TW201034773A - Composition of particulate materials for forming self-lubricating products in sintered steel, product in self-lubricating sintered steel and process for obtaining self-lubricating products in sintered steel - Google Patents

Description

201034773 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於製造成品（部件）與半成品（若干物件） 之特疋技術，其由微粒材料（呈金屬與非金屬粉末形式）之 冶金組合物保形而得及其經設計以待燒結，除構成待於燒 結步驟中形成產物之金屬結構基質之元素外，該等產物尚 包括呈微粒形式之固態潤滑劑前驅物相’其藉由在燒結步 驟中解離，在該金屬基質之體積中形成固態潤滑劑沉澱， 其導致形成呈現連續金屬基質之自潤產物之微結構，且其 可在及燒結產物與該燒結部件或產物賦予與高機械強度及 =硬度有關之低摩擦係數。本發明係關於用於在燒結期間 田％」形成自潤材料之該冶金組合物，關於在燒結鋼中 由為組合物獲得之部件或產物，亦係關於藉由粉末冶金學 獲得該等部件或產物之特定另__技術或方法。 【先前技術】 考慮到技術開發之先進階段，需要開發具有高性能之功 能性材料，其等為若干應用之每一特定組所特定設計。在 ::機械工程應用t ’存在同時具有與低摩擦係數相關之 间機械強度及高磨損強度的材料之需要。 據估計地球上產生的婢 幻心機械能有約35%係由於潤滑不足 而損失’且其因摩擦而轉 化為熱里。除能篁損失以外， 生的熱量會由於加熱而損宝 _ 貝σ機械糸統之性能。因此，在麇 擦下之機械部件中維持低 于低厚擦係數極其重要，不僅俜為了 能量經濟，並且亦Α 7保 小值保為了 ，’、了㈢進該等部件及其等於其中操作之 144798.doc 201034773 機械系統之耐久性，除此之外還因減少廢棄材料而有助於 保護環境。 經用以減少在相對運動中的表面之間的磨損與摩擦之方 * 式係在其間***潤滑層以維持此等表面分離。在可行之潤 . 滑方法中，最常使用流體動力學（流體潤滑劑）。在流體動 _ ] π中形成油膜，此油膜將處於相對運動狀態之表面 王刀離然而，應指出當在極高或極低溫度下之應用 〇 巾、、在流體潤滑劑可起化學反應之應时及當流體潤滑劑 可成為污染物時，使用流體潤滑劑通常會有問題。此外， 在由循環停止而引起限制潤滑之情況下，或在不可能形成 料油膜之情況下，在部件之間會發生接觸，因此會導致 該等部件之磨損。 乾式潤滑（即使用固態潤滑劑者）係傳統潤滑之另一選 =此因其係藉由存在—可防止组件表面間的接觸但未表 現出形成層之破壞的固態潤滑層而作用之故。 ❹ „固態_劑於難以解決的潤滑區域中已得到極佳之接受 等可在極端溫度下、在高負荷條件下及在化學反 ；兄下使用’在該等情況下無法使用習知潤滑劑。此 外，乾式潤滑（固態潤滑劑）係一環境較清潔之選擇方幸。 生=1:骨劑可施用於摩擦對之組件上，其係呈沉積或產 顆极i面上的薄膜（或層）之形式，或係以第二相 或層且在其等受到磨損之::下=。當施用㈣^ 觸及因此在未受保護的相對？ 0發生金屬-金屬接 t表面與相對可移動組件上產生 I44798.doc 201034773 快速磨才貝。在此類方余田t邊相^ 貝把用溥膜或層之解決方案中，應進一步 考慮替換㈣社難度，及後者之氧化與降解。 因此’允許增加材料(即組件之溫度)壽命之更加妥善的 解决方案係將固態潤滑劑併入構成該組件之材料的體積 中’以使付以低摩擦係數之複合材料形成該組件之結構。 此可通過由h末冶金學技術而實#，即藉由包含壓製、親 壓、播壓及射出成形之壓實法將粉末混合物成形，然後燒 結以獲得連續、通常已呈最終幾何結構與尺寸（成品）或呈 接近於成品者（半成品）之幾何結構與尺寸之複合材料。 呈現出低摩擦係數的自潤機械組件(諸如燒結自潤軸襯) 係由开/成燒結部件之金屬結構基質且與固態㈣劑粉末混 合之金屬粉末藉由粉末冶金學製得。該等組件已用於各種 家用電器與小型設備中，諸如：印表機、電動刮鬍刀、鑽 機、搜拌器及其類似物。大多數該結構基質之已熟知之先 前技術解決方案使用青銅、@、銀與純鐵。㈣㈣潤滑 劑者為：二硫化鉬（MoS2)、銀（Ag)、聚四氟乙烯（ptf幻與 二硒化鉬（MoSe2)。具有此類主要具有青銅與銅基質，包 含石墨粉末、硒與二硫化鉬及低熔點金屬作為固態潤滑劑 顆粒之自潤材料的軸襯已在許多工程應用中製造及使用數 十年。 然而，此等部件並未呈現出與其固態潤滑劑顆粒高體積 含量（自25%至40%)成函數關係的高機械強度，其導致基 質相之低程度連續性，基質相之連續性係造成該部件機械 強度之微結構要素。據認為在金屬基質之機械性能（強度 144798.doc 201034773

與硬度）及微結構參數兩者未針對需要具有高機械強度之 #件的應用加以最佳化的狀況下，需要此高含量固態潤滑 劑來獲得低摩擦係數，該微結構參數係諸如分散於基質中 之固態潤滑劑顆粒之尺寸與在所形成複合材料中此等顆粒 間之平均自由行程。具有固有低剪切強度之固態潤滑劑之 同體積百分比並不利於金屬基質之機械強度。此外，由於 在機械均勾化粉末混合物（在混合機中進行）與壓實混合物 之步驟期間產生剪切力，故該等固態潤滑劑顆粒較易剪切 及改變其等形狀，甚至降低所形成自潤複合物之金屬結構 基質的連續性程度。 此外，金屬基質之低硬度會逐漸在燒結材料或產物之接 觸面上產生固態潤滑劑顆粒阻塞。因此，為維持足夠低的 摩擦係數，傳統上在乾式自潤複合材料之組合物中使用高 體積百分比之固態潤滑劑。 相較於先前所述，於US 6890368A令揭示一局部差異及 更先進的方案，其提出在300。<:與600。(：之間範圍之溫度下 使用、具有充足的牽引阻W400 Mpa)及低於〇3之摩擦 係數的自潤複合材料。此文獻提出_種獲得低摩擦係數之 部件或產品之解決方案，其係自形成金屬結構基質之粒狀 材料之混合物燒結，且於其體積中主要包含六方氮㈣、 石墨或其混合物作為固態潤滑劑顆粒，且其陳述該材料適 、具有充足 於在介於300°C與600°C之間範圍之溫度下使用 的牽引阻力（R24〇0 MPa)及小於ο」之摩擦係數 如於2008年9月Π日申請，在與本發明同一申請人名下 144798.doc 201034773 之巴西專利申請案（臨時號碼為018080057518)中所述，由 同時存在結構基質粉末與諸如六方氮化硼及石墨之固態潤 滑劑粉末的粉末混合物聚結而得㈣件或產物在燒結後具 有低機械強度及結構脆性。 上述引述之缺失係由在待製得部件或產品之混合與保形 ㈤緊）步驟期間’在結構基質之粉末顆粒之間之固態潤滑 劑相藉由剪切力的散佈(分散)不充分所引起。該固態濁滑 劑藉由剪切散佈在該結構基質相的顆粒之間，且在混合與 保形步驟期間傾向於包圍該等顆粒，該等步驟使該固態潤 滑劑受到超過其低剪切應力之應力作用。 另一方面，在結構基質之顆粒（粉末）之間存在由剪切形 成之固態㈣制财在燒結期間職複合物之結構基質 的此等顆粒之間接觸之金屬的形成；此促使複合材料之结 ，質相的連續性程度降低，結構上使材料及所得產物脆 該等問題經由上述所提及之先前巴西專利申請案中所相 2解決方案大部分都可解決，此導致獲得具有機械強肩 較先前技術解決方案高之複合材料。 然而，在與本發明相同申請人的該先前 提出之解決㈣中’必須令諸如六方1_、石墨=^ :非金屬微粒固態潤滑劑混合於形成待燒結複合產物之封 ^基^金屬材料中，其進—步要求加人至少—種微粒告 八二’以使在經保形之冶金組合物之燒結步驟期間形成 I形成結構基質之微粒材料與非金屬微粒固態潤滑劑之 344798.doc 201034773 =液相，以使後者在離散顆粒中聚結及防止非金屬 固悲潤滑劑藉由剪切散佈於結構基質相之顆粒之間，防止 其於在待製得部件或產物之混合及保形(壓實)期間傾向包 圍結構基質相之顆粒，將後者脆化。 面臨上述之缺點，期望提供—種不要求在待燒結冶金组 合物中預先混合固態湖滑劑顆粒，亦不需要在該冶金組合 ❹

物中加入合金元素以在該組合物之燒結期間於其中形成液 相之解決方案。 【發明内容】 因此本發明之一目的係提供一種用於形成燒結鋼之微 粒材料的組合物’其包括允許本身及在其燒結期間形成直 了結構基質高連續性程度之自满燒結鋼中的成品或半成 品，及在燒結中產生之固態潤滑劑相之較佳分佈。 亦為本發明目的係、提供_種自潤燒結鋼中的產物，其由 藉由經由壓製、輥壓及其他之粉末壓實或藉由射出成形之 保形，然後燒結上述所界定之組合物而獲得，且其呈現出 金屬結構基質之高連續性程度，低摩擦係數及高機械強度 及高硬度，及在燒結中形成的石墨之固態潤滑劑相之精: 分佈。 本發明之又另-目的係提供—種由該微粒材料組合物獲 得諸如上述所定義之自潤燒結鋼中的產物之方法，該方法 包含既不在待燒結之冶金組合物中預先混合固態潤滑劑顆 粒，亦不在该冶金組合物中加入在該組合物之燒結期間於 其中形成液相的合金元素。 144798.doc 201034773 在本發明之第一雖掃φ，u、* 〜、’ 上述引述之目的可經由用於製 造自潤燒結鋼中之逄物的M j, 屋物的微粒材料組合物而達成，其預先 藉由將該組合物壓實及射出成形中之—種操作加以保形， 〇亥組。物包括·作為主要微粒金屬材料之鐵；至少一且有 錢硬化之功能的微粒合金元素，於此處形成含鐵結構基 負，及非金屬化合物，其係待於燒結期間在產物中形成之 石墨的固態潤滑劑相之前驅體。 在實行本發明之方法φ， 非金屬微粒化合物係包含使 含鐵結構基質之鐵α相安定的彳卜與__本 文疋的化學疋素之碳化物或碳酸鹽 類化合物。在實行本發明之 个放Θ乏另方法中，該非金屬微粒化 合物係衍生自任何使鐵α相安定 仰文疋之化學兀素，從而在冶金 組合物中必要包含用g 已各用於使鐵α相安定之額外微粒合金元 素0 在本發明中’在部件或產物之燒結步驟期間，藉由前驅 體相之解離形成石墨顆粒。作為用於實行本發明之前驅體 相的實例’可列舉：碳化石夕（响、石炭化翻（M〇2C)、碳化 鉻（Cr3C2)、及其類似物。在製備構成新穎複合村料之粉末 混合物中，將呈微細粉末顆粒之形式（較佳5 _至25 _) 的碳化物混合於鐵粉末(主要組份)中及存於該粉末混合物 中之其他合金元素粉末。導致石墨節結在形成自潤燒結鋼 之含鐵基質中沉殿之最象徵性碳化物為彼類在其等化學式 中具有可強效地使鐵α相安；^之化學元素，例如存於碳化 石夕（SiC)中之元素Si。在燒結步驟_，亦即在部件或產物 之燒結溫度下，碳化石夕（Sic)解離且化學元素珍變成在鐵中 144798.doc 10 201034773 (亦即在含鐵結構基質令)之固體溶液。隨著训解離之進 行在處於解離之SlC顆粒的周圍之含鐵基質中的溶解 置增加。如可在鐵-石夕平衡圖所證實，化學元素石夕可強效 . 地使鐵α相安定；在Fe-Si圖中的循環，―㈣）之頂點發 .生於。2.15重量％(4.2% at)Si之值。因此，在-般於介於 1125°C與125代之間進行的燒結鋼之燒結期間，當石夕在處 於解離之SK：顆粒周圍之鐵中溶解的濃度達到γ相之溶解極 ❹ _則會發生γ_鐵成為α-鐵之轉變。在Sic解離製程之 第瞬間’雖然Si濃度未達到使處於解離之训顆粒周圍 安定之所茜值，但由解離產生之碳亦會變成固體溶 .液’並散佈於基質内部，但-旦處於解離之Sic顆粒周圍 的含鐵基質轉變為_，則轉叙輕㈣碳於鐵^相中 之溶解性極低（在727〇C下之最大值為0.022重量％)之故而 被甲斷。因此’由於碳化物解離所釋出之碳形成由α-鐵層 包圍之石墨節結’唯其餘基質可繼續存在作。 Q 【實施方式】 如上所提及，本發明之—目的係提供—種微粒材料之組 .合物，其可經均勾混合及藉由塵實（慶製、輥屡）或藉由擠 壓或射，成形粉末而保形（星緊），以致其可呈現出待遞交 至燒結知作之明確幾何結構（部件）’以獲得相對於先前技 術教π所獲得之產品呈現高硬度、機械強度及較低摩擦係 數之產物《>本發明之組合物包括：一在該組合物之形成中 佔優勢之主要微粒金屬材料，及至少一具有使該佔優勢材 料硬化之功能的；^ 4人 — 的试粒合金疋素，此等組份引起於鋼中待燒 144798.doc 201034773 結複合產物内形成結構基質；及一允許在燒結期間因其解 離而獲得固態潤滑劑節結之前驅體微粒材料。 ' 根據本發明及如圖2中所圖示，該主要微粒金屬材料為 界定含鐵結構基質10之鐵，且用於在燒結期間藉由解離產 生固態潤滑劑之節結2 〇的前驅體相係基於碳化物或碳酸 鹽，較佳由使在該含鐵結構基質10中的鐵α相安定之 元素形成的化合物。當所用之前驅體相在其組成中不含使 在該含鐵基質Η)巾之鐵安定的㈣元㈣，錢將以^夠 使鐵α相安定之量的特定額外合金元素加入本發明之材料 組合物中。 具有硬化該含鐵結構基質之功能的合金元素係（例如）由 選自鉻、鉬、碳、矽、磷、錳、及鎳之元素中一者所界 定，但應瞭解可使用在該結構基質中執行相同功能之其他 元素，諸如釩與銅，亦及可同時有多於—種合金元素。應 注意本發明要求提供可用於硬化該待於燒結期間藉由㈣ 之相互擴散（化學均勻化）而形成之結構基質1()之合金硬化 兀素，但此態樣不應限於本文所呈現之例示性合金元素。 圖ΙΑ、IB、1C及2概要地顯示在燒結期間與碳化物（sic) 之解離密切相關之複合物微結構發展的若干步驟。圖頂 示在其燒結後形成的複合材料藉由光學顯微鏡獲得之微結 構照片，及圖4顯示於節結内部呈現奈米厚度「皮或片」 之形式的沉澱石墨之結構。此結構助於在摩擦對之相對移 動表面界面上形成一摩擦層，增加固態潤滑之效率。 並行地加入使在形成複合物之粉末混合物中的鐵〇相安 M4798.doc -12· 201034773 定之其它合金元素，加速在燒結操作期間基質中α相之增 多，藉由混入材料體積中的碳化物顆粒之解離增加產生石 墨節結20之趨勢。 使鐵α相安定且來自碳化物解離之該等合金元素除了因 其等形成包圍處於解離之顆粒11的(^目丨2層而防止碳溶解 於基質中以外，其等還助於增加基質在固體溶液中之基質 硬度；然而若藉由固體溶液中的此等合金元素存在於鐵中 ◎ 所達到之硬度增量不足，則應將其他合金元素額外地加入 粉末混合物中，以使其在燒結操作期間溶解於基質中，以 期獲得應用需要之硬度及機械強度。 因此，在本發明中，材料之金屬結構基質係由鐵自動硬 化形成，鐵自動硬化係由具有使鐵α相安定之合金元素之 固體溶液達成，例如在藉由粉末冶金學加工材料中，由於 被混合於鐵粉末中的碳化物解離，故矽及鉬溶於含鐵基質 中。 Q 除了此等必要呈現使合金元素安定者以外，可將其他合 金元素加入粉末混合物中，以具調節基質之機械強度及硬 度之功能，使其達到相關於在燒結期間產生之乾式自潤複 合材料之摩擦及機械性質的高性能。作為有利地用於本發 ’ 明以增加基質之機械強度及硬度的其他合金元素之實例除 鐵α相之強效安定劑Si、Mo、及Ρ元素以外，可引述元素 Cr、Ni、Mn、W、V、及 C。 至於所用碳化物之類型’經調配用於藉由本發明之粉末 冶金學製造產物之粉末混合物組合物係由以下兩個不同的 144798.doc •13· 201034773 替代方案形成： 替代方案1 ··鐵粉末+由使鐵α相安定之化學元素形成（以 體積百分比510%混合）的碳化物粉末顆粒u，其在燒結溫 度下會因其之解離產生石墨節結20，+稱之為合金元素之 其他化學元素之粉末顆粒，其等具有增加含鐵結構基質⑺ 之硬度及強度之功能； 替代方案2 :鐵粉末+非由使鐵〇1相安定之化學元素形成 (以體積百分比$ 1 〇 %混合）之碳化物粉末顆粒+使鐵α相安定 之合金元素粉末，該粉末具有使含鐵基質之鐵α相安定的 功能，以防止來自碳化物解離之碳為含鐵基質所溶解，+ 存在以調節複合物之結構基質機械性質的其他合金元素。 由於該金屬含鐵結構基質丨⑽斯待形成之複合材料機 械強度之組合物的唯—微結構要素，故該複合物之基質的 連續性程度越高，則由該材料製造之燒結物件或部件之機 械強度就越而。為保持乾式自難結複合材料之金屬結構 基質之同私度連續性’ $ 了低孔隙度外，還需要低體積百 刀比的固匕、潤滑劑相，Λ因該固態潤滑劑不利於材料之機 械強度’&因此不利於燒結產物之機械強度之故。除此以 外’存於材料之體積内之該固態潤滑劑應呈均勻分佈於體 積中之離散顆粒或節社2〇 飞即、20之形式分散，即在含鐵結構基質 10之内部具有規則平均自由行程、（見圖2)。此可促使 =較^潤滑效率並同時確保基質之較高連續性程度，從 而確保複合材料之較高機械強度。 材料之金屬基質需能高度抗塑性變形，以不僅能作為具 l4479S.doc -14- 201034773 有必要負荷容量之機械支承物來操作，並且亦可防止固態 潤滑劑顆粒在操作部件時（當於相對㈣中摩擦時）因結構 基貝之塑性變形而被覆蓋，防止固態潤滑劑散佈於其應形 成固態潤滑劑層之界面中。 根據本發明，使鐵α相安定之該額外的合金組份係由選 自磷、矽、鈷及鉬的元素中至少一者所界定。雖然據認為 此4元素係最適於分開地或共同地在燒結溫度（約111 。至約1250 C )下起安定鐵α相之作用，但應瞭解本發明在於 安定鐵α相，以破壞碳解離之概念，而不在於所用之合金 組份必須為本文例示者的事實。 當本發明之組合物藉由壓實保形時，該主要微粒金屬材 料（鐵）呈現較佳介於約5 μηι與約90 μιη之間的平均粒度。 依次具有硬化該結構基質之功能的該硬化元素，且該固態 潤滑劑相（化合物）之該前驅體組份應呈現較佳小於當量約 45 μιη之粒度；其應進一步理解為該主要微粒金屬材料， Q 亦即鐵之平均粒度應總是大於該固態潤滑劑相之該合金元 素及S兹刖驅體组份（化合物）之平均粒度。 當本發明之組合物藉由射出成形保形時，該主要微粒金 屬材料（鐵）呈現較佳介於約5 μηι與約25 μηι之間的粒度。 同樣地’該固態潤滑劑相之該合金元素及該前驅體組份 (化合物）呈現較佳亦介於約5 μηι與約25 μηι之間的粒度。 當在燒結前之組合物之保形係藉由擠壓或藉由射出成形 進行時’該組合物應進一步包括至少一有機黏合劑，其較 佳係由石蠟及其他蠟類、EVA及低熔點聚合物組成之群中 144798.doc •15, 201034773 選出，在藉由擠麼成形時，其比例通常為冶金組合物納體 積之約15%至約45%，及在藉由射出成形而保形時，:常 為約卿〇至45%。在保形步鄉後，從該組合物中提取出： 有機黏合劑，例如藉由在將經保形之產物？丨至燒結步^ 前進行蒸發而達成。 ’驟之 上述之組合物係藉由在任何適當的混合器内，將經選出 用於形成該組合物及用於隨後獲得自潤燒結產品之預〜 的微粒材料混合而獲得。 疋里 將不同微粒材料之混合物均勾化並將其遞交至藉由壓 實，亦即藉由壓製或輥壓或亦藉由粉末之擠壓成形切出 成形，在此操作中不僅獲得粉末質量之壓實而且待藉由声 結獲得之產物之期望形狀。 70 在藉由擠壓成形或射出成形而保形之情況中，將含 機黏合劑之組份混合物在不低於溶化該有機黏合劑之溫度 下句勻化，將經如此均勻化之混合物造粒以便於其處理、 儲存及供應至射出成形機。 在該部件保形後，將其遞交至 父至該專有機黏合劑之提取， 其通常以兩個階段執行，第一 1¾奴為在洛劑（例如，己烧） 中化學提取製程及第二階段A获 白权為藉由熱分解或CD電漿輔助 熱製程之提取製程。 电采稀助 使用本文所提及之組合物’ J设付具有硬度為230 HV至 700 HV、摩擦係數μ $ 〇 15、 機械牽引阻力為350 MPa至 750 MPa(視所存在之合金元 至 及所用之加工參數而定）亦 及具有内部結構呈奈米厚戶 又之皮之形式的非晶形碳節結之 144798.doc 201034773 刀佈的自潤燒結部件或產物，其利於石墨於可移動表面之 界面内散佈，形成一固態潤滑劑層。 广5、6八、沾，7具有例示使本發明之組合物保 形之不同可仃性，其藉由將若干預定量之組合物壓實成任 2所期望之㈣’該等所減之形狀可為待獲得之自潤燒 結成品部件或產物所期望者或與所期望成品相近之形狀广 然而’在大量之應用中’僅在待遞交至摩擦接觸其他相 Ο

對可移動元件之機械組件或部件之一或多個表面區域中需 要自潤特性。 而 因此，期望的自潤產物可如圖5所示由較佳以微粒材料 保形及在一或兩個對立面31中接受本發明之組合物如之表 面層41之結構基板3G所構成。在所述之實射，該結構基 板3〇與該組合物4〇之兩對立表面層在任何適當的模具μ之 I部藉由兩個相對衝頭ρ壓實，形成經壓實及經保形之複 α產物1，其後將其遞交至燒結步驟。在此實例中，僅該 …構基板30之該兩個對立面3丨呈現期望的自潤性能。 圖6A與6B例示分別呈棒2與管3之形式之產物，其係由 在適當的擠壓基質（未闡述）中擠壓該組合物4〇而獲得。在 此例中，藉由壓實該組合物4〇使其保形係在後者之擠壓步 驟中進行。然後可將棒2或管3遞交至燒結步驟，用於形成 .线基、’Ό構基質1 〇及併入離散、經分散的微粒固態潤滑劑 及其之顆粒。 圖6C闡述藉由一複合棒4形成之產物之另一實例，其包 括於微粒材料中製成之一結構芯35及其由本發明之該組合 144798.doc •17· 201034773 物40形成之—表面層41於外周上包圍。同樣的，在此例 中，該結構芯35及在該組合物4〇中之該外表面層…之保形 與麼實（麼緊）係由該複合棒4之兩部分共擠虔而獲得， 將其遞交至燒結步驟。 思 當藉由擠壓將該冶金組合物4〇進行壓實時，例如如於圖 6A、6B#6C之棒2、3與4之形成中的情況，該組合物可進 一步包括有機黏合劑，其可在該組合物之保形後及在^士 步驟之前藉由任何已知之移除技術從該組合物中經熱去 該有機黏合劑可為（例如）由石樣及其他壤類、EVA及低 熔點聚合物組成之群中選出之任—者。 _ 广亦概要顯示獲得燒結鋼中之複合產物的另—方法， 該複合產物呈現-或多個具有自潤特徵之表面區域。在此 貝,J中待獲付之該產物5呈現以微粒材料形成之經預先 成形為條狀物形式之結構基板3G，其指出在該結構基㈣ =—對立面上以連續條狀物之形式輥愿本發明之該組 合物40之表面層41。鈇 ，、、、後將該稷合產物5遞交至燒結步 驟。 雖然本發明已藉由—此 二了的S物及與不同結構基板 =例呈現於文但應瞭解該等組合物 此項技術者當淺顯易懂之變化，而不脫離控制呈 離散顆粒之固態潤滑劑 列4在結構基質内之分佈，亦及該固態 /閏α劑在燒結步驟中 冷於§亥基質中之最終傾向之發明概 '公如於本技術說明書隨附之申請專利範圍中所定義。 144798.doc -18- 201034773 【圖式簡單說明】 本發明已參考作為本發明實施例的實例之附圖描述於 上，其中： 圖1 A、1B及1C依序及概要地顯示在燒結步驟期間因與 鐵粉末（基質）混合之碳化物顆粒之解離而引起的微結構之 發展，圖1A顯示在製程之起始相中的材料之兩相微結構，

其中碳化物顆粒仍完整，亦即反應尚未被引發，同時圊1B 顯不奴化物已發生部分解離之狀況及圖1C顯示已完全解離 之狀況； 圖2概要地顯示用於在具有低摩擦係數之鋼中的複合材 料體積内的固態潤滑劑顆粒或節結之分佈之所需理想狀 況，其允許維持該複合材料基質之高程度連續性；在一理 想狀況下，固態潤滑劑必須呈於材料之體積内均勻分佈之 離散顆粒或節結之形式，並具有介於顆粒或節結之間的規 則平均自由行程「入」； Ο 圖3係本發明之材料在已受到燒結狀態，且在碳化物顆 粒之解離後之微結構的照片，其顯示為受到由α相及複合 材料之基質形成之透明層所包圍之石墨節結； 圖4顯示在燒結期間產生之節結内部的石墨結構之詳 . 圖，其經由利用具有場致發射搶（FEG-SEM)之掃描式電子 顯微鏡以高增加率（20，_ χ)而獲得之照片，其證明呈奈 米厚度的石墨薄皮或薄片之形式的結構，· 圖5概要地及以一簡圖顯示在形成隨後待燒結之部件或 產物中壓實之-實例，該壓實係經作成在待燒結產品之兩 144798.doc 201034773 對立面中提供自潤層； 一或多個面僅具有一自 此製程應在當其要求於燒結部件之 潤層之時使用； 圖6A、6B與6C顯示鈕丄 ‘ 错由分別擠壓以自潤複合材料製成 之棒、以自潤複合材料製成之管、及具有芯以金屬合金製 成、外層塗佈有自潤材料之棒進行壓實而獲得成形之產品 實例；及 圖7概要地及以簡圖顯示在形成隨後待燒結之部件或產 品中壓實之實例，該壓實係藉由將自潤複合材料輥壓在金 屬合金板或條之對立面上而達成。 【主要元件符號說明】 1 複合產物 2 棒 3 管 4 複合棒 5 複合產物 10 結構基質 11 顆粒 12 α相 20 固態潤滑劑 21 層 30 結構基質 31 對立面 35 結構芯 40 冶金組合物 144798.doc 201034773 41 Μ Ρ 表面層 模具 衝頭

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Claims (1)

1. 201034773 七、申請專利範圍： 1· 一種用於在藉由壓實或粉末射出成形而保形之在燒結鋼 中形成自潤產物的微粒材料組合物，其特徵在於其包 括：作為主要微粒金屬材料之鐵；至少—具有硬化該鐵 之功能的微粒合金元素，其於此形成一含鐵結構基質； 及一非金屬化合物，其係待於燒結期間於該複合產物中 形成的石墨之固態潤滑劑相之前驅體。 2. 如請求項1之組合物，其特徵在於該石墨之固態潤滑劑 相之刚驅體的該非金屬微粒化合物係碳化物或碳酸鹽型 之化合物’且於其組合物中包含可使該含鐵結構基質之 鐵α相安定的化學元素。 3. 如請求項2之組合物，其特徵在於使鐵〇1相安定的該化學 元素選自碳化矽、碳化鉬與碳化鉻之間。 4. 如請求項1之組合物，其特徵在於當在其之組合物中的 該非金屬微粒化合物係衍生自使該含鐵基質之鐵α相安 定的一碳化物或碳酸鹽時，其進一步包含一使鐵〇1相安 定的額外的微粒合金元素。 5. 如請求項4之組合物，其特徵在於該使該含鐵結構基質 之鐵α相安定的該額外的微粒合金元素係選自矽、磷、 鉬及鉻之元素令至少一者。 6. 如請求項2、3、4或5中任一項之組合物，其特徵在於作 為石墨之固態潤滑劑相之前驅體的該非金屬微粒化合物 呈現較佳低於待保形之該微粒材料冶金組合物質量之約 10%的體積百分比。 144798.doc 201034773 如D月求項1 2、3、4、5或6中任-項之組合物，其特徵 在於具有硬化該含鐵結構基f之鐵的功能的該微粒合金 元素係界定為選自鎳、鉻、鉬、釩、錳、銅、矽、磷及 碳之元素中至少—者。 8. 如請求項1至7中任一項之組合物，該組合物藉由粉末壓 實（壓製、輥壓、兩次壓製或壓實）而被保形且其特徵 在於該主要微粒金屬材料之顆粒（鐵粉末）呈現介於約5 μ^η至约90_之間的平均大小，具有硬化鐵之功能的該 微粒5金元素顆粒及為固態潤滑劑相之前驅體的該非金 屬微粒化合物顆粒呈現小於約45 μιη之大小。 9. 如請求項8之組合物，其特徵在於該主要微粒金屬材 料’亦即鐵之平均粒度大於該微粒合金元素及為固態潤 滑劑相之前驅體的該非金屬微粒化合物之平均粒度。 10. 如請求項⑴中任-項之組合物，該組合物藉由擠壓或 射出成形而保形，及其特徵在於以鐵之該主要微粒金屬 材料，亦及該微粒合金元素及該非金屬微粒化合物呈現 介於約5 μιη至約25 μηι之間的粒度。 U.如請求項10之組合物，其特徵在於其包括一選自由石蠟 及其他蠟類、EVA及低熔點聚合物組成之群的有機黏合 劑系統，其比例為冶金組合物總體積之約至約 45%。 12. —種自潤燒結鋼中之產物，其由如請求項1至11中任一 項所定義之微粒材料組合物所獲得，及其於燒結之前進 行保形，其特徵在於其呈現介於23〇 11¥至7〇〇 hv之間的 144798.doc 201034773 13 14, 15. Ο 16. 17. 18. 硬度，摩擦係數μ $ 0.15及介於35〇河1^至9〇〇 Μρ&之間 的牽引阻力。 如請求項12之產物，其特徵在於其界定至少一併入於— 結構基板（30)中的該冶金組合物（4〇)之表面層（41)。 如咕求項13之產物，其特徵在於該結構基板（3〇)係界定 為待與該冶金組合物（4〇)之該表面層（41) 一起燒結之微 粒材料。 如請求項14之產物，其特徵在於該結構基板（30)係呈板 或條狀物之形式，其對立面中至少一者併入該冶金組合 物（40)之一表面層（41)。 "月长員14之產物，其特徵在於該結構基板（3 〇)係呈環 周緣且外部地併人該冶金組合物（4())之__表面層（叫的 複合棒（4)之結構芯（35)形式。 一種用於在燒結鋼中由如請求項8或9中任一項所定義之 微粒材料組合物獲得自潤產物之方法，其特徵在於其包 括以下步驟： 將所定義冶金組合物之微粒材料以預定量混合； 使該微粒材料混合物均勻化； 將該微粒材料混合物壓實，以提供具有待燒結產物形 狀之混合物； 在約1125 C至約1250 C之溫度下燒結該經壓實及保形 的混合物，在燒結期間藉由於結構基質體積中的前驅體 化合物之解離而形成石墨節結。 如叫求項17之方法’其特徵在於該壓實界定該組合物 144798.doc 201034773 (40)之微粒材料混合物之步驟包括將該組合物輥壓成待 於隨後燒結之板或條狀物之形式。 19.如請求項17夕** 1’其特徵在於該壓實界定該組合物 (40)之微粒材料混合物之步驟包括在—結構基板⑽)之 對立面中之至少—者上親壓該組合物，該結構基板（30) 係呈與形成結構基質（1〇)之主要微粒金屬材料相容之微 粒材料的板或條狀物形式。 2〇·如請求項18或19之方法，其特徵在於其在燒結微粒材料 後包括冷軋該板或條狀物以減少殘餘孔隙度，然後最終 退火之額外步驟。 胃长項18或19之方法，其特徵在於該壓實界定該組合 物(4〇)之微粒材料混合物之步驟包括擠壓成由一棒⑺盥 一管（3)所界定之形狀中之一者。 、 22.如清求項17之方法，#拉外― 其特徵在於該壓實界定該組合物 4〇)之微粒材料混合物之步驟包括將該組合物擠壓成環 =一結構芯⑼之管狀套管（42)之形式以形成—複合棒 =結構'係呈與形成該結構基質⑽之主要微粒金 屬材料相容的微粒材料的棒形式。 23·ϋί項或22中任一項之方法，其特徵在於該組合物 (40)包括待於燒結步驟前從產 劑。 座*中熱去除之有機黏合 24. —種用於由如請求項⑺或丨丨中任一 〜 組合物在燒結鋼中獲得自潤產大$ &義之微粒材料 其包括以下步驟： 之方法’及其特徵在於 144798.doc 201034773 、. 將界定冶金纽合物之微粒材料以預定量混合； 使該微粒材料混合物在不低於有機黏合劑炼化的溫度 下均勻化； ㈣組合物造粒，以便於其之處理、儲存及供應至射 出成形機中； 將該微粒材料混合物射出成形，以提供具有待燒纟士產 物形狀之混合物； 0 從經成形之部件中提取該有機黏合劑；及 在約1125°C與約1250°C之溫度下燒結由粉東 <保开> 而 獲得之部件。 〇 144798.doc