ES2274109T3 - Polvo lubricante para la metalurgica del polvo. - Google Patents

Abstract

Lubricante para composiciones metalúrgicas de polvo, que comprende 10-60% en peso de un poletilenéter que es un polietilenglicol o un poli(òxido de etileno), siendo el resto una amida oligómera que tiene un peso molecular ponderal medio de como mínimo 1.000 g/mol.

Description

Polvo lubricante para la metalurgia del polvo.

Campo de la invención

La presente composición se refiere a nuevos lubricantes para composiciones metalúrgicas de polvo así como composiciones de polvo metálico que contienen estos lubricantes. Específicamente, la composición concierne a una composición de polvo basado en hierro que incluye los nuevos lubricantes, así como a cuerpos compactos hechos a partir de estas composiciones y que se distinguen por una resistencia alta en verde.

Antecedentes de la invención

La resistencia en verde es una de las propiedades físicas más importante de piezas verdes. La importancia de esta propiedad aumenta a medida que las piezas de P/M aumentan de tamaño y la geometría es más compleja. La resistencia en verde aumenta con la densidad del cuerpo compactado y está influida por el tipo y la cantidad de lubricante mezclado con el polvo. La resistencia en verde también está influida por el tipo de polvo usado. Otra posibilidad de alcanzar alta resistencia en verde es realizar la mezcladura y/o compactación del polvo metálico a altas temperaturas. Se requiere una alta resistencia en verde para prevenir que los cuerpos compactos se agrieten durante su expulsión de la herramienta de compactación y evitar que se dañen durante la manipulación y el transporte desde la prensa al horno de sinterización. Actualmente, los cuerpos compactos usados que tienen una resistencia en verde relativamente alta se preparan ventajosamente a partir de polvos de esponja de hierro, mientras que se han encontrado dificultades en la preparación de cuerpos compactos de polvos atomizados a pesar del hecho de que el polvo atomizado es más compresible y, por tanto, da una densidad en verde más alta.

Objetivos de la invención

Un objetivo de la presente invención es proporcionar cuerpos compactos que tienen una alta resistencia en verde y asegurar su durabilidad para la manipulación después de compactación y expulsión desde la herramienta.

Un segundo objetivo es proporcionar un nuevo lubricante que permita la manufactura de tales cuerpos compactos a partir de polvos de hierro altamente compresibles, tales como polvos de hierro atomizados o polvos basados en hierro altamente compresibles.

Un tercer objetivo es proporcionar una composición basada en hierro que incluye un polvo basado en hierro y el nuevo lubricante.

Un cuarto objetivo es proporcionar un procedimiento para la preparación de cuerpos compactados que tienen alta resistencia en verde cuando se compactan a temperatura ambiente.

Un quinto objetivo es proporcionar un procedimiento para la preparación de cuerpos verdes que tienen alta resistencia a pesar de su densidad comparativamente baja.

Otros objetivos de la invención se apreciarán al considerar el texto siguiente.

Sumario de la invención

Se ha encontrado ahora que los objetivos anteriores se pueden alcanzar mediante lubricantes nuevos que comprenden de 10 a 60% en peso de un polietilenéter que es un polietilenglicol o un poli(óxido de etileno), siendo el resto una amida oligómera que tiene un peso molecular medio de como mínimo 1.000 g/mol, y la presente invención concierne así a tales lubricantes.

La invención concierne también a una composición pulvimetalúrgica mejorada que comprende una cantidad mayoritaria de un polvo basado en hierro que tiene un tamaño de partícula ponderal medio de aproximadamente 25-350 \mum y una cantidad minoritaria de este nuevo lubricante. Además, la invención concierne a un procedimiento para producir cuerpos verdes que tienen una resistencia en verde alta, a la vez que se mantiene una fuerza de expulsión baja y baja energía de expulsión. Adicionalmente, el procedimiento asegura la durabilidad para manipulación después de la compactación y expulsión desde la herramienta, como lo evidencian los bajos valores de Rattler. El procedimiento comprende las etapas de mezcladura de polvo basado en hierro y aditivos opcionales con el nuevo lubricante y la compactación de la composición de polvo obtenida.

Descripción detallada de la invención

Más específicamente, el nuevo lubricante consiste esencialmente en un tipo de poliéter en el que la unidad de monómero que se repite es etilénéter. El nombre de etilén éter se usará en este contexto para describir el polímero. Dependiendo del peso molecular y el compuesto de partida para la polimerización, los polietilenéteres se pueden dividir en polietilenglicol (PEG) con un peso molecular más bajo, y poli(óxido de wetileno) (PEO), con un peso molecular más alto. El contenido de polietilenéter en el nuevo lubricante es de entre 10 y 60% en peso del lubricante, siendo el resto una amida oligómera que tiene un peso molecular ponderal medio de como mínimo 1.000 g/mol. Con el fin de obtener la alta resistencia en verde en combinación con valores de Rattler bajos, el contenido de polietilenéter del nuevo lubricante debe ser como mínimo de 20% y, muy preferiblemente, como mínimo de 30%. Cuando a cantidad de polietilenéter es mayor que 60%, se reduce la resistencia en verde. Considerando la resistencia en verde, los valores más altos se obtienen con lubricantes que contienen entre 30 y 50% de PEO, siendo el resto la amida
oligómera.

El uso de polietilenglicoles en combinación con polvos basados en hierro se discute en la patente U.S. nº. 6.224.823; de acuerdo con ella, se pueden obtener resistencias en verde altas cuando los polietilenglicoles tienen un peso molecular de menos de 7000 g/mol y la operación de compactación se hace a elevada temperatura. De acuerdo con la presente invención, que concierne a la preparación de cuerpos verdes por compactación de los polvos a temperatura ambiente(normalmente a aproximadamente 35ºC), se ha encontrado que los polietilenéteres que tienen pesos moleculares por encima de 7000 g/mol tienen ventajas inesperadas si se combinan con amidas oligómeras.

En la patente U.S. nº. 5498276 se describen polietilen éteres adecuados que se pueden usar de acuerdo con la presente invención. Estos polietilenéteres son sustancias sólidas en partículas que tienen un peso molecular ponderal medio entre aproximadamente 10.000 y aproximadamente 4.000.000.

De acuerdo con la presente invención, preferiblemente, los polietilenéteres deben tener un peso molecular ponderal medio entre aproximadamente 20.000 y aproximadamente 400.000 g/mol. Muy preferiblemente, los éteres deben tener un peso molecular ponderal medio entre 50.000 y 300.000 g/mol. Son ejemplos de materiales preferidos, óxidos que tienen un peso molecular de 100.000 g/mol o 200.000 g/mol. Si el peso molecular es inferior a 20.000, la resistencia en verdee no será suficientemente alta, y si el peso molecular excede de 400.000 g/mol, con los procedimientos convencionales no se puede obtener el intervalo deseado de tamaños de partícula.

El uso de poliéteres en conexión con composiciones de polvos metálicos es conocido también por las patentes U.S. nº. 5290336, nº. 6126715 y nº. 6039784. Estas patentes dan cuenta, entre otras cosas, de que los poliéteres pueden ser agentes para mejorar la resistencia en verde y reducir la fuerza de expulsión. También se describe que los poliéteres pueden mezclarse con varios lubricantes tales como estearatos y ceras. De acuerdo con la patente U.S. nº. 5498276, los poliéteres se deben usar preferiblemente en cantidades de como mínimo 90 del 100% del lubricante usado en la composición.

A diferencia de esta afirmación, se ha encontrado ahora que, con el fin de alcanzar los inesperados resultados de acuerdo con la presente invención, los polietilenéteres se deben usar en cantidades inferiores a 90% y que el polietilenéter debe combinarse con una amida oligómera que tiene un peso molecular ponderal medio de cómo mínimo 1.000 g/mol, mientras que las combinaciones de polietilenéter con varios tipos de otros lubricantes usados comúnmente, tales como bisesteramidas como se sugiere en las patentes anteriores, no han tenido éxito.

Las amidas oligómeras que se usan de acuerdo con la presente invención son conocidas por la patente U.S. nº. 5744433. De acuerdo con esta patente, los oligómeros se usan como lubricantes en composiciones de polvos metálicos. Estos oligómeros tienen un peso molecular ponderal medio, M_{w}, de 30.000 como máximo y de 1.000 como mínimo. Adicionalmente, estas amidas oligómeras tienen un pico de punto de fusión en el intervalo de 120ºC a 200ºC. Muy preferiblemente, M_{w} varía entre 2.000 y 20.000. También se indica que al menos 80% del lubricante, preferiblemente al menos 85% y, muy preferiblemente, 90% en peso del lubricante sea de la amida oligómera.

Además, la patente U.S. nº. 5744433 da cuenta de que estas amidas se usan para compactación en caliente. Cuando estas amidas se usan para compactación en frío, esto es, compactación a temperatura ambiente, la fuerza de expulsión será demasiado alta para uso industrial. Esto contrasta con la presente invención, de acuerdo con la cual las amidas oligómeras en combinación con polietilenéter se usan ventajosamente para compactación en frío, mientras que se obtienen resultados inferiores cuando las composiciones en polvo se compactan a elevadas tempera-
turas.

Tal como se usa en la descripción y las reivindicaciones anexas, la expresión "polvo basado en hierro" abarca polvo hecho esencialmente de hierro puro; polvo de hierro que se ha prealeado con otras sustancias que mejoran la resistencia, las propiedades de endurecimiento, las propiedades electromagnéticas u otras propiedades deseables de los productos finales; y partículas de hierro mezcladas con partículas de tales elementos de aleación (mezcla de difusión recocida o mezcla puramente mecánica). Son ejemplos de elementos de aleación, cobre, molibdeno, cromo, manganeso, fósforo, carbono en forma de grafito, y wolframio, que se usan separadamente o en combinación, por ejemplo, en forma de compuestos (Fe_{3}P y FeMo). Se obtienen resultados inesperadamente buenos cuando los lubricantes de acuerdo con la invención se usan en combinación con polvos basados en hierro atomizados que tienen alta capacidad de compresión. Generalmente, tales polvos tienen un bajo contenido de carbono, preferiblemente inferior a 0,04% en peso. Entre tales polvos están incluidos, por ejemplo, Distaloy AE, Astaloy Mo y ASC 100.29, todos ellos disponibles comercialmente de Höganäs AB, Suecia. Además, se pueden obtener una resistencia en verde alta y unos valores de Rattler bajos para cuerpos verdes que contienen polvos de esponja de hierro y el nuevo lubricante, que han sido comprimidos a una densidad en verde relativamente baja.

Aparte del polvo basado en hierro y el lubricante de acuerdo con la invención, la composición de polvo puede contener uno o varios aditivos seleccionados entre el grupo consistente en aglutinantes, coadyuvantes para procesar y fases duras. El aglutinante se puede añadir a la composición en polvo de acuerdo con el procedimiento descrito en la patente U.S. nº. 4.834.800.

El aglutinante usado en la composición en polvo puede consistir en, por ejemplo, resinas de éster de celulosa, resinas de hidroxialquilcelulosa que tienen 1-4 átomos de carbono en el grupo alquilo, o resinas fenólicas termoplás-
ticas.

Los coadyuvantes de procesamiento usados en la composición de polvo pueden consistir en talco, forsterita, sulfuro de manganeso, azufre, disulfuro de molibdeno, nitruro de boro, teluro, selenio, difluoruro bárico y difluoruro cálcico, que se usan separadamente o en combinación.

Las fases duras usadas en la composición de polvo pueden consistir en carburos de wolframio, vanadio, titanio, niobio, cromo, molibdeno, tántalo y zirconio, nitruros de aluminio, titanio, vanadio, molibdeno y cromo, Al_{2}O_{3}, B_{4}C y varios materiales cerámicos.

Con ayuda de técnicas convencionales, el polvo basado en hierro y las partículas de lubricante se mezclan para obtener una composición de polvo sustancialmente homogénea.

Preferiblemente, la composición lubricante de acuerdo con la invención se añade a la composición de polvo metálico en forma de partículas sólidas micronizadas. El tamaño medio de partícula del lubricante puede variar, pero preferiblemente es inferior a 150 \mum y, muy preferiblemente, está en el intervalo de 3 a 100 \mum. Si el tamaño de partícula es demasiado grande, es difícil que el lubricante abandone la estructura porosa de la composición de polvo metálico durante la compactación y el lubricante puede originar luego poros grandes después de la sinterización, dando como resultado un cuerpo compacto que presenta unas propiedades empeoradas de resistencia. Por otra parte, si el tamaño de partícula es demasiado pequeño, se deteriorarán la lubricación y el deslizamiento y la energía de expulsión será demasiado alta.

La cantidad del nuevo lubricante usado para la compactación de la composición de polvo puede ser, como máximo, de 2% en peso de la composición. Preferiblemente, la cantidad varía entre 0,2 y 1,5% en peso.

De acuerdo con la presente invención, es posible obtener cuerpos compactos que tienen una resistencia en verde por encima de 20 MPa e incluso por encima de 27 MPa sin el requerimiento de una fuerza de expulsión alta y/o alta energía de expulsión cuando el proceso de compactación se realiza a temperatura ambiente (aproximadamente 20ºC) y a presiones de aproximadamente 600 MPa. En el contexto de la presente invención, una "fuerza de expulsión alta" se puede definir como de más de 15 N/mm^{2}, y una "energía de expulsión alta" se puede definir como de más de 35 J/cm^{2}.

Una característica importante y ventajosa es que se pueden obtener altas resistencias en verde y pérdidas de material bajas (valores de Rattler bajos) incluso cuando las composiciones que incluyen el nuevo lubricante se mezclan y compactan a temperatura ambiente a densidades comparativamente bajas, por ejemplo, de aproximadamente 5,5-6,5 g/cm^{3}.

Cuando se sinterizan los cuerpos compactos verdes, se pueden obtener productos que tienen buenas propiedades mecánicas. La sinterización se puede realizar en condiciones convencionales.

Ejemplos

Los ejemplos siguientes, que no tienen finalidad limitativa, presentan ciertas realizaciones y ventajas de la presenta invención. A no ser que se indique lo contrario, los porcentajes son en peso.

En cada uno de los ejemplos, los polvos que constituyen la composición de polvo se mezclaron a temperatura ambiente (aproximadamente 20ºC) durante 2 minutos en un aparato Gebrüder Lödige.

Las composiciones de polvo se compactaron luego a temperatura ambiente a barras verdes a la presión indicada, a lo que siguió la sinterización en atmósfera de 90% de N_{2} y 10% de H_{2} durante aproximadamente 30 minutos a una temperatura de aproximadamente 1120ºC y a un potencial de C de 0,5%.

Las propiedades físicas de las mezclas de polvo y de las barras verdes y las sinterizadas se determinaron generalmente de acuerdo con los procedimientos de ensayo y fórmulas siguientes:

1

La fuerza de expulsión según se define aquí es una fuerza estática que se debe superar al iniciar la expulsión de una pieza compactada de una matriz. Se calcula como el cociente de la carga necesaria para iniciar la expulsión y la superficie transversal de la pieza que está en contacto con la superficie de la matriz, y se expresa en unidades de N/mm^{2}.

La energía de expulsión según se ha definido aquí es la integral de la fuerza aplicada sobre el cuerpo compactado con el fin de que continúe la expulsión y se expulse el cuerpo compactado con relación a la distancia total expulsada dividida por la superficie que está en contacto con la superficie de la matriz. La energía de expulsión se expresa en unidades de J/cm^{2}.

Ejemplo 1

Este ejemplo demuestra la importancia de usar combinaciones de lubricantes de acuerdo con la invención y que se obtienen resultados peores cuando se usan cantidades de PEO inferiores a 10% o por encima de 60% en la composición de lubricante.

Se mezclaron polvo de hierro atomizado, 2% de polvo de Cu, 0,5% de grafito y 0,8% del nuevo lubricante. El polvo de hierro era ASC 100.29 de Höganäs AB, Suecia, el polvo de cobre tenía un tamaño medio de partícula de 75 \mum y el polvo de grafito tenía un tamaño medio de partícula de 5 \mum. El nuevo lubricante se preparó con una amida oligómera, Orgasol®, que tiene un peso molecular ponderal medio de 6000 y un PEO con un peso molecular medio de 100.000 o 200.000. El lubricante micronizado se hizo pasar por un tamiz para mantener un tamaño medio de partícula inferior a 75 \mum.

Se prepararon 5 diferentes muestras de lubricantes, incluido el lubricante nuevo con la composición que se recoge en la Tabla 1.

TABLA 1

2

Como referencia se usó etilenbisestearamida, con frecuencia, denominada abreviadamente EBS.

Las mezclas se mezclaron durante 2 min en un aparato Gebrüder Lödige con las muestras de lubricante 1-5 y se investigó cada mezcla de polvo en cuanto a la densidad aparente, deslizamiento, densidad en verde (a 600 MPa), densidad en estado sinterizado, fuerza de expulsión, energía de expulsión, retroceso, cambio dimensional, resistencia en verde, valores de Rattler, resistencia a tracción y límite elástico a tracción. La sinterización se realizó a 1120ºC durante 30 min. La atmósfera era 90% de N_{2} y 10% de H_{2}. Los resultados se presentan en la Tabla 2.

TABLA 2

3

Los resultados anteriores demuestran que, usando la composiciones de lubricantes de acuerdo con la presente invención, se pueden obtener resultados inesperadamente bajos de la fuerza de expulsión y la energía de expulsión. Estas propiedades en combinación con los valores altos de la resistencia en verde y valores de Rattler bajos obtenidos revelan que los autores de la invención han sido capaces de encontrar composiciones de lubricantes con propiedades superiores en cuanto a las propiedades necesarias para la durabilidad cuando se manipulan y transportan cuerpos verdes.

Ejemplo 2

Este ejemplo demuestra el efecto obtenido cuando el poli(óxido de etileno) se mezcló con la frecuentemente usada EBS (etilenbisestearamida). El ensayo es realizó como en el Ejemplo 1, con el mismo polvo y las mismas cantidades de lubricante. Al considerar la Tabla 3 se puede deducir que esencialmente no se ve mejora alguna de la resistencia en verde cuando el PEO se mezcla con EBS.

TABLA 3

4

Ejemplo 3

Este ejemplo demuestra que se pueden obtener valores altos de la resistencia en verde también para cuerpos verdes que tienen densidades comparativamente bajas, esto es, composiciones de polvo que han sido compactadas a bajas presiones.

Se prepararon las mezclas siguientes.

TABLA 4

5

NC 100.24 es un polvo de esponja de hierro de Höganäs AB, Suecia

MH 80.23 es un polvo de esponja de hierro de Höganäs AB, Suecia.

Las mezclas 1 y 3 incluían 20% de PEO y 80% de Orgasol. Las mezclas 2 y 4 que incluían estearato de zinc se usaron como referencias. Las mezclas se compactaron a una presión de compactación de 230 MPa. Como se puede ver en la siguiente Tabla 5, se puede obtener una resistencia en verde alta también para cuerpos compactados que tienen una densidad en verde comparativamente baja. Los bajos valores de Rattler demuestran que la durabilidad para manipulación después de compactación y expulsión de la herramienta de los cuerpos verdes obtenidos de acuerdo con la presente invención es comparativamente muy alta.

TABLA 5

6

Claims (12)

1. Lubricante para composiciones metalúrgicas de polvo, que comprende 10-60% en peso de un poletilenéter que es un polietilenglicol o un poli(óxido de etileno), siendo el resto una amida oligómera que tiene un peso molecular ponderal medio de como mínimo 1.000 g/mol.

2. Lubricante de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de polietilenéter es de 20-50, preferiblemente de 30-50% en peso.

3. Lubricante de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque está en forma de polvo micronizado.

4. Lubricante de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el lubricante tiene un tamaño de partícula ponderal medio inferior a aproximadamente 150 \mum, preferiblemente entre 3 y 100 \mum.

5. Lubricante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el polietilenéter tiene un peso molecular ponderal medio de aproximadamente 20.000 a 400.000 g/mol.

6. Lubricante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la amida oligómera tiene un peso molecular ponderal medio de aproximadamente 2.000 a 20.000 g/mol.

7. Una composición metalúrgica de polvo que comprende

una cantidad mayoritaria de un polvo basado en hierro que tiene un tamaño de partícula ponderal medio en el intervalo de aproximadamente 25-350 \mum y

una cantidad minoritaria de un lubricante sólido en partículas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-6.

8. Una composición de polvo de acuerdo con la reivindicación 7, que incluye como máximo 2% en peso de lubricante.

9. Una composición de polvo de acuerdo con la reivindicación 8, en la que el polvo de lubricante se proporciona a una concentración de 0,2 a 1,5% en peso de la composición.

10. Una composición de polvo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7-9, que además comprende uno o más aditivos seleccionados entre el grupo consistente en aglutinantes, coadyuvantes de proceso y fases duras.

11. Una composición de polvo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7-10, en la que el polvo basado en hierro comprende un polvo atomizado.

12. Un procedimiento para producir productos verdes que tienen una resistencia alta, que comprende:

(a) mezclar un polvo basado en hierro con un polvo de lubricante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, y

(b) compactar la composición de polvo metálico a temperatura ambiente.