RU2049140C1

RU2049140C1 - Aluminium-base antifriction alloy

Info

Publication number: RU2049140C1
Application number: RU93036498A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Чернышов; И.Б. Кокуш; П.И. Лавреньев; В.С. Анисимов; А.Н. Бурхина; Ю.С. Булыгин
Original assignee: Акционерное общество подшипников скольжения
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1995-11-27

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: alloy has the following components, wt.-% tin 0.5-5.0; silicon 1-6; copper 0.5-1.5; zinc 0.5-5.0; magnesium 0.3-0.8; nickel 0.3-1.5, and aluminium the rest. EFFECT: increased effectiveness of alloy. 1 tbl

Description

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 коленвалов двигателей внутреннего сгорания. The invention relates to the field of research of aluminum-based alloys intended for the manufacture of parts operating under friction and wear conditions, in particular, bimetallic bearing shell bearings of crankshafts of internal combustion engines.

Сплав для вкладышей подшипников скольжения должен обладать высоким сопротивлением усталости и выкрашиванию от контактных нагрузок со стороны коленвала, 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. The alloy for sliding bearing shells must have high resistance to fatigue and chipping from contact loads on the crankshaft side, high strength characteristics for resistance to significant specific loads, good run-in and anti-friction properties, ensuring low friction coefficient in case of violation of the integrity of the oil film between the rubbing surfaces, have a high wear resistance, cause minimal wear of mating parts, possess the necessary technological properties for rolling and joining with a steel base.

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 Медь 0,7-1,3 Никель 0,7-1,3 Железо До 0,3 Алюминий Остальное используется в двигателях с нагрузками до 320 кг˙с/см², имеет твердость 32-40 НВ, 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.The widespread bearing alloys based on aluminum used for the manufacture of bimetallic liners are alloys A020-1, A06-1 (GOST 14113-78). High tin alloy A020-1 is used for specific loads of up to 300 kg / cm ² alloy A06-1, having the composition, in wt. Tin 5.0-7.0 Copper 0.7-1.3 Nickel 0.7-1.3 Iron Up to 0.3 Aluminum The rest is used in engines with loads of up to 320 kg˙ / cm ² , has a hardness of 32-40 HB, the ultimate tensile strength in the molten state is 130-140 MPa, the elongation is 10%, the friction coefficient is 0.02, and the wear during abrasion by a steel counterbody at a load of 100 kg is up to 8.0 μm / h.

Сплав А06-1 содержит сравнительно высокое (до 7,0%) количество дефицитного и дорогостоящего олова, но для улучшения прирабатываемости вкладыша с шейками коленвала требует нанесения специального мягкого приработочного покрытия, при этом сплав применяется только в двигателях средней мощности. Alloy A06-1 contains a relatively high (up to 7.0%) amount of scarce and expensive tin, but to improve the working life of a liner with crankshaft journals, it requires a special soft running-in coating, while the alloy is used only in medium-power engines.

Для двигателей повышенной мощности с удельными нагрузками на вкладыши до 500 и более кгс/см² 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 приработочного 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.For engines with increased power with specific loads on liners up to 500 kgf / cm ² and more, liners are made of wear-resistant aluminum alloys of the AMST type (GOST 14113-78), which do not contain soft structural components, as well as lead bronzes, which, however, have low antifriction characteristics, poor run-in, require mandatory application of a running-in coating on the working surface of the liners, and in cases of damage or wear of these coatings have a high tendency to scoring and, in addition first, cause significant wear of the mating necks of the shafts.

Известен сплав Франции [2] содержащий, мас. Олово 3,5-4,5 Кремний 3,5-4,5 Медь 0,7 Железо До 0,5 Алюминий Остальное
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 антифрикционные свойства, сопротивление схватыванию и образованию задиров.Known alloy of France [2] containing, by weight. Tin 3.5-4.5 Silicon 3.5-4.5 Copper 0.7 Iron Up to 0.5 Aluminum Else
As impurities in the alloy, in addition to iron, the inevitable impurity of aluminum alloys, titanium, magnesium, manganese each up to 0.2% with a total amount of impurities up to 0.5% are allowed
The composition of the known alloy determines its heterogeneous structure, including both solid (Si, CuAl ₂ ) and soft (Sn) components. Solid structural components contribute to increased wear resistance and strength characteristics of the alloy, while soft ones provide increased antifriction properties, resistance to setting and scoring.

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 α-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. The known alloy contains a smaller amount of tin compared with the serial alloy A06-1, which leads to its reduced antifriction characteristics, but is practically not inferior to alloy A06-1 in terms of manufacturability under rolling conditions adopted for this alloy. Due to the low alloying of the α-solid solution based on aluminum, the known alloy does not significantly exceed alloy A06-1 in bearing capacity and fatigue strength. In the alloy A06-1, the aluminum matrix is hardened by copper and nickel atoms, which have a noticeable solubility in solid aluminum. In the known alloy, the aluminum matrix is hardened only by copper atoms, since the silicon contained in the alloy is practically insoluble in solid aluminum and all precipitates as eutectic crystals.

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 коленвалов тракторных и автомобильных двигателей.The aim of the invention is the creation of an alloy having, along with increased antifriction and mechanical properties, high wear resistance and increased (up to 500 kgf / cm ² ) bearing capacity, well subjected to rolling and connected to a steel base in the manufacture of bearing shells for tractor and automobile engines .

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.This is achieved by the introduction of zinc, which, on the one hand, is readily soluble in relatively large (up to 15%) in amounts of solid aluminum, with the other forms with the aluminum and tin ternary eutectic with low melting melting point ^of 197 C, which is below the temperature ^of ≈30 melting double eutectic aluminum tin. The presence of a fusible eutectic determines the high antifriction characteristics of the alloy even when the continuity of the oil film is violated due to the formation of a submicroscopic film thickness on the sliding surfaces; magnesium, which forms solid inclusions of the Mg ₂ Si phase with silicon, capable of dissolving in solid aluminum upon nonequilibrium crystallization or when the temperature rises, hardening the solid solution, and contributing to an increase in hardness, static and fatigue strength of the alloy; as well as nickel, which forms solid inclusions of the Al ₃ Ni phase with aluminum, which not only increase the hardness and strength of the alloy, but also stabilize its structure with increasing temperature, which can occur in cases of impaired lubrication, increased rotation speeds, and for other reasons.

Предлагаемый сплав имеет следующее соотношение компонентов, в мас. Олово 0,5-5,0 Кремний 1,0-6,0 Медь 0,5-1,5 Цинк 0,5-5,0 Магний 0,3-0,8 Никель 0,3-1,5 Железо 0,3-0,5 Алюминий Остальное
Результаты сравнительных испытаний сплавов приведены в таблице.The proposed alloy has the following ratio of components, in wt. Tin 0.5-5.0 Silicon 1.0-6.0 Copper 0.5-1.5 Zinc 0.5-5.0 Magnesium 0.3-0.8 Nickel 0.3-1.5 Iron 0 , 3-0.5 Aluminum Else
The results of comparative tests of alloys are given in the table.

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. Performance example: alloys were smelted in an induction crucible furnace with a crucible with an aluminum capacity of 100 kg, refined with hexachloroethane in an amount of 0.5% by weight of the charge. Primary silumin grade AK12ch, aluminum A8, metal magnesium, tin, zinc, ligatures aluminum 50% copper, aluminum 20% nickel were used as charge materials. For the manufacture of samples and control of mechanical characteristics, wedge samples were cast into a chill mold according to GOST 1583-89 and cylindrical billets for the manufacture of samples intended for friction and wear tests, comparative tests were carried out on alloys in a cast state.

Испытания на растяжение проводили на машине "Инстрон" мод. 1115 со скоростью деформирования образцов 0,5 мм/мин; твердость по Бринелю 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 неприработанной поверхности оценивали по изменению момента трения; износостойкость по глубине слоя, потерянного образцом при истирании его поверхности цилиндрическим роликом из стали Ст.45 при нагрузке 100 кг в течение 3 ч. Tensile tests were carried out on an Instron machine mod. 1115 with a deformation rate of samples of 0.5 mm / min; Brinell hardness was determined on a TSh-2M instrument; fatigue tests were carried out on a MUI-6000 machine when loading samples according to the clean bending scheme with rotation with a test base of 10 million cycles; tests for antifriction and wear resistance were carried out on a friction machine SMTs-2 in M10GT oil: the friction coefficient of the raw surface was evaluated by the change in the friction moment; wear resistance along the depth of the layer lost by the sample when its surface is abraded by a cylindrical roller made of steel St.45 at a load of 100 kg for 3 hours

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. As the test results showed, the proposed alloy has higher strength properties under static and cyclic loading, wear resistance, lower friction coefficient. The noted combination of properties, provided that the proposed alloy is introduced for the manufacture of bearings of the bearing shells, will increase their bearing capacity, and the reduced tin content will reduce the cost of the shells.

В АО ПС (г. Тамбов) были изготовлены по принятой на заводе технологии партии вкладышей из известного и предлагаемого сплавов среднего состава (см. таблицу). 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, 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 коленвала 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 хорошо 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.In PS JSC (Tambov), batches of inserts from the known and proposed alloys of medium composition were manufactured according to the technology adopted at the plant (see table). By continuous casting ingots cast 25.4 mm thick, after cooling, subjected to annealing at 350 ^{° C} for 2.5 hours to relieve internal stress, was rolled in several steps on the mill with a force reduction of 51% to 30% and then to the desired thickness of the ingot cooling the ingots after each rolling operation in air, they clad onto an annealed steel strip using a pure aluminum sublayer to improve the adhesion of the aluminum alloy to the steel strip, then the bimetallic strip was finally rolled to the required thickness and recrystallization annealing was performed. The good manufacturability of the proposed alloy and the potential cladding of it on a steel strip without a sublayer of pure aluminum was noted, which can significantly increase the fatigue strength of the liners. From bimetal, liners of bearings of the average engine power crankshaft (D240T) were manufactured. A running-in coating was applied to a part of the inserts with the known and proposed alloys, the other part of the inserts was tested on a stand without an running-in coating. Tests have shown that when applying the running-in coating, the liners with the known and proposed alloys had good running-in with the necks of the crankshafts; nicks were formed on the inserts of the known alloy without running-in coating; on the liners of the proposed alloy without the running-in coating, only the first of six had traces of scoring, which confirms the good running-in of the alloy and its ability to work at increased specific loads without scoring.

Claims

ANTI-FRICTION ALUMINUM-BASED ALLOY, containing tin, silicon and copper, characterized in that it additionally contains zinc, magnesium and nickel in the following ratio of components, wt.

Tin 0.5 5.0
Silicon 1.0 6.0
Copper 0.5 1.5
Zinc 0.5 5.0
Magnesium 0.3 0.8
Nickel 0.3 1.5
Aluminum Else