Способ получения спеченного материала на основе цинка (варианты)
Владельцы патента RU 2418085:
Учреждение Российской академии наук Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (ИФПМ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным материалам на основе цинка для деталей конструкционного и триботехнического назначения. Спеченный материал на основе цинка получают путем приготовления шихты, содержащей цинк и олово или алюминий, прессования и спекания. При этом для шихты, содержащей цинк и 5,0-15,0 мас.% олова, температура спекания составляет 200-350°С, а для шихты, содержащей цинк и 0,5-2,0 мас.% алюминия, температура спекания 390-410°С. Способ позволяет расширить номенклатуру материалов конструкционного и триботехнического назначения при обеспечении необходимого уровня пористости, твердости и антифрикционных свойств. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным материалам на основе цинка для деталей конструкционного и триботехнического назначения.
Цинк является достаточно распространенным элементом и четвертым в мире по выпуску после железа, алюминия и меди. Наряду с другими областями применения он используется для производства литых деталей конструкционного и антифрикционного назначения [1, 2], в частности в узлах трения оборудования легкой промышленности [3]. Литые подшипники скольжения на цинковой основе успешно применялись в электродвигателях, а также в токарных, шлифовальных, фрезерных и строгальных станках. Применение цинковых сплавов вместо бронзы и баббитов дает значительную экономию средств. Чистый цинк марки ЦВ (99,99%) применяется для отливаемых под давлением особо ответственных деталей авиа- и автоприборов; для получения цинкового порошка, используемого в аккумуляторной промышленности. Недостатком литых сплавов на основе цинка антифрикционного назначения является отсутствие открытых пор в материале, большие допуски в размерах литых деталей и необходимость механической обработки таких изделий.
Известно [4], что пористые спеченные материалы, получаемые методом порошковой металлургии, обладают по сравнению с литыми на той же основе более высокими антифрикционными свойствами, особенно в условиях бедной смазки. Это обусловлено тем, что пористый материал может быть пропитан машинным маслом, присутствие которого в порах придает подшипникам свойства самосмазываемости. При повышении температуры вследствие выделения теплоты при трении масло выступает из пор на поверхность трения и предотвращает ее схватывание с поверхностью вала. При охлаждении масло вновь впитывается в поры.
Метод порошковой металлургии позволяет вводить в антифрикционные материалы твердые смазки, например графит или серу, с целью понижения коэффициента трения и предотвращения образования задиров на поверхностях трения. Кроме того, он дает возможность получать изделия с более точными размерами, чем литые. С точки зрения экологии, техники безопасности и уровня автоматизации производства, метод порошковой металлургии также имеет преимущество в сравнении с методом литья.
К сожалению порошковая технология производства изделий конструкционного или антифрикционного назначения из цинковых сплавов пока нигде в мире не разработана. Более того, даже какие-либо лабораторные исследования возможности спекания цинка или сплавов на его основе, судя по литературе, никем не проводились.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения спеченного материала на основе цинка. В результате реализации предлагаемого способа расширится арсенал известных материалов конструкционного и антифрикционного назначения.
Указанный технический результат достигается двумя способами-вариантами.
Первый вариант получения спеченного материала на основе цинка включает приготовление порошковой шихты, прессование заготовки и последующее ее спекание. При этом шихта содержит в качестве легирующей добавки порошок олова при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| олово | 5.0-15.0, |
| цинк | остальное, |
а спекание заготовки осуществляют при температуре 200-350°C.
Второй вариант получения спеченного материала на основе цинка включает приготовление порошковой шихты, прессование заготовки и последующее ее спекание. При этом шихта содержит в качестве легирующей добавки порошок алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 0.5-2.0, |
| цинк | остальное, |
а спекание заготовки осуществляют при температуре 390-410°C.
При этом в обоих вариантах способа:
- шихта дополнительно может содержать, по крайней мере, порошок одной твердой антифрикционной смазки, выбранной из группы: графит, сера, MoS2, WS2, Nbs2, TaS2, VS2, LiF, CaF2, BaF2, SrF2, PbF2, ZnS, PbS, CuS, Cu2S, FeS, FeP, Sb2S3, WTe2, WSe2, MoSe2, NbSe2, TiSe2, PbO, Pb3O4, TiO2, CdO в количестве 1.0-10.0 мас.%;
- используемые исходные порошки цинка, олова, алюминия имеют дисперсность не более 50 мкм;
- прессование заготовки осуществляют до пористости 15-35%;
- спекание заготовки осуществляют в течение 1 часа в безокислительной атмосфере.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в:
- подборе более эффективного качественного и количественного состава шихты, использовании исходных порошков определенной дисперсности;
- получении однородной двухфазной структуры сплава на основе цинка с использованием традиционного способа порошковой металлургии;
- легировании цинка, что обеспечивает более высокие механические характеристики спеченного сплава;
- получении материала конструкционного назначения с низкой пористостью или антифрикционного материала с определенным содержанием пор.
Основная технологическая проблема спекания цинковых сплавов заключается в том, что поверхность частиц порошка цинка покрыта окисной пленкой, препятствующей спеканию. При спекании сплавов на основе алюминия аналогичная задача разрушения оксидной пленки Al2O3 на частицах алюминия успешно решена путем образования жидкой фазы в ходе процесса благодаря контактному плавлению алюминия с частицами эвтектических добавок [5]. Авторами предлагаемого изобретения установлена закономерность, в соответствии с которой на основе диаграмм состояния можно безошибочно предсказывать порошковые добавки, активирующие процесс спекания в результате образования жидкой фазы при спекании [6]. В частности, согласно диаграммам состояния цинка существуют, по крайней мере, два металла (Al и Sn), которые способны образовывать с ним жидкую фазу и обеспечивать жидкофазное спекание. Порошки алюминия и олова производятся в промышленных масштабах и достаточно широко используются в порошковой металлургии, в частности, в качестве легирующих добавок.
Поскольку в данном изобретении проблема разрушения оксидной пленки на частицах цинка решена с помощью добавления к порошку цинка порошка Al или Sn, то одновременно в результате диффузионного взаимодействия компонентов при жидкофазном спекании цинк превращается в легированный сплав с повышенной твердостью.
Предлагаемая шихта для спеченного цинкового сплава представляет собой порошковую смесь на основе цинка. Средний размер частиц порошков, составляющих смесь, должен быть не более 50 мкм. При использовании порошков с размером частиц более 50 мкм процесс спекания сплава несколько затрудняется, поскольку межчастичные поры оказываются крупными, и движущая сила уплотнения, обусловленная поверхностным натяжением пор между частицами, уменьшается. При этом структура спеченного материала становится менее однородной.
Введение в цинковый сплав методом порошковой металлургии дисперсных частиц материалов, обладающих высокими антифрикционными свойствами, например графита или других заявленных твердых антифрикционных смазок, позволит получать композиционные материалы, приобретающие необходимые трибологические характеристики.
Заявленные авторами изобретения количественные пропорции шихты подобраны таким образом, чтобы в максимальной степени обеспечить достижение поставленной технической цели.
Количественное содержание олова в шихте (вариант 1) обусловлено тем, что при его содержании меньше 5.0 мас.% твердость материала оказывается недостаточно высокой, и прочностные свойства материала заметно ухудшаются, а при содержании олова более чем 15.0 мас.% материал становится слишком крупнозернистым из-за образования большого количества жидкой фазы при спекании, а его стоимость за счет высокого содержания олова возрастает. Оптимальное содержание олова в шихте составляет 8.0-12.0 мас.%.
Количественное содержание алюминия в шихте (вариант 2) обусловлено тем, что при его содержании меньше 0.5 мас.% спекаемость прессовок ухудшается, а твердость материала, полученного с использованием такой шихты, оказываются недостаточно высокой. При содержании алюминия более чем 2.0 мас.% заготовка при спекании теряет свою форму из-за образования большого количества жидкой фазы при спекании. Оптимальное содержание алюминия в шихте составляет 1.0-1.5 мас.%.
Предлагаемые качественные и количественные составы шихты на основе цинка позволяют материалу, изготовленному по предлагаемому способу, иметь необходимую для конструкционного и антифрикционного материала двухфазную пористую структуру.
Согласно притязаниям формулы изобретения указанные составы позволяют готовому материалу иметь необходимые свойства по пористости (5-10%), твердости HB (300-500 МПа) и антифрикционным характеристикам (коэффициент трения 0,1-0,3). Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1
Порошки цинка и олова, взятые в соотношении Zn - 5.0 мас.% Sn, которое соответствует составу шихты по варианту способа 1, приведенному выше, смешивают в шаровой мельнице или шнековом смесителе в течение 2 часов до получения однородной смеси. Из приготовленной шихты делают навески для прессования заготовок, например цилиндрических образцов для проведения исследований. Полученные навески смесей формуют в пресс-форме методом двухстороннего прессования в исходные заготовки пористостью 35%. Сырые прессовки подвергают спеканию при температуре 350°C в течение 1 часа в безокислительной атмосфере, например в азоте, с точкой росы -50°C. После спекания заготовки калибруют для придания им одинаковых размеров, пористости в заданном интервале, например 5-10%, и гладкой поверхности. Микроструктура спеченного материала Zn - 5.0 мас.% Sn представлена на Фиг.1.
Пример 2
Порошки цинка, олова и графита, взятые в соотношении Zn - 12.5 мас.% Sn - 3.0 мас.% C, которое соответствует составу шихты по варианту способа 1 с добавлением 3.0 мас.% порошка графита, смешивают в шаровой мельнице или шнековом смесителе в течение 2 часов до получения однородной смеси. Из приготовленной шихты делают навески для прессования заготовок, например цилиндрических образцов для проведения исследований. Полученные навески смесей формуют в пресс-форме методом двухстороннего прессования в исходные заготовки пористостью 30%. Сырые прессовки подвергают спеканию при температуре 300°C в течение 1 часа в безокислительной атмосфере, например в азоте, с точкой росы -50°C. После спекания заготовки калибруют для придания им одинаковых размеров, пористости в заданном интервале, например 5-10%, и гладкой поверхности. Микроструктура спеченного материала Zn - 12.5 мас.% Sn - 3.0 мас.% C представлена на Фиг.2.
Пример 3
Порошки цинка и олова, взятые в соотношении Zn - 15 мас.% Sn, которое соответствует составу шихты по варианту способа 1, смешивают в шаровой мельнице или шнековом смесителе в течение 2 часов до получения однородной смеси. Из приготовленной шихты делают навески для прессования заготовок, например цилиндрических образцов для проведения исследований. Полученные навески смесей формуют в пресс-форме методом двухстороннего прессования в исходные заготовки пористостью 15%. Сырые прессовки подвергают спеканию при температуре 200°C в течение 1 часа в безокислительной атмосфере, например в азоте, с точкой росы -50°C. После спекания заготовки калибруют для придания им одинаковых размеров, пористости в заданном интервале, например 5-10%, и гладкой поверхности.
Пример 4
Порошки цинка и алюминия, взятые в соотношении Zn - 0.5 мас.% Al, которое соответствует составу шихты по варианту способа 2, смешивают в шаровой мельнице или шнековом смесителе в течение 2 часов до получения однородной смеси. Из приготовленной шихты делают навески для прессования заготовок, например цилиндрических образцов для проведения исследований. Полученные навески смесей формуют в пресс-форме методом двухстороннего прессования в исходные заготовки пористостью 25%. Сырые прессовки подвергают спеканию при температуре 410°C в течение 1 часа в безокислительной атмосфере, например в азоте, с точкой росы -50°C. После спекания заготовки калибруют для придания им одинаковых размеров, пористости в заданном интервале, например 5-10%, и гладкой поверхности. Микроструктура спеченного материала Zn - 0.5 мас.% Al представлена на Фиг.3.
Пример 5
Порошки цинка, алюминия и графита, взятые в соотношении Zn - 1.0 мас.% Al - 5.0 мас.% C, которое соответствует составу шихты по варианту способа 2, смешивают в шаровой мельнице или шнековом смесителе в течение 2 часов до получения однородной смеси. Из приготовленной шихты делают навески для прессования заготовок, например, цилиндрических образцов для проведения исследований. Полученные навески смесей формуют в пресс-форме методом двухстороннего прессования в исходные заготовки пористостью 20%. Сырые прессовки подвергают спеканию при температуре 400°C в течение 1 часа в безокислительной атмосфере, например в азоте, с точкой росы
-50°C. После спекания заготовки калибруют для придания им одинаковых размеров, пористости в заданном интервале, например 5-10%, и гладкой поверхности.
Пример 6
Порошки цинка и алюминия, взятые в соотношении Zn - 2.0 мас.% Al, которое соответствует составу шихты по варианту способа 2, смешивают в шаровой мельнице или шнековом смесителе в течение 2 часов до получения однородной смеси. Из приготовленной шихты делают навески для прессования заготовок, например цилиндрических образцов для проведения исследований. Полученные навески смесей формуют в пресс-форме методом двухстороннего прессования в исходные заготовки пористостью 30%. Сырые прессовки подвергают спеканию при температуре 390°C в течение 1 часа в безокислительной атмосфере, например в азоте, с точкой росы -50°C. После спекания заготовки калибруют для придания им одинаковых размеров, пористости в заданном интервале, например 5-10%, и гладкой поверхности. Микроструктура спеченного материала Zn - 2.0 мас.% Al представлена на Фиг.4.
Из-за низкой несущей способности цинка применение порошковой технологии в отношении его сплавов можно рекомендовать для производства изделий, которые предназначены, как и литые изделия, для эксплуатации в условиях малых нагрузок.
На основе профессиональных знаний в области порошковой металлургии специалист в состоянии получить порошковые смеси и соответствующие цинковые материалы с помощью других комбинаций в предлагаемых пределах формулы изобретения, и эти составы не исключаются из области защиты. В частности, это относится к соотношениям Zn и Sn, Zn и Al, которые не нашли отражение в приведенных выше примерах. Указанные соотношения имеются в заявляемой формуле изобретения.
Предлагаемый спеченный материал на основе цинка конструкционного и антифрикционного назначений может использоваться в приборостроительной отрасли, авиационной, автомобильной, тракторной, станкостроительной и оборонной промышленностях, в технологическом оборудовании химической, нефтяной, фармацевтической, пищевой и других отраслях, а также в производстве ЭВМ, электромоторов и бытовой техники, то есть везде, где применяются слабонагруженные детали.
При замене спеченного железографита спеченным материалом на основе цинка экономятся затраты на электроэнергию в операциях прессования (требующееся давление в 3 раза меньше) и спекания (для железа температура спекания составляет 1150°C, для цинка - не выше 410°C).
Источники информации
1. ГОСТ 21437-95. Сплавы цинковые антифрикционные. Настоящий стандарт распространяется на цинковые антифрикционные сплавы в отливках, изготавливаемых для нужд экономики страны и экспорта.
2. ГОСТ 21438-95. Сплавы цинковые антифрикционные в чушках. Настоящий стандарт распространяется на цинковые антифрикционные сплавы в чушках, предназначенные для производства отливок, изготовляемых для нужд народного хозяйства и экспорта.
3. М.Е.Дриц, А.В.Маструков, В.П.Гусев. Подшипниковые сплавы на основе цинка и их применение в легкой промышленности, М., Из-во «Гизлегпром», 1995, 80 с.
4. И.М.Федорченко, Л.И.Пугина. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. Из-во «Наукова думка», 1980, 404 с.
5. Савицкий А.П. Жидкофазное спекание систем с взаимодействующими компонентами. Из-во «Наука» СО РАН, Новосибирск, 1991, 183 с.
6. Савицкий А.П., Марцунова Л.С. Влияние растворимости в твердой фазе на объемные изменения алюминия при жидкофазном спекании, Порошковая металлургия, 1977, № 5, с.14-19.
1. Способ получения спеченного материала на основе цинка, включающий приготовление порошковой шихты, прессование заготовки с последующим ее спеканием, отличающийся тем, что готовят шихту, содержащую в качестве легирующей добавки порошок олова, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| олово | 5,0-15,0 |
| цинк | остальное |
а спекание заготовки осуществляют при температуре 200-350°С.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шихта дополнительно может содержать, по крайней мере, порошок одной твердой антифрикционной смазки, выбранной из группы графит, сера, MoS2, WS2, Nbs2, TaS2, VS2, LiF, СаF2, ВаF2, SrF2, PbF2, ZnS, PbS, CuS, Cu2S, FeS, FeP, Sb2S3, WTe2, WSe2, MoSe2, NbSe2, TiSe2, PbO, Рb3O4, ТiO2, CdO, в количестве 1,0-10,0 мас.%.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходные порошки цинка, олова имеют дисперсность не более 50 мкм.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что прессование заготовки осуществляют до пористости 15-35%.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекание заготовки осуществляют в течение 1 ч в безокислительной атмосфере.
6. Способ получения спеченного материала на основе цинка, включающий приготовление порошковой шихты, прессование заготовки с последующим ее спеканием, отличающийся тем, что готовят шихту, содержащую в качестве легирующей добавки порошок алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 0,5-2,0 |
| цинк | остальное |
а спекание заготовки осуществляют при температуре 390-410°.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что шихта дополнительно может содержать, по крайней мере, порошок одной твердой антифрикционной смазки, выбранной из группы графит, сера, MoS2, WS2, Nbs2, TaS2, VS2, LiF, СаF2, ВаF2, SrF2, PbF2, ZnS, PbS, CuS, Cu2S, FeS, FeP, Sb2S3, WTe2, WSe2, MoSe2, NbSe2, TiSe2, PbO, Рb3O4, ТiO2, CdO, в количестве 1.0-10.0 мас.%.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что исходные порошки цинка и алюминия имеют дисперсность не более 50 мкм.
9. Способ по п.6, отличающийся тем, что прессование заготовки осуществляют до пористости 15-35%.
10. Способ по п.6, отличающийся тем, что спекание заготовки осуществляют в течение 1 ч в безокислительной атмосфере.
