BRPI0620808B1 - Composição metalúrgica de pó à base de Ferro e lubrificante compósito - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPOSIÇÃO METALÚRGICA DE PÓ À BASE DE FERRO E LUBRIFICANTE COMPÓSITO". A presente invenção refere-se a uma composição metalúrgica de pó. Especificamente, a invenção refere-se a uma composição metálica de pó compreendendo um novo lubrificante compósito em partículas. A invenção também refere-se ao novo lubrificante compósito em partículas bem como a um método de preparação desse lubrificante.

Na Indústria da Metalurgia do Pó (indústria MP) metais em pó, mais freqüentemente à base de ferro, são usados para a produção de componentes. O processo de produção envolve a compactação de uma mistura metálica de pó em um molde para formar um compacto curado, a ejeção do compacto do molde e a sinterização do compacto curado a temperaturas e sob condições tais que é produzido um compacto sinterizado tendo u-ma resistência suficiente. Usando-se a rota de produção da MP, usinagem onerosa e perdas de material podem ser evitadas em comparação com a usinagem convencional de componentes a partir de metais sólidos como componentes em forma de rede ou componentes aproximadamente em forma de rede podem ser produzidos. A rota de produção MP é mais adequada para a produção de peças pequenas e bastante intrincadas tais como engrenagens.

Para facilitar a produção de peças MP podem ser adicionados lubrificantes ao pó à base de ferro antes da compactação. Usando-se lubrificantes, as fricções internas entre as partículas de metal individuais durante a etapa de compactação são reduzidas. Uma outra razão para se adicionar lubrificantes é que a força de ejeção e a energia total necessária para ejetar-se a peça curado do molde após a compactação são reduzidas. Uma lubrificação insuficiente resultará em desgaste e fricção no molde durante a ejeção do compacto curado. O problema de lubrificação insuficiente pode ser resolvido principalmente de duas formas, ou aumentando-se a quantidade de lubrificante ou selecionando-se lubrificantes mais eficientes. Aumentando-se a quantidade de lubrificante, um efeito colateral indesejado é, entretanto, encontrado pelo fato de que o ganho na densidade através de uma melhor lubrificação é revertido pela quantidade aumentada dos lubrificantes.

Uma melhor escolha seria, então, selecionar lubrificantes mais eficientes. Este é, entretanto, um problema, uma vez que compostos que têm boa capacidade de lubrificação no contexto MP tendem a se aglomerar durante a armazenagem ou contribuem para a formação de aglomerados na composição metalúrgica do pó, cuja conseqüência é que o componente sub-seqüentemente compactado e sinterizado pode incluir poros comparativamente grandes que têm um efeito prejudicial das propriedades estáticas e dinâmicas do componente. Um outro problema é que lubrificantes tendo boas propriedades de lubrificação têm frequentemente efeitos negativos nas assim chamadas propriedades do pó, tais como taxa de fluxo e densidade aparente (AD). A taxa de fluxo é importante devido ao seu impacto no enchimento do molde, o que por sua vez é importante para a taxa de produção das peças MP. Uma alta AD é importante para permitir profundidades de enchimento mais curtas e mesmo a AD é importante para evitar variações nas dimensões e no peso dos componentes acabados. É, portanto, desejado obter-se um novo lubrificante para composições de pós metálicos que supere ou reduza os problemas acima mencionados.

Objetivos da Invenção Um objetivo da presente invenção é portanto fornecer um lubrificante tendo boas propriedades de lubrificação mas nenhuma tendência, ou uma tendência reduzida, para aglomerar.

Um outro objetivo da presente invenção é fornecer um lubrificante tendo boas propriedades de lubrificação e também transmitindo fluxo ou propriedades de fluxo melhorados quando é usado em uma composição de pó de ferro ou à base de ferro.

Um outro objetivo é fornecer uma nova composição de pó de ferro ou à base de ferro que inclui o novo lubrificante e que tenha boas propriedades de fluxo e uma densidade aparente alta e regular.

Ainda outro objetivo é fornecer um processo para produção de um lubrificante.

Sumário da Invenção De acordo com a invenção, foi agora inesperadamente descoberto que os objetivos acima podem ser alcançados por uma composição metalúrgica de pó à base de ferro compreendendo um pó de ferro ou à base de ferro e um novo lubrificante compósito em partículas, o mencionado lubrificante compósito compreendendo partículas tendo um núcleo compreendendo um lubrificante orgânico sólido tendo partículas finas de carbono aderidas a ele. A invenção também refere-se ao lubrificante compósito em partículas em si bem como à sua preparação.

Descrição Detalhada da Invenção O tipo de lubrificante orgânico sólido do lubrificante compósito conforme a invenção não é crítico, mas devido às desvantagens com lubrificantes orgânicos metálicos, o lubrificante orgânico deve preferivelmente não incluir constituintes metálicos. Assim o lubrificante orgânico pode ser selecionado a partir de uma ampla variedade de substâncias orgânicas tendo boas propriedades de lubrificação. Exemplos de tais substâncias são ácidos graxos, ceras, polímeros, ou derivados e suas misturas.

Lubrificantes orgânicos sólidos preferidos são ácidos graxos selecionados do grupo consistindo em ácido palmítico, ácido esteárico, ácido beênico; e monoamidas de ácidos graxos selecionadas do grupo consistindo em palmitamida, estearamida, beenamida, oleamida e erucamida, bisamidas de ácidos graxos, tais como etileno bisestearamida (EBS), etileno bisoleami-da (EBO), polietileno, cera de polietileno; amidas de ácidos graxos selecionadas do grupo consistindo em erucil estearamida, oleil palmitamida, estearil erucamida, estearil oleamida, estearil estearamida, oleil estearamida.

Lubrificantes orgânicos sólidos especialmente preferidos são es-tearamida, erucamida, estearil oleamida, erucil estearamida, estearil erucamida, EBO, EBS e EBS em combinação com oleamida, erucamida, estearil oleamida, estearil erucamida ou erucil estearamida. Atualmente resultados disponíveis indicam que composições metálicas de pó compreendendo esses lubrificantes compósitos conforme a invenção são distinguidos pela den- sidade aparente e/ou taxa de fluxo especialmente altas. Adicionalmente esses lubrificantes são conhecidos por suas excelentes propriedades lubrificantes. O tamanho médio de partículas das partículas do núcleo orgânico pode ser 0,5 -100 pm, preferivelmente 1 - 50 pm e mais preferivelmente 5 - 40 pm. Além disso, é preferido que o tamanho de partículas do núcleo seja pelo menos cinco vezes o tamanho de partículas das partículas de carbono e é preferido que as partículas finas de carbono formem um revestimento na superfície do núcleo.

Nesse contexto, o termo "partículas finas de carbono" pretende significar partículas de carbono cristalinas, semicristalinas ou amorfas. As partículas finas de carbono podem se originar de grafite natural ou sintética, negro-de-fumo, carvão ativado, carvão e antracito etc. e pode também ser uma mistura de dois ou mais desses. As partículas finas de carbono aderidas à superfície do núcleo do lubrificante orgânico sólido podem ser preferivelmente selecionadas do grupo consistindo em negro-de-fumo e grafite natural ou sintética, tendo um tamanho médio de partícula menor que 10 pm e maior que 5 nm. O tamanho de partículas primário do negro-de-fumo deve ser menor que 200 nm, preferivelmente menor que 100 nm, e mais preferivelmente menor que 50 nm e maior que 5 nm. A área de superfície específica pode estar entre 20 e 1000 m2/g conforme medido pelo método BET. O ne-gro-de-fumo pode ser obtido de um fornecedor tal como Degussa AG, Alemanha. O teor de negro-de-fumo no lubrificante compósito pode ser 0,1-25% em peso, preferivelmente 0,2-6% em peso e mais preferivelmente 0,5-4% em peso. O tamanho médio de partículas da grafite pode ser menor que 10 pm e maior que 500 nm. O teor de grafite no lubrificante compósito pode ser 0,1-25% em peso, preferivelmente 0,5-10% em peso, e mais preferivelmente 1 -7% em peso. A grafite pode ser obtido de um fornecedor tal como Graphit Kropfmühl AG, Alemanha, ou uma grafite sintética com uma área de superfície ultra-alta da Asbury Carbons, Estados Unidos. O teor de lubrificante compósito na composição metálica de pó pode ser 0,05-2% em peso. O lubrificante compósito em partículas conforme a invenção pode ser preparado pela técnica comum de revestimento de partículas envolvendo a mistura de um material lubrificante orgânico em partículas e partículas finas de carbono. O método pode também compreender uma etapa de aquecimento. A temperatura para o tratamento térmico pode estar abaixo do ponto de fusão do lubrificante orgânico sólido em partículas. O lubrificante orgânico sólido em partículas pode ser misturado vigorosamente com as partículas finas de carbono em um misturador. O misturador pode ser um misturador de alta velocidade. A mistura pode ser a-quecida durante a mistura a uma temperatura e durante um período de tempo suficiente para deixar as partículas finas de carbono aderirem à superfície do material lubrificante orgânico em partículas durante a etapa de resfriamento opcional subseqüente. O pó à base de ferro pode ser um pó à base de ferro pré-ligado ou um pó à base de ferro tendo elementos de ligação aglutinados por difusão às partículas de ferro. O pó à base de ferro pode também ser uma mistura de pó de ferro essencialmente puro ou pó à base de ferro pré-ligado e elementos de ligação selecionados do grupo consistindo em Ni, Cu, Cr, Mo, Μη, P, Si, V, Nb, Ti, W e grafite. O carbono na forma de grafite é um elemento de ligação usado em grande escala para dar propriedades mecânicas suficientes aos componentes sinterizados acabados. Adicionando-se carbono como constituinte individual à composição de pó à base de ferro, o teor de carbono dissolvido do pó à base de ferro pode ser mantido baixo, aumentando a capacidade de compressão melhorada. O pó à base de ferro pode ser um pó atomizado, tal como pó atomizado com água ou pó de ferro esponja. O tamanho de partículas do pó à base de ferro é selecionado dependendo do uso final do material. As partículas do pó de ferro ou do pó à base de ferro podem ter um tamanho médio de até cerca de 500 pm, mais preferivelmente as partículas podem ter um tamanho médio na faixa de 25-150 pm, e mais preferivelmente 40-100 pm. A composição metálica do pó pode também compreender um ou mais aditivos selecionados do grupo consistindo em aglutinantes, auxiliares de processamento» fases duras» agentes de aumento da capacidade de usi-nagem se houver necessidade de usinagem do componente sinterizado» e lubrificantes sólidos convencionaimente usados na indústria da MP tais como EBS, estearato de zinco e Kenolube® disponibilizado pela Hõganãs AB. A concentração do lubrificante compósito em pó conforme a invenção mais os lubrificantes sólidos opcionais pode estar na faixa de 0,05 a 2% de uma composição metálica de pó, A nova composição de pó de ferro ou à base de ferro pode ser compactada e opcionalmente sinterizada pelas técnicas convencionais da MP.

Os exemplos a seguir servem para ilustrar a invenção, mas o escopo da invenção não deve ser limitado por tais exemplos.

Exemplos Materiais Foram usados os seguintes materiais: (1) Como pó à base de ferro atomizado com água foi usado o (ASC100.29, disponibilizado pela Hõganãs AB, Suécia). (2) Omo materiais de núcleo de lubrificantes foram usadas as seguintes substâncias: etileno bisestearamida (EBS) disponibilizado como Li-cowax® pela Clariant (Alemanha), estearamida, erucamida, oleil pal-mitamida, estearil oleilamida, erucil estearamida, estearil erucamida, etileno bisoleamida (EBO) e ceras de polietileno. Os tamanhos médios de partículas dos lubrificantes podem ser vistos na Tabela 2. (3) Grafite UF-4 (da Graphit Kropfmühl AG, Alemanha) foi usado como grafite adicionado à composição de pó à base de ferro. (4) As partículas de revestimento foram Grafite UF-1 (UF1) (da Graphit Kropfmühl AG, Alemanha) e Grafite 4827 (4827) da Asbury Carbons, EUA) tendo um tamanho médio de partículas de 2 pm e 1,7 pm res-pectivamente, e Negro-de-fumo (CB) (da Degussa AG, Alemanha) tendo um tamanho médio de partículas de 30 nm.

As composições de pó à base de ferro consistiram em ASC100.29 misturado com 0,5% em peso de grafite e 0,8% em peso de lubrificante compósito.

Lubrificantes compósitos diferentes foram preparados misturando-se o material de núcleo conforme as Tabelas 1 e 2 com partículas finas de carbono em diferentes concentrações em um misturador de alta velocidade de Hosokawa. Foi adicionado o negro-de-fumo nas concentrações de 0,75, 1,5, 3 e 4% em peso, respectivamente. A grafite foi adicionada a concentrações de t ,5, 3, 5 e 6% respectivamente aos lubrificantes compósitos. Os parâmetros de processo para o processo de mistura, tais como temperatura do pó no misturador e tempos de mistura para cada composto, podem ser vistos na Tabela 2. A velocidade do rotor no misturador foi de 1000 rpm e a quantidade de material de núcleo lubrificante foi de 500 g.

Tabela 1.

Substâncias lubrificantes usadas como materiais de núcleo Tabela 2.

Parâmetros do processo Diferentes composições de pó à base de ferro (misturas nos 1-63) de 25 kg cada uma foram preparadas misturando-se o lubrificante compósito obtido ou um lubrificante em partículas convencional (usado como referência) com grafite e ASC100.29 em um misturador Nauta de 50 kg. As partículas do lubrificante orgânico sólido nas misturas 36-38 e 50-61 foram fundidas, subsequentemente solidificadas e fracionadas em partículas muito finas antes de ser usadas como material de núcleo para preparar os lubrificantes compósitos ou antes de serem adicionadas às misturas em referência. A densidade aparente (AD) e o fluxo Hall (fluxo), foram medidos, conforme a ISO 4490 e 1S03923-1, respectivamente, nas composições de pó à base de ferro obtidas 24 horas após a mistura. A Tabela 3 mostra os resultados das medições.

Como pode ser visto da Tabela 3, a taxa de fluxo das composições de pó à base de ferro é melhorada e densidades aparentes mais altas podem ser obtidas quando se usa os diferentes lubrificantes compósitos conforme a invenção como lubrificantes se comparado com o uso de um lubrificante convencional. De fato, quando uma composição MP contendo um lubrificante convencional não tem fluxo, a composição MP contendo o lubrificante compósito da invenção fornece fluxo. Densidades aparentes e/ou taxas de fluxo especialmente altas foram obtidas para composições metálicas de pó contendo lubrificantes compósitos de acordo com a invenção contendo estearamida, erucamida, erucil estearamida, estearil erucamida, EBO, EBS e EBS em combinação com oleamida ou estearil erucamida.

Para medir-se a tendência dos lubrificantes compósitos e dos lubrificantes convencionais de formarem aglomerados, os lubrificantes foram peneirados em uma peneira-padrão de 315 pm após armazenagem de pelo menos uma semana. A quantidade de material retido foi medida. A Tabela 4 mostra que a tendência de formação de aglomerados diminui quando o material de núcleo do lubrificante orgânico é coberto por partículas finas de carbono resultando em um lubrificante compósito conforme a invenção. O mesmo tipo de medição conforme mostrado na tabela 4 foi repetido com certas composições de pós à base de ferro para avaliar a tendência de formação de aglomerados em uma composição de pó à base de ferro contendo lubrificantes convencionais e lubrificantes compósitos conforme a invenção respectivamente. A Tabela 5 mostra que a tendência de formação de aglomerados é menos pronunciada em composições de pós à base de ferro contendo o lubrificante compósito conforme a invenção se comparado com composições compreendendo um lubrificante convencional.

Tabela 3, Taxa de fluxo e densidade aparente (AD) das composições 1-63 Tabela 4.

Tendência de formação de aglomerados para lubrificantes convencionais e lubrificantes compósitos conforme a invenção <

Tabela 5.

Tendência de formação de aglomerados em composições de pós à base de ferro contendo lubrificantes convencionais e os lubrificantes compósitos conforme a invenção.

Claims (13)

1. Composição metalúrgica de pó à base de ferro compreendendo um pó de ferro ou à base de ferro e um lubrificante compósito em partículas, caracterizada pelo fato de que o lubrificante compósito compreende partículas tendo um núcleo compreendendo um lubrificante orgânico sólido tendo aderidas a ele partículas finas de carbono.

2. Composição de acordo com a reivindicação 1, em que as partículas de carbono são selecionadas entre grafite natural ou sintética, negro-de-fumo, carvão ativado, carvão e antracito.

3. Composição de acordo com a reivindicação 1, em que as partículas de carbono são selecionadas entre grafite natural ou sintética e ne-gro-de-fumo.

4. Composição de acordo com a reivindicação 1, em que as partículas de carbono formam um revestimento no núcleo.

5. Composição de acordo com a reivindicação 1, em que as partículas do núcleo orgânico são selecionadas do grupo consistindo em ácidos graxos, ceras, polímeros, ou derivados e misturas dos mesmos.

6. Composição de acordo com a reivindicação 1, em que o tamanho médio de partícula das partículas do núcleo orgânico é de 0,5-100 pm.

7. Composição de acordo com a reivindicação 1, em que o teor do lubrificante compósito na composição do pó metálico é de 0,05-2% em peso.

8. Composição de acordo com a reivindicação 1, em que o tamanho de partícula do núcleo é pelo menos cinco vezes o tamanho de partícula das partículas de carbono.

9. Composição de acordo com a reivindicação 2, em que o tamanho de partícula do negro-de-fumo é menor que 200 nm.

10. Composição de acordo com a reivindicação 2, em que o teor de negro-de-fumo no lubrificante compósito é de 0,1-25% em peso.

11. Composição de acordo com a reivindicação 2, em que o tamanho médio de partícula da grafite é menor que 10 pm.

12. Composição de acordo com a reivindicação 2, em que o teor de grafite no lubrificante compósito é 0,1-25% em peso.

13. Lubrificante compósito para composições de pós metálicos, caracterizado por compreender partículas tendo um núcleo compreendendo um lubrificante orgânico sólido tendo aderidas a ele partículas finas de carbono.