Антифрикционный сплав 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 на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас.%: свинец 1,5-3,5, олово 9,0-12,0, медь 0,5-1,2, цинк 0,2-0,5, кремний 0,7-1,5, титан 0,01-0,2, алюминий - остальное и характеризуется структурой, состоящей из матрицы на основе пересыщенного твердого раствора алюминия с включениями твердых частиц кремния, CuAl₂ и включениями мягких оловянно-свинцовых фаз на основе твердого раствора с переменным составом и мягких фаз в виде легкоплавких эвтектик с температурой плавления ниже 170^oС. Сплав может дополнительно содержать 0,01-0,1 мас.% висмута и/или 0,005-0,05 мас.% лития. Способ изготовления биметаллической заготовки включает выплавку антифрикционного сплава, его термообработку при 340-360^oС в течение 3-4 ч не позднее 6 ч после выплавки сплава, прокатку в две стадии со степенью деформации на первой 48-54% за один проход для плакирования алюминием и на второй стадии 85-90% за 5-6 проходов для получения полосы, подготовку полученной полосы антифрикционного сплава и стальной полосы для совместного деформирования, их совместное деформирование для получения биметаллической заготовки и окончательный отжиг заготовки при 340-360^oС в течение 3-4 ч. Техническим результатом изобретения является повышение усталостной прочности и сопротивления задирам. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 1 табл.

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

Антифрикционные сплавы, используемые, в частности в производстве подшипников, должны обеспечивать следующий комплекс требований: высокую износостойкость в присутствии смазки и при сухом трении, способность поглощать абразивные частицы, высокое сопротивление задирам, а также способность удерживать граничную смазку при повышенных температурах. Эти сплавы также должны отвечать определенному уровню механических свойств и обладать высоким сопротивлением выкрашиванию при переменной и ударной нагрузках, способностью выдерживать небольшие разупрочнения при повышенных температурах. Как правило, всем этим требованиям соответствуют сплавы на основе алюминия, легированные свинцом и/или оловом с небольшими добавками таких элементов, как медь, кремний, цинк и т.п.

Данные сплавы получили широкое распространение и раскрыты во многих патентных документах.

В частности, в патенте DE 19750740 А описан стабильный под нагрузкой и обладающий хорошей деформируемостью сплав, содержащий 10-25% олова и небольшие добавки марганца и кремния в количествах от 0,2 до 2 масс.% и при соотношении марганца к кремнию в интервале между 0,6 и 1,5.

В патенте US 5536587 А приведен состав сплава, содержащего, мас.%: олово 8, кремний 2,5, свинец 2, медь 0,8 и хром 0,2. Олово и кремний содержатся в сплаве в виде частиц со средним размером менее 5 мкм. Сплав получают путем непрерывной отливки полосы из жидкого состояния между валками-кристаллизаторами. Время кристаллизации между валками не превышает 1 секунду. Затем полученную полосу соединяют со стальной полосой для получения биметаллической заготовки.

Из патента GB 2114153 известны сплав и способ получения из него биметаллической заготовки для подшипников. Сплав содержит следующие компоненты, мас. %: свинец - до 3,0, кремний 1-4, цинк 8-12, медь - до 0,5, 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. Сплав обладает хорошими эксплуатационными свойствами, его состав обеспечивает высокую технологичность, за счет чего возможно исключение операции горячей прокатки.

Наиболее близким сплавом к предложенному является сплав, описанный в патенте RU 2087577. Сплав содержит 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, 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.

В этом же патенте описан способ изготовления биметаллической заготовки для подшипников, включающий получение антифрикционного сплава, его термообработку при 340-360^oС в течение 3-4 ч, прокатку сплава в две стадии с промежуточным отжигом между ними при 340-360^oС в течение 3-4 ч с суммарной степенью деформации 52-54% на первой стадии и 85-90% - на второй для получения полосы алюминиевого сплава, подготовку полученной полосы и стальной полосы для совместного деформирования, их совместное деформирование с получением биметаллической заготовки и окончательный отжиг при 340-360^oС в течение 3-4 ч. Сплав изготавливают путем расплавления алюминия в индукционной печи, введения в расплав меди, цинка, кремния и лигатуры олово - свинец и разливки расплава с его последующей кристаллизацией в форме слитка плавкой исходных компонентов, при этом олово и свинец вводят в расплав в виде лигатуры.

Сплав и биметаллическая заготовка, полученная из него, обладают повышенной износостойкостью при сухом трении.

К недостаткам известного сплава и способа изготовления из него биметаллической заготовки являются недостаточные значения усталостной прочности и сопротивления задирам.

Задачей изобретения является повышение усталостной прочности и сопротивления задирам.

Поставленная задача решается тем, что антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий свинец, олово, медь, цинк и кремний со структурой, состоящей из матрицы на основе твердого раствора алюминия с включениями твердых частиц кремния и включениями мягких оловянно-свинцовых фаз на основе твердого раствора с переменным составом, дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, масс. %: свинец 1,5-3,5, олово 9,0-12,0, медь 0,5-1,2, цинк 0,2-0,5, кремний 0,7-1,5, титан 0,01-0,2, алюминий - остальное, и дополнительно содержит мягкие фазы в виде легкоплавких эвтектик с температурой плавления ниже 170^oС, при этом твердый раствор в матрице является пересыщенным твердым раствором меди, цинка, кремния и титана в алюминии. Сплав также может дополнительно содержать 0,01-0,1 масс.% висмута. Сплав также может дополнительно содержать 0,005-0,05 масс.% лития. В сплаве образованы эвтектики типов Pb-Sn-Zn, Pb-Sn-Cu, Pb-Sn-Zn-Cu, Pb-Sn-Zn-Bi, Pb-Sn-Zn-Li.

Структура сплава может дополнительно содержать включения твердой фазы СuАl₂, выпавшей из пересыщенного твердого раствора матрицы переменного состава в процессе прокатки, изготовления и эксплуатации сплава.

Поставленная задача также решается способом изготовления биметаллической заготовки из антифрикционного сплава, включающем выплавку антифрикционного сплава, его термообработку при 340-360^oС в течение 3-4 ч, прокатку в две стадии со степенью деформации: на первой стадии обеспечивающей плакирование с алюминием и на второй стадии 85-90% для получения полосы, подготовку полученной полосы антифрикционного сплава и стальной полосы для совместного деформирования, их совместное деформирование для получения биметаллической заготовки и окончательный отжиг заготовки при 340-360^oС в течение 3-4 ч, при этом выплавляют сплав, содержащий, масс.%: свинец 1,5-3,5, олово 9,0-12,0, медь 0,5-1,2, цинк 0,2-0,5, кремний 0,7-1,5, титан 0,01-0,2, при необходимости, висмут 0,01-0,1 и/или литий 0,005-0,05, алюминий - остальное, термообработку выплавленного сплава осуществляют не позднее 6 часов после его выплавки, а прокатку проводят в две стадии, следующие одна непосредственно за другой со степенью деформации на первой стадии 48-54%, причем первую стадию проводят за один проход. Прокатку на второй стадии осуществляют за 5-6 проходов. Структура сплава состоит из матрицы на основе пересыщенного твердого раствора меди, цинка, кремния и титана в алюминии с включениями твердых частиц кремния и частиц мягких фаз, представляющих собой легкоплавкие эвтектики с температурой плавления ниже 170^oС и оловянно-свинцовые фазы на основе твердого раствора с переменным составом.

Сплав выплавляют путем расплавления алюминия, введения в расплав меди, цинка, кремния, лигатуры олово-свинец и соли титана с последующей выдержкой расплава при температуре 800-860^oС в течение 20-40 мин, затем осуществляют разливку сплава и его кристаллизацию. При необходимости после введения лигатуры олово-свинец, но перед введением солей титана в расплав дополнительно вводят висмут и/или литий в виде лигатур с оловом и/или свинцом.

Сущность изобретения состоит в том, что подбор компонентов в сплаве и их количественные соотношения, а также режимы выплавки самого сплава, подбор степеней деформации и режимов термической обработки при изготовлении биметаллической заготовки из него обеспечивают формирование уникальной структуры сплава. Данная структура сплава представляет собой сильно пересыщенный твердый раствор элементов-упрочнителей в алюминии и включения: 3-4- вида мягких фаз, среди которых обязательны легкоплавкие эвтектики с температурой плавления ниже 170^oС и легкоплавкие свинцово-оловянистые фазы на основе их твердого раствора, а также твердые включения кремния и CuAl₂.

Присутствие в сплаве легкоплавких эвтектик с температурой плавления ниже 170^oС, т. е. с температурой плавления ниже температуры разложения смазки, обеспечивает хорошие противозадирные свойства. Оловянно-свинцовые фазы в виде твердого раствора обеспечивают создание оловянной и свинцовой пленок на поверхности, что благоприятно сказывается на антифрикционных свойствах.

Под воздействием сил трения в процессе эксплуатации сплава происходят постепенный распад пересыщенного твердого раствора и последующее выделение из него упрочняющих фаз, содержащих элементы - упрочнители и образующих выгодный рельеф по правилу Шарпи.

Уменьшение количества кремния в сплаве, увеличение меди, свинца и цинка, а также дополнительное введение титана обеспечивают оптимальное количество твердой фазы без накапливания излишнего количества частиц кремния. Кроме того, уменьшение содержание кремния позволяет провести первую стадию прокатки сплава со степенью 48-52%, а также осуществить вторую стадию прокатки без достаточно трудоемкого промежуточного отжига.

Режимы выплавки сплава таковы, что обеспечивают получение частиц мягкой фазы размером 1-5 мкм и ее равномерное распределение.

Пример реализации изобретения Для приготовления сплава использовали следующие исходные компоненты: алюминий в чушках марки А7 по ГОСТ 11069-74, медь марки M1 по ГОСТ 859-78, цинк по ГОСТ 3640-75, кремний по ГОСТ 2169-69. Для получения лигатуры использовали олово марки О1 по ГОСТ 5.1027-71 и свинец марки С1 по ГОСТ 3778-74. Титан вводили в сплав в виде его солей гексафтортитана и гексахлортитана. Висмут и литий вводили в сплав в виде тройных лигатур с оловом и свинцом.

Выплавку сплава осуществляли в индукционной печи. Сначала расплавляли алюминий, затем в него последовательно вводили Сu, лигатуру Cu+Si, Zn, лигатуру Sn-Pb или Sn+Pb+Bi или Sn+Pb+Li. Температуру расплава доводили до 820-860^oС, затем в него вводили соли титана и дегазатора, выдерживали при этой температуре в течение 30 мин, после чего разливали в миксер (820^oС), затем в металлоприемник разливочной машины (760^oС).

Из полученных сплавов изготовляли биметаллические заготовки по следующей схеме: 1. Обрезка или фрезерование боковых кромок.

2. Отжиг полученных в виде слитков сплавов при 340-360^oС в течение 3-4 ч не позднее чем через 6 часов после выплавки сплава.

3. Зачистка слитков, удаление фрезеровкой обедненного слоя - не более чем за 30 минут перед первым проходом прокатки.

4. Прокатка слитков, обернутых в фольгу, с обжатием 48-54% до толщины 11 мм.

5. Прокатка слитков до толщины 2,2 мм с суммарной степенью обжатия 85-90% за 5-6 проходов.

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

7. Совместная прокатка полос стали и сплава: толщина стальной полосы 2,6 мм, толщина алюминиевой полосы 2,2. Прокатка проводилась с обжатием за 1 проход 52-54%.

8. Отжиг полученного биметалла при 350^oС в течение 3-4 ч.

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

В таблице приведен химический состав выплавленных сплавов и получаемые свойства. Как следует из таблицы, сплав обладает более высокими эксплуатационными свойствами, в частности более высокой усталостной прочностью и сопротивлением задирам.

Формула изобретения

1. Антифрикционный сплав на основе алюминия, содержащий свинец, олово, медь, цинк и кремний со структурой, состоящей из матрицы на основе твердого раствора алюминия с включениями твердых частиц кремния и включениями мягких оловянно-свинцовых фаз на основе твердого раствора с переменным составом, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: Свинец - 1,5-3,5 Олово - 9,0-12,0 Медь - 0,5-1,2 Цинк - 0,2-0,5 Кремний - 0,7-1,5 Титан - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
и дополнительно содержит мягкие фазы в виде легкоплавких эвтектик с температурой плавления ниже 170^oС, при этом твердый раствор в матрице является пересыщенным твердым раствором меди, цинка, кремния и титана в алюминии.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,01-0,1 мас.% висмута.

3. Сплав по п.1 или 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,005-0,05 мас.% лития.

4. Сплав по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что образованы легкоплавкие эвтектики типа Pb-Sn-Zn, Pb-Sn-Cu и Pb-Sn-Zn-Cu, Pb-Sn-Zn-Bi, Pb-Sn-Zn-Li.

5. Сплав по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что структура сплава дополнительно содержит включения твердой фазы AlCu₂, выпавшей из пересыщенного твердого раствора матрицы в процессе прокатки, изготовления и эксплуатации сплава.

6. Способ изготовления биметаллической заготовки из антифрикционного сплава, включающий выплавку антифрикционного сплава, его термообработку при 340-360^oС в течение 3-4 ч, прокатку в две стадии со степенью деформации на первой стадии, обеспечивающей плакирование заготовки алюминием и на второй стадии 85-90% для получения полосы, подготовку полученной полосы антифрикционного сплава и стальной полосы для совместного деформирования, их совместное деформирование для получения биметаллической заготовки и окончательный отжиг заготовки при 340-360^oС в течение 3-4 ч, отличающийся тем, что выплавляют сплав, содержащий, мас.%: свинец 1,5-3,5, олово 9,0-12,0, медь 0,5-1,2, цинк 0,2-0,5, кремний 0,7-1,5, титан 0,01-0,2, при необходимости, висмут 0,01-0,1 и/или литий 0,005-0,05, алюминий остальное, термообработку выплавленного сплава осуществляют не позднее 6 ч после его выплавки, а прокатку проводят в две стадии, следующие одна непосредственно за другой со степенью деформации на первой стадии 48-54%, причем первую стадию проводят за один проход.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что прокатку на второй стадии осуществляют за 5-6 проходов.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что структура сплава состоит из матрицы на основе пересыщенного твердого раствора меди, цинка, кремния и титана в алюминии с включениями твердых частиц кремния и частиц мягких фаз, представляющих собой легкоплавкие эвтектики с температурой плавления ниже 170^oС и оловянно-свинцовые фазы па основе твердого раствора с переменным составом.

9. Способ по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что сплав выплавляют путем расплавления алюминия, введения в расплав меди, цинка, кремния, лигатуры олово - свинец и соли титана с последующей выдержкой расплава при температуре 800-860^oС в течение 20-40 мин, затем осуществляют разливку сплава и его кристаллизацию.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что после введения лигатуры олово-свинец, но перед введением солей титана, в расплав дополнительно вводят Bi и/или Li в виде лигатур с оловом и/или свинцом.

РИСУНКИ

Рисунок 1