Сплав на основе алюминия

Сплав на основе алюминия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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.