Патент на изобретение №2329321
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) АНТИФРИКЦИОННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области металлургии литейных сплавов, в частности антифрикционных сплавов на основе алюминия, преимущественно для деталей, работающих в условиях трения скольжения. Сплав содержит следующее соотношение компонентов, 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, при этом олово и свинец введены в сплав в виде лигатуры олово-свинец, в которой отношение свинца к олову составляет 0,47…0,51. Получен сплав, обладающий повышенными триботехническими параметрами, исключающими схватывание и задиры, и улучшенными показателями конструктивной прочности сплава. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии литейных сплавов, в частности антифрикционных сплавов на основе алюминия, преимущественно для деталей, работающих в условиях трения скольжения. Известен литейный сплав, например “Антифрикционный сплав” на основе алюминия по патенту РФ №2030475, содержащий олово, медь, марганец и алюминий. Недостатком данного сплава является его высокая хрупкость, относительно высокий коэффициент трения, а также низкая стойкость к схватыванию и задирам при работе в условиях ограниченной смазки или кратковременного ее отсутствия. Наиболее близким из аналогов по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является антифрикционный сплав для контактной вставки троллейбуса по патенту РФ №2045838. Сплав содержит медь 5,0…12,0 мас.%, магний 1,0…2,0 мас.%, марганец 0,2…2,0 мас.%, железо 0,3…1,7 мас.%, кремний 0,3…6,0 мас.%, цинк 0,1…2,0 мас.%, олово 3,0…20 мас.%, титан 0,1…0,5 мас.% и алюминий остальное. Сплав по прототипу обладает достаточно высокой износостойкостью и относительно низким коэффициентом трения. Недостатком данного сплава являются его низкие характеристики конструктивной прочности. Сплав имеет низкие триботехнические параметры при работе в условиях ограниченной смазки или ее кратковременного отсутствия. Связано это с тем, что легкоплавкая фаза, ответственная за низкий коэффициент трения и износостойкость сплава, не образует развитой многокомпонентной эвтектики и располагается по границам зерен с образованием замкнутого контура. Задачей предлагаемого изобретения является создание сплава, обладающего развитой многокомпонентной эвтектикой, в которой выделения легкоплавкой фазы не образуют замкнутого контура по границам зерен Поставленная задача решается за счет того, что в известный сплав, содержащий медь, магний, марганец, железо, кремний, цинк, олово, титан и алюминий, дополнительно введен свинец и цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Олово и свинец введены в сплав в виде двухкомпонентной композиции, в которой отношение свинца к олову составляет 0,47…0,51. Предлагаемый сплав плавили в электропечи сопротивления САТ-01 с чугунным тиглем. В расплав алюминия вводили лигатуры алюминий-медь, алюминий-кремний, алюминий-титан, алюминий-магний и цинк. Для уменьшения отрицательного влияния железа на свойства сплава марганец вводили в виде Al-Mn-Cr лигатуры. Приготовленный расплав рафинировали гексахлорэтаном в количестве 0,1% от веса шихты. После очистки и удаления с поверхности расплава шлака вводили цирконий. Для этого сплав рафинировали гексафторцирконатом калия (К2ZrF6) в количестве 0,25% от веса шихты при температуре Т=760…780°С. При обработке расплава солями K2ZrF6 в микрообъемах протекают химические реакции, процессы адсорбции и флотации, вследствие чего в сплаве образуются дисперсные частицы Al3Zr и AlF3, которых при модифицировании солями многократно больше, чем содержится этих частиц при модифицировании сплава Al-Zr лигатурой. Модифицирование цирконием носит избирательный характер с одновременным увеличением количества первичных центров кристаллизации, вследствие чего изменяется гранулометрический и стехиометрический состав выделяющихся фаз, содержащих железо и кремний. После тщательного перемешивания расплава и удаления с поверхности шлака вводили Sn-Pb лигатуру при температуре Т=710…730°С и проводили продувку сплава аргоном. После очистки поверхности сплава от шлака проводили разливку в металлический кокиль. В прототипе легкоплавкая фаза образует замкнутый контур по границам зерен Присутствие в предлагаемом сплаве титана и циркония, заявленные соотношения компонентов, а также введение в сплав свинца и олова в виде двухкомпонентной композиции позволили обеспечить условия, способствующие кристаллизации твердой фазы в виде многокомпонентной эвтектики, легкоплавкая составляющая которой образована Pb, Sn, Zn. Это дает возможность получить по границам Элементы, отрицательно влияющие на характеристики конструктивной прочности, трудно удаляются из сплава, а их форма и размеры в максимальной степени способствуют охрупчиванию сплава. Модифицирование предлагаемого сплава гексафторцирконатом калия (K2ZF6) способствует изменению гранулометрической формы и стехиометрического состава выделяющихся железо-кремний содержащих фаз. Гексафторцирконат калия вводили в сплав в мелкодисперсном порошкообразном виде. Преимущество модифицирования солями K2ZF6 заключается в том, что процесс ведут при низких температурах(Т=760…780°С), то есть перегрев сплава не требуется и позволяет получать стабильную модифицированную структуру. Легкоплавкая составляющая эвтектики за счет многокомпонентности состава не создает замкнутого контура по границам зерен и в сочетании с твердой фазой ограничивает развитие горячих кристаллизационных трещин. Все это в совокупности позволяет оптимизировать показатели конструктивной прочности сплава и его триботехнические параметры. Наиболее эффективным легирующим элементом в составе многокомпонентной легкоплавкой фазы является свинец, но он не создает твердых растворов с алюминием и не смачивается им. В свою очередь, олово полностью смачивается жидким алюминием и хорошо взаимодействует со свинцом с образованием двухкомпонентной эвтектики. Эти свойства обеспечивают возможность введения свинца в сплав совместно с оловом, что в совокупности с вышеизложенным позволяет обеспечить достижение заданного технического результата. Существенные признаки и заявленные соотношения, указанные в формуле изобретения, взаимосвязаны и изменение любого из них ведет к ухудшению характеристик сплава. Содержание меди 2,5…4,5 мас.% Медь с алюминием образует Присутствие меди в количестве более 4,5 мас.% способствует возникновению горячих кристаллизационных трещин и снижает задиростойкость. Содержание меди менее 2,5 мас.% недостаточно для эффективного легирования и снижает износостойкость. Содержание олова 1,5…3,5 мас.% и свинца 0,7…1,8 мас.% При обозначенном содержании олова и свинца при трении в триботехнической паре на поверхности трения образуется эффективная легкоплавкая фаза, обеспечивающая создание субмикроскопического соединения (пленки) “металлического мыла”. Содержание олова более 3,5 мас.% и свинца более 1,8 мас.% снижает предельную нагрузку и допустимое [PV], без заметного прироста задиростойкости. Содержание олова менее 1,5 мас.% и свинца менее 0,7 мас.% значительно увеличивает возможность схватывания. Содержание магния 1,9…3,0 мас.% При данном содержании магния в сплаве образуется Содержание магния более 3,0 мас.% повышает температурный коэффициент линейного расширения, способствует образованию магнезиальной шпинели MgO*Al2O3, что охрупчивает сплав. При содержании магния менее 1,9 мас.% эффект легирования не проявляется. Содержание кремния 4,0…7,0 мас.% Кремний значительно снижает температурный коэффициент линейного расширения, повышает коррозионную стойкость, улучшает литейные свойства сплава. При содержании кремния более 7,0 мас.% коэффициент упрочнения растет незначительно, при этом выделяется грубодисперсный первичный кремний, что снижает конструктивную прочность, ухудшаются триботехнические параметры и увеличивается склонность сплава к схватыванию. Содержание менее 4,0 мас.% недостаточно для обеспечения необходимого коэффициента упрочнения, при этом снижается износостойкость, коррозионная стойкость, увеличивается температурный коэффициент линейного расширения, а это приводит к потере натяга и проворачиванию втулок в парах трения при работе с повышенными температурами. Содержание цинка 0,3…2,5 мас.% Цинк в заданных соотношениях не создает с алюминием интерметаллидных фаз, способствует образованию многокомпонентной легкоплавкой эвтектики, упрочняет сплав, не создавая при этом предпосылок для возникновения горячих кристаллизационных трещин. При содержании цинка более 2,5 мас.% значительно повышается температурный коэффициент линейного расширения, а это приводит к потере натяга и проворачиванию втулок в парах трения при работе с повышенными температурами. При содержании цинка менее 0,3 мас.% эффект легирования не проявляется. Содержание марганца 0,3…0,7 мас.% Марганец нейтрализует вредное влияние железа и кремния, изменяя их стехиометрический и гранулометрический состав, не влияет на температурный коэффициент линейного расширения. При содержании марганца более 0,7 мас.% образуются крупные кристаллы железо-кремний содержащих фаз, что ухудшает триботехнические параметры и характеристики конструктивной прочности сплава. Содержание менее 0,3 мас.% недостаточно для создания полноценных скоагулированных железосодержащих фаз. Содержание титана и циркония 0,15…0,25 мас.% Титан и цирконий значительно снижают температурный коэффициент линейного расширения, что способствует сохранению натяга в парах трения при работе с повышенными температурами. Введение в сплав титана и циркония в означенных соотношениях способствует измельчению структуры сплава, повышению его однородности, при этом в сплаве образуются Т-фазы F2Ti и Fe2Zr, подавляется образование железосодержащей фазы в грубопластинчатой форме, и обеспечивает коагуляцию первичных кристаллов кремния. Эффект модифицирования сплава титаном и цирконием сохраняется при многократных переплавах. Содержание титана и циркония свыше 0,25 мас.% влечет за собой эффект перемодифицирования, что инициирует образование грубодисперсных кристаллов железа и кремния, охрупчивает сплав, снижает триботехнические параметры. Содержание титана и циркония менее 0,15 мас.% недостаточно для одновременного модифицирования сплава по кремнию и изменения гранулометрической формы железосодержащих фаз. Температурный коэффициент линейного расширения снижается незначительно, что уменьшает вероятность сохранения натяга в парах трения при повышенных температурах. Содержание железа 0,3…0,7 мас.% Железо снижает температурный коэффициент линейного расширения, связывает медь в нерастворимые интерметаллидные фазы, что снижает эффект от легирования сплава медью. Содержание железа более 0,7 мас.% увеличивает количество грубодисперсных железосодержащих фаз, что способствует охрупчиванию сплава, увеличивает коэффициент трения, снижает показатели конструктивной прочности сплава. Содержание железа менее 0,3 мас.% не оказывает влияние на триботехнические параметры и температурный коэффициент линейного расширения. Для проверки заявленного технического решения были приготовлены несколько вариантов сплавов с различными соотношениями компонентов. В табл.1 представлены три варианта сплава, имеющие средние и граничные значения из предложенных соотношений. Предложенные варианты сплавов и сплав по прототипу были подвергнуты сравнительным испытаниям. Испытания проводили на отлитых в металлический кокиль и механически обработанных образцах. Механические и триботехнические свойства предложенного сплава в сопоставлении с прототипом приведены в табл.2. Механические свойства (предел текучести, временное сопротивление разрушению, относительное удлинение) определяли на стандартной машине 2167Р-50 (ГОСТ 7855-84) в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84. Триботехнические испытания проводили на машине трения 2070 СМТ-1 на образцах “диск-колодка” (диск-сталь 45, закалка и низкий отпуск). Перед испытаниями проводилась приработка пар образцов в условиях картерной смазки до полной притирки поверхности колодки к диску. Интенсивность изнашивания определяли при скорости скольжения 3,65 м/с, нагрузке 1000 Н, в условиях ограниченной (фитильной) смазки на базе 100 ч непрерывной работы. Испытания на задиростойкость проводили при скорости скольжения 0,1 м/с после однократного смазывания консистентной смазкой. В процессе испытания нагрузка на пару трения повышалась ступенчато. Выдержка под нагрузкой осуществлялась до стабилизации коэффициента трения. Результаты испытаний, приведенные в табл.2, свидетельствуют, что предлагаемый сплав по сравнению с прототипом обладает лучшим комплексом характеристик конструктивной прочности в сочетании с триботехническими параметрами. Твердость больше на 25…225 МПа, временное сопротивление разрушению выше на 4…29 МПа, температурный коэффициент линейного расширения в 1,16…1,27 раза меньше по сравнению с прототипом. Интенсивность изнашивания предлагаемого сплава в 1,11 раза, а коэффициент трения в 1,5 раза меньше, чем у сплава-прототипа, что в совокупности позволяет считать данное техническое решение соответствующим критерию “промышленная применимость”.
Формула изобретения
Антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий кремний, медь, магний, цинк, олово, марганец, железо, титан и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит свинец и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
при этом олово и свинец введены в сплав в виде лигатуры олово-свинец, в которой соотношение свинца к олову составляет 0,47…0,51.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
-твердого раствора, с получением технического результата в виде повышенных триботехнических параметров, исключающих схватывание и задиры, и улучшения показателей конструктивной прочности сплава.
-фазу (CuAl2) и обеспечивает благоприятную морфологию многокомпонентной эвтектики, положительно влияет на триботехнические характеристики, способствует упрочнению и повышению несущей способности сплава, снижает температурный коэффициент линейного расширения.
в, МПа
, %