Сплав для подшипников на основе алюминия и способ изготовления биметаллической заготовки для подшипников из этого сплава

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению антифрикционных сплавов на основе алюминия, и может быть использовано в производстве подшипников. Сплав для подшипников на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас.%: свинец 1,5 - 8,9, олово 7,0 - 15,0, медь 0,5 - 1,0, цинк 0,06 - 0,3, кремний 1,0 - 3,0, алюминий остальное. Способ изготовления биметаллической заготовки для подшипников включает получение этого сплава, его термообработку, прокатку для получения полосы алюминиевого сплава в две стадии с регламентируемыми обжатиями и с промежуточным отжигом между стадиями, подготовку полученной полосы и стальной полосы для совместного деформирования, их совместное деформирование с получением биметаллической заготовки и заключительный отжиг. 2 с . и 7 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению антифрикционных сплавов на основе алюминия, и может быть использовано в производстве подшипников.

Сплавы для подшипников должны обеспечивать необходимый комплекс критерием совместимости: высокую износостойкость в присутствии смазки и при сухом трении, способность поглощать абразивные частицы, высокае сопротивление задирам, а также способность удерживать граничную смазку при повышенных температурах. Эти сплавы также должны отвечать определенному уровню механических свойств и обеспечить высокое сопротивление выкрашиванию при переменной и ударной нагрузках, способность выдерживать небольшие разупрочнения при повышенных температурах. Кроме этого, сплавы для подшипников должны быть технологичными в изготовлении, легко обрабатываться и в процессе эксплуатации или хранения не претерпевать фазовых превращений, приводящих к потере физико-механических свойств.

Как правило, всем этим требованиям соответствуют сплавы на основе алюминия с добавками свинца и/или олова, меди, кремний и цинка.

Известны сплав и способ получения из него биметаллической заготовки для подшипников [1] Сплав содержит следующие компоненты, мас. кремний 1 4, цинк 8 12, медь 0 0,5, свинец 0 3,0, алюминий остальное. Способ предусматривает получение сплава указанного состава непрерывной разливкой в виде полосы, холодную прокатку до получения рулонной заготовки толщиной 1,5 мм и совместную прокатку полученной заготовки со стальной заготовкой. В данном патенте особенно отмечается экономическая эффективность изготовления сплава и заготовки для подшипника за счет исключения необходимость операции горячей прокатки.

Наиболее близким сплавом к предложенному является сплав [2] Подшипниковый сплав по данному патенту содержит следующие компоненты, мас. свинец 9 40, медь 0,2 5,0, олово 0,2 10,0, кремний 0,1 10,0, и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей ванадий, титан, цинк, кобальт и цирконий, 0,01 3, алюминий остальное. Способ изготовления биметаллической заготовки из этого сплава включает получение сплава указанного состава методами порошковой металлургии путем смешивания порошков, их компактирование, экструзию, термическую обработку, последующую прокатку в полосу, затем эту полосу накладывают на предварительно подготовленную стальную полосу и их совместно запрессовывают с получением заготовки для подшипника. Пошипники, полученные из этого сплава в соответствии с заявляемым способом, обладают высокой усталостной прочностью (приблизительно 45,0 МПа), а давление заедания составляет 20,6 29,4 МПа.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение износостойкости при сухом трении при сохранении, а в некоторых случаях и улучшении усталостной прочности и сопротивления задирам.

Эта задача решается тем, что сплав для подшипников на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас. свинец 1,5 8,9, олово 7,0 15,0, медь 0,5 1,0, цинк 0,05 0,3, кремний 1,0 3,0, алюминий остальное. Сплав может дополнительно содержать 0,005 0,2 мас. циркония. Сплав также может дополнительно содержать 0,02 мас. вольфрама. Эти добавки способствуют измельчению зерна и упрочнению сплава. Предпочтительным составом сплава является следующий состав, масс. свинец 1,5 2,5, олово 9,0 12,0, медь 0,5 1,0, цинк 0,2 0,3, кремний 1,0 3,0, алюминий остальное, при этом структура этого сплава включениями кремния и мягкими частицами оловянно-свинцовых фаз, представляющих собой твердый раствор с переменным составом, изменяющимся в интервале, мас. свинец 5, олово 95 и свинец 50, олово 50.

Задача решается также новым способом изготовления биметаллической заготовки для подшипников, включающим получение сплава, содержащего следующие компоненты, мас. свинец 1,5 8,9, олово 7,0 15,0, медь 0,5 1,0 цинк 0,05 0,3, кремний 1,0 3,0, алюминий остальное, его термообработку при 340 360^oC, прокатку для получения полосы алюминиевого сплава в две стадии с суммарным обжатием 52 54% и 85 90% с промежуточным отжигом между стадиями при 340 360^oC, подготовку полученной полосы и стальной полосы для совместного деформирования, их совместное деформирование с получением биметаллической заготовки и заключительный отжиг при 340 360^oC в течение 3 4 ч. Сплав может быть получен различными способами, в том числе и по традиционной порошковой технологии. Он может быть получен плавкой исходных компонентов в индукционной печи при 750 800^oC, при этом олово и свинец вводят в расплав в виде лигатуры. Эта технология особенно предпочтительна для получения биметаллической заготовки из сплава, содержащего компоненты при следующем соотношении, масс. свинец 15, 2,5, олово 9,0 12,0, медь 0,5 - 1,0, цинк 0,2 0,3, кремний 1,0 3,0, алюминий остальное, при этом реализуется структура, состоящая из матрицы на основе алюминия с твердыми включениями кремния и мягкими частицами оловянно-свинцовых фаз, представляющих собой твердый раствор с переменным составом, изменяющимся в интервале, мас. свинец 5, олово 95 и свинец 50, олово 50. Сплав может быть получен также литьем в магнитном поле на установке непрерывной разливки. По оптимальному варианту совместное деформирование стальной и полученной полосы из алюминиевого сплава осуществляется прокаткой со степенями 52 54% хотя все возможности способа не исчерпываются только прокаткой.

Изобретение можно проиллюстрировать следующими примерами. Были получены три состава сплава.

1. Al-2Pb-12Sn-0,5Cu-2Si-0,25Zn 2. Al-9,8Pb-10Sn-1Cu-1,25Si-0,2Zn-0,005Zr 3. Al-5Pb-8Sn-1Cu-1,5-Si-0,3Zn Первый состав выплавляли в индукционной печи при температурах 750 - 800^oC, разливали его при 730 750^oC. Скорость охлаждения расплава составляла 100^oC/мин. Второй состав получали методом гранулирования. Приготовление сплава меди в электропечи с силитовыми нагревателями. Легирующие добавки вводили в нагретый алюминий. Температура расплава в печи достигала 1200^oС. Гранулы сплава отливались на установке, дейстсующей по методу центрифугирования. Скорость охлаждения расплава составляла 10^3oC/мин. Прессование гранул проводили на шнековом прессе методом холодного прессования. Третий сплав получали литьем в магнитном поле на установке непрерывной разливки при 1100 1200^oC, температура разливки составляла 1250^oC, напряженность поля B 0,4T, ток I 1500 А. Скорость охлаждения расплава составила 120^oC/мин. Для всех трех составов использовали следующие исходные компоненты: алюминий в чушках марки А7 по ГОСТ 11069-74, Медь марким М1 по ГОСТ859-78, Цинк по ГОСТ. 3640-75, кремний по ГОСТ 2169-69 и цирконий. Для получения лигатуры использовали олово марки О1 по ГОСТ 5.1027-71 и свинец марки С1 по ГОСТ 3778-74.

Микроструктура полученных сплавов представляет собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными по объему слитка включениями Sn-Pb фаз и Si и включения на основе примесного железа FeZnSn.

Уменьшение содержания свинца и увеличение содержания олова по сравнению с известным сплавом позволяет получить наиболее оптимальную металлическую структуру с благоприятным расположением включений. Размер включений мягких фаз колеблется от 5 до 20 мкм. Химический состав включений представляет собой твердый раствор Pb и Sn с переменным составом от (5 Pb + 95 Sn) до (50Pb + 50 Sn).

Износ при сухом трении для всех трех составов в среднем составил 0,33 - 0,46 мм/оборот · 10^-5, усталостная прочность не менее 45,0 МПа, давление заедания 25,5 28,5 МПа, а критическая температура перехода перехода в режим нарушения сплошности масляного слоя 200^oC.

Из полученных сплавов изготовляли биметаллические заготовки по следующей схеме.

1. Отжиг полученных в виде слитков сплавов при 340 360^oC в течение 3 4 ч.

2. Зачистка слитков и обертывание в алюминиевую фольгу.

3. Прокатка слитков, обернутых в фольгу, с обжатием 52 54% до толщины 11 мм.

4. Отжиг прокатанных слитков при температуре 340 360^oC в течение 3 4 ч.

5. Прокатка слитков до толщины 1,3 мм с суммарной степенью обжатия 85 - 90% и с промежуточным отжигом при температуре 340 360^oC в течение 3 4 ч.

6. Подготовка полученной полосы алюминиевого сплава и стальной полосы под последующую прокатку путем зачистки и обезжиривания.

7. Совместная прокатка полосы стали и сплава: толщина стальной полосы - 2,6 мм, толщина алюминиевой полосы 1,1.Прокатка проводилась с обжатием за 1 проход 52 54% 8. Отжиг полученного биметалла при 350^oC в течение 3 4 ч.

После отжига осуществлялся контроль полученной cталеалюминиевой ленты. После операции контроля проводились формовка и механическая обработка вкладышей на автоматической линии. Замечаний по обработке не было.

Контроль качества биметаллической ленты производили по действующей в настоящее время в автомобильной отрасли технологической конструкции. На биметаллической ленте был достигнут следующий уровень свойств: твердость стального основания HV₂₀ 185 210, твердость сплава HV₅ 34 40, отслоение (допустимое) 12 15 мм, сопротивление срезу не менее 6,0 кгм/мм², что позволяет судить о высоком качестве полученной из нового сплава и по новой технологии биметаллической ленты для подшипников.

Формула изобретения

1. Сплав для подшипников на основе алюминия, содержащий свинец, олово, медь, цинк и кремний, отличающийся тем, он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

Свинец 1,5 8,9 Олово 7,0 15,0 Медь 0,5 1,0 Цинк 0,05 0,3 Кремний 1,0 3,0
Алюминий Остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,005 - 0,2 мас. циркония.

3. Сплав по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит до 0,02 мас. вольфрама.

4. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

Свинец 1,5 2,5
Олово 9,0 12,0
Медь 0,5 1,0
Цинк 0,2 0,3
Кремний 1,0 3,0
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, мас. свинец 5 олово 95, свинец 50 олово 50.

5. Способ изготовления биметаллической заготовки для подшипников, включающий получение сплава, содержащего свинец, олово, медь, цинк, кремний и алюминий, его термообработку, прокатку для получения полосы алюминиевого сплава, подготовку полученной полосы и стальной полосы для совместного деформирования, их совместное деформирование с получением биметаллической заготовки, отличающийся тем, что сплав получают со следующим содержанием компонентов, мас.

Свинец 1,5 8,9
Олово 7,0 15,0
Медь 0,5 1,0
Цинк 0,005 0,3
Кремний 1,0 3,0
Алюминий Остальное
термообработку осуществляют при 340 360^oС в течение 3 4 ч, прокатку проводят в две стадии с промежуточным отжигом между ними при 340 - 360^oС в течение 3 4 ч с суммарной степенью деформации 52 54% и 85 - 90% а после совместного деформирования проводят окончательный отжиг при 340 - 360^oС в течение 3 4 ч.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что сплав получают в форме слитка плавкой исходных компонентов в индукционной печи при 750 800^oС, при этом олово и свинец вводят в расплав в виде лигатуры.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что сплав получают со следующим содержанием компонентов, мас.

Свинец 1,5 2,5
Олово 9,0 12,0
Медь 0,5 1,0
Цинк 0,2 0,3
Кремний 1,0 3,0
Алюминий Остальное
а структура сплава состоит из матрицы на основе алюминия с мягкими включениями частиц кремния и частиц оловянно-свинцовых фаз, представляющих собой твердый раствор с переменным составом, изменяющимся в интервале, мас. свинец 5 олово 95, свинец 50 олово 50.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что сплав получают литьем в магнитном поле на установке непрерывной разливки.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что совместное деформирование проводят прокаткой со степенями 52 54%