CC BY
28
/теот/^^гг
-3 (56), 2010
20101 59
В. Ю. СТЕЦЕНКО, А. И. РИВКИН, К. Н. БАРАНОВ, ИТМ HAH Беларуси
УДК 621.74:669.714
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНОЙ ДИСПЕРСНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ МЕДИ НА ФРИКЦИОННУЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО АНТИФРИКЦИОННОГО СИЛУМИНА АК1 5
It is shown that antifriction silumin with 15% silicon content has maximal frictional endurance in friction pair with steel at 3% copper content and dispersion of globular silicon crystals 3-4 micrometer.
В ГНУ «Институт технологии металлов HAH Беларуси» разработан метод циклического литья в струйный кристаллизатор, который по сравнению с традиционными способами литья обеспечивает высокую скорость затвердевания отливок и, как следствие, существенное измельчение их микроструктуры [1]. В настоящее время заготовки из эвтектического силумина, полученные этим методом, с успехом применяются в промышленности в качестве заготовок различных деталей, работающих в узлах трения машин и механизмов. Наиболее высокие свойства имеет эвтектический антифрикционный силумин [2]. Его механические и эксплуатационные свойства существенно зависят от микроструктуры и концентрации легирующих элементов. В связи с этим актуально исследование влияния содержания меди и дисперсности микроструктуры заготовок из эвтектического антифрикционного силумина на их фрикционную износостойкость. Ее определяли на машине трения СМЦ-2 в условиях сухого трения по схеме вал-втулка с нагрузкой 0,8 МПа и скоростью скольжения образца относительно стального шлифованного вала (сталь 45) твердостью 58 HRC 0,38 м/с. Взвешивание образцов проводили на электронных весах марки «Stratorius BP1S» c точностью до 0,0001 г. Расчет скорости износа образцов проводили по следующей формуле:
V , =
e çi
AM SpT
где AM - разность массы образца до и после износа; S - площадь рабочей поверхности образца; р - плотность образца; т - время износа.
Твердость образцов измеряли на твердомере ТШ-2М. После шлифовки, полировки и химического травления водным раствором кислот (2%HCl + 3%HNO3 + 1%HF) микроструктуру образцов анализировали с помощью аппаратно-программного комплекса на базе микроскопа Carl Zeiss «Axiotech vario».
Для определения влияния структурной дисперсности заготовок из сплава АК15 на их фрикционную износостойкость методом литья в струйный кристаллизатор были изготовлены отливки диаметром 50 мм и высотой 160 мм. Микроструктура этих отливок состояла из равномерно распределенных в алюминиевой матрице кристаллов эвтектического кремния глобулярной формы со средним диаметром 1,2 мкм. Для получения кристаллов эвтектического кремния различной дисперсности заготовки подвергали гомогенизации при температуре 520 °С и вы-
60
т.и г: гл^ггтллтгггггт
3 (56), 2010-
Микроструктура гомогенизированных образцов из сплава АК15: а - 520 °С, 1 ч; б - 520 °С, 4 ч; в - 520 °С, 6 ч; г - 520 °С, 10 ч
держке 1-10 ч. В результате были получены образцы из силумина АК15 со средними диаметрами глобулярных кристаллов эвтектического кремния 2-7 мкм (см. рисунок).
Каждый из полученных образцов проходил испытания на фрикционную износостойкость в течение 3 ч. Результаты приведены в табл. 1.
Из таблицы следует, что увеличение диаметра глобулярных кристаллов эвтектического кремния в сплаве АК15 от 1,2 до 3,2-3,9 мкм позволяет повысить фрикционную износостойкость образцов на 9-14%, а их дальнейшее укрупнение не приводит к значительному повышению износостойкости образцов. Наиболее приемлемым размером
включений шаровидного кремния для антифрикционного эвтектического силумина является 3-4 мкм, так как такая дисперсность кристаллов эвтектики позволяет существенно повысить износостойкость заготовок и не требует длительной термообработки.
Известно, что легирование силуминов медью позволяет повысить механические свойства заготовок. Поэтому для исследования влияния содержания меди на фрикционную износостойкость эвтектического антифрикционного силумина литьем в струйный кристаллизатор были изготовлены отливки диаметром 50 мм и высотой 160 мм из сплава АК15 с содержанием меди 1, 2, 3 и 4%. Их тер-
Т а б л и ц а 1. Влияние дисперсности глобулярных кристаллов кремния на фрикционную износостойкость сплава АК15
в
г
Номер образца Температура гомогенизации, °С Время гомогенизации, ч Дисперсность кристаллов эвтектического кремния, мкм Твердость НВ Средняя скорость износа, мм/ч
0 - - 1,2 72,6 0,1235
1 520 1 2,2 72,6 0,1172
2 520 3 3,2 72,6 0,1126
3 520 5 3,9 72,6 0,1065
4 520 10 7,0 72,6 0,1029
_АГГГГ^ К ГШШГГПТГТ /В1
-3 (56),2010 /III
Т а б л и ц а 2. Влияние содержания меди на твердость и фрикционную износостойкость сплава АК15
Номер образца Материал образца Режим термообработки Средняя дисперсность кристаллов эвтектического кремния, мкм Твердость НВ Средняя скорость износа, мм/ч
5 АК15 Гомогенизация 520 °С, 4 ч 3,7 72,6 0,1134
6 АК15М1 Т5 3,5 77,9 0,1132
7 АК15М2 Т5 3,6 98,2 0,0991
8 АК15М3 Т5 3,8 113,8 0,0835
9 АК15М4 Т5 3,7 129,0 0,0811
мообработку проводили по режиму Т5: нагрев до температуры 520 °С, выдержка в течение 4 ч, закалка в воде и последующее искусственное старение в течение 6 ч при температуре 175 °С. Время испытания образцов на фрикционную износостойкость составляло 3 ч. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Из таблицы следует, что наиболее рациональным содержанием меди в антифрикционном силумине АК15 является 3-4%, так как обеспечивается повышение твердости заготовок в среднем в 1,7 раза и износостойкости более чем на 20%.
Проведенные исследования позволили определить рациональный состав и термообработку эвтектического антифрикционного силумина, которые обеспечивают ему максимальную износостойкость при фрикционном трении.
Проводили производственные испытания заготовок. Для этого были получены отливки диаметром 140 мм и высотой 100 мм из сплава АК15М3. После термообработки по режиму Т5 из них были
изготовлены втулки диаметрами 125 и 115 мм для проведения производственных испытаний на ОАО «Белшина» (г. Бобруйск). Они устанавливались в сборочные станки СПД в качестве подшипников скольжения, работающих без смазки, взамен аналогичных из БрОЦС5-5-5. Установлено, что за 6 мес. работы станков в круглосуточном режиме износ этих втулок составил не более 0,04%. На сопрягаемых с втулками частях стального вала задиров и других следов износа не обнаружено. В настоящее время подшипники скольжения из антифрикционного силумина успешно используются на ОАО «Белшина». Стоимость заготовок из антифрикционного силумина в 2,0-2,5 раза ниже, а масса более чем в 3,5 раза меньше, чем аналогичных из антифрикционных бронз БрОЦС5-5-5 и БрАЖ9-4.
Таким образом, антифрикционный силумин АК15 имеет максимальную фрикционную износостойкость в паре трения со сталью при содержании меди 3% и дисперсности глобулярных кристаллов кремния 3-4 мкм.
Литература
1. М а р у к о в и ч Е. И., С т е ц е н к о В. Ю. Модифицирование сплавов. Мн.: Беларуская навука, 2009.
2. С т е ц е н к о В. Ю., Р и в к и н А. И. Новый антифрикционный силумин АК15М3 // Литье и металлургия. 2009. № 3. С. 114-115.
