NO124884B

NO124884B -

Info

Publication number: NO124884B
Application number: NO64469A
Authority: NO
Inventors: R Turkisher; C Lundin
Original assignee: Colorado Springs Nat Bank
Priority date: 1969-02-18
Filing date: 1969-02-18
Publication date: 1972-06-19

Description

Homogen kobber-blylegering og fremgangsmåte Homogeneous copper-lead alloy and method

til fremstilling derav. for the production thereof.

Foreliggende oppfinnelse vedrører homogene kobber-blylegeringer og en fremgangsmåte til fremstilling derav. The present invention relates to homogeneous copper-lead alloys and a method for their production.

Det har tidligere vært gjort forsøk på fremstilling av tilnærmet rene og helt gjennom homogene kobber-blylegeringer for tilveiebringelse av slike legeringer som har høy varmeledningsevne, lav elektrisk motstand og en lavere friksjonskoeffisient. Disse egenskaper er meget ønskelige for metaller anvendt i fremstilling av lagre, som lagermateriale og som tørt smøremiddel eller som tilsetning til flytende eller viskøse smøremidler fremstilt på petroleums- eller vegetabilsk oljebasis. Imidlertid er mange problemer ikke blitt løst ved tidligere forsøk på fremstilling av tilnærmet rene og helt gjennom homogene kobber-blylegeringer. Et tidligere ikke løst hovedproblem er å hindre seigring av kobber og bly- under den innledende og etterfølgende omsmelting uten tilsetning av ternære elementer. Denne tendens til seigrihg har vært et spesielt vanskelig problem når blyinnholdet stiger til omtrent 30 prosent av den totale vekt av kobber-blylegeringen. Et annet problem for-bundet med anvendelsen av tidligere legeringer er at selv om der har vært homogenitet til å begynne med, har blyet under de høye påkjennings- og temperaturbetingelser tendens til å seigre fra kobberet. Et ytterligere problem knyttet til tidligere kobber-blylegeringer var at blyet hadde tendens til å seigre fra kobberet når det ble omsmeltet og omstøpt til andre fasonger og former. Attempts have previously been made to produce nearly pure and completely homogeneous copper-lead alloys in order to provide such alloys which have high thermal conductivity, low electrical resistance and a lower coefficient of friction. These properties are very desirable for metals used in the manufacture of bearings, as bearing material and as a dry lubricant or as an additive to liquid or viscous lubricants produced on a petroleum or vegetable oil basis. However, many problems have not been solved in previous attempts to produce nearly pure and completely homogeneous copper-lead alloys. A previously unsolved main problem is to prevent the precipitation of copper and lead during the initial and subsequent remelting without the addition of ternary elements. This tendency towards toughness has been a particularly difficult problem when the lead content rises to about 30 percent of the total weight of the copper-lead alloy. Another problem associated with the use of earlier alloys is that even if there has been homogeneity to begin with, under the high stress and temperature conditions the lead tends to prevail over the copper. A further problem associated with earlier copper-lead alloys was that the lead tended to separate from the copper when it was remelted and recast into other shapes and forms.

Tidligere ble ternære materialer tilsatt legeringene for å hindre seigring. Tinn, antimon, aluminium, sink, nikkel og andre materialer ble tilsatt kobber-blylegeringene. Skjønt disse tilsetninger til en viss grad var effektive'i løsning av homogenitets-problemet, tilførte de også egenskaper som gjorde legeringene mindre foretrukne som antifriksjonslagermaterialer eller som smøre-midler. Eksempelvis vil friksjonskoeffisienten ved tilsetning av ternære materialer øke, varmeledningsevnen minske og den elektriske motstand øke. In the past, ternary materials were added to the alloys to prevent tempering. Tin, antimony, aluminium, zinc, nickel and other materials were added to the copper-lead alloys. Although these additions were to some extent effective in solving the homogeneity problem, they also added properties that made the alloys less preferable as antifriction bearing materials or as lubricants. For example, when ternary materials are added, the coefficient of friction will increase, the thermal conductivity will decrease and the electrical resistance will increase.

Fra US-patentskrift 825.100 er det kjent å tilsette karbon og alkalimetallkarbonat til metaller og legeringer med det formål å desoksydere disse, men det finnes ingen antydning om at tilset-ningsstoffene vil være egnet til å frembringe homogenitet i en kobber-blylegering. From US patent 825,100 it is known to add carbon and alkali metal carbonate to metals and alloys with the aim of deoxidizing them, but there is no indication that the additives will be suitable for producing homogeneity in a copper-lead alloy.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en homogen kobber-blylegering som oppviser redusert seigring av bly fra kobber selv om blyinnholdet er over 30$, som er anvendbar som lagermateriale og som tørt smøremiddel eller som tilsetning til smøremidler på petroleums- eller vegetabilsk oljebasis, som har lavere friksjonskoeffisient, høyere varmeledningsevne og lavere elektrisk motstand enn tidligere kjente legeringer av denne type og hvori forurensninger, tilsetninger og tap på grunn av oksydasjon under prosessen er minsket. An object of the present invention is to provide a homogeneous copper-lead alloy which shows reduced separation of lead from copper even if the lead content is over 30$, which is usable as a bearing material and as a dry lubricant or as an additive to lubricants on a petroleum or vegetable oil basis , which has a lower coefficient of friction, higher thermal conductivity and lower electrical resistance than previously known alloys of this type and in which impurities, additions and losses due to oxidation during the process are reduced.

Et annet formål med oppfinnelsen er å fremskaffe en frem-. gangsmåte til fremstilling av legeringen. Another object of the invention is to provide a forward-. procedure for producing the alloy.

Den homogene legering ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved at den inneholder spormengder av en homogeniseringspromotor bestående av elementært karbon og et alkalimetallkarbonat. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved at det tilsettes en promotor bestående av elementært karbon og et alkalimetallkarbonat i en mengde av minst 6,7 vektspromille av hvert av de to stoffer, The homogeneous alloy according to the invention is characterized by the fact that it contains trace amounts of a homogenization promoter consisting of elemental carbon and an alkali metal carbonate. The method according to the invention is characterized by the addition of a promoter consisting of elemental carbon and an alkali metal carbonate in an amount of at least 6.7 parts by weight of each of the two substances,

regnet på legeringens vekt. calculated on the weight of the alloy.

Kobber-blylegeringene fremstilles i henhold til foreliggende oppfinnelse i varierende forhold av kobber og bly. Forhol-det kan varieres etter ønske og i henhold til den påtenkte anvendelse av legeringen. Det er funnet at de mest anvendte legeringer er de som inneholder fra 20 til 48 prosent bly og resten kobber. The copper-lead alloys are produced according to the present invention in varying proportions of copper and lead. The ratio can be varied as desired and according to the intended use of the alloy. It has been found that the most widely used alloys are those containing from 20 to 48 percent lead and the rest copper.

Hvis legeringens smøreevne skal økes, bør andelen av bly økes. Hvis det er ønskelig å øke materialstyrken, bør en mindre mengde bly anvendes. If the lubricity of the alloy is to be increased, the proportion of lead should be increased. If it is desired to increase the material strength, a smaller amount of lead should be used.

I en fremgangsmåte for fremstilling av legeringen i henhold til oppfinnelsen anbringes kobber av forønsket mengde i en grafitt-digel og bringes til en temperatur på 1250 - 1350°C under anvendelse av induksjonsoppvarming. Når kobberet er smeltet og har nådd den forønske te temperatur, for eksempel omkring 1275°C, tilsettes blyet og homogeniseringspromotoren til smeiten. Deretter følger kraftig omrøring av den flytende blanding under dannelse av gass. Blandingens temperatur opprettholdes i minst ett minutt og fortrinnsvis i tre minutter for oppnåelse av de beste resultater. Smeiten får så kjøle gjennom stivningstemperaturen i hvilket tidsrom omrøringen fortsetter. Etter stivning tillates legeringens temperatur å falle til omgivelsens temperaturnivå. Til tross for gassutviklingen under smeltens stivning er støpeblokkens faste struktur helt overraskende fri for porøsitet. In a method for producing the alloy according to the invention, copper of the desired amount is placed in a graphite crucible and brought to a temperature of 1250 - 1350°C using induction heating. When the copper is melted and has reached the desired temperature, for example around 1275°C, the lead and the homogenisation promoter are added to the smelt. This is followed by vigorous stirring of the liquid mixture during the formation of gas. The temperature of the mixture is maintained for at least one minute and preferably for three minutes to achieve the best results. The melt is then allowed to cool through the solidification temperature during which time the stirring continues. After solidification, the temperature of the alloy is allowed to fall to the ambient temperature level. Despite the evolution of gas during the solidification of the melt, the solid structure of the ingot is surprisingly free of porosity.

Med hensyn til den anvendte homogeniseringspromotor er det funnet fordelaktig å bruke finpulverisert grafitt som elementært karbonkomponent. Skjønt grovere karbon kan anvendes, har de stør-re partikler tendens til å redusere effekten av prosessen, forment-lig på grunn av det reduserte overflateareal/volum-forhold. Andre former for karbon som kan anvendes, omfatter benkull, kjønrøk og With regard to the homogenization promoter used, it has been found advantageous to use finely powdered graphite as elementary carbon component. Although coarser carbon can be used, the larger particles tend to reduce the effect of the process, presumably due to the reduced surface area/volume ratio. Other forms of carbon that can be used include bone charcoal, carbon black and

trekull. charcoal.

Alkalimetallforbindelsen kan f.eks. være kalium eller natri-ium i form av karbonat. Mengden anvendt homogeniseringspromotor må minst være lik den mengde som sikrer dannelse av en jevnt dispergert blanding av bly og kobber som ikke seigrer under stivning. Det er funnet at minstevektsforholdet av promotoren som kreves for tilveiebringelse av den nye legering i henhold til oppfinnelsen er omtrent 6,7 gram av hver komponent for hvert kg legering. Under dette forhold blir seigring i legeringen uttalt. Maksimumsforhol-det av promotor bestemmes av legeringens karakteristiske krav, idet overdrevne mengder av komponentmaterialene har tendens til uheldig å påvirke legeringen. Et effektivt område for mengdeforholdene er funnet å være omtrent 9 - 22,5 gram karbon- eller grafittpulver og omtrent 9 - 58,5 gram alkalimetallforbindelse for hvert kg legering. En foretrukken legering tilveiebringes ved tilsetning av omtrent 11 - 15,5 gram karbon- eller grafittpulver og omtrent 40 - 53 gram alkalimetallforbindelse til hvert kg legeringsblan-ding. The alkali metal compound can e.g. be potassium or sodium in the form of carbonate. The amount of homogenization promoter used must be at least equal to the amount that ensures the formation of a uniformly dispersed mixture of lead and copper that does not prevail during solidification. It has been found that the minimum weight ratio of the promoter required to provide the new alloy according to the invention is approximately 6.7 grams of each component for each kilogram of alloy. Under this condition, victory in the alloy is pronounced. The maximum proportion of promoter is determined by the alloy's characteristic requirements, as excessive amounts of the component materials tend to adversely affect the alloy. An effective range for the ratios has been found to be about 9 - 22.5 grams of carbon or graphite powder and about 9 - 58.5 grams of alkali metal compound for each kilogram of alloy. A preferred alloy is provided by adding about 11-15.5 grams of carbon or graphite powder and about 40-53 grams of alkali metal compound to each kilogram of alloy mixture.

Skjønt den eksakte mekanisme ikke fullt ut er klarlagt og patenterbarheten ikke avhenger derav, antas det for tiden at al-kalimetallf orbindelsen dekomponeres under dannelse av gassformig alkalimetall og en gass som for eksempel karbonmonoksyd. Karbo-natet smelter godt under reaksjonstemperaturområdet og dekomponeres under de høyere temperaturer til karbonmonoksyd og alkalime-talloksydet. Oksydet på sin side reduse<;>res av karbonet under dannelse av ytterligere karbonmonoksyd og alkalimetall. Alkalimetal-let som befinner seg over sitt kokepunkt, frigjøres i gassform. Den kombinerte virkning av alkalimetall- og karbonmonoksydgasser bevirker den kraftige omrøring av smeiten. Omrøring fortsetter gjennom kjøletrinnet og det er på dette stadium at omrøringen antas å være mest virksom. Omrøringen hinjdrer i det store og hele atskillelse av bly- og kobberfasene og tilveiebringer dessuten mange flere kimpunkter for dannelse av de faste, kobberrike den-dritter fra smeiten. De ytterligere kimpunkter bevirker at den endelige stivnede struktur blir finkornet og muliggjør dessuten en mer effektiv innfangning og medføring av blyfasen i kobbermoderfasen. Den kombinerte virkning fremmer en tilfeldig, finkornet dispersjon av bly i kobber, hvilket ér bestemmende for de gunstige egenskaper og krav til en lagerlegering. En ytterligere fordel ved utstrømningen av karbonmonoksyd er frembringelsen av en reduserende atmosfære over legeringen,under smeltningen og stiv-ningen, hvilket nærmest fullstendig hindrer oksydasjon av legeringen fra luften. Det er således ikke nødvendig å bruke en kuns-tig beskyttende atmosfære for å redusere|alvorlig tap av metall på grunn av oksydasjon. Imidlertid kan, om ønsket, inerte atmosfæ-rer brukes for å dekke systemet. Although the exact mechanism has not been fully clarified and patentability does not depend on it, it is currently believed that the alkali-alkali metal compound decomposes to form gaseous alkali metal and a gas such as carbon monoxide. The carbonate melts well below the reaction temperature range and decomposes below the higher temperatures to carbon monoxide and the alkali metal oxide. The oxide, in turn, is reduced by the carbon, forming further carbon monoxide and alkali metal. Alkali metal that is above its boiling point is released in gaseous form. The combined effect of alkali metal and carbon monoxide gases causes the vigorous stirring of the smelt. Stirring continues through the cooling stage and it is at this stage that the stirring is believed to be most effective. The stirring largely prevents the separation of the lead and copper phases and also provides many more nucleation points for the formation of the solid, copper-rich den-shits from the smelting. The additional seed points cause the final solidified structure to become fine-grained and also enable a more efficient capture and entrainment of the lead phase in the copper mother phase. The combined effect promotes a random, fine-grained dispersion of lead in copper, which determines the favorable properties and requirements for a bearing alloy. A further advantage of the outflow of carbon monoxide is the creation of a reducing atmosphere over the alloy, during melting and solidification, which almost completely prevents oxidation of the alloy from the air. Thus, it is not necessary to use an artificial protective atmosphere to reduce severe loss of metal due to oxidation. However, if desired, inert atmospheres may be used to cover the system.

En annen fordel ved denne fremgangsmåte er de mange om-sme1tningsmulignetene for kobber-blylegeringen uten resulterende seigring. Denne effekt er spesielt ønskelig hvis materialet fremstilles som faste barrer for bruk i etterfølgende støpning til forønskete former. Evnen til å kunne omsmeltes uten ledsagende seigring antas å kunne tilskrives at der blir igjen rester av homogeniseringspromotor i legeringen. Det ikke-seigrende trekk ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er iakttatt å eksistere for en rekke omsmeltninger• Another advantage of this process is the many redistribution opportunities for the copper-lead alloy without resulting tempering. This effect is particularly desirable if the material is produced as solid ingots for use in subsequent casting into desired shapes. The ability to be remelted without accompanying tempering is believed to be attributable to residual homogenization promoter remaining in the alloy. The non-winning feature of the method according to the invention is observed to exist for a number of remelts•

Legeringen i henhold til foreliggende oppfinnelse er ikke-korroderende og kan lett lagres. The alloy according to the present invention is non-corrosive and can be easily stored.

De nye kobber-blylegeringer fremstilt ved den foran nevnte fremgangsmåte har de strukturelle egenskaper som kreves for frem-bringelse av de gunstigste antifriksjonsegenskaper. Renheten er høy siden legeringen har blitt grundig desoksydert. Porurensnings-elementer er nesten upåviselige ved emisjonsspektroskopi. Blyfasen er fint og vilkårlig dispergert gjennom hele kobbermoderfasen. Disse faktorer bidrar til en lav friksjonskoeffisient i lagerlege-ringens levetid. Legeringen har også en høy varmeledningsevne og lav elektrisk motstand. I tillegg hertil vil de lett kunne sint-res, trekkes, ekstruderes, valses og maskineres uten tap av deres antifriksj onsegenskaper. The new copper-lead alloys produced by the aforementioned method have the structural properties required to produce the most favorable anti-friction properties. The purity is high since the alloy has been thoroughly deoxidized. Pore impurity elements are almost undetectable by emission spectroscopy. The lead phase is finely and randomly dispersed throughout the copper mother phase. These factors contribute to a low coefficient of friction during the lifetime of the bearing alloy. The alloy also has a high thermal conductivity and low electrical resistance. In addition to this, they will be able to be easily sintered, drawn, extruded, rolled and machined without loss of their anti-friction properties.

Et anvendelsesformål hvortil foreliggende oppfinnelse er spesielt egnet, er som belegg for småvåpenammunisjon og som styre-bånd for ammunisjon, slik som 20 mm og større. Styrebåndene er montert på omkretsen av prosjektilet og er således i kontakt med innsiden av løpet når prosjektilet avfyres. På grunn av legeringens smøreegenskaper reduseres friksjonen i løpet. Dette resulterer på sin side i en lengre levetid for løpet og en øket anslagshastig-het for prosjektilet. One application for which the present invention is particularly suitable is as a coating for small arms ammunition and as a guide band for ammunition, such as 20 mm and larger. The guide bands are mounted on the circumference of the projectile and are thus in contact with the inside of the barrel when the projectile is fired. Due to the alloy's lubricating properties, friction is reduced in the barrel. This in turn results in a longer lifetime for the barrel and an increased impact velocity for the projectile.

I tillegg hertil danner kobber-blylegeringen et belegg på den innvendige flate i skytsets løp, spesielt på flatene mellom rillene. På grunn av legeringens høye varmeledningsevne, elimine-res faktisk varme punkter i løpet, overopphetning og skytsets to-taltemperatur under avfyring reduseres idet varmen fjernes hurti-gere. Dette muliggjør en økning av våpenets ildkraft uttrykt i runder pr. minutt. I småvåpenammunisjon kan en stål- eller annen kule belgges med legeringen som igjen bevirker en belegning av våpenets løp, hvilket tilveiebringer de samme trekk som nevnt for våpen av større kaliber. In addition to this, the copper-lead alloy forms a coating on the inner surface of the barrel of the shield, especially on the surfaces between the grooves. Due to the alloy's high thermal conductivity, hot spots in the barrel are actually eliminated, overheating and the bullet's total temperature during firing is reduced as the heat is removed more quickly. This enables an increase in the weapon's firepower expressed in rounds per minute. In small arms ammunition, a steel or other bullet can be coated with the alloy which in turn causes a coating of the barrel of the weapon, providing the same features as mentioned for larger caliber weapons.

Et annet anvendelsesområde for legeringen i henhold til- oppfinnelsen er som lagerflater. Den er spes.ielt anvendbar under høye og ytterst lave temperaturer samt ved store påkjenninger. Den opprettholder sin utmerkede smøreevne i et temperaturområde fra minus 250°C til over 800°C. Denne egenskap skyldes dens utmerkede antifriksjonsegenskaper. De fleste standardmetoder for fremstilling av lagre og lagerflater kan anvendes. Por eksempel ved bin-ding av legeringen i henhold til oppfinnelsen til stål kan legeringen pulveriseres under anvendelse av atomiseringsmetoden til så fine partikler som 1 mikron. Stålet oppvarmes inntil det blir blått (ca. 315°C) og pulveret fremstilt av legeringen sprøytes på stålflaten. Varmen fra stålets overflate binder kobber-blylegeringen til stålet ved kontakt. Bindingen er sterk nok til å mot-stå høye påkjenninger resulterende fra lagerkrefter under tilveiebringelse av utmerkede lageregenskaper. Eksempelvis kan man iste-denfor å lage styringsbånd for ammunisjon i form av hele bånd, til-veiebringe slike ved å binde legeringen til overflaten av en kjerne på den måte som ovenfor nevnt. Another area of application for the alloy according to the invention is as bearing surfaces. It is especially applicable under high and extremely low temperatures and under great stress. It maintains its excellent lubricity in a temperature range from minus 250°C to over 800°C. This property is due to its excellent anti-friction properties. Most standard methods for manufacturing bearings and bearing surfaces can be used. For example, when bonding the alloy according to the invention to steel, the alloy can be pulverized using the atomization method into particles as fine as 1 micron. The steel is heated until it turns blue (approx. 315°C) and the powder produced from the alloy is sprayed onto the steel surface. The heat from the steel's surface bonds the copper-lead alloy to the steel on contact. The bond is strong enough to withstand high stresses resulting from bearing forces while providing excellent bearing properties. For example, instead of making guide bands for ammunition in the form of whole bands, such can be provided by binding the alloy to the surface of a core in the manner mentioned above.

Ytterligere anvendelse av legeringen i henhold til oppfinnelsen er som tilsetning til smøremidler. Legeringen .kombineres i pulverform med andre smøremidler slik som smørefett og -oljer i mengder varierende fortrinnsvis fra spormengder opp til 270 gram pr. kg fett eller olje. Den resulterende kombinasjon er et utmer-ket smøremiddel som fullstendig dekker de bevegelige deler og der-med øker disses levetid. Vedlikeholdsproblemer blir også redusert. Legeringen er spesielt verdifull når smøremiddelkombinasjonen brukes i lukkede enheter hvor hyppig forandring av smøremiddel er uøkonomisk. Ved denne anvendelse oppnås de forbedrede resultater over et lengre tidsrom når en høyere prosentsats bly anvendes i legeringen. Further use of the alloy according to the invention is as an additive to lubricants. The alloy is combined in powder form with other lubricants such as lubricating greases and oils in amounts varying preferably from trace amounts up to 270 grams per kg fat or oil. The resulting combination is an excellent lubricant that completely covers the moving parts and thereby increases their service life. Maintenance problems are also reduced. The alloy is particularly valuable when the lubricant combination is used in closed units where frequent changes of lubricant are uneconomical. In this application, the improved results are achieved over a longer period of time when a higher percentage of lead is used in the alloy.

Eksempler. Examples.

I de følgende eksempler inneholdt legeringene kobber til bly i et vektforhold 60 til 40. Kobberet ble oppvarmet til 1275°C i en digel i en induisjonsovn. Ved denne temperatur ble blyet tilsatt kobber sammen med komponentene angitt i tabellen nedenfor. Mengden av de tilsatte komponenter er angitt i gram for hvert kg kobber og bly. Resultatene er angitt som prosent seigring i legering smetallene. In the following examples, the alloys contained copper to lead in a weight ratio of 60 to 40. The copper was heated to 1275°C in a crucible in an induction furnace. At this temperature, copper was added to the lead along with the components indicated in the table below. The quantity of the added components is indicated in grams for each kg of copper and lead. The results are given as percentage of corrosion in the alloy melts.

Claims

1. Homogeneous alloy consisting mainly of copper and lead, preferably containing 20 - 48 weight percent lead, characterized in that it contains trace amounts of a homogenization promoter consisting of elemental carbon and an alkali metal carbonate.

2. Process for producing a copper-lead alloy in accordance with claim 1, comprising adding an effective amount of a homogenization promoter to a molten mixture of lead and copper, characterized in that a promoter consisting of elemental carbon and an alkali metal carbonate is added in a quantity of at least 6.7 parts by weight of each of the two substances, calculated on the weight of the alloy.

3- Method in accordance with claim 2, characterized in that the temperature of the molten copper and lead is kept in the range 1250 - 1350°C for 1 - 3 minutes after the promoter has been added and that the alloy is then cooled.

4.. Method in accordance with claim 3, characterized in that a promoter consisting of finely powdered graphite and sodium carbonate is added.