АНТИФРИКЦИОННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
ALUMINUM BASED ANTIFRICTION ALLOY

Изобретение относится к области металлургии металлических материалов с высокими антифрикционными и прочностными свойствами для подшипников скольжения.
Известен сплав на основе алюминия следующего состава, мас.%: свинец 2,0, олово 17,0, медь 1,0, индий 0,5, алюминий - остальное [Japan №57-114633]. Антифрикционные характеристики предложенного сплава оказались неудовлетворительными, по-видимому, вследствие недостаточного содержания свинца.
Наиболее близким к заявляемому сплаву является сплав следующего состава, мас.%: свинец 10,0-18,0, олово 6,0-10,0, медь 1,0-3,0, индий 0,5-5,0, висмут 0,1-0,6, алюминий - остальное [RU 2081932]. Сплав указанного состава обеспечивает высокие антифрикционные характеристики из-за повышенного содержания свинца. Наряду с этим, в литом состоянии сплав имеет однородную мелкодисперсную структуру и является достаточно технологичным при серийном производстве массивных вкладышей подшипников скольжения. Современные требования к подшипникам скольжения диктуют новые технологические подходы и решения, так что даже при наличии высоких антифрикционных характеристик указанного сплава области его применения сильно сужаются: технологии получения подшипников скольжения базируются на использовании процессов напыления тонких антифрикционных слоев - чем тоньше антифрикционный рабочий слой, тем большую нагрузку может нести подшипник. Отчасти по этой причине массивные вкладыши, приготовленные из неплохих антифрикционных сплавов на основе алюминия, не способны обеспечить необходимую усталостную прочность и износостойкость. Для получения таких слоев необходимы распыляемые магнетронные мишени из сплава с высокими антифрикционными характеристиками, однако, вследствие особенностей магнетронного распыления и, в частности, различной атомной массы компонентов сплава, очень часто химический состав распыляемой мишени и напыленного тонкого слоя заметно различаются. Поэтому требуются специальные усилия для корректировки химического состава сплава, при этом существенное значение приобретает узость концентрационного диапазона для каждого компонента.
Технический результат, вытекающий из настоящего изобретения, состоит в том, что сплав предлагаемого состава может быть использован как для получения распыляемых мишеней, так и напыления из них тонких рабочих слоев подшипников скольжения, причем напыленные слои имеют оптимальный химический состав, однородную мелкодисперсную структуру и высокие антифрикционные характеристики.
Данный результат достигается тем, что антифрикционный сплав на основе алюминия содержит свинец, олово, медь, висмут и индий при следующем соотношении компонентов, мас.%: свинец 13,5-15,5, олово 4,5-5,5, медь 0,5-1,5, индий 0,5-1,5, висмут 0,5-1,3, алюминий - остальное.
Предложенный состав выбран экспериментально. Особое внимание уделено концентрационным диапазонам для каждого компонента: узкий концентрационный диапазон позволяет стандартизировать механические свойства рабочих слоев и, соответственно, подшипников скольжения. Увеличение содержания свинца свыше 15,5% (с шагом в 1%) в мишени не сопровождается существенным повышением антифрикционных характеристик, однако отмечается расхождение содержания свинца в тонком рабочем слое, по-видимому, вследствие различий в характере распыления сплава. При содержании свинца менее 13,5% происходит постепенное снижение антифрикционных характеристик тонкого рабочего слоя, хотя на процесс распыления понижение содержания свинца влияния не оказывает.
Введение индия и висмута в указанных пределах стабилизирует процесс распыления мишени. Совместное влияние индия и висмута в предложенном сплаве состоит в обеспечении однородного распределения мягкой структурной составляющей как в распыляемой мишени, так и в напыленном рабочем слое.
Пример осуществления изобретения
Для проверки эксплуатационных характеристик антифрикционного сплава было выплавлено три слитка различного химического состава (Таблица 1).
Таблица 1
Химический состав слитков (мас.%)
Pb
Sn
Cu
In
Bi
Al
1
13,5
4,5
0,5
1,0
1,3
79,2
2
15,4
5,0
1,0
0,5
1,0
77,1
3
13,2
5,5
1,4
1,5
0,5
77,9
Приготовление сплава включало плавку алюминия в вакуумной индукционной печи и доведение расплава до температуры 1150°С. Далее в расплав алюминия последовательно вводили олово, индий и висмут в необходимом количестве и расплав перемешивали. При этом каждый раз после введения очередного компонента температуру расплава вновь доводили до 1150°С и выдерживали при этой температуре, после чего вводили свинец. В конце плавки вводили медь, перемешивали, расплав еще раз выдерживали при указанной температуре и после выдержки сливали в распылительный тигель. Порошок сплава прессовали в заготовки под прокатку и прокатывали до тонкого листа. Из тонкого листа изготовлены магнетронные мишени диаметром 150 мм. Мишени использованы для нанесения тонкого рабочего слоя на стальных вкладышах, покрытых свинцовистой бронзой и тонким барьерным никелевым слоем. Толщина напыленного рабочего слоя находилась в пределах 12-20 мкм на всех испытанных образцах. Подшипники скольжения с напыленным антифрикционным рабочим слоем из предлагаемого сплава выдерживали нагрузку до 140 МПа.