基粉末和潤滑劑之外，該新的粉末組合物還可含有一種或多種選自加工助劑和硬質相中的添加劑。
在金屬粉末組合物內使用的加工助劑可由滑石、鎂橄欖石、硫化錳、硫、二硫化鉬、氮化硼、碲、硒、二氟化鋇和二氟化鈣組成。所述加工助劑可單獨或結合使用。
在金屬粉末組合物內使用的硬質相可由鎢、釩、鈦、鈮、鉻、鉬、鉭和鋯的碳化物；鋁、鈦、釩、鉬和鉻的氮化物；Al2O3和各種陶瓷材料組成。
在美國專利5782954中公開了本發明可使用的一類流動劑(在此引入作為參考)，它優選二氧化硅，其用量為約0.005-約2wt％，優選約0.01-約1wt％，更優選約0.025-約0.5wt％，基于冶金組合物的總重量。此外，流動劑的平均粒度應當低于約40納米。優選的硅氧化物是親水和疏水兩種形式的二氧化硅材料，可以二氧化硅的Aerosil系列形式如Aerosil 200和R812產品購于Degussa公司。
根據本發明的實施方案，將鐵基粉末、至少一種低聚物酰胺型潤滑劑、至少一種脂肪酸和任選的一種或多種添加劑如加工助劑和硬質相加熱到比潤滑劑的熔點高的溫度；隨后將所得混合物冷卻到低于潤滑劑的熔點且高于脂肪酸的熔點的溫度，和將粉狀流動劑加入到所得混合物中，然后將改混合物混合并冷卻。
附圖的簡要說明

圖1示出了以上所定義的低聚物酰胺型潤滑劑和脂肪酸(硬脂酸)的組合對表觀密度的影響。
圖2示出了以上所定義的潤滑劑和脂肪酸(硬脂酸)的組合對流動速率的影響。
通過干混Distaloy AE(獲自瑞典的Hgans AB的鐵基粉末)與0.6wt％的有機材料制備測試的粉末混合物，其中所述有機材料由以上所定義的低聚物酰胺型潤滑劑和0.03wt％或0.05wt％的硬脂酸組成。還添加0.3wt％石墨，并將所得混合物加熱到165℃。將混合物冷卻到110℃，并在該溫度下加入0.06wt％的Aerosil。當在環境溫度下添加Aerosll時獲得基本上相同的結果。
圖1和2分別披露的結果證明采用本發明的粉末組合物，在表觀密度和流動兩方面上，可獲得明顯和預料不到的效果。
還測試了包括0.03wt％硬脂酸的上述混合物和根據美國專利5368630制備的混合物相比的粉塵降低。該已知混合物還包括0.6wt％的有機材料，但在此情況下，有機材料由0.55wt％的潤滑劑和0.15wt％的有機粘合劑(纖維素丁酸酯)組成。在這兩個混合物中，鐵基粉末是Distaloy AE。已知混合物的制備包含干混鐵基粉末、根據該美國專利的潤滑劑和0.3wt％的石墨。有機粘合劑溶解在丙酮內并添加到干燥混合物中，之后徹底混合。除去丙酮并向該干燥的混合物中加入0.06wt％的Aerosil。
試驗結果概括在下表中
權利要求
1.一種粉末組合物，它包括鐵基粉末、至少一種低聚物酰胺型潤滑劑、脂肪酸和任選的一種或多種添加劑。
2.權利要求1的組合物，其特征在于脂肪酸的熔點低于酰胺潤滑劑的熔點。
3.權利要求1-2任何一項的組合物，其特征在于脂肪酸具有10-22個碳原子。
4.權利要求3的組合物，其特征在于脂肪酸選自油酸、硬脂酸、棕櫚酸或其結合。
5.權利要求1-2任何一項的組合物，其特征在于低聚物酰胺型潤滑劑可用下式表示D-Cma-B-A-B-Cmb-D其中D是-H，COR，CNHR，其中R是含2-21個碳原子的直鏈或支鏈的脂族或芳族基團；C是基團-NH(CH)nCO-；B是氨基或羰基；A是任選地包括最多4個氧原子且具有4-16個碳原子的亞烷基；ma是1-10的整數；mb是1-10的整數；n是5-11的整數。
6.權利要求5的組合物，其特征在于潤滑劑具有下述化學結構，其中D是COR，其中R是具有16-20個碳原子的脂族基團；C是-NH(CH)nCO-，其中n為5或11；B是氨基；A是任選地包括最多3個氧原子且具有6-14個碳原子的亞烷基；ma與mb是相同或不同的2-5的整數。
7.權利要求3-4任何一項的組合物，其特征在于根據粉末組合物的總重量計算的脂肪酸用量為0.015-0.15％，優選0.02-0.08％，最優選0.03-0.07％。
8.權利要求1-7任何一項的組合物，其特征在于組合物包括一種或多種選自粘合劑、流動劑、加工助劑和硬質相中的添加劑。
9.權利要求1-8任何一項的組合物，其特征在于基于冶金組合物的總重量，流動劑的用量為約0.005-約2wt％，優選約0.01-約1wt％，更優選約0.025-約0.5wt％，和流動劑的平均粒度低于約40納米。
10.權利要求9的組合物，其特征在于流動劑是二氧化硅。
11.一種制備鐵基粉末組合物的方法，它包括下述步驟a)混合并加熱鐵基粉末、至少一種低聚物酰胺型潤滑劑、至少一種脂肪酸和任選的一種或多種添加劑到比潤滑劑的熔點高的溫度，和b)冷卻所得混合物。
12.權利要求10的方法，其特征在于將步驟a)所得的混合物冷卻到低于潤滑劑的熔點且高于脂肪酸的熔點的溫度，和將粉狀流動劑加入到混合物中。
全文摘要
本發明涉及一種制備鐵基粉末的方法，它包括下述步驟混合并加熱鐵基粉末、至少一種低聚物酰胺型潤滑劑、至少一種脂肪酸和任選的一種或多種添加劑到比潤滑劑的熔點高的溫度，和隨后冷卻所得混合物。本發明也包括鐵基粉末、低聚物酰胺型潤滑劑和脂肪酸的混合物。
文檔編號C10M105/68GK1503707SQ02808417
公開日2004年6月9日 申請日期2002年4月17日 優先權日2001年4月17日
發明者B·約翰森, B 約翰森 申請人:赫加奈斯公司