FR2477926A1

FR2477926A1 - Powder metallurgical process at low sintering temp. - by addn. of low m.pt metal to starting powder, esp. for self-lubricating bearing mfr.

Info

Publication number: FR2477926A1
Application number: FR8005954A
Authority: FR
Inventors: Louis Pleney
Original assignee: Alliages Frittes SA
Current assignee: Alliages Frittes SA
Priority date: 1980-03-12
Filing date: 1980-03-12
Publication date: 1981-09-18
Also published as: FR2477926B1

Abstract

A powder metallurgical process, esp. for prodn. of self- lubricating bearings, comprises (a) mixing the initial powders, pref. together with a solid lubricant powder, to give a mixt. contg. upto 10 wt.% of at least one metal or alloy of m.pt. 80-400 deg.C; (b) cold pressing the mixt., (c) sintering the compact at a temp. near, pref. above, the m.pt. of the low m.pt. metal or alloy, and (d) opt. impregnating the sintered prod. with a liq. lubricant. The solid lubricant may be molybdenum disulphide or diselenide, PTFE (deriv.), Pb (salt), graphite or a graphite fluoride. Addn. of the low m.pt. metal or alloy allows a lower sintering temp. to be used so that the surface finish and dimensional accuracy of the compact are retained. The compact can be sintered in air without excessive surface oxidn. (slight surface oxidn. is beneficial for bearings to reduce the friction coefft.). The low sintering temp. also allows addn. of solid lubricants which cannot be used in compacts subjected to normal sintering operations. Thus, the process has reduced gases and allows coining operations to be omitted. The resulting bearings PV value of about 40 compared with about 20 for conventional bearings (PV is the prod. of pressure on the bearing times circumferential velocity of a shaft in contact with the bearing).

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES A PARTIR DE POUDRES METALLIOUES
La présente invention se situe dans le domaine de la fabrication de pièces frittées de grande précision à partir de poudres métalliques et, plus particulièrement, de coussinets autolubrifiants. METHOD FOR MANUFACTURING PARTS FROM METALLIC POWDERS
The present invention is in the field of manufacturing sintered parts of high precision from metal powders and, more particularly, self-lubricating bearings.

On sait que la méthode classique de fabrication de pièces frittées précises (coussinets par exemple), comporte en général les opérations sui vantes
- mélange de poudres initiales,
- compression à froid,
- frittage à chaud sous gaz protecteur (ou sous vide),
- calibrage par compression à froid,
- éventuellement, imprégnation sous vide par un lubrifiant
liquide.It is known that the conventional method of manufacturing precise sintered parts (pads, for example) generally comprises the following operations.
- mixture of initial powders,
- cold compression,
- hot sintering under protective gas (or under vacuum),
- calibration by cold compression,
optionally, vacuum impregnation with a lubricant
liquid.

Cette méthode présente l'inconvénient d'opérations multiples dont -l'une, le frittage, s'effectue à une température relativement élevée ; par exemple, pour les pièces à base de fer, le frittage s'effectue genéra- lement dans une gamme de températures allant de 9 à à 12000C, sous gaz réducteur (hydrogène, ammoniac craqué, gaz exothermique ou endothermique); pour les pièces à base de bronze, le frittage s'effectue entre 750 et 8200C sous les mêmes gaz réducteurs.This method has the disadvantage of multiple operations, one of which, sintering, is carried out at a relatively high temperature; for example, for iron-based parts, sintering is generally carried out in a temperature range from 9 to 12000 ° C., under a reducing gas (hydrogen, cracked ammonia, exothermic or endothermic gas); for bronze-based parts, the sintering takes place between 750 and 8200 ° C under the same reducing gases.

Il en résulte une grande consommation d'énergie et, de plus, les pièces sont déformées lors de cette opération thermique, ce qui imposte le calibrage à froid, en général à la presse, pour obtenir les tolérances requises.This results in a large energy consumption and, moreover, the parts are deformed during this thermal operation, which imposes the cold calibration, generally to the press, to obtain the required tolerances.

Dans le domaine des coussinets auto-lubrifiants, les caractéristiques de fonctionnement sont données par le produit P.V. (produit de la Pression P qui s exerce sur le coussinet par la vitesse circonférentielle de l'arbre).In the field of self-lubricating bearings, the operating characteristics are given by the product P.V. (product of the pressure P which is exerted on the bearing by the circumferential speed of the shaft).

Les coussinets frittés classiques ont des P.V. généralement limités à 20 quand P est exprimé en daN/cm2 et V en mètres/seconde.Conventional sintered bearings have P.V. typically limited to 20 when P is expressed in daN / cm 2 and V in meters / second.

-Nous rappelons que P = F/diamètre de l'alésage x longueur du coussinet,
F étant la force radiale appliquée en daN,
le diamètre de l'alésage et la longueur du coussinet étant
exprimés en cm, et V est égal à V= ais
60
où est le diamètre de l'arbre (en mètres)
o le nombre de tours/min. de l'arbre.-We remind that P = F / diameter of the bore x length of the pad,
F being the radial force applied in daN,
the diameter of the bore and the length of the bearing being
expressed in cm, and V is equal to V = ais
60
where is the diameter of the tree (in meters)
o the number of revolutions / min. of the tree.

La demanderesse a trouvé qu'il était possible de conserver ltétat de surface et la précision dimensionnelle des pièces telles qu'elles résultent de la compression à froid initiale en introduisant dans le mélange de poudres à fritter, jusqu'à 10 t en poids d'un métal ou alliage fusible, type brasure tendre, dont la température de fusion Of soit comprise entre 800C et 400 C environ.The Applicant has found that it is possible to preserve the surface state and the dimensional accuracy of the pieces as they result from the initial cold compression by introducing into the mixture of sintering powders, up to 10% by weight of a fusible metal or alloy, solder type, whose melting temperature Of is between 800C and 400 C approximately.

Dans ce cas, l'opération de frittage est effectuée au voisinage immédiat de la température de fusion (ouf) de cette addition et, de préférence, légèrement au-dessus, dans l'air ou sous gaz réducteur ou inerte.In this case, the sintering operation is carried out in the immediate vicinity of the melting temperature (wt) of this addition and, preferably, slightly above, in the air or under reducing or inert gas.

La durée de frittage peut varier de 5 minutes à 3 heures suivant la nature de l'addition.The sintering time can vary from 5 minutes to 3 hours depending on the nature of the addition.

Les pièces conservent alors leur géométrie initiale et la légère oxydation superficielle,qui a lieu dans l'air, n1 est en général pas nuisible à l'em- ploi ultérieur des pièces obtenues. Dans le cas des coussinets, cette oxydation superficielle est mne favorable car elle en abaisse le coefficient de frottement.The pieces then retain their initial geometry and the slight superficial oxidation, which takes place in the air, is in general not harmful to the subsequent use of the pieces obtained. In the case of pads, this surface oxidation is poor because it lowers the coefficient of friction.

Les métaux ou alliages fusibles peuvent être choisis entre autres parmi le groupe des métaux tels que Sn, Ga, Bi, Pb, In, Zn, Cd, Sb, etc... ou leurs alliages ayant un point de fusion inférieur à 400 C. The fusible metals or alloys may be chosen, for example, from the group of metals such as Sn, Ga, Bi, Pb, In, Zn, Cd, Sb, etc., or their alloys having a melting point of less than 400.degree.

Cette méthode permet également l'introduction dans le mélange initial de poudres de lubrifiants solides (graphite, plomb et sels de Pb, fluorure de graphite, etc...). Par ailleurs, la température de frittage relativement basse permet d'ajouter des lubrifiants solides tels que le bisulfure ou le biséléniure de Mb, le bisulfure ou le biséléniure de W, le polyté trafluolreylène ou ses dérivés qui seraient modifiés (par exemple oxydés) ou décomposés à la température "normale" de frittage suivant le procédé classique.This method also allows the introduction into the initial mixture of solid lubricant powders (graphite, lead and Pb salts, graphite fluoride, etc ...). Furthermore, the relatively low sintering temperature makes it possible to add solid lubricants such as disulfide or Mb biséléniure, bisulfide or W biséléniure, polyté trafluolreylène or its derivatives which would be modified (for example oxidized) or decomposed at the "normal" sintering temperature according to the conventional method.

La méthode selon l'invention consiste donc à
- mélanger les poudres initiales contenant au moins un mé
tal ou alliage fusible (80 C < 23 f # 40Q C) jusqu'à 10 %'
en poids,
- comprimer à froid,
- fritter à une température voisine ou légèrement supérieu
re à e f. The method according to the invention therefore consists of
- mix the initial powders containing at least one
tal or alloy fuse (80 C <23 F # 40Q C) up to 10% '
in weight,
- compress cold,
- sinter at a temperature close to or slightly higher
re to e f.

Cette méthode apporte donc, par rapport à la méthode classique, des économies d'énergie et de gaz réducteur, une simplification de la gamme opératoire par suppression du calibrage à froid, une diminution des investissements nécessaires à la fabrication, la possibilité d'introduire des lubrifiants solides dans la structure des pièces, et permet d'obtenir des produits plus performants. Les P.V.maximaobtenus sur les coussinets selon l'invention sont, en effet, de l'ordre de 40, alors que les P.V.ma- xùna sont de l'ordre de 20 pour les coussinets classiques.This method therefore offers, compared with the conventional method, energy and reducing gas savings, a simplification of the operating range by eliminating cold calibration, a reduction in the investments required for manufacturing, the possibility of introducing solid lubricants in the structure of the parts, and allows to obtain more efficient products. P.V.maximaobtenus on the pads according to the invention are, in fact, of the order of 40, while the P.V.ma- xumna are of the order of 20 for conventional pads.

Les exemples ci-après, non limitatifs du domaine protégé, illustrent les propriétés obtenues sur un coussinet fabriqué selon la méthode décrite ci-dessus EXEhlPLE I
On a mélangé au mélangeur mécanique de la poudre de fer ayant une taille moyenne de 100 pin (30 à 150 un environ) avec 1 % en poids de poudre d'étain de granulométrie < 60 un (taille moyenne 30 m), et I % en poids d'un lubrifiant classique de compression (ACRAWAX).The following non-limiting examples of the protected domain illustrate the properties obtained on a pad made according to the method described above. EXAMPLE I
Iron powder having an average size of 100 μm (about 30 to 150 μm) with 1% by weight of tin powder of particle size <60 μm (average size 30 μm) was mixed with the mechanical mixer, and I% by weight of a conventional compression lubricant (ACRAWAX).

Ce mélange a été comprimé à froid à une masse spécifique de 6,1 g/cm3, sous forme d'un coussinet cylindrique de dimensions suivantes
int. = 20 mm
ext. = 25 mm
longueur = 25 mm
Celui-ci a été fritté à l'air, à 300 C, pendant 1 heure et imprégné dthui- le Shell Tellus S 100 sous vide Pendant. 1 heure. This mixture was cold pressed to a specific gravity of 6.1 g / cm 3, in the form of a cylindrical pad of the following dimensions
int. = 20 mm
ext. = 25 mm
length = 25 mm
This was sintered in air at 300 C for 1 hour and impregnated with thel Shell Tellus S 100 under vacuum. 1 hour.

Les tolérances dimensionnelles obtenues après frittage répondent aux exigences de la classe 6 selon la norme dimensionnelle internationale ISO ce qui correspond à 13 inn pour les cotes diamétrales, dans le cas du coussinet cité plus haut. Ce coussinet auto-lubrifié a été essayé dans un palier soumis à une charge radiale de 32 daN à une vitesse de rotation de l'arbre de 6000 t/min., soit dans des conditions correspondant à un P.V.The dimensional tolerances obtained after sintering meet the requirements of class 6 according to the international dimensional standard ISO which corresponds to 13 inn for the diametral dimensions, in the case of the pad mentioned above. This self-lubricated bushing was tested in a bearing subjected to a radial load of 32 daN at a shaft speed of 6000 rpm, or under conditions corresponding to a P.V.

= 40 (daN/cm2 x m/sec.) avec des cycles successifs de fonctionnement et arrêt (45 sec. + 15 sec. respectivement).= 40 (daN / cm 2 x m / sec) with successive cycles of operation and shutdown (45 sec + 15 sec respectively).

Le coussinet selon l'invention a duré plus de 500 h. sans défaillance alorsqu'un coussinet en fer auto-lubrifié, fabriqué selon la méthode classique, grippe rapidement (durée de vie ~ SO h. environ) dans les mê- mes conditions de P.V.The pad according to the invention lasted more than 500 hours. without failure, whereas a self-lubricated iron bearing, manufactured according to the conventional method, rapidly swells (life time ~ about 50 hours) under the same conditions of P.V.

EX PLUE 2
On a mélangé au mélangeur mécanique de la poudre de fer (de taille de grain : îoe pm moyen) avec 0,7 % de poudre d'étain (grain moyen : 30 Vm) et 0,3 t de poudre de plomb (grain moyen # 20 m) et 1 t d'un lubrifiant classique de compression (ACRAWAX)
Ce mélange a été comprimé à froid à une masse spécifique voisine de 5,3 g/ cm3, sous la forme d'un coussinet cylindrique dont les dimensions sont les suivantes
PI int. = 20 mm
# ext. = 25 min
longueur = 25 mm
Ce coussinet a été fritté à l'air à 290 C pendant 1/2 heure et imprégné d'huile Shell Tellus S 100 sous vide pendant environ 1 h.EX PLUE 2
Iron powder (grain size: average pm) was mixed with mechanical mixer with 0.7% tin powder (average grain size: 30 Vm) and 0.3 t of lead powder (medium grain). # 20 m) and 1 t of a conventional compression lubricant (ACRAWAX)
This mixture was cold pressed to a density close to 5.3 g / cm 3, in the form of a cylindrical pad whose dimensions are as follows
IP int. = 20 mm
# ext. = 25 min
length = 25 mm
This pad was sintered at 290 ° C for 1/2 hour and impregnated with Shell Tellus S 100 oil under vacuum for about 1 hour.

Il a été essayé dans un palier soumis à une charge radiale de 32 daN à une vitesse de rotation de l'arbre de 3000 t/min., soit dans des condi- tions correspondant à un P.V. = 20 (daN/cm2 x m/sec.) avec des cycles successifs de fonctionnement et arrêt (45 sec. + 15 sec respectivement).It was tested in a bearing subjected to a radial load of 32 daN at a speed of rotation of the shaft of 3000 rpm, or under conditions corresponding to a PV = 20 (daN / cm 2 xm / sec .) with successive cycles of operation and shutdown (45 sec + 15 sec respectively).

Le coussinet selon l'invention a duré plus de 500 h. s; défaillance, la température du palier en fonctionnement n'étant que de 2 550C alors qu'avec un coussinet classique, la température du palier, dans les mêmes conditions, est de tordre de 800C.The pad according to the invention lasted more than 500 hours. s; failure, the temperature of the bearing in operation being only 2550C while with a conventional bearing, the temperature of the bearing, under the same conditions, is to twist 800C.

Cette différence de température de palier, en régime, est l'indice d'un meilleur coefficient de frottement du coussinet selon l'invention par rapport au coussinet classique. This difference in bearing temperature, in regime, is the index of a better coefficient of friction of the bearing according to the invention compared to the conventional bearing.

Le même coussinet essayé dans des conditions de fonctionnement du palier correspondant à un P.V. = 30 (daN/cm2 x m/sec.) avec une charge de 48 daN et une vitesse de rotation de l'arbre de 3000 t/min., et toujours en cycles marche-arrêt, a conduit à une température de régime du palier de l'ordre de 600C. Pour un coussinet classique, la température de régime du palier, dans les mêmes conditions, aurait été de 90 à 100 C, ce qui constitue une température limite pour la résistance à l'oxydation de la plupart des huiles utilisées dans les coussinets actuels et, de ce fait, en interdit l'usage dans des conditions acceptables de sécurité de fonctionnement.The same bushing tested under bearing operating conditions corresponding to a PV = 30 (daN / cm 2 xm / sec.) With a load of 48 daN and a rotation speed of the shaft of 3000 rpm., And always in on-off cycles, led to a bearing temperature of the order of 600C. For a conventional bearing, the bearing temperature of the bearing, under the same conditions, would have been 90 to 100 ° C., which constitutes a limit temperature for the oxidation resistance of most of the oils used in the current bearings and, therefore, prohibits its use under acceptable conditions of operational safety.

Le facteur de rupture K du coussinet selon l'invention, facteur défini par
K = Charge de rupture x (0 extérieur-épaisseur)
(en daN/mm2) longueur x (épaisseur)Z varie de 5 à 14 daN/mm2 selon la masse spécifique du coussinet et le métal ou alliage fusible utilisé.The rupture factor K of the pad according to the invention, factor defined by
K = breaking load x (0 outside-thickness)
(in daN / mm2) length x (thickness) Z varies from 5 to 14 daN / mm2 according to the specific mass of the pad and the metal or fusible alloy used.

Il est, par exemple, égal à 10 daN/mm2 pour un coussinet Fer/Sn à 1 % de Sn dont la masse spécifique est de 6,1 g/cm3 après frittage ; cette masse spécifique correspond à une porosité ouverte de 22 t. It is, for example, equal to 10 daN / mm 2 for an iron / Sn pad with 1% Sn whose specific mass is 6.1 g / cm 3 after sintering; this specific mass corresponds to an open porosity of 22 t.

Claims

RER53MDICATIONS

1 / - Process for manufacturing metal parts, and more particularly self-lubricating bearings, from powders, characterized in that a) the initial powders are mixed, this mixture containing up to 10% by weight of at least a fusible metal or alloy whose melting temperature (Of) is between 80 and 40 ° C., b) these sheets are cold-pressed in the form of a piece, c) this piece is sintered at a temperature close to Of and preferably above this temperature, d) the sintered part is optionally impregnated with a liquid lubricant.

2 / - The method of claim 1, characterized in that a solid lubricant powder is incorporated in the initial mixture.

3 / - Method according to claim 1 or 2, characterized in that the sintering is carried out in air.

4 / - Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the sintering is performed under reducing gas or under inert gas.

5 / - Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sintering is carried out between 5 minutes and 3 hours.

6 / - Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the lubricating powder consists of molybdenum bisulfide or biselenide.

7 / - Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the lubricating powder consists of bisulphide or tungsten biselenide.

8 / - Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the lubricating powder is polytetrafluoroethylene (PTFE) or a derivative thereof.

9 / - Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the lubricating powder is lead or a lead salt.

10 / - Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the lubricating powder is graphite or graphite fluoride.