Сплав на основе алюминия

(9) (3) 22 С 21/16 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТОТКР ЫТИ ИЕИ РЕТЕН У СВИДЕТЕЛЬСТВУ К АВТОР нститут Аолочкоеменныевы", 1970 юми- . 31,С 97 сследования,расплава ос(21) 4877747/02(56) Сборник ВИЛС "Совниевые и магниевые сплспл, АК".Авторское свидетельсМ 479814, кл. С 22 С 27/О 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,А. и др, Подшипники из алюминиевых сплавов. - М.: 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. М 479814, кл, С 22 С 21/04),Однако как показали ипри длительном выстаивании(54) СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ (57) 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 - 30; НВ 48-89. 1 табл,новы алюминий, кремний при повышенныхтемпературах появляются карбидь 1 метал, лов. Причем присутствие в сплаве в больших Б количествах карбидообразующего элемента - кремний, наряду с тем, что способствует образованию карбида кремния РС, также интенсифицирует и образование карбида алюминия АаСЗ. Включения карбидов резко увеличлвают износ узла трения, снижают механические свойства, кроме того, ухудшают обрабатываемость материала, приводят к увеличению пористости, снижают его коррозионную стойкость. Стабильность высоких антифрикционных и механических С свойств очень низка. ФьВместе с тем, характерным для литей- Ы ных алюминиевых сплавов (см, Структура и Я свойства алюминиевых сплавов./ Л,Ф. Мондольфо. Пер. с англ, - ММеталлургия, 1979, "Алюминий"/ Под ред. Туманова. - М.: 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 при5 10 15 20 30 35 40 45 50 55 производстве литейных алюминиевых сплавов, они присутствуют в виде примесей.Целью изобретения является повышение антифрикционных 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, чтопри заявляемом соотношении некарбидообразующего элемента - медь и карбидообразующих элементов, наиболее часто используемыми в большинстве алюминиеВЫх СПЛаВОВ. дОСтИГаЕтСя таКжЕ тЕрМИЧЕ- ская 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 4,5-300. Нижний предел обусловлен недостаточными прочностными свойствами. С повышением содержания меди более 307 ь происходит охрупчивание основы сплава. снижаются при этом пластические свойства, растет износ образца и контртела.Присутствие в сплаве кремния наряду с тем, что благонриятно влияет на технологические качества, также приводит и к образованию карбидов, - стабильность свойств снижается. Увеличение кремния большеграничного значения 6,5 (М 5. 6, табл, 1) крайне нежелательно. Чтобы устранить карбидообразование, необходимо еще большее (более ЗООД) 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;4. Это связано главным образом засчет увеличения жидкотекучести, а следовательно, плотности заготовок.Никель вводят в алюминиево-медныесплавы для повышения жаропрочности, чтоважно для антифрикционных материалов, работающих при высоких температурах (например, поршень - цилиндр) совместно с никелем железо добавляется специально дляувеличения стоикости против коррозии, а всплавы, содержащие и магний с целью снижения аномального роста зерна, При содержании железа и никеля менее 0,1 О (см. М 7, 9, 10 табл. 1) отмечено повышение износа иснижение твердости. Увеличение карбцдообразующих элементов железо, никель (см. М 11 табл. 1) нежелательно, так как приводит к образованию карбидов, кроме тогодобавки железа более 0,5 О 1 О 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, М 15, 16, табл. 1), прочностные характеристики практически не изменяются, но уменьшается более чем в 2 раза пластичность, падает антифрикционность.Оптимальное содержание графита 0,5- З,ОО 1, (М 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 (Я 1+Ее+М/Сц, ) не соблюдается, свойства такого материала резко снижаются (см. М 12, табл. 1).П р и м е р конкРетного выполнения. Материалы получали с использованием лигатуры алюминий - 8 О графита, которая изготавливалась методом экструзии исходных компонентов порошков алюминия ПАиСвойства к-т 4"Иатрение ИЗНОСте контр, обр 0,3 0,5 1,0 О,э 0,5 1 а 0,3 0,5 1,0 О,З 0,5 Т,а 0,5 О 5 Т,а О,З 0,5 Т,О0,1 0,5 1,0 0,2 О, 5 1,0 а,2 О,5 1,аО 04 О 5 1 а 0,7 0,5 1 а 0,3 0,5 3,0 О 3 а 1 Т,а О,З О,Э Т,О О,З 1,5 1,ОО,З 3,8 1,О О 3 О 5 О,З О,Э 0,5 0,5 ОЭ О 5 3,0 О,Э 0,5 3,5 О,Э О,5 Т,а 141:4,51:5,41:5,81:41:3,751:6,41:5,61;6, 1 1:5,3 1:3,6 1:5,3 1:4,5 1;4,5 1;4,5 1:4,5 1;4,5 1:4,5 е О, 024 О,ОО 7 О,ОТЭ О,ОЗТ О,О 15 а,азз а,аа 8 О,О 19 а, О 15 а, ОТэ а,азэ О,О 73 О,О 13 О,ОО 8 О,О 16 а,аг 2 О,О 38 О,О 12 а,аа 8 О,О 15 . 0,086 4,О3 эа4 3,25 Эа6 Эа7 4,58 4,5 9 4,510 4,532 12 1213 4,5 14 4,5 15 4,5 16 4,517 4518 4,519 4520 4,521прото- тип О,О 18 О,ааз О,ОО 9 О,О 28 0,015 О,О 41 а,аа 8 а,аа 9 О,ОТЗ О,ОТО О,О 41 О,ОЭТ а,аТО О,ОО 8 О,О 26 О,О 34 0,038 О,О 12 О,ОТЭ О,О 18 О,аза 0,5 0,2О,5 О,25 0,25 О,26,5 О 57,5 0,20,5 О 1О,З О,ЭО,5 О,ОЗО,5 а,э2 0,63 О,20,5 0,2О 5 О 20,5 0,20,5 О 2О 5 0,2О,5 О,г0,5 0,2О,5 О,г5 0,2 4,7 40 6,3 48 2,9 89 3,8 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 2,3 54 6,3 43 6,2 45 3,8 37 3,2 29 1,6 36 О,ОЗЗ О,О 18 а,аг 1 0,053 а,аг 4 0,060 а,а 38 О,О 27 О,О 26 а,а 23 О,О 60 а,а 4 О 0,023 О,О 22 О,О 31 а,аэа О,О 35 0,018 О,О 2 О О,ОЭЭ О,48 графита С. Лигатура вводилась в нагретый до температуры 725 С расплав 3 составы М 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 АЕв условиях ограниченной подачи смазки 1 капля в 10 с при нагрузке 220-240 кг/см ). Материал контртела - сталь 40 х(термообработанная), Смазка - дизельное масло Д. Механические свойства ( д- относительное удлинение, НВ - 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 А 7, медь электролитическая, кремний КО, магний Мг 99, армкожелезо,Магний добавляли в расплав (в том числе и в состав прототипа) завернутым в алюминиевую фольгу. Ес,:и сравнить значения свойств материала - прототипа 3 М 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 ален.аь е т Сц а те 333. 338 Ст э е 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 Тмедь, кремния). а также составляющей графит, которая резко повышает антифрикционные10 свойства в сочетании с возможностью выдержки при повышенной температуре. обеспечивают сплаву доступность к массовому внедрению. Материалы рекомендованы взамен дорогостоящих и дефицитных15 сплавов на медной и железной основе, По мере необходимости увеличения прочностных свойств сплав может подвергаться термообработке,20 Формула изобретенияСплав на основе алюминия, содержащий магний, кремний и графит, о т л и ч а ющ и й с я тем. что, с целью повышения антифрикционных и механических свойств, 25 он дополнительно содержит медь, железо иникель при следующем соотношении компонентов, мас. о:Магний 0,3-1,5 Графит 0.5-3,0 30 Медь 4,5 - 30,0Кремний 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.