СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Состав и свойства антифрикционных алюминиевых сплавов

Антифрикционными материалами называют сплавы и псевдосплавы цветных металлов, специальные сорта чугунов, сталей и неметаллические материалы, обладающие низким коэффициентом трения, хорошей прирабатываемостью к сопряженной детали, высокой износоустойчивостью при трении и способностью мало изнашивать сопряженную деталь.

Применяются антифрикционные материалы в узлах трения для изготовления вкладышей подшипников. Для хорошей прирабатываемости к валу материал вкладыша должен быть мягче и пластичнее материала вала. В связи с этим твердость антифрикционных сплавов находится в пределах

НВ - 400-1100 МПа, что значительно ниже твердости стали [10].

Низкий коэффициент трения получается при трении частиц с равной твердостью. Однако при трении деталей из одинакового материала происходит заедание и перегрев деталей. При этом способность к прирабатыванию их ничтожна. Сочетание этих противоречивых свойств найдено в сплавах с гетерогенной структурой. Данная структура образуется из двух основных составляющих - более мягкой и пластичной основы и твердых включений, равномерно распределенных в пластичной массе. Назначение пластичной основы - обеспечить хорошую прирабатываемость сплава и его прочность. Назначение твердых включений нести нагрузку и обеспечивать низкий коэффициент трения. При этом сплавы с мелкозернистой структурой обладают лучшими свойствами, чем сплавы крупнозернистые одинакового химического состава. В практике получили распространение сплавы, имеющие микроструктуру с твердой основой и мягкими включениями. Назначение составляющих такой структуры аналогично вышеописанной.

Алюминиевые антифрикционные сплавы вызваны к жизни необходимостью получения материалов с высокими рабочими характеристиками при одновременной дешевизне и недефицитности компонентов и технологичности изготовления. По общей твердости это сплавы, имеющие твердость НВ = 350 МПа и ниже. По пластическим свойствам приближаются к баббитам и бинарной свинцовистой бронзе, сплавы второй и третьей групп с твердостью НВ 350-800 МПа и выше соответственно используются взамен словянистых бронз. На основании структурных особенностей различают сплавы, имеющие в структуре твердые включения химических соединений и мягкие включения, что характеризует поведение материала при работе на трении. Однако существует большое количество сплавов сложных составов, которые содержат элементы, растворимые в алюминии [11-13].

В ряде стран разработано несколько систем антифрикционных алюминиевых сплавов [11, 12, 14, 15]. Химический состав и свойства некоторых из них приведены в таблицах 6.1 и 6.2.

Эвтектические и заэвтектические алюминиево­кремнистые сплавы, такие, как KS 245, KS 280, помимо кремния, дополнительно легированы медью, никелем, магнием, марганцем, кобальтом. Благодаря наличию кремнистых эвтектик и твердых включений сложных фаз эти сплавы обладают повышенным сопротивлением истиранию. Однако из-за малой пластичности они очень чувствительны к местным перегрузкам и работают только в условиях обильной смазки чистым маслом при удельных нагрузках до 10 МПа. Применяются такие сплавы для изготовления монометаллических вкладышей подшипников скольжения.

Для биметаллических конструкций разработаны более мягкие сплавы, легированные сурьмой, железом, марганцем, никелем, магнием, титаном, такие, как К13, А 716,5 (табл.6.2). Большинство указанных элементов образует с алюминием сплавы со структурой эвтектики или с твердыми фазами и незначительно упрочняют основу, практически не оказывая влияния на ее твердость. Алюминиевые сплавы с высоким содержанием никеля и железа и с небольшими добавками меди и цинка, вводимыми для повышения прочности, составляют группу сплавов с повышенными прочностными свойствами [12]. К этой группе относятся сплавы АЖ6, АН-2,5 (табл.6.1). Обрабатываемость и свойства этих сплавов определяются формой и распределением первичных кристаллов соединений железа. Поэтому важно, чтобы в структуре этих сплавов в процессе литья или наплавки не образовывалось скоплений грубых включений FeAlj.

Для улучшения антифрикционных свойств в некоторые сплавы вводят графит. Одним из представителей этой группы является сплав Бороталь L-7 (табл.6.2), применяемый для монометаллических вкладышей. Основная проблема, возникающая при изготовлении графитизированных алюминиевых подшипников, состоит в трудности получения структуры с мелкими и равномерно распределенными включениями графита.

Ряд сплавов можно условно объединить в одну группу, так как они содержат элементы, растворимые в твердом алюминии. Сплавы Кварцаль (табл.6.2) близки к бинарным алюминиево-медным сплавам с добавками свинца или марганца (1,0% мае.) и с небольшой добавкой магния (0,5 % мае.), что позволяет подвергать их термической обработке.

Широкое применение в зарубежной практике, а также в Советском Союзе получили алюминиево-оловянистые сплавы [11]. Основной легирующий компонент - олово - выполняет роль элемента, обеспечивающего высокие антифрикционные свойства. Находясь в структуре сплава в свободном состоянии [6], олово служит промежуточным звеном между вкладышем и контртелом, значительно снижая схватываемость работающей пары. Для повышения прочности алюминиево-оловянистых сплавов в состав их добавляют присадки меди, никеля. На этой основе созданы такие сплавы, как ХА750 (табл.6.2), работающие при удельных нагрузках до 28 МПа.

Специально для монометаллических подшипников, работающих при удельных нагрузках до 20 МПа при циклическом нагружении, созданы сплавы AM КО 8-1-3, АМО 7-3. Основными легирующими компонентами сплавов является медь и олово. При этом медь образует химические соединения СиА12 и CtiyiSng, которые являются твердыми несущими включениями, равномерно расположенными в мягкой алюминиевой основе. Свободное олово, не вступившее в реакцию с медью, благоприятно влияет на снижение схватываемости сплава при больших удельных нагрузках. Для упрочнения сплавов, повышения их общей твердости в состав их вводят кремний или марганец. Незначительные добавки магния благоприятно влияют на процесс старения этих сплавов, повышают износостойкость, уменьшают коэффициент трения [13]. Положительный эффект магния заключается в образовании химических соединений Mg^i и CuMgAl2.

Дополнительная термообработка, а именно закалка с 783 К в воду с последующим старением, значительно повышает твердость (с 800 до 1100 МПа) и износостойкость сплавов. При этом износостойкость в направлении, совпадающем с направлением кристаллизации, вдвое выше износостойкости того же сплава в перпендикулярном направлении [16].