АНТИФРИКЦИОННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
BEARING ALLOYS BASED ON ALUMINUM AND ITS MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам антифрикционных сплавов на основе алюминия, а также к способам изменения их металлографической структуры сочетанием термической обработки и пластической деформации, и может быть использовано, например, в производстве подшипников скольжения.
Известен антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий следующие компоненты, масс. %: свинец 1,5-2,5, олово 9,0-12,0, медь 0,5-1,2, цинк 0,2-0,3, кремний 1,0-3,0, титан - 0,01-0,2, алюминий - остальное, при этом структура сплава представляет собой матрицу на основе алюминия с твердыми включениями частиц кремния и мягкими частицами оловянно-свинцовых фаз, представляющих собой твердый раствор с переменным составом, изменяющимся в интервале, масс. %: свинец 5, олово 95, свинец 50, олово 50 (патент РФ №2087577, МПК С22С 21/00, C22F 1/04, опубл. 20.08.1997 г.) - аналог.
Недостатками известного решения являются недостаточная прочность и твердость, низкая износостойкость самого материала при высокой пластичности и малом износе стального контртела.
Известен антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий следующие компоненты, масс. %: свинец 1,5-3,5, олово 9,0-12,0, медь 1,5-4,0, никель - 0,5-2,0; висмут - 0,1-0,3; цинк 0,1-0,5, кремний 0,4-1,5, титан - 0,01-0,2; алюминий - остальное, при этом структура сплава содержит легкоплавкие эвтектики с температурами плавления 167-170°С и 124-128°С, а матрица на основе твердого раствора алюминия дополнительно содержит твердые частицы интерметаллидов системы Аl-Cu-Ni и включения мягких оловянно-свинцово-висмутовых фаз на основе твердого раствора с переменным составом (патент РФ №2284364, МПК С22С 21/00, C22F 1/04, опубл. 27.09.2006 г.) - прототип.
Недостатками известного решения являются недостаточная прочность и твердость, низкая трещиностойкость и износостойкость самого материала, при высокой стоимости никеля. Повышение прочности и твердости за счет легирования никелем менее целесообразно, чем комплексом из меди и цинка, так как для одинакового повышения этих свойств последних требуется в два раза меньше, чем никеля и, при этом падение пластичности и ударной вязкости будет в 2,5 раза меньше. Висмут, даже в заявленной концентрации, сильно снижает прочность, трещиностойкость и твердость, а при меньших концентрациях его добавка практически не сказывается на антифрикционных свойствах. Получение свойств сплава, например, на уровне свойств бронзы при добавлении висмута невозможно.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение в части сплава является повышение прочности и твердости, износостойкости антифрикционного материала при сохранении высокого уровня износостойкости стального контртела.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый антифрикционный сплав на основе алюминия содержит алюминий, олово, свинец, медь, кремний, цинк и титан в следующем соотношении (масс. %): олово 8,0-12,0; свинец 2,0-4,0; медь 2,0-5,0; кремний 0,1-1,0; цинк 1,5-4,0; титан 0,02-0,2; алюминий - остальное до 100%.
Олово, свинец и цинк рекомендуется вводить в расплав в виде легкоплавкой лигатуры, титан в виде солей в виде дегазаторов-модификаторов, а медь и кремний в виде двойных лигатур с алюминием.
Олово обеспечивает повышение комплекса антифрикционных свойств, при ухудшении механических свойств, но при его содержании в составе заявляемого сплава 8,0-12,0 от общего масс. %, при использовании остальных компонентов сплава в заявляемых диапазонах, обеспечивается необходимый комплекс механических свойств (прочность, твердость, пластичность, трещиностойкость и ударная вязкость). Если олова менее 8,0%, то снижаются антифрикционные свойства сплавов - ухудшается задиростойкость, понижается износостойкость, а если больше 12,0% - снижаются прочность, твердость, ударная вязкость, увеличивается износ материала.
Свинец повышает антифрикционные свойства, но так как он входит в эвтектику с оловом и цинком, то, при заявляемом количественном и качественном соотношении компонентов сплава, мягкая структурная составляющая заявляемого сплава упрочняется с повышением твердости и пластичности. Если свинца меньше 2,0% снижаются антифрикционные свойства - задиростойкость, прирабатываемость и износостойкость, а если больше 4,0% - снижаются прочность, трещиностойкость и прочность.
Медь в заявляемом количестве упрочняет как алюминиевую матрицу, так и выделение мягкой структурной составляющей, что положительно сказывается на таких антифрикционных свойствах, как задиростойкость и износостойкость. Если меди меньше 2,0%, то снижается прочность, твердость, износостойкость материала и его задиростойкость, а если больше 5,0% - снижается пластичность, трещиностойкость, ударная вязкость, повышается износ стального контртела и самого материала, затрудняется прирабатываемость.
Кремний в заявляемом количестве улучшает литейные свойства, снижает пористость, повышает твердость, задиростойкость, износостойкость за счет образования мелких твердых и равномерно распределенных включений II фазы. Если кремния меньше 0,1%, то ухудшаются литейные свойства, уменьшается прочность и твердость, снижаются износостойкость и задиростойкость, а если больше 1,0%, то уменьшаются пластичность и ударная вязкость, снижаются трещиностойкость, износостойкость стального контртела, прирабатываемость и задиростойкость.
Цинк в заявляемом количестве упрочняет алюминиевую матрицу и мягкие структурные составляющие сплава с одновременным повышением прочности, твердости и пластичности. Легкоплавкие фазы с цинком имеют повышенную химическую активность, что способствует образованию защитных вторичных структур на поверхностях трения и повышает прирабатываемость, износостойкость и задиростойкость. Если цинка меньше 1,5%, то уменьшаются прочность и твердость, снижаются износостойкость, прирабатываемость и задиристость, а если больше 4,0%, то снижаются пластичность, ударная вязкость, трещиностойкость, уменьшается износостойкость стального контртела, ухудшается прирабатываемость.
Титан является модификатором II рода для алюминиевых сплавов, образуя большое количество мелких равномерно распределенных центров кристаллизации. Если титана меньше 0,02%, то образуется недостаточное количество центров кристаллизации алюминиевых зерен, а если более 0,2%, то количество центров кристаллизации больше не увеличивается, а растет только их размер, что снижает пластичность и прирабатываемость сплава.
Известен способ изготовления антифрикционного сплава на основе алюминия, включающий его выплавку, причем сплав выплавляют путем расплавления алюминия, введения в расплав меди, цинка, кремния, лигатуры олово-свинец и солей титана с последующей выдержкой расплава при температуре 800-860°С в течение 20-40 мин, затем осуществляют разливку сплава и его кристаллизацию (патент РФ №2186869, МПК С22С 21/00, C22F 1/04, опубл. 10.08.2002 г.) - прототип.
Недостатком известного решения является отсутствие регламентированной температуры разливки расплавленного металла в кокили, а именно эта температура и определяет качество отливки. Предлагается слишком узкий температурный интервал выплавки, из-за чего сплав необходимо выдерживать 20-40 мин для охлаждения.
Техническим результатом заявляемого решения в части способа является оптимизация температурных параметров при выплавке сплава для обеспечения его механических и антифрикционных свойств, за счет снижения уровня внутренних напряжений и создания мелкозернистой структуры с равномерным распределением мягкой структурной составляющей и мелких включений твердых фаз на основе меди и кремния.
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения антифрикционного сплава включает выплавку антифрикционного сплава, содержащего (масс. %): олово 8,0-12,0, свинец - 2,0-4,0; медь - 2,0-5,0, кремний - 0,1-1,0, цинк - 1,5-4,0, титан - 0,02-0,2, алюминий - остальное, для чего смешивают компоненты, в процессе выплавки нагревают расплав до температуры 750-850°С, проводят его дегазацию и модифицирование, после чего разливают расплавленный металл при температуре 740-760°С в предварительно нагретые, например, до температуры 120-140°С формы, в качестве которых используют кокили.
Заявляемый сплав для изготовления подшипников скольжения содержащий олово, свинец, медь, кремний, цинк, титан, алюминий - остальное, получают добавлением в расплавленный алюминий лигатур Al-Cu (алюминий-медь), Al-Si (алюминий-кремний) и Sn-Pb-Zn (олово-свинец-цинк). Расплав нагревают в интервале температур 750°-850°С, так как если температура будет ниже 750°С, то при дегазации и модифицировании температура упадет ниже 740°С и качественная отливка не получится. А если выше 850°С, то возможно сильное газонасыщение расплавленного металла, что ухудшит его свойства. Кроме того, чем выше температура, тем выше угар компонентов сплава и тем дольше расплав охлаждается перед разливкой. Дегазация и модифицирование позволяют очистить расплав от вредных примесей и растворенных газов с получением оптимального количества центров кристаллизации, обеспечивающих мелкозернистую структуру расплава. Температура разлива металла заявляемого состава в формы 740-760°С обеспечивает литейные свойства (отсутствие горячих трещин, газовой пористости, ликвации элементов по высоте отливки, заполняемость формы) при минимальных внутренних напряжениях. Формы целесообразно предварительно нагреть до температуры 120-140°С для предотвращения выплесков металла при заливке кокилей, получения плавной кристаллизации металла в форме, снижения уровня внутренних напряжений.
Антифрикционные сплавы заявляемого состава, изготовленные методом литья, могут использоваться, в частности, в производстве подшипников скольжения, и должны обеспечивать следующий комплекс требований: высокую износостойкость в присутствии смазки, способность быстро прирабатываться, т.е. обеспечивать максимальную площадь контакта с оптимальной шероховатостью поверхности трения, способность поглощать абразивные частицы, высокое сопротивление задирам, а также способность удерживать граничную смазку при повышенных температурах. Они должны обладать способностью образовывать на поверхности трения защитные вторичные (диссипативные) структуры, обеспечивающие задиростойкость и износостойкость как самого материала, так и стального контртела и отвечать определенному уровню механических свойств (прочность, твердость, пластичность, трещиностойкость и ударная вязкость) и обладать высоким сопротивлением выкрашиванию при переменной и ударной нагрузках, способностью выдерживать небольшие разупрочнения при повышенных температурах.
2
2
Пример конкретного выполнения. Сплав для изготовления подшипников скольжения, содержащий олово 9,59%; свинец - 3,15%; медь - 4,85%, кремний 0,15%; цинк - 3,39%; титан - 0,025%; алюминий - остальное, получают добавлением в расплавленный алюминий лигатур Al-Cu (алюминий-медь), Al-Si (алюминий-кремний) и Sn-Pb-Zn (олово-свинец-цинк), расплавляют при температуре 810°С, обрабатывают дегазатором-модификатором «Зернолит-2», содержащим соли TiF и Til, разливают при температуре 750°С в кокили, нагретые до 120°С.
Сравнение свойств бронзы БрO4Ц4С17 и заявляемого сплава, полученного по заявляемой технологии.
Полученные свойства удовлетворяют требованиям к качеству антифрикционного материала для подшипников скольжения с принудительной подачей смазки и превосходят по комплексу механических и антифрикционных свойств сплавы марок АО20-1, АО10С2 и АO11С3. По антифрикционным свойствам превосходят бронзу марки БрO4Ц4С17 не уступая ей по прочности и твердости и имея близкие показатели по пластичности и ударной вязкости.