Антифрикционный сплав на основе алюминия и способ его изготовления


 


Владельцы патента RU 2577876:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам антифрикционных сплавов на основе алюминия, а также к способам изменения их металлографической структуры сочетанием термической обработки и пластической деформации, и может быть использовано, например, в производстве подшипников скольжения. Антифрикционный сплав содержит, мас.%: олово 8,0-12,0; свинец 2,0-4,0; медь 2,0-5,0; кремний 0,1-1,0; цинк 1,5-4,0; титан 0,02-0,2; алюминий - остальное. Способ получения антифрикционного сплава включает выплавку антифрикционного сплава указанного состава для чего в процессе выплавки нагревают расплав алюминия с легирующими компонентами до температуры 750-850°С, проводят его дегазацию и модифицирование, после чего разливают расплавленный металл при температуре 740-760°С в предварительно нагретые формы. Техническим результатом является повышение прочности, твердости и износостойкости антифрикционного сплава при сохранении высокого уровня износостойкости за счет снижения уровня внутренних напряжений и создания мелкозернистой структуры с равномерным распределением мягкой структурной составляющей и мелких включений твердых фаз на основе меди и кремния. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам антифрикционных сплавов на основе алюминия, а также к способам изменения их металлографической структуры сочетанием термической обработки и пластической деформации, и может быть использовано, например, в производстве подшипников скольжения.

Известен антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий следующие компоненты, масс. %: свинец 1,5-2,5, олово 9,0-12,0, медь 0,5-1,2, цинк 0,2-0,3, кремний 1,0-3,0, титан - 0,01-0,2, алюминий - остальное, при этом структура сплава представляет собой матрицу на основе алюминия с твердыми включениями частиц кремния и мягкими частицами оловянно-свинцовых фаз, представляющих собой твердый раствор с переменным составом, изменяющимся в интервале, масс. %: свинец 5, олово 95, свинец 50, олово 50 (патент РФ №2087577, МПК С22С 21/00, C22F 1/04, опубл. 20.08.1997 г.) - аналог.

Недостатками известного решения являются недостаточная прочность и твердость, низкая износостойкость самого материала при высокой пластичности и малом износе стального контртела.

Известен антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий следующие компоненты, масс. %: свинец 1,5-3,5, олово 9,0-12,0, медь 1,5-4,0, никель - 0,5-2,0; висмут - 0,1-0,3; цинк 0,1-0,5, кремний 0,4-1,5, титан - 0,01-0,2; алюминий - остальное, при этом структура сплава содержит легкоплавкие эвтектики с температурами плавления 167-170°С и 124-128°С, а матрица на основе твердого раствора алюминия дополнительно содержит твердые частицы интерметаллидов системы Аl-Cu-Ni и включения мягких оловянно-свинцово-висмутовых фаз на основе твердого раствора с переменным составом (патент РФ №2284364, МПК С22С 21/00, C22F 1/04, опубл. 27.09.2006 г.) - прототип.

Недостатками известного решения являются недостаточная прочность и твердость, низкая трещиностойкость и износостойкость самого материала, при высокой стоимости никеля. Повышение прочности и твердости за счет легирования никелем менее целесообразно, чем комплексом из меди и цинка, так как для одинакового повышения этих свойств последних требуется в два раза меньше, чем никеля и, при этом падение пластичности и ударной вязкости будет в 2,5 раза меньше. Висмут, даже в заявленной концентрации, сильно снижает прочность, трещиностойкость и твердость, а при меньших концентрациях его добавка практически не сказывается на антифрикционных свойствах. Получение свойств сплава, например, на уровне свойств бронзы при добавлении висмута невозможно.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение в части сплава является повышение прочности и твердости, износостойкости антифрикционного материала при сохранении высокого уровня износостойкости стального контртела.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый антифрикционный сплав на основе алюминия содержит алюминий, олово, свинец, медь, кремний, цинк и титан в следующем соотношении (масс. %): олово 8,0-12,0; свинец 2,0-4,0; медь 2,0-5,0; кремний 0,1-1,0; цинк 1,5-4,0; титан 0,02-0,2; алюминий - остальное до 100%.

Олово, свинец и цинк рекомендуется вводить в расплав в виде легкоплавкой лигатуры, титан в виде солей в виде дегазаторов-модификаторов, а медь и кремний в виде двойных лигатур с алюминием.

Олово обеспечивает повышение комплекса антифрикционных свойств, при ухудшении механических свойств, но при его содержании в составе заявляемого сплава 8,0-12,0 от общего масс. %, при использовании остальных компонентов сплава в заявляемых диапазонах, обеспечивается необходимый комплекс механических свойств (прочность, твердость, пластичность, трещиностойкость и ударная вязкость). Если олова менее 8,0%, то снижаются антифрикционные свойства сплавов - ухудшается задиростойкость, понижается износостойкость, а если больше 12,0% - снижаются прочность, твердость, ударная вязкость, увеличивается износ материала.

Свинец повышает антифрикционные свойства, но так как он входит в эвтектику с оловом и цинком, то, при заявляемом количественном и качественном соотношении компонентов сплава, мягкая структурная составляющая заявляемого сплава упрочняется с повышением твердости и пластичности. Если свинца меньше 2,0% снижаются антифрикционные свойства - задиростойкость, прирабатываемость и износостойкость, а если больше 4,0% - снижаются прочность, трещиностойкость и прочность.

Медь в заявляемом количестве упрочняет как алюминиевую матрицу, так и выделение мягкой структурной составляющей, что положительно сказывается на таких антифрикционных свойствах, как задиростойкость и износостойкость. Если меди меньше 2,0%, то снижается прочность, твердость, износостойкость материала и его задиростойкость, а если больше 5,0% - снижается пластичность, трещиностойкость, ударная вязкость, повышается износ стального контртела и самого материала, затрудняется прирабатываемость.

Кремний в заявляемом количестве улучшает литейные свойства, снижает пористость, повышает твердость, задиростойкость, износостойкость за счет образования мелких твердых и равномерно распределенных включений II фазы. Если кремния меньше 0,1%, то ухудшаются литейные свойства, уменьшается прочность и твердость, снижаются износостойкость и задиростойкость, а если больше 1,0%, то уменьшаются пластичность и ударная вязкость, снижаются трещиностойкость, износостойкость стального контртела, прирабатываемость и задиростойкость.

Цинк в заявляемом количестве упрочняет алюминиевую матрицу и мягкие структурные составляющие сплава с одновременным повышением прочности, твердости и пластичности. Легкоплавкие фазы с цинком имеют повышенную химическую активность, что способствует образованию защитных вторичных структур на поверхностях трения и повышает прирабатываемость, износостойкость и задиростойкость. Если цинка меньше 1,5%, то уменьшаются прочность и твердость, снижаются износостойкость, прирабатываемость и задиристость, а если больше 4,0%, то снижаются пластичность, ударная вязкость, трещиностойкость, уменьшается износостойкость стального контртела, ухудшается прирабатываемость.

Титан является модификатором II рода для алюминиевых сплавов, образуя большое количество мелких равномерно распределенных центров кристаллизации. Если титана меньше 0,02%, то образуется недостаточное количество центров кристаллизации алюминиевых зерен, а если более 0,2%, то количество центров кристаллизации больше не увеличивается, а растет только их размер, что снижает пластичность и прирабатываемость сплава.

Известен способ изготовления антифрикционного сплава на основе алюминия, включающий его выплавку, причем сплав выплавляют путем расплавления алюминия, введения в расплав меди, цинка, кремния, лигатуры олово-свинец и солей титана с последующей выдержкой расплава при температуре 800-860°С в течение 20-40 мин, затем осуществляют разливку сплава и его кристаллизацию (патент РФ №2186869, МПК С22С 21/00, C22F 1/04, опубл. 10.08.2002 г.) - прототип.

Недостатком известного решения является отсутствие регламентированной температуры разливки расплавленного металла в кокили, а именно эта температура и определяет качество отливки. Предлагается слишком узкий температурный интервал выплавки, из-за чего сплав необходимо выдерживать 20-40 мин для охлаждения.

Техническим результатом заявляемого решения в части способа является оптимизация температурных параметров при выплавке сплава для обеспечения его механических и антифрикционных свойств, за счет снижения уровня внутренних напряжений и создания мелкозернистой структуры с равномерным распределением мягкой структурной составляющей и мелких включений твердых фаз на основе меди и кремния.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения антифрикционного сплава включает выплавку антифрикционного сплава, содержащего (масс. %): олово 8,0-12,0, свинец - 2,0-4,0; медь - 2,0-5,0, кремний - 0,1-1,0, цинк - 1,5-4,0, титан - 0,02-0,2, алюминий - остальное, для чего смешивают компоненты, в процессе выплавки нагревают расплав до температуры 750-850°С, проводят его дегазацию и модифицирование, после чего разливают расплавленный металл при температуре 740-760°С в предварительно нагретые, например, до температуры 120-140°С формы, в качестве которых используют кокили.

Заявляемый сплав для изготовления подшипников скольжения содержащий олово, свинец, медь, кремний, цинк, титан, алюминий - остальное, получают добавлением в расплавленный алюминий лигатур Al-Cu (алюминий-медь), Al-Si (алюминий-кремний) и Sn-Pb-Zn (олово-свинец-цинк). Расплав нагревают в интервале температур 750°-850°С, так как если температура будет ниже 750°С, то при дегазации и модифицировании температура упадет ниже 740°С и качественная отливка не получится. А если выше 850°С, то возможно сильное газонасыщение расплавленного металла, что ухудшит его свойства. Кроме того, чем выше температура, тем выше угар компонентов сплава и тем дольше расплав охлаждается перед разливкой. Дегазация и модифицирование позволяют очистить расплав от вредных примесей и растворенных газов с получением оптимального количества центров кристаллизации, обеспечивающих мелкозернистую структуру расплава. Температура разлива металла заявляемого состава в формы 740-760°С обеспечивает литейные свойства (отсутствие горячих трещин, газовой пористости, ликвации элементов по высоте отливки, заполняемость формы) при минимальных внутренних напряжениях. Формы целесообразно предварительно нагреть до температуры 120-140°С для предотвращения выплесков металла при заливке кокилей, получения плавной кристаллизации металла в форме, снижения уровня внутренних напряжений.

Антифрикционные сплавы заявляемого состава, изготовленные методом литья, могут использоваться, в частности, в производстве подшипников скольжения, и должны обеспечивать следующий комплекс требований: высокую износостойкость в присутствии смазки, способность быстро прирабатываться, т.е. обеспечивать максимальную площадь контакта с оптимальной шероховатостью поверхности трения, способность поглощать абразивные частицы, высокое сопротивление задирам, а также способность удерживать граничную смазку при повышенных температурах. Они должны обладать способностью образовывать на поверхности трения защитные вторичные (диссипативные) структуры, обеспечивающие задиростойкость и износостойкость как самого материала, так и стального контртела и отвечать определенному уровню механических свойств (прочность, твердость, пластичность, трещиностойкость и ударная вязкость) и обладать высоким сопротивлением выкрашиванию при переменной и ударной нагрузках, способностью выдерживать небольшие разупрочнения при повышенных температурах.

Пример конкретного выполнения. Сплав для изготовления подшипников скольжения, содержащий олово 9,59%; свинец - 3,15%; медь - 4,85%, кремний 0,15%; цинк - 3,39%; титан - 0,025%; алюминий - остальное, получают добавлением в расплавленный алюминий лигатур Al-Cu (алюминий-медь), Al-Si (алюминий-кремний) и Sn-Pb-Zn (олово-свинец-цинк), расплавляют при температуре 810°С, обрабатывают дегазатором-модификатором «Зернолит-2», содержащим соли TiF2 и Til2, разливают при температуре 750°С в кокили, нагретые до 120°С.

Сравнение свойств бронзы БрO4Ц4С17 и заявляемого сплава, полученного по заявляемой технологии.

Полученные свойства удовлетворяют требованиям к качеству антифрикционного материала для подшипников скольжения с принудительной подачей смазки и превосходят по комплексу механических и антифрикционных свойств сплавы марок АО20-1, АО10С2 и АO11С3. По антифрикционным свойствам превосходят бронзу марки БрO4Ц4С17 не уступая ей по прочности и твердости и имея близкие показатели по пластичности и ударной вязкости.

1. Антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий олово, свинец, медь, кремний, цинк и титан, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

олово 8,0-12,0
свинец 2,0-4,0
медь 2,0-5,0
кремний 0,1-1,0
цинк 1,5-4,0
титан 0,02-0,2
алюминий остальное

2. Способ получения антифрикционного сплава на основе алюминия, включающий выплавку антифрикционного сплава, содержащего алюминий, олово, свинец, медь, кремний, цинк и титан, отличающийся тем, что выплавляют сплав, содержащий, мас.%: олово 8,0-12,0, свинец - 2,0-4,0; медь - 2,0-5,0, кремний - 0,1-1,0, цинк - 1,5-4,0, титан - 0,02-0,2, алюминий - остальное, для чего легирующие компоненты в виде лигатур добавляют в расплавленный алюминий, в процессе выплавки нагревают расплав до температуры 750°-850°С, проводят его дегазацию и модифицирование, после чего разливают расплавленный металл при температуре 740°-760°С в предварительно нагретые формы.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве форм используют кокили.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что кокили перед заливкой расплавленного металла предварительно нагревают до температуры 120-140°С.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к способу и устройству получения содержащего алюминий и титан сплава - интерметаллида. Способ включает получение сплава из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения алюминия и титана.

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству литейных алюминиевых антифрикционных сплавов, используемых в машиностроении при изготовлении монометаллических подшипников скольжения.

Изобретение относится к алюминиевым сплавам, предназначенным для производства электропроводников, работающих при высоких температурах. Алюминиевый сплав содержит, мас.%: лантан и церий в сумме до 9, никель до 0,7, стронций до 0,001, алюминий - остальное, при соотношении церия к лантану 1,0-1,5 и никеля к сумме лантана и церия 0,1-0,3.

Изобретение относится к литейному производству. Алюминиевый сплав, содержащий в мас.%: никель 2-6, цирконий 0,1-0,4, ванадий 0,1-0,4, марганец до 5, железо до 2, титан до 1, алюминий, содержащий не более 1 мас.% производственных примесей, - остальное, заливают в форму машины литья под давлением.

Изобретение относится к получению наноструктурированного конгломерированного порошкового материала для нанесения износо-коррозионностойких покрытий гизодинамическим и газотермическим напылением.

Изобретение относится к получению упрочненных легких сплавов на основе алюминия. В расплав алюминиевого сплава при температуре 750÷800ºС вводят 6 мас.% порошка криолита Na3AlF6, через промежуток времени не менее 10 мин в расплав вводят 5÷6 мас.% модификатора при одновременной активации расплава в течение не менее 20 мин механическим перемешиванием и/или воздействием ультразвуковых колебаний частотой 10 кГц, и/или воздействием электромагнитного поля частотой 40 Гц.

Группа изобретений относится к получению сплава на основе титана из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения титана. Способ включает генерацию магнитных полей, накладываемых на порции перерабатываемой сырьевой массы, восстановление металлов из руд при непрерывном перемешивании сырьевой массы с последующим накоплением и формированием продукта в виде кольцевого столбчатого монокристалла, состоящего из интерметаллида, выбранного из ТiАl3, TiFeAl2, TiAl2Fe, TiFe3, и его выгрузку.

Изобретение относится к получению литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава для изготовления деталей сложной формы. Расплавляют основу, вводят в нее композицию, включающую армирующие частицы Аl2О3, на поверхности которых механической активацией предварительно сформирован слой Аl, и разливают в форму.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к карбонатным смесям, используемым при рафинировании и модифицировании алюминиевых сплавов. Карбонатная смесь содержит, мас.%: 50-95 карбоната кальция и 5-50 карбоната стронция, при этом смесь состоит из частиц фракции 40-60 мкм.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при переработке цирконийсодержащих оксидных материалов для получения алюминий-циркониевого сплава.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам выплавки титановых сплавов и может быть использовано при производстве полуфабрикатов, предназначенных для изготовления деталей газотурбинных двигателей, силовых установок, агрегатов авиационного, топливно-энергетического и морского назначения.
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к композиционным материалам с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами. Задачей изобретения является повышение прочностных характеристик композиционного материала при минимизации объемной доли упрочняющих частиц.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к технологии получения изделий методом горячей деформации алюминиевых сплавов, преимущественно высокопрочных и жаропрочных, для использования главным образом в авиакосмической технике и транспортном машиностроении.

Группа изобретений относится к металлическим волокнам жаростойкого сплава, которые могут быть использованы для получения истираемых уплотнений проточной части турбины авиационного газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к получению композиционного армированного порошкового материала для нанесения покрытий холодным сверхзвуковым газодинамическим напылением.

Группа изобретений относится к порошковой металлургии. Порошковая смесь для получения титанового сплава включает порошок титанового сплава, содержащий алюминий и ванадий или содержащий в дополнение к алюминию и ванадию по меньшей мере один из циркония, олова, молибдена, железа и хрома, и по меньшей мере один металлический порошок, выбранный из порошка меди, порошка хрома и порошка железа, смешанного с порошком титанового сплава.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, легированных редкоземельными металлами. Способ получения сплава на основе никеля включает загрузку в плавильный тигель шихты в виде металлических отходов или смеси металлических отходов и легирующих металлов, введение в шихту рафинирующей добавки, расплавление шихты и разливку полученного расплава через фильтр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению армированных композиционных материалов, и может быть использовано для получения композиционных материалов, работающих в условиях трения в качестве электротехнических изделий, таких как токосъемники, вставки пантографов, электротехнические щетки и т.п.

Изобретение относится к области получения литых композиционных материалов и может быть использовано для получения пропиткой композиционных материалов с углеграфитовым каркасом, которые работают в условиях трения в качестве электротехнических изделий, таких как токосъемники, вставки пантографов, электротехнические щетки и т.п.

Изобретение относится к производству полупроводниковых материалов, в частности к получению термоэлектрических бинарных сплавов типа висмут-сурьма, применяемых для изготовления варизонных полупроводников для термоэлектрических элементов малогабаритных холодильников Пельтье, работающих в интервале температур 100-200 К.

Изобретение относится к получению открытопористого наноструктурного никеля. Смешивают порошкообразный кристаллогидрат нитрат никеля и жидкий многоатомный спирт в качестве газообразующего восстановителя при следующем соотношении: жидкий многоатомный спирт/порошкообразный кристаллогидрат нитрата никеля 1:(2,5-4). Заполняют полученной смесью разогретый до 80°С тигель не более чем на 1/5 его высоты и осуществляют локальное инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в смеси с обеспечением постоянного отвода образующихся в результате горения газообразных продуктов. Обеспечивается повышение качества пористого наноструктурного никеля с удельной поверхностью от 20 до 40 м2/г, а также однородность наноструктуры без включений не прореагировавших реагентов. 1 ил., 1 пр.
Наверх