ПОРОШОК, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОНЕНТА И КОМПОНЕНТ
POWDER, METHOD OF MAKING COMPONENT, AND COMPONENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к порошку для получения компонентов с помощью порошковой металлургии. В частности, настоящее изобретение относится к порошку из железа или порошку на основе железа, предназначенному для получения компонентов с помощью порошковой металлургии. Оно является особенно пригодным для получения компонентов, когда желательны свойства самосмазывания. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения компонента из указанного порошка и к такому компоненту.
Уровень техники
Промышленные технологии порошковой металлургии, как правило, характеризуются получением больших серий компонентов, имеющих хорошую точность соблюдения размеров. Последовательность операций получения, как правило, начинается со смешивания металлического порошка со смазывающим веществом для упрощения следующей далее операции прессования. Металлический порошок может представлять собой, например, предварительно легированный порошок из распыленных частиц, порошок, смешанный с легирующими элементами в форме порошка, или порошок, где легирующие элементы диффузионно сплавляются или диффузионно связываются с металлическим порошком основы. Компактированный (неспеченный) компонент затем нагревают и выдерживают при температуре, при которой неспеченный компонент получает, посредством спекания, свои конечные характеристики по отношению к прочности, ковкости и подобному.
Бронзовый порошок обычно используют при получении спеченных самосмазывающихся подшипников. Использование бронзы придаст подшипнику благоприятные характеристики, такие как бесшумную работу и хорошую износостойкость, также бронза меньше склонна к коррозии. Однако для уменьшения затрат добавляют порошок из железа для получения так называемых подшипников из разбавленной бронзы. Является обычным использование примерно 40-60 мас.% порошка железа. Такие подшипники часто заменяют бронзовые подшипники в двигателях с мощностью меньше одной лошадиной силы и в соответствующих применениях.
Диффузионно связанные порошки известны из нескольких публикаций. В патенте Великобритании GB 1162702 (1965) описывается способ получения порошка. В этом способе легирующие элементы диффузионно связываются (частичное легирование) с частицами порошка из железа. Нелегированный порошок железа нагревают вместе с легирующими элементами, такими как медь и молибден, в восстановительной атмосфере при температуре ниже температуры плавления, чтобы вызвать предварительное сплавление и агломерацию частиц. Нагрев прекращают до наступления полного сплавления, и полученный агломерат измельчают до желаемого размера. Также патент Великобритании GB 1595346 (1976) описывает диффузионно связанный порошок. Порошок получают из смеси порошка железа и порошка меди или легко восстанавливаемых соединений меди. Полученный порошок, где медь является диффузионно связанной с порошком железа, отличается высокой сжимаемостью и низким риском сегрегации и образования пыли.
Другая технология доставки меди на частицы распыленного порошка описывается в патенте Японии JP 59-050101 (1982), который относится к распыленному порошку железа, содержащему, по меньшей мере, 0,05 мас.% олова. Этот порошок затем покрывают слоем меди.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание металлургического порошка, пригодного для получения компонентов (деталей), таких как спеченные подшипники, содержащие бронзу и, в частности, самосмазывающиеся подшипники, содержащие бронзу.
Другой целью является создание способа получения компонента, пригодного для использования в качестве подшипника.
Еще одной целью является создание компонента, пригодного для использования в качестве подшипника.
Было обнаружено, что посредством создания порошка, включающего олово и медь, диффузионно связанные с частицами порошка железа или порошка на основе железа, получают металлургический порошок, упоминаемый далее как диффузионно связанный порошок, и что этот новый диффузионно связанный порошок можно использовать для получения компонентов, имеющих неожиданно высокую поверхностную концентрацию бронзы по сравнению с номинальной концентрацией бронзы в компоненте. Из-за того факта, что бронза представляет собой дорогой металл, это является значительным преимуществом, поскольку это позволяет использовать меньше бронзы. Настоящее изобретение предусматривает способ и диффузионно связанный порошок на базе частиц железа или частиц на основе железа, делающий возможным использование меньшего количества бронзы по сравнению с компонентами, полученными из однородной смеси порошка бронзы и порошка железа или порошка на основе железа.
50
В соответствии с одним из вариантов осуществления окисленный порошок бронзы может использоваться в качестве исходного материала для получения диффузионно связанного порошка. В этом контексте окисленный порошок бронзы или оксидный порошок бронзы может описываться как порошок, содержащий медь, олово и кислород, и он может быть получен из порошка бронзы, который является частично или полностью окисленным, однако окисленный порошок бронзы может использоваться независимо от способа получения. Использование окисленного порошка бронзы с распределением размеров частиц, где X<15 мкм, предпочтительно, < 10 мкм, облегчает частичное покрытие частиц порошка железа бронзой после диффузионного отжига. Отсутствие добавления олова как элементарного порошка устраняет плавление олова во время диффузионного отжига, и таким образом, меньше олова будет растворяться в железе, и оно вместо этого будет присутствовать в сплаве бронзы. Имея частицы порошка железа, покрытые до большой степени бронзой, поверхность прессованных и спеченных деталей, например самосмазывающихся подшипников опор, будет иметь поверхностную концентрацию бронзы более высокую, чем номинальное содержание бронзы.
Таким образом, указанные выше цели достигаются с помощью настоящего изобретения посредством создания диффузионно связанного порошка, содержащего частицы железа или частицы на основе железа, имеющего частицы, содержащие или включающие в себя Cu и Sn, диффузионно связанные с частицами железа или частицами на основе железа. Конкретно частицы, содержащие Cu и Sn, должны содержать Cu и 5-15 мас.% Sn.
Другое преимущество использования диффузионно связанного порошка по сравнению с использованием однородной смеси соответствующих индивидуальных порошков железа, меди и олова или предварительно сплавленного сплава Cu-Sn заключается в том, что во время манипуляций с порошком происходит меньшая сегрегация.
Предпочтительные варианты осуществления следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
Вкратце, способ получения диффузионно связанного порошка в соответствии с настоящим изобретением включает в себя нагрев порошка железа или порошка на основе железа вместе с соединениями, содержащими легирующие элементы олово и медь, в восстановительной атмосфере при температуре ниже температуры плавления легирующих элементов, чтобы вызвать частичное легирование (диффузионное связывание) и агломерацию частиц. Легирующие элементы олово и медь могут присутствовать в предварительно сплавленном состоянии, то есть как порошок бронзы или порошок окисленной бронзы. Полученные агломераты затем измельчают до желаемого размера.
Малые частицы соединений, содержащие сплавляемые элементы, можно заставить прилипать к частицам железа посредством использования малого количества связующего вещества, такого как PEG, перед нагревом.
2
2
2
В соответствии с настоящим изобретением диффузионное связывание сплавляемых частиц с частицами железа удобно осуществлять в печи при атмосферном давлении, с температурой 750-830°C в течение времени от 15 до 180 минут в восстановительной атмосфере, такой как диссоциированный аммиак, H или N/H.
Содержание частиц железа или частиц на основе железа в диффузионно связанном порошке составляет от 50 до 90 мас.%, а остальная часть диффузионно связанного порошка содержит 10-50 мас.% меди и олова и неизбежные примеси.
Термин частицы на основе железа описывает частицы, где железо легировано одним или несколькими элементами.
Примеси описывают компоненты, которые присутствуют в таком малом количестве, что их присутствие не влияет на свойства продукта или способа, в которых присутствуют примеси.
Количество Sn в частицах, содержащих Cu и Sn, может изменяться в пределах между 5-15%, предпочтительно, 8-12 мас.% Когда количество Sn в этих частицах ниже 5 мас. %, материал бронзы станет слишком мягким, а когда количество Sn в этих частицах выше 15 мас.%, могут образовываться вторичные фазы. В соответствии с одним из вариантов осуществления эти частицы состоят из Cu и Sn и неизбежных примесей, таких как малые количества кислорода, то есть меньшие чем 0,5%.
Цель создания способа получения компонента достигается с помощью способа, включающего в себя следующие стадии: обеспечение диффузионно связанного порошка, как обсуждалось выше, компактирование (прессование) диффузионно связанного порошка при давлении 200-600 МПа, при этом формируется порошковая прессовка, и спекание прессовки.
Посредством получения компонента в соответствии с этим способом сочетание конкретного диффузионно связанного порошка, давления компактирования 200-600 МПа и спекания приводит к получению компонента, имеющего желаемые свойства для материалов подшипников, такие как низкое трение, низкий износ, большую воспринимаемую нагрузку. Посредством изменения давления компактирования, плотность компонента, а следовательно, также прочность и пористость компонента могут изменяться в зависимости от использования. Если плотность является слишком низкой, прочность не будет достаточно высокой, а если плотность является слишком высокой, пористость является слишком низкой, чтобы сделать возможным применение смазывающего вещества внутри компонента в достаточном количестве.
Цель создания компонента, пригодного для использования в качестве подшипника, достигается с помощью компонента, получаемого из диффузионно связанного порошка, обсуждаемого выше. Такой компонент будет иметь желаемые рабочие характеристики по отношению к применениям в подшипниках. Компонент удобно получать с использованием способа, обсуждаемого выше.
Компонент, полученный с помощью способа, обсуждаемого выше, имеет поверхностную концентрацию бронзы выше, чем номинальная концентрация бронзы в компоненте. В этом контексте "номинальная концентрация" представляет собой концентрацию, вычисленную посредством деления количества добавляемой бронзы на общее количество используемого порошка.
Спеченный компонент может, кроме того, содержать смазывающее вещество. В контексте настоящей заявки термин "смазывающее вещество" должен отличаться от термина "смазывающий агент". Смазывающий агент используют в связи с операцией компактирования, а смазывающее вещество используют внутри спеченного компонента. Посредством включения смазывающего вещества в спеченный компонент, с использованием пор, можно получить самосмазывающийся компонент, такой как подшипник. Такие смазывающие вещества могут быть твердыми или жидкими в зависимости от реального применения при использовании. Для получения твердого смазывающего вещества, порошок может смешиваться, перед компактированием с графитом в количестве от 0,5 до 2 мас.%.
3
Спеченный компонент может иметь плотность в пределах между 5,5 и 6,5 г/см. Плотность компонента может изменяться в зависимости от применения при использовании. Если плотность является слишком низкой, прочность не будет достаточно высокой, а если плотность является слишком большой, пористость является слишком низкой, чтобы сделать возможным применение смазывающего вещества внутри компонента в достаточном количестве.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает вид сбоку спрессованного образца с линиями сканирования при использовании SEM (сканирующего электронного микроскопа).
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Частицы железа или частицы на основе железа представляют собой, например, порошки, распыленные с помощью воды, или порошки губчатого железа. Пригодные для использования порошки железа представляют собой, например, NC100.24, SC100.26, ASC100.29, MH80.23. Размер частиц этих порошков железа ниже 250 мкм.
3
NC100.24 представляет собой порошок губчатого железа, доступный от Höganäs AB, Sweden, имеющий видимую плотность примерно 2,45 г/см и размер частиц существенно ниже 150 мкм, количество частиц, меньших чем 45 мкм, равно примерно 18%.
3
SC100.26 представляет собой порошок губчатого железа, доступный от Höganäs AB, Sweden, имеющий видимую плотность примерно 2,65 г/см и размер частиц существенно ниже 150 мкм, количество частиц, меньших чем 45 мкм, равно примерно 20%.
3
ASC100.29 представляет собой распыленный порошок железа (подвергнутый атомизации), доступный от Höganäs AB, Sweden, имеющий видимую плотность примерно 2,98 г/см и размер частиц существенно ниже 150 мкм, количество частиц, меньших чем 45 мкм, равно примерно 23%.
3
MH80.23 представляет собой порошок губчатого железа, доступный от Höganäs AB, Sweden, имеющий видимую плотность примерно 2,30 г/см и размер частиц существенно ниже 150 мкм, количество частиц, меньших чем 45 мкм, равно примерно 3%.
50
50
Частицы, содержащие Cu и Sn, содержат 85-95 мас.% Cu и 5-15 мас.% Sn. Соответствующие порошки, содержащие Cu и Sn, которые должны использоваться для диффузионного связывания, представляют собой порошки, имеющие X 1-15 мкм, предпочтительно, X 1-10 мкм.
Диффузионно связанный порошок содержит от 50 до 90 мас.% частиц железа или частиц на основе железа и от 10 до 50 мас.% частиц, диффузионно связанных с частицами железа или частицами на основе железа. Диффузионно связанный порошок может представлять собой упоминаемую разбавленную бронзу.
Компонент получают посредством необязательного смешивания диффузионно связанного порошка со смазывающим агентом, компактирования порошка при давлении 200-600 МПа, формируя тем самым прессовку, с последующим спеканием прессовки.
Перед компактированием, диффузионно связанный порошок может также смешиваться со смазывающим агентом, таким как стеарат металла, например, стеарат цинка, или воск, такой как этиленбисстеарамид (EBS). Это облегчает компактирование, и уменьшится износ инструмента для компактирования.
Графит может также добавляться к диффузионно связанному порошку перед компактированием для получения твердого смазывающего вещества внутри компонента, полученного с помощью порошка.
Способ спекания удобно осуществлять при температуре ниже температуры образования жидкой фазы порошка бронзы. Для бронзы, имеющей содержание Sn 10%, температура образования жидкой фазы равна примерно 855°C, таким образом, предпочтительная температура спекания находится в пределах между 800 и 830°C в течение периода 5-60 минут. Атмосфера спекания может представлять собой водород, смесь азота и водорода, диссоциированный аммиак или эндогаз.
Спеченный компонент, полученный соответствующим образом, будет иметь поверхностную концентрацию бронзы выше, чем номинальная концентрация бронзы в компоненте. Как можно увидеть из таблицы 1, порошки в соответствии с настоящим изобретением показывают явное увеличение поверхностной концентрации меди, в то время как сравнительный порошок не показывает никакого увеличения поверхностной меди. Концентрация меди используется для измерения концентрации бронзы, поскольку медь легче определяется при анализе.
3
При использовании удобно, чтобы спеченный компонент содержал смазывающее вещество. Примеры таких смазывающих веществ представляют собой минеральное масло, синтетическое масло, силиконовое масло или фторированные масла. Смазывающее вещество может вводиться в опору, например, посредством пропитки компонента. Компонент имеет открытую пористость, тем самым обеспечивая достаточную емкость приема смазывающего вещества. Компонент может иметь плотность в пределах между 5,5 и 6,5 г/см.
Примеры
Пример 1
Порошок в соответствии с настоящим изобретением
50
50
Порошок железа NC100.24 смешивают с окисленной бронзой (9 частей Cu и 1 часть Sn, отношение Cu/Sn равно 9:1) при двух различных количествах, с формированием трех различных образцов. Порошок бронзы имеет распределение размеров частиц с X=2,2 мкм и 9,4 мкм, соответственно (X означает средневзвешенный размер частиц).
Для предотвращения сегрегации мелкодисперсных частиц, 0,1% PEG400 используют в качестве связующего вещества.
2
Смесь отжигают в течение 90 минут при 800°C в атмосфере H. Отожженный порошок затем измельчают (перемалывают) и просеивают на ситах 212 мкм. Содержание бронзы составляет 20 мас.% (образец 1 и 2) и 25 мас.% (образец 3).
Новые материалы смешивают с 0,8% этиленбисстеарамида перед прессованием.
2
2
Порошок прессуют при 400 МПа, и компоненты (прямоугольные делали 90×12 мм, h=5 мм) спекают при 830°C в течение 20 минут в атмосфере диссоциированного аммиака (75% H+25% N).
Сравнительный порошок
2
2
Порошок железа NC100.24 смешивают с добавкой из 20% предварительно легированного порошка бронзы (90% Cu и 10% Sn) с размерами частиц ниже 160 мкм и 0,8% этиленбисстеарамида. Порошок прессуют при 400 МПа, и компоненты (прямоугольные детали 90×12 мм, h=5 мм) спекают при 830°C в течение 20 минут в атмосфере диссоциированного аммиака (75% H+25% N).
Способ оценки
Распределение меди анализируют на сканирующем электронном микроскопе (SEM) JEOL 5800 с помощью рентгеновского энергетически-дисперсионного спектрометра (EDS) от Link. Для анализа используют ускоряющее напряжение 20 кВ. Распределение меди анализируют на боковой поверхности (поверхность напротив стенки матрицы во время прессования) прессованного образца. Для каждого образца осуществляют сканирования по пяти линиям (L) по всей высоте (h) в соответствии с фиг.1. Сканируют общую длину 22 мм. Расстояние между соседними анализируемыми точками вдоль линии сканирования (L) равно 4 мкм.
Результаты анализа с помощью SEM
Концентрация Cu на поверхности, смотрящей на стенку матрицы, (соответствует поверхности скольжения в самосмазывающемся подшипнике) выше, чем концентрация Cu на поверхности компонента, изготовленного из сравнительного порошка, несмотря на одинаковую концентрацию, благодаря лучшему распределению. Весь материал, полученный посредством использования нового порошка, показывает более высокую поверхностную концентрацию Cu, чем материал, полученный из сравнительного порошка (таблица 1). Несмотря на одинаковое начальное количество порошка бронзы в смесях, среднее значение общей концентрации меди на поверхности скольжения для нового материала приблизительно на 40% выше, чем у сравнительного материала (элементарной смеси).
Неспеченные и спеченные плотности образцов показаны в таблице 2.
<b>Таблица 1</b>
Образец
Порошок
Поверхностная концентрация Cu
Поверхностная концентрация Cu по отношению к номинальной концентрации
Сравнительный
NC100.24+20% порошка бронзы 90/10-160
17,3%
96%
1
NC100.24+20% порошка бронзы (2,2 мкм)
25,2%
140%
2
SC100.26+25% порошка бронзы (2,2 мкм)
33,4%
148%
3
NC100.24+20% порошка бронзы (9,4 мкм)
25,5%
142%
<b>Таблица 2</b>
Образец
Неспеченная плотность (г/см<sup>3</sup>)
Спеченная плотность (г/см<sup>3</sup>)
Сравнительный
6,68
6,71
1
6,47
6,44
2
6,53
6,51
3
6,47
6,45
Пример 2
Порошок в соответствии с настоящим изобретением
50
50
Порошок железа NC100.24 смешивают с порошком окисленной бронзы (9 частей Cu и 1 часть Sn, отношение Cu/Sn равно 9:1) с формированием образца 4. Порошок бронзы имеет распределение размеров частиц X=5,4 мкм (X означает средневзвешенный размер частиц) и общее содержание кислорода 13,8%. Номинальное содержание бронзы в образце 4 составляет 20 мас.%.
Для предотвращения сегрегации мелкодисперсных частиц 0,1% PEG400 используют в качестве связующего вещества в смеси.
2
Смесь отжигают в течение 90 минут при 800°C в атмосфере H. Отожженный порошок затем измельчают (перемалывают) и просеивают на ситах 212 мкм.
Материалы смешивают перед прессованием с 0,8% этиленбисстеарамида.
2
2
Порошок прессуют при 400 МПа, и компоненты (прямоугольные детали 30×12 мм, h=6 мм) спекают при 830°C в течение 20 минут в атмосфере диссоциированного аммиака (75% H+25% N).
Сравнительный порошок
2
2
Сравнительный 2: Порошок железа NC100.24 смешивают с добавкой 20% предварительно легированного порошка бронзы (90% Cu и 10% Sn) с размером частиц ниже 160 мкм и 0,8% этиленбисстеарамида. Порошок прессуют при 400 МПа, и компоненты (прямоугольные детали 30×12 мм, h=6 мм) спекают при 830°C в течение 20 минут в атмосфере диссоциированного аммиака (75% H+25% N).
50
50
Сравнительный 3: Порошок железа NC100.24 смешивают с оксидом меди (I) с распределением размеров частиц X=15,1 мкм и общим содержанием кислорода 11,5% и с порошком олова с распределением размеров частиц X=24,4 мкм. Порошок оксида меди (I) и порошок олова добавляют в таких пропорциях, чтобы получить отношение Cu/Sn, равное 9:1. Номинальное содержание бронзы в сравнительном примере 3 составляет 20%.
Для предотвращения сегрегации мелкодисперсных частиц 0,1% PEG400 используют в смеси в качестве связующего вещества.
2
Смесь отжигают в течение 90 минут при 800°C в атмосфере H. Отожженный порошок затем измельчают (перемалывают) и просеивают на ситах 212 мкм.
Способ оценки
Распределение меди и олова анализируют на сканирующем электронном микроскопе (SEM) JEOL 5800 с помощью рентгеновского энергетически-дисперсионного спектрометра (EDS) от Link. Для анализа используют ускоряющее напряжение 20 кВ. Распределение меди и олова анализируют на боковой поверхности (поверхности напротив стенки матрицы во время прессования) прессованного образца. Для каждого образца осуществляют сканирование линий (L) на общей длине 6,5 мм. Расстояние между соседними анализируемыми точками вдоль линии сканирования (L) равно 4 мкм.
Результаты анализа с помощью SEM
Концентрация Cu образца 4 на поверхности, смотрящей на стенку матрицы (соответствующей поверхности скольжения в самосмазывающемся опоре), на 55% выше, чем номинальная концентрация Cu в материале, в то время как концентрация Cu на такой же поверхности компонента, изготовленного из сравнительного порошка 2, ниже, чем номинальная концентрация меди. Поверхностные концентрации олова демонстрируют такую же картину, что и для меди, поверхностная концентрация образца 4 на 29%, выше чем номинальное содержание, в то время как концентрация Sn на такой же поверхности компонента, изготовленного из сравнительного порошка 2, ниже, чем номинальная концентрация меди. Сравнительный образец 3 имеет поверхностную концентрацию меди на 6% выше, чем номинальное содержание, а поверхностная концентрация олова ниже, чем номинальное содержание олова для материала.
Несмотря на то что образец 4, сравнительный порошок 2 и сравнительный порошок 3 имеют одинаковое общее количество бронзы в начальных материалах, средние значения общей концентрации меди и олова на поверхности скольжения для конечного материала приблизительно на 55% и 29%, соответственно, выше, чем номинальные содержания. Сравнительный материал 2 (элементарная смесь) и сравнительный материал 3, который не находится в рамках настоящего изобретения, не демонстрируют никакого значительного увеличения поверхностной концентрации меди и олова.
Неспеченные и спеченные плотности образцов показаны в таблице 4.
Таблица 3
Образец
Поверхностная конц. Cu
Поверхностная концентрация Cu по отношению к номинальной концентрации
Поверхностная конц. Sn
Поверхностная концентрация Sn по отношению к номинальной концентрации
4
27,9%
155%
2,33%
129%
Ref 2
13,6%
75,9%
1,28%
64,0%
Ref 3
19,1%
106%
1,81%
90,1%
Таблица 4
Образец
Неспеченная плотность (г/см<sup>3</sup>)
Спеченная плотность (г/см<sup>3</sup>)
4
6,50
6,47
Сравн. 2
6,62
6,60
Сравн. 3
6,49
6,46