Композиционный материал на основе алюминия

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ(73) Патентообладатель Производственное объединение Минский моторный завод(71) Заявитель Производственное объединение Минский моторный завод(57) Композиционный материал на основе алюминия, содержащий кремний, медь, магний, марганец, железо,титан, цинк и никель, отличающийся тем, что дополнительно содержит сурьму, кадмий, графит и окись алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. кремний 4,0 - 6,0 медь 3,0 - 5,0 магний 0,2 - 0,6 марганец 0,2 - 0,6 железо 0,2 - 1,1 сурьма 0,05 - 0,3 титан 0,05 - 0,2 цинк 0,6 - 2,0 кадмий 0,1 - 0,3 никель 0,05 - 0,5 графит 0,5 - 3,0 окись алюминия 0,05 - 0,5 алюминий остальное,причем суммарное содержание графита и окиси алюминия не превышает 3,2 мас., а суммарное содержание кремния и титана не превышает суммарного содержания меди, сурьмы и цинка. Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов, в частности к композиционным материалам на основе алюминия, которые могут использоваться для изготовления узлов трения, а также при изготовлении деталей общего назначения литьем в кокиль и под давлением. Известен сплав на основе алюминия, применяемый при изготовлении узлов трения и состоящий из следующих компонентов, мас. 1 магний 0,3-1,5 графит 0,5-3,0 медь 4,5-30,0 кремний 0,5-6,5 железо 0,1-0,5 никель 0,1-0,5 алюминий остальное. 2632 1 Причем отношение суммарного содержания кремния, железа и никеля к содержанию меди в этом сплаве не превышает 14. Недостатками этого сплава являются недостаточно высокие механические свойства, а также высокая стоимость алюминиевого сплава из-за значительного содержания меди при указанном отношении суммарного содержания кремния, железа и никеля к содержанию меди. При этом высокое содержание в сплаве меди утяжеляет и изготавливаемые из него подшипники. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа алюминиевый сплав АК 5 М 4, состоящий из следующих компонентов, содержащихся в следующих количествах, мас.2 кремний 3,5 - 6 медь 3,0- 5 магний 0,2 - 0,5 марганец 0,2 - 0, 6 железо 1 - 1,2 титан 0,05- 0,2 цинк не более 1,5 никель не более 0,5 алюминий остальное. Хотя данный сплав имеет высокие механические свойства, но он ограниченно применяется в конструкциях узлов трения из-за склонности к схватыванию контактирующих деталей. Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в получении композиционного материала на основе алюминия с повышенными антифрикционными свойствами, позволяющими использовать его в качестве материала для изделий узлов трения. Решение указанной задачи достигается тем, что композиционный материал на основе алюминия, содержащий алюминий, кремний, медь, магний, марганец, железо, титан, цинк, никель, дополнительно содержит сурьму, кадмий, графит и окись алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.кремний 4,0-6,0 медь 3,0-5,0 магний 0,2 - 0,6 марганец 0,2 - 0,6 железо 0,2 - 1,1 сурьма 0,05 - 0,3 титан 0,05 - 0,2 цинк 0,6 - 2,0 кадмий 0,1 - 0,3 никель 0,05 - 0,5 графит 0,5 - 3,0 окись алюминия 0,05 - 0,5 алюминий остальное. Причем суммарное содержание графита и окиси алюминия не должно превышать 3 мас. , а суммарное содержание кремния и титана не должно превышать суммарное содержание меди, сурьмы и цинка. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый композиционный материал на основе алюминия отличается от известного алюминиевого сплава следующими признаками наличием сурьмы,кадмия, графита и окиси алюминия и условиями соотношения входящих в состав композиционного материала компонентов. Предлагаемый композиционный материал на основе алюминия получали следующим образом Приготавливали исходный алюминиевый сплав с использованием в шихте чистых (первичных) металлов. Алюминий марки АО по ГОСТ 11069-74 расплавляют в электропечи и нагревают до температуры 730-750 С. В расплав в указанной ниже последовательности вводили в необходимых количествах следующие материалы марганец Мр 2 по ГОСТ 6008-82, титан губчатый ТГ-150 по ГОСТ 17746-79, кремний 1 по ГОСТ 2169-69, сталь БСт 1 сп по ГОСТ 380-71, медь М 1 к по ГОСТ 546-79, никель Н 2 по ГОСТ 849-70, магний Мг 90 по ГОСТ 804-72, кадмий Кд 2 по ГОСТ 1467-77, сурьма Су 2 по ГОСТ 1089-82, цинк Ц 1 по ГОСТ 364079. Расплав выдерживали до полного растворения введенных материалов. Химический состав исходного алюминиевого сплава был следующий, мас.кремний - 5,0 медь - 4,0 магний - 0,4 марганец - 0,4 железо- 0,2 титан - 0,1 цинк - 0,2 никель - 0,2. Охлаждали готовый алюминиевый сплав до температуры примерно 700 С и вводили в него порошковую алюминий-графитовую лигатуру следующего состава, мас.графит - 3,0-20,0 окись алюминия - 0,5 медь- 4,0 магний - 1,0 кремний - 1,0 алюминий - остальное. Количество вводимой порошковой алюминий 2 2632 1 графитовой лигатуры определяли из расчета обеспечения в предлагаемом композиционном материале на основе алюминия содержания графита, равного 0,5-3,0 мас Перемешивали расплав и охлаждали его до жидко-твердого (кашеобразного) состояния. В таком состоянии находится расплав в интервале температур кристаллизации между ликвидусом и солидусом. В это время происходит усваивание расплавом графитовых частиц. Вырабатывали порционно полученный композиционный материал на основе алюминия методом литья под давлением на машине с вертикальной камерой прессования в течение 1-1,2 часа. Вырезали из отлитых заготовок образцы для испытаний. Механические свойства (временное сопротивление разрыву, твердость по Бринеллю) оценивали по стандартной методике. Оценку антифрикционных свойств (износ, коэффициент трения) производили на машине трения типа УМТ-1 при торцевом трении в условиях ограниченной подачи смазки (1 капля в 8-10 секунд при нагрузке 200-230 кг/см 2). Условия испытаний антифрикционных свойств материал контртела - термообработанная сталь 40 Х смазка - дизельное масло Д 16. Ниже в табл. 1 приведен состав конкретных примеров предлагаемого композиционного материал на основе алюминия, в табл. 2 - механические свойства соответствующих сплавов, указанных в табл.1 Механические свойства приведены для образцов в литом состоянии (без термообработки ). В табл. 3 указаны технические преимущества предлагаемого композиционного материала на основе алюминия перед прототипом. По имеющимся у заявителя сведениям предлагаемая совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, не известна из уровня техники, следовательно изобретение соответствует критерию НОВИЗНА. Сущность заявляемого изобретения не следует явным образом из известного уровня техники. Совокупность признаков, характеризующих известные алюминиевые сплавы и композиционные материалы на основе алюминия не обеспечивает достижение новых свойств и только наличие отличительных признаков позволяет получить новые свойства. Следовательно, предлагаемый композиционный материал на основе алюминия соответствует критерию ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ. Прелагаемая сущность заявляемого изобретения может быть многократно использована в металлургии цветных металлов и сплавов, в частности при изготовлении композиционных материалов на основе алюминия, с получением технического результата, заключающегося в том, что повышаются антифрикционные свойства предлагаемого материала, что позволяет использовать его для изготовления узлов трения. Это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ. Эффективность добавок графита в структуру материала связана с образованием на поверхностях трения вторичных структур в виде тонких адгезионных пленок, которые предотвращают схватывание трущихся поверхностей, повышая тем самым антифрикционные свойства композиционного материала на основе алюминия. Окись алюминия дополнительно создает упрочняющий каркас и повышает износостойкость изделия,получаемого из предлагаемого композиционного материала. Присутствие окиси алюминия обусловлено и технологией ввода графита в исходный алюминиевый сплав, однако при суммарном содержании графита и окиси алюминия более 3,2 достичь равномерности распределения в металлической матрице графита и окиси алюминия затруднительно. Выбор соотношения карбидообразующих элементов (кремний, титан) и некарбидообразующих (медь,сурьма, цинк) обусловлен тем обстоятельством, чтобы сохранить графит в алюминиевом сплаве в несвязанном состоянии. В противном случае графит частично взаимодействует с металлической матрицей и в структуре появляются карбиды металлов, в результате чего, как видно из табл. 2 антифрикционные свойства композиционного материала снижаются. Добавки кадмия и сурьмы в алюминиевых сплавах повышают антифрикционные свойства и, в первую очередь, условия приработки подшипника скольжения, способствуют созданию защитной разделяющейся пленки. Кроме того, добавки кадмия и сурьмы улучшают механическую обрабатываемость отливки, что существенно при серийном производстве подшипников скольжения. Повышение содержания сурьмы и кадмия более 0,3 экономически нецелесообразно, уровень высоких прочностных свойств несколько уменьшается ( см. табл. 1,2 ) . В сравнении с прототипом заявляемый состав незначительно отличатся по другим элементам в количественном соотношении. И, хотя эти отличия не носят принципиальный характер, тем не менее их влияние в той или иной мере уменьшает свойства материала, или же их чрезмерное содержание (выходящее за граничные условия) является экономически нецелесообразным (см. табл. 1,2). Так уменьшение содержания кремния менее 4 приводит к снижению прочностных характеристик. В то же время содержание магния до 0,6 вполне приемлемо для достижения высокого уровня свойств и технологичности осуществления процесса. Пределы содержания железа 0,2-1,1 объясняются тем, что а) уменьшение содержания железа менее 0,2 в технологическом цикле получения материала представляется сложной технической задачей 3 2632 1 б) увеличение содержания железа более 1,1 приводит к охрупчиванию материала, способствует карбидообразованию, свойства материала ухудшаются. Повышение содержания никеля более 0,5 экономически нецелесообразно. Наиболее оптимальным содержанием цинка в сплаве является 0,6-2,0. Содержание цинка повышает прочностные характеристики материала и антифрикционные свойства. Более того, содержание цинка уменьшает карбидообразование. Повышение содержания цинка более 2 заметно не влияет на уровень свойств и его введение в сплав экономически нецелесообразно. Добавка в алюминиевый сплав, применяемый для получения изделий методом литья под давлением, графита и окиси алюминия при суммарном количестве не более 3,2 существенно не влияет на прочностные свойства сплава из-за инертности к химическим реакциям составляющих компонентов при заявляемом соотношении карбидообразующих элементов (кремний, титан) и некарбидообразующих (медь, сурьма, цинк). Не менее важную роль при этом играют также и технологические режимы получения предлагаемого композиционного материала на основе алюминия. По этой причине состав и процентное содержание упрочняющих легирующих элементов остается примерно таким же, как и в прототипе, а отличительными существенными признаками предлагаемого композиционного материала на основе алюминия являются выбор суммарного соотношения указанных групп элементов (карбидообразующих и некарбидообразующих) и введение в определенной пропорции графита и окиси алюминия. В табл. 1 и 2 приведены результаты, обосновывающие выбор содержания графита и окиси алюминия, а также их суммарное содержание. Содержание графита менее 0,5 недостаточно для повышения антифрикционных свойств предлагаемого композиционного материала на основе алюминия, а содержание графита более 3,0 разупрочняет материал,что приводит к снижению прочностных и антифрикционных свойств. Содержание окиси алюминия более 0,5 и суммарное содержание графита и окиси алюминия более 3,2 влияют на степень усвоения неметаллических включений, в результате чего снижаются технологические свойства предлагаемого композиционного материала на основе алюминия. Также отсутствует стабильность прочностных и антифрикционных свойств. Снижение содержания окиси алюминия менее 0,05 несущественно влияет на свойства предлагаемого материала, однако получить такой материал представляется сложной технической задачей, требующей дополнительных материальных затрат (вакуумирования, продувки и прочее), что становится экономически нецелесообразным. В табл. 2 приведены также данные, подтверждающие, что при увеличении суммарного содержания карбидообразующих элементов (кремний, титан) по отношению к суммарному содержанию некарбидообразующих элементов (медь, сурьма и цинк) приводит к ухудшению антифрикционных свойств предлагаемого композиционного материала на основе алюминия. Многочисленные металлографические и микроструктурные исследования показывают, что при равном или меньшем суммарном содержании карбидообразующих элементов относительно суммарного содержания некарбидообразующих элементов в металлической матрице заявляемого композиционного материала отсутствуют карбиды алюминия. Использование предлагаемого материала позволяет заменять в узлах трения изделия из дорогостоящих и дефицитных сплавов на медной и железной основе (бронз, латуней железографита, пропитанного оловом и свинцом). Экономическая эффективность достигается использованием более дешевого исходного сырья и меньшим в 2-3 раза удельным расходом материала на изделие. Время приработки увеличивается на 30-40. Экономически нецелесообразно. Нет стабильности свойств получение затруднено Получение затруднено. При нагрузке более 18 Мпа происходит схватывание с контртелом. Таблица 3 Технические и эксплуатационные свойства, улучшенные предложенным техническим решением Коэффициент трения, Износ (потеря веса) г Фактические показатели заявляемого объекта Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 6 Относительное увеличение антифрикционных свойств,т 31,5 до 52,6 т 40,8 до 61,2