Порошкова металургійна композиція на основі заліза з добавкою сажі і застосування такої добавки в порошкових металургійних композиціях

1. Порошкова металургійна композиція на основі заліза з добавкою сажі, що містить порошок металевого заліза або порошок на основі заліза, мастильну і/або зв'язувальну речовину, а сажу містить від 0,001 до 0,2 мас. %, переважно від 0,01 до 0,1 мас. %. 2. Порошкова металургійна композиція за п. 1, яка відрізняється тим, що розмір частинок сажі в ній C2 2 (11) 1 3 Іншим важливим чинником для ефективного та економічного виробництва є насипна щільність. Насипна щільність є істотною для конструкції пристрою. У порошку з низькою насипною щільністю висота завантаження є більшою, що вимагає використання зайво високих пресових штампів, і, у свою чергу, призводить до більш довгого ходу при ущільненні і до більш низької продуктивності пресування. Агенти для поліпшення текучості були відомі раніше. Так, у патенті США 3357818 вказано, що для цього може бути використана кремнієва кислота. У патенті США 5782954 вказано, що як добавки для поліпшення текучості можуть бути використані метали, оксиди металу або оксид кремнію. Метою даною винаходу є розробка порошкової металургійної композиції з поліпшеними порошковими властивостями порошку, такими як текучість і насипна щільність. Було несподівано виявлено, що внаслідок додавання невеликої кількості сажі до порошкової композиції на основі заліза властивості порошкової композиції можуть бути поліпшені. Крім того, додавання контрольованих кількостей сажі не тільки не погіршує властивості неспечених і спечених деталей, отриманих з нової композиції на основі заліза, але навіть і поліпшує їх. Зазвичай порошкові металургійні композиції містять залізний порошок або порошок на основі заліза та мастильну речовину. Композиція може також включати зв'язувальний агент, графіт та легуючі елементи. Також можуть бути включені твердофазний матеріал, матеріал, який формує рідку фазу і агенти, що поліпшують механічну оброблюваність. Порошок на основі заліза може являти собою будь-який порошок на основі заліза, такій як залізний порошок, що розпилюється водою, відновлений залізний порошок, заздалегідь легований порошок на основі заліза або дифузійно легований порошок на основі заліза. Такими порошками є, наприклад, залізний порошок ASC100.29, дифузійно легований порошок на основі заліза Distaloy AB, що містить Cu, Ni і Mo, порошок на основі заліза Astaloy CrM та Astaloy CrL, заздалегідь леговані Сr і Мо, що випускаються Höganäs, Sweden. Вміст сажі у порошковій композиції на основі заліза згідно з даним винаходом складає від 0,001 до 0,2% мас, переважно - від 0,01 до 0,1%. Первинний розмір частинок сажі переважно складає менше 200нм, більш переважно - менше 100нм, і найбільш переважно - менше 50нм. Питома площа поверхні, що вимірюється способом BET, складає у переважному варіанті від 150 до 1000м2/г. Однак можуть бути використані й інші види сажі, що мають іншу питому площу поверхні і первинний розмір частинок. Сажу зазвичай використовують як наповнювач у гумовому матеріалі і як барвні пігменти. Завдяки її низькій електричній провідності, її також використовують у виробах для зниження рівня статичної електрики. Сажа у поєднанні з залізом або порошками на основі заліза описана у патенті США 6602315. У даному патенті описана композиція, в якій легуючий порошок зв'язаний з порошком на 87322 4 основі заліза зв'язуючим, до якого може бути додана сажа. Не згадуючи ні вміст, ні розмір частинок або дії сажі, патент США 6602315 стосується тільки зв'язувального матеріалу. У патентній заявці JP 7-157838 також описана порошкова композиція, що містить сажу. Метою включення сажі згідно з даним документом є розкислення матеріалу основи. Композиції згідно з даним винаходом можуть також включати легуючі елементи, вибрані з групи, що включає графіт, Cu, Ni, Cr, Μn, Si, V, Mo, P, W, S і Nb. Для поліпшення пресованості порошку та полегшення виштовхування неспеченого виробу, до порошкової металургійної композиції може бути додана мастильна речовина або суміш різних мастильних речовин. Мастильна речовина може бути присутньою у вигляді частинок порошку або бути зв'язана з поверхнею порошку на основі заліза. Внаслідок додавання зв'язувального агента, розчиненого у розчиннику, і подальшого випарювання розчинника мастильна речовина може бути зв'язана з поверхнею порошку на основі заліза. Зв'язуюче може бути також додане у своєму натуральному рідкому стані, забезпечуючи можливість формування плівки навколо порошку на основі заліза. Іншою альтернативою є використання мастильних речовин як зв'язувальних агентів шляхом нагрівання композиції вище точки плавлення мастильної речовини або вище точки плавлення щонайменше одного з компонентів мастильної речовини з подальшим охолоджуванням композиції до температури нижче точки плавлення. Мастильні речовини можуть бути вибрані з групи, що включає жирні кислоти, амідні воски, такі як етиленбісстеарамід (EBS), або інші похідні жирних кислот, такі як стеарати металів, поліалкілени, такі як поліетилен, полігліколі, амідні полімери або амідні олігомери. Мастильні речовини переважно вибирають з групи, що включає поліалкілени, амідні воски, амідні полімери або амідні олігомери. Зв'язуючі вибирають з групи, що включає смоли складного ефіру целюлози, високомолекулярні термопластичні фенольні смоли, гідроксіалкілцелюлозні смоли та їх суміші. Зв'язуючі переважно вибирають з групи, що включає смоли складного ефіру целюлози та гідроксіалкілцелюлозні смоли. Інші можливі добавки являють собою агенти, які поліпшують механічну оброблюваність, твердофазний матеріал та агент, що формує рідку фазу. Згідно з переважним варіантом, сажу використовують як добавку для підвищення текучості у сумішах, що містять зв'язуюче, тобто сумішах, в яких тонкодисперсний порошок, наприклад, частинок легуючого елемента, зв'язаний за допомогою зв'язувального агента з поверхнею частинок заліза або порошку на основі заліза, оскільки такі суміші часто мають низьку текучість. При використанні в таких сумішах сажу переважно додають після здійснення операції зв'язування. Операція зв'язування може бути здійснена шляхом нагрівання суміші під час змішування до температури вище точки плавлення зв'язувального агента, і охолоджування суміші до затвердіння зв'язуючого. Зв'я 5 87322 зуюче може бути також додане після його розчинення у розчиннику. У такому випадку операцію зв'язування здійснюють шляхом випарювання розчинника нагріванням або у вакуумі. Композицію пресують і сплавляють, отримуючи готовий виріб. Далі даний винахід проілюстрований наступними необмежувальними прикладами. 6 Приклад 1 Згідно з таблицею 1, відбирають три види сажі з різними питомими площами і розмірами частинок. Питому площу поверхні визначають способом BET. Розмір частинок, що являє собою первинний розмір частинок сажі, вимірюють за допомогою електронної мікроскопії. Таблиця 1 Вид СВ1* СВ2* СВ3* Питома площа поверхні (м2/г) 1000 250 150 Первинний розмір частинок (нм) 30 18 23 * може бути придбаний у Degussa AG, Germany Порошок на основі заліза ASC100.29, що випускається Höganäs, Sweden, змішують з 0,77% мас. графіту, 0,8% системи зв'язуюче/мастильна речовина (що містить 0,2% поліетилену (Polywax 650) і 0,6% етиленбісстеараміду (EBS)). Суміш нагрівають під час змішування до температури вище точки плавлення Polywax, a потім охолоджують. При температурі нижче точки плавлення Polywax додають 0,03% сажі. Випробуванню піддають три різних види сажі згідно з таблицею 1. Дві суміші готують як порівняльні суміші. Порівняльну суміш С готують так само, як і суміші для випробувань, за винятком того, що додають 0,8% графіту та не додають підвищуючу текучість добавку. До порівняльної суміші R додають 0,8% графіту і 0,6% Aerosil® А-200, що випускається Degussa AG. Визначають властивості порошків. Текучість визначають за допомогою стандартного способу, калібрувальної лійки Хола для визначення текучості, згідно з ISO 4490, а насипну щільність AD, вимірюють, використовуючи стандартний спосіб ISO 3923. Результати визначення властивостей порошків представлені у таблиці 2. Таблиця 2 Зразок Склад порошку Текучість (сек/50г) С ASC100.29+0,8%С+0,8% мастильної речовини ASC100.29+0,8%С+0,8% мастильної речовини + 0,6% А-200 ASC100.29+0,77%С+0,8% мастильної речовини + 0,03 СВ1 ASC100.29+0,77%C+0,8% мастильної речовини + 0,03 СВ2 ASC100.29+0,77%С+0,8% мастильної речовини + 0,03 СВЗ 30,0 Насипна щільність (г/см3) 3,06 25,4 3,11 23,0 3,29 26,4 3,15 25,8 3,14 R СВ1 СВ2 СВ3 Випробування показують, що додавання сажі до порошкової металургійної суміші поліпшує текучість і насипну щільність у порівнянні з сумішшю, що не містить добавку, яка підвищує текучість. Додавання СВ1 поліпшує текучість і насипну щільність у порівнянні з додаванням відомої добавки, яка підвищує текучість, у той час як додавання СВ2 і СВ3 забезпечує майже таке саме поліпшення текучості, але більш високу насипну щільність у порівнянні з додаванням добавки А200, яка підвищує текучість. Приклад 2 Для визначення оптимальної кількості, що додається до суміші порошків на основі заліза, вибирають сажу типу СВ1. Суміші готують згідно з описом, наведеним у прикладі 1. Кількості легуючих елементів, зв'язуючої/мастильної речовини, добавки, що підвищує текучість і графіту, які додаються, вказані у таблиці 3. Були приготовані порівняльні суміші: R1 без домішок, які підвищують текучість, і R2 з комерційно доступною добавкою, яка підвищує текучість, що являє собою Aerosil® А-200 і Degussa, що випускається AG. 7 87322 8 Таблиця 3 Зразок B1 B2 В3 В4 R1 R2 Текучість (сек/50г) Склад порошку ASC100.29+2%Cu+0,8%C+0,8% мастильної речовини + 0,025% СВ1 ASC100.29+2%Cu+0,8%C+0,8% мастильної речовини + 0,03% СВ1 ASC100.29+2%Cu+0,8%C+0,8% мастильної речовини + 0,04% СВ1 ASC100.29+2%Cu+0,8%C+0,8% мастильної речовини + 0,06% СВ1 ASC100.29+2%Cu+0,8%C+0,8% мастильної речовини ASC 100.29+2%Cu+0,8%C+0,8% мастильної речовини + 0,06% А-200 Зразки для випробувань, згідно з ISO 2740, пресують під тиском 600МПа при температурі оточуючого середовища і спікають при 1120°С у Насипна щільність (г/см3) 20,9 3,48 20,8 3,49 21,1 3,46 21,6 3,43 29,6 3,19 24,5 3,28 90/10 атмосфері N2/H2. У таблиці 4 представлені механічні властивості порошкових композицій згідно з таблицею 3. Таблиця 4 Зразок В1 В2 В3 В4 R1 R2 Межа міцності (TS), МПа 610 603 596 536 603 545 Як випливає з таблиці 4, додавання 0,06% сажі впливає на межу міцності при розтягуванні (TS), межу текучості (YS), і подовження (А). При додаванні 0,04% мас. сажі та менше її вплив на механічні властивості є нехтувано малим. Приклад 3 Приклад 3 показує, що нова добавка, яка підвищує текучість, може бути використана у композиціях для гарячого пресування. Одну суміш для випробувань, В5, і одну порівняльну суміш, R3, масою 3000 грами, відповідно, готують таким чином. Для отримання порівняльної суміші 60 грамів мідного порошку, 24 грама графіту, 13,5 грамів високотемпературної мастильної речовини Promold®, що випускається Morton International, Cincinnati, Ohio, USA, і залізний порошок ASC100.29, що залишився, ретельно змішують при нагріванні до 45°С. Потім додають 4,5 грама смоли складного ефіру целюлози, розчиненого в ацетоні, і суміш перемішують протягом 5 хвилин. Під час другого періоду змішування, що становить 10-30 хвилин, підтримуючи температуру матеріалу на рівні 45°С, розчинник випарюють. Нарешті додають 1,8 грамів Aerosil® A-200 як Межа текучості (Ys), МПа 444 442 438 411 437 397 Видовження (А), % 2,12 1,98 1,93 1,49 2,22 1,93 добавка, що підвищує текучість, і суміш ретельно перемішують. Для отримання суміші для випробувань 60 грамів мідного порошку, 23,1 грама графіту, 13,5 грамів високотемпературної мастильної речовини Promold®, що випускається Morton International, Cincinnati, Ohio, USA, і залізний порошок ASC100.29, що залишився, ретельно змішують при нагріванні до 45°С. Потім додають 4,5 грама смоли складного ефіру целюлози, розчиненого в ацетоні, і суміш перемішують протягом 5 хвилин. Під час другого періоду змішування, що становить 10-30 хвилин, підтримуючи температуру матеріалу на рівні 45°С, розчинник випарюють. Нарешті додають 0,9 грама сажі СВ1 як добавку для підвищення текучості і суміш ретельно перемішують. Текучість і насипну щільність обох сумішей вимірюють згідно з ASTM В 213 при температурі 120°С. З таблиці 5 очевидно, що було досягнуте істотне підвищення насипної щільності порошкової суміші згідно з даним винаходом, по суті такий самий рівень текучості був досягнутий для композиції, що містить нову добавку для підвищення текучості, у порівнянні з композицією, що містить відому добавку для підвищення текучості. Таблиця 5 Зразок R3 В5 Текучість (сек./50 г) 21,3 22,0 Насипна щільність (г/см3) 3,25 3,35 9 87322 Приклад 4 Приклад 4 показує, що нова добавка для підвищення текучості може бути використана у поєднанні з різними порошками на основі заліза. Суміші отримують згідно зі способом, описаним у прикладі 1 з використанням такої самої системи зв'язуюче/мастильна речовина, як і у прикладі 1. Порошок на основі заліза, що використовується, та кількість домішок представлені у таблиці 6. Аналіз RA, RB, RC, RE і RF показує, що отримані суміші являють собою порівняльні суміші, які 8 містять 0,06% добавки для підвищення текучості Aerosil A-200, що випускається Degussa AG. Аналіз С, Ε і F показує, що отримані суміші являють собою порівняльні суміші, які не містять ні 10 яких домішок для підвищення текучості. У всіх сумішах присутня сажа СВ1. Залізо, що використовується, або порошок на основі заліза являють собою: ASC100.29, розпилений простий залізний порошок від Höganäs, AB. Distaloy AB, дифузійно легований порошок на основі заліза, що містить Сu, Ni і Mo, від Höganäs, AB. Astaloy CrM, заздалегідь легований порошок на основі заліза, що містить Сr і Мо, від Höganäs, AB. Astaloy CrL, заздалегідь легований порошок на основі заліза, що містить Сr і Мо, від Höganäs, AB. Таблиця 6 Зразок RA А1 RB В1 С RC С1 Ε RE E1 F RF F1 Склад суміші ASC100.29 + 2% порошку Cu + 0,8% графіту + 0,8% мастильної речовини + 0,06% A-200 ASC100.29 + 2% порошку Сu + 0,77% графіту + 0,8% мастильної речовини + 0,03% СВ1 Dist АЕ + 0,08% графіту + 0,8% мастильної речовини + 0,06% А-200 Dist АЕ + 0,77% графіту + 0,8% мастильної речовини + 0,03% СВ1 ASC100.29 + 0,8%С + 0,8% мастильної речовини ASC100.29 + 0,8%С + 0,8% мастильної речовини + 0,06% А-200 ASC100.29 + 0,77%С + 0,8% мастильної речовини + 0,03% СВ1 Ast.CrM + 0,4%С + 0,8% мастильної речовини Ast.CrM + 0,37%С + 0,8% мастильної речовини + 0,06% А-200 Ast.CrM + 0,37%С + 0,8% мастильної речовини + 0,03% СВ1 Ast.CrL + 0,6%С + 0,8% мастильної речовини Ast.CrL + 0,57%С + 0,8% мастильної речовини + 0,06% А-200 Ast.CrL + 0,57%С + 0,8% мастильної речовини + 0,03% СВ1 Визначають властивості порошків порошкових сумішей. Зразки для випробувань, згідно з ISO 2740, пресують під тиском 600МПа при температурі оточуючого середовища і сплавляють при 1120°С у 90/10 атмосфері N2/H2. Результати визначення механічних властивостей, таких як міцність неспеченого матеріалу (GS), зміна розмірів (DC), а також щільність спеченого матеріалу (SD), представлені у таблиці 7. Таблиця 7 Зразок RA Α1 RB B1 C RC С1 Ε RE E1 F RF F1 Текучість (сек./50г) 24,8 22,6 24,8 23,1 30 25,4 23,0 31,9 27,5 23,9 33,1 28,4 26,5 Насипна щільність (г/см3) 3,13 3,35 3,17 3,43 3,06 3,11 3,29 2,82 2,93 3,08 2,78 2,88 2,96 З таблиці 7 випливає, що сажа поліпшує текучість, насипну щільність і міцність неспечених сумішей, основу яких складають різні порошки, у порівнянні з сумішами, що містять відому добавку для підвищення текучості. Приклад 5 GS (МПа) 11,3 12,8 12,3 13,3 DC% 0,18 0,18 -0,15 -0,15 SD [г/см3] 7,01 7,04 7,12 7,13 11,6 12,6 -0,03 -0,00 7,06 7,07 13,8 16 -0,25 -0,24 6,94 6,94 12,2 14,6 -0,13 -0,11 6,99 6,99 З прикладу 5 випливає, що нова добавка для підвищення текучості також поліпшує текучість простої суміші, що не містить ніяких зв'язувальних агентів (не зв'язана суміш). Згідно з таблицею 8 готують три суміші, що містять порошок заліза ASC100.29, 2% порошку міді, 0,5% графіту, 0,8% етиленбісстеараміду як мастила та різні кількості 11 87322 сажі, СВ1. Суміш, що не містить сажі, була використана як порівняльна суміш. Був встановлений 12 рівень текучості всіх сумішей. Таблиця 8 Зразок Порівняльна суміш 1 2 СВ1 (%) 0 0,06 0,08 Рівень текучості (сек.) 34,2 31,0 30,3 Як випливає з таблиці 8, додавання сажі до незв'язаних сумішей поліпшує їх текучість. Комп’ютерна верстка А. Рябко Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601