ЛАТУНЬ ДЛЯ КОЛЕЦ СИНХРОНИЗАТОРОВ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК
BRASS FOR SYNCHRONISER RINGS AND METHOD FOR MANUFACTURING PREFORMS

Изобретение относится к металлургии и машиностроению, может быть использовано для производства сложнолегированных латуней предназначенных для изготовления блокирующих колец синхронизаторов механизмов.
Известна латунь, полученная  по ТУ 48-21-5007-77, предназначенная для изготовления прессованных труб для производства колец синхронизаторов автомобилей, содержащие масc. %:
медь 58,0 – 60,0; марганец 3,0 – 4,0; алюминий 2,0 – 3,0; железо 0,3 – 0,7; никель 0,3 – 0,5; кремний не более 0,2; свинец не более 0,2; олово не более 0,2; всего примесей не более 0,5; остальное цинк. Микроструктура должна состоять из α и β' фаз.
2
Многолетние наблюдения за промышленными партиями указанной латуни показали, что к растрескиванию в состоянии поставки более склонны партии с содержанием α-фазы менее 5% об. (Тропотов А.В., Пугачева Н.Б., Рязанцев Ю.В., Л.М. Жукова. Исследование остаточных напряжений в изделиях, изготовленных из сложнолегированных латуней. Металловедение и термическая обработка металлов.2006, № 1. с. 28 – 32) , с высоким уровнем остаточных напряжений I рода (более 116 Н/мм). К растрескиванию после штамповки склонны партии, классифицируемые по признаку технологичности, у которых с увеличением температуры штамповки в интервале 700°….780°С увеличивается склонность к хрупкому разрушению и уровень дефектности по геометрическим параметрам (Святкин А.В. Влияние температуры нагрева под штамповку на склонность к растрескиванию заготовок из ЛМцАЖН 59-3,5-2,5-0,4-0,2 // Вектор науки ТГУ. – 2018. № 3 (45). – с. 48 – 56), что приведено в таблице 1, где показаны данные по партиям с дефектами и без дефектов в латуни, полученной от поставщиков, а  на фиг. 1 показана сравнительная диаграмма уровня брака по отклонениям геометрических параметров на заготовках из представительной выборки при различной температуре штамповки.
Таблица 1
<b>      Партии</b>
<b>Температура штамповки, °С</b>
<b>трещины, %</b>
<b>          α-фаза</b>
<b>отклонения по геометрии</b><b><i>*</i></b><b>, %</b>
<b>Балл зерна β-фазы</b>
«с трещинами»
780
21
когерентная по границам зерен и в зерне
13
4, ед. 0
700
3
единичные когерентные выделения
11
4, ед. 2
«без трещин»
780
0
отсутствует
6
0…4
750
0
8
0…4
700
0
16,5
2…4
Партии у которых с увеличением температуры нагрева под штамповку в интервале 700°….780°С отклонения по геометрии уменьшаются – к растрескиванию не склонны. Согласно ранее проведенных исследований (Курбаткин И.И., Белов Н.А., Райков Ю.Н. и др. Влияние легирующих элементов и технологических факторов на фазовый состав и свойства латунных труб, применяемых в автомобильной промышленности. Цветные металлы. 2001. № 5. с. 73-76), анализируемый сплав в рамках технических требований можно разделить на две группы с различными интервалами фазовых переходов β→β' и β→α+β (фиг. 2) На данной фигуре показано количество α-фазы в области фазовых переходов, где
1 группа: Cu 58,0-59,0%, Al 2,5-3,0%, Si 0,1-0,2%;
2 группа: Cu 59,0-60,0%, Al 2,0-2,5%, Si ≤ 0,1.
Это соответствует данным металлографического анализа, характеризуемым  метастабильными выделениями в штампованной заготовке, приведенными на фиг. 3 и в таблице 1 (химсостав 1 группы), х2000, когда в проблемных партиях после штамповки в значительном количестве выявляются метастабильные выделения α-фазы. Статистический анализ показал, что уровень дефектности коррелирует с содержанием свинца, также установлено, что к разрушению склонны партии с низким соотношением суммарного содержания железа и марганца к кремнию. На фиг. 4 показано соотношение (Mn+Fe)/Si, при этом красными крестиками помечены партии с трещинами. На фиг. 5 показана взаимосвязь содержания свинца и  количества разрушенных заготовок в партии. В данной латуни кремний практически полностью связан в силициды. Рентгеноспектральный анализ показал (табл. 2 - сравнительный химический состав силицидов в исходном и после штамповки с нагрева при температуре 780°С в партии с трещинами и без трещин), что партии, характеризующиеся растрескиванием, имеют нестабильный химический состав силицида. Таким образом, к растрескиванию после штамповки склонны, главным образом, партии, относящиеся к сплавам 1 группы (фиг. 1), характеризующиеся высоким содержанием свинца, с соотношением (Mn+Fe)/Si≥28.
Таблица 2
партии
Состояние
Содержание химического элемента, % масс
Mn
Fe
Si
Al
Cr
Ni
трещины
исходное
23,64±0,81
61,26±0,58
13,35±0,31
1,13±0,14
0,43±0,02
штампованное
18,28±0,42
64,39±0,70
13,55±0,52
1,72±0,18
2,06±0,18
-
Без трещин
исходное
19,68±0,56
65,23±0,86
13,30±0,33
1,46±0,19
0,34±0,04
-
штампованное
19,71±0,62
64,70±0,48
13,25±0,40
1,49±0,18
0,30±0,07
0,56±0,10
Таблица 3
вариант
доля отклонений по геометрии при штамповке, %
Растрескивание при штамповке, %
исходный
2,88
0…21
предлагаемый
1,51
0
Задачами, на решение которых направлено изобретение, является повышение качества материала – латуни для колец синхронизаторов и улучшение технологичности изготовления заготовок из латуни для колец синхронизаторов.
За счёт подбора оптимального химического состава материала латуни для колец синхронизатора, а также проведения оптимизации изготовления заготовок обеспечивается требуемая технологичность и увеличивается ресурс долговечности деталей, изготовленных из данных заготовок.
2
На основании вышеизложенного предлагается латунь для колец синхронизаторов следующего химического состава масc. %, содержащая медь, марганец, алюминий, никель, железо, кремний, свинец, отличающаяся тем, что при содержании меди до 60,5 % масс., свинца не более 0,2 % масс., дополнительно содержит: титан, цирконий, хром, ванадий, церий, вольфрам, магний при следующем соотношении масс: титан 0 – 0,5; цирконий 0 – 0,5; хром 0 – 0,3; ванадий 0 – 0,5; вольфрам 0 – 0,5; церий 0 – 0,01%; магний 0 – 0,03%, всего примесей не более 0,45; остальное - цинк, при выполнении соотношения (Mn+Fe)/Si≥28, с гарантированным уровнем остаточных напряжений не более 116 Н/мм, и количеством α-фазы в полуфабрикатах в интервале 14…32%, и силицидов на основе марганца, железа и хрома в количестве 0,1…8,0.
Способ изготовления заготовок колец синхронизаторов, заключающийся в том, что производят выплавку слитков в установках полунепрерывного литья, далее выполняют операцию разрезки на шашки, изготавливают полуфабрикаты в виде труб прессованием с предварительным нагревом, охлаждают, удаляют с одних концов труб прессутяжины, производят правку на косовалковой машине,  выполняют обрезку других  концов с удалением разностенности труб, производят операции отжига и контроль качества полученных заготовок, отличающийся тем, что выполняют предварительный индукционный нагрев  перед прессованием в интервале температур от 580°С до 680°С,  далее выполняют операцию скальпирования, затем - операцию отжига при температуре от 420°С до 480°С в течение 3 часов, причем для стабилизации фазового состава плавку латуни производят из шихты, состоящей не менее чем на 30% из медных и латунных ломов и  на 60 % - из собственных отходов двойных и сложнолегированных латуней. Происходит снижение в шихте корольков до 5%.
Для повышения степени дисперсности силицидов используют лигатуры, содержащие церий и магний.
В частном случае, для исключения силицидов скелетообразной формы, снижающих пластичность на всех этапах переработки, используют хромосодержащие лигатуры. Введение титана, циркония, ванадия, вольфрама способствуют снижению температуры эвтектоидного распада β → α + β (Курдюмов А.В., Белов В.Д., Пикунов М.В., Чурсин В.М., Герасимов С.П., Моисеев В.С. Производство отливок из цветных сплавов: Учебник для вузов. М. – НИТУ МИСиС, 2011, с. 515), что повышает деформируемость полуфабрикатов (прутков, труб) и заготовок в горячем состоянии, а также способствует более интенсивному выделению α-фазы.
Индукционный нагрев перед прессованием выполняют для снижения разброса свойств по сечению и длине труб.
С учётом интервалов фазовых превращений для предлагаемого состава (фиг. 2) и наличия фазовых превращений в системе Mn-Si, температура прессования должна находиться в интервале 580…680°С.
Операцию скальпирования шашки производят для снижения числа дефектов поверхности труб.
Стабилизацию фазового состава и снятие остаточных напряжений позволяет получить выполнение в течение 3 часов операции отжига при диапазоне температур от 420…480 °С.
Для исключения растрескивания нагрев штамповку заготовок проводить с нагрева в интервале 580…790 °С.
Повышение среднего содержания α-фазы позволяет исключить вероятность растрескивания в процессе хранения и транспортировки, за счёт релаксации напряжений в объёме полуфабрикатов при выделении стабильных частиц α-фазы в процессе отжига, а увеличить склонность к дисперсионному упрочнению за счёт увеличения количества частиц, выделяющихся в диапазоне 370…450°С продолжительностью 90±10 мин и, как следствие, повысить долговечность деталей, изготовленных из него.
Химический состав предлагаемого состава в сочетании с предлагаемой технологией прессования и стабилизационным отжигом позволяют гарантированно обеспечить фазовый состав, состоящий из β'+α-фаз с количеством α-фазы не менее 15%, повышение стабильности фазового состава в изделиях и между партиями. На фиг. 6  приведено распределение α-фазы при прототипе (а) и по защищаемому составу латуни (б) и способу получения заготовок из данного состава для получения колец синхронизаторов.
Предлагаемый химический состав латуни и способ получения заготовки для колец синхронизатора не только полностью исключил дефектность по трещинам, но и способствовал снижению по общему количеству брака, что приведено в таблице 3.