用于生产烧结模制件的混合物的制作方法

专利名称：用于生产烧结模制件的混合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生产烧结模制件的混合物，这种混合物的制备方法以及应用。
烧结模制件特别是在汽车结构中有着多方面的应用，特别是用作发动机和变速器中的模制件。生产烧结模制件时的困难在于，难以制得密度尽可能高的模制产品。利用常用的粉末冶金方法并通过一步或多步而由可烧结的粉末压制成的模制件一般被称为料坯(Grünkrper)，然后第二步，于氮气氛中将其烧结，从而得到牢固且尺寸精确的金属模制件。
这里，如此所得的烧结模制件的密度基本取决于第一步压制过程中所得料坯的密度，即所谓的压坯密度(压制密度)。因此，力求在第一加工步骤中即制得密度尽可能高的料坯。但是，在现有技术中为生产具有高密度的料坯，通常需要使用高的模制压力。而高的压力会导致模具本身的磨损，并且还会使得成型的料坯在压制模具中产生出较高的脱模滑动摩擦，由此也便施加上了较高的脱模力，从而更相应加剧了模具上的磨损程度。此外，高的脱模力潜藏着局部造成不理想的再压缩和料坯中形成裂缝的危险。
因此本发明的任务在于提供一种能避免上述这些缺点的混合物。
为完成该任务而推荐的一种用于生产烧结模制件的混合物，包括一种金属和/或塑料材料和模压助剂，并且其中的模压助剂包括25-60重量％的聚二醇和40-75重量％的褐煤蜡，均以模压助剂的总量计。
在本发明范畴中，所谓可烧结模制件应理解为那些完全由具有烧结能力的材料制成的模制件；而另一方面也可理解为是其料坯可由诸如含铝或铁的混合物制成的复合材料件，并且与料坯进一步相连的材料体可由另一种材料，例如铸钢，牢固地烧结而成或是由坚固的铸铝制成。相反，复合材料件也可以，例如，只是在正端面上或是在其表面上具有由诸如含铝或含陶瓷的混合物构成的烧结层，相反地，料坯则是由，例如，钢或铸铁烧结而成的，或者说是非常坚固致密的(massiv)。这其中，还可以对烧结的模制件进行校准和/或加热时硬化。
本发明中的金属材料和/或塑料材料特指由金属、陶瓷和/或塑料组分形成的粉末或混合物，例如可选自钢，如铬-镍钢，黄铜，基于镍的合金，如Hast合金，因科镍合金，金属氧化物，金属氮化物，金属硅化物或类似物质，其它含铝的粉末或混合物，并且其中的混合物还可含有高熔点的组分，如铂等类似物质。所用粉末和其粒径大小都分别取决于使用目的。优选的含铁粉末是合金316L，304L，因科镍合金600，固科镍合金625，蒙乃尔合金和Hast合金B、X和C。另外，金属材料和/或塑料材料还可以完全或部分地由短纤维或纤维构成，优选直径在约0.1-2μm且长度为几个μm至50mm的纤维。
在本发明中的褐煤蜡是褐煤的沥青，其由树脂、蜡和第三纪植物(tertirer Pflanzen)的油脂形成。这里指的是所谓褐煤酸(脂肪酸)与长链蜡醇(Wachsalkohol)形成的酯，特别是C20-C36的脂肪酸酯，优选C24-C34的脂肪酸酯。除了上述组分外，褐煤蜡还可以含有其它游离脂肪酸和游离蜡醇以及褐煤树脂、酮和沥青类材料。一般而言，褐煤蜡是不同脂肪酸酯的混合物。优选的褐煤蜡的酸值[mg KOH/g]在5至30、更优选在10至25的范围，和/或皂化值[mg KOH/s]在100至200、更优选在120至160的范围。100℃下的粘度[mPas]优选在10至40、更优选在15至35的范围。
现已惊奇地发现，如果将一定的模压助剂添加到具有烧结能力的材料中，则就能以金属冶金压制法制得特别在所用模具所处的室温下，具有显著提高的压坯强度值和压制密度值的料坯。但同时，在将料坯从模具中取出时所需的脱模力却显著减小。由此，一方面显著减小了所用模具的磨损程度，另一方面减少了所得料坯中产生裂缝或局部再压缩的危险。此外，特别是在模具所处的室温下，利用本发明的混合物所得到的压制密度得到了提高，并且该值接近于经最终加工后和烧结后的模制件的密度。
本发明的混合物还可以含有其他一些组分，特别优选润滑剂，而其优选的含量为0.2-5重量％，以混合物的总量计。这里可用作润滑剂的一方面可以是自润滑的制剂，如MoS2、WS2、BN、N、nS以及石墨和/或其它碳改性物质，如焦炭、极化石墨等类似物。优选将润滑剂以1-3重量％的量添加到具有烧结能力的混合物中。通过使用上述这些润滑剂，由具烧结能力的混合物而制得的模制件就可被赋予自润滑的性质。
本发明的混合物还可进一步包含其它滑动剂或一种高度分散的硅胶(Aerosile)。在加热(热混)或是室温(冷混)条件下，利用普通的设备，如摇摆混合机就能将各组分混合而制得上述混合物，其中又以热混为优选。
优选混合物中包含30-55重量％、更优选32-53重量％的聚二醇和45-70重量％的褐煤蜡，并且各以模压助剂的总量计。
包含在本发明混合物的模压助剂中的聚二醇优选包括有聚乙二醇。在本发明范围内，所谓聚乙二醇也包括不同分子量的聚乙二醇的混合物。特别优选的聚乙二醇的摩尔质量在约100-20000g/mol、优选在100-7000g/mol、更优选在100-6500g/mol、最优选在3000-6000g/mol的范围。前述聚乙二醇的优点即在于它们通常具有40至100℃的相对较低的软化点，而正由于此，就能实现将低温材料填充入以金属冶金法使用的压制模型中并由此避免了结块等类似现象的出现。压制过程中，在加热模具时，所选的聚乙二醇会与所用的褐煤蜡一起产生润滑作用，从而使得所制成的料坯能具有更高的压制密度和压坯强度。
本发明混合物中被包含在模压助剂中的褐煤蜡优选包括基于C24-C34脂肪酸的脂肪酸酯。
本发明还进一步涉及一种制备本发明混合物的方法，该方法中-第一步，一起熔融模压助剂中所含有的聚二醇和褐煤蜡；和-第二步，将第一步中所制得的模压助剂添加到金属材料和/或塑料材料中。
另外还优选，在本发明方法的第一步之后研磨或喷射(verdüst)所得到的并经冷却后的熔体。结果令人吃惊地显示，与那些通常利用现有技术已知的模压助剂可得到的料坯的压坯强度值相比，利用本发明方法所制得的料坯的压坯强度值要明显高出一筹。
本发明的方法还有另一种可选方案，根据该方案-第一步，先将模压助剂中含有的聚二醇和褐煤蜡相互混合；和-第二步，将第一步中制得的模压助剂添加到金属材料和/或塑料材料中。
与那些利用现有技术已知的常规模压助剂所得到的料坯的强度值相比，利用上述的可选方案在金属冶金压制过程后得到的料坯的压坯强度值也明显要更高。
另外，本发明还涉及将这种混合物用于生产烧结模制件的用途。同样本发明还涉及到一种如权利要求1至4所述的模压助剂。
最后，本发明还涉及一种由本发明的混合物而制得的料坯，并且根据ISO3995-1985标准，在所用模具所处的室温下和600MPa的压力下，其压坯强度值大于7.55N/mm2。还优选根据ISO3927/1985标准，在800MPa下和所用模具所处的室温下，本发明的料坯具有至少7.14g/cm3的压制密度。
本发明的这些以及另一些优点将通过以下实施例来阐述。
将来自美国Hoeganaes公司的可烧结且含有0.65重量％碳的金属粉末Ancorsteel 85HP与0.6重量％的以下模压助剂混合而制得混合物，均以混合物总重计a)Licowax C，Clariant GmbH公司，法兰克福，在美因(Main)，其是一种二硬脂酰乙二胺(酰胺蜡)；b)Acrawax C，Lonza AG公司，瑞士巴塞尔，其是N，N’-乙烯基二硬脂酰胺(酰胺蜡)；c)Kenolube P11，Hgans AB公司，瑞典Hgans，其是一种由22.5重量％的硬脂酸锌和77.5％的酰胺蜡组成的混合物；d)Polyglykol 6000 PF，Clariant GmbH公司，法兰克福，在美因(Main)，其是摩尔质量约为6000g/mol的聚乙二醇；e)Licowax E，Clariant GmbH公司，法兰克福，在美因，其是由C24-C34的脂肪酸形成的褐煤蜡，且脂肪酸酸值[mg KOH/g]在15至20的范围并且皂化值在130至160的范围；f)由各自以模压助剂总量计的，67重量％的Licowax C和33重量％的Polyglykol 6000PF形成的混合物，其中，该混合物是通过将褐煤蜡和聚乙二醇共同熔融、必要时还要后续进行冷却的熔体凝结(比如用液氮)步骤和接着研磨成粉的过程而制得的；g)由50重量％的Licowax C和50重量％的Polyglykol 6000 PF形成的混合物，其中，该混合物是通过将褐煤蜡和聚乙二醇共同熔融、必要时还要后续进行冷却的熔体凝结(比如用液氮)步骤和接着研磨成粉的过程而制得的；h)由67重量％的Licowax C和33重量％的Polyglykol 6000PF形成的混合物，其中，该混合物毋需事先熔融而在常规的摇摆混合器中混合而成。
i)由各自以模压助剂总量计的50重量％的Licowax C和50重量％的Polyglykol 6000 PF形成的混合物，其中，该混合物毋需预先熔融而在常规的摇摆混合器中混合而得。也可以采用对熔体进行喷射(verdüst)的方法来代替f)和g)中的研磨混合物的过程。
模压助剂的添加量通常可在约0.1至5重量％、优选在0.3至3重量％、更优选在0.5至1.5重量％的范围，以本发明混合物的总量计。
将上述的混合物填充入普通的模具中，并在不同的压力下(400、600和800MPa)压制成直径为14.3mm且长度为12cm的圆柱体。如此制得的料坯的物理性质列于表1和2中，其中表1的值是在20℃的模具温度(室温)下测得的，而表2中的值则是在70℃的模具温度下测得的。
表1
表2
列于表1和2中的数值是各自三次测量所得值的平均值。记录在表1和2中的物理性质分别为根据ISO标准3923-1979测得的散装比重，根据ISO 4490-1978测得的流动时间，根据ISO 3927-1985测得的可模压性和根据ISO 3995-1985测得的压坯强度。如表1和2所示，由混合物f)至i)的混合物所制得的料坯具有高的压坯强度值和压制密度。与根据混合物a)、b)和c)中那些含有现有技术中已知模压助剂的混合物的相关性质相比，上述性能的数值明显要更高，而且也明显高于那些其中仅只含有聚乙二醇(混合物d))或褐煤蜡(混合物e))作为模压助剂的混合物的相关性能测量值。
此外，对于由混合物a)至i)得到的料坯，还计算了它们从模具中脱出的脱模力。这些值都列于表3和4中。表3中的数值是在模具所处的室温(20℃)下计算得的，而表4中的脱模力是在模具所处的70℃的温度下计算得到的。
表3
表4
由表3和表4明显看出，与那些由混合物a)至e)制成的料坯相比，由混合物f)至i)制成的料坯的脱模力明显小了很多。脱模力要低大约25％。因此，模具使用条件的苛刻程度就明显降低了，并进而使得模具的磨损降低，使用寿命延长。此外，如此制得的料坯件还好到不会出现局部再压缩或出现裂痕的现象。
通过本发明就可以得到一种在一种混合物中就能克服已知混合物的两种后续加工缺陷的混合物。也即，一方面通过本发明的混合物可以得到具有高压坯强度和较高压制密度的由其所制得的料坯，而另一方面也可以显著减小从模具中脱出的脱模力，并由此延长了使用寿命。由本发明的混合物所制得的料坯具有极优秀的质量。由于降低了裂缝的形成和减少了局部再压缩现象的发生，因此也就保证了质量均一和品质高地生产料坯。
权利要求
1.用于生产烧结模制件的混合物，包括金属和/或塑料材料和模压助剂，并且其中的模压助剂包括25-60重量％的聚二醇和40-75重量％的褐煤蜡，均以模压助剂的总量计。
2.如权利要求1的混合物，其特征在于，聚二醇包括聚乙二醇。
3.如上述权利要求之一的混合物，其特征在于，模压助剂含有摩尔质量为100至20000g/mol、优选100至7000g/mol的聚乙二醇。4.如上述权利要求之一的混合物，其特征在于，褐煤蜡包含C24-C34的脂肪酸酯。
5.用于制备如权利要求1至4之一的混合物的方法，该方法中-第一步，一起熔融模压助剂中所含有的聚二醇和褐煤蜡；和-第二步，将第一步中所制得的模压助剂添加到金属材料和/或塑料材料中。
6.如权利要求5的方法，其特征在于，研磨或喷射第一步所得和所形成的由聚二醇和褐煤蜡构成的熔体。
7.如权利要求1至4之一的方法，该方法中-第一步，先将模压助剂中含有的聚二醇和褐煤蜡相互混合；和-第二步，将第一步中制得的模压助剂添加到金属材料和/或塑料材料中。
8.如权利要求1至4之一的混合物的用途，将其用于制造烧结模制件。
9.如权利要求1至4之一的模压助剂。
10.由如权利要求1至4之一所述的混合物制得的料坯，其特征在于，根据ISO3995-1985标准，在所用模具所处的室温下和600MPa的压力下，其压坯强度值大于7.55N/mm2。
11.如权利要求9的料坯，其特征在于，根据ISO 3927-1985标准，在800MPa下和所用模具所处的室温下，其具有至少7.14g/cm3的压制密度。
全文摘要
本发明的任务在于提供一种可制成料坯并具有较高压坯强度和压制密度的混合物，但是另一方面，其从模具中脱出的脱模力则大为减小。本发明所推荐的混合物包括金属和/或塑料材料和模压助剂，并且其中的模压助剂包括25－60重量％的聚二醇和40－75重量％的褐煤蜡，均以模压助剂的总量计。
文档编号C08L71/00GK1826383SQ03822671
公开日2006年8月30日 申请日期2003年9月3日 优先权日2002年9月24日
发明者R·林德瑙, K·多尔梅尔, V·阿恩霍尔德 申请人:Gkn金属烧结有限公司