АНТИФРИКЦИОННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
ANTIFRICTION ALUMINIUM-BASED ALLOY

Изобретение относится к металлургии литейных сплавов, в частности к антифрикционным сплавам на основе алюминия, работающим в условиях трения скольжения.
Известен антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий олово, медь, марганец и алюминий. Основными недостатками этого сплава являются плохая прирабатываемость из-за отсутствия пластичности и повышенное схватывание при работе в условиях ограниченной смазки [1] (Патент RU 2030475 C1, МПК С22С 21/00, 1995).
Наиболее близким по технической сущности является антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%: кремний 4,0…7,0; медь 2,5…4,5; магний 1,9…3,0; цинк 0,3…2,5; олово 1,5…3,5; свинец 0,7…1,8; марганец 0,3…0,7; титан 0,15…0,25; цирконий 0,15…0,25; железо 0,3…0,7; алюминий остальное [2] (Патент RU 2329321 C2, МПК С22С 21/04, С22С 21/14, 2008).
Главным недостатком данного сплава является относительно низкая износостойкость при трении скольжения из-за невысокой концентрации кристаллов кремния и их неглобулярной формы.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение износостойкости сплава при трении скольжения.
Поставленная задача достигается тем, что в антифрикционном сплаве на основе алюминия, содержащем кремний, медь, алюминий, кристаллы эвтектического кремния имеют глобулярную форму и размер от 2 до 8 мкм при следующем соотношении основных компонентов, мас.%:
кремний
12-15
медь
3-5
алюминий
остальное
Глобулярная форма кристаллов эвтектического кремния и заданная дисперсность достигается за счет высокой скорости затвердевания отливки и ее гомогенизации. В результате микроструктура заготовки становится инвертированной (удовлетворяющей принципу Шарли), что существенно повышает фрикционную износостойкость сплава. Медь при термической обработке закалка-старение увеличивает твердость заготовки. В результате повышается ее износостойкость при трении скольжения.
Содержание кремния в сплаве менее 12 мас.% значительно увеличивает в отливке количество мягкой α-фазы, уменьшает концентрацию твердых кристаллов эвтектического кремния, что снижает износостойкость при трении скольжения.
Концентрация кремния в сплаве более 15 мас.% значительно увеличивает количество более крупных кристаллов первичного кремния, что повышает износ фрикционной пары.
Содержание меди менее 3 мас.% существенно уменьшает прочность и твердость сплава после его термической обработки, что также снижает износостойкость при трении скольжения.
При концентрации меди в сплаве более 5 мас.% способствует возникновению в отливке горячих кристаллизационных трещин и уменьшает задиростойкость.
Получить отливку с глобулярным эвтектическим кремнием размером менее 2 мкм при содержании меди более 3 мас.% очень сложно. Для этого необходима очень высокая скорость затвердевания, которая приводит к появлению в заготовке трещин.
Получение кристаллов эвтектического кремния более 8 мкм значительно увеличивает время отжига отливки и не приводит к увеличению износостойкости при трении скольжения.
Отливки с различным химическим составом получали литьем в кристаллизатор и стальной кокиль. В качестве прототипа был выбран сплав с следующем содержанием компонентов, мас.%: кремний - 5, медь - 3, магний - 2, цинк - 1, олово - 2, свинец - 1, марганец - 0,5, титан - 0,2, цирконий -0,2, железо - 0,5, алюминий - остальное.
Триботехнические испытания проводили на машине трения СМЦ-2 по схеме «вал-втулка». Вал изготавливался из стали 45 с твердостью 400 НВ. Испытания проводились в условиях сухого трения при скорости скольжения 0,38 м/с и нагрузке 0,6 МПа. Износостойкость определяли по убыли объема испытываемого образца с единицы площади поверхности скольжения в единицу времени.
Пример 1
Получали антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий следующие основные компоненты, мас.%: кремний - 12, медь - 3, алюминий
- остальное. После термической обработке кристаллы эвтектического кремния в заготовке имели глобулярную форму и средний размер 2 мкм. Данный сплав по износостойкости превосходит прототип на 12%.
Пример 2
Получали антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий следующие основные компоненты, мас.%: кремний - 13, медь - 4, алюминий - остальное. После термической обработке кристаллы эвтектического кремния в заготовке имели глобулярную форму и средний размер 5 мкм. Данный сплав по износостойкости превосходит прототип на 22%.
Пример 3
Получали антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий следующие основные компоненты, мас.%: кремний - 15, медь - 5, алюминий - остальное. После термической обработке кристаллы эвтектического кремния в заготовке имели глобулярную форму и средний размер 8 мкм. Данный сплав по износостойкости превосходит прототип на 34%.
Источники информации
1. Патент RU 2030475C1, МПК С22С 21/00, 1995.
2. Патент RU 2329321C2, МПК С22С 21/04, С22С 21/14, 2008.