Gesinterter Gleitwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf einen gesinterten Gleit- werkstoff und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dieser Werkstoff kann für Lager, Kolbenringe, Dich tungen, Kupplungsplatten und dergleichen verwendet werden.
Es ist bereits ein Material vorgeschlagen worden, dessen Grundgefüge aus einer Metallpulvermischung ge bildet ist, die im allgemeinen aus einem Material, dessen freie Energie bei der Bildung des Oxids positiver als die des Bleioxids ist, also z.B. aus Kupfer oder Silber be steht; das Grundgefüge wird dabei von Teilchen durch setzt, die vorherrschend von Bleioxid gebildet sind. Dabei wird eine verhältnismässig grosse Menge der vorherr schenden Bleioxidteilchen, die vorzugsweise mit anderen Oxiden kombiniert sind, zum Eindringen in das Grund gefüge veranlasst, damit an den Gleitflächen der auf einander liegenden Materialien stets ein ziemlich grosser Betrag an Teilchen vorhanden sind, die vorherrschend auf Bleioxid basieren.
Infolge der Tiefe des Grundgefüges widersteht das Gleitflächenmaterial über lange Zeiten einem Abrieb und wirkt noch dahingehend, dass sich ein Lagermaterial an den aufeinanderliegenden Flächen bil det.
Ein Ziel der Erfindung ist es, das Durchdringen des Grundgefüges mit den Materialien auf der Basis von Blei oxid zu vermeiden und dadurch einige Probleme aus zuschalten, die mit dieser Lösung in eigentümlicher Weise verknüpft sind. Wenn auch ein durchdrungenes Grund gefüge aus einem zusammengesetzten, hier in Betracht gezogenen Material für gewisse Anwendungen wün schenswert sein kann, so ist dennoch eine derartige durch drungene Struktur in anderen Fällen mit gewissen, aus geprägten Nachteilen verknüpft.
Das Durchdringen ist nämlich eine Funktion der Vis kosität des Materials, in diesem Falle des geschmolze nen Oxides; eine hochviskose, zähflüssige Schmelze dringt nämlich nicht immer in passender Weise in das Grund gefügematerial ein. Ausserdem hat die binäre Bleioxid mischung einen gewissen Viskositätsbereich, der von einem legierenden Zusatz abhängt. Somit können nur ge wisse Mischungen leicht eindringen. Fernerhin ist das Eindringen in manchen Fällen schwierig zu beeinflussen, insbesondere wenn die Eindringgeschwindigkeit ziemlich gering ist. Soweit das geschmolzene Bleioxid das Kupfer auflöst, kann ein verlängerter Flächenkontakt zu einer beträchtlichen Flächenerosion und zu einer strukturel len Schwächung führen.
Eine durchdrungene Struktur muss in ihrer wirklichen Beschaffenheit unter sich zu sammenhängende Bereiche derartiger Bleioxidteilchen aufweisen, die eine schädliche Wirkung auf die Bearbei tung des zusammengesetzten Materials mit der Maschine ausüben. Grosse, unter sich zusammenhängende Bereiche des Bleioxids oder seiner Legierungen werden nämlich unter gewissen Umständen von einem Maschinenwerk zeug leicht auseinander gezogen, und es verbleiben in der fertiggestellten Oberfläche zumindest in mikroskopischen Abmessungen Blasen oder Hohlräume.
Wie man erkannt hat, können diese Bedingungen da durch ausgeschaltet werden, dass eine Mischung aus einem Grundmaterial und der Pulverteilchen, unter de nen Bleioxid vorherrscht, fest gesintert wird. Bei diesem verbesserten Gegenstand bilden die Pulverteilchen, unter denen Bleioxid vorherrscht, unabhängige und unterbro chene Lachen oder Flecken, die in dem Grundgefügema- terial eingebettet sind.
Der erfindungsgemässe gesinterte Gleitwerkstoff, der insbesondere zur Herstellung von Gleitlagern geeignet ist und ein Grundgefügematerial und Teilchen aufweist, wel che Bleioxid als solches oder in Form einer Verbindung mit einem anderen Oxid enthalten, ist dadurch gekenn zeichnet, dass das Grundgefügematerial mindestens zum grössten Teil aus Metallpulver besteht, dessen freie Oxidbildungsenergie positiver als diejenige von Bleioxid ist, und dass das Bleioxid bzw.
die Verbindung in einer Menge von 5 bis 20 Gew.-% Pb0, bezogen auf den Werk stoff, vorhanden ist und die Teilchen als getrennte und diskontinuierliche Einschlüsse im Grundgefügematerial dispergiert sind.
Das Verfahren zur Herstellung dieses Werkstoffes ist dadurch gekennzeichnet, dass man pulverige Teilchen, die Bleioxid als solches oder in Form einer Verbindung mit einem anderen Oxid enthalten, mit pulverigen Teil chen eines Metalls, dessen freie Oxidbildungsenergie po sitiver als diejenige von Bleioxid ist, gleichmässig mischt, diese Mischung verdichtet und die verdichtete Mischung sintert, um die einzelnen Pulverteilchen miteinander zu binden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung seien die beigefügten Figuren näher erläutert.
Figur 1 ist eine 250fach vergrösserte Mikrophotogra phie, die zwecks Vergleich die metallurgischen Merkma le des bereits vorgeschlagenen Materials zeigt.
Figur 2 ist eine in gleicher Weise vergrösserte Pho tographie und zeigt die metallurgischen Merkmale des Materials gemäss der Erfindung.
Gemäss Figur 1 bildet das Grundmaterial aus Blei oxid im allgemeinen zusammenhängende Lachen oder Flecken 10. Wenn auch ein solcher Zusammenhang nicht im vollen Masse sichtbar ist, besteht dieser dennoch in einer anderen Ebene. Ferner zeigt die Figur 1 helle Be reiche 12, die das Material des Grundgefüges darstellen und natürlich derartige Zwischenräume oder Einschlüsse aufweisen.
Aus Figur 2 gehen die unabhängigen und unterbro chenen Lachen oder Flecken aus einem Bleioxid-Grund- material 14 hervor, die in einem Grundgefüge 16 einge bettet sind.
Eine wesentliche Eigenschaft des Grundgefügemate- rials besteht darin, dass die das Grundgefüge bildenden Metallpulver eine freie Oxidbildungsenergie aufweisen, die positiver als die des Bleioxids ist, so dass sich das Material des Grundgefüges nicht das Bleioxid zu metal lischem Blei zu reduzieren sucht, wenn beide Materia lien zusammen gesintert werden. Die Metalle Kupfer und Silber erfüllen diese Forderung. Silber kann darüber hinaus auch als legierendes Element angewendet werden, um das Kupfer ohne nachteiligen Einfluss auf das Blei oxid zu stärken. Auch Arsen kann als Legierungselement Anwendung finden; jedoch ist es als Grundmetall nicht einwandfrei.
In der sich anschliessenden Erörterung werden die Bezeichnungen Kupfer und Bleioxid durchweg nur der Anschaulichkeit wegen benutzt. Das Mass, bis zu welchem andere Stoffe mit diesen Materialien kombiniert oder anstelle des Kupfers eingesetzt werden können, ist an anderer Stelle erläutert. In keinem Fall ist die alleinige Bezugnahme auf Kupfer und Bleioxid als Einschränkung der Erfindung auszulegen.
Kupferpulver nahezu beliebiger Güte ist brauchbar. Es hat sich jedoch eine bestimmte Pulvermischung als besonders geeignet erwiesen, die sehr leicht fliesst, wenn sie mit feinen pulverförmigen Oxiden vermischt wird. Dies ist eine wichtige Eigenschaft, insbesondere wenn mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Verdichtungspressen Anwendung finden sollen, die in der Pulvermetallindu- strie im allgemeinen verwendet werden.
Die Analyse die ser bzvorzugten Kupfermischung mit genormten Sieben ergibt die folgenden Werte:
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Prozent <SEP> 8 <SEP> Siebgrösse <SEP> -100 <SEP> + <SEP> 150
<tb> 22 <SEP> <B>-150+200</B>
<tb> 9 <SEP> -200+ <SEP> 250
<tb> 23 <SEP> -250 <SEP> + <SEP> 325
<tb> 38 <SEP> <B>-325</B> Die Zusammensetzungen werden mit Zusätzen von Bleioxid an sich und mit Bleioxid-Basismischungen her gestellt. Die Festigkeit des zusammengesetzten Materials ist in erster Linie dem Grundkörper aus Kupfer zuzu schreiben, während die oxidischen Zusätze die Abrieb eigenschaften bei der Reibung ergeben.
In einer Tabelle I ist eine grosse Anzahl von Blei oxid-Basismischungen angegeben; einige wichtige, sich darauf beziehende Mitteilungen fallen auch in den Be reich der Erfindung. Am Kopf der Tabelle I beziehen sich die Daten auf Blei, die zwecks Vergleich aufgenom men sind.
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Um ein Gleitmaterial mit einer möglichst günstigen Kombination der Gleiteigenschaften und der mechani schen Festigkeit zu erzeugen, muss das richtige Gleich gewicht erhalten werden.
Bei einem Grundgefüge aus Kupfer werden durch einen Zusatz, wie man annimmt, von 5 Gewichtsprozent einer Bleioxid-Basismischung, z.B. Pb0-8Si0. die Gleiteigenschaften im Vergleich mit unlegiertem Kupfer wesentlich verbessert. Oberhalb 20 Gewichtsprozent Oxid werden die Festigkeit des zusam mengesetzten Materials und ausserdem der Abriebwider- stand während des Gleitens herabgesetzt. Der günstigste Bereich für das Oxid erscheint für die meisten Anwen dungszwecke zwischen 10 und 15 Gewichtsprozent zu liegen.
Der zusammengesetzte Metallkörper wird nur bis zu einem Mass beträchtlich unter der theoretischen Dichte verdichtet, so dass er mit einem Schmiermittel getränkt werden kann, durch das sich der Gleitkörper selbst schmiert, wenn diese Eigenschaften erwünscht sind. Wie man herausgefunden hat, kann bei einer l0%igen Porosi- tät eines kompakten Grundgefüges etwas Öl zurückge halten und ein gewisser Gleichförmigkeitsgrad innerhalb des Materials erreicht werden.
Das bevorzugte Verfahren zur Anfertigung des zu vor erläuterten zusammengesetzten Materials als kom pakter gesinterter Körper sei in zwei Teilen beschrieben. Der erste Teil bezieht sich auf die gesinterte, zusammen gesetzte, feste Struktur als solche, während sich der zwei te Teil mit dem Metallfutter beschäftigt, das aus diesem zusammengesetzten Material gebildet und an einem Stahlkörper als Unterlage gebunden ist. Grundlegend für die beiden Verfahren ist das Sintern des zusammengesetz ten Grundgefügematerials in Gegenwart von Bleioxid und/oder dessen Legierungen. Dieser Faktor ist von grösster Wichtigkeit.
Zur Herstellung der zusammengesetzten Struktur als solcher werden die Grundgefügematerialien zuerst völlig mit einem Schmiermittel durchmischt, um die Kupfer teilchen zu überziehen und die Reibungskräfte herabzu setzen, die sich zwischen den Teilchen und der Wand eines Formwerkzeuges beim Pressen entwickeln. Diese Pulver können natürlich auch ohne Zusatz eines Schmier mittels gepresst werden. Um die Lebensdauer des Werk- zeuges zu verlängern und die Pressgeschwindigkeit zu er höhen, soll das Schmiermittel jedoch der Mischung zu gesetzt werden.
Wie man herausgefunden hat, werden die Kupferteilchen % h lang vor dem Zufügen der Oxid basismischung mit Stearinsäure gemischt, worauf das Mi schen noch #/4 h lang fortgesetzt wird. Dadurch, dass die Kupferteilchen zuerst mit dem Schmiermittel vermischt werden, kann dieses das Kupferpulver besser überziehen, so dass die Neigung des Oxides, mit dem Schmiermittel zusammenzuballen, stark herabgesetzt wird.
Die Mischung wird dann mit Hilfe üblicher, selbsttä tiger Pressvorrichtungen verdichtet. Die grüne Dichte (im feuchten Zustand), zu der die Materialien zusam- mengepresst werden, hat einige Bedeutung. Wie man herausgefunden hat, ist eine solche Dichte von 7,3 g/cm3 im feuchten Zustand am besten. Dies entspricht grob et wa 83% der theoretischen Dichte des zusammengesetzten Materials. Bei einer Dichte, die über 7,3 g/cm3 hinaus geht, zeigt sich die Neigung, dass das Oxid während des Sintervorgangs austritt.
Dies erfolgt deshalb, weil die Oxide schmelzen und sich ausdehnen; wenn diese Aus dehnung nicht von den inwendigen Poren kompensiert werden kann, tritt das Oxid aus der verdichteten Masse aus. Um diese grüne Dichte im feuchten Zustand zu erreichen, ist ein Druck von etwa 3.500 kg/cm3 erfor derlich.
Die kompakte Mischung der Pulverteilchen wird dann in einem zweistufigen Verfahren gesintert.
Der erste Schritt des zweistufigen Sinterverfahrens ist eine Voroxydation, bei der ein Film aus Kupferoxid .um die Kupferteilchen entsteht. Im allgemeinen erfolgt diese Behandlung bei einer Temperatur zwischen 370 und 540 C, bevorzugt bei 425 C, bei der eine gesteuerte Oxydation möglich zu sein scheint, ohne dass die Mate rialien lange dieser Temperatur ausgesetzt zu werden brauchen. In Abhängigkeit von der Masse des behandel ten Stückes wird eine Zeitspanne in der Grössenordnung von 10-15 Minuten bei dieser Temperatur angewandt. Bei höheren Temperaturen kann die Zeit natürlich ver ringert werden; bei Temperaturen oberhalb etwa 425 C wird im wesentlichen Cuprooxid (Cu"0) gebildet.
Dieser Überzug ist jedoch nicht so bruchfest und zäh wie der des Cuprooxides (Cu0), und in allen Fällen löst er sich leicht vom Kupfer ab. Diese Voroxydation vor dem Sin tern ist aus zwei Hauptgründen wünschenswert: 1) freies Blei wird ausgeschaltet, das sich durch Zer fall des gepulverten Schmiermittels gebildet hat, und 2) es bildet sich eine Oberflächenstruktur mit den günstigsten Reibungseigenschaften.
Bei einem Zusatz von Cu"O wird der Schmelzpunkt des PbO von 888 C auf gesenkt. Anscheinend muss eine ähnliche Beziehung auch für das Pb0-CuO-System be stehen. Wenn ein Film aus CuO auf allen Kupferteilchen vorhanden ist, führt das Sintern oberhalb 682 C zu einer Benetzung der gesamten Kupferoberflächen mit PbO oder nach einer vorausgehenden Legierung mit einer an PbO reichen Mischung. Infolge dieses Verhaltens kann sich das Oxid nach dem Sintern an den Zwischenflächen des betreffenden Teils befinden.
Daher kann der Teil nach einer anschliessenden Prägung oder Sortierung völ lig brauchbar sein, ohne dass er mit einer Maschine be arbeitet zu werden braucht.
Die Gegenwart eines Filmes aus Cu0 dient während des Sintervorganges auch einer anderen Funktion. Alles metallische Blei, das sich infolge des Abbrennens des gepulverten Schmiermittels bildet, reagiert im geschmol zenen Zustand mit CuO, wobei eine Thermit-Reaktion abläuft, bei der metallisches Cu und PbO erzeugt wird. Auf diese Weise kann die Gegenwart von Pb im zusam mengesetzten Körper fast völlig vermieden werden.
In der obigen Feststellung ist Implizit enthalten, da die Voroxydation keine strenge Forderung für das Erzeu gen einer Zusammensetzung aus Cu und PbO ist. Damit jedoch eine Fabrikation mit den üblichen Pulvermetall vorrichtungen möglich ist und ein Endprodukt mit einer möglichst günstigen Festigkeit und Gleiteigenschaften entsteht, bietet diese Vorbehandlung beträchtliche Vor teile.
Der voroxydierte Pressling wird dann gesintert, um die Bindung zwischen den Kupferteilchen zu verstärken und eine Bindung zwischen dem PbO oder den PbO-Ba- sismischungen und den Kupferteilchen zu erhalten. Wenn auch die zum Sintern erforderliche Temperatur nicht kri tisch ist, ist, wie man herausgefunden hat, das Sintern oberhalb des Schmelzpunktes des Oxidzusatzes am gün stigsten. Ein Temperaturbereich von 760 -930 C führt im allgemeinen zu den Zusammensetzungen der Erfin dung. Für PbO, das bei 888 C schmilzt, kann das Sin tern zwischen 900 und 955 C erfolgen.
Andererseits kann z.B. die binäre PbO-8SiO2 -Legierung, die zwi schen 677 und 733 C schmilzt, bei 815 -845 C gesin- tert werden. Die bevorzugte Zeitspanne, während der die Zusammensetzungen auf der Sintertemperatur gehalten werden sollen, damit man reproduzierbare Festigkeits eigenschaften erhält, scheint bei etwa 15 Minuten zu lie gen, obwohl dies nicht allzu kritisch ist.
Da PbO leicht zu metallischem Pb reduziert, darf das Sintern nicht in einer reduzierenden Atmosphäre, z.B. Wasserstoff, en dothermen, exothermen oder dissoziierten Ammoniak gasen, erfolgen. Hierzu wird vorzugsweise ein reaktions unfähiges Gas, z.B. Argon oder Stickstoff, angewendet.
Wenn auch das Sintern des nicht legierten Kupfers in einer reaktionsunfähigen Atmosphäre normalerweise nicht annähernd so wirksam wie bei Anwendung eines reduzierenden Gases ist, so wird, wie bemerkt sein sollte, die Schwierigkeit durch Zusatz von PbO und seiner Le gierungen zum Cu-Pulver überwunden, insofern, als während des Sinterns einiges PbO verdampft und tat sächlich mit irgendeinem vorhandenen Cu0- oder Cu20 tatsächlich kombiniert, so dass eine saubere Kupferober fläche zurückbleibt.
Bei dem zuvor beschriebenen Sin tern des Materials ist es wünschenswert, den Pressling er neut zu pressen oder zu prägen. Dies kann mit demsel ben Werkzeug erfolgen, das zur Verdichtung des ur sprünglichen grünen Presslings benutzt ist, da der Sin- tervorgang nur eine sehr geringe Änderung der Abmes sungen mit sich bringt. Normalerweise kann derselbe Druck, der während des Verdichtungsvorganges ange- vrendet wird, auch zur Prägung des gesinterten Presslings angewendet werden. Die vorgeschriebene Dichte der end gültigen Zusammensetzung hängt von der Anwendungs art ab, die für den Gegenstand gedacht ist.
Wenn die Bedingungen der hydrodynamischen Schmierung beste hen und ein dünner Schmiermittelfilm aufrechterhalten werden muss, ist ein Material in der Nähe der völligen Dichte erwünscht. Eine Zusammensetzung mit einer etwa 90 7oigen Dichte bezüglich der theoretischen Dichte (7,93 g/cm3) scheint für diese Bedingungen am besten zu sein. Die in diesem Material verbleibende 107oige Po rosität erlaubt die Aufnahme von etwas öl. In das zu sammengesetzte Material, insbesondere in dessen poröse Abschnitte, wird das Schmiermittel mit Hilfe üblicher Vakuumimprägnierverfahren eingebracht.
Wenn die end gültige Dichte vermindert wird, kann die innere ölauf- nahme vergrössert werden, um ein zusammengesetztes, sich selbst schmierendes Material herstellen zu können.
Das Verfahren zum Herstellen eines Metallfutters aus gesintertem Pulver auf einer festen, verstärkenden Me tallunterlage folgt im allgemeinen den bereits aufgezeich neten Grundregeln der Erfindung. Um die Bindung des zusammengesetzten Materials an die Stahlunterlage zu erleichtern und eine unerwünschte Reaktion zwischen dem PbO oder den Pb0-Basismischungen und der Stahl unterlage auszuschalten, wird die letztere mit einem bin denden Material elektrolytisch überzogen oder plattiert, das dieselben Eigenschaften bezüglich der Oxidbildung aufweist, wie oben beschrieben ist.
Im allgemeinen wird der Stahlkörper mit einer Kupfer- oder Silberlage oder mit einer Legierung aus diesen Metallen plattiert; ein Kupferfilm im Dickenbereich von 0,0125-0,05 mm er scheint für die meisten zuvor aufgezählten Zusammenset zungen ausreichend. Eine grössere Dicke kann jedoch notwendig sein, wenn Materialien mit höheren Schmelz temperaturen Anwendung finden.
Die Pulvermischungen aus Kupfer und dem Oxid können nach den bereits erläuterten Verfahren bereitet werden. Es wird jedoch kein Schmiermittel hinzugesetzt, da keine Verfahrensschritte auftreten, bei denen eine Schmierung nötig ist. Die Pulvermischung wird dann auf der ebenen Oberfläche des Streifens ausgebreitet, die der Zwischenschicht zugekehrt ist. Der Streifen läuft dann durch eine Sinterkammer hindurch, deren Bedingungen. so gewählt sind, dass die Pulverteilchen zusammensintern, ein Punktkontakt mit begrenzter Kohäsion zwischen den. Teilchen entsteht und die Teilchen an die ebene Oberflä che des Streifens metallurgisch gebunden werden.
Die Temperatur zum Sintern des Streifens soll normalerweise für die verschiedenen bereits erläuterten Zusammenset zungen zwischen 760 und 930 C liegen. Für eine Cu- -Pb0-Si02-Mischung erscheint z.B. eine Temperatur von etwa am besten geeignet zu sein.
Bei der Herstellung von Lagern mit Stahlgrundkör- pern aus Kupferblei, Lagerweissmetall oder Aluminium wird die endgültige Bemessung durch Präsisionsbohren erreicht. Somit ist der Oberflächenzustand des gegosse nen oder gesinterten Streifens ohne Bedeutung. In eini gen Fällen möchte man jedoch ein Lager aus einem Strei fen bilden und die endgültige Bohrung durch Bemessung- und Rollpolierverfahren herstellen. In diesem Fall ist es wünschenswert, eine Fläche mit einer möglichst günsti gen Oxidverteilung zu besitzen.
Aus diesem Grund kann die frei gesinterte Zusammensetzung durch eine Behand lung im voraus oxydiert werden, die mit der im zuvor beschriebenen Verfahren angewandten Behandlung ver gleichbar ist. Diese Voroxydation soll vorzugsweise vor, dem Rollvorgang stattfinden.
Der frei gesinterte Streifen wird nun gewalzt, bis sei ne Dicke zumindest auf 757o herabgesetzt ist, damit er, sich verdichtet und seine Bindungsfestigkeit gesteigert wird. Der bevorzugte Bereich zur Verdichtung der gesin terten Pulvermischung liegt zwischen der 807oigen und 90 7oigen theoretischen Dichte. Der Streifen wird dann bei einer Temperatur zwischen 760 und 925 C erneut ge sintert, um die Berührungsstellen der Teilchen zusam- menzusintern und zu schmelzen und dabei die Bindung zu verstärken und zu verbessern. Beim erneuten Sintern des Streifens kann die Pulvermischung im Vakuum mit.
einem Schmiermittel imprägniert werden, das die verblei benden Poren ausfüllt. Der fertige Streifen wird dann mit einer Maschine bearbeitet oder nach üblichen Verfahren mit dem gewünschten Anstrich und der gewünschten End- struktur versehen.
Sintered sliding material and method for its production The invention relates to a sintered sliding material and a method for its production. This material can be used for bearings, piston rings, you lines, clutch plates and the like.
A material has already been proposed, the basic structure of which is formed from a metal powder mixture, which generally consists of a material whose free energy in the formation of the oxide is more positive than that of the lead oxide, e.g. made of copper or silver; the basic structure is made up of particles that are predominantly formed by lead oxide. A relatively large amount of the predominant lead oxide particles, which are preferably combined with other oxides, is induced to penetrate the basic structure so that a fairly large amount of particles are always present on the sliding surfaces of the materials lying on top of one another, which are predominantly on lead oxide based.
As a result of the depth of the basic structure, the sliding surface material resists abrasion for a long time and still has the effect that a bearing material is formed on the surfaces lying on top of one another.
An object of the invention is to avoid the penetration of the basic structure with the materials based on lead oxide and thereby switch on some problems which are peculiarly connected with this solution. Even if a penetrated basic structure made of a composite material considered here may be desirable for certain applications, such a penetrated structure is nevertheless associated with certain disadvantages in other cases.
The penetration is namely a function of the viscosity of the material, in this case the molten oxide; a highly viscous, viscous melt does not always penetrate the basic structural material in a suitable manner. In addition, the binary lead oxide mixture has a certain viscosity range, which depends on an alloying additive. This means that only certain mixtures can easily penetrate. Furthermore, the penetration is difficult to influence in some cases, especially when the penetration speed is quite slow. To the extent that the molten lead oxide dissolves the copper, prolonged surface contact can lead to considerable surface erosion and structural weakening.
A penetrated structure must, in its real nature, have interconnected areas of such lead oxide particles which have a detrimental effect on the processing of the composite material with the machine. Large, interrelated areas of lead oxide or its alloys are in fact easily pulled apart under certain circumstances by a machine tool, and bubbles or cavities remain in the finished surface, at least in microscopic dimensions.
As has been recognized, these conditions can be eliminated by firmly sintering a mixture of a base material and the powder particles, under which lead oxide predominates. In this improved article, the powder particles, among which lead oxide predominates, form independent and discontinuous pools or spots that are embedded in the matrix material.
The sintered sliding material according to the invention, which is particularly suitable for the production of plain bearings and has a basic structure material and particles that contain lead oxide as such or in the form of a compound with another oxide, is characterized in that the basic structure material is at least for the most part made of metal powder exists whose free oxide formation energy is more positive than that of lead oxide, and that the lead oxide or
the compound is present in an amount of 5 to 20% by weight of Pb0, based on the material, and the particles are dispersed as separate and discontinuous inclusions in the matrix material.
The process for producing this material is characterized in that powdery particles containing lead oxide as such or in the form of a compound with another oxide are evenly mixed with powdery particles of a metal whose free oxide formation energy is more positive than that of lead oxide , this mixture compacts and the compacted mixture sinters to bind the individual powder particles together.
For a better understanding of the invention, the attached figures are explained in more detail.
FIG. 1 is a photomicrograph, enlarged 250 times, showing the metallurgical characteristics of the previously proposed material for comparison.
FIG. 2 is a photograph enlarged in the same way and shows the metallurgical features of the material according to the invention.
According to FIG. 1, the lead oxide base material generally forms coherent pools or spots 10. Even if such a relationship is not fully visible, it still exists in a different plane. Furthermore, FIG. 1 shows light areas 12, which represent the material of the basic structure and of course have such spaces or inclusions.
From FIG. 2, the independent and interrupted pools or spots emerge from a lead oxide base material 14, which are embedded in a base structure 16.
An essential property of the basic structure material is that the metal powders forming the basic structure have a free oxide formation energy that is more positive than that of lead oxide, so that the material of the basic structure does not seek to reduce the lead oxide to metallic lead when both materials are used can be sintered together. The metals copper and silver meet this requirement. Silver can also be used as an alloying element to strengthen the copper without adversely affecting the lead oxide. Arsenic can also be used as an alloying element; however, it is not perfect as a base metal.
In the discussion that follows, the terms copper and lead oxide are used throughout for the sake of clarity. The extent to which other substances can be combined with these materials or used instead of copper is explained elsewhere. In no event should the sole reference to copper and lead oxide be construed as limiting the invention.
Copper powder of almost any quality can be used. However, a certain powder mixture has been found to be particularly suitable which flows very easily when mixed with fine powdery oxides. This is an important property especially when it comes to the application of high speed compaction presses, which are commonly used in the powder metal industry.
The analysis of this preferred copper mixture with standardized sieves gives the following values:
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Percent <SEP> 8 <SEP> sieve size <SEP> -100 <SEP> + <SEP> 150
<tb> 22 <SEP> <B> -150 + 200 </B>
<tb> 9 <SEP> -200+ <SEP> 250
<tb> 23 <SEP> -250 <SEP> + <SEP> 325
<tb> 38 <SEP> <B> -325 </B> The compositions are produced with additions of lead oxide per se and with lead oxide base mixtures. The strength of the composite material is primarily due to the base body made of copper, while the oxidic additives result in the abrasion properties during friction.
A large number of lead oxide base mixtures is given in Table I; some important, related communications also fall within the scope of the invention. At the top of Table I, the data relate to lead which has been included for comparison.
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In order to produce a sliding material with the best possible combination of sliding properties and mechanical strength, the right balance must be obtained.
In the case of a basic copper structure, an addition of 5% by weight of a lead oxide base mixture, e.g. Pb0-8Si0. the sliding properties are significantly improved compared to unalloyed copper. Above 20 percent by weight of oxide, the strength of the combined material and also the abrasion resistance during sliding are reduced. The most favorable range for the oxide appears to be between 10 and 15 percent by weight for most applications.
The composite metal body is only compressed to a degree well below the theoretical density, so that it can be impregnated with a lubricant by which the sliding body self-lubricates if these properties are desired. It has been found that with a 10% porosity of a compact matrix, some oil can be retained and a certain degree of uniformity can be achieved within the material.
The preferred method for making the composite material explained before as a compact sintered body is described in two parts. The first part relates to the sintered, composite, solid structure as such, while the second part deals with the metal lining, which is formed from this composite material and is bonded to a steel body as a base. The sintering of the composite basic structural material in the presence of lead oxide and / or its alloys is fundamental for both processes. This factor is of the utmost importance.
To produce the composite structure as such, the basic structural materials are first thoroughly mixed with a lubricant in order to coat the copper particles and reduce the frictional forces that develop between the particles and the wall of a mold during pressing. These powders can of course also be pressed without the addition of a lubricant. However, in order to extend the service life of the tool and to increase the pressing speed, the lubricant should be added to the mixture.
The copper particles have been found to be mixed with stearic acid for ¼ hours prior to adding the oxide base mixture, and the mixing is continued for an additional ¼ hour. The fact that the copper particles are first mixed with the lubricant enables the latter to coat the copper powder better, so that the tendency of the oxide to clump together with the lubricant is greatly reduced.
The mixture is then compacted with the help of conventional, automatic pressing devices. The green density (when wet) to which the materials are compressed has some significance. It has been found that such a density of 7.3 g / cm3 is best when wet. This corresponds roughly to about 83% of the theoretical density of the composite material. At a density that goes beyond 7.3 g / cm3, there is a tendency for the oxide to escape during the sintering process.
This is because the oxides melt and expand; if this expansion cannot be compensated for by the internal pores, the oxide emerges from the compacted mass. To achieve this green density when wet, a pressure of around 3,500 kg / cm3 is required.
The compact mixture of powder particles is then sintered in a two-step process.
The first step of the two-stage sintering process is pre-oxidation, in which a film of copper oxide is created around the copper particles. In general, this treatment takes place at a temperature between 370 and 540 C, preferably at 425 C, at which a controlled oxidation seems to be possible without the materials needing to be exposed to this temperature for a long time. Depending on the mass of the treated piece, a period of time in the order of 10-15 minutes is used at this temperature. The time can of course be reduced at higher temperatures; at temperatures above about 425 ° C., cuprous oxide (Cu "0) is essentially formed.
However, this coating is not as break-proof and tough as that of the cuprous oxide (CuO), and in all cases it easily separates from the copper. This pre-oxidation prior to sintering is desirable for two main reasons: 1) it eliminates free lead that has formed from the breakdown of the powdered lubricant, and 2) creates a surface structure with the most favorable frictional properties.
When Cu "O is added, the melting point of PbO is lowered from 888 C to. Apparently a similar relationship must also exist for the Pb0-CuO system. If a film of CuO is present on all copper particles, sintering leads to above 682 C to a wetting of the entire copper surfaces with PbO or after a previous alloy with a mixture rich in PbO. As a result of this behavior, the oxide can be located on the intermediate surfaces of the part concerned after sintering.
Therefore, the part can be completely usable after a subsequent embossing or sorting without having to be worked with a machine.
The presence of a Cu0 film also serves another function during the sintering process. All metallic lead that forms as a result of the burning off of the powdered lubricant reacts in the molten state with CuO, whereby a thermite reaction takes place, in which metallic Cu and PbO are produced. In this way, the presence of Pb in the composite body can be almost completely avoided.
It is implicit in the above statement that the pre-oxidation is not a strict requirement for generating a composition of Cu and PbO. However, so that fabrication with the usual powder metal devices is possible and an end product with the best possible strength and sliding properties is created, this pretreatment offers considerable advantages.
The pre-oxidized compact is then sintered in order to strengthen the bond between the copper particles and to obtain a bond between the PbO or the PbO base mixtures and the copper particles. Even if the temperature required for sintering is not critical, it has been found that sintering above the melting point of the oxide additive is most favorable. A temperature range of 760-930 C generally leads to the compositions of the invention. For PbO, which melts at 888 C, sintering can occur between 900 and 955 C.
On the other hand, e.g. the binary PbO-8SiO2 alloy, which melts between 677 and 733 C, can be sintered at 815 -845 C. The preferred length of time that the compositions should be held at the sintering temperature in order to obtain reproducible strength properties appears to be about 15 minutes, although this is not overly critical.
Since PbO easily reduces to metallic Pb, the sintering must not be carried out in a reducing atmosphere, e.g. Hydrogen, endothermic, exothermic or dissociated ammonia gases take place. For this purpose a non-reactive gas, e.g. Argon or nitrogen.
While sintering the unalloyed copper in an unreactive atmosphere is normally not nearly as effective as using a reducing gas, it should be noted that the difficulty is overcome by adding PbO and its alloys to the Cu powder so far when some PbO evaporated during sintering and actually combined with any existing Cu0 or Cu20, leaving a clean copper surface.
In the previously described sintering of the material, it is desirable to re-press or emboss the compact. This can be done with the same tool that was used to compact the original green compact, since the sintering process only brings about a very small change in the dimensions. Normally, the same pressure that is used during the compaction process can also be used to emboss the sintered compact. The prescribed density of the final composition depends on the type of application intended for the object.
When hydrodynamic lubrication conditions exist and a thin film of lubricant must be maintained, a material close to full density is desired. A composition with a density of about 90% relative to theoretical density (7.93 g / cm3) appears to be best for these conditions. The 107oige porosity remaining in this material allows the absorption of some oil. The lubricant is introduced into the composite material, in particular into its porous sections, using conventional vacuum impregnation processes.
If the final density is reduced, the internal oil absorption can be increased in order to be able to produce a composite, self-lubricating material.
The method of making a metal liner from sintered powder on a solid, reinforcing metal pad generally follows the principles of the invention already recorded. In order to facilitate the bonding of the composite material to the steel substrate and to eliminate an undesirable reaction between the PbO or the Pb0 base mixtures and the steel substrate, the latter is electrolytically coated or plated with a binding material which has the same properties with regard to oxide formation, as described above.
In general, the steel body is plated with a copper or silver layer or with an alloy of these metals; a copper film in the thickness range of 0.0125-0.05 mm it seems sufficient for most of the compositions listed above. However, a greater thickness may be necessary if materials with higher melting temperatures are used.
The powder mixtures of copper and the oxide can be prepared using the methods already explained. However, no lubricant is added because there are no process steps in which lubrication is necessary. The powder mixture is then spread on the flat surface of the strip which faces the intermediate layer. The strip then passes through a sintering chamber whose conditions. are chosen so that the powder particles sinter together, a point contact with limited cohesion between the. Particles are created and the particles are metallurgically bonded to the flat surface of the strip.
The temperature for sintering the strip should normally be between 760 and 930 C for the various compositions already explained. For a Cu-Pb0-Si02 mixture e.g. a temperature around being best suited.
When manufacturing bearings with a steel body made of lead copper, white metal or aluminum, the final dimensioning is achieved through precision drilling. Thus, the surface condition of the cast or sintered strip is irrelevant. In some cases, however, one would like to form a bearing from a strip and produce the final bore by sizing and roll polishing processes. In this case, it is desirable to have an area with the most favorable oxide distribution possible.
For this reason, the free sintered composition can be oxidized in advance by a treatment comparable to the treatment used in the above-described method. This pre-oxidation should preferably take place before the rolling process.
The freely sintered strip is now rolled until its thickness is reduced to at least 757o, so that it is compressed and its bond strength is increased. The preferred range for densifying the sintered powder mixture is between 807 and 907 theoretical density. The strip is then re-sintered at a temperature between 760 and 925 C in order to sinter and melt the points of contact between the particles and thereby strengthen and improve the bond. When the strip is re-sintered, the powder mixture can be used in a vacuum.
be impregnated with a lubricant that fills the remaining pores. The finished strip is then processed with a machine or provided with the desired coating and the desired final structure using conventional methods.