專利名稱：含粘合劑/潤滑劑的改進的冶金組合物及其制備方法
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滑作用。
背景技術(shù)：
顆粒的涂敷是一種用于改進顆粒以及顆粒的表面性質(zhì)的重要過程。顆粒涂敷的方法包括Wurster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中進行了描述；在該工藝中顆粒以某種方式流動，然后將流動的顆粒用溶解在各種溶劑中的涂敷材料進行噴涂，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一個合適的霧化器而進行噴涂。這種方法的一個例子如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，其中通過將顆粒與一種膠乳混合并將所得混合物干燥而實行涂敷。在該工藝中會產(chǎn)生涂敷聚合體。用薄有機層涂敷顆粒的已知的方法可以使用表面活性劑如有機硅烷和碳氟化合物，以改進表面性質(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)。USP4,994,326是這種工藝和由該工藝所得材料的一個例子。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例子，USP4,136,566描述了一種通過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。在Wurster類工藝中，該方法都包括具有可流動的顆粒。具體地說，這是一種具有至少50微米的平均大小的顆粒。另外，在Wurster類工藝中如果使用溶液作為涂敷載體，則其溶劑，水或者有機溶劑，必須通過干燥而除去。對于水這種干燥是冗長的，而對于可燃性液體這種干燥是危險的。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。存在二個問題阻礙了加工溫度高于熔點的熱混合法的應(yīng)用。第一，聚集對于該工藝是一種不希望有的負效應(yīng)。對于許多應(yīng)用來說，后研磨和分粒工作可能是困難的，或者成本太高。第二，高于熔點的工藝操作導致高的能耗，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下進行。在該方法的條件下，顆粒通過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的溫度下進行。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)的味覺掩蔽，以及粉末冶金工業(yè)中。粉末冶金工業(yè)已經(jīng)開發(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和一種燒結(jié)爐便可進行。通過簡單地更換沖模便可制造不同的部件。而且，不必運用熔融合金。
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)部件保持較高的強度和其它機械性能。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分的狀態(tài)使用，以通過燒結(jié)操作過程中的固相擴散促進合金組分的快速均質(zhì)化。
不同顆粒大小的材料的存在導致諸如在運輸、儲存和使用時的偏析和塵積等問題。鐵和合金元素粉末在開始時混合成均勻的粉末。儲存和轉(zhuǎn)移過程中混合粉末的動態(tài)操作將使較小的合金粉末顆粒遷移通過鐵基粉末基質(zhì)的空隙，導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，特別是當它們比鐵基粉末密度小時。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，導致合金元素濃度的降低。
已有各種有機粘合劑用于將較細的合金粉末粘合或“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的美國專利USP4,676,831公開了使用特定的妥爾油作為粘合劑。頒發(fā)給Semel的美國專利USP4,834,800公開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中公開。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)中使用粘合劑的簡短綜述。專利469指出，重要的是不僅有具有通過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所需要的力。專利469討論了各種公開了與鐵基和合金粉末混合的與潤滑劑粉末如金屬皂聯(lián)合使用的粘合劑的參考文獻。然后將這種混合物加熱并混合，以使粘合劑和潤滑劑熔融，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公開了一種通過使用二酰胺蠟作為粘合劑從而不需要金屬皂潤滑劑的對該類技術(shù)的改進。
粘合劑的存在不應(yīng)對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)域的人認識到，該生部件的密度，通常是強度，直接隨沖擊壓力而變化。在術(shù)語“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，如果一種粉末組合物獲得特定的生密度時需要較低的沖擊壓力，那么就說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”潤滑特性，它將增強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溶劑的過程中制造。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，并且對組合物的可壓縮性沒有不利影響。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于顆粒涂敷的改進方法，使用低剪切、低溫度的方法生產(chǎn)無聚集的涂敷顆粒。在一種具體實施方式

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的粉末冶金組合物。
可按照本發(fā)明進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、鉑、鈀、鈦、它們的合金以及它們的混合物；無機氧化物如氧化鋁、氧化硅和氧化鈦；無機化合物如普通食鹽、過氧化物漂白劑、浴鹽、氯化鈣、和無機肥料如鉀堿；以及固態(tài)有機化合物如聚合物、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也涉及粘合劑或材料，可以是低熔點的固態(tài)聚合物或蠟，例如具有低于200℃(390°F)，優(yōu)選低于150℃(300°F)，更優(yōu)選大約65～95℃(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℃)，優(yōu)選的是加熱至低于粘合劑的熔點的溫度，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℃)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^程的溫度優(yōu)選的是在低于該粘合劑的熔點的體相粉末溫度下實行。
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)明的詳細描述本發(fā)明涉及一種用于形成涂敷顆粒的改進方法，改進的冶金粉末組合物，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，能提供出色的抗除塵性/抗偏析性，并使生沖壓件的強度和排出性能得到改進。
可以按照本發(fā)明進行涂敷的顆粒包括金屬粉末如鐵、銅、鎳、鈷、鉻、鋁、鋅、硅、錳、銀、金、鉑、鈀、鈦、它們的合金以及它們的混合物；無機氧化物如氧化鋁、氧化硅和氧化鈦；無機化合物如普通食鹽、過氧化物漂白劑、浴鹽、氯化鈣、和無機肥料如鉀堿；以及固態(tài)有機化合物如聚合物、酸和堿。核心顆粒可以是任何形式如珠粒、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)。
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“鐵基”粉末的例子有基本上為純鐵的粉末，與能增強最終產(chǎn)品的強度、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、冶金級的鐵粉的例子是可從位于美國新澤西州Riverton的Hoeganaes公司商購的ANCORSTEEL 1000系列純鐵粉，例如1000,1000B和1000C。例如，ANCORSTEEL 1000鐵粉具有小于第325號篩(美國篩系列)的顆粒的量為大約22重量％、大于第100號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號篩的顆粒的量很少)的典型的篩分輪廓。ANCORSTEEL 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)合進一種或多種可增強最終金屬部件的機械性質(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，它是ANCORSTEEL粉末系列的一部分。
鐵基粉末的進一步的例子是擴散鍵合的鐵基粉末，該鐵基粉末是具有擴散進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。這種可商購的粉末包括Hoeganaes公司的DISTALOY 4600A擴散鍵合粉末，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”的美國專利USP5,108,493中公開，該專利的整體結(jié)合進本發(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％的一種過渡元素組分的預(yù)合金化粉末，其中該過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％的過渡元素組分。這種粉末的一個例子是可商購的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)明實踐的鐵基粉末是磁性鐵的粉末。其中一個例子是與少量的磷預(yù)合金化的鐵的粉末。
可用作本發(fā)明實踐的鐵基粉末也包括不銹鋼粉末。可從Hoeganaes公司的ANCOR_系列購買不同級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)合金化的鐵的顆粒可以具有小至1微米或更低，或者高至大約850-1000微米的重均顆粒大小，但是一般來說該顆粒具有大約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“鎳基”粉末的例子是基本上為純鎳的粉末，和與能增強最終產(chǎn)品的強度、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的粉末，例如Hoeganaes公司的ANCORSPRAY_粉末，如N-70/30 Cu,N-80/20，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“合金粉末”是指能夠在燒結(jié)時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)域中已知的能增強最終燒結(jié)產(chǎn)品的強度、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)。一般來說該量是較少的，為粉末組合物總重量的大約5重量％以下，雖然對于某些特殊的粉末該量可高達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的固態(tài)聚合物或蠟，它們具有低于200℃(390°F)，優(yōu)選低于150℃(300°F)，再優(yōu)選大約50～110℃(125～225°F)，更優(yōu)選大約65～95℃(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C14-24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。在需要時可向粘合材料中加入添加劑，如顏料，其它金屬，無機化合物如鹽、石墨或炭黑，無機氧化物如鋁酸鹽、氧化硅和氧化鈦。
本發(fā)明的，特別是對于粉末冶金應(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特種聚合物集團購買的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50 cps之間的熔融粘度。聚乙烯蠟的熔點優(yōu)選的是在50℃和200℃之間，更優(yōu)選是在75℃和130℃之間。
在粉末冶金應(yīng)用中，為了在混合過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諸如激光散射技術(shù)等方法進行測定。粘合劑的顆粒大小可以通過本領(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各種混合技術(shù)進行制備。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℃，優(yōu)選至少大約50℃，一般是在大約50-190℃范圍內(nèi)，更優(yōu)選在大約65-90℃之間的粉末混合溫度下進行。
在某些情況下，特別是當使用固態(tài)小薄片或較小顆粒大小的球狀形式的粘合劑時，優(yōu)選的是在低于粘合劑的熔點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大約3-35℃，優(yōu)選大約5-30℃，更優(yōu)選大約8-25℃的溫度下混合。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當使用具有大約88℃的熔點、大約500的Mw、和大約20微米的重均顆粒大小的聚乙烯時，在大約65℃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的時間內(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始時混合，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)進行混合直到獲得均勻的混合物。不論在那種過程中，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一般會得到較差的生密度和強度性質(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，優(yōu)選低于大約65℃，更優(yōu)選低于大約50℃和更優(yōu)選低于大約40℃，通常當該組合物為室溫時，可以非必須地加入一種常規(guī)的潤滑劑并混合直到獲得均勻的組合物。加入的潤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)。典型的潤滑劑包括硬脂酸鹽化合物，如從Witco公司購買的鋰、鋅、錳、和鈣的硬脂酸鹽；蠟，如從Shamrock技術(shù)有限公司購買的亞乙基雙硬脂酰胺和聚烯烴；從Alcan粉末和顏料公司購買的鋅和鋰的硬脂酸鹽的混合物Ferrolube M，和從Glyco化學品公司購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)。
實施例下面的實施例不是對本發(fā)明的限定，而是用于介紹本發(fā)明的一些具體實施方式

和優(yōu)點效果。除非另有指明，其中的任何百分數(shù)都是以重量為基準。
在每個實施例(除了實施例1中的對照組合物外)中，冶金組合物的制備是首先將鐵基粉末(從Hoeganaes公司購買的ANCORSTEEL1000B)與合金粉末混合，接著將該混合物加熱至大約200°F(93℃)。然后將該加熱的混合物加入到一個已加熱至試驗溫度的混合容器中進行混合直到該組合物達到試驗溫度。然后將粘合劑加入到該混合容器中并進行連續(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3203)和鎳粉末(國際鎳有限公司，等級為INCO 123)。
然后在每平方英寸50 噸(50 tsi)的壓力和大約145°F(63℃)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方法和公式測定性質(zhì) 試驗方法表觀密度(g/cc) ASTM B212-76流動性(秒/50g) ASTM B213-77生密度(g/cc) ASTM B331-76生強度(psi) ASTM B312-76生膨脹性(G.E.)G.E.(％)=100[(生棒長度)-(模穴長度)]模穴長度剝離壓力測定沖壓部件從模穴中開始排出時必須克服的靜態(tài)摩擦力。它以在與模穴表面接觸的部件的橫截面上開始排出所需負載的系數(shù)計算，并以psi為單位。
滑動壓力測定部件從模槽中持續(xù)排出時必須克服的動態(tài)摩擦力；它以當部件經(jīng)過從沖壓點到模穴口的距離時所觀察到的平均負載的系數(shù)除以部件的表面積來計算，并以psi為單位。
試驗的冶金組合物的抗塵性采用USP5,368,630中提出的試驗方法進行測定，該專利因此全部作為本發(fā)明的參考。通過用控制的氮氣流淘析而測定混合物的抗塵性。試驗裝置由一個圓柱形玻璃管組成，該玻璃管垂直地安放在一個2升的錐形瓶上，該錐形瓶帶有一個用于接收氮氣流的側(cè)部件。該玻璃管(17.5厘米長，2.5厘米內(nèi)徑)裝有一個400目的篩板，該篩板位于錐形瓶口之上大約2.5厘米。將測試的混合物的樣品(20-25克)放在篩板上，將氮氣以每分鐘2升的速度通過管中15分鐘。在試驗的最后，對混合物進行分析以測定混合物中存留的合金粉末的相對量(以試驗前的合金粉末的濃度的百分數(shù)表示)，該結(jié)果就是對組合物抵抗通過塵積和/或偏析的合金粉末的損失的測定。
實施例1下面的實施例描述聚乙烯粘合劑用于金屬基和合金粉末時的溫度對金屬基粉末和合金粉末之間的粘合效果的重要性。
在本實施例中，冶金組合物由96.25％的ANCORSTEEL 1000B金屬基粉末，作為合金粉末的2％的鎳粉和1％的石墨粉，以及0.75％的Polywax500所組成，Polywax 500是一種具有大約500的Mn和190°F(88℃)的熔點的聚乙烯粘合劑。用于測試的Polywax 500具有大約20微米的重均顆粒大小。該顆粒大小分布是通過使Polywax 500產(chǎn)品具有2毫米的平均顆粒大小并噴霧霧化該聚合物而獲得。
“結(jié)合的”組合物按照上述的一般實例的步驟制備，其中混合溫度為150°F(65℃)，“對照”組合物通過將組合物的各組分在室溫下混合在一起而制備。對照樣品的表觀密度為3.03g/cc，結(jié)合樣品的表觀密度為2.83g/cc；樣品都沒有流動性。
表1列出了二種組合物的聚乙烯粘合劑的抗塵性或結(jié)合效果，沖壓件的生性質(zhì)，以及模穴排出力的值。組合物與聚乙烯粘合劑在大約150°F(65℃)下的混合導致組合物的抗塵性的明顯提高以及沖壓部件的生強度的提高。生密度也增加表明，當在較高混合溫度下使用聚乙烯粘合劑時，在沖壓過程中能使組合物產(chǎn)生某些內(nèi)潤滑作用。
表1
實施例2在幾種冶金組合物中使用不同水平的實施例1中所用的聚乙烯粘合劑檢測其抗塵性的效果，該組合物按照上述一般實例的步驟通過將粘合劑與金屬基和合金粉末干混合而制備。試驗組合物含有作為合金粉末的2％的鎳和1％的石墨。這些組合物含有0．5％，0．75％和1％的聚乙烯(Polywax5001， 以及平衡量的鐵基粉末，即Hoeganaes公司的ANCORSTEEL1000B。聚乙烯與其它粉末冶金組合物的混合步驟的試驗溫度為150。F(65℃1。O．5％，0．75％和1％的試驗樣品的表觀密度分別相應(yīng)為2．92，2．83和2．89 g／cc；樣品都沒有流動性。
表2列出了這三種組合物的不同水平聚乙烯粘合劑的抗塵性或結(jié)合效果，沖壓件的生性質(zhì)，以及模穴排出力的值。聚乙烯濃度的增加導致較高的抗塵性和較低的排出力，但發(fā)現(xiàn)其生密度和生強度降低。
表2
實施例3聚乙烯粘合劑與鐵基和合金粉末的混合在不同溫度下使用實施例中描述的粘合劑進行。試驗組合物含有作為合金組分的2％的鎳和1％的石墨，96.25％的ANCORSTEEL 1000B鐵基粉末，以及0.75％的聚乙烯。對于混合的粉末組合物的體相溫度的試驗混合溫度為100°F(38℃)，150°F(65℃)，170°F(77℃)和220°F(104℃)。
在150°F和170°F下混合的試驗組合物按照上述一般步驟制備。在100°F下混合的試驗組合物的制備步驟是，先將鐵基粉末和合金粉末混合并在一個保持在100°F的容器中混合均勻，接著在100°F的混合溫度下加入聚乙烯。在220°F下混合的試驗組合物的制備步驟是，先將鐵基粉末和合金粉末加熱至200°F并在一個保持在200°F的容器中混合均勻，接著在220°F的混合溫度下加入聚乙烯。100°F，150°F，170°F和220°F的試驗樣品的表觀密度分別相應(yīng)為2.88,2.83,2.90和2.92g／cc；樣品都沒有流動性。
表3列出了該四種組合物的不同混合溫度的聚乙烯的抗塵性或結(jié)合效果，沖壓件的生性質(zhì)，以及模穴排出力的值。發(fā)現(xiàn)直到混合溫度達到大約150°F，聚乙烯也沒有進行結(jié)合。在較高的混合溫度下，聚乙烯的內(nèi)部和外部潤滑性降低，分別導致生密度降低和排出壓力增加。
表3
實施例4將從Petrolite公司得到的Polywax 500在200°F的溫度下熔化，并在30psi、100psi的空氣壓力下在一個標準的熔融霧化系統(tǒng)中以每小時50磅的速度霧化。將得到的50微米平均顆粒大小的材料不經(jīng)進一步的篩分和加工而直接使用。將10克該Polywax 500粘合劑加入到帶有2.5克從Clariant公司得到的酞菁銅顏料的100克Tsumura浴鹽(大約0.5厘米直徑)中，并在一個1夸脫PK混合器中在150°F下混合30分鐘。冷卻以后，在翻滾下將涂敷和著色的產(chǎn)品從混合器中取出。鹽被均勻涂敷，粘合劑和顏料良好地粘合在核心鹽顆粒上。在另一個試驗中，一種大約1000微米直徑的Tsumura Sea Pouri Salt Base小浴鹽在上述相同條件下用11克Polywax 500和2.75克從Clariant公司得到的酞菁銅顏料涂敷，得到類似的涂敷和粘合效果。實施例5用實施例4中制備的Polywax 500用不同的顏料涂敷玻璃珠粒。該玻璃珠粒是從新澤西州Carlstadt的Potters工業(yè)公司得到的玻璃球-A系列，直徑大約1000微米。三種顏料，即從俄亥俄Cleveland的Engelhard公司得到的聯(lián)茴香胺橙黃2915，從新澤西Clifton的Daicolor-Pope公司得到的Titania MT-100-HD，或者從Clariant公司得到的酞菁銅，的涂敷步驟是，將681克玻璃珠粒，6.8克粘合劑，和6.9克顏料加入到一個從Patterson-Kelly公司得到的2夸脫Vee混合器中，并加熱至160°F翻滾混合30分鐘，然后在翻滾下冷卻30分鐘。所得產(chǎn)品為良好粘合的均勻涂敷體。在用這些材料的第二系列試驗中，用36克顏料進行涂敷。最終產(chǎn)品除了色彩更強烈以外，所得涂敷均勻性和粘合性相同。實施例6將從渥太華工廠獲得的Unimin級微球4900和Granusil 4030砂子在一個1立方英尺的Patterson-Kelly公司的Vee混合器中150°F翻滾混合2小時，然后在翻滾下冷卻1小時。所得產(chǎn)品為均勻涂敷體，并放在水中進行疏水性試驗。沒有觀察到潤濕現(xiàn)象，在浸入一個星期后該涂敷體表現(xiàn)穩(wěn)定。將該樣品用于水過濾系統(tǒng)時表現(xiàn)出良好的除細菌功能。
權(quán)利要求
1．一種具有改進抗偏析性和抗塵性的含有與金屬基粉末結(jié)合的合金粉末的冶金組合物，該組合物包含(a)主要量的金屬基粉末；(b)少量的至少一種合金粉末；和(c)少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200℃的軟化溫度的固態(tài)、低熔點的聚合物或蠟。
2．權(quán)利要求1的冶金組合物，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、棉籽蠟。
3．權(quán)利要求1的冶金組合物，其中的粘合劑包括具有低于大約4000的重均分子量的聚乙烯。
4．權(quán)利要求3的冶金組合物，其中該組合物含有至少80重量％的鐵基粉末。
5．權(quán)利要求4的冶金組合物，其中的聚乙烯粘合劑具有大約2000或更低的重均分子量。
6．權(quán)利要求4的冶金組合物，其中該冶金組合物含有大約0.25-5重量％的合金粉末和大約0.25-2重量％的聚乙烯粘合劑。
7．權(quán)利要求6的冶金組合物，其中的聚乙烯粘合劑具有大約500-2000的數(shù)均分子量。
8．一種具有改進抗偏析性和抗塵性的含有與金屬基粉末結(jié)合的合金粉末的冶金組合物，該組合物包含(a)主要量的金屬基粉末；(b)少量的至少一種合金粉末；和(c)少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3000的重均分子量的固態(tài)、低熔點的聚烯烴或一種固態(tài)植物油或其氫化衍生物。
9．一種制備具有抗偏析性和抗塵性的冶金組合物的方法，該方法包括(a)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(b)將所說金屬基粉末和所說至少一種合金粉末與(c)少量的用于金屬基粉末和合金粉末的粘合劑混合均勻，其中該粘合劑是一種具有低于200℃的軟化溫度的固態(tài)、低熔點的聚合物或蠟；其中該混合步驟在高于約50℃的溫度下進行。
10．權(quán)利要求9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。
11．權(quán)利要求9的方法，其中的粘合劑包括具有低于大約4000的重均分子量的聚乙烯。
12．權(quán)利要求11的方法，其中的組合物含有至少80重量％的鐵基粉末。
13．權(quán)利要求12的方法，其中的聚乙烯粘合劑具有大約2000或更低的重均分子量。
14．權(quán)利要求12的方法，其中的冶金組合物含有大約0.25-5重量％的合金粉末和大約0.25-2重量％的聚乙烯粘合劑。
15．權(quán)利要求14的方法，其中的聚乙烯粘合劑具有大約500-2000的數(shù)均分子量。
16．權(quán)利要求12的方法，該方法還進一步包括將所述粘合劑加入到所述金屬基粉末和至少一種合金粉末的混合物中，其中所述粘合劑主要為具有低于大約50微米的體積平均顆粒大小的球形顆粒形式。
17．權(quán)利要求16的方法，其中的混合步驟在低于粘合劑熔點大約3-30℃的溫度下進行。
18．權(quán)利要求9的方法，其中的粘合劑是具有大約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大約1-25微米。
19．一種制備具有抗偏析性和抗塵性的冶金組合物的方法，該方法包括(a)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(b)將所說金屬基粉末和所說至少一種合金粉末與(c)少量的用于金屬基粉末和合金粉末的粘合劑混合均勻，其中該粘合劑是一種具有低于3000的重均分子量的固態(tài)、低熔點的聚烯烴或一種固態(tài)植物油或其氫化衍生物；其中該混合步驟在高于約50℃的溫度下進行。
20．一種制造沖壓金屬部件的方法，該方法包括(a)預(yù)備一種冶金組合物，該組合物含有(1)主要量的金屬基粉末；(2)少量的至少一種合金粉末；和(3)少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200℃的軟化溫度的固態(tài)、低熔點的聚合物或蠟；(b)在較高的壓力下在模穴中壓縮所說冶金組合物形成沖壓部件；和(c)燒結(jié)所說沖壓部件。
21．權(quán)利要求20的方法，其中的粘合劑包括具有低于大約4000的重均分子量的聚乙烯、聚酯、環(huán)氧化物、尿烷、石蠟、亞乙基雙硬脂酰胺、或棉籽蠟。
22．權(quán)利要求21的方法，其中的冶金組合物含有至少80重量％的鐵基粉末。
23．權(quán)利要求22的方法，其中的粘合劑是具有大約500-2000的重均分子量的聚乙烯。
24．一種制備涂敷顆粒的方法，該方法包括(a)預(yù)備在一個方向具有10微米和1厘米之間的平均尺寸的基礎(chǔ)顆粒；(b)將該基礎(chǔ)顆粒與一種固態(tài)涂敷材料混合，該涂敷材料包括具有低于200℃的軟化溫度的低熔點聚合物或蠟，具有低于3000的重均分子量的低熔點聚烯烴，或一種固態(tài)植物油或其氫化衍生物；和(c)在至少120°F并低于涂敷材料熔化溫度的溫度和低剪切力的條件下將涂敷材料涂敷在基礎(chǔ)顆粒上。
25．權(quán)利要求24的方法，其中的涂敷材料是聚酯、聚乙烯、環(huán)氧化物、或尿烷。
26．權(quán)利要求24的方法，其中的涂敷材料是石蠟、亞乙基雙硬脂酰胺、或棉籽蠟。
27．權(quán)利要求24的方法，其中的涂敷材料在至少一維中具有小于100微米的平均顆粒大小。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在低剪切力條件下并且優(yōu)選在低于涂敷材料熔點的條件下涂敷顆粒材料的改進方法。一方面,本發(fā)明提供了含有與一種合金粉末或多種合金粉末粘合的金屬基粉末的冶金組合物,該金屬基粉末通過一種低熔點聚合物或蠟粘合劑,優(yōu)選聚乙烯,與合金粉末進行粘合。該粘合劑在較高溫度,優(yōu)選在低于該粘合劑的熔點的溫度下與金屬基粉末和合金粉末混合。該粘合的冶金組合物可用于沖壓工藝以制造能夠燒結(jié)出高沖擊強度的成型件。
文檔編號B32B15/08GK1301281SQ98810359
公開日2001年6月27日 申請日期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 申請人:赫格納斯公司, 阿韋卡公司