close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка новых марок литейных алюминиевых антифрикционных сплавов для замены бронз в узлах трения..pdf

код для вставкиСкачать
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
УДК 621.01
РАЗРАБОТКА НОВЫХ МАРОК ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ АНТИФРИКЦИОННЫХ
СПЛАВОВ ДЛЯ ЗАМЕНЫ БРОНЗ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ
© 2011 А.Е. Миронов, Е.Г. Котова (Карачарова)
ОАО «ВНИИЖТ», г. Москва
Поступила в редакцию 10.11.2011
В настоящее время подавляющее большинство
узлов трения с литыми подшипниками скольжения
изготавливается из бронз, содержащих свинец.
Только на железнодорожном транспорте в год заменяется таких деталей общим весом более 3000 тонн.
При аварийной ситуации (схватывание и задир)
существует опасность разрушения стального вала
под действием расплавленной меди из подшипника
(эффект Ребиндера). Это в лучшем случае приводит
к внеплановым ремонтам, а в худшем – к крушениям. Алюминиевые сплавы, даже в случае схватывания и задира, к таким тяжелым последствиям не
приводят. Кроме того, замена бронзы на алюминиевые сплавы уменьшает вес детали одинакового объема в 2,5 – 3 раза и снижает стоимость одного килограмма отливки примерно в 2,5 – 2,7 раза из-за разницы в стоимости алюминия и меди. Алюминиевые
сплавы легче выплавляются (у них ниже температура плавления и температура разливки), легче обрабатываются механически из-за более низкой твердости.
Алюминиевые сплавы обладают сравнительно
высокой прочностью и отличной сопротивляемостью коррозии, не дефицитны, сравнительно дешевы и, имея малый удельный вес, требуют небольшого расхода металла на единицу изделия. При этом
высокая теплопроводность и малый модуль упругости обеспечивают более низкие рабочие температуры подшипников, меньший уровень напряжений
при высоких нагрузках или при той же нагрузке
большую степень деформации.
В состав первых антифрикционных алюминиевых сплавов, как правило, входили медь, никель,
сурьма, железо, кремний и другие легирующие элементы, резко повышающие прочность и твердость.
В структуре они образовывали твердые интерметаллические соединения типа CuAl2, FeAl3, NiAl3,
Mg2Si и др. Такие сплавы соответствовали правилу
Шарпи, где роль мягкой пластичной матрицы выполняли твердые растворы на основе алюминия, а
интерметаллидные включения воспринимали основную нагрузку и создавали выгодный микрорельеф, удерживающий масляный слой.
Высокая прочность в ущерб антифрикционности
диктовалась необходимостью использования подшипников в монометаллическом исполнении. Для
этой цели в СССР в 30-х годах были предложены
сплавы алькусин, АН2,5, АЖ-6 и др. В эти же годы в
Англии были разработаны сплавы Бероталь (RR-56)
и Aeral «А», в Германии сплавы KS-13, KS-411B,
KS-1275, во Франции La-11 и La-12. Они содержали
до 15 % никеля, до 6 % железа, до 1,5 % магния, до
8 % сурьмы, до 9 % меди, до 13 % кремния, до 2,5 %
цинка, а также добавки титана, марганца, кобальта и
кадмия.
Высокая твердость интерметаллидных включений и самой алюминиевой матрицы способствовали
повышенному износу стали валов, особенно при
несовершенной подаче смазки в подшипник. По
всей вероятности, это явилось одной из причин неудач в использовании таких алюминиевых сплавов в
довоенный период.
Для приближения антифрикционных свойств литейных алюминиевых антифрикционных сплавов к
показателям антифрикционных свинцовых бронз в
состав алюминиевых сплавов стали вводить элементы, главным образом олово и свинец, способствующие образованию мягких структурных составляющих.
В Англии в конце 30-х годов фирма «Ролс-Ройс»
разработала алюминиевые сплавы, содержащие олово (RRAC-7 и RRAC-9), которые в последующем
были подробно изучены, а их составы откорректированы.
В Америке фирмой «Aluminium Co» были предложены и испытаны сплавы алюминия с оловом и
упрочняющими добавками, получившие название
750 и XA-750. Эти сплавы применялись для подшипников в цельнолитном исполнении. Кроме них,
в США получили признание алюминиевые сплавы
XB-750 и XB80S, имеющие одинаковое количество
олова (6,5%), но различное количество упрочняющих компонентов, а в последующие годы сплавы
SAE-770 и SAE-780. В 1953 году в эксплуатации
находилось около 5 млн. монометаллических и 1
млн. биметаллических подшипников. Это был пик
использования монометаллических подшипников,
после чего мировой тенденцией стал переход на биметаллические подшипники. Однако и в настоящее
время в дизелестроении и других отраслях промышленности используется огромное количество монометаллических, главным образом бронзовых, втулочных подшипников, где из-за большой толщины и
сложной конфигурации использование биметалла
практически невозможно.
В настоящее время для изготовления втулочных
подшипников
используются
преимущественно
1136
Механика и машиностроение
бронзы системы медь-олово-цинк-свинец. Наиболее
широко применяются бронзы марок БрОЦС4-4-17,
БрОЦС5-5-5, БрОЦС3-12-5, БрОС8-12, БрОС10-10,
БрОС1-22, БрС30. Эти бронзы из-за разницы в химических составах обладают существенными различиями в механических и антифрикционных свойствах. Поэтому для замены всей гаммы бронз необходимо разработать соответствующую гамму литейных антифрикционных алюминиевых сплавов, способных заменить каждую из них при изготовлении
соответствующих деталей. При этом и те, и другие
сплавы (бронзы и литейные алюминиевые) обладают большим преимуществом в том, что могут изготавливаться
непосредственно
на
заводахпотребителях, а не на специализированных заводах
по производству подшипников скольжения, как это
имеет место с изготовлением биметаллических
вкладышей.
Биметаллические вкладыши, изготавливающиеся
совместной прокаткой стали и антифрикционного
сплава, применяются для ответственных подшипников с простой (цилиндрической) конфигурацией.
При этом можно использовать антифрикционные
сплавы с высоким уровнем трибологических
свойств, такие как АО20-1, АО10С2, бронза БрОС122 с гальваническим антифрикционным покрытием
системы свинец-олово-медь. Прочность такой конструкции достигается за счет малой толщины анти-
фрикционного слоя (0,5 – 1,0 мм) и использования
прочного стального основания (корпуса) вкладыша.
В Российской Федерации основными специализированными заводами являются Тамбовский завод
подшипников скольжения, Заволжский моторный
завод, Димитровоградский завод вкладышей, Коломенский тепловозостроительный завод.
Производство биметаллической ленты накладывает на антифрикционные сплавы ряд ограничений
по количеству и размеру мягкой структурной составляющей и твердых включений. Выход за эти
ограничения по составу приводит к тому, что получение биметалла становится невозможным из-за
растрескивания заготовок антифрикционного сплава
или не соединения сплава со стальной подложкой.
Эти недостатки не характерны для литых антифрикционных сплавов, хотя и там имеется технологическое ограничение по горячеломкости литых заготовок.
Многолетние исследования деталей, изготовленных из литых бронз показали, что механические
свойства даже при соблюдении требований стандарта по химическому составу могут существенно отличаться от приведенных в ГОСТе. В табл. 1 приведены механические свойства бронз класса медьолово-свинец-цинк, полученные по результатам исследования натурныхдеталей.
Таблица 1. Механические свойства бронз класcа Cu-Sn-Pb-Zn
Марка
БрО4Ц4С17
БрО5Ц5С5
БрО3Ц15С5
БрО10С10
БрО8С12
Предел прочности
σВ, МПа
121 – 215
220 – 286
176 – 242
302 – 372
240 – 274
Механические свойства
Относительное
Твердость НВ
удлинение δ, %
15,2 – 22,3
65 – 90
4,7 – 14,8
87 – 107
4,3 – 11,8
83 – 104
7,0 – 30,0
89 – 103
13,5 – 33,0
81 – 94
Из приведенных данных видно, что различные
марки существенно различаются по своим механическим свойствам, причем наиболее прочной является бронза БрО10С10, а наименее прочной
БрО4Ц4С17. Велик разброс в пластичности и ударной вязкости. По твердости большинство бронз
близки друг к другу и только БрО4Ц4С17 заметно
мягче других. Соответственно, можно сделать вывод, что для замены всех марок бронз потребуется
гамма литейных алюминиевых антифрикционных
сплавов, причем проще всего будет заменить бронзу
БрО4Ц4С17, а сложнее всего бронзу БрО10С10.
У лаборатории цветных металлов ОАО «ВНИИЖТ» был опыт обращения от предприятий угольной промышленности Кузбасса с целью изготовлении подшипников из алюминиевого литейного
сплава АО9-2 взамен бронзы БрО10С10 для турбокомпрессоров тепловозов с дизелем 5Д49 в депо
Узловая Московской ж.д. Такая замена была произ-
Ударная вязкость,
КU, кг·м/см2
0,1 – 0,4
0,4 – 1,8
0,6 – 2,4
0,6 – 1,7
0,9 – 1,3
ведена. Подшипники, изготовленные из алюминиевого сплава, проработали от капитального ремонта
до капитального ремонта, что является нормой даже
для бронзовых подшипников. Подшипники турбокомпрессоров являются одними из наиболее нагруженных деталей и работают при 17000 оборотах вала в минуту. Данный опыт показывает принципиальную возможность замены бронзовых монометаллических подшипников на алюминиевые, особенно
с учетом возможности повышения прочностных и
антифрикционных свойств вновь разрабатываемых
сплавов в сравнении со сплавом АО9-2.
Для решения вопроса о возможности замены
бронз на алюминиевые антифрикционные сплавы
для монометаллических подшипников в отделении
«Транспортное материаловедение» ОАО «ВНИИЖТ» были отлиты 188 опытных сплава на алюминиевой основе с варьированием 20 легирующих
элементов и примесей с целью определения влияния
1137
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
каждого на механические и технологические свойства отливок.
Сплавы готовили на основе первичного алюминия марки А99 в высокочастотной печи. После расплавления алюминия вводили лигатуры упрочняющих элементов, а непосредственно перед дегазацией
– олово и свинец. Температура металла в печи в период плавки поддерживалась на уровне 780 °С, при
заливке понижалась до 740 °С. Слитки получали
литьем в чугунные изложницы. В качестве дегазатора-модификатора использовали «Зернолит-2». Для
оценки механических свойств материала определяли
предел текучести, временное сопротивление и относительное удлинение при испытаниях на разрыв гагаринских образцов диаметром 6 мм, расчетной
длиной 30 мм (на универсальной испытательной
машине фирмы «Sсhenk»), а также твердость по
Бринеллю.
По методу И.И. Новикова [1] (рис. 1) оценивали
горячеломкость сплавов. Получали кольцевые отливки, как с полным отсутствием горячих трещин
(рис. 2), так и разрушившиеся на несколько частей
(рис._3).
Математической обработкой полученных результатов было показано, что появлению горячих трещин способствуют легкоплавкие компоненты – висмут, олово и свинец, а уменьшают их появление
кремний, медь и титан.
Для прочностных свойств наиболее полезны
марганец, магний, титан, цинк, никель, кремний и
медь, а вредны висмут, железо и олово.
На пластичность благоприятно влияют титан,
медь, олово и кремний, а отрицательно – марганец,
цинк, железо и висмут.
На опытных сплавах, содержащих достаточно
компонентов для необходимого уровня антифрикционных свойств, удалось достичь в литом состоянии следующего уровня механических характеристик (табл._2).
ристикам уже достигнут уровень бронз БрО4Ц4С17
и БрО3Ц12С5, но у ряда алюминиевых сплавов
меньше показатели пластичности и твердости. При
дальнейшей корректировке химического состава
алюминиевых сплавов планируется добиться одинакового уровня пластичности у алюминиевых сплавов и литейных бронз. Необходимость повышения
твердости будет решена по результатам сравнительных испытаний антифрикционных свойств алюминиевых сплавов и бронз, так как во многих случаях
более мягкие сплавы обладают лучшими антифрикционными характеристиками.
Рис. 2. Кольцевые отливки из экспериментальных
сплавов на основе системы Al-Sn-Pb.
Рис. 3. Горячие трещины в кокильных кольцевых
отливках экспериментальных сплавов.
Рис. 1 Форма для отливки пробы на горячеломкость: 1 – цилиндр; 2 – дно; 3 – вставка.
Сравнивая свойства полученных алюминиевых
сплавов (табл. 2) с литейными бронзами (табл. 1)
можно сделать вывод, что по прочностным характе-
Антифрикционные свойства определяются, главным образом, способностью материала быстро образовывать на поверхности трения защитные вторичные структуры, предотвращающие возникновение
задиров и уменьшающие потери на трение при длительной работе. При этом установлено, что чем более сложно легирован антифрикционный материал,
то тем больше у него возможность образования качественных вторичных структур.
1138
Механика и машиностроение
Таблица 2. Механические свойства литых алюминиевых антифрикционных сплавов
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
№ сплава
153
154
160
163
166
173
187
Предел прочности σВ, МПа
188
176
180
131
172
195
162
Относительное удлинение δ, %
2,0
2,0
14,1
23,1
3,6
1,8
6,2
Твердость НВ
73
67
48
35
64
69
52
Рис. 4. Общий вид и распределение элементов на поверхности образца из сплава
системы Al-Si-Cu-Zn-Pb-Sn после трения под нагрузкой 1200 Н.
Пример образования таких структур у сплава
системы алюминий-кремний-медь-цинк-олово-свинец показан на рис. 4.
Способность сплава к образованию необходимых
вторичных структур обусловливает включение в его
состав элементов, снижающих прочностные или
пластичные свойства, но повышающие его антифрикционные свойства, главным образом прирабатываемость, задиростойкость и минимальный износ
1139
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
антифрикционного материала и стального контртела.
Учет вышеописанных критериев позволит получить качественные литейные алюминиевые сплавы
взамен бронз для монометаллических подшипников
различных двигателей
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новиков И.И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов. – М.: Наука, 1966
2. Буше Н.А. Подшипники из алюминиевых сплавов. – М.:
Транспорт,1974
3. Конструкционные материалы: Справочник/ под ред. Б.Н.
Арзамасова – М.: Машиностроение, 1990
4. ГОСТ 613 – 79. Бронзы оловянные литейные. – М.: ИПК
издательство стандартов, 1980
5. ГОСТ 14113-78. Сплавы алюминиевые антифрикционные. – М.: ИПК издательство стандартов, 1980.
DEVELOPMENT OF NEW GRADES CAST ALUMINIUM ANTIFRICTION
ALLOYS INSTEAD OF BRONZE IN A FRICTION ASSEMBLY
© 2011A.E. Mironov, E.G. Kotova (Karacharova)
JSC "VNIIZhT", Moscow
1140
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
397 Кб
Теги
узла, замена, разработка, pdf, сплавов, новый, бронзi, антифрикционными, трение, литейных, алюминиевые, марок
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа