<Desc/Clms Page number 1>
De nombreux alliages binaires se composent, à l'état solide, de cristaux mixtes, c'est-à-dire de solutions atomiques, dont la stabilité n'est limitée qu'à un domaine de température déter., miné.
Dans le système zinc-aluminium, on a , pour des te- neurs en aluminium supérieures à 17 % d'Al, des proportions analo- gues. Le dessin représente schématiquement une coupe du diagramme d'état zinc-aluminium. Les alliages à plus de 17 % d'Al se solidi- fient en cristaux mixtes ss, ligne a-b. Si la teneur en aluminium
<Desc/Clms Page number 2>
es,t comprise entre 17 et 21 %, il se sépare des cristaux de. zinc lorsque l'on refroidit davantage, tandis que la teneur en aluminium des cristaux mixtes Il monte jusqu'à 21% d'Al, ligne a-c. Ce pro- cessus se termine à 275 C.
A cette température., les cristaux mix- tes ss se précipitent en un eutectoide "C", Lorsque l'on refroidit davantage, les alliages à plus de 21% d'Al se précipitent, ligne e-d, en deux types de cristaux mixtes, dont le plus riche en zinc se transforme également en eutectoïde "C" à 275 C. Il y a dès lors des alliages aluminium-zinc avec une teneur en aluminium comprise entre 17 et 21 %, se composant de cristaux de zinc et d'eutectoide, des alliages à 21 .d'Al qui ne se composent que d'eutectoïde et des alliages à plus de 21 % d'Al, qui se composent d'eutectoïde et de cristaux mixtes /3 riches en aluminium.
Lorsque l'on a des alliages purs aluminium-zinc, la précipitation en eutectoide se produit rapidement ; on l'empêche en ajoutant du Mg du Cu et d'autres éléments analogues.
Les alliages refroidis brusquement possèdent de très bonnes propriétés de solidité, le refroidissement brusque après un recuit prolongé à plus de 275 C constituant dès lors un procédé d'affinage.
On a constaté que les alliages se composant en ma- jeure partie ou entièrement de cristaux mixtes ss ,constituaient des alliages antifrictions. En particulier pour les alliages à plusde 30 % d'Al et avec une teneur en Cu de 1/6 à 1/4 de la teneur en aluminium, le reste se composant de zinc, on a constaté qu'une di- minution de la solidité et de la dureté par des recuits de précipi- tation entre 80 et 280 C, entraînait une augmentation surprenante des propriétés antifrictions, en comprenant parmi celles-ci, un faible coefficient de frottement et des propriétés anti-grippantes remarquables. Même en fonctionnant sans huile, les arbres et les axes ne sont pas attaqués, comme c'est le cas pour les alliages af- ou les alliages finés/refroidis brusquement par coulage.
<Desc/Clms Page number 3>
En outre, il a été recommandé d'employer un alliage à base d'Al-Cu-Zn. se composant de 3-15 % d'Al, 0,001-2 % de Cu, 0,01-0,06 % de Mn, le reste étant du zinc pur avecmoins de 0,01 % de Sn, de Pb,et de Cd. Toutefois, cet alliage n'a aucune propriété anti-grippante exceptionnelle.
De plus, il était connu que les alliages à 80-85 % de Zn, 14-19 % d'Al et 1-2 % de Cu ou les alliages à 80-85 % de Zn, 14-18% d'Al et 0-6 % de Cu, possédaient des résistances à la traction et des duretés extraordinaires et qu'ils convenaient particulièrement bien pour la fabrication des pièces coulées sous pression, des barres éti rées et des tôles.
A présent, on a découvert qu'en adaptant les condition. de recuit de précipitation au but envisagé, même les alliages à 16-29 % d'Al et certaines teneurs en cuivre, le reste étant du zinc, constituaient d'excellentes matières antifrictions. Pour l'homme de métier, c'est là un fait surprenant, car, jusqu'à présent, avec de fortes teneurs en aluminium, l'on admettait qu'il y ait formation de cristaux mixtes 0 ,formation qui, dans le domaine d'alliages sui- vant la présente invention, est faible ou même nulle. Dans ce domai- he, cela tient en premier lieu à la structure eutectoidique. Tous les essais qui consistèrent à utiliser les alliages suivant la pré- sente invention.comme matières antifrictions, aboutirent à une.fai- ble propriété antigrippante, car on ignorait l'importance du recuit de précipitation.
On a constaté notamment qu'avec des alliages con- tenant du cuivre et à plus de 16 % d'Al, le refroidissement naturel dans des moules de sable ou permanents ne suffisait pas à entraîner la précipitation en eutectoide à grains fins. Il faut plutôt sou- mettre l'alliage refroidi à un chauffage complémentaire en partant de la température ambiante.
Un exemple montrera l'effet qui se produit. Un allia- ge comprenant 21 % d'Al, 5 % de Cu et 74 % de zinc pur à 99,99 % a été coulé en boulons, dans un moule de sable. L'essai de solidité a donné une résistance à la rupture de 40 kg/mm2, un allongement de
<Desc/Clms Page number 4>
5 % et une dureté Brinell de 130 kg/mm2. Avec les boulons, on a fabriqué des manchons et, dans une disposition correspondante, on les a fait fonctionner avec lubrification d'huile, sous une pression de palier et à une vitesse constantes. Après avoir coupé l'arrivée d'huile, la température du palier est montée en 80 secondes, de 60 C à 3200 C, l'axe du palier s'est grippé et la machine s'est ar- rêtée.
Le même alliage a été soumis, pendant 12 heures, à un recuit de précipitation à 200 C. Les .propriétés mécaniques se sont alté- rées. La résistance à la rupture s'élevait à 30 kg/mm2, l'allonge- ment était de 5 % et la dureté Brinell n'atteignait que 100 kg/mm2.
Avec ces boulons, on a fabriqué des manchons et on les a soumis à l'essai de fonctionnement décrit. Après avoir coupé l'arrivée d'hui- le, la température du palier est montée, en 300 secondes, de 50 C à 220 C, la résistance au frottement a augmenté fortement, mais il s'est formé, à la surface de roulement, une pâte grise et graisseuse, de sorte que l'axe n'a pas été grippé.
L'exemple montre que le recuit de précipitation en- traîne une diminution des propriétés mécaniques, mais par contre améliore les propriétés antifrictions.
Pour obtenir les meilleurs résultats avec le procéd4 de fabrication d'alliages antifrictions ayant de bonnes propriétés antigrippantes, par recuit d'alliages de zinc-aluminium-cuivre à des températures comprises entre 150 et 275 C, on emploie des al- liages à 18-29% d'Al et avec une teneur en cuivre comprise entre 1/10 et 1/4 de la teneur en aluminium, au minimum 2,2 'la, le reste étant du zinc pur à 99,99 %.
En particulier les alliages à 20-22 % d'Al et avec une teneur en cuivre de 1/10 à 1/4 de la teneur en aluminium, le reste étant du zinc, ont eu un comportement l antigrip- pant remarquable, l'alliage cité dans l'exemple et se composant de 21 % d'Al, de 5 % de Cu et de 74% de zinc pur, ayant eu un compor- tement antigrippant optimum après le recuit de précipitation, tant dans le coulage en sable et le coulage en coquilles qu'à l'état com primé.
<Desc/Clms Page number 5>
Les alliages doivent être préparés avec du zinc ayant un degré de pureté de 99,9% de Zn,le reste, soit 0,1 %, se compo-
EMI5.1
sant de plomb à 0, OFsO , d' étàid à;moins de 0, 005 )1 et de cadmium à moins de U,U2U %. En général, les teneurs en cadmium et en étain étant plus faibles, la teneur en Pb peut être plus forte (Pb maximum 0,1 pour Cd = 0, Sn = 0).
De plus, la teneur en magnésium des alliages ne doit pas dépasser 0,01 %, de préférence 0,005 %, et la teneur en fer ne doit pas être supérieure à 0,1 %.
Pour des durées économiques de recuit, l'intervalle de température est compris entre 170 et 275 C. Toutefois, on peut recuire à une température plus basse lorsque l'on recuit pendant de plus longues durées. La durée de recuit ne dépend pas uniquement de la température de recuit, mais également de la teneur en cuivre.
Les chiffres renseignés dans le tableau ci-après pour la température de recuit, ne sont donnés qu'à titre indicatif et la présente inven- tion n'y est pas limitée. Le tableau illustre surtout la relation qui existe entre la température de recuit, la teneur en cuivre et la durée de recuit. Comme le montre l'exemple ci-avant, de plus courtes durées de recuit suffisent également pour donner de bons ré- sultats.
Température de recuit Durée de recuit en heures 0 Cu = 1/4 Al Cu = 1/10 Al
270 6 3
250 12 6
200 24 15
170 36 22
150 60 32
Aux rapports apparemment plus favorables avec une te- neur en cuivre de 1/10 de la teneur en aluminium, sont apposées les duretés plus faibles de l'alliage.
Si l'on effectue plusieurs fois le recuit décrit, l'on obtient en outre pour la propriété antifriction des alliages métalliques, un avantage important en ce sens que le coefficient de dilatation thermique diminue progressivement avec le nombre de
<Desc/Clms Page number 6>
recuits. Tandis que, dans un intervalle de température de 20 à 1000 C, une matière non trempée possède un coefficient de dilata- tien thermique linéaire de 23 à 25.106, ce même coefficient retom- be de 20.10-6 à 22.10-6 après un recuit.
Après un deuxième recuit, il retombe de 18.106 à 20.10-6. L'effet des recuits supplémentai- res devient toujours plus faible et, suivant les buts d'utilisation envisagés, il reste à déterminer jusqu'à quel point la réduction ainsi obtenue reste dans un rapport calculé, par rapport à une plus grande dépense, par exemple pour des paliers de précision. En ce qui concerne la dureté de l'alliage, une teneur en cuivre de 1/4 à 1/6 de la teneur en aluminium donnera les meilleurs résultats.
Pour accélérer les processus de précipitation lors du recuit, on peut, au cours du recuit, faire varier plusieurs fois les températures entre 150 et 275 C. Dans ce système de recuit à fluctuations, la température ne doit évidemment pas descendre jus- qu'à 150 C ni monter jusqu'à 275 C, mais elle peut varier dans un intervalle compris entre ces deux valeurs.
Il faut éviter un durcissement, c'est-à-dire un re- cuit à plus de 275 C, par lequel la structure est homogénéisée.
En effet, un alliage de la composition suivant la présente invention et avec une structure homogène ne convient pas comme matière anti- friction.
Enfin, il est à noter que, jusqu'à présent, on n'est pas parvenu à déterminer, d'une manière précise si, avec 21 ou 22 % d'Al, l'on obtenait l'eutectoide représenté par c dans le dessin.
Dès lors, 'le chiffre de 21 % doit être considéré uniquement en l'oc- curence comme valeur approximative.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
Many binary alloys consist, in the solid state, of mixed crystals, that is to say of atomic solutions, the stability of which is only limited to a determined temperature range.
In the zinc-aluminum system, for aluminum contents greater than 17% Al, similar proportions are obtained. The drawing shows schematically a section of the zinc-aluminum state diagram. Alloys with more than 17% Al solidify into mixed crystals ss, line a-b. If the aluminum content
<Desc / Clms Page number 2>
es, t between 17 and 21%, it separates from crystals. zinc when cooled further, while the aluminum content of the mixed crystals It rises to 21% Al, line a-c. This process ends at 275 C.
At this temperature, the mixed crystals precipitate in a "C" eutectoid. On cooling further, the alloys above 21% Al precipitate, line ed, in two types of mixed crystals, of which the richest in zinc is also transformed into eutectoid "C" at 275 C. There are therefore aluminum-zinc alloys with an aluminum content between 17 and 21%, consisting of crystals of zinc and eutectoid , 21 Al alloys which consist only of eutectoid and alloys greater than 21% Al which consist of eutectoid and mixed crystals / 3 rich in aluminum.
When we have pure aluminum-zinc alloys, precipitation in eutectoid occurs rapidly; it is prevented by adding Mg to Cu and the like.
Abruptly cooled alloys have very good strength properties, sudden cooling after prolonged annealing at over 275 ° C therefore constituting a refining process.
It has been found that alloys consisting mostly or entirely of mixed crystals ss, constitute anti-friction alloys. Particularly for alloys with more than 30% Al and with a Cu content of 1/6 to 1/4 of the aluminum content, the remainder being zinc, it has been found that a decrease in strength and hardness by precipitation anneals at 80-280 ° C resulted in a surprising increase in anti-friction properties, including among them a low coefficient of friction and outstanding anti-seize properties. Even when operating without oil, the shafts and axles are not attacked, as is the case with af- alloys or alloys which are finished / suddenly cooled by casting.
<Desc / Clms Page number 3>
In addition, it has been recommended to use an Al-Cu-Zn-based alloy. consisting of 3-15% Al, 0.001-2% Cu, 0.01-0.06% Mn, the balance being pure zinc with less than 0.01% Sn, Pb, and Cd However, this alloy has no exceptional anti-seize properties.
In addition, it was known that alloys with 80-85% Zn, 14-19% Al and 1-2% Cu or alloys with 80-85% Zn, 14-18% Al and 0-6% Cu, possessed extraordinary tensile strengths and hardnesses and were particularly suitable for the manufacture of die-cast parts, stretch bars and sheet metal.
Now it has been discovered that by adapting the conditions. From precipitation annealing to the intended purpose, even alloys with 16-29% Al and some copper contents, the remainder being zinc, were excellent anti-friction materials. For those skilled in the art, this is a surprising fact, because, until now, with high aluminum contents, it was assumed that there is formation of mixed crystals 0, a formation which, in the field of alloys according to the present invention is low or even zero. In this area, this is primarily due to the eutectoid structure. All attempts to use the alloys according to the present invention as anti-friction materials resulted in a low anti-seize property because the importance of precipitation annealing was ignored.
In particular, it has been found that with alloys containing copper and at more than 16% Al, natural cooling in sand or permanent molds is not sufficient to cause precipitation of fine-grained eutectoid. Rather, the cooled alloy should be subjected to additional heating from room temperature.
An example will show the effect that occurs. An alloy comprising 21% Al, 5% Cu and 74% 99.99% pure zinc was bolted in a sand mold. The strength test gave a breaking strength of 40 kg / mm2, an elongation of
<Desc / Clms Page number 4>
5% and a Brinell hardness of 130 kg / mm2. With the bolts, sleeves were made and, in a corresponding arrangement, they were operated with oil lubrication, at constant bearing pressure and speed. After shutting off the oil supply, the temperature of the bearing rose in 80 seconds, from 60 C to 3200 C, the bearing shaft seized up and the machine stopped.
The same alloy was subjected for 12 hours to precipitation annealing at 200 ° C. The mechanical properties deteriorated. The tensile strength was 30 kg / mm2, the elongation was 5% and the Brinell hardness was only 100 kg / mm2.
With these bolts, sleeves were made and subjected to the described functional test. After switching off the oil supply, the temperature of the bearing rose, in 300 seconds, from 50 C to 220 C, the friction resistance increased sharply, but it formed on the running surface , a gray and greasy paste, so that the axle was not seized.
The example shows that the precipitation annealing leads to a reduction in the mechanical properties, but on the other hand improves the anti-friction properties.
To obtain the best results with the process of manufacturing anti-friction alloys having good anti-seize properties, by annealing zinc-aluminum-copper alloys at temperatures between 150 and 275 C, alloys at 18- 29% Al and with a copper content of between 1/10 and 1/4 of the aluminum content, at least 2.2%, the remainder being 99.99% pure zinc.
In particular the alloys with 20-22% Al and with a copper content of 1/10 to 1/4 of the aluminum content, the remainder being zinc, had remarkable anti-seize behavior, the alloy cited in the example and consisting of 21% Al, 5% Cu and 74% pure zinc, having had an optimum anti-seize behavior after the precipitation annealing, both in the sand casting and shell casting only in the compressed state.
<Desc / Clms Page number 5>
Alloys must be prepared with zinc having a degree of purity of 99.9% Zn, the remainder, i.e. 0.1%, consists of
EMI5.1
lead to 0, OFsO, state to less than 0.005) 1 and cadmium to less than U, U2U%. In general, the cadmium and tin contents being lower, the Pb content can be higher (maximum Pb 0.1 for Cd = 0, Sn = 0).
In addition, the magnesium content of the alloys should not exceed 0.01%, preferably 0.005%, and the iron content should not be more than 0.1%.
For economical annealing times, the temperature range is between 170 and 275 C. However, one can anneal at a lower temperature when annealing for longer times. The annealing time does not only depend on the annealing temperature, but also on the copper content.
The figures given in the table below for the annealing temperature are given only as an indication and the present invention is not limited thereto. The table mainly illustrates the relationship between the annealing temperature, the copper content and the annealing time. As the example above shows, shorter annealing times are also sufficient to give good results.
Annealing temperature Annealing time in hours 0 Cu = 1/4 Al Cu = 1/10 Al
270 6 3
250 12 6
200 24 15
170 36 22
150 60 32
At apparently more favorable ratios with a copper content of 1/10 of the aluminum content, the lower hardnesses of the alloy are applied.
If the annealing described is carried out several times, an important advantage is also obtained for the antifriction property of metal alloys in that the coefficient of thermal expansion gradually decreases with the number of
<Desc / Clms Page number 6>
annealed. While, in a temperature range of 20 to 1000 C, an unhardened material has a coefficient of linear thermal expansion of 23 to 25.106, this same coefficient falls from 20.10-6 to 22.10-6 after annealing.
After a second annealing, it drops from 18.106 to 20.10-6. The effect of the additional anneals becomes ever weaker and, depending on the intended purposes of use, it remains to be determined to what extent the reduction thus obtained remains in a calculated ratio, to a greater expenditure, by example for precision bearings. Regarding the hardness of the alloy, a copper content of 1/4 to 1/6 the aluminum content will give the best results.
To accelerate the precipitation processes during annealing, the temperatures can be varied several times during annealing between 150 and 275 C. In this fluctuating annealing system, the temperature must obviously not drop as low as 150 C nor go up to 275 C, but it can vary in an interval between these two values.
It is necessary to avoid a hardening, that is to say an annealing at more than 275 C, by which the structure is homogenized.
In fact, an alloy of the composition according to the present invention and with a homogeneous structure is not suitable as an anti-friction material.
Finally, it should be noted that, until now, it has not been possible to determine in a precise manner whether, with 21 or 22% Al, the eutectoid represented by c in the drawing.
Therefore, the figure of 21% should be regarded only in the present case as an approximate value.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.