RU2702531C1

RU2702531C1 - Antifriction aluminum cast alloy for monometallic plain bearings

Info

Publication number: RU2702531C1
Application number: RU2018141927A
Authority: RU
Inventors: Иосиф Сергеевич Гершман; Александр Евгеньевич Миронов; Пинарготе Нестор Вашингтон Солис; Екатерина Викторовна Кузнецова; Павел Юрьевич Перетягин
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2019-10-08

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, particularly, to production of antifriction aluminum casting alloys with high tribological and strength characteristics used in machine building for production of monometallic plain bearings. Antifriction aluminum casting alloy for monometallic plain bearings contains, wt %: tin 4.5–8, lead 2–4, copper 3.5–4.5, silicon 0.6–1.0, zinc 2.0–3.0, magnesium 1.5–2.5, titanium 0.03–0.2, chromium 0.8–1.2, aluminum – the rest. Alloy is characterized by high load values of scrap, run-in area, ultimate strength, relative elongation and hardness of alloy at reduction of average specific load.

EFFECT: disclosed is antifriction aluminum casting alloy for monometallic plain bearings.

1 cl, 14 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству антифрикционных алюминиевых литейных сплавов с высокими трибологическими и прочностными характеристиками, используемыми в машиностроении при изготовлении монометаллических подшипников скольжения.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the production of antifriction aluminum cast alloys with high tribological and strength characteristics used in mechanical engineering in the manufacture of monometallic plain bearings.

Монометаллические подшипники представляют собой подшипники скольжения в виде втулки, выполненной из антифрикционного металла или сплава, в которых опорная поверхность оси или вала скользит по рабочей (внутренней) поверхности втулки. Монометаллические подшипники получают из сплавов, обладающих достаточной прочностью и твердостью, чтобы при установке их в постели из стали или чугуна при рабочих температурах они могли сопротивляться потерям натяга. Для изготовления монометаллических подшипников успешно применяются антифрикционные алюминиевые сплавы, например, в ГОСТе 14113-78 раскрывается сплав марки АО9-2, содержащий компоненты при следующем соотношении, масс. %: олово 8,0-10,0, медь 2,0-2,5, никель 0,8-1,2, кремний 0,3-0,7, алюминий - остальное.Monometallic bearings are sliding bearings in the form of a sleeve made of antifriction metal or alloy, in which the supporting surface of the axis or shaft slides along the working (inner) surface of the sleeve. Monometallic bearings are made from alloys with sufficient strength and hardness so that when installed in a bed of steel or cast iron at operating temperatures, they can resist interference loss. Antifriction aluminum alloys are successfully used for the manufacture of monometallic bearings, for example, GOST 14113-78 discloses an AO9-2 grade alloy containing components in the following ratio, mass. %: tin 8.0-10.0, copper 2.0-2.5, nickel 0.8-1.2, silicon 0.3-0.7, aluminum - the rest.

Недостатком данного сплава является его недостаточная прочность и твердость, затрудненная прирабатываемость и относительно низкая задиростойкость при повышенных значениях износа как самих сплавов так и стального контртела.The disadvantage of this alloy is its lack of strength and hardness, difficult running time and relatively low scoring resistance with increased wear values of both the alloys themselves and the steel counterbody.

Наиболее близким к предложенному сплаву является литейный антифрикционный сплав для монометаллических подшипников скольжения, включающий олово, медь, кремний и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит свинец, цинк, магний и титан при следующем соотношении компонентов, масс. %: олово 5-11, свинец 2-4, медь 1,5-4,5, кремний 0,4-1,5, цинк 1,5-4,5, магний 1,5-4,5, титан 0,03-0,2, алюминий - остальное (Патент РФ №2571665 С1, опубл. 20.12.2015 г).Closest to the proposed alloy is a casting antifriction alloy for monometallic plain bearings, including tin, copper, silicon and aluminum, characterized in that it additionally contains lead, zinc, magnesium and titanium in the following ratio of components, masses. %: tin 5-11, lead 2-4, copper 1.5-4.5, silicon 0.4-1.5, zinc 1.5-4.5, magnesium 1.5-4.5, titanium 0 , 03-0.2, aluminum - the rest (RF Patent No. 2571665 C1, publ. December 20, 2015).

Недостатком известного сплава, в том числе технической проблемой является низкая нагрузка задира, низкая площадь приработки, высокая средняя удельная нагрузка после приработки и высокий износ стали.A disadvantage of the known alloy, including a technical problem, is a low burr load, low running-in area, high average specific load after running-in, and high steel wear.

В основу заявленного изобретения был положен технический результат - расширение технологических возможностей за счет повышения нагрузки задира, площади приработки, предела прочности, относительного удлинения и твердости сплава при снижении средней удельной нагрузки после приработки путем изменения состава прототипа и соотношения его компонентов.The claimed invention was based on a technical result - the expansion of technological capabilities by increasing the burr load, running-in area, tensile strength, elongation and hardness of the alloy while reducing the average specific load after running-in by changing the composition of the prototype and the ratio of its components.

Технический результат достигается антифрикционным алюминиевым литейным сплавом для монометаллических подшипников скольжения, включающим олово, свинец 2-4 масс. %, медь, кремний, цинк, магний, титан 0,03-0,2 масс. % и алюминий остальное, дополнительно содержащим хром 0,8-1,2 масс. % в следующем соотношении вышеупомянутых компонентов, масс. %: олово 4,5-8, медь 3,5-4,5, кремний 0,6-1,0, цинк 2,0-3,0, магний 1,5-2,5.The technical result is achieved by an anti-friction aluminum casting alloy for monometallic plain bearings, including tin, lead 2-4 mass. %, copper, silicon, zinc, magnesium, titanium 0.03-0.2 mass. % and the rest aluminum, additionally containing chromium 0.8-1.2 mass. % in the following ratio of the above components, mass. %: tin 4.5-8, copper 3.5-4.5, silicon 0.6-1.0, zinc 2.0-3.0, magnesium 1.5-2.5.

Изобретение охарактеризовано следующим образом.The invention is characterized as follows.

Антифрикционный алюминиевый литейный сплав для монометаллических подшипников скольжения включает, масс. %:Antifriction aluminum cast alloy for monometallic plain bearings includes, mass. %:

олово 4,5-8,tin 4.5-8,

свинец 2-4,lead 2-4,

медь 3,5-4,5,copper 3.5-4.5,

кремний 0,6-1,0,silicon 0.6-1.0,

цинк 2,0-3,0,zinc 2.0-3.0,

магний 1,5-2,5,magnesium 1.5-2.5,

титан 0,03-0,2,titanium 0.03-0.2,

хром 0,8-1,2,chrome 0.8-1.2,

алюминий - остальное.aluminum is the rest.

Исходя из материаловедческого опыта в области антифрикционных алюминиевых литейных сплавов для монометаллических подшипников скольжения, введение хрома в состав сплава-прототипа повышает нагрузку задира и площадь приработки, снижает среднюю удельную нагрузку после приработки и уменьшает износ стали при сохранении на прежнем уровне остальных трибологических характеристик. Кроме того, экспериментальными опытами было установлено, что введение хрома в сплав позволило, при сохранении ударной вязкости на прежнем уровне, повысить следующие механические свойства: предел прочности, относительное удлинение и твердость. Это объясняется тем, что введение хрома в сплав с одной стороны позволило снизить содержание олова, что приводит к улучшению механических свойств а с другой стороны, увеличить количество легирующих элементов, что облегчает прохождение самоорганизации при трении, это, в свою очередь, приводит к снижению интенсивности изнашивания сплава и стального контртела.Based on the material science experience in the field of antifriction aluminum cast alloys for monometallic plain bearings, the introduction of chromium in the composition of the prototype alloy increases the seizure load and the running-in area, reduces the average specific load after running-in and reduces steel wear while maintaining the remaining tribological characteristics. In addition, it was established by experimental experiments that the introduction of chromium into the alloy made it possible, while maintaining the toughness at the same level, to increase the following mechanical properties: tensile strength, elongation, and hardness. This is because the introduction of chromium into the alloy on the one hand made it possible to reduce the tin content, which leads to an improvement in mechanical properties and, on the other hand, to increase the number of alloying elements, which facilitates the passage of self-organization during friction, which, in turn, leads to a decrease in the intensity alloy wear and steel counterbody.

Введение хрома в состав прототипа привело к изменению процентного отношения массового содержания (масс. %) других элементов, таких как олово, медь, кремний, цинк и магний при сохранении массового содержания свинца и титана в известных значениях.The introduction of chromium in the composition of the prototype led to a change in the percentage mass fraction (wt.%) Of other elements, such as tin, copper, silicon, zinc and magnesium while maintaining the mass content of lead and titanium in known values.

Олово обеспечивает повышение комплекса антифрикционных свойств, при ухудшении механических свойств, но при его содержании в составе заявляемого сплава 4,5-8,0 от общего масс. %, и при использовании остальных компонентов сплава в заявляемых диапазонах, обеспечивается необходимый комплекс механических свойств (прочность, твердость, пластичность, трещиностойкость и ударная вязкость).Tin provides an increase in the complex of antifriction properties, with a deterioration in mechanical properties, but with its content in the composition of the inventive alloy 4.5-8.0 of the total mass. %, and when using the remaining alloy components in the claimed ranges, the necessary complex of mechanical properties (strength, hardness, ductility, crack resistance and impact strength) is provided.

Свинец позволяет резко повысить антифрикционные свойства алюминиевых сплавов за счет образования на поверхностях трения при взаимодействии со смазкой так называемых «свинцовых мыл». Кроме того, образуя с оловом эвтектику, свинец упрочняет мягкие структурные составляющие и делает их более легкоплавкими. Благодаря этому, в зонах контакта при значительном повышении температуры до значений 170°С задира и схватывания не происходит. Таким образом, свинец значительно повышает задиростойкость и улучшает прирабатываемость.Lead makes it possible to sharply increase the antifriction properties of aluminum alloys due to the formation of so-called “lead soaps” on friction surfaces when interacting with a lubricant. In addition, forming a eutectic with tin, lead strengthens the soft structural components and makes them more fusible. Due to this, in the contact zones with a significant increase in temperature to 170 ° C, scoring and setting does not occur. Thus, lead significantly increases scoring resistance and improves running-in.

Медь в заявляемом количестве упрочняет как алюминиевую матрицу, так и мягкую структурную составляющую, что положительно сказывается на таких антифрикционных свойствах, как задиростойкость и износостойкость.Copper in the claimed amount strengthens both the aluminum matrix and the soft structural component, which positively affects such antifriction properties as scoring resistance and wear resistance.

Кремний в заявляемом количестве улучшает литейные свойства, снижает пористость, повышает твердость, задиростойкость, износостойкость за счет образования мелких твердых и равномерно распределенных включений второй фазы.Silicon in the claimed amount improves casting properties, reduces porosity, increases hardness, scoring resistance, wear resistance due to the formation of small solid and evenly distributed inclusions of the second phase.

Цинк в заявляемом количестве упрочняет алюминиевую матрицу и мягкие структурные составляющие сплава с одновременным повышением прочности, твердости и пластичности. Легкоплавкие фазы с цинком имеют повышенную химическую активность, что способствует образованию защитных вторичных структур на поверхностях трения и повышает прирабатываемость, износостойкость и задиростойкость.Zinc in the claimed amount strengthens the aluminum matrix and the soft structural components of the alloy with a simultaneous increase in strength, hardness and ductility. The low-melting phases with zinc have an increased chemical activity, which contributes to the formation of protective secondary structures on the friction surfaces and increases the running-in, wear and scoring resistance.

Магний упрочняет алюминиевую матрицу за счет вхождения в твердый раствор алюминия, а также за счет образования мелкодисперсных выделений вторых фаз на основе алюминия, меди и кремния. Магний и цинк входят в состав легкоплавкой эвтектики системы Sn-Pb, увеличивая ее прочность, пластичность и антифрикционные свойства всего сплава.Magnesium strengthens the aluminum matrix by entering aluminum in a solid solution, as well as by the formation of finely dispersed precipitates of the second phases based on aluminum, copper and silicon. Magnesium and zinc are part of the low-melting eutectic of the Sn-Pb system, increasing its strength, ductility and antifriction properties of the entire alloy.

Титан модифицирует алюминиевые сплавы, уменьшая размеры зерен алюминия, и увеличивает их количество, способствуя равномерному распределению и уменьшению размеров включений мягкой фазы на основе эвтектик Sn-Pb, и улучшает структуру ее составляющих таким образом, что приводит к улучшению эксплуатационных характеристик.Titanium modifies aluminum alloys, reducing the grain size of aluminum, and increasing their number, contributing to the uniform distribution and reduction of the size of inclusions of the soft phase based on Sn-Pb eutectics, and improves the structure of its components in such a way that leads to improved performance.

Важно, чтобы заявленные компоненты олово 4,5-8 масс. %, свинец 2-4 масс. %, медь 3,5-4,5 масс. %, кремний 0,6-1,0 масс. %, цинк 2,0-3,0 масс. %, магний 1,5-2,5 масс. %, титан 0,03-0,2 масс. %, хром 0,8-1,2 масс. % и алюминий (остальное) находились в сплаве в совокупности и в заявленных количествах, потому что только их совместное влияние, улучшающее структуру и свойства сплава, позволяет достичь декларируемого технического результата.It is important that the claimed components of tin 4.5-8 mass. %, lead 2-4 wt. %, copper 3.5-4.5 mass. %, silicon 0.6-1.0 mass. %, zinc 2.0-3.0 mass. %, magnesium 1.5-2.5 mass. %, titanium 0.03-0.2 mass. %, chromium 0.8-1.2 mass. % and aluminum (the rest) were in the alloy in aggregate and in the declared amounts, because only their combined influence, improving the structure and properties of the alloy, allows us to achieve the declared technical result.

Выход за заявленные интервалы содержания компонентов, отличающиеся от прототипа, не позволяет достичь необходимого уровня свойств.Exceeding the declared intervals for the content of components that differ from the prototype does not allow to achieve the required level of properties.

Так, содержание хрома в сплаве менее 0,80 масс. %, например, сплав №1, приводит к снижению прочности, твердости, задиростойкости, прирабатываемости и износостойкости, а содержание более 1,2 масс. %, например, сплав №4, приводит к снижению ударной вязкости и антифрикционных свойств (Таблицы 1 и 2).So, the chromium content in the alloy is less than 0.80 mass. %, for example, alloy No. 1, leads to a decrease in strength, hardness, scoring resistance, break-in and wear resistance, and the content is more than 1.2 mass. %, for example, alloy No. 4, leads to a decrease in toughness and antifriction properties (Tables 1 and 2).

Если содержание олова менее 4,5 масс. %, например, сплав №5, то снижаются антифрикционные свойства сплавов - задиростойкость падает на 40-50%, износ материала увеличивается на 30-35% и давления при приработке увеличивается на 37-50%, а содержание выше 8 масс. %, например, сплав №6, вызывает значительную ликвацию эвтектики в сплаве и приводит к увеличению износа материала на 30-40% и к снижению прочностных свойств - прочность снижается на 25-30%, твердость снижается на 20-25%, ударная вязкость снижается на 12-15% (Таблицы 3 и 4).If the tin content is less than 4.5 mass. %, for example, alloy No. 5, the antifriction properties of the alloys decrease - the scoring resistance drops by 40-50%, the wear of the material increases by 30-35% and the pressure at run-in increases by 37-50%, and the content is above 8 mass. %, for example, alloy No. 6, causes a significant eutectic segregation in the alloy and leads to an increase in material wear by 30-40% and a decrease in strength properties - strength decreases by 25-30%, hardness decreases by 20-25%, impact strength decreases 12-15% (Tables 3 and 4).

Содержание меди в сплаве менее 3,5 масс. %, например, сплав №7, оказывает снижение на прочность, твердость, износостойкость материала и его задиростойкость, а содержание меди более 4,5 масс. %, например, сплав №8, приводит к снижению пластичности и ударной вязкости, а также к повышению износа стального контртела и самого материала, и к затруднению прирабатываемости (Таблицы 5 и 6).The copper content of the alloy is less than 3.5 mass. %, for example, alloy No. 7, has a decrease in strength, hardness, wear resistance of the material and its scoring resistance, and the copper content is more than 4.5 mass. %, for example, alloy No. 8, leads to a decrease in ductility and toughness, as well as to an increase in the wear of the steel counterbody and the material itself, and to a difficulty in the running-in (Tables 5 and 6).

Если содержание кремния меньше 0,6 масс. %, например, сплав №9, то ухудшаются литейные свойства, уменьшается прочность и твердость, снижаются износостойкость и задиростойкость, а если содержания кремния более 1,0 масс. %, например, сплав №10, то уменьшаются пластичность и ударная вязкость, снижаются износостойкость стального контртела, прирабатываемость и задиростойкость (Таблицы 7 и 8).

If the silicon content is less than 0.6 mass. %, for example, alloy No. 9, the casting properties deteriorate, strength and hardness decrease, wear and tear resistance decrease, and if the silicon content is more than 1.0 mass. %, for example, alloy No. 10, the ductility and toughness are reduced, the wear resistance of the steel counterbody, the break-in time and the tear resistance are reduced (Tables 7 and 8).

Уменьшение содержания цинка менее 2,0 масс. %, например, сплав №11, приводит к уменьшению прочности и твердости, а так же к снижению износостойкости, прирабатываемости и задиристости, а увеличение содержания цинка более 3,0 масс. %, например, сплав №12, делает сплав излишне твердым, что приводит к снижению пластичности и ударной вязкости, что свою очередь отрицательно влияет на параметры антифрикционности сплава, а именно уменьшается износостойкость стального контртела и ухудшается прирабатываемость (Таблицы 9 и 10).The decrease in zinc content of less than 2.0 mass. %, for example, alloy No. 11, leads to a decrease in strength and hardness, as well as a decrease in wear resistance, break-in and tearing, and an increase in zinc content of more than 3.0 mass. %, for example, alloy No. 12, makes the alloy unnecessarily hard, which leads to a decrease in ductility and toughness, which in turn negatively affects the antifriction parameters of the alloy, namely, the wear resistance of the steel counterbody decreases and the working life deteriorates (Tables 9 and 10).

Введения магния в количестве менее 1,5 масс. %, например, сплав №13, приводит к недостаточному упрочнению и недостаточной антифрикционности сплава, а более 2,5 масс. %, например, сплав №14, - делает сплав излишне твердым, что отрицательно влияет на все параметры антифрикционности. Влияние магния более существенно по сравнению с влиянием цинка (Таблицы 11 и 12).The introduction of magnesium in an amount of less than 1.5 mass. %, for example, alloy No. 13, leads to insufficient hardening and insufficient antifriction of the alloy, and more than 2.5 mass. %, for example, alloy No. 14, makes the alloy excessively hard, which negatively affects all antifriction parameters. The effect of magnesium is more significant compared to the effect of zinc (Tables 11 and 12).

Уменьшение диапазона легирования медью, оловом, цинком, кремнием, магнием и введение хрома позволило стабилизировать механические свойства сплава и трибологические характеристики, уменьшив диапазон разброса свойств и характеристики.The decrease in the alloying range of copper, tin, zinc, silicon, magnesium and the introduction of chromium stabilized the mechanical properties of the alloy and tribological characteristics, reducing the range of dispersion of properties and characteristics.

Пример осуществления изобретенияAn example embodiment of the invention

Экспериментальным путем были получены 5 сплавов (например, сплавы №2, 3, 15, 16, 17), в соответствии с заявленными соотношениями компонентов (масс. %), обладающие улучшенные трибологические характеристики и механические свойства. Компонентное содержание этих сплавов приведены в таблице 13, а в таблице 14 приведены значение их характеристик и свойств.Experimentally, 5 alloys were obtained (for example, alloys No. 2, 3, 15, 16, 17), in accordance with the stated ratios of the components (wt.%), With improved tribological characteristics and mechanical properties. The component content of these alloys is shown in table 13, and table 14 shows the value of their characteristics and properties.

Из полученных экспериментальных результатов можно делать вывод о том, что новый сплав обладает следующими свойствами:From the obtained experimental results, we can conclude that the new alloy has the following properties:

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - расширение технологических возможностей за счет повышения нагрузки задира, площади приработки, предела прочности, относительного удлинения и твердости сплава при снижении средней удельной нагрузки после приработки путем изменения состава прототипа и соотношения его компонентов.Thus, the claimed combination of essential features, reflected in the claims, provides the claimed technical result - the expansion of technological capabilities by increasing the burr load, running-in area, tensile strength, elongation and hardness of the alloy while reducing the average specific load after running-in by changing the composition of the prototype and the ratio of its components.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.The analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the characteristics indicated in the formula are essential and interconnected with the formation of a stable population unknown at the priority date from the prior art, the necessary features sufficient to obtain the required synergistic (over-total) technical result.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области металлургии, в частности к производству антифрикционных алюминиевых литейных сплавов с высокими трибологическими и прочностными характеристиками, используемыми в машиностроении при изготовлении монометаллических подшипников скольжения;- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, relates to the field of metallurgy, in particular to the production of antifriction aluminum cast alloys with high tribological and strength characteristics used in mechanical engineering in the manufacture of monometallic plain bearings;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the claimed object in the form described in the claims, the possibility of its implementation using the methods and methods described above or known from the prior art on the priority date has been confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed subject matter meets the patentability criteria of “novelty”, “inventive step” and “industrial applicability” under applicable law.

Claims

Anti-friction aluminum cast alloy for monometallic plain bearings containing tin, lead, copper, silicon, zinc, magnesium, titanium and aluminum, characterized in that it additionally contains chromium, in the following ratio, wt.%:

tin 4,5-8 lead 2-4 copper 3.5-4.5 silicon 0.6-1.0 zinc 2.0-3.0 magnesium 1.5-2.5 titanium 0.03-0.2 chromium 0.8-1.2 aluminum rest