Сплав на основе алюминия
Сплав предназначен для применения в качестве деталей узлов трения, Сплав содержит , мас.%: магний 0,3-1,5; графит 0,5- 3,0; медь 4,5-30,0; кремний 0,5-6,5; железо 0,1-0,5; никель 0,1-0,5; алюминий - остальное . Свойства сплава следующие: износ обр. 0,021-0,040, конт. 0,009-0,031, коэфф. трения 0,013-0,073, относит, удлинение 1.4-3..0; НВ 48-89. 1 табл.
СОЮЗ СО8ЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51) з С 22 С 21/16
ГОсУДАРственный кОмитЕт
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ! .Ъ
1 1
1 C) фь (1 Р (21) 4877747/02 (22) 17.09.90 (46) 23,10,92. Бюл. ¹ 39 (71) Физико-технический институт АН БССР (72) С,А; Астапчик и А.Т. Волочко (56) Сборник ВИЛС "Современные алюминиевые и магниевые сплавы", 1970, с. 31, спл. АК".
Авторское свидетельство СССР
¹ 479814, кл. С 22 С 27/04, 1975.
Изобретение относится к области металлургии алюминиевых материалов, сочетающих высокую антифрикционность и механическую прочность, и может применяться для узлов трения.
Для повышения антифрикционных свойств в большинстве известных алюминиевых сплавов для узлов трения вводят элементы: олово, свинец, сурьму и др. в количестве 5 — 40% (Буше Н,A. и др. Подшипники из алюминиевых сплавов. — M.: Транспорт, 1974, с. 16-17). Однако эти элементы дорогостоящи и, дефицитны.
В связи с отсутствием дефицита и невысокой стоимостью несомненный интерес представляют материалы композитного типа с включениями графита, находящегося в структуре в несвязанном состоянии.
Из известных решений наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является литейный сплав на основе алюминия, включающий в состав кремний 2 — 20%, графит 0,5 — 15%, магний
0,3-1,5%. алюминий остальное (авт.св. №
479814, кл. С 22 С 21/04).
Однако как показали исследования, при длительном выстаивании расплава ос!
Ж „177Î432 А1 (54) СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ (57) Сплав предназначен для применения в качестве деталей узлов трения. Сплав содержит, мас.g: магний 0,3-1,5; графит 0,53,0; медь 4,5 — 30,0; кремний 0,5-6,5; железо
0,1-0,5; никель 0,1-0,5; алюминий — остальное, Свойства сплава следующие: износ обр. 0,021-0,040, конт. 0;009 — 0,031, коэфф, трения 0,013 — 0,073, относит, удлинение
1,4 — 3.,0; НВ 48-89. 1 табл. новы алюминий, кремний при повышенных температурах появляются карбидь1 метал. лов. Причем присутствие в сплаве в больших количествах карбидообразующего элемента — кремний, наряду с тем, что способствует образованию карбида кремния SiC, также интенсифицирует и образование карбида алюминия AlgjCg. Включения карбидов резко увеличивают износ узла трения, снижают механические свойства, кроме того, ухудшают обрабатываемость материала, приводят к увеличению пористости, снижают его коррозионную стойкость. Стабильность высоких антифрикционных и механических свойств очень низка.
Вместе с тем, характерным для литейных алюминиевых сплавов (см. Структура и свойства алюминиевых сплавов./ Л.Ф. Мондольфо. Пер. с англ, — М„Металлургия, i979, "Алюминий" / Под ред. Туманова.— M.: Металлургия, 1972) является наличие в составе карбидообраэующих элементов (кремния, железа, никеля). Так,добавки кремния улучшают технологические (литейные) свойства.
Железо и никель вводят в антифрикционные, подшипниковые сплавы для повышения жаропрочности, а также зачастую при
1770432
10
20
55 производстве литейных алюминиевых сплавов, они присутствуют в виде примесей.
Целью изобретения является повышение энтифрикционных и механических
СВОЙСТВ.
Поставленная цель достигается тем, что материал на основе алюминия, включающий кремний, магний, графит, дополнительно содержит медь, железо и никель при следующем соотношении компонентов, мас. Я,:
Магний 0.3-1,5
Графит 0,5-3,0
Медь 4,5 — 30,0
Кремний 0,5-6,5
Железо 0,1 — 0,5
Никель 0.1 — 0,5
Алюминий Остальное
Причем отношение суммарного содержания кремния, железа и никеля к содержанию меди не превышает условие 1:4.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый состав отличается от известного следующими признаками: наличием и содержанием меди, железа и иикеля, условием соотношения компонентов.
Сущность технического решения состоит в следующем, Медь не взаимодействует с графитом и, как показали исследования, ее присутствие в заявляемом количестве не способствует образованию карбидов. Установлено также, что при заявляемом соотношении некарбидообразующего элемента — медь и карбидообразующих элементов, наиболее часто используемыми в большинстве алюминиеВЫх СПЛаВОВ. дОСтИГаЕтСя таКжЕ тЕрМИЧЕская стабильность сплава. Другими словами. чтобы исключить образование карбидов. необходимо. чтобы в составе литейного" алюминиевого сплава содержание меди превышало содержание карбидообразующих элементов (кремний, железо, никель) не менее чем в 4 раза. В противном случае. как показали исследования, в структуре выявляются карбиды металлов, и, как видно из табл. 1, свойства в данном случае снижаются.
Как следует из табл. 1 (М 1-4), наиболее оптимальные добавки меди регламентированы в пределах 4,5-30 . Нижний предел обусловлен недостаточными прочностными свойствами. С повышением содержания меди более 30 происходит охрупчивание основы сплава. снижаются при этом пластические свойства, растет износ образца и контртела.
Присутствие s сплаве кремния наряду с тем, что благонриятно влияет на технологические качества, также приводит и к образованию карбидов,— стабильность свойств снижается. Увеличение кремния больше граничного значения 6,5 (N. 5. 6, табл, 1) крайне нежелательно. Чтобы устранить карбидообразование, необходимо еще большее (более 30 ) содержание меди, что резко охрупчивает материал. Как видно из табл. 1 Ь 7. 8. заметный эффект повышения прочностных и антифрикционнных свойств был отмечен при содержании кремния более 0,5%. Это связано главным образом за счет увеличения жидкотекучести, а следовательно, плотности заготовок.
Никель вводят в алюминиево-медные сплавы для повышения жаропрочности, что важно для антифрикционных материалов, работающих при высоких температурах {например, поршень — цилиндр) совместно с никелем железо добавляется специально для увеличения стоикости против коррозии, а в сплавы, содержащие и магний с целью снижения аномального роста зерна, При содержании железа и никеля менее 0,1% (см. М 7, 9, 10 табл. 1) отмечено повышение износа и снижение твердости. Увеличение карбидообразующих элементов железо, никель (см.
N 11 табл. 1) нежелательно, так как приводит к образованию карбидов, кроме того добавки железа более 0,5 охрупчивают материал, а введение никеля ограничено зкономической нецелесообразностью, При выходе за минимальные граничные значения магния (см. М 13, 14, табл. 1) твердость резко падает, при этом снижаются и антифрикционные свойства. При большем, выходящем за граничные значения (см, N .
15, 16, табл. 1), прочностные характеристики практически не изменяются, но уменьшается более чем в 2 раза пластичность, падает антифрикционность.
Оптимальное содержание графита 0,53,0% (N. 17-20, см. табл. 1) обусловлено: при меньшем содержании износ и коэффициент трения очень высоки; при большем, выходящем за граничные значения, теряется металлическая монолитность — механические свойства снижаются в 1,2-1.3 раза, также как и антифрикционные.
Следует особо отметить, что несмотря .на то, что материал может содержать проме- жуточные заявляемые значения элементов, а заявляемое соотношение (Si+Fe+Ni/Cu. ) не соблюдается, свойства такого материала резко снижаются (см. N 12, табл. 1).
Пример конкретного выполнения.
Материалы получали с использованием лигатуры алюминий — 8 графита, которая изготавливалась методом экструзии исходных компонентов порошков алюминия ПА-4 и
1770432
В и/и
Si > F8 +IIi с>>
Сеойстаа к-т ",2 ИВ тренк»
ИЗНОС контр. обр
03 05 10
0,3 0,5 1>0
0,3 0,5 1,0
0 ° 3 0,5 Т,О
0,5 0,5 1,0
0>3 0,5 1,0
0,1 0,5 1,0
0,2 О, 5 1,0 о,z 0,5 1,0
0,04 0,5 1,0
0>7 0 5 1 0
0 3 0 5 1 0
0,3
0,3 0,3 1,0
0,3 1,5 1,0
0,3 I>8 1,0
0,3 0,5 0,3
0,3 0,5 0,5
0 3 0 5 3 0
0,3 0,5 3,5
0,3 0 5 1 0
1>4
1:4,5
1:5,4
1:5,8
1:4
1:3,75
1:6,4
1:5,6
1:6, 1
1:5,3
1:3,6
1:3,4
1:5,3
1:4,5
1;4,5
1:4,5
1:4,5
1:4,5
1:4,5
1:4,5
О, 024
o,0o7
0,013
0,031
0,015
0,033
o,оо8
0,019
0,015
0,013
o,0Ç3
0,073
0,013 о,оо8
0,016
O,OZ2
0,038
O,О12
0,008
Î 0I5
0,086
4,о
4,5
4 3,2
5 30
6 30
7 4,5
8 4,5
9 4,5
10 4,5
Тг
12 12
13 4,5
14 4,5
15 4,5
16 4,5
17 4,5
18 4,5
19 4,5
20 4,5
21 прототип
О,OIS
0,003
0,009
O.,0г8
0,015
0,041 о,ооа
0,009
0,013
0,010
0,041
0,031
0,010 о,ооа о,о26
0,034
0,038
O,Ol2
0,013 о,о18
0,030
0,5 0,2
0,5 0,2
5 0,2
5 0,2
6,5 0,5
7,5 0,2
0,5 0,1
О,З О,З
0,5 0,03
0,5 0,3
2 0,6 з о,z
0,5 0,2
0,5 0,2
0,5 0,2
0,5 0,2
0,5 0,2
0,5 0,2
0,5 0,2
0,5 0,2
5 0,2
4,7 40
6,! 48
2,9 89
1,8 67
2,7 94
1,3 65
6,4 47
6,8 41
6,4 42
6,3 42
1,3 65
1,4 54
6,3 42
6,2 46
4,1 55
2,! 54
6,3 43
6,2 45
3,8 37
l,2 29
1,6 36 о,о33 о,ols
o,0ã1
0,053
0,024
0,060
0,0!8
0,027
0,026
0,023
0,060
0,040
0,023
0,022
0,031 о,о3о
0,035
0,018
О,02О
0,033
o, 48 графита С-1. Лигатура вводилась в нагретый до температуры 725 С расплав (составы N
1-10, см, табл. 1), после чего расплавленная масса перемешивалась в течение 0,5 час и заливалась в медный кокиль следующих размеров: внутренний и наружный диаметр соответственно — 20 и 110 мм, высота — 100 мм, Из отлитых заготовок вырезались образцы для испытаний.
Оценка атифрикционных свойств проводилась на машине трения типа АЕ-5 в условиях ограниченной подачи смазки 1 капля в 10 с при нагрузке 220-240 кг/см ).
Материал контртела — сталь 40х (термообработанная). Смазка — дизельное масло Д-16.
Механические свойства (д- относительное удлинение, Н — твердость по Бринелю) оценивали по стандартной методике (ГОСТ
9657-73).
Соответствующие составы алюминиевого сплава предварительно сплавлялись в электропечи сопротивления на воздухе.
Шихтовыми материалами служили: алюминий А7, медь электролитическая, кремний
КО, магний Мг99, армкожелезо, Магний добавляли в расплав (в том числе и в состав прототипа) завернутым в алюминиевую фол ьгу. Ес,, и сра внить значения свойств материала — прототипа (N 11), изготовленного при тех же условиях, что и заявляемый материал, то свойства последнего в
1,5-10 раз выше.
Металлографические и микроструктурные исследования показывают, что в составах заявляемого сплава отсутствуют карбиды алюминия, в то время как в структуре материала-прототипа и материале, соСодермание зпе».,8
C» Si F e 11!. Ilg С держание элементов которого выходит за граничные значения, обнаружены наряду с карбидом алюминия также и карбиды кремния; железа, никеля.
5 Использование в качестве упрочнителей основы алюминиевых сплавов недорогостоящих и доступных элементов (медь, кремния). а также составляющей графит, которая резко повышает антифрикционные
10 свойства в сочетании с возможностью выдержки при повышенной температуре. обеспечивают сплаву доступность к массовому внедрению. Материалы рекомендованы взамен дорогостоящих и дефицитных
15 сплавов на медной и железной основе. По мере необходимости увеличения прочностных свойств сплав может подвергаться термообработке, 20 Формула изобретения
Сплав на основе алюминия, содержащий магний, кремний и графит, о т л и ч а юшийся тем. что, с целью повышения антифрикционных и механических свойств, 25 он дополнительно содержит медь, железо и никель при следующем соотношении компонентов, мас. g,:
Магний 0.3-1,5
Графит 0.5-3,0
30 Медь 4,5 — 30,0
Кремний 0,5-б.5
Железо 0,1-0,5
Никель 0,1-0,5.
Алюминий Остальное, 35 причем отношение суммарного содержания кремния, железа и никеля к содержанию меди составляет 1:4.
