Антифрикционный сплав на основе алюминия

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 α-твердого раствора, с получением технического результата в виде повышенных триботехнических параметров, исключающих схватывание и задиры, и улучшения показателей конструктивной прочности сплава.

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.%:

Медь	2,5...4,5
Свинец	0,7...1,8
Олово	1,5...3,5
Магний	1,9...3,0
Кремний	4,0...7,0
Цинк	0,3...2,5
Марганец	0,3...0,7
Титан	0,15...0,25
Цирконий	0,15...0,25
Железо	0,3...0,7
Алюминий	Остальное

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 α-твердого раствора, обладает не эффективной формой выделения, обусловленной недостаточным составом фаз. Это ведет к возникновению на границах зерен горячих кристаллизационных трещин и, следовательно, приводит к снижению характеристик конструктивной прочности и триботехнических параметров сплава.

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 α-твердого раствора хорошо развитую, однородную по структуре эвтектику с благоприятной формой выделяющихся фаз.

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 θ-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.

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 α-твердый раствор, а также S-фазы (Al₂CuMg, Mg₂Si, Mg₂Al₃), что упрочняет α-твердый раствор, повышает коррозионную стойкость и улучшает литейные свойства сплава.

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".

Таблица 1
Вариант состава сплава	Содержание компонентов (мас.%)
Cu	Mn	Mg	Fe	Si	Zr	Zn	Pb	Sn	Ti	Al
Прототип	8,5	0,6	0,7	0,6	2,5	-	1,0	-	12	0,2	Ост
Предлагаемый
1	2,5	0,3	1,9	0,3	4,0	0,15	0,3	0,7	1,5	0,15	Ост
2	3,5	0,5	2,5	0,5	5,5	0,20	1,4	1,2	2,5	0,20	Ост
3	4,5	0,7	3,0	0,7	7,0	0,25	2,5	1,8	3,5	0,25	Ост

Таблица 2
Основные показатели сплавов
Состав Сплава, №	Твердость НВ, МПа	Предел прочн. σв, МПа	Относит.удлинен. δ, %	Интенсивн. изнашиван мм3/см2 за 1000 м пути трения	Коэффициент трения при V=0,52 м/с со смазкой	Температ. коэффиц. линейного расширения (10-6 °С-1
Предлагаемый
1	980	218	4,3	0,94·10-4	0,009	19,6
2	1102	231	4,8	0,94·10-4	0,008	18,3
3	1180	243	5,6	0,93·10-4	0,008	17,8
Прототип	955	214	4,5	1,04·10-4	0,012	22,9

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.%:

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 соотношение свинца к олову составляет 0,47...0,51.