RU2039116C1

RU2039116C1 - Aluminium-base alloy

Info

Publication number: RU2039116C1
Authority: RU
Inventors: Анна Николаевна Бурхина; Эдуард Максимович Белянский; Анатолий Александрович Чайковский; Александр Павлович Заброцкий; Владимир Антонович Беденко; Василий Никифорович Прудиус; Иван Павлович Заброцкий
Original assignee: Винницкий завод тракторных агрегатов
Priority date: 1992-09-01
Filing date: 1992-09-01
Publication date: 1995-07-09
Also published as: UA8251C2

Abstract

FIELD: metallurgy, machine engineering. SUBSTANCE: alloy has, wt.-% silicon 2-8; copper 2-6; magnesium 0.1-0.5; zinc 0.2-3.0; tin 0.2-1.0; manganese 0.05-0.5; chrome 0.05-0.5; nickel 0.05-0.5; sodium 0.05-0.1; iron 0.3-0.7, and aluminium the rest. Alloy properties: strength limit is 210-260 MPa; creep limit is 175-245 MPa; relative elongation is 0.6-1.2% hardness is 90-100 HB; friction coefficient is 0.01-0.015; wearing is 5.5-6.8 mcm/h. EFFECT: enhanced quality of alloy. 1 tbl

Description

Изобретение касается изыскания сплавов на основе алюминия, предназначенных для изготовления машиностроительных деталей, работающих в условиях трения и изнашивания, в частности деталей узлов трения гидронасосов. The invention relates to the search for alloys based on aluminum, intended for the manufacture of engineering parts operating in conditions of friction and wear, in particular parts of friction units of hydraulic pumps.

Компенсаторы гидронасосов моделей НШ50, НШ40, НШ32, платики насосов НШ100А в процессе эксплуатации испытывают торцевое трение при контакте со стальными шестернями, а также сжимающие нагрузки от действующего внутри насоса давления, достигающего 25,0 МПа, и должны обладать высокими трибологическими свойствами: достаточно низким коэффициентом трения при высоких скоростях вращения шестерен во избежание схватывания, образования задиров и заклинивания; высокой износостойкостью для сохранения требуемого КПД насоса; высоким сопротивлением сжатию, пластическому деформированию и ползучести при повышении температуры рабочей жидкости до 120^оС.Compensators of hydraulic pumps of the NSh50, NSh40, NSh32 models, pump plates of NSh100A during operation experience face friction in contact with steel gears, as well as compressive loads from the pressure inside the pump, reaching 25.0 MPa, and must have high tribological properties: a sufficiently low coefficient friction at high speeds of rotation of gears in order to avoid setting, scoring and jamming; high wear resistance to maintain the required pump efficiency; high resistance to compression, plastic deformation and creep with increasing temperature of the working fluid to 120 ^about C.

В настоящее время компенсаторы и платики изготавливают из оловянистой бронзы Бр 05Ц5С5 литьем в песчаные формы или спеканием из порошка этой же марки бронзы. At present, compensators and platiks are made of tin bronze Br 05Ts5S5 by casting in sand forms or by sintering from powder of the same brand of bronze.

Бронза является дефицитным и дорогостоящим материалом, а ее литье в песчаные формы создает в литейных цехах неблагоприятную экологическую обстановку. Спеченые компенсаторы имеют сложную технологию изготовления и высокую себестоимость. Bronze is a scarce and expensive material, and its sand casting creates an unfavorable environmental situation in foundries. Sintered expansion joints have sophisticated manufacturing technology and high cost.

Известны антифрикционные алюминиевые сплавы, например сплав АО 3-7 (ГОСТ 14113-78), используемый в настоящее время для изготовления подшипников скольжения шестеренных гидронасосов и имеющий состав, мас. Медь 7,0-8,5 Кремний 0,6-1,2 Олово 2,5-3,5 Марганец 0,5-0,8 Железо 0-0,7 Алюминий Остальное
Сплав имеет невысокий уровень литейных свойств из-за малого количества в его структуре эвтектических составляющих, предел прочности при растяжении на уровне 170-180 МПа, относительное удлинение 1% твердость НВ 60-80 и предназначен для работы при удельных нагрузках до 20,0 МПа, что для условий работы компенсаторов и платиков является недостаточным. Кроме того, невысокие твердость и износостойкость сплава могут привести к повышенному износу компенсаторов и как результат к снижению КПД насоса.Known anti-friction aluminum alloys, for example, the alloy AO 3-7 (GOST 14113-78), currently used for the manufacture of sliding bearings of gear hydraulic pumps and having a composition, wt. Copper 7.0-8.5 Silicon 0.6-1.2 Tin 2.5-3.5 Manganese 0.5-0.8 Iron 0-0.7 Aluminum Else
The alloy has a low level of casting properties due to the small amount of eutectic components in its structure, tensile strength at the level of 170-180 MPa, elongation of 1% hardness HB 60-80 and is designed to work with specific loads up to 20.0 MPa, that for the working conditions of compensators and platikov is insufficient. In addition, the low hardness and wear resistance of the alloy can lead to increased wear of the expansion joints and, as a result, to a decrease in pump efficiency.

Известен сплав с высокими прочностными характеристиками, содержащий, мас. Кремний 4,0-11,0 Медь 2,0-5,0 Магний 0,2-0,5 Марганец 0,1-0,5 Титан 0,1-0,15 Кадмий 0,1-2,0 Сурьма 0,05-0,5 Железо 0-0,6 Алюминий Остальное, имеющий в литом состоянии предел прочности не менее 206 МПа, предел текучести не менее 150 МПа, относительное удлинение не менее 1,8% твердость НВ не менее 90, сравнительно высокую износостойкость, причем значения прочностных характеристик этого сплава могут быть еще повышены за счет термической обработки. Однако сплав имеет невысокие антифрикционные свойства, что может привести к схватыванию материалов компенсатора и шестерен и заклиниванию последних, и, кроме того, содержит в своем составе токсичные кадмий и сурьму. Known alloy with high strength characteristics, containing, by weight. Silicon 4.0-11.0 Copper 2.0-5.0 Magnesium 0.2-0.5 Manganese 0.1-0.5 Titanium 0.1-0.15 Cadmium 0.1-2.0 Antimony 0 , 05-0.5 Iron 0-0.6 Aluminum The rest, having a molten state, a tensile strength of at least 206 MPa, a yield strength of at least 150 MPa, an elongation of at least 1.8%, HB hardness of at least 90, and relatively high wear resistance and the values of the strength characteristics of this alloy can be further increased due to heat treatment. However, the alloy has low antifriction properties, which can lead to setting materials of the compensator and gears and jamming of the latter, and, in addition, contains toxic cadmium and antimony.

Известен также сплав с высокими прочностными характеристиками, в частности высоким сопротивлением пластической деформации и ползучести, содержащий, мас. Кремний 6,0-13,0 Медь 3,0-5,5 Магний 0,2-1,0 Цинк 1,0-4,0 Марганец 0-1,5 Хром 0-1,0 Никель 0-2,5 Титан 0-0,3 Алюминий Остальное
Цинк, входящий в состав известного сплава, вводится в специальные подшипниковые сплавы для повышения их антифрикционных характеристик и не создает никаких проблем при введении алюминиевых сплавов в процессе плавки, не токсичен, однако цинк дает значительно меньший эффект в повышении антифрикционных свойств, чем, например, олово. Состав известного сплава, обуславливающий присутствие в структуре нескольких видов твердых составляющих (CuAl₂), Mg₂Si, Al₃Ni и, в частности, большое количество твердых и хрупких эвтектических кристаллов Si), определяет с одной стороны его высокую износостойкость, с другой высокую вероятность изнашивания поверхностей скольжения контактирующих с подшипниками деталей, что может приводить к ухудшению рабочих характеристик, например, снижению КПД насосов и даже к преждевременному выходу их из строя как из-за резкого снижения КПД, так и вследствие задиров и заклинивания трущихся деталей, связанных с низкой антифрикционностью известного сплава.Also known alloy with high strength characteristics, in particular high resistance to plastic deformation and creep, containing, by weight. Silicon 6.0-13.0 Copper 3.0-5.5 Magnesium 0.2-1.0 Zinc 1.0-4.0 Manganese 0-1.5 Chromium 0-1.0 Nickel 0-2.5 Titanium 0-0.3 Aluminum Else
Zinc, which is part of the known alloy, is introduced into special bearing alloys to increase their antifriction characteristics and does not create any problems when introducing aluminum alloys during the smelting process, it is non-toxic, however zinc has a much smaller effect in increasing antifriction properties than, for example, tin . The composition of the known alloy, which determines the presence in the structure of several types of solid components (CuAl ₂ ), Mg ₂ Si, Al ₃ Ni and, in particular, a large number of hard and brittle eutectic crystals of Si) determines its high wear resistance, on the one hand, and high the likelihood of wear of the sliding surfaces of the parts in contact with the bearings, which can lead to poor performance, for example, a decrease in the efficiency of the pumps and even premature failure of them both due to a sharp decrease in the efficiency, and as a result scuffing and seizing friction parts associated with known low antifriction alloy.

Целью изобретения является создание сплава, обладающего оптимальным сочетанием прочностных и антифрикционных характеристик, высоким сопротивлением износу в сочетании с пониженной способностью изнашивать сопряженные детали. The aim of the invention is the creation of an alloy having an optimal combination of strength and antifriction characteristics, high wear resistance in combination with a reduced ability to wear mating parts.

Это достигается снижением содержания в сплаве кремния, вызывающего повышенный износ сопряженных с подшипниками деталей, введением олова, улучшающего антифрикционные характеристики сплава и снижающего износ трущихся поверхностей, которое в присутствии цинка способно образовывать в сплаве легкоплавкую тройную эвтектику алюминий цинк олово с температурой плавления на ≈ 30^оС ниже температуры плавления двойной эвтектики алюминий-олово, присутствующей в традиционных подшипниковых алюминиево-оловянных сплавах, введением натрия, измельчающего эвтектические кристаллы кремния и снижающего вероятность их выкрашивания при трении, следствием чего могут быть задиры и повышенной износ поверхностей скольжения.This is achieved by reducing the content of the silicon alloy, causing increased wear conjugate bearing parts tin introduction improver antifriction characteristics of the alloy and reduces wear on friction surfaces, which in the presence of zinc is capable of forming an alloy low melting ternary eutectic aluminum zinc tin with a melting temperature at ≈ ³⁰ ° With lower melting point of double aluminum-tin eutectic, present in traditional bearing aluminum-tin alloys, introduction of sodium, grind ayuschego silicon eutectic crystals and reducing the likelihood of chipping in friction, resulting in burrs can be increased and the wear of the sliding surfaces.

Неизбежной и постоянной примесью в алюминиевых сплавах является железо, попадающее в сплавы с шихтовыми материалами и оказывающее неблагоприятное влияние на литейные свойства, многие прочностные и пластические характеристики, особенно при количествах, превышающих 0,7% Содержание железа в сплаве увеличивается при ведении плавки от растворения в жидком алюминии чугунного или стального литейного инструмента, тиглей, вследствие чего содержание железа в алюминиевых сплавах подлежит обязательному контролю. The inevitable and constant impurity in aluminum alloys is iron, which enters alloys with charge materials and has an adverse effect on casting properties, many strength and plastic characteristics, especially at quantities exceeding 0.7%, the iron content in the alloy increases when melting is carried out from dissolution in liquid aluminum of a cast iron or steel casting tool, crucibles, as a result of which the iron content in aluminum alloys is subject to mandatory control.

Титан, допускаемый в известном сплаве в количестве до 0,3% является модификатором макрозерна алюминиевых сплавов. Однако, учитывая сложности введения титана, требующего использования специальной алюминиево-титановой лигатуры, а также отсутствие для алюминиево-кремниевых сплавов четких корреляций между значениями механических характеристик и величиной макрозерна, обусловленное присутствием в этих сплавах по границам зерен выделений двойной эвтектики алюминий-кремний, нивелирующей влияние границ зерен, введение титана теряет свою эффективность. Titanium allowed in the known alloy in an amount of up to 0.3% is a macrograin modifier of aluminum alloys. However, taking into account the difficulties of introducing titanium, which requires the use of a special aluminum-titanium alloy, as well as the absence of clear correlations between the values of the mechanical characteristics and the macrograin size for aluminum-silicon alloys, due to the presence of aluminum-silicon double eutectic precipitates in these alloys, leveling the effect grain boundaries, the introduction of titanium loses its effectiveness.

Предлагаемый сплав имеет следующее соотношение компонентов, мас. Кремний 2,0-8,0 Медь 2,0-6,0 Магний 0,1-0,5 Цинк 0,2-3,0 Марганец 0,05-0,5 Хром 0,05-0,5 Никель 0,05-0,5 Олово 0,2-2,0 Натрий 0,05-0,1 Железо 0,05-0,7 Алюминий Остальное
Уровень механических и трибологических характеристик предлагаемого сплава может удовлетворить требованиям к свойствам материала платиков и компенсаторов гидронасосов в литом состоянии без дополнительной термической обработки.The proposed alloy has the following ratio of components, wt. Silicon 2.0-8.0 Copper 2.0-6.0 Magnesium 0.1-0.5 Zinc 0.2-3.0 Manganese 0.05-0.5 Chromium 0.05-0.5 Nickel 0 , 05-0.5 Tin 0.2-2.0 Sodium 0.05-0.1 Iron 0.05-0.7 Aluminum Else
The level of mechanical and tribological characteristics of the proposed alloy can satisfy the requirements for the material properties of the plates and expansion joints of hydraulic pumps in the cast state without additional heat treatment.

Результаты сравнительных испытаний сплавов приведены в таблице. The results of comparative tests of alloys are given in the table.

П р и м е р. Сплавы выплавлялись в силитовой печи сопротивления с графитошамотным тиглем с использованием первичных шихтовых материалов, рафинировались в количестве 0,5% от массы шихты. PRI me R. Alloys were smelted in a resistance drag furnace with a graphite chamotte crucible using primary charge materials, refined in an amount of 0.5% by weight of the charge.

Отливались клиновые пробы и цилиндрические заготовки для изготовления образцов и последующего испытания их на растяжение, ползучесть, трение, износ. Wedge tests and cylindrical billets were cast for the manufacture of samples and their subsequent tensile, creep, friction, and wear tests.

Испытания на растяжение проводили на машине "Инстрон" модели 1185 при скорости деформирования образцов 0,5 мм/мин; твердость определяли на приборе ТШ-2М; испытания на износостойкость и антифрикционность проводили на машине трения СМЦ-2 в масле МГТ-10: антифрикционность определяли по изменению момента трения, износ образцов из испытуемых сплавов и контактирующего с ними в процессе испытаний контртела по глубине слоя, потерянного при истирании образца поверхностью цилиндрического ролика из Ст.45 при нагрузке 100 МПа в течение 3 ч с использованием мелкодисперсного абразива; испытания на ползучесть проводили на стенде RWC 100 фирмы "Шенк-Требель" при постоянном напряжении 150 МПа, выбранном на основании анализа прочностных характеристик сплавов при условии нахождения этих напряжений в упругой области их диаграмм растяжения при 100^оС. Характеристикой ползучести являлась продолжительность испытаний до разрушения после полного прогрева образца.Tensile tests were carried out on an Instron model 1185 machine at a strain rate of samples of 0.5 mm / min; hardness was determined on a TSh-2M instrument; tests for wear resistance and antifriction were carried out on a SMTs-2 friction machine in MGT-10 oil: antifriction was determined by the change in the friction moment, the wear of the samples from the test alloys and the counterbody in contact with them during the test, along the depth of the layer lost during abrasion of the sample by the surface of a cylindrical roller from St. 45 at a load of 100 MPa for 3 hours using a fine abrasive; creep tests performed at 100 RWC stand firm "Schenk-trebel" at a constant voltage of 150 MPa, is selected based on the analysis of the strength characteristics of alloys at Providing these stresses in the elastic region of the diagrams of stretching at 100 ^C. The creep characteristic was the test duration to failure after complete heating of the sample.

Кроме того, были проведены сравнительные испытания образцов из предлагаемого сплава и из бронзы Бр 05Ц5С5, показавшие, что коэффициент трения неприработанной поверхности и степень прирабатываемости образцов из предлагаемого сплава превосходит подобные характеристики образцов из бронзы. Так, коэффициент трения неприработанной поверхности образцов из предлагаемого сплава составил 0,014-0,017, из бронзы 0,02-0,035. In addition, comparative tests were carried out on samples of the proposed alloy and Br 05Ts5S5 bronze, which showed that the friction coefficient of the raw surface and the degree of run-in of the samples from the proposed alloy exceeds similar characteristics of bronze samples. So, the coefficient of friction of the raw surface of the samples from the proposed alloy was 0.014-0.017, from bronze 0.02-0.035.

Использование предлагаемого сплава взамен бронзы при изготовлении компенсаторов и/или платиков гидронасосов позволяет значительно снизить их себестоимость и массу и улучшить рабочие параметры насосов. The use of the proposed alloy instead of bronze in the manufacture of expansion joints and / or plates of hydraulic pumps can significantly reduce their cost and weight and improve the operating parameters of the pumps.

Результаты проведенных сравнительных испытаний дают основание сделать вывод, что сплав предлагаемого состава, несколько уступая известному сплаву по прочностным характеристикам, значительно превосходит прототип по антифрикционности, практически не изнашивает сопряженные детали. The results of the comparative tests give reason to conclude that the alloy of the proposed composition, slightly inferior to the known alloy in strength characteristics, significantly exceeds the prototype in terms of antifriction, practically does not wear out mating parts.

Claims

ALUMINUM ALLOY, containing silicon, copper, magnesium, zinc, manganese, chromium and nickel, characterized in that it additionally contains tin, sodium and iron in the following ratio, wt.

Silicon 2.0 8.0
Copper 2.0 6.0
Magnesium 0.1 1.5
Zinc 0.2 3.0
Tin 0.2 2.0
Manganese 0.05 0.5
Chrome 0.05 0.5
Nickel 0.05 0.5
Sodium 0.05 0.1
Iron 0.05 0.7
Aluminum Else