Способ изготовления изделий из алюминиевой бронзы

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению изделий из алюминиевых бронз. Может использоваться для изготовления деталей антифрикционного назначения, работающих в условиях смазки и полусухого трения при средних и тяжелых нагрузках. Из порошков меди и алюминия готовят шихту, прессуют заготовку и осуществляют спекание в режиме горения. Нагрев заготовки до температуры воспламенения шихты, равной 400-500°С, до возникновения в ней волны горения, проводят индуктором равномерно по всему объему заготовки или в сканирующем режиме. Индуктор и/или спрессованную заготовку перемещают относительно друг друга. После начала горения индуктор выключают или перемещают его за волной горения. Получены изделия с высокой конструкционной прочностью и физико-механическими свойствами при экономии дефицитных цветных металлов, сниженных энергетических затратах и времени изготовления. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 10 пр.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению изделий из алюминиевой бронзы, и может использоваться для изготовления деталей антифрикционного назначения, таких как пористые подшипники, упорные шайбы, элементы запорной арматуры, работающие в условиях смазки и полусухого трения при средних и тяжелых нагрузках.

Известен спеченный композиционный материал на основе меди для изготовления деталей антифрикционного назначения, работающих в условиях смазки и полусухого трения, который имеет следующий состав, мас.%: медь и алюминий в сумме 30-70; медная проволока 30-70, причем порошки меди и алюминия вводят в соотношении 91:9 (RU 2112068, С22С 1/09, С22С 9/01, 27.05.1998). В патенте описан также способ изготовления материала, который включает смешивание порошков алюминия, меди и проволоки в указанных количествах в конусном смесителе в течение 1 ч, прессование из полученных смесей образцов (заготовок) диаметром 10 и высотой 12 мм на гидравлическом прессе, спекание в вакуумной печи в безокислительной атмосфере при давлении не выше 10^-2 Па при температуре 1015°С с выдержкой 30 мин. Пористость образцов композиционного материала составляла (±1,5%), твердость по Бриннелю наиболее плотных образцов составляла 610 МПа.

Недостатком этого способа является то, что для спекания используют вакуумные печи с защитной средой, что усложняет и удлиняет по времени технологический процесс и повышает материальные и энергетические затраты на производство изделия (нагрев печи, спекание изделия, охлаждение).

Кроме того, введенные фрагменты медной проволоки по предлагаемому способу располагаются хаотично по изделию, а при спекании они активно взаимодействуют с основным материалом бронзы и не могут конструктивно упрочнять изделия, в наиболее напряженных местах, а физико-механические свойства меди не позволяют создать надежного упрочняющего каркаса изделия.

Наиболее близким техническим решением относительно способа является способ изготовления изделий из порошковых алюминиевых бронз (RU 2032494 B22F 3/00, 10.04.1995), включающий приготовление шихты из порошков меди и алюминия в присутствии 1-2 мас.% минерального масла, прессование, спекание на воздухе в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) при 600-750°С, с последующим охлаждением полученных изделий в минеральном масле, при этом содержание меди в шихте составляет не менее 87 мас.%, а алюминия не менее 5 мас.%.

Недостатком этого способа является то, что получаемые изделия из пористой спеченной бронзы обладают недостаточной конструкционной прочностью и надежностью, что может привести к разрушению изделий во время их изготовления и эксплуатации, кроме того, нагрев печи до 600-750°С для спекания приводит к значительным энергозатратам. Использование сложного и дорогостоящего оборудования (печей) приводит к увеличению материальных затрат при получении этих изделий.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат, времени, затраченного на изготовление изделий, повышение конструкционной прочности, физико-механических свойств изделий при экономии дефицитных цветных металлов.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления изделий из алюминиевой бронзы включает приготовление шихты из порошков меди и алюминия, прессование заготовки, нагрев заготовки, спекание в режиме горения и охлаждение полученного изделия, согласно изобретению, нагрев заготовки до температуры воспламенения шихты, равной 400-500°С, до возникновения в ней волны горения, проводят индуктором либо равномерно по всему объему заготовки, либо в сканирующем режиме, перемещая индуктор и/или спрессованную заготовку относительно друг друга, после начала горения индуктор выключают или перемещают его за волной горения.

Перед прессованием заготовки в шихте размещают упрочняющие армирующие конструктивные элементы, выполненные из стали, чугуна и сплавов на основе никеля в виде стержней, полос, колец, сеток. В состав шихты дополнительно могут быть введены упрочняющие частицы в количестве не более 10 мас.% из порошка или стружки размером от 50 мкм до 2000 мкм из чугуна, стали и сплавов на основе никеля. На упрочняющие конструктивные элементы и частицы может быть нанесено медное и/или медно-никелевое покрытие.

Сущность способа заключается в следующем.

Готовят шихту из порошков меди и алюминия. Для повышения конструкционной прочности в шихту перед прессованием шихтовой заготовки вводят конструктивные элементы в виде стержней, полос, колец, сеток, выполненных из стали, чугуна и сплавов на основе никеля, а затем прессуют шихтовую заготовку изделия вместе с этими упрочняющими элементами. Нагрев заготовки осуществляют индуктором до возникновения волны горения. После начала горения индуктор выключают или перемещают его за волной горения.

Наличие этих упрочняющих элементов ускоряет нагрев шихтовой заготовки, причем одновременно во всем объеме, что сокращает в целом время изготовления изделий. Для более равномерного нагрева изделия по всему объему, также могут использоваться упрочняющие частицы в виде порошка или стружки размером от 50 мкм до 2000 мкм из чугуна, стали и сплавов на основе никеля. Введение упрочняющих частиц приводит, кроме упрочнения, и к экономии цветных металлов.

Интервал размера упрочняющих частиц обусловлен тем, что использование частиц размером менее 50 мкм приводит к тому, что эти частицы вступают в реакцию с основным материалом и не могут использоваться как упрочняющие. А использование частиц более 2000 мкм вызывает затруднение при смешивании шихты и не позволяет получить шихту с равномерным распределением таких частиц по всему объему.

Физико-механические свойства материалов изделий дополнительно повышаются при использовании медного и/или медно-никелевого покрытия на упрочняющие элементы и/или частицы, что повышает адгезию частиц и упрочняющих элементов с основным материалом и исключает образование хрупких интерметаллидов на их поверхностях.

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что нагрев заготовки изделия ведут индуктором, а конструктивную прочность получаемых изделий повышают введением упрочняющих конструктивных элементов из стали, чугуна и сплавов на основе никеля в виде стержней, полос, колец, сеток и/или частиц из тех же материалов, причем конструктивные элементы и/или частицы используют для ускорения нагрева заготовки индуктором по всему объему. Причем экономия материалов достигается за счет использования в качестве упрочняющих частиц порошка или стружки из чугуна, стали и сплавов на основе никеля вместо цветных металлов, а для повышения физико-механических свойств материала используют медное и/или медно-никелевое покрытие этих частиц.

Преимущества предлагаемого способа подтверждаются примерами.

В примере 1 и 2 показано снижение энергетических затрат и времени, затраченного на изготовление изделия по предлагаемому способу и прототипу.

Пример 1

Получение заготовки подпятника диаметром -35 мм, высотой 5 мм, весом 35 г по предлагаемому способу.

Шихту, состоящую из 90 мас.% порошка меди марки ПМС-1 и 10 мас.% порошка алюминия марки АСД-1, смешивают в шаровой мельнице в течение 4 часов, затем шихту засыпают в пресс-форму и прессуют заготовку с давлением прессования 2000 кгс/см². Нагревают заготовку изделия индуктором равномерно по всему объему до температуры воспламенения шихты. Причем волна горения для данного состава шихты возникает в образце при температуре 400°С, затем индуктор выключают.

Пример 2

Получение заготовки подпятника диаметром -35 мм, высотой 5 мм, весом 35 г по прототипу.

Шихту и заготовку получают по примеру 1. Затем спрессованную заготовку помещают в предварительно нагретую до 750°С печь и спекают.

В примере 3, 4 и 5 показано влияние введения упрочняющего армирующего элемента на повышение конструктивной прочности изделия, в том числе и по сравнению с прототипом в примере 4.

Пример 3

Получение бруска длиной 120 мм, шириной 8 мм, высотой 5 мм и весом 60 г по предлагаемому способу.

Шихту для образца приготавливают, как в примере 1. Затем в шихту перед прессованием шихтовой заготовки вводят конструктивный элемент в виде стержня из стальной проволоки диаметром 2 мм, весом 3 г и прессуют заготовку с давлением прессования 2000 кгс/см². Нагрев заготовки до температуры воспламенения шихты и возникновения в ней волны горения проводят индуктором в сканирующем режиме, перемещая индуктор вдоль спрессованной заготовки. После возникновения волны горения в нагретом образце индуктор перемещают за волной горения до окончания синтеза, затем индуктор выключают.

Пример 4

Получение бруска длиной 120 мм, шириной 8 мм, высотой 5 мм и весом 60 г по прототипу.

Брусок изготавливают по примеру 2.

Пример 5

Получение бруска длиной 120 мм, шириной 8 мм, высотой 5 мм и весом 60 г.

Образец изготавливают по примеру 3, но без упрочняющего армирующего элемента.

В примере 6, 7, 8 и 9 рассмотрено влияние упрочняющих частиц чугунной стружки и порошка железа, введенных в шихту, на технологические параметры синтеза материала и их физико-механические свойства по сравнению с образцом в примере 6.

Пример 6

Получение упорной шайбы диаметром 50 мм, высотой 5 мм и весом 85 г по предлагаемому способу.

Шихту и заготовку изделия получают по примеру 1. Нагревают заготовку изделия индуктором равномерно по всему объему до воспламенения шихты, перемещая заготовку относительно индуктора, затем индуктор выключают.

Пример 7

Получение упорной шайбы диаметром 50 мм, высотой 5 мм и весом 85 г по предлагаемому способу.

Готовят шихту, состоящую из 81 мас.% порошка меди марки ПМС-1, 9 мас.% порошка алюминия марки АСД-1 и 10 мас.% чугунной стружки размером 90-315 мкм, затем смешивают, прессуют заготовку и нагревают заготовку изделия индуктором равномерно по всему объему до воспламенения шихты, перемещая заготовку относительно индуктора, затем индуктор выключают.

Пример 8 и 9. Получение упорной шайбы диаметром 50 мм, высотой 5 мм и весом 85 г по предлагаемому способу.

Образцы изготавливают по примеру 7, но в примере 8 чугунную стружку берут размером 2000 мкм, а в примере 9 в качестве упрочняющих частиц используют порошок железа размером 50-63 мкм.

В примере 10 показано влияние медно-никелевого покрытия на физико-механические свойства материала.

Пример 10

Получение бруска длиной 120 мм, шириной 8 мм, высотой 5 мм и весом 60 г по предлагаемому способу.

Образец изготавливают по примеру 3, но упрочняющий элемент в виде стержня из стальной проволоки диаметром 2 мм используют с медно-никелевым покрытием.

Как видно из таблицы, время спекания детали (пример 1) при использовании индуктора в 3 раза меньше, чем по прототипу (пример 2). Температура нагрева заготовки (500°С) до синтеза в полтора раза ниже (750°С), чем у прототипа, а также исключается нагрев печи. Расход энергии на получение одного изделия, полученного по предлагаемому способу, снижается как минимум в 4 раза по сравнению с изделием, полученным по прототипу.

Введение упрочняющего элемента (пример 3) повысило конструктивную прочность этого образца по сравнению с образцом в примере 4 в 1.8 раза, а по сравнению с образцом 5 в 1.3 раза.

Время нагрева и спекание образцов, содержащих упрочняющие частицы в виде чугунной стружки и порошка железа (примеры 7, 8, 9), оказалось быстрее, чем без них (пример 6), за счет того, что наличие этих частиц ускоряет нагрев шихтовой заготовки, причем одновременно во всем объеме. Таким образом, наличие таких включений приводит к более быстрому и равномерному нагреву заготовок и не снижает физико-механических свойств материалов.

Как видно из таблицы (пример 10), использование медно-никелевого покрытия повышает физико-механические свойства образца за счет улучшения адгезии упрочняющего элемента с основным материалом и исключения появления хрупких интерметаллидов на его поверхности.

Размеры образцов, составы, технологические параметры получения и некоторые физико-механические свойства всех полученных образцов приведены в таблице.

1. Способ изготовления изделий из алюминиевой бронзы, включающий приготовление шихты из порошков меди и алюминия, прессование заготовки, нагрев заготовки, спекание в режиме горения и охлаждение полученного изделия, отличающийся тем, что нагрев заготовки до температуры воспламенения шихты, равной 400-500°С, до возникновения в ней волны горения проводят индуктором равномерно по всему объему заготовки или в сканирующем режиме, при перемещении индуктора и/или спрессованной заготовки относительно друг друга, а после начала горения индуктор выключают или перемещают его за волной горения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед прессованием в шихте размещают упрочняющие армирующие конструктивные элементы.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что упрочняющие конструктивные элементы выполнены из стали, чугуна и сплавов на основе никеля в виде стержней, полос, колец, сеток.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состав шихты вводят упрочняющие частицы в количестве не более 10 мас.% из порошка или стружки размером от 50 мкм до 2000 мкм из чугуна, стали и сплавов на основе никеля.

5. Способ по п.2 или 4, отличающийся тем, что на упрочняющие конструктивные элементы и частицы наносят медное и/или медно-никелевое покрытие.