专利名称：含粘合剂/润滑剂的改进的冶金组合物及其制备方法
技术领域：
本发明涉及涂敷工艺和由该工艺制备的组合物。本发明特别涉及铁基冶金组合物，更具体地说涉及含有粘合剂的冶金组合物，该粘合剂在用于形成部件的冲压工艺中也提供润滑作用。
背景技术：
颗粒的涂敷是一种用于改进颗粒以及颗粒的表面性质的重要过程。颗粒涂敷的方法包括Wurster工艺，该工艺在USP2,648,609,3,117,027和3,253,944，以及最近的USP4,731,195和5,085,930中进行了描述；在该工艺中颗粒以某种方式流动，然后将流动的颗粒用溶解在各种溶剂中的涂敷材料进行喷涂，或者将涂敷材料以低粘度熔融物的形式喷涂在核心颗粒上；也可以将颗粒和涂敷材料通过一个合适的雾化器而进行喷涂。这种方法的一个例子如USP4,675,140中所描述，其中的涂敷材料为熔融的聚合物。USP5,262,240中提出了一种有趣的方法，其中通过将颗粒与一种胶乳混合并将所得混合物干燥而实行涂敷。在该工艺中会产生涂敷聚合体。用薄有机层涂敷颗粒的已知的方法可以使用表面活性剂如有机硅烷和碳氟化合物，以改进表面性质。在该方法中，颗粒被浸泡在溶液中，表面活性剂与颗粒反应。USP4,994,326是这种工艺和由该工艺所得材料的一个例子。最后，一种优选的颗粒涂敷的方法是翻滚混合法或高剪切力热混合法。有一系列专利描述了该工艺。USP4,233,387描述了一种工艺，其中的静电复印载体用大约325°F的热塑性树脂处理。然后将所得混合物冷却，研磨成合适的大小，并用于装填影印机中的色粉。USP4,774,139描述了一种用于将石蜡涂敷在热塑性热熔融树脂上的方法。USP4,885,175描述了一种用熔融蜡涂敷甜料，将混合物冷却，并将冷却物研磨至所希望的大小的方法。最后，作为该热熔融混合工艺的一个例子，USP4,136,566描述了一种通过将组分在高剪切力混合器中在高于聚合物涂敷材料的熔点的温度下混合而用聚合物和添加剂涂敷铁粉的方法。
所有上述情况下的方法在许多重要的方面有缺点。在Wurster类工艺中，该方法都包括具有可流动的颗粒。具体地说，这是一种具有至少50微米的平均大小的颗粒。另外，在Wurster类工艺中如果使用溶液作为涂敷载体，则其溶剂，水或者有机溶剂，必须通过干燥而除去。对于水这种干燥是冗长的，而对于可燃性液体这种干燥是危险的。在直接雾化方法中，存在着涂敷颗粒与未涂敷颗粒的分离的困难。虽然USP4,675,140描述了一种用于颗粒分离的方法，但这种技术不能普遍适用于所有材料。存在二个问题阻碍了加工温度高于熔点的热混合法的应用。第一，聚集对于该工艺是一种不希望有的负效应。对于许多应用来说，后研磨和分粒工作可能是困难的，或者成本太高。第二，高于熔点的工艺操作导致高的能耗，这一般是希望避免的。USP5,147,722提出了一种方法，其中颗粒的涂敷可以在低于聚合物粘合剂熔点下进行。在该方法的条件下，颗粒通过高剪切混合和高使用压力而被涂敷，但是形成网状基质。而且，对于各种组合物，聚集体是不希望的，并且高剪切混合器和高压力增加了额外的资金和操作成本。USP5,236,649也提出颗粒涂敷可以在低于涂敷材料的熔点的温度下进行。但是，与USP5,147,722一样，该方法需要高剪切混合以获得良好的涂敷。
涂敷颗粒已用于装饰性砖石，油井支持者，食品和药物工业的味觉掩蔽，以及粉末冶金工业中。粉末冶金工业已经开发了金属基粉末组合物，一般是铁基粉末，它可以被加工成具有各种形状和大小的，可用于各种工业包括汽车和电子工业的整金属部件。用于从基础粉末生产该部件的一种加工技术是，用粉末装填模槽，并在高压力下冲压该粉末。然后将所得生冲压件从模槽取出并烧结，形成最后的部件。
由金属粉末组合物的冲压和烧结而制造的金属部件的工业使用已迅速扩展到许多领域。这些带有金属粉末组合物的部件的制造与那些在制造步骤中必须使用熔融合金的方法相比具有巨大的好处。例如，金属粉末组合物的制造工艺只需要一种高压冲模机和一种烧结炉便可进行。通过简单地更换冲模便可制造不同的部件。而且，不必运用熔融合金。
在这种部件的制造中，铁或钢的颗粒粉末一般与至少一种其它的也为颗粒形式的合金元素混合。这些合金元素可使最后的烧结部件保持较高的强度和其它机械性能。合金元素在颗粒大小、形状和密度方面与基质铁或钢的粉末明显不同。例如，铁基粉末的平均颗粒大小典型的是大约70～100微米或更大，而大多数合金组分的平均颗粒大小为小于大约20微米，更经常的是小于大约15微米，在某些情况下小于大约5微米。合金粉末特意以这种细分的状态使用，以通过烧结操作过程中的固相扩散促进合金组分的快速均质化。
不同颗粒大小的材料的存在导致诸如在运输、储存和使用时的偏析和尘积等问题。铁和合金元素粉末在开始时混合成均匀的粉末。储存和转移过程中混合粉末的动态操作将使较小的合金粉末颗粒迁移通过铁基粉末基质的空隙，导致混合物均匀性的损失，或者产生偏析。另一方面，在操作时粉末基质产生的空气流可使较小的合金粉末向上迁移，特别是当它们比铁基粉末密度小时。如果这些浮力足够高，一些合金颗粒，在称为除尘的现象中，可以完全脱离混合物，导致合金元素浓度的降低。
已有各种有机粘合剂用于将较细的合金粉末粘合或“胶合”在较粗的铁基颗粒上防止偏析和尘积，以使粉末在室温下冲压。例如，颁发给Engstrom的美国专利USP4,483,905提出了粘合剂的使用，该粘合剂只是宽范围地描述为“一种有粘性的或脂肪性的特性”，其用量高至粉末组合物重量的1％。颁发给Engstrom的美国专利USP4,676,831公开了使用特定的妥尔油作为粘合剂。颁发给Semel的美国专利USP4,834,800公开了使用特定的不溶或基本不溶于水的成膜的聚合物树脂作为粘合剂。
有多种其它类型的粘合剂在专利文献中公开。在USP5,298,055中描述了用具有至少大约7000的分子量的聚醚作为粘合剂。在USP5,290,336中描述了用二元有机酸与一种或多种添加组分如固态聚醚、液态聚醚和丙烯酸树脂的结合作为粘合剂。在USP5,368,630中描述了粘合剂可以与高温冲压润滑油一起使用。
USP5,480,469(“专利469”)提供了在粉末冶金工业中使用粘合剂的简短综述。专利469指出，重要的是不仅有具有通过粘合剂的方式粘合在铁基粉末上的合金粉末的粉末组合物，而且也有润滑剂存在，以使模穴中的粉末组合物获得合适的可压缩性，并降低部件从模穴中取出时所需要的力。专利469讨论了各种公开了与铁基和合金粉末混合的与润滑剂粉末如金属皂联合使用的粘合剂的参考文献。然后将这种混合物加热并混合，以使粘合剂和润滑剂熔融，并使合金粉末与铁基粉末粘合。然后将这种混合物冷却以形成最后的组合物。专利469公开了一种通过使用二酰胺蜡作为粘合剂从而不需要金属皂润滑剂的对该类技术的改进。
粘合剂的存在不应对粉末冶金组合物的可压缩性有不利影响。粉末混合物的“可压缩性”是在各种冲压条件下对其性能的度量。在粉末冶金领域，粉末组合物在模穴中在高压下被逐渐冲压，然后将冲压的“生”部件从模穴中取出并烧结。本领域的人认识到，该生部件的密度，通常是强度，直接随冲击压力而变化。在术语“可压缩性”中，在给定的冲击压力下，如果一种粉末组合物可被压缩成较高的生密度，或者换句话说，如果一种粉末组合物获得特定的生密度时需要较低的冲击压力，那么就说这种粉末组合物比其它的组合物更可压缩。如果粘合剂具有良好的“内部”润滑特性，它将增强粉末组合物的可压缩性，并在给定的冲击压力下获得较高的生密度。
因此，涂敷工艺需要提供一种简单和低成本的方法以涂敷各种颗粒。在粉末冶金工业中，含有粘合在金属基粉末上的合金粉末的冶金组合物特别需要该组合物能在无溶剂的过程中制造。在冶金组合物中使用的粘合剂应该能够起到降低合金粉末的除尘量和/或偏析量的作用，并且对组合物的可压缩性没有不利影响。
发明概述本发明提供了一种用于颗粒涂敷的改进方法，使用低剪切、低温度的方法生产无聚集的涂敷颗粒。在一种具体实施方式
中，本发明提供了含有结合了较少量的至少一种合金粉末的主要量的金属基粉末的改进的粉末冶金组合物。
可按照本发明进行涂敷的颗粒粉末包括金属粉末如铁、铜、镍、钴、铬、铝、锌、硅、锰、银、金、铂、钯、钛、它们的合金以及它们的混合物；无机氧化物如氧化铝、氧化硅和氧化钛；无机化合物如普通食盐、过氧化物漂白剂、浴盐、氯化钙、和无机肥料如钾碱；以及固态有机化合物如聚合物、酸和碱。核心颗粒可以是任何形式如珠粒、小薄片、纤维、和针形颗粒，其中其至少一维的数均尺寸在10微米至1厘米的范围内，优选的是在20微米至0.75厘米的范围内，更优选的是在25～10000微米的范围内。
涂敷材料，此处特别是关于粉末冶金组合物时也涉及粘合剂或材料，可以是低熔点的固态聚合物或蜡，例如具有低于200℃(390°F)，优选低于150℃(300°F)，更优选大约65～95℃(150～250°F)的软化温度的聚合物或蜡。固态聚合物粘合剂的例子包括聚酯、聚烯烃、环氧化物和尿烷。蜡的例子包括石蜡、亚乙基双硬脂酰胺、和棉籽蜡。固态粘合剂也可以是具有低于3000的重均分子量的聚烯烃，和氢化的甘油部分C14-24烷基三酯的植物油，及其衍生物，包括氢化的衍生物，如棉籽油、豆油、西蒙得木油、和其混合物。固态涂敷材料优选的是减小至其至少一维的平均颗粒尺寸小于100或200微米，优选的是在0.01～50微米的范围内，更优选的是在0.01～20微米的范围内。
本发明的涂敷工艺可以是其粘合剂不需要溶剂的“干”粘合工艺。所用的工艺包括将在优选的颗粒大小范围内的合适的粘合剂与核心颗粒和任何合金颗粒或任何添加剂在室温或较高温度下混合。然后将该混合物使用常规混合器在低剪切条件下逐步混合。该混合物优选地加热至至少120°F(49℃)，优选的是加热至低于粘合剂的熔点的温度，混合，然后冷却，得到最终产品。
本发明的粉末冶金组合物通过将金属基粉末与合金粉末在室温或较高温度下混合，并将粘合剂与这些粉末在室温或较高温度下混合而制备。在混合期间，粘合剂在至少大约120°F(49℃)的温度下与金属基粉末和合金粉末接触。然后可将混合的组合物冷却至室温。混合过程的温度优选的是在低于该粘合剂的熔点的体相粉末温度下实行。
粉末冶金应用中优选的粘合剂是聚乙烯蜡。聚乙烯蜡优选的是以其固体状态引入到金属基粉末和合金粉末的混合物中。如果以其固体状态引入，它可以采用各种形式如球、纤维、或小薄片。通过使用具有低于大约50微米，优选低于大约30微米的平均颗粒大小的球形的聚乙烯蜡，可获得特别有利的结果。
发明的详细描述本发明涉及一种用于形成涂敷颗粒的改进方法，改进的冶金粉末组合物，制造这些组合物的方法，以及使用这些组合物制备冲压部件的方法。粉末冶金组合物含有一种与至少一种合金粉末混合的金属基粉末，优选一种铁基金属粉末，和一种用于将合金粉末粘合在金属基粉末上的粘合剂。用于粉末冶金工业的优选的粘合剂是具有低于大约4000，更优选低于大约2000的重均分子量的聚乙烯蜡。已经发现用该聚乙烯蜡作为冶金粉末组合物的粘合剂时，能提供出色的抗除尘性/抗偏析性，并使生冲压件的强度和排出性能得到改进。
可以按照本发明进行涂敷的颗粒包括金属粉末如铁、铜、镍、钴、铬、铝、锌、硅、锰、银、金、铂、钯、钛、它们的合金以及它们的混合物；无机氧化物如氧化铝、氧化硅和氧化钛；无机化合物如普通食盐、过氧化物漂白剂、浴盐、氯化钙、和无机肥料如钾碱；以及固态有机化合物如聚合物、酸和碱。核心颗粒可以是任何形式如珠粒、小薄片、纤维、和针形颗粒，其中其至少一维的数均尺寸在10微米至1厘米的范围内，优选的是在20微米至0.75厘米的范围内，更优选的是在25～10000微米的范围内。
本发明的粉末冶金组合物含有在粉末冶金工业中常规使用的类型的金属粉末，如铁基粉末和镍基粉末。该金属粉末构成了该冶金粉末组合物的主要部分，一般构成了该组合物的至少大约80重量％，优选至少大约90重量％，更优选至少大约95重量％。
此处所用的术语“铁基”粉末的例子有基本上为纯铁的粉末，与能增强最终产品的强度、可淬性、电磁性质、或其它所希望的性质的其它元素(例如，能生成钢的元素)预合金化的铁的粉末，以及这些其它元素已经扩散键合在铁上的铁的粉末。
能用于本发明的基本上为纯铁的粉末是一般杂质含量不大于大约1.0重量％，优选不大于大约0.5重量％的铁的粉末。这种高可压缩的、冶金级的铁粉的例子是可从位于美国新泽西州Riverton的Hoeganaes公司商购的ANCORSTEEL 1000系列纯铁粉，例如1000,1000B和1000C。例如，ANCORSTEEL 1000铁粉具有小于第325号筛(美国筛系列)的颗粒的量为大约22重量％、大于第100号筛的颗粒的量为大约10重量％、其余为这二种筛之间的颗粒(大于第60号筛的颗粒的量很少)的典型的筛分轮廓。ANCORSTEEL 1000粉具有大约2.85-3.00g/cm3，典型为2.94g/cm3的表观密度。其它可用于本发明的铁粉是典型的海绵铁粉，如Hoeganaes公司的ANCOR MH-100粉。
铁基粉末可以结合进一种或多种可增强最终金属部件的机械性质或其它性质的合金元素。这种铁基粉末可以是已与一种或多种这种元素预合金化的铁的，优选基本上为纯铁的粉末。该预合金化的粉末可以通过制造一种铁和所希望的合金元素的熔融物，然后雾化该熔融物，从而在固化后使雾化的小滴形成粉末而制备。
可与铁粉预合金化的合金元素的例子包括，但不限于，钼、锰、镁、铬、硅、铜、镍、金、钒、钶(铌)、石墨、磷、铝、以及它们的结合。合金元素或结合元素的量取决于最终金属部件所希望的性质。结合了这些合金元素的预合金化的铁粉可从Hoeganaes公司商购，它是ANCORSTEEL粉末系列的一部分。
铁基粉末的进一步的例子是扩散键合的铁基粉末，该铁基粉末是具有扩散进其外层表面的一种或多种其它金属，如可生成钢的元素，的层或涂层的，基本上为纯铁的颗粒。这种可商购的粉末包括Hoeganaes公司的DISTALOY 4600A扩散键合粉末，它含有大约1.8％的镍，大约0.55％的钼，和大约1.6％的铜；以及Hoeganaes公司的DISTALOY 4800A扩散键合粉末，它含有大约4.05％的镍，大约0.55％的钼，和大约1.6％的铜。
优选的铁基粉末是与钼(Mo)预合金化的铁的粉末。该粉末通过将含有大约0.5-2.5重量％的Mo的基本上为纯铁的熔融物雾化而制备。这种粉末的一个例子是Hoeganaes公司的ANCORSTEEL 85HP钢粉，它含有大约0.85重量％的Mo，总量低于大约0.4重量％的锰、铬、硅、铜、镍、钼或铝等其它材料，以及低于大约0.02重量％的碳。这种粉末的另一个例子是Hoeganaes公司的ANCORSTEEL 4600V钢粉，它含有大约0.5-0.6重量％的Mo，大约1.5-2.0重量％的镍，和大约0.1-0.25重量％的锰，以及低于大约0.02重量％的碳。
另一种可用于本发明的预合金化铁基粉末已在发明名称为“具有铁合金的不同预合金化粉末的钢粉混合物”的美国专利USP5,108,493中公开，该专利的整体结合进本发明。该钢粉组合物是一种由二种不同的预合金化铁基粉末组成的混合物，其中一种是铁与0.5-2.5重量％的钼的预合金化粉末，另一种是铁与碳并与至少大约25重量％的一种过渡元素组分的预合金化粉末，其中该过渡元素组分含有选自由铬、锰、钒、和钶所组成的组中的至少一种元素。该混合物在比例上能使钢粉组合物含有至少大约0.05重量％的过渡元素组分。这种粉末的一个例子是可商购的Hoeganaes公司的ANCORSTEEL 41 AB钢粉，它含有大约0.85重量％的Mo，大约1重量％的镍，大约0.9重量％的锰，大约0.75重量％的铬，以及大约0.5重量％的碳。
其它可用作本发明实践的铁基粉末是磁性铁的粉末。其中一个例子是与少量的磷预合金化的铁的粉末。
可用作本发明实践的铁基粉末也包括不锈钢粉末。可从Hoeganaes公司的ANCOR_系列购买不同级别的这些不锈钢粉末，例如ANCOR_303L,304L,316L,410L,430L,434L和409Cb粉末。
铁或预合金化的铁的颗粒可以具有小至1微米或更低，或者高至大约850-1000微米的重均颗粒大小，但是一般来说该颗粒具有大约10-500微米范围的重均颗粒大小。优选的是具有大约350微米以下的最大重均颗粒大小的铁或预合金化的铁的颗粒；更优选的颗粒将具有大约25-150微米范围的重均颗粒大小，最优选的是具有80-150微米范围的重均颗粒大小。
用于本发明的金属粉末也包括镍基粉末。此处所用的术语“镍基”粉末的例子是基本上为纯镍的粉末，和与能增强最终产品的强度、可淬性、电磁性质、或其它所希望的性质的其它元素预合金化的镍的粉末。该镍基粉末可与任何前面提到的涉及铁基粉末的合金粉末混合。镍基粉末的例子包括那些可商购的粉末，例如Hoeganaes公司的ANCORSPRAY_粉末，如N-70/30 Cu,N-80/20，和N-20粉末。
金属基粉末也包括上面描述的金属基粉末的任何结合。
本发明的冶金粉末组合物也包括少量的至少一种合金粉末。此处所用的术语“合金粉末”是指能够在烧结时与金属基粉末形成合金的材料。可与上述类型的金属基粉末混合的合金粉末是那些冶金领域中已知的能增强最终烧结产品的强度、可淬性、电磁性质、或其它所希望的性质的合金粉末。能生成钢的元素是这些材料中最著名的。合金材料的具体例子包括，但不限于，元素钼、锰、铬、硅、铜、镍、锡、钒、钶(铌)、冶金碳(石墨)、磷、铝、硫、以及它们的结合。其它合适的合金材料是铜与锡或磷的二元合金；锰、铬、硼、磷、或硅的铁合金；碳和铁、钒、锰、铬、钼中的二种或三种的低熔点三元和四元低共熔混合物；钨或硅的碳化物；氮化硅；以及锰或钼的硫化物。
该合金粉末是其颗粒大小一般比与其混合的金属粉末颗粒更细的颗粒形式。该合金颗粒一般具有低于大约100微米，优选低于大约75微米，更优选低于大约30微米，最优选在大约5-20微米范围内的重均颗粒大小。组合物中合金粉末的量取决于最终烧结部件所希望的性质。一般来说该量是较少的，为粉末组合物总重量的大约5重量％以下，虽然对于某些特殊的粉末该量可高达10-15重量％。大多数应用中合适的优选范围是粉末组合物总重量的大约0.25-4.0重量％。
本发明的粘合剂可以包括低熔点的固态聚合物或蜡，它们具有低于200℃(390°F)，优选低于150℃(300°F)，再优选大约50～110℃(125～225°F)，更优选大约65～95℃(150～200°F)的软化温度。聚合物粘合剂的例子包括聚酯、聚烯烃、环氧化物和尿烷。蜡的例子包括石蜡、亚乙基双硬脂酰胺(ACRAWAX)、和棉籽蜡。该粘合剂也可以包括具有低于3000的重均分子量的固态聚烯烃，和一般可以描述为具有C14-24侧链的甘油三酯的氢化的固态植物油，以及它们的衍生物，包括氢化的衍生物，如棉籽油、豆油、西蒙得木油、和其混合物。
粘合剂优选的是减小至其至少一维的平均颗粒尺寸小于200微米，优选小于100微米，优选的是在0.01～50微米的范围内，最优选的是在0.01～20微米的范围内。因此，优选的是球、针形珠粒、小薄片、或纤维的形式。为获得小颗粒而制备粘合材料的方法包括研磨，压碎，喷雾干燥，熔融雾化，挤压，刨花，和直接反应。最优选的是采用熔融雾化以制备具有上述颗粒大小范围的粘合材料。在需要时可向粘合材料中加入添加剂，如颜料，其它金属，无机化合物如盐、石墨或炭黑，无机氧化物如铝酸盐、氧化硅和氧化钛。
本发明的，特别是对于粉末冶金应用的，优选的粘合剂是固态聚乙烯蜡，该固态聚乙烯蜡具有低于大约4000，优选大约2000或更低，并且一般为大约100-4000，更优选为大约500-2000的重均分子量。合适的聚乙烯蜡是可从Petrolite特种聚合物集团购买的Polywax系列，如Polywax 500和Polywax 2000。聚乙烯蜡优选的是具有1至大约500厘泊(cps)范围，更优选在大约3和50 cps之间的熔融粘度。聚乙烯蜡的熔点优选的是在50℃和200℃之间，更优选是在75℃和130℃之间。
在粉末冶金应用中，为了在混合过程中有助于粘合剂与铁粉和合金粉末之间的接触，粘合剂如聚乙烯蜡的优选的平均颗粒大小是在大约1和大约50之间，更优选的是在大约1和大约25微米之间。可以使用具有上述范围内的大小的球状颗粒，但是已经发现在此情况下，为了确保足够的粘合，混合过程的温度应该提高。如果颗粒粘合剂不是球状，该颗粒的至少一维大小应在球状颗粒的所述范围内。粘合剂的颗粒大小可以通过诸如激光散射技术等方法进行测定。粘合剂的颗粒大小可以通过本领域熟知的喷雾雾化技术降低至这些范围内。
冶金粉末组合物可以通过各种混合技术进行制备。所有技术共同的是，聚合物或蜡粘合剂与金属基和合金粉末的混合是在至少大约27℃，优选至少大约50℃，一般是在大约50-190℃范围内，更优选在大约65-90℃之间的粉末混合温度下进行。
在某些情况下，特别是当使用固态小薄片或较小颗粒大小的球状形式的粘合剂时，优选的是在低于粘合剂的熔点的温度下将粘合剂与金属基和合金粉末混合，以改善生冲压部件的性质并减小将冲压部件从模槽中取出时所需要的驱逐力。因此在某些情况下，优选的是将固态粘合剂与金属基和合金粉末在低于粘合剂的熔点大约3-35℃，优选大约5-30℃，更优选大约8-25℃的温度下混合。例如，已经发现，当使用具有大约88℃的熔点、大约500的Mw、和大约20微米的重均颗粒大小的聚乙烯时，在大约65℃的温度下将聚乙烯材料与金属基和合金粉末混合可以获得有利的性质。
金属基粉末可以在周围环境条件下或在较高的混合温度下先与合金粉末混合形成均匀混合物。然后可以将或者部分预热或者全部预热的粘合剂与金属基和合金粉末在一个合适的容器中混合，在该容器中混合的粉末的温度可以在足够长的时间内保持在所希望的水平以接触大部分，如果不是全部，的金属基和合金粉末。粘合剂的混合优选的是一直持续直到获得均匀的混合物。或者，粘合剂可以与金属基和合金粉末在开始时混合，然后可以将该混合物加热到合适的选定混合温度，在该温度或温度范围内进行混合直到获得均匀的混合物。不论在那种过程中，都是然后用间歇或连续的混合将混合的组合物冷却至环境温度。
冶金组合物(含有金属基和合金粉末以及润滑剂等)中粘合剂的浓度是在大约0.05-2重量％，优选大约0.25-1.5重量％，更优选大约0.5-1重量％的范围内。粘合剂的浓度低于该水平时不能获得在合金粉末和金属基粉末之间的有效的结合，而浓度高于该水平时一般会得到较差的生密度和强度性质。
在粘合剂混入到冶金组合物之后，并且优选的是在组合物已经冷却到一定程度，典型的是冷却到至少低于粘合剂的熔点，优选低于大约65℃，更优选低于大约50℃和更优选低于大约40℃，通常当该组合物为室温时，可以非必须地加入一种常规的润滑剂并混合直到获得均匀的组合物。加入的润滑剂的量可以在最终冶金组合物的重量的大约0.01-2重量％，优选大约0.05-1重量％的范围内。典型的润滑剂包括硬脂酸盐化合物，如从Witco公司购买的锂、锌、锰、和钙的硬脂酸盐；蜡，如从Shamrock技术有限公司购买的亚乙基双硬脂酰胺和聚烯烃；从Alcan粉末和颜料公司购买的锌和锂的硬脂酸盐的混合物Ferrolube M，和从Glyco化学品公司购买的亚乙基双硬脂酰胺与金属硬脂酸盐如Witco ZB-90的混合物，金属硬脂酸盐与合成蜡如“ACRAWAX”或“PM 100”的混合物。
然后可将上面描述的冶金粉末组合物在模穴中冲压以按照常规方法形成金属部件。然后可将得到的生冲压部件按照常规方法烧结。
实施例下面的实施例不是对本发明的限定，而是用于介绍本发明的一些具体实施方式
和优点效果。除非另有指明，其中的任何百分数都是以重量为基准。
在每个实施例(除了实施例1中的对照组合物外)中，冶金组合物的制备是首先将铁基粉末(从Hoeganaes公司购买的ANCORSTEEL1000B)与合金粉末混合，接着将该混合物加热至大约200°F(93℃)。然后将该加热的混合物加入到一个已加热至试验温度的混合容器中进行混合直到该组合物达到试验温度。然后将粘合剂加入到该混合容器中并进行连续混合直到获得均匀的混合物。然后将混合的组合物冷却至室温，并用间歇混合改善冷却操作。
所用的合金粉末为2-6微米的石墨粉末(Asbury等级3203)和镍粉末(国际镍有限公司，等级为INCO 123)。
然后在每平方英寸50 吨(50 tsi)的压力和大约145°F(63℃)的模穴和粉末温度下将该组合物在模穴中冲压成生的棒件。
冶金组合物和生的烧结棒件的物理性质一般按照下面的试验方法和公式测定性质 试验方法表观密度(g/cc) ASTM B212-76流动性(秒/50g) ASTM B213-77生密度(g/cc) ASTM B331-76生强度(psi) ASTM B312-76生膨胀性(G.E.)G.E.(％)=100[(生棒长度)-(模穴长度)]模穴长度剥离压力测定冲压部件从模穴中开始排出时必须克服的静态摩擦力。它以在与模穴表面接触的部件的横截面上开始排出所需负载的系数计算，并以psi为单位。
滑动压力测定部件从模槽中持续排出时必须克服的动态摩擦力；它以当部件经过从冲压点到模穴口的距离时所观察到的平均负载的系数除以部件的表面积来计算，并以psi为单位。
试验的冶金组合物的抗尘性采用USP5,368,630中提出的试验方法进行测定，该专利因此全部作为本发明的参考。通过用控制的氮气流淘析而测定混合物的抗尘性。试验装置由一个圆柱形玻璃管组成，该玻璃管垂直地安放在一个2升的锥形瓶上，该锥形瓶带有一个用于接收氮气流的侧部件。该玻璃管(17.5厘米长，2.5厘米内径)装有一个400目的筛板，该筛板位于锥形瓶口之上大约2.5厘米。将测试的混合物的样品(20-25克)放在筛板上，将氮气以每分钟2升的速度通过管中15分钟。在试验的最后，对混合物进行分析以测定混合物中存留的合金粉末的相对量(以试验前的合金粉末的浓度的百分数表示)，该结果就是对组合物抵抗通过尘积和/或偏析的合金粉末的损失的测定。
实施例1下面的实施例描述聚乙烯粘合剂用于金属基和合金粉末时的温度对金属基粉末和合金粉末之间的粘合效果的重要性。
在本实施例中，冶金组合物由96.25％的ANCORSTEEL 1000B金属基粉末，作为合金粉末的2％的镍粉和1％的石墨粉，以及0.75％的Polywax500所组成，Polywax 500是一种具有大约500的Mn和190°F(88℃)的熔点的聚乙烯粘合剂。用于测试的Polywax 500具有大约20微米的重均颗粒大小。该颗粒大小分布是通过使Polywax 500产品具有2毫米的平均颗粒大小并喷雾雾化该聚合物而获得。
“结合的”组合物按照上述的一般实例的步骤制备，其中混合温度为150°F(65℃)，“对照”组合物通过将组合物的各组分在室温下混合在一起而制备。对照样品的表观密度为3.03g/cc，结合样品的表观密度为2.83g/cc；样品都没有流动性。
表1列出了二种组合物的聚乙烯粘合剂的抗尘性或结合效果，冲压件的生性质，以及模穴排出力的值。组合物与聚乙烯粘合剂在大约150°F(65℃)下的混合导致组合物的抗尘性的明显提高以及冲压部件的生强度的提高。生密度也增加表明，当在较高混合温度下使用聚乙烯粘合剂时，在冲压过程中能使组合物产生某些内润滑作用。
表1
实施例2在几种冶金组合物中使用不同水平的实施例1中所用的聚乙烯粘合剂检测其抗尘性的效果，该组合物按照上述一般实例的步骤通过将粘合剂与金属基和合金粉末干混合而制备。试验组合物含有作为合金粉末的2％的镍和1％的石墨。这些组合物含有0．5％，0．75％和1％的聚乙烯(Polywax5001， 以及平衡量的铁基粉末，即Hoeganaes公司的ANCORSTEEL1000B。聚乙烯与其它粉末冶金组合物的混合步骤的试验温度为150。F(65℃1。O．5％，0．75％和1％的试验样品的表观密度分别相应为2．92，2．83和2．89 g／cc；样品都没有流动性。
表2列出了这三种组合物的不同水平聚乙烯粘合剂的抗尘性或结合效果，冲压件的生性质，以及模穴排出力的值。聚乙烯浓度的增加导致较高的抗尘性和较低的排出力，但发现其生密度和生强度降低。
表2
实施例3聚乙烯粘合剂与铁基和合金粉末的混合在不同温度下使用实施例中描述的粘合剂进行。试验组合物含有作为合金组分的2％的镍和1％的石墨，96.25％的ANCORSTEEL 1000B铁基粉末，以及0.75％的聚乙烯。对于混合的粉末组合物的体相温度的试验混合温度为100°F(38℃)，150°F(65℃)，170°F(77℃)和220°F(104℃)。
在150°F和170°F下混合的试验组合物按照上述一般步骤制备。在100°F下混合的试验组合物的制备步骤是，先将铁基粉末和合金粉末混合并在一个保持在100°F的容器中混合均匀，接着在100°F的混合温度下加入聚乙烯。在220°F下混合的试验组合物的制备步骤是，先将铁基粉末和合金粉末加热至200°F并在一个保持在200°F的容器中混合均匀，接着在220°F的混合温度下加入聚乙烯。100°F，150°F，170°F和220°F的试验样品的表观密度分别相应为2.88,2.83,2.90和2.92g／cc；样品都没有流动性。
表3列出了该四种组合物的不同混合温度的聚乙烯的抗尘性或结合效果，冲压件的生性质，以及模穴排出力的值。发现直到混合温度达到大约150°F，聚乙烯也没有进行结合。在较高的混合温度下，聚乙烯的内部和外部润滑性降低，分别导致生密度降低和排出压力增加。
表3
实施例4将从Petrolite公司得到的Polywax 500在200°F的温度下熔化，并在30psi、100psi的空气压力下在一个标准的熔融雾化系统中以每小时50磅的速度雾化。将得到的50微米平均颗粒大小的材料不经进一步的筛分和加工而直接使用。将10克该Polywax 500粘合剂加入到带有2.5克从Clariant公司得到的酞菁铜颜料的100克Tsumura浴盐(大约0.5厘米直径)中，并在一个1夸脱PK混合器中在150°F下混合30分钟。冷却以后，在翻滚下将涂敷和着色的产品从混合器中取出。盐被均匀涂敷，粘合剂和颜料良好地粘合在核心盐颗粒上。在另一个试验中，一种大约1000微米直径的Tsumura Sea Pouri Salt Base小浴盐在上述相同条件下用11克Polywax 500和2.75克从Clariant公司得到的酞菁铜颜料涂敷，得到类似的涂敷和粘合效果。实施例5用实施例4中制备的Polywax 500用不同的颜料涂敷玻璃珠粒。该玻璃珠粒是从新泽西州Carlstadt的Potters工业公司得到的玻璃球-A系列，直径大约1000微米。三种颜料，即从俄亥俄Cleveland的Engelhard公司得到的联茴香胺橙黄2915，从新泽西Clifton的Daicolor-Pope公司得到的Titania MT-100-HD，或者从Clariant公司得到的酞菁铜，的涂敷步骤是，将681克玻璃珠粒，6.8克粘合剂，和6.9克颜料加入到一个从Patterson-Kelly公司得到的2夸脱Vee混合器中，并加热至160°F翻滚混合30分钟，然后在翻滚下冷却30分钟。所得产品为良好粘合的均匀涂敷体。在用这些材料的第二系列试验中，用36克颜料进行涂敷。最终产品除了色彩更强烈以外，所得涂敷均匀性和粘合性相同。实施例6将从渥太华工厂获得的Unimin级微球4900和Granusil 4030砂子在一个1立方英尺的Patterson-Kelly公司的Vee混合器中150°F翻滚混合2小时，然后在翻滚下冷却1小时。所得产品为均匀涂敷体，并放在水中进行疏水性试验。没有观察到润湿现象，在浸入一个星期后该涂敷体表现稳定。将该样品用于水过滤系统时表现出良好的除细菌功能。
权利要求
1．一种具有改进抗偏析性和抗尘性的含有与金属基粉末结合的合金粉末的冶金组合物，该组合物包含(a)主要量的金属基粉末；(b)少量的至少一种合金粉末；和(c)少量的用于金属基粉末和合金粉末的粘合剂，其中该粘合剂是一种具有低于200℃的软化温度的固态、低熔点的聚合物或蜡。
2．权利要求1的冶金组合物，其中的粘合剂包括聚酯、环氧化物、尿烷、石蜡、亚乙基双硬脂酰胺、棉籽蜡。
3．权利要求1的冶金组合物，其中的粘合剂包括具有低于大约4000的重均分子量的聚乙烯。
4．权利要求3的冶金组合物，其中该组合物含有至少80重量％的铁基粉末。
5．权利要求4的冶金组合物，其中的聚乙烯粘合剂具有大约2000或更低的重均分子量。
6．权利要求4的冶金组合物，其中该冶金组合物含有大约0.25-5重量％的合金粉末和大约0.25-2重量％的聚乙烯粘合剂。
7．权利要求6的冶金组合物，其中的聚乙烯粘合剂具有大约500-2000的数均分子量。
8．一种具有改进抗偏析性和抗尘性的含有与金属基粉末结合的合金粉末的冶金组合物，该组合物包含(a)主要量的金属基粉末；(b)少量的至少一种合金粉末；和(c)少量的用于金属基粉末和合金粉末的粘合剂，其中该粘合剂是一种具有低于3000的重均分子量的固态、低熔点的聚烯烃或一种固态植物油或其氢化衍生物。
9．一种制备具有抗偏析性和抗尘性的冶金组合物的方法，该方法包括(a)预备一种金属基粉末和至少一种合金粉末的混合物；以及(b)将所说金属基粉末和所说至少一种合金粉末与(c)少量的用于金属基粉末和合金粉末的粘合剂混合均匀，其中该粘合剂是一种具有低于200℃的软化温度的固态、低熔点的聚合物或蜡；其中该混合步骤在高于约50℃的温度下进行。
10．权利要求9的方法，其中的粘合剂包括聚酯、环氧化物、尿烷、石蜡、亚乙基双硬脂酰胺、或棉籽蜡。
11．权利要求9的方法，其中的粘合剂包括具有低于大约4000的重均分子量的聚乙烯。
12．权利要求11的方法，其中的组合物含有至少80重量％的铁基粉末。
13．权利要求12的方法，其中的聚乙烯粘合剂具有大约2000或更低的重均分子量。
14．权利要求12的方法，其中的冶金组合物含有大约0.25-5重量％的合金粉末和大约0.25-2重量％的聚乙烯粘合剂。
15．权利要求14的方法，其中的聚乙烯粘合剂具有大约500-2000的数均分子量。
16．权利要求12的方法，该方法还进一步包括将所述粘合剂加入到所述金属基粉末和至少一种合金粉末的混合物中，其中所述粘合剂主要为具有低于大约50微米的体积平均颗粒大小的球形颗粒形式。
17．权利要求16的方法，其中的混合步骤在低于粘合剂熔点大约3-30℃的温度下进行。
18．权利要求9的方法，其中的粘合剂是具有大约500-2000的分子量的聚乙烯，并且其中在所述混合步骤之前的聚乙烯的体积平均颗粒大小为大约1-25微米。
19．一种制备具有抗偏析性和抗尘性的冶金组合物的方法，该方法包括(a)预备一种金属基粉末和至少一种合金粉末的混合物；以及(b)将所说金属基粉末和所说至少一种合金粉末与(c)少量的用于金属基粉末和合金粉末的粘合剂混合均匀，其中该粘合剂是一种具有低于3000的重均分子量的固态、低熔点的聚烯烃或一种固态植物油或其氢化衍生物；其中该混合步骤在高于约50℃的温度下进行。
20．一种制造冲压金属部件的方法，该方法包括(a)预备一种冶金组合物，该组合物含有(1)主要量的金属基粉末；(2)少量的至少一种合金粉末；和(3)少量的用于金属基粉末和合金粉末的粘合剂，其中该粘合剂是一种具有低于200℃的软化温度的固态、低熔点的聚合物或蜡；(b)在较高的压力下在模穴中压缩所说冶金组合物形成冲压部件；和(c)烧结所说冲压部件。
21．权利要求20的方法，其中的粘合剂包括具有低于大约4000的重均分子量的聚乙烯、聚酯、环氧化物、尿烷、石蜡、亚乙基双硬脂酰胺、或棉籽蜡。
22．权利要求21的方法，其中的冶金组合物含有至少80重量％的铁基粉末。
23．权利要求22的方法，其中的粘合剂是具有大约500-2000的重均分子量的聚乙烯。
24．一种制备涂敷颗粒的方法，该方法包括(a)预备在一个方向具有10微米和1厘米之间的平均尺寸的基础颗粒；(b)将该基础颗粒与一种固态涂敷材料混合，该涂敷材料包括具有低于200℃的软化温度的低熔点聚合物或蜡，具有低于3000的重均分子量的低熔点聚烯烃，或一种固态植物油或其氢化衍生物；和(c)在至少120°F并低于涂敷材料熔化温度的温度和低剪切力的条件下将涂敷材料涂敷在基础颗粒上。
25．权利要求24的方法，其中的涂敷材料是聚酯、聚乙烯、环氧化物、或尿烷。
26．权利要求24的方法，其中的涂敷材料是石蜡、亚乙基双硬脂酰胺、或棉籽蜡。
27．权利要求24的方法，其中的涂敷材料在至少一维中具有小于100微米的平均颗粒大小。
全文摘要
本发明提供了一种在低剪切力条件下并且优选在低于涂敷材料熔点的条件下涂敷颗粒材料的改进方法。一方面,本发明提供了含有与一种合金粉末或多种合金粉末粘合的金属基粉末的冶金组合物,该金属基粉末通过一种低熔点聚合物或蜡粘合剂,优选聚乙烯,与合金粉末进行粘合。该粘合剂在较高温度,优选在低于该粘合剂的熔点的温度下与金属基粉末和合金粉末混合。该粘合的冶金组合物可用于冲压工艺以制造能够烧结出高冲击强度的成型件。
文档编号B32B15/08GK1301281SQ98810359
公开日2001年6月27日 申请日期1998年9月16日 优先权日1997年10月21日
发明者威廉·亨德里克森, 悉尼·卢科 申请人:赫格纳斯公司, 阿韦卡公司