патент
№ RU 2702531
МПК C22C21/16

Антифрикционный алюминиевый литейный сплав для монометаллических подшипников скольжения

Авторы:
Гершман Иосиф Сергеевич Миронов Александр Евгеньевич Солис Пинарготе Нестор Вашингтон
Все (15)
Номер заявки
2018141927
Дата подачи заявки
28.11.2018
Опубликовано
08.10.2019
Страна
RU
Дата приоритета
26.06.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Реферат

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. Антифрикционный алюминиевый литейный сплав для монометаллических подшипников скольжения содержит, мас.%: олово 4,5-8, свинец 2-4, медь 3,5-4,5, кремний 0,6-1,0, цинк 2,0-3,0, магний 1,5-2,5, титан 0,03-0,2, хром 0,8-1,2, алюминий - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями нагрузки задира, площади приработки, предела прочности, относительного удлинения и твердости сплава при снижении средней удельной нагрузки. 14 табл., 1 пр.

Формула изобретения

Антифрикционный алюминиевый литейный сплав для монометаллических подшипников скольжения, содержащий олово, свинец, медь, кремний, цинк, магний, титан и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
олово4,5-8
свинец2-4
медь3,5-4,5
кремний0,6-1,0
цинк2,0-3,0
магний1,5-2,5
титан0,03-0,2
хром0,8-1,2
алюминийостальное

Описание

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

Изобретение охарактеризовано следующим образом.

Антифрикционный алюминиевый литейный сплав для монометаллических подшипников скольжения включает, масс. %:

олово 4,5-8,

свинец 2-4,

медь 3,5-4,5,

кремний 0,6-1,0,

цинк 2,0-3,0,

магний 1,5-2,5,

титан 0,03-0,2,

хром 0,8-1,2,

алюминий - остальное.

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.

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.

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).

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.

Медь в заявляемом количестве упрочняет как алюминиевую матрицу, так и мягкую структурную составляющую, что положительно сказывается на таких антифрикционных свойствах, как задиростойкость и износостойкость.

Кремний в заявляемом количестве улучшает литейные свойства, снижает пористость, повышает твердость, задиростойкость, износостойкость за счет образования мелких твердых и равномерно распределенных включений второй фазы.

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.

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.

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.

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.

Выход за заявленные интервалы содержания компонентов, отличающиеся от прототипа, не позволяет достичь необходимого уровня свойств.

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).

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).

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).

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).

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).

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).

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.

Пример осуществления изобретения

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.

Из полученных экспериментальных результатов можно делать вывод о том, что новый сплав обладает следующими свойствами:

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.

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.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- 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;

- 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;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты