BRPI0620894A2

BRPI0620894A2 - composição de pó metalúrgico e método para a produção de composição de pó metalúrgico

Info

Publication number: BRPI0620894A2
Application number: BRPI0620894-0A
Authority: BR
Inventors: Francois Lissalde; Roland Einhaus; Pascal Rivat
Original assignee: Apollon Solar; Cyberstar; Efd Induction Sa
Priority date: 2006-01-04
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2011-11-29
Also published as: ES2387996T3; CN101356305A; JP2009522201A; PL1969163T3; CN101356305B; ZA200805389B; RU2008131945A; NO20083111L; WO2007077305A1; FR2895749B1; US20120141336A1; EP1969163B1; US20100083895A1; US8216373B2; FR2895749A1; EP1969163A1; RU2428524C2

Abstract

COMPOSIçãO DE Pó METALúRGICO E MéTODO PARA A PRODUçãO DE COMPOSIçãO DE Pó METALúRGICO. A presente invenção refere-se a uma composição metalúrgica para produção de peças compactadas, compreendendo: (a) pelo menos cerca de 80 por cento em peso de um pó de ferro ou à base de ferro; (b) até cerca de 20 por cento em peso de pelo menos um pó de ligação; (c) de cerca de 0,05 a cerca de 2 por cento em peso de um agente de aglutinação compreendendo um álcool graxo C~14~-C~30~; e (d) de cerca de 0,001 a cerca de 0,2 por cento em peso de um agente de fluxo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPOSI- ÇÃO DE PÓ METALÚRGICO E MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE COMPOSIÇÃO DE PÓ METALÚRGICO".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a uma nova composição de pó metálico para a indústria de pó metalúrgico. Particularmente a invenção refe- re-se a uma composição de pó à base de ferro que inclui um aglutinante pa- ra aglutinar aditivos, tais como elementos de formação de ligas, às partículas à base de ferro.

Antecedentes da Invenção

Na indústria, o uso de produtos metálicos fabricados por meio de compactação e de sinterização de composições de pó à base de ferro vem se expandindo de forma crescente. Os requisitos de qualidade desses produtos metálicos são continuamente aumentados, e como conseqüência são desenvolvidas novas composições de pó tendo propriedades melhora- das. Uma das mais importantes propriedades do produto sinterizado final é a densidade e as tolerâncias dimensionais, que devem ser consistentes. Pro- blemas com variações de dimensões no produto final freqüentemente se originam da falta de homogeneidade na mistura do pó a ser compactado. Esses problemas são especialmente pronunciados com as misturas de pós que incluem componentes pulverulentos, que diferem em tamanho, densida- de e forma, uma razão porque ocorre a segregação durante o transporte, armazenagem e manuseio da composição de pó. Essa segregação implica que a composição não é uniformemente composta, o que por sua vez signi- fica que peças feitas da composição do pó são compostas diferentemente e conseqüentemente têm diferentes propriedades. Um outro problema é que partículas finas, particularmente aquelas de menor densidade tais como gra- fite, provocam a produção de poeira durante o manuseio da mistura de pó.

O pequeno tamanho de partícula dos aditivos também cria pro- blemas com as propriedades de fluxo do pó, isto é, a capacidade do pó de comportar-se como pó de fluxo livre. Um fluxo enfraquecido se manifesta no tempo aumentado para se encher a cavidade de um molde com o pó, o que significa uma menor produtividade e um risco maior de variações na densi- dade do componente compactado, o que pode levar a deformações inaceitá- veis após a sinterização. Além disso, para se ejetar o componente compac- tado do molde, minimizar o desgaste da superfície do molde e para se obter peças que tenham bom acabamento de superfície sem arranhões, é essen- cial que a força necessária para ejetar o componente do molde seja baixa.

Foram feitas tentativas para resolver os problemas descritos a- cima pela adição de diferentes agentes de aglutinação e lubrificantes à com- posição do pó. O propósito do aglutinante é ligar firmemente e efetivamente as partículas de tamanho pequeno de aditivos, tais como componentes de ligação, à superfície das partículas do metal base e, conseqüentemente, re- duzir os problemas de segregação e formação de poeira. O propósito do lu- brificante é reduzir a fricção interna e externa durante a compactação da composição de pó e acima de tudo reduzir a força necessária para ejetar o produto compactado final do molde.

Vários agentes de ligação orgânicos foram desenvolvidos, veja, por exemplo, as Patentes norte-americanas N9S 4.483.905 (Engstrom), 4.676.831 (Engstrom), 4.834.800 (Semel), 5.298.055 (SemeI), 5.290,336 (Luk), 5.368.630 (Luk). A Patente norte-americana N0 5.480.469 (Storstrom) fornece uma breve revisão do uso de agentes de ligação na indústria da me- talurgia do pó.

Na recentemente publicada patente WO 2005/061157 é descrita uma combinação aglutinante/lubrificante de cera de polietileno e de etileno bisestearamida. Na composição do pó usado para compactação, a cera de polietileno está presente como uma camada ou revestimento no ferro ou nas partículas à base de ferro e aglutina as partículas do elemento de ligação e as partículas de etileno bisestearamida às partículas de ferro ou à base de ferro. É preferido que a composição também inclua um ácido graxo e um agente de fluxo. Uma boa combinação de propriedades de Densidade Apa- rente, fluxo, aglutinação e lubrificação para a composição metalúrgica do pó, contendo uma combinação de aglutinante/lubrificante incluindo a cera de polietileno e o etileno bisestearamida é alcançada quando o peso molecular médio da cera de polietileno está entre 500 e 750.

Descobriu-se recentemente que podem ser obtidas composi- ções à base de ferro tendo densidade aparente notadamente melhorada e também um fluxo melhorado, se álcoois graxos forem usados ao invés de cera de polietileno. De modo geral descobriu-se que álcoois graxos em com- binação com agentes de fluxo dão resultados interessantes em relação à densidade aparente e ao fluxo. A densidade aparente é essencial para o pro- jeto da ferramenta. Um pó com baixa densidade aparente precisa de uma maior altura de enchimento, o que resulta desnecessariamente em ferramen- tas de alta pressão, e isso, por sua vez, resultará em uma compactação mais longa e em pancadas para ejeção. Conforme mencionado previamente, o fluxo é importante para a produtividade. Foi também inesperadamente descoberto que quando as novas composições metálicas de pó, que incluem álcoois graxos como aglutinante e um agente de fluxo, são compactadas, os compactos verdes obtidos têm excelente estabilidade de peso, isto é, uma dispersão de baixo peso dentro de um conjunto de compactos verdes. Esta propriedade é, naturalmente, de muita importância para a produção de um produto de alta performance.

Álcoois graxos foram mencionados na literatura da patente jun- tamente com lubrificação na Patente norte-americana N0 3.539.472. Especi- ficamente essa patente ensina que pequenas quantidades de álcoois graxos podem ser incluídas nos lubrificantes consistindo principalmente em amidas ou diamidas. A patente não se preocupa com misturas ligadas.

Também o pedido de patente japonês 04-294 782, número de publicação 06-145701 menciona que álcoois graxos podem ser usados co- mo lubrificantes. São especificamente mencionados os álcoois C30, os álco- ois C50 e os álcoois C60. O texto da aplicação também menciona álcoois graxos mais altos como aglutinantes.

Sumário da Invenção

A presente invenção refere-se então a uma nova composição de pó metalúrgico compreendendo um pó de ferro ou à base de ferro, pelo me- nos um agente de ligação, e um álcool graxo como aglutinante. Para execu- tar satisfatoriamente, o álcool graxo deve ser um álcool graxo C14-C30 satu- rado ou não-saturado, de cadeia reta ou ramificada, preferivelmente satura- do e de cadeia reta. A nova composição de pó deve também incluir um a - gente de fluxo. A presente invenção também refere-se a um método de pro- dução da composição acima.

Descrição Detalhada da Invenção

As composições de pó metalúrgico contêm um pó de ferro ou à base de ferro em uma quantidade de pelo menos 80% em peso da composi- ção do pó metalúrgico. O pó à base de ferro pode ser qualquer tipo de pó à base de ferro tal como um pó de ferro atomizado com água, pó de ferro re- duzido, pó à base de ferro pré-ligado ou pó à base de ferro ligado por difu- são. Tais pós são, por exemplo, o pó de ferro ASC100.29, o pó à base de ferro ligado por difusão Distaloy AB contendo Cu, Ni e Mo, o pó à base de ferro Astaloy CrM e Astaloy CrL pré-ligado com Cr e Mo, todos disponibiliza- dos pela Hõganãs AB, Suécia.

As partículas do pó de ferro ou à base de ferro têm normalmente um tamanho médio de partícula de até 500 mícrons; mais preferivelmente as partículas terão um tamanho médio de partícula na faixa de cerca de 25-150 mícrons, e mais preferivelmente 40-100 mícrons.

Exemplos de elementos de ligação que são aglutinados às par- tículas de ferro ou à base de ferro podem ser selecionados do grupo consis- tindo em grafite, Cu, Ni, Cr, Mn, Si, V, Mo, P1 W, S e Nb. Esses aditivos são geralmente pós tendo um tamanho de partícula menor que o pó à base de ferro, e a maioria dos elementos de ligação têm um tamanho de partículas menor que cerca de 20 μm. A quantidade de elementos de ligação nas com- posições metalúrgicas do pó depende do elemento de ligação específico e das propriedades finais desejadas para o componente sinterizado. Geral- mente pode ser de até 20% em peso. Outros aditivos pulverulentos que po- dem estar presentes são materiais de fase dura, materiais formadores de fase líquida e agentes de aumento da capacidade de usinagem.

Álcoois graxos usados para aglutinar os elementos de ligação e/ou aditivos opcionais são preferivelmente saturados, de cadeia reta e con- têm de 14 a 30 átomos de carbono, uma vez que eles têm um ponto de fu- são vantajoso para a técnica de aglutinação por fusão usada para ligar os elementos de ligação e/ou outros aditivos opcionais. Os álcoois graxos são preferivelmente selecionados do grupo consistindo em álcool cetílico, álcool estearílico, álcool araquidílico, álcool beenílico e álcool lignocerílico, e mais preferivelmente selecionado do grupo consistindo em álcool estearílico, ál- cool araquidílico e álcool beenílico. A quantidade de álcool graxo usado pode estar entre 0,05 e 2, preferivelmente entre 0,1 e 1 e mais preferivelmente entre 0,1 e 0,8% em peso da composição metalúrgica. Também composi- ções de álcoois graxos podem ser usadas como aglutinantes.

Para transmitir um fluxo satisfatório às novas composições de pó são adicionados agentes de fluxo. Tais agentes são conhecidos previa- mente, por exemplo, da Patente norte-americana N0 3.357.818 e da Patente norte-americana 5.782.954 que descrevem que metal, óxidos metálicos ou óxido de silício podem ser usados como agente de fluxo.

Resultados especialmente bons foram obtidos quando negro-de- fumo foi usado como agente de fluxo. O uso de negro-de-fumo como está descrito no pedido de patente sueco co-pendente 0401778-6 que está aqui incorporado por referência. Foi descoberto que a quantidade de negro-de- fumo deve estar entre 0,001 e 0,2% em peso, preferivelmente entre 0,01 e 0,1%. Além disso, foi descoberto que o tamanho de partícula primário do negro-de-fumo deve estar preferivelmente abaixo de 200 nm, mais preferi- velmente abaixo de 100 nm, e mais preferivelmente ainda abaixo de 50 nm.

De acordo com uma concretização preferida, a área de superfí- cie específica deve estar entre 150 e 1000 m2/g conforme medido pelo mé- todo B ET.

Para aumentar a compressibilidade do pó, e para facilitar a eje- ção do componente verde, um lubrificante orgânico ou uma combinação de diferentes lubrificantes orgânicos pode ser adicionada à composição de pó metalúrgico. O lubrificante pode estar presente como um pó em partículas livres ou aglutinado à superfície do pó à base de ferro.

Embora o álcool graxo que é usado como aglutinador tenha propriedades lubrificantes, pode ser conveniente usar-se um lubrificante adi- cional. O tipo de lubrificante orgânico sólido da invenção não é crítico, mas devido às desvantagens dos lubrificantes orgânicos metálicos (que geram resíduos de óxidos metálicos durante a sinterização), o lubrificante orgânico preferivelmente não inclui metal. O estearato de zinco é um lubrificante usa- do comumente dando boas propriedades de fluidez e alta densidade aparen- te. Entretanto, apesar de gerar resíduos de oxido de zinco durante a sinteri- zação, uma outra desvantagem é que o material pode gerar manchas nas superfícies dos componentes sinterizados. Assim, o lubrificante orgânico pode ser selecionado a partir de uma ampla variedade de substâncias orgâ- nicas que tenham propriedades lubrificantes. Exemplos de tais substâncias são ácidos graxos, ceras, polímeros, ou derivados e misturas dos mesmos. Lubrificantes preferidos são amidas primárias, tais como amida esteárica, amida araquídica e amida beênica, amidas secundárias, tais como amida estearil-esteárica, e bisamidas, tais como etileno bisestearamida.

Em relação às quantidades, foi descoberto que a quantidade de álcool graxo deve ser de 10 a 90% em peso dos pesos do aglutinante com- binado, do agente de fluxo e do lubrificante. A quantidade total de aglutinan- te, agente de fluxo e, opcionalmente, lubrificante, pode variar de 0,1 a 2% em peso da composição do pó metalúrgico.

Breve Descrição do Desenho

A figura 1 é um diagrama mostrando a diferença na dispersão de peso em diferentes taxas de produção quando se usa uma composição de pó metalúrgico conforme a invenção em comparação com as composi- ções de pó metalúrgico convencionais.

A invenção é também ilustrada pelos exemplos a seguir, não- limitativos.

Exemplo 1

Foram preparadas diferentes misturas metalúrgicas de pós à base de ferro, conforme a tabela 1. Como pó à base de ferro, foi usado o pó de ferro atomizado com água ASC100.29 disponibilizado pela Hóganãs AB, Suécia. Exceto os aglutinantes, lubrificantes e agentes de fluxo conforme a tabela 1, 2% em peso da mistura total à base de ferro, de pó de cobre, ma- lha 100, disponibilizado pela Makin Metal Powder Ltd., e foi adicionado 0,8% em peso do total da mistura à base de ferro, de grafite, UF 4 (disponibilizado pela Graphit Kropfmühl AG, Alemanha).

Etileno bisestearamida (EBS) foi disponibilizado como Licowax® pela Clariant (Alemanha) e dióxido de silício foi disponibilizado como Aerosil pela Degussa AG (Alemanha). Álcool beenílico, álcool estearílico e álcool cetílico foram disponibilizados pela Sasol Germany GmbH e o negro-de- fumo foi disponibilizado pela Degussa AG.

Nas misturas A-C & H-I, foi usado 0,6% em peso da mistura to- tal de pó à base de ferro, de um lubrificante (chamado "amida primária C18- 22" abaixo) consistindo essencialmente em amidas primárias saturadas de cadeia reta de grau técnico tendo comprimentos de cadeia de 18, 20 e 22 átomos de carbono, contendo assim amida esteárica (cerca de 40%), amida araquídica (cerca de 40%), e amida beênica (cerca de 20%). Como lubrifi- cante na mistura D-F, foram usados 0,6% de etileno bisestearamida (EBS) e na mistura G 0,8% de etileno bisestearamida (EBS). Nas misturas A-E & H- J, foi usado 0,2% em peso da mistura total de pó à base de ferro de álcool graxo (em H foi usada uma mistura de dois álcoois graxos), e na mistura F, foi usado 0,2% em peso da mistura total de pó à base de ferro de uma cera de polietileno tendo um peso molecular de 655 (um aglutinante conforme a WO 2005/061157).

Os componentes nas misturas A-F & H-J foram misturados vigo- rosamente, e durante a mistura a temperatura foi aumentada até acima do ponto de fusão do aglutinante, para as misturas A-E & H-J até 75°C e para a mistura F até 105°C. Durante o resfriamento subseqüente, as partículas mais finas da mistura foram aglutinadas à superfície das partículas maiores do pó à base de ferro pelo aglutinante solidificador. No caso de um agente de fluxo ter sido adicionado, ele foi adicionado após a solidificação do agluti- nante durante o resfriamento da mistura. Os componentes da mistura G fo- ram misturados sem qualquer aquecimento uma vez que esta mistura não foi aglutinada. Tabela 1. Misturas preparadas de pó metalúrgico à base de ferro.

<table>table see original document page 9</column></row><table>

A taxa de fluxo Hall foi medida conforme a ISO 4490 e a densi- dade aparente foi medida conforme a ISO 3923.

Tabela 2. Taxa de fluxo e densidade aparente das misturas de pó metalúr- gico à base de ferro

<table>table see original document page 9</column></row><table> <table>table see original document page 10</column></row><table>

A Tabela 2 mostra que apesar das boas taxas de fluxo, um au- mento substancial da densidade aparente é obtido quando se usa composi- ções de pós à base de ferro conforme a invenção.

Para as misturas C1 D, G1 Η, I e J, as propriedades lubrificantes foram também medidas pela gravação da energia total por área desenvolvi- da necessária para ejetar uma amostra compactada do molde bem como o pico da força de ejeção por área envolvida. Os componentes tinham forma de anéis com um diâmetro externo de 55 mm, um diâmetro interno de 45 mm e uma altura de 15 mm, e as pressões de compactação aplicadas foram 400, 500, 600 e 800 MPa.

Tabela 3. Pico de força de ejeção e energia de ejeção

<table>table see original document page 10</column></row><table>

A Tabela 3 mostra que quando se usa uma composição conten- do álcool cetílico (16 C) ou álcool beenílico (22 C), ou uma mistura de álcool estearílico (18 C) e áícool beenílico, e a mistura amida (amidas graxas pri- márias) como combinação de lubrificante/aglutinante para produção de um componente compactado, a energia total necessária para ejetar o compo- nente é reduzida substancialmente.

Exemplo 2

A estabilidade de peso, isto é, a difusão de peso entre os com- ponentes durante uma corrida de produção, foi também gravada quando se produzem componentes para as misturas C, F e G. Componentes em forma de anel tendo um diâmetro externo de 25 mm, um diâmetro interno de 19 mm e uma altura de 15 mm foram compactados em uma corrida de produ- ção contínua a uma pressão de compactação de 600 MPa, e a três diferen- tes taxas de compactação (10, 15 e 20 pancadas por minuto). Foram produ- zidos 250 componentes de cada mistura, e a cada taxa de produção. (Para a mistura G taxas de produção maiores que 10 pancadas/minuto não foram alcançáveis devido ao enchimento incompleto da ferramenta).

A figura 1 mostra a estabilidade de peso obtida a cada taxa de compactação para as misturas C, F e G expressas como desvio-padrão para os pesos dos componentes. Como pode ser visto da figura 1, uma melhoria substancial da estabilidade de peso é alcançada quando se produzem com- ponentes a partir da mistura conforme a invenção (mistura C) comparados aos componentes produzidos a partir de uma mistura conforme a WO 2005/061157 (mistura F) e comparados aos componentes produzidos de uma pré-mistura não-aglutinada contendo o lubrificante etileno usado co- mumente bisestearamida (mistura G). Isto é especialmente pronunciado a taxas de compactação mais altas.

Claims

1. Composição de pó metalúrgico para produção de peças com- pactadas, caracterizada por compreender: (a) pelo menos cerca de 80 por cento em peso de um pó de ferro ou à base de ferro; (b) até cerca de 20 por cento em peso de pelo menos um pó de ligação; (c) de cerca de 0,05 até cerca de 2 por cento em peso de um agente aglutinante compreendendo um álcool graxo C14-C30 saturado ou não-saturado, de cadeia reta ou ramificada; e (d) de cerca de 0,001 a cerca de 0,2 por cento em peso de um agente de fluxo.

2. Composição de pó de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o álcool graxo é saturado e de cadeia reta.

3. Composição de pó de acordo com a reivindicação 1, em que o álcool graxo é selecionado do grupo consistindo em álcool cetílico, álcool estearílico, álcool araquidílico, álcool beenílico e álcool lignocerílico.

4. Composição de pó de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizada pelo fato de que o álcool graxo é selecionado do grupo consistindo em álcool estearílico, álcool araquidílico e álcool beenílico.

5. Composição de pó de acordo com a reivindicação 1, carac- terizada pelo fato de que o agente de fluxo é escolhido do grupo consistindo em negro-de-fumo e dióxido de silício.

6. Composição de pó de acordo com a reivindicação 1, carac- terizada pelo fato de que o agente de fluxo é negro-de-fumo.

7. Composição de pó de acordo com a reivindicação 6, carac- terizada pelo fato de que o tamanho de partículas do negro-de-fumo preferi- velmente está abaixo de 200 nm, mais preferivelmente abaixo de 100 nm, e mais preferivelmente ainda abaixo de 50 nm.

8. Composição de pó de acordo com a reivindicação 1, carac- terizada por compreender adicionalmente um lubrificante pulverulento or- gânico, livre de metais.

9. Composição de pó de acordo com a reivindicação 8, carac- terizada pelo fato de que o lubrificante pulverulento orgânico, livre de metais é escolhido do grupo consistindo em amida esteárica, amida araquídica, a- mida beênica, amida estearil-esteárica e etileno bisestearamida.

10. Composição de pó de acordo com a reivindicação 8, carac- terizada pelo fato de que o lubrificante pulverulento orgânico, livre de metais é beenamida.

11. Método para a produção de uma composição de pó meta- lúrgico para produção de peças compactadas, caracterizado por compreender: o fornecimento dos seguintes componentes: pelo menos 80% em peso de um pó de ferro ou à base de ferro, até 20% em peso de pelo menos um pó de ligação, de 0,05 a 2% em peso de um agente de aglutina- ção compreendendo um álcool graxo C14-C30 e de 0,001 a 0,2 em peso de um agente de fluxo; mistura dos componentes acima a uma temperatura acima do ponto de fusão do aglutinante; e resfriamento da mistura.