Тема: «Алюминиевые подшипниковые сплавы»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Кемеровский профессионально-технический техникум

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта Механическое отделение

Материал для публикации

По дисциплине: «Материаловедение»

Тема:«Алюминиевые подшипниковые сплавы»

Выполнили преподаватели:

Тюнина Надежда Яковлевна

Петренко Валерий Робертович

Кемерово 2014

Подшипниковые сплавы на алюминиевой основе

За последнее время в нашей стране и за рубежом резко возросло использование алюминиевых подшипниковых сплавов. Они обладают достаточной усталостной прочностью, коррозионной стойкостью в маслах, имеют сравнительно высокую задиростойкость и хорошие антифрикционные свойства. Эти качества во многом определили тенденцию замены ими антифрикционных сплавов на свинцовой и оловянной основе, а также свинцовистой бронзы.

Алюминиевые сплавы употребляют для изготовления монометаллических деталей (втулок, подшипников, шарниров и др.) и биметаллических подшипников. Последние изготовляют штамповкой из биметаллической полосы или ленты со слоем алюминиевого сплава, соединенного со сталью в процессе совместного пластического деформирования при прокатке. Для монометаллических подшипников употребляются сравнительно твердые прочные сплавы, а слой биметаллических вкладышей изготовляют из менее твердого пластичного металла.

Алюминиевые сплавы классифицируют преимущественно по микроструктурному признаку. Эта классификация отражает в большей степени антифрикционные свойства сплавов, так как общепризнанной является роль мягких структурных составляющих в уменьшении износа и увеличении сопротивляемости задиру трущейся пары. К I группе относят сплавы, имеющие включения твердых структурных составляющих (FеАl₃, Аl₃Ni, CuAl₂, Mg₂Si, AlSb, кремний и др.) в пластичной основе металла. В сплавах II группы, наряду с твердыми составляющими, имеются мягкие включения.

В РФ сплавы на алюминиевой основе стандартизованы ГОСТ 14113–78. Их состав приведен в табл. 1

В зарубежной практике получили большее распространение сплавы II группы, но в последние годы сравнительно широко используют и сплавы I группы.

За последние годы в связи с появлением тяжело нагруженных двигателей в автомобилестроении, тракторостроении, транспортном машиностроении и других появилась острая необходимость в материалах подшипников, обладающих повышенной задиростойкостью. В связи с этим в РФ, Японии, Англии и Америке разрабатываются алюминиевооловянные сплавы, содержащие до 30 и даже 40 % Sn и отрабатывается технология изготовления сплавов, содержащих свинец. Такие сплавы обладают способностью хорошо сопротивляться задиру при ультратонких смазочных слоях, однако эта особенность достигается наиболее полно при содержании 14 % Pb. В России разработан метод получения алюминиевосвинцовых (до 30 % Pb) сплавов из гранул. Отливка гранул производится во вращающемся стакане с круглыми отверстиями при частоте вращения 1500 об/мин. Струя разбивается на капли, которые через отверстия попадают в воду и кристаллизуются.

Последующее прессование гранул производят различными способами. Хорошие результаты были получены при прессовании на шнековых прессах. Прессованные заготовки достаточно хорошо обрабатываются давлением и соединяются с помощью прокатки со стальными полосами для последующего изготовления биметаллических подшипников.

В табл. 2 приведены некоторые свойства отдельных алюминиевых сплавов и допустимые режимы их работы.

Таблица 1

Химический состав (%) алюминиевых антифрикционных сплавов

Таблица 2.

Химический состав (%) сплавов на алюминиевой основе, применяемых за рубежом

Антифрикционный сплав на основе алюминия

Изобретение относится к металлургии, в частности, к антифрикционным сплавам на основе алюминия. Сплав содержит следующие компоненты, мас. олово от 0,5 до 5, кремния от 1,0 до 6, меди от 0,5 до 1,5, цинка от 0,5 до 5, магния от 0,3 до 0,8, никеля от 0,3 до 1,5, остальное алюминий .

Изобретение относится к области изыскания сплавов на основе алюминия, предназначенных для изготовления деталей, работающих в условиях трения и изнашивания, в частности, биметаллических вкладышей подшипников скольжения коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания.

Сплав для вкладышей подшипников скольжения должен обладать высоким сопротивлением усталости и выкрашиванию от контактных нагрузок со стороны коленчатого вала, высокими прочностными характеристиками для сопротивления значительным удельным нагрузкам, хорошими прирабатываемостью и антифрикционными свойствами, обеспечивающими сохранение низкого коэффициента трения при нарушении целостности масляной пленки между трущимися поверхностями, иметь высокую износостойкость, вызывать минимальный износ сопряженных деталей, обладать необходимыми технологическими свойствами для осуществления операций прокатки и соединения со стальной основой.

Широко распространенными подшипниковыми сплавами на основе алюминия, применяемыми для изготовления биметаллических вкладышей, являются сплавы А020-1, А06-1 (ГОСТ 14113-78). Высокооловянистый сплав А020-1 применяется при удельных нагрузках до 300 кг/см², сплав А06-1, имеющий состав, в мас. Олово 5,0-7,0 Меди 0,7-1,3 Никеля 0,7-1,3 Железа до 0,3 остальное алюминий и используется в двигателях с нагрузками до 320 кг с/см², имеет твердость НВ 32-40, предел прочности при растяжении в литом состоянии 130-140 МПа, относительное удлинение 10%, коэффициент трения 0,02, износ при истирании стальным контртелом при нагрузке 100 кг до 8,0 мкм/ч.

Сплав А06-1 содержит сравнительно высокое (до 7,0%) количество дефицитного и дорогостоящего олова, но для улучшения прирабатываемости вкладыша с шейками коленчатого вала требует нанесения специального мягкого приработочного покрытия, при этом сплав применяется только в двигателях средней мощности.

Для двигателей повышенной мощности с удельными нагрузками на вкладыши до 500 кгс/см²  и более  вкладыши изготавливаются из износостойких алюминиевых сплавов типа АМСТ (ГОСТ 14113-78), не содержащих мягких структурных составляющих, а также свинцовистых бронз, которые, однако, имеют низкие антифрикционные характеристики, неудовлетворительную прирабатываемость, требуют обязательного нанесения приработанного покрытия на рабочую поверхность вкладышей, а в случаях повреждений или износа этих покрытий имеют высокую склонность к задирам и, кроме того, вызывают значительный износ сопряженных шеек валов.

Известен сплав «Франций», содержащий массы: Олово 3,5-4,5 Кремний 3,5-4,5 Медь 0,7, Железо до 0,5 остальное алюминий.
В качестве примесей в сплаве, кроме железа, неизбежной примеси алюминиевых сплавов, допускается титан, магний, марганец каждый до 0,2% при общей сумме примесей до 0,5%
Состав известного сплава определяет его гетерогенную структуру, включающую как твердые (Si, CuAl₂), так и мягкие (Sn) составляющие. Твердые структурные составляющие способствуют повышению износостойкости и прочностных характеристик сплава, мягкие обеспечивают повышение антифрикционных свойств, сопротивление схватыванию и образованию задиров.

Известный сплав содержит меньшее количество олова по сравнению с серийным сплавом А06-1, что обуславливает его пониженные антифрикционные характеристики, но практически не уступает сплаву А06-1 по технологичности при режимах прокатки, принятых для данного сплава. Из-за невысокой легированности  -твердого раствора на основе алюминия известный сплав не существенно превосходит сплав А06-1 по несущей способности и усталостной прочности. В сплаве А06-1 алюминиевая матрица упрочнена атомами меди и никеля, имеющими заметную растворимость в твердом алюминии. В известном сплаве алюминиевая матрица упрочнена только атомами меди, так как содержащийся в сплаве кремний практически не растворим в твердом алюминии, и весь выделяется в виде эвтектических кристаллов.

Целью изобретения является создание сплава, обладающего, наряду с повышенными антифрикционными и механическими свойствами, высоким сопротивлением износу и повышенной (до 500 кгс/см²) несущей способностью, хорошо подвергающегося прокатке и соединяющемуся со стальной основой при изготовлении вкладышей подшипников скольжения коленчатым валов тракторных и автомобильных двигателей.

Это достигается введением цинка, который, с одной стороны, хорошо растворим в сравнительно больших (до 15% ) количествах в твердом алюминии, с другой образует с алюминием и оловом легкоплавкую тройную эвтектику с температурой плавления 197^оС, что на  30^о ниже температуры плавления двойной эвтектики алюминий олово. Присутствие легкоплавкой эвтектики определяет высокие антифрикционные характеристики сплава даже при нарушении сплошности масляной пленки за счет образования субмикроскопической толщины пленки на поверхностях скольжения; магния, образующего с кремнием твердые включения фазы Mg₂Si, способные растворяться в твердом алюминии при неравновесной кристаллизации или при повышении температуры, упрочняя твердый раствор, и способствующего повышению твердости, статической и усталостной прочности сплава; а также никеля, образующего с алюминием твердые включения фазы Al₃Ni, которые не только способствуют повышению твердости и прочности сплава, но и стабилизируют его структуру при повышении температуры, которое может произойти в случаях нарушения смазки, увеличения скоростей вращения и по другим причинам.

Предлагаемый сплав имеет следующее соотношение компонентов, в массе олово 0,5-5,0 ,кремния 1,0-6,0 ,меди 0,5-1,5, цинка 0,5-5,0 ,магния 0,3-0,8, никеля 0,3-1,5 железа, 0,3-0,5, остальное алюминий.

Пример выполнения: сплавы выплавлялись в индукционной тигельной электропечи с тиглем емкостью по алюминию 100 кг, рафинировались гексахлорэтаном в количестве 0,5% от веса шихты. В качестве шихтовых материалов использовались первичные силумин марки АК12ч, алюминий А8, металлические магний, олово, цинк, лигатуры алюминий 50% меди, алюминий 20% никеля. Для изготовления образцов и контроля механических характеристик отливали клиновые пробы в кокиль по ГОСТ 1583-89 и цилиндрические заготовки для изготовления образцов, предназначенных для испытаний на трение и износ, сравнительные испытания проводили на сплавах в литом состоянии.

Испытания на растяжение проводили на машине "Инстрон" мод. 1115 со скоростью деформирования образцов 0,5 мм/мин; твердость по Бринеллю определяли на приборе ТШ-2М; усталостные испытания проводили на машине МУИ-6000 при нагружении образцов по схеме чистого изгиба с вращением при базе испытаний 10 млн. циклов; испытания на антифрикционность и износостойкость проводили на машине трения СМЦ-2 в масле М10ГТ: коэффициент трения не приработанной поверхности оценивали по изменению момента трения; износостойкость по глубине слоя, потерянного образцом при истирании его поверхности цилиндрическим роликом из стали Стали45 при нагрузке 100 кг в течение 3 ч.

Как показали результаты испытаний, предлагаемый сплав имеет более высокие прочностные свойства при статическом и циклическом нагружениях, сопротивление износу, более низкий коэффициент трения. Отмеченное сочетание свойств, при условии внедрения предлагаемого сплава для изготовления вкладышей подшипников скольжения позволит повысить их несущую способность, а пониженное содержание олова позволит снизить себестоимость вкладышей.

В АО ПС (г. Тамбов) были изготовлены по принятой на заводе технологии партии вкладышей из известного и предлагаемого сплавов среднего состава . Методом непрерывного литья отливали слитки толщиной 25,4 мм. После охлаждения, подвергали их отжигу при 350^оС в течение 2,5 ч для снятия внутренних напряжений, и прокатывали в несколько приемов на стане с усилием обжатия 51%. Затем по 30% до требуемой толщины слитка, охлаждая слитки после каждой операции прокатки на воздухе, плакировали на отожженную стальную полосу с использованием подслоя чистого алюминия, для улучшения сцепления алюминиевого сплава со стальной полосой, затем окончательно прокатывали биметаллическую полосу до требуемой толщины и проводили рекристаллизационный отжиг. Была отмечена хорошая технологичность предлагаемого сплава и потенциальная возможность плакирования его на стальную полосу без подслоя чистого алюминия, что может позволить значительно повысить усталостную прочность вкладышей. Из биметалла были изготовлены вкладыши подшипников скольжения коленчатого вала двигателя средней мощности (Д240Т). На часть вкладышей с известным и предлагаемым сплавами было нанесено приработочное покрытие, другая часть вкладышей была испытана на стенде без приработочного покрытия. Испытания показали, что при нанесении приработочного покрытия вкладыши с известным и предлагаемым сплавами имели хорошую прирабатываемость с шейками коленвалов; на вкладышах из известного сплава без приработочного покрытия образовались задиры, на вкладышах из предлагаемого сплава без приработочного покрытия только у первого из шести образовались следы задиров, что подтверждает хорошую прирабатываемость сплава и его способность работать при повышенных удельных нагрузках без образования задиров.

Информационное обеспечение обучения

Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы

Основные источники:

Солнцев, Ю. П. Материаловедение [Текст] : учеб. для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / Ю. П. Солнцев, С. А. Вологжанина. – – 6-е изд., перераб. – Москва : ИЦ «Академия», 2012. – 496 с. – [Рекомендовано ФГУ «ФИРО»].

Стуканов, В. А. Материаловедение [Текст] : учеб. пособие для студентов сред. специальных учеб. заведений / В. А. Стуканов. – Москва : Форум, 2010. – 368 с. – [Допущено МО РФ].

Дополнительные источники:

Адаскин, А. М. Материаловедение и технология материалов [Текст] : учеб. пособие для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / А. М. Адаскин, В. М. Зуев. – Москва : Форум, 2010. - 336 с. – [Рекомендовано УМС УМЦ по проф.образованию Департамента образования г.Москвы].

Батиенков, В. Т. Материаловедение [Текст] : учеб. для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / В. Т. Батиенков, Г. Г. Сеферов, А. Л. Фоменко. – Москва : НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 151 с.

Батышев, А. И. Материаловедение и технология материалов [Текст] : учеб. пособие для студентов вузов / А. И. Батышев, А. А. Смолькин. – Москва : ИНФРА-М, 2011. - 288 с. – [Рекомендовано НМС Минобрнауки РФ].

Геленов, А. А. Автомобильные эксплуатационные материалы [Текст] : учеб. пособие для образовательных учреждений, реализующих прогр. сред. проф. образования / А. А. Геленов, Т. И. Сочевко, В. Г. Спиркин. – 2-е изд., перераб. – Москва : ИЦ «Академия», 2012. – 304 с. – [Рекомендовано ФГУ «ФИРО»].

Кириченко, Н. Б. Автомобильные эксплуатационные материалы [Текст] : учеб. пособие для студентов учреждений сред. проф. образования / Н. Б. Кириченко. – 8-е изд., стер. – Москва : ИЦ «Академия», 2012. – 208 с. – [Допущено МО РФ].

Кириченко, Н. Б. Автомобильные эксплуатационные материалы. Практикум [Текст] : учеб. пособие для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / Н. Б.Кириченко. – 2-е изд., стер. – Москва : ИЦ «Академия», 2009. – 96 с. – [Допущено МО РФ].

Колесник, П. А. Материаловедение на автомобильном транспорте Текст] : учеб. для студентов вузов / П. А. Колесник, В. С. Кланица. –4-е изд., стер. – Москва : ИЦ «Академия», 2010. – 320 с. – [Допущено УМО по образованию в области менеджмента].

Моряков, О. С. Материаловедение (по техническим специальностям) [Текст] : учеб. для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / О. С. Моряков. – Москва : ИЦ «Академия», 2010. – 240 с. – [Рекомендовано ФГУ «ФИРО»].

Никифоров, В. М. Технология металлов и других конструкционных материалов [Текст] : учеб. для учащихся техникумов, лицеев, студентов вузов, инженеров и техников всех технических специальностей / В. М. Никифоров. – 10-е изд. – Санкт-Петербург : Политехника, 2010. – 382 с.

2. Информационное обеспечение обучения

Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы

Основные источники:

Солнцев, Ю. П. Материаловедение [Текст] : учеб. для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / Ю. П. Солнцев, С. А. Вологжанина. – – 6-е изд., перераб. – Москва : ИЦ «Академия», 2012. – 496 с. – [Рекомендовано ФГУ «ФИРО»].

Стуканов, В. А. Материаловедение [Текст] : учеб. пособие для студентов сред. специальных учеб. заведений / В. А. Стуканов. – Москва : Форум, 2010. – 368 с. – [Допущено МО РФ].

Дополнительные источники:

Адаскин, А. М. Материаловедение и технология материалов [Текст] : учеб. пособие для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / А. М. Адаскин, В. М. Зуев. – Москва : Форум, 2010. - 336 с. – [Рекомендовано УМС УМЦ по проф.образованию Департамента образования г.Москвы].

Батиенков, В. Т. Материаловедение [Текст] : учеб. для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / В. Т. Батиенков, Г. Г. Сеферов, А. Л. Фоменко. – Москва : НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 151 с.

Батышев, А. И. Материаловедение и технология материалов [Текст] : учеб. пособие для студентов вузов / А. И. Батышев, А. А. Смолькин. – Москва : ИНФРА-М, 2011. - 288 с. – [Рекомендовано НМС Минобрнауки РФ].

Геленов, А. А. Автомобильные эксплуатационные материалы [Текст] : учеб. пособие для образовательных учреждений, реализующих прогр. сред. проф. образования / А. А. Геленов, Т. И. Сочевко, В. Г. Спиркин. – 2-е изд., перераб. – Москва : ИЦ «Академия», 2012. – 304 с. – [Рекомендовано ФГУ «ФИРО»].

Кириченко, Н. Б. Автомобильные эксплуатационные материалы [Текст] : учеб. пособие для студентов учреждений сред. проф. образования / Н. Б. Кириченко. – 8-е изд., стер. – Москва : ИЦ «Академия», 2012. – 208 с. – [Допущено МО РФ].

Кириченко, Н. Б. Автомобильные эксплуатационные материалы. Практикум [Текст] : учеб. пособие для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / Н. Б.Кириченко. – 2-е изд., стер. – Москва : ИЦ «Академия», 2009. – 96 с. – [Допущено МО РФ].

Колесник, П. А. Материаловедение на автомобильном транспорте Текст] : учеб. для студентов вузов / П. А. Колесник, В. С. Кланица. –4-е изд., стер. – Москва : ИЦ «Академия», 2010. – 320 с. – [Допущено УМО по образованию в области менеджмента].

Моряков, О. С. Материаловедение (по техническим специальностям) [Текст] : учеб. для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / О. С. Моряков. – Москва : ИЦ «Академия», 2010. – 240 с. – [Рекомендовано ФГУ «ФИРО»].

Никифоров, В. М. Технология металлов и других конструкционных материалов [Текст] : учеб. для учащихся техникумов, лицеев, студентов вузов, инженеров и техников всех технических специальностей / В. М. Никифоров. – 10-е изд. – Санкт-Петербург : Политехника, 2010. – 382 с.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/84460-tema-aljuminievye-podshipnikovye-splavy