Антифрикционные материалы на основе цветных металлов

Алюминиевые сплавы

За последние сорок лет в России и за рубежом из-за дефицитности олова и свинца резко возросло использование сплавов на менее дефицитной основе — алюминиевых подшипниковых сплавов.

Алюминиевые сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами, достаточной усталостной прочностью, высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в масляных средах и достаточно хорошими механическими и технологическими свойствами. Эти качества во многом определили тенденцию замены ими антифрикционных сплавов на свинцовой и оловянной основе, а также свинцовистой бронзы.

В пользу алюминиевых подшипниковых сплавов говорят и экономические соображения. Их применяют в виде тонкого слоя, нанесенного на стальное основание, т. е. в виде биметаллического материала. Последние изготовляют штамповкой из биметаллической полосы или со слоем алюминиевого сплава, соединенного со сталью в процессе совместного пластического деформирования при прокатке.

Алюминиевые сплавы употребляют и для изготовления монометаллических деталей (втулок, подшипников, шарниров и др.) Для монометаллических подшипников употребляются сравнительно твердые прочные сплавы, а слой биметаллических вкладышей изготовляют из менее твердого пластичного металла. В зависимости от химического состава различают две группы сплавов:

• сплавы алюминия с сурьмой, медью и другими элементами, которые образуют твердые фазы в мягкой алюминиевой основе. Наибольшее распространение получил сплав АСМ, который содержит сурьму (до 6,5 %) и магний (0,3–0,7 %) и хорошо работает при высоких нагрузках и больших скоростях в условиях жидкостного трения; его широко применяют для изготовления вкладышей подшипников коленчатого вала двигателей тракторов и автомобилей;
• сплавы алюминия с оловом и медью, например АО20-1 (20 % олова и до 1,2 % меди) и АО9-2 (9 % олова и 2 % меди). Они хорошо работают в условиях сухого и полужидкого трения и по антифрикционным свойствам близки к баббитам. Их используют для производства подшипников в автомобилестроении, транспортном и общем машиностроении.

Кроме того, для заливки вкладышей дизельных и карбюраторных двигателей применяют и другие сплавы на алюминиевой основе, например сплав АСС6–5.

Алюминиевые сплавы классифицируют преимущественно по микроструктурному признаку. Такая классификация отражает в большей степени антифрикционные свойства сплавов, так как общепризнанной является роль мягких структурных составляющих в уменьшении износа и увеличении сопротивляемости трущейся пары.

Химический состав основных алюминиевых антифрикционных сплавов приведен в табл. 9.

Таблица 9. Составы ( %, алюминий — остальное) алюминиевых антифрикционных сплавов

Примечание. Для сплава марки АО3-7, выплавленного в чугунных тиглях, содержание примеси железа допускается до 0,7 %.

В связи с распространением за рубежом выпуска безгильзовых двигателей, в которых при использовании эвтектических силуминов для литья блоков цилиндров удалось решить проблему износа рабочих поверхностей цилиндров и поршней, также наблюдается увеличение объемов производства антифрикционных отливок, получаемых литьем под давлением.

Литейные алюминиевые сплавы, содержащие элементы, мас. %: кремний 16–18; медь 4–5; магний 0,45–0,65; железо 0,6–1,1 и алюминий — остальное, используются в двигателях автомобилей, а позднее — в двухтактных двигателях компрессоров. Аналогами таких сплавов в России являются сплавы АК16М2 Н и АК20М2Н. Свойства сплавов повышаются при использовании методов беспористого литья под давлением.

Примерное назначение алюминиевых антифрикционных сплавов и условия работы изделий из них приведены в табл. 10.

Таблица 10. Примерное назначение алюминиевых антифрикционных сплавов и условия работы изделий из них

На антифрикционный слой изделий наносят покрытие мягкого металла или антифрикционное полимерное покрытие толщиной от 0,003 до 0,03 мм. Допускается по соглашению с потребителем в технически обоснованных случаях не покрывать изделия мягким металлом или полимерным покрытием.

Положительные результаты получения беспористых отливок и антифрикционных сплавов на основе алюминия позволили использовать эту технологию для изготовления подшипников скольжения и деталей пусковых двигателей. Для повышения служебных свойств этих антифрикционных деталей, ранее отливаемых в кокиль, рекомендованы новые процессы литья под низким давлением и проведена корректировка составов алюминиево-оловянных сплавов и силуминов с высоким содержанием меди, отливки из которых подвергаются старению без предварительной закалки.

Медь обеспечивает алюминиево-кремниевым сплавам более высокую твердость, износостойкость и восприимчивость к термической обработке. Дополнительные присадки в заэвтектические алюминиево-кремниево-медные сплавы редкоземельных металлов в количестве 0,005–0,035 % и фосфора в количестве 0,001–0,015 % способствуют измельчению литого зерна и повышению твердости отливок. Модифицирующий эффект фосфора сохраняется более длительное время, чем редкоземельных металлов.

В силуминах, содержащих 16–25 % кремния, увеличение присадки меди с 0,2 до 3,5 % способствует повышению при литье под низким давлением временного сопротивления растяжению с 200–240 МПа до 330 МПа. Такие заэвтектические силумины отличаются трещиностойкостью, высокой жидкотекучестью и обеспечивают однородную структуру и повышенную износостойкость в толстостенных отливках.

Твердость отливок с толщиной стенок 16–24 мм составляет 106–112 НВ. Примеси марганца в количестве 0,2–0,7 % в алюминиево-кремниево-медных сплавах повышают прочность, твердость и износостойкость отливок, но при этом снижаются литейные свойства. После закалки и искусственного старения износостойких отливок из АК16М2Н и АК20М2Н диаметр дендритных ячеек не превышает 20–40 мкм, а при литье в металлические формы с последующей закалкой и старением — 10…30 мкм.

Сплав АК20М2Н оказался весьма чувствительным к присадкам и примесям железа и серы, которые заметно снижают пластические свойства сплава в отливках и вызывают огрубение эвтектики. Примеси кальция, натрия, бария и сурьмы в количестве 0,01–0,05 % не оказывают существенного влияния на первичный кремний и эвтектику сплава, а добавки в таком количестве титана и бора измельчают структуру и способствуют повышению износостойкости.

Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы, используемые в качестве подшипниковых сплавов, отличаются большой износостойкостью, но могут вызвать повышенный износ вала. Их применяют вместо оловянных и свинцовых баббитов и свинцовых бронз.

Алюминиевые бронзы по распространенности в промышленности занимают одно из первых мест среди медных сплавов. В меди растворяется довольно большое количество алюминия (рис. 6): 7,5 % при 1035 °C; 9,4 % при 565 °C; около 9 % при комнатной температуре. Фаза β представляет соединение Сu3 А1 электронного типа с электронной концентрацией 3/2.

Рис. 6. Диаграмма состояния Cu-Al

С увеличением содержания алюминия прочностные свойства сплавов повышаются. Сплавы с α-структурой хорошо обрабатываются давлением как при высоких, так и при низких температурах, но их прочность невелика. Фаза γ2 имеет очень высокую твердость и ничтожную пластичность: поэтому когда в структуре сплавов появляется γ2-фаза, прочность резко возрастает, а пластичность начинает падать.

Из-за ликвационных явлений снижение пластичности, обусловленное γ2-фазой, проявляется несколько раньше (обычно начиная с 8 % А1), чем это следует из равновесной диаграммы состояния. Оптимальными механическими свойствами обладают сплавы, содержащие 5–8 % А1. Наряду с повышенной прочностью они сохраняют высокую пластичность.

Алюминиевые бронзы по сравнению с оловянными имеют следующие преимущества:

• меньшую склонность к дендритной ликвации;
• большую плотность отливок;
• лучшую жидкотекучесть;
• более высокую прочность и жаропрочность;
• более высокую коррозионную и противокавитационную стойкость;
• меньшую склонность к хладноломкости.

Кроме того, алюминиевые бронзы не дают искр при ударе. В качестве недостатков алюминиевых бронз можно отметить следующие особенности:

• значительная усадка при кристаллизации;
• склонность к образованию крупных столбчатых кристаллов;
• сильное окисление в расплавленном состоянии, при котором образуются оксиды алюминия, приводящие к шиферному излому в деформированных полуфабрикатах;
• вспенивание расплава при заливке в форму;
• трудность пайки твердыми и мягкими припоями;
• недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре.

Для устранения этих недостатков алюминиевые бронзы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.

В сплавах Сu-Аl-Fе со стороны меди растворяется до 4 % Fе. При одновременном легировании алюминиевых бронз никелем и марганцем растворимость железа в α-фазе уменьшается и железистая составляющая появляется при меньших его содержаниях.

Железо повышает прочностные свойства алюминиевых бронз при некотором снижении их пластичности, сильно измельчает зерно при кристаллизации и рекристаллизации. При медленном охлаждении в сплавах, содержащих 8–11 % А1, эвтектоидный распад β-фазы приводит к (α γ2)-структуре с крупными кристаллами γ2-фазы, что вызывает хрупкость. Железо замедляет эвтектоидный распад β-фазы и тем самым препятствует развитию хрупкости.

Сплавы меди, легированные алюминием и железом, наиболее пластичны после нормализации от 600–700 °C, которая уменьшает количество эвтектоида в структуре. После закалки от 950 °C сплавы также отличаются высокой пластичностью, так как их структура представлена αи β-фазами.

Марганец растворяется в алюминиевых бронзах в больших количествах (до 10 %). Он повышает прочность бронз, их пластичность, коррозионную стойкость, антифрикционные свойства, способность к холодной обработке давлением. Двойные сплавы меди с алюминием не обрабатываются давлением в холодном состоянии, если содержание алюминия превышает 7 %. Тройная бронза БрАМн9-2 хорошо обрабатывается давлением как в горячем, так и в холодном состоянии.

Никель сильно уменьшает растворимость алюминия в меди при понижении температуры. Поэтому медные сплавы, одновременно легированные алюминием и никелем, существенно упрочняются при термической обработке, состоящей из закалки и старения, из-за выделения интерметаллидов Ni3А1 и NiА1.

Никель улучшает механические свойства и коррозионную стойкость алюминиевых бронз, повышает температуру их рекристаллизации и жаропрочные свойства. Сплавы меди, легированные алюминием и никелем, хорошо обрабатываются давлением, имеют высокие антифрикционные свойства и не склонны к хладноломкости.

Небольшие содержания титана увеличивают плотность отливок и их прочность. Благоприятное влияние титана на свойства бронз обусловлено его действием как дегазатора, уменьшающего газонасыщенность расплава, и модификатора, измельчающего зерно.

Цинк заметно снижает антифрикционные и технологические свойства алюминиевых бронз и поэтому является нежелательной примесью.

Механические свойства некоторых алюминиевых бронз приведены в табл. 3 и 4. Одни из них применяют только как литейные (БрАМц10-2; БрАЖН11-6-6; БрАЖС7-1,5-1,5), другие — только как деформируемые (БрА5, БрА7). Большую группу бронз (БрАМц9-2; БрАЖ9-4; БрАЖМц10-3-1,5; БрАЖН10-4-4) используют и как деформируемые, и как литейные сплавы.

Таблица 3. Типичные механические свойства деформируемых безоловянных бронз и медно-никелевых сплавов (отожженное состояние)

Наиболее пластичная и наименее прочная бронза — БрА5. Она легко деформируется при всех видах обработки давлением. Меньшей, но достаточно высокой обрабатываемостью давлением отличаются бронзы БрА7 и БрАМц9-2, предназначенные для получения прутков, листов и лент.

Остальные бронзы (БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5, БрАЖН10-4-4) деформируются только в горячем состоянии, т. к. в их структуре довольно много эвтектоида (до 30–35 %). Вместе с тем благодаря эвтектоиду и железистым включениям антифрикционные свойства и прочность этих бронз выше, чем у перечисленных выше сплавов, поэтому бронзы БрАЖ9-4 и БрАЖМц10-3-1,5 нашли наиболее широкое распространение.

Таблица 4. Механические свойства литейных безоловянных бронз (литье в кокиль)

*Литье в песчаную форму.

Из всех медно-алюминиевых сплавов наибольшим временным сопротивлением разрыву обладает бронза БрАЖН10–4-4, которую применяют и как деформируемую, и как литейную. Она жаропрочна и сохраняет удовлетворительную прочность до 400–500 °C. При температурах до 250–400 °C у бронзы БрАЖН10-4-4 наименьшая ползучесть в сравнении с другими алюминиевыми бронзами.

Деформируемые полуфабрикаты применяют в состоянии поставки или подвергают дорекристаллизационному или рекристаллизационному отжигу. Дорекристаллизационный отжиг алюминиевых бронз приводит к повышению их упругих свойств. Большинство этих бронз относится к термически неупрочняемым сплавам.

Повышение износостойкости алюминиевых бронз возможно с помощью способа, включающего отжиг, закалку, отпуск, при этом отжиг проводят нагревая заготовки до 470–510 °C вместе с печью, выдерживая 3–3,5 ч, затем ступенчатый нагрев под закалку, состоящий из нагрева до 880–920 °C и выдержки в течение 2,0–2,5 ч, с последующим охлаждением в масле, отпуск в течение 3–3,5 ч при 300–350 °C.

Специальные медные сплавы

Благодаря высокой электропроводности медь — незаменимый материал в электротехнике вследствие того, что в ряде областей специальной техники (электромашиностроение, приборостроение) к электротехническим материалам добавляется требование хороших антифрикционных свойств.

С помощью холодной деформации можно практически удвоить прочностные характеристики меди; электросопротивление при этом возрастает всего на 3 %. Однако наклеп можно использовать для упрочнения меди лишь в условиях работы при относительно невысоких температурах, т. к. выше примерно 200 °C начинается рекристаллизация.

Для применения в электротехнике медь можно легировать лишь элементами, которые значительно повышают прочность без существенного снижения электропроводности. Из сопоставления данных о влиянии легирующих элементов на прочностные характеристики и электропроводность меди следует, что целесообразно легировать проводниковые сплавы серебром, кадмием, хромом, цирконием и магнием.

Так, при введении в медь 1 % Zr или Сr твердость повышается в 2,5 раза, а электропроводность уменьшается всего на 20–30 %. Наилучшее сочетание прочности и электропроводности достигается при легировании меди не одним, а двумя или тремя элементами, причем содержание этих элементов можно подобрать таким образом, что снижение электропроводности при совместном легировании будет меньше, чем при введении одного компонента в том же количестве, что и в многокомпонентном сплаве.

Бронзы высокой электропроводности по типу упрочнения разбивают на две группы:

• сплавы, упрочняемые холодной деформацией;
• термически упрочняемые сплавы.

К первой группе принадлежат сплавы систем Сu-Ag, Сu-Сd и Сu-Мg. Бронза БрСр, содержащая 0,07–0,12 % Аg, однофазна, т. к. серебро растворяется в меди в больших количествах. Высокой прочностью и электропроводностью отличается кадмиевая бронза, содержащая 0,9–1,20 % Сd.

Растворимость кадмия в меди составляет 3 % при 549 °C и уменьшается до 0,5 % при комнатной температуре. Однако упрочнение кадмиевой бронзы выделениями β-фазы (СdCu2) незначительно. Кадмиевая бронза характеризуется способностью к искрогашению и поэтому применяется для изготовления контактных проводов электрифицированного транспорта, коллекторных шин, электродов сварочных машин, разрывных контактов и подобных изделий.

Растворимость магния в меди уменьшается от 2,8 % при эвтектической температуре (722 °C) до 1,2 % при 400 °C. Выделяющаяся при распаде твердого раствора фаза Сu2 Мg сильно ухудшает деформируемость сплавов при холодной обработке и исключает возможность эффективного наклепа.

Поэтому магниевые бронзы содержат до 1 % Мg. Магниевую бронзу БрМг0,3 рекомендуют как заменитель кадмиевой бронзы в производстве контактных колец и коллекторных пластин. Бронзы БрМг0,5 и БрМг0,8 применяют для изготовления кабелей и троллейных проводов.

Хромовые бронзы, содержащие обычно от 0,4 до 1,0 % Сr, обладают высокой электропроводностью после закалки и старения. Хром мало растворим в меди: 0,65 % Сr при 1072 °C и 0,02 % Сr при 400 °C, поэтому после старения структура хромовых бронз представлена почти чистой медью и небольшим количеством выделений хрома.

При такой структуре сохраняется высокая электропроводность, составляющая около 80 % от электропроводности меди. Хромовые бронзы имеют высокое сопротивление ползучести, хорошо сопротивляются износу. Они широко применяются для изготовления электродов аппаратов контактной сварки и коллекторов электромоторов.

Хорошими свойствами обладают сплавы, легированные 0,10– 0,8 % циркония. Еще более высоким сочетанием свойств отличаются бронзы, одновременно легированные и хромом, и цирконием. Введение сотых долей процента циркония в сплавы меди с 0,1–1,0 % хрома приводит к существенному повышению температуры рекристаллизации, прочности и жаропрочности.

Находящийся в твердом растворе цирконий уменьшает диффузионную подвижность хрома, что и обусловливает высокую жаропрочность сплавов Сu-Сr-Zr. Благодаря высокой теплои электропроводности в сочетании с высокой жаропрочностью хромоциркониевая бронза БрХЦр (табл. 8) — это наиболее распространенный материал для электродов контактной сварки.

К сплавам с интерметаллидным упрочнением относятся бронзы БрНБТ, БрКБ, БрКХКо и БрНКХ. У этих бронз самые высокие прочностные характеристики, но вместе с тем и в 1,5–2 раза большее удельное электросопротивление в сравнении с медью, серебряной, кадмиевой и хромциркониевой бронзами.

Таблица 8. Режимы закалки и старения промышленных дисперсионно-твердеющих сплавов на медной основе

Все дисперсионно-твердеющие бронзы высокой электропроводности применяют в термически упрочненном состоянии. Их закаливают с температур 930–1000 °C (выдержка 2 ч в воде), а затем подвергают старению при 440–500 °C в течение 2–6 ч. В некоторых случаях используют термомеханическую обработку, вводя между закалкой и старением холодную деформацию.

В табл. 8 представлены марки и режимы термической обработки основных промышленных дисперсионно-твердеющих сплавов на медной основе.

Все эти сплавы претерпевают фазовые превращения в твердом состоянии и подвергаются закалке без полиморфного превращения. Закалка или обработка на пересыщенный твердый раствор преследует две цели:

• подготовить сплав к старению;
• добиться максимальной пластичности для дальнейшей деформации.

Температура нагрева под закалку должна обеспечивать возможно более полное растворение избыточных фаз в матричной фазе и находиться в двойной системе между линиями сольвуса и солидуса.

Хотя процессы растворения избыточных фаз значительно ускоряются с повышением температуры, нагрев в непосредственной близости от линии солидуса технологически нерационален. В этом случае из-за возможного перепада температур в садке и неточности теплового контроля возникает опасность пережога (оплавления) изделия.

Время выдержки определяется полнотой процессов растворения избыточных фаз: чем дисперснее избыточная фаза, тем быстрее она растворяется. Деформированные сплавы выдерживают меньшее время, чем литые. Если избыточная фаза полностью не растворена, то получить оптимальные свойства после старения не представляется возможным.