RU2696164C1

RU2696164C1 - Method of bimetallic articles production by forging of liquid metal

Info

Publication number: RU2696164C1
Application number: RU2018143515A
Authority: RU
Inventors: Руслан Валерьевич Кузнецов; Михаил Михайлович Радкевич; Павел Алексеевич Кузнецов
Priority date: 2018-12-08
Filing date: 2018-12-08
Publication date: 2019-07-31

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy and can be used for production of bimetallic work pieces by forging of liquid metal. Liquid metal of the base is poured into the matrix of the punching plant of liquid metal. Then working insert made of sintered powder material is immersed into liquid metal, which is in matrix, and fixed in required position. Duration of forming with holding at pressure is sufficient for surface diffusion of base metal into pores of sintered material of working insert and crystallisation of liquid metal of base. Coefficient of thermal expansion of the base material is 10–30 % higher than that of the material of the working insert.

EFFECT: higher strength of connection of layers of bimetallic article and higher efficiency of process.

1 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением и литейному производству, в частности к способам штамповки из жидкого металла биметаллических заготовок и может быть применено для изготовления различных биметаллических изделий, в частности подшипников скольжения.The invention relates to the processing of metals by pressure and foundry, in particular to methods of stamping bimetallic billets from liquid metal and can be used for the manufacture of various bimetallic products, in particular sliding bearings.

Известен способ жидкой штамповки биметаллических отливок (Авторское свидетельство СССР № 1560385, МПК В22D18/02, опубл. 30.04.90, бюл. № 16), в соответствии с которым кольцевую вставку предварительно получают намораживанием сплава на пуансон, заливают металл в матрицу и проводят прессование при твердожидком состоянии вставки. Качество переходного слоя обеспечивается благодаря свариванию под давлением разнородных материалов, один из которых находится в твердожидком, а другой в жидком состоянии. Процесс намораживания сплава требует специального оборудования, в котором должно создаваться низкое давление для подачи жидкого металла в металлопровод. Штамповка осуществляется на другом оборудовании и другим инструментом, а это требует либо переноса пуансона с намороженной вставкой, либо перемещения установки, что значительно усложняет весь процесс, в том числе необходим контроль температуры и происходит окисление наружной поверхности вставки. Окисление контактной поверхности слоёв приводит к снижению прочности соединения биметаллической отливки. Кроме того, процесс намораживания не позволяет изготавливать вкладыши с различной пористостью, что важно при получении биметаллических подшипников скольжения различного назначения, например, в машинах для пищевой промышленности наличие жидких смазок не допускается.A known method of liquid stamping of bimetallic castings (USSR Author's Certificate No. 1560385, IPC B22D18 / 02, publ. 04/30/90, bull. No. 16), in accordance with which the annular insert is preliminarily obtained by freezing the alloy on a punch, pouring metal into the matrix and pressing with a solid-liquid state of the insert. The quality of the transition layer is ensured by welding under pressure dissimilar materials, one of which is in a solid-liquid, and the other in a liquid state. The freezing process of the alloy requires special equipment in which low pressure must be created to supply liquid metal to the metal wire. Stamping is carried out on other equipment and another tool, and this requires either the transfer of the punch with a frozen insert, or the movement of the installation, which greatly complicates the whole process, including temperature control and oxidation of the outer surface of the insert. Oxidation of the contact surface of the layers leads to a decrease in the bond strength of the bimetallic casting. In addition, the freezing process does not allow the manufacture of liners with different porosity, which is important when receiving bimetal plain bearings for various purposes, for example, in machines for the food industry, the presence of liquid lubricants is not allowed.

Известен способ получения алюминиево-свинцовых подшипников скольжения, принятый за прототип (патент РФ № 2453742, опубл. 20.06.2012 по классам МПК F16C 33/12, C22C 21/00, B21D 21/00), при котором предварительно получают заготовку из пористого алюминия с открытой пористостью литьем в многоразовые формы, а затем поры заполняют расплавленным свинцом при нахождении заготовки в той же форме. Это позволяет получать изделия с равномерным содержанием свинца по сечению изделия и с размером свинцовых включений, равным размеру пор в пористом алюминии, что повышает качество подшипников скольжения. Однако предварительное получение заготовки из пористого алюминия представляет сложный процесс, при котором в формообразующую полость кокиля предварительно засыпают гранулы из фторида калия и нагревают до 700°С. После этого в форму заливают алюминиевый расплав. Форму разбирают, помещают изделие в воду для растворения солевых гранул, удаляют элементы литниковой системы. Затем пористую алюминиевую заготовку устанавливают в кокиль, а затем через элементы литниковой системы заливают свинец при температуре 400°С, что обеспечивает заполнение пор свинцом и формирования подшипника скольжения на основе композиции алюминий-свинец. Кроме того, отсутствие адгезионной связи между алюминием и свинцом снижает механические и эксплуатационные свойства подшипников скольжения.A known method of producing aluminum-lead plain bearings, adopted as a prototype (RF patent No. 2453742, publ. 06/20/2012 according to IPC classes F16C 33/12, C22C 21/00, B21D 21/00), in which a preform of porous aluminum is preliminarily obtained with open porosity by casting in reusable forms, and then the pores are filled with molten lead when the workpiece is in the same form. This allows you to get products with a uniform lead content over the cross section of the product and with a size of lead inclusions equal to the pore size in porous aluminum, which improves the quality of sliding bearings. However, the preliminary preparation of a preform of porous aluminum is a complex process in which granules of potassium fluoride are pre-filled into the mold cavity of the chill mold and heated to 700 ° C. After that, aluminum melt is poured into the mold. The mold is taken apart, the product is placed in water to dissolve the salt granules, and the elements of the gate system are removed. Then the porous aluminum billet is installed in a chill mold, and then lead is poured through the gating system elements at a temperature of 400 ° C, which ensures pore filling with lead and the formation of a sliding bearing based on the aluminum-lead composition. In addition, the lack of adhesion between aluminum and lead reduces the mechanical and operational properties of plain bearings.

Задачей изобретения является создание способа штамповки биметаллических изделий из жидкого металла и пористого спеченного материала, позволяющего расширить номенклатуру получаемых биметаллических изделий, повысить производительность процесса и прочность соединения слоёв биметаллического изделия.The objective of the invention is to provide a method of stamping bimetallic products from liquid metal and porous sintered material, which allows to expand the range of the obtained bimetallic products, to increase the productivity of the process and the bond strength of the layers of the bimetallic product.

Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

Рабочий вкладыш из пористого материала и жидкий металл помещают в матрицу и подвергают совместной штамповке. В отличие от прототипа рабочий вкладыш изготавливают прессованием порошкового материала с заданным размером пор и требуемого химического состава, например, антифрикционного назначения. Жидкий металл заливают в подогретую матрицу, спеченный порошковый вкладыш внедряют в металл, разрушая и удаляя окисную пленку в залитом металле, и фиксируют его в требуемом положении. Штамповку биметаллического изделия проводят с выдержкой под давлением до полной кристаллизации основы.A working liner of porous material and liquid metal are placed in a matrix and subjected to joint stamping. Unlike the prototype, the working liner is made by pressing powder material with a given pore size and the required chemical composition, for example, antifriction. The liquid metal is poured into a heated matrix, the sintered powder insert is introduced into the metal, destroying and removing the oxide film in the filled metal, and fix it in the required position. Stamping of a bimetallic product is carried out with holding under pressure until the base crystallizes completely.

Способ получения биметаллических изделий штамповкой жидкого металла включает заливку жидкого металла основы в полость матрицы, помещение рабочего вкладыша, изготовленного из спеченного порошкового материала, в матрицу после заливки жидкого металла основы путем погружения в жидкий металл и фиксации в требуемом положении, последующую штамповку с выдержкой под давлением, при этом продолжительность штамповки с выдержкой под давлением выбирают достаточной для поверхностной диффузии металла основы в поры спеченного материала и кристаллизации жидкого металла основы. A method for producing bimetallic products by stamping liquid metal includes pouring liquid base metal into the cavity of the matrix, placing a working insert made of sintered powder material in the matrix after pouring liquid base metal by immersion in liquid metal and fixing in the desired position, subsequent stamping with holding under pressure while the duration of stamping with holding under pressure is chosen sufficient for surface diffusion of the base metal into the pores of the sintered material and the crystal tion liquid base metal.

Коэффициент температурного расширения материала основы выбирают не менее чем на 10÷30% выше, чем коэффициент температурного расширения материала вкладыша, что способствует возникновению напряжений сжатия при остывании материалов основы и вкладыша в зоне их контакта и обеспечивает повышение адгезии.The coefficient of thermal expansion of the base material is chosen not less than 10 ÷ 30% higher than the coefficient of thermal expansion of the material of the liner, which contributes to the emergence of compressive stresses when cooling the materials of the base and liner in the zone of their contact and provides increased adhesion.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фигурах 1, 2, 3 схематично изображены этапы процесса получения биметаллических изделий штамповкой жидкого металла: Фигура 1 иллюстрирует этап заливки жидкого металла, Фигура 2 иллюстрирует этап установки рабочего вкладыша, Фигура 3 иллюстрирует этап штамповки биметаллической заготовки.The invention is illustrated by drawings, where Figures 1, 2, 3 schematically depict the steps of a process for producing bimetal products by stamping molten metal: Figure 1 illustrates the step of pouring molten metal, Figure 2 illustrates the step of installing a working liner, Figure 3 illustrates the step of stamping a bimetallic workpiece.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Матрицу 1 устанавливают и закрепляют на нижней плите 2, в полость матрицы 1 коаксиально устанавливают оправку 3 в опоре 4. На рабочие поверхности матрицы 1, оправки 3 и опоры 4 наносят антипригарную смазку. Собранную оснастку нагревают до рабочей температуры с помощью нагревательного элемента 5, например, кольцевого электронагревателя (КНП). В матрицу 1 заливают фиксированную дозу жидкого металла основы 6 в соответствии с объемом получаемой заготовки. Рабочий вкладыш 7 из спеченного порошкового материала, зафиксированный на оправке 3 с помощью пуансона 8, погружают в жидкий металл основы 6 и фиксируют в требуемом положении. При дальнейшем движении пуансона 8 осуществляют совместную штамповку жидкого металла 6 и вкладыша 7. При этом осуществляют выдержку под давлением для проникновения жидкого металла в открытые поры порошкового материала вкладыша 7 и полной кристаллизации жидкого металла основы. Готовое биметаллическое изделие выталкивают из матрицы 1 выталкивателем 9.The matrix 1 is installed and fixed on the bottom plate 2, in the cavity of the matrix 1, coaxially install the mandrel 3 in the support 4. On the working surfaces of the matrix 1, mandrel 3 and supports 4 are applied non-stick lubricant. The assembled equipment is heated to operating temperature using a heating element 5, for example, an annular electric heater (KNP). A fixed dose of the liquid metal of base 6 is poured into the matrix 1 in accordance with the volume of the obtained workpiece. The working insert 7 of sintered powder material, fixed on the mandrel 3 using a punch 8, is immersed in the liquid metal of the base 6 and fixed in the desired position. With further movement of the punch 8, the molten metal 6 and the insert 7 are jointly stamped. At the same time, pressurization is performed to penetrate the liquid metal into the open pores of the powder material of the insert 7 and to completely crystallize the liquid metal base. The finished bimetallic product is pushed out of the matrix 1 by the ejector 9.

Внедрение вкладыша из спеченного порошкового материала в жидкий металл обеспечивает разрушение окисной пленки алюминиевого сплава образовавшейся при заливке металла, сводит к минимуму окисление поверхности контакта материала основы и вкладыша, а, следовательно, увеличивается адгезия и качество изделия в целом.The introduction of the liner from the sintered powder material into the liquid metal ensures the destruction of the oxide film of the aluminum alloy formed during the pouring of the metal, minimizes oxidation of the contact surface of the base material and the liner, and, consequently, the adhesion and quality of the product as a whole increases.

Предлагаемый способ был реализован при изготовлении биметаллического подшипника скольжения, рабочий внутренний слой которого был предварительно спрессован и спечен из порошка бронзографита в виде втулки. В качестве материала основы был использован алюминий.The proposed method was implemented in the manufacture of a bimetallic sliding bearing, the working inner layer of which was previously pressed and sintered from bronze powder in the form of a sleeve. Aluminum was used as the base material.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

В соответствии с описанием устройства для реализации заявленного способа получения биметаллических изделий штамповкой жидкого металла и спеченного порошкового материала была изготовлена матрица 1 с соответствующей оправкой для фиксации вкладыша. Матрицу подогревали до температуры 400°С. Жидкий алюминий марки АК9ч (ГОСТ 1583-93) заливали при температуре 670°С, после чего на оправку устанавливали спеченный бронзографитовый вкладыш из порошка Бр9-1 (Сu - 89÷91; Sn – 8,5÷9,5; С – 0,5÷1,5), пуансоном погружали вкладыш полностью в жидкий алюминий и фиксировали в требуемом положении. Штамповку биметаллического изделия осуществляли на гидравлическом прессе ПСУ 125 под давлением 100 МПа. Время выдержки под давлением составляло 20 секунд. По завершении процесса штамповки изделие выталкивалось с помощью выталкивателя 9 из матрицы и охлаждалось в воде. Технологические испытания прочности соединения слоев на срез производились на кольцеобразных образцах, вырезанных из центральной части заготовки. На гидравлической испытательной установке LosenHausen с номинальным усилием 5000 кг выпрессовывали втулку из спечённого порошкового материала, охваченную кольцом из сплава АК9ч.In accordance with the description of the device for implementing the claimed method for producing bimetallic products by stamping liquid metal and sintered powder material, a matrix 1 was made with an appropriate mandrel for fixing the insert. The matrix was heated to a temperature of 400 ° C. AK9ch liquid aluminum (GOST 1583-93) was poured at a temperature of 670 ° C, after which a sintered bronze-graphite insert made of Br9-1 powder (Cu - 89 ÷ 91; Sn - 8.5 ÷ 9.5; C - 0) was installed on the mandrel 5 ÷ 1.5), the liner was completely immersed in the liquid aluminum with a punch and fixed in the required position. Stamping of the bimetallic product was carried out on a PSU 125 hydraulic press under a pressure of 100 MPa. The exposure time under pressure was 20 seconds. At the end of the stamping process, the product was pushed using a pusher 9 from the matrix and cooled in water. Technological tests of the strength of the connection of the layers to shear were carried out on ring-shaped samples cut from the central part of the workpiece. At a LosenHausen hydraulic test rig with a nominal force of 5000 kg, a sleeve of sintered powder material was pressed out, covered by an AK9ch alloy ring.

Механические испытания прочности соединения слоёв полученных биметаллических изделий на срез показали прочность в интервале τ_ср=38…41 МПа.Mechanical tests of the bond strength of the layers of the obtained bimetallic products for shear showed strength in the range τ _cf = 38 ... 41 MPa.

Claims

A method of producing bimetallic products by stamping liquid metal, including pouring liquid metal of the base into the cavity of the matrix, placing the working liner in the cavity of the matrix and subsequent stamping with holding under pressure, characterized in that the working liner is made of sintered powder material, and its installation in the matrix is carried out after pouring liquid metal by immersion in liquid metal and fixation in the desired position, while the duration of stamping with holding under pressure is chosen sufficient For surface diffusion of the base metal into the pores of the sintered material and crystallization of the liquid base metal, the coefficient of thermal expansion of the base material is selected 10-30% higher than the coefficient of thermal expansion of the liner material.