RU2396144C2 - Composition of anti-friction powder materials on base of copper - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention refers to powder metallurgy, particularly to anti-friction materials for high-loaded friction units. The invention can be implemented, for example for fabrication of anti-friction bushings. Anti-friction powder material on base of copper is produced out of charge containing, wt %: tin powder 0.5-10; led powder 0.5-1.0, graphite 0.3-0.5; copper powder - the rest. Charge is pressed and sintered at successive increase of temperature from 20 to 600°C and conditioning during 1.5 hours. Further temperature is raised to 660 ± 5°C, charge is conditioned during 1.5 hours and cooled in air by means of blow-off in a flow of dissociated ammonia. Charge is then calibrated at specific pressure equal to compacting pressure and is repeatedly sintered with successive increment of temperature form 20 to 860 ± 5 °C, holding during 1.5 hours and cooling in air.

EFFECT: produced material possesses high anti-friction property and high wear resistance.

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к антифрикционным материалам для высоконагруженных узлов трения, в частности может быть использовано при изготовлении антифрикционных втулок.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to antifriction materials for highly loaded friction units, in particular, can be used in the manufacture of antifriction bushings.

Известен состав и способ получения антифрикционных порошковых материалов на основе бронзы (патент РФ №2090308, МПК B22F1/00, опубл. 1997.09.20), включающий приготовление шихты, состоящей из смеси порошков меди и стекла, с последующим смешиванием с порошком бронзы, смесь порошков меди и стекла обрабатывается в аттриторе, причем шихта состоит из следующих соотношений компонентов, мас.%: стекло - 5…20, медь - 5…20, бронза - остальное.A known composition and method for producing antifriction powder materials based on bronze (RF patent No. 2090308, IPC B22F1 / 00, publ. 1997.09.20), including the preparation of a mixture consisting of a mixture of copper and glass powders, followed by mixing with bronze powder, a mixture of powders copper and glass is processed in the attritor, and the mixture consists of the following ratios of components, wt.%: glass - 5 ... 20, copper - 5 ... 20, bronze - the rest.

Известен способ получения антифрикционного материала на основе меди (патент РФ №2203972, МПК С22С 1/05, B22F 3/20, B22F 3/24, опубл. 2003.05.10), включающий приготовление порошковой смеси путем механохимического легирования с добавлением твердой смазки и геттера, холодное прессование, спекание и горячую экструзию, при этом после горячей экструзии материал подвергают закалке при температуре 850±30°С, охлаждают в ванне с водой и подвергают старению при температуре 400±50°С, после чего охлаждают вместе с печью. Изобретение относится к способам изготовления антифрикционных материалов с твердыми смазками на основе меди, предназначенных для получения деталей триботехнического назначения (самосмазывающихся износостойких подшипников скольжения в узлах трения), при этом увеличивается процентное содержание твердых смазок в объеме материала, что повышает его прочностные характеристики.A known method of producing antifriction material based on copper (RF patent No. 2203972, IPC С22С 1/05, B22F 3/20, B22F 3/24, publ. 2003.05.10), comprising preparing a powder mixture by mechanochemical alloying with the addition of solid lubricant and getter , cold pressing, sintering and hot extrusion, while after hot extrusion the material is quenched at a temperature of 850 ± 30 ° C, cooled in a bath with water and subjected to aging at a temperature of 400 ± 50 ° C, after which it is cooled together with the furnace. The invention relates to methods for the manufacture of antifriction materials with solid lubricants based on copper, intended for the production of tribological components (self-lubricating wear-resistant sliding bearings in friction units), while the percentage of solid lubricants in the volume of the material increases, which increases its strength characteristics.

Известен состав и способ получения антифрикционных порошковых материалов на основе меди (патент РФ №2285582, МПК B22F 3/12, С22С 1/05, B22F 8/00, F16C 33/12, опубл. 2006.10.20), включающий приготовление шихты, содержащей бронзографитовый порошок с размером частиц не более 250 мкм, полученный путем размола отработанных бронзографитовых подшипников, и порошок меди в количестве 11-12% от количества бронзографитового порошка. Полученную шихту прессуют при 250-270 МПа и спекают в защитной среде при 890-910°С не менее 60 минут. Однако известный антифрикционный порошковый материал на основе меди не может использоваться для высоконагруженных узлов трения, в частности при изготовлении антифрикционных втулок.A known composition and method for producing antifriction powder materials based on copper (RF patent No. 2285582, IPC B22F 3/12, C22C 1/05, B22F 8/00, F16C 33/12, publ. 2006.10.20), including the preparation of a mixture containing bronze-graphite powder with a particle size of not more than 250 microns, obtained by grinding spent bronze-graphite bearings, and copper powder in the amount of 11-12% of the amount of bronze-graphite powder. The resulting mixture is pressed at 250-270 MPa and sintered in a protective environment at 890-910 ° C for at least 60 minutes. However, the known antifriction powder material based on copper cannot be used for highly loaded friction units, in particular in the manufacture of antifriction sleeves.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении антифрикционных свойств порошковых материалов на основе меди, увеличение их износостойкости для изготовления антифрикционных втулок.The technical result to which the invention is directed is to increase the antifriction properties of copper-based powder materials, increase their wear resistance for the manufacture of antifriction bushings.

Технический результат достигается тем, что в составе антифрикционных порошковых материалов на основе меди, включающем смесь порошка меди и легирующих материалов, новым является то, что в качестве легирующих материалов используют порошок олова, порошок свинцовый, графит, причем шихта содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:The technical result is achieved by the fact that in the composition of antifriction powder materials based on copper, including a mixture of copper powder and alloying materials, it is new that tin powder, lead powder, graphite are used as alloying materials, and the charge contains components in the following ratio, wt .%:

порошок оловаtin powder 9,5…109.5 ... 10 порошок свинцовыйlead powder 0,5…1,00.5 ... 1.0 графитgraphite 0,3…0,50.3 ... 0.5 порошок медный электролитическийelectrolytic copper powder остальноеrest

Ниже представлена таблица свойств антифрикционных материалов на основе меди.The table below shows the properties of antifriction materials based on copper.

Введенные легирующие элементы в состав композиции на медной основе имеют следующее назначение:The introduced alloying elements in the composition of the composition on a copper basis have the following purpose:

- олово хорошо взаимодействует с медью, образуя при этом легкоплавкую эвтектику (CuSn), которая легко заполняет поры и тем самым обеспечивает стабильность размеров прессуемых изделий;- tin interacts well with copper, forming a fusible eutectic (CuSn), which easily fills the pores and thereby ensures dimensional stability of the pressed products;

- графит улучшает прессуемость заготовок, улучшая эрозионные свойства медных изделий;- graphite improves the compressibility of the workpieces, improving the erosion properties of copper products;

- свинец улучшает антифрикционные свойства изделий и обеспечивает стабильность размеров после спекания.- lead improves the antifriction properties of products and ensures dimensional stability after sintering.

При изменении диапазона количественного состава компонентов происходит ухудшение физико-технических свойств получаемого материала, что не позволяет его использовать в производстве антифрикционных втулок шестеренчатых маслонасосов.When changing the range of the quantitative composition of the components, the physical and technical properties of the resulting material deteriorate, which does not allow it to be used in the production of antifriction bushings of gear oil pumps.

Технологический процесс получения антифрикционного порошкового материала на основе меди включает следующие основные операции: подготовка исходных компонентов; взвешивание исходных компонентов; перемешивание составляющих шихты; дозировка; прессование; спекание, калибровка и дополнительное спекание.The technological process for producing antifriction powder material based on copper includes the following basic operations: preparation of the starting components; weighting of the starting components; mixing the components of the mixture; dosage; pressing; sintering, calibration and additional sintering.

Операция подготовки исходных материалов заключается в получении порошковой фракции с размерами частиц 140÷150 мкм и менее методом просеивания через сетки с размерами ячейки заданных размеров и сушки графита при температуре 100°С. Затем просеянные и отобранные по необходимым фракциям порошки взвешивались на гастрономических весах типа РМ 10Ц13у с точностью до ±0,5 г.The operation of preparing the starting materials consists in obtaining a powder fraction with particle sizes of 140 ÷ 150 μm or less by sieving through grids with mesh sizes of predetermined sizes and drying graphite at a temperature of 100 ° C. Then, the powders sifted and selected according to the necessary fractions were weighed on a gastronomic scale of the type RM 10Ts13u with an accuracy of ± 0.5 g.

В соответствии с количественным соотношением компонентов шихты основой является медный порошок, а остальные составляющие являются легирующими материалами, в связи с этим строго соблюдалась последовательность засыпки отвешенных компонентов шихты в смеситель по мере их уменьшения процентного состава. Легирующие материалы засыпают в шихту последовательно по мере уменьшения их процентного состава. Перемешивание осуществлялось в смесителе типа «пьяная бочка» в течение 6 часов с обязательной загрузкой стальных уголков, обеспечивающих качественное перемешивание составляющих шихты. В качестве пластификатора использовали стеарат цинка. После анализа химического состава шихты следует операция дозировки, которая производилась на технических весах с точностью взвешивания до 0,1 г.In accordance with the quantitative ratio of the components of the mixture, the base is copper powder, and the remaining components are alloying materials, in this regard, the sequence of filling the suspended components of the mixture into the mixer was strictly followed as their percentage composition decreased. Alloying materials are poured into the mixture sequentially as their percentage composition decreases. Stirring was carried out in a drunk barrel mixer for 6 hours with mandatory loading of steel corners, providing high-quality mixing of the components of the charge. Zinc stearate was used as a plasticizer. After analyzing the chemical composition of the charge, a dosage operation follows, which was carried out on a technical balance with an accuracy of weighing up to 0.1 g.

Прессование образцов осуществлялось в пресс-форме на гидравлическом прессе с удельным усилием прессования от 200 до 400 МПа.Samples were pressed in a mold on a hydraulic press with a specific pressing force of 200 to 400 MPa.

Контейнер с шихтой загружают в холодную печь. Спекание проводилось в камерной печи типа СНОЛ, в защитной среде диссоциированного аммиака, путем последовательного увеличения температуры от 20°С до 600°С с выдержкой 1,5 часа, дальнейшим повышением температуры до 660°С±5°С с выдержкой 1,5 часа и последующим охлаждением на воздухе путем обдува в потоке диссоциированного аммиака, а калибровка осуществлялась при удельном давлении, равном давлению прессования, с последующим режимом спекания путем последовательного увеличения температуры от 20°С до 860°С±5°С с выдержкой 1,5 часа и последующим охлаждением на воздухе путем обдува в потоке диссоциированного аммиака.The container with the charge is loaded into a cold oven. Sintering was carried out in a chamber furnace of the SNOL type, in a protective environment of dissociated ammonia, by successively increasing the temperature from 20 ° C to 600 ° C with a holding time of 1.5 hours, and further raising the temperature to 660 ° C ± 5 ° C with holding a time of 1.5 hours and subsequent cooling in air by blowing in a stream of dissociated ammonia, and the calibration was carried out at a specific pressure equal to the pressing pressure, followed by a sintering mode by successively increasing the temperature from 20 ° C to 860 ° C ± 5 ° C with an exposure of 1.5 hours and subsequent cooling deniem air stream by blowing in dissociated ammonia.

С целью уплотнения и упрочнения порошкового материала в технологический процесс ввели дополнительные операции: калибрование изделий и повторное спекание.For the purpose of compaction and hardening of the powder material, additional operations were introduced into the technological process: product calibration and re-sintering.

Удельное давление при операции калибровки равнялось давлению прессования. Спекание после калибровки производили по следующему режиму:The specific pressure during the calibration operation was equal to the pressing pressure. Sintering after calibration was carried out according to the following mode:

- загрузка контейнера в холодную печь, повышение температуры до 860°С - выдержка 1,5 часа,- loading the container into a cold oven, raising the temperature to 860 ° C - holding for 1.5 hours,

- охлаждение с контейнером на воздухе с обдувом в потоке диссоциированного аммиака.- cooling with a container in air with blowing in a stream of dissociated ammonia.

Результаты испытания образцов после введения дополнительных операций показали, что твердость порошковых легированных материалов увеличилась до уровня литого материала.The test results of the samples after the introduction of additional operations showed that the hardness of the powder alloyed materials increased to the level of cast material.

Проведенные исследования показали, что изготовление антифрикционных втулок шестеренчатых маслонасосов методом порошковой металлургии из легированного порошка на медной основе имеет ряд преимуществ перед технологическим процессом литья прутков различного диаметра:Studies have shown that the manufacture of antifriction bushings of gear oil pumps by powder metallurgy from alloyed powder on a copper basis has several advantages over the technological process of casting rods of various diameters:

- высокий коэффициент использования материала 0,9÷0,98;- high utilization of the material 0.9 ÷ 0.98;

- максимальное приближение форм и размеров заготовки к форме и размерам готового изделия;- the maximum approximation of the shapes and sizes of the workpiece to the shape and size of the finished product;

- наличие пористости в изделиях из порошковых материалов, обусловленной не сплошной поверхностью, улучшает прирабатываемость сопрягаемых деталей, обеспечивая при этом образование масляной пленки на трущихся поверхностях изделий, что создает эффект самосмазываемости, исключающий сухое трение, и уменьшает износ цилиндров двигателя при его холодном запуске.- the presence of porosity in products made of powder materials, due to a non-continuous surface, improves the working life of the mating parts, while ensuring the formation of an oil film on the friction surfaces of the products, which creates a self-lubricating effect that eliminates dry friction, and reduces the wear of engine cylinders during its cold start.

Таким образом, предлагаемый состав антифрикционных порошковых материалов на основе меди для изготовления антифрикционных втулок методом порошковой металлургии позволит повысить их износостойкость, что приведет к повышению надежности в эксплуатации антифрикционных втулок, повысить коэффициент использования материала и, следовательно, повысить экономичность производства.Thus, the proposed composition of antifriction powder materials based on copper for the manufacture of antifriction bushings by powder metallurgy will increase their wear resistance, which will increase the reliability of the antifriction bushings, increase the utilization of the material and, therefore, increase the efficiency of production.

Марка материалаMaterial grade Режим спеканияSintering mode Плотность,
ρ (г/см³)Density,
ρ (g / cm ³ ) Пористость, %Porosity,% Предел проч. на сжатие, σ_в (МПа)The limit of the rest. compression, σ _in (MPa) НВ (МПа)HB (MPa) ПримечаниеNote БрОС 10-10 литойBrOS 10-10 cast   7,947.94 1one 1030÷11101030 ÷ 1110 732÷796732 ÷ 796   БрОСГр 10-1-0,5 порошковыйBrOSGr 10-1-0.5 powder 22 7,827.82 11,211,2 14071407 688÷702688 ÷ 702 Изменение размеров после спекания нетNo sizing after sintering БрОСГр 6-1-0,5 порошковыйBrOSGr 6-1-0.5 powder 4four 8,18.1 8,688.68 14171417 649÷662649 ÷ 662 Изменение размеров после спекания нет, небольшое разбухание по диаметру (0,1 мм) и высоте (0,1 мм)No sizing after sintering, slight swelling in diameter (0.1 mm) and height (0.1 mm) БрОГр 10-2 порошковыйBROGr 10-2 powder 22 7,147.14 18,418,4 895895 601÷662601 ÷ 662 БрОС 6-6 порошковыйBrOS 6-6 powder 22 -- -- -- 383-396383-396 Изменение размеров после спекания нет, выпотевание свинцаNo sizing after sintering, lead sweating

Claims (1)

Антфрикционный порошковый материал на основе меди, полученный из шихты, содержащей порошок олова, порошок свинца, порошок меди и графит, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
порошок олова 9,5-10 порошок свинца 0,5-1,0 графит 0,3-0,5 порошок меди остальное
прессованием и спеканием путем последовательного увеличения температуры от 20 до 600°С с выдержкой 1,5 ч и дальнейшего увеличения температуры до (660±5)°С с выдержкой 1,5 ч с последующим охлаждением на воздухе путем обдува в потоке диссоциированного аммиака, с последующей калибровкой при удельном давлении, равном давлению прессования, и повторным спеканием путем последовательного увеличения температуры от 20 до (860±5)°С с выдержкой 1,5 ч и охлаждение на воздухе. Antifriction powder material based on copper, obtained from a mixture containing tin powder, lead powder, copper powder and graphite, in the following ratio, wt.%:
tin powder 9.5-10 lead powder 0.5-1.0 graphite 0.3-0.5 copper powder rest
pressing and sintering by successively increasing the temperature from 20 to 600 ° C with a holding time of 1.5 h and then increasing the temperature to (660 ± 5) ° C with holding for 1.5 h followed by cooling in air by blowing in a stream of dissociated ammonia, s subsequent calibration at a specific pressure equal to the pressing pressure, and repeated sintering by successively increasing the temperature from 20 to (860 ± 5) ° C with a holding time of 1.5 h and cooling in air.