книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

Г Л А В А II МОНОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ

подшипники

Для изготовления монометаллических подшипников применяются

восновном сплавы II группы. Мягкой структурной составляющей

вэтих сплавах в подавляющем большинстве случаев является олово.

Рассмотрим технологию изготовления монометаллических под­ шипников из алюминиевых сплавов II группы на примере техно­ логии, разработанной лабораторией цветных металлов ЦНИИ МПС и Харьковским заводом им. Малышева для изготовления

подшипников [23] из сплава А9-2 (2,5% Si).

В технологический процесс входят следующие основные опе­ рации: отливка заготовок; упрочнение заготовок (в случае необ­

олово, а также лигатуры алюминия с упрочняющими элементами. Модификаторы вводятся в эти сплавы либо в виде солей в про­ цессе рафинирования сплавов, либо в виде лигатур.

Применение лигатур при плавке позволяет избежать пере­ грева расплава, что крайне важно, так как алюминиевые сплавы склонны к насыщению газами при повышенных температурах.

Состав лигатур, наиболее часто применяемых при плавке А9-2 и других сплавов для монометаллических подшипников, дан в табл. 14.

Изготовление лигатур производится в электрических печах со­ противления или индукционных печах путем растворения леги­ рующих элементов в расплавленном алюминии при температу­ рах, указанных в табл. 14.

Разливка лигатур осуществляется в изложницы с пережимами или в другие формы, удобные для последующей расшихтовки. Температура заливки лигатур также дана в табл. 14.

Плавка сплавов для монометаллических подшипников произ­ водится в электрических печах сопротивления или в индукцион­ ных печах. Индукционные печи необходимо применять только

*Кремний можно также вводить в виде сплава Сил О (ГОСТ 1521—68).

всочетании с миксером. Использовать миксер необходимо по­ тому, что при индукционной плавке идет интенсивное перемеши­

вание расплава и его насыщение газами. При выстаивании сплава в миксере и последующем его рафинировании происходит

рундовых тиглях или в металлических тиглях с нейтральной фу­ теровкой. Вначале расплавляются чистый алюминий и отходы в виде лома подшипников, литейных прибылей и т. п. После их расплавления вводятся лигатуры упрочняющих элементов и непо­ средственно перед рафинированием— лигатуры модифицирующих элементов и олово. Температура металла в печи в период плавки поддерживается на уровне 750—780° С. При заливке температура понижается до 720—740° С.

Рафинирование сплавов производится хлористыми солями (в большинстве случаев используются хлористый цинк, хлори­ стый аммоний), а также гексахлорэтаном путем погружения обез­ воженных солей на дно расплава. Механизм рафинирования алю­ миниевых сплавов подробно описан в работах [63, 203].

Соли для рафинирования берутся в количестве 0,05% веса шихты. Если не проводилось модифицирование расплава лигату­ рами, одновременно с рафинированием производится модифици­ рование путем введения солей, содержащих цирконий или титан. Наиболее часто для модифицирования применяется фторцирконат калия, хлористый титан и фтортитанат калия.

Заготовки для подшипников в виде втулок отливают в метал­ лический водоохлаждаемый кокиль из чугуна СЧ 18-36, установ­ ленный на универсальный станок с пневматическим приводом. Кокиль (рис. 11) состоит из двух половин 2 и 4, соединенных

34

шарнирно. Раскрывается и закрывается кокиль при помощи пневмоцилиндра, развивающего усилие 1500 кГ. Стерженьі кокиля (сталь марки 35Л) состоит из центральной части и четырех сег­ ментов. Центральная часть стержня освобождается с помощью реечного привода пневмоцилиндра. При этом два боковых сег­ мента, соединенных с центральной частью при помощи шпонок 3 и Т-образных пазов, передвигаются к центру, а два других сег­ мента получают возможность свободного перемещения. Подобная конструкция стержня необходима потому, что при кристаллиза­ ции и последующем охлаждении внутренний диаметр отлитой заготовки уменьшается больше, чем наружный диаметр цен­ трального стержня, так как коэффициент линейного расширения алюминиевого сплава примерно в 2 раза больше, чем стали. Если бы стержень не был податливым (как это было в первых кон­ струкциях кокилей), в отливке возникали бы высокие напряже­ ния, способствующие появлению трещин в теле отливки.

Заполнение формы жидким металлом происходит через щеле­

талла, так и по всему сечению отливки. Для получения плотной

чем в отливке, а высота этой части составляет Vs общей высоты отливки.

Для оценки качества отливок определялось наличие пористо­ сти, рыхлости и других дефектов литейного происхождения на макротемплетах, вырезанных из заготовок по образующей, — в сечении напротив щелевого литника и на расстоянии 70—130 жж от него (напротив места с наиболее резко выраженной усадкой кольцевой прибыли), а также с диаметрально противоположной стороны от щелевого литника.

Рис. 11. Кокиль для отливки заготовок подшипников из сплава А9-2

Рис. 12. Микростроение сплава А9-2 в литом состоянии (электротравление, X 500)

Макротемплеты травили в 15-процентном растворе NaOH в те­ чение 8 мин. При осмотре после травления было установлено, что существенного различия в структуре темплетов не наблюдалось,

металл был достаточно плотным.

Равномерность распределения олова по сечению и высоте от­ ливки устанавливалась послойным химическим анализом. Было установлено, что олово по сечению и высоте отливки распределя­ ется относительно равномерно. Содержание олова на внешней и внутренней поверхностях заготовок несколько выше, чем в центре сечения, что свидетельствует о небольшой обратной ликвации олова. Выявленные колебания в содержании олова по сечению и высоте отливки вполне допустимы, поскольку по абсолютной ве­ личине они не превышают 0,3% (по ГОСТ 14113—69 величина поля допуска по содержанию олова составляет 2,0%).

Для оценки механических свойств материала отливки опреде­ ляли предел прочности и относительное удлинение при испытании на разрыв гагаринских образцов диаметром 6 мм, расчетной дли­ ной 30 мм, предел текучести при сжатии цилиндрических образ­ цов (крешеров) диаметром 10 мм, высотой 15 мм, а также твер­ дость по Бринеллю. Образцы для испытания вырезались из тела отливки. Твердость измерялась на внутренней поверхности заго­ товок после их проточки под размер, соответствующий оконча­ тельному размеру вкладышей. Определение указанных характери­ стик было проведено на 29 вкладышах (по три образца на вкла­ дыш). При этом величина ов оказалась в пределах 16,0—

36

17,5 кГ/мм2 при среднем значении 16,6 кГ/мм2, предел текучести при сжатии в пределах 14,9—18,8 кГ/м.м2 при среднем значении 16,3 кГ/мм2, относительное удлинение от 1,0 до 3,3% при среднем значении 2,8% и твердость НВ от 68,9 до 79,6 при среднем значе­ нии НВ 74,4.

Были проведены также металлографические исследования микрошлифов, изготовленных из отлитых заготовок с использова­ нием электролитического полирования и травления в фосфорно­ хромовом электролите состава 10—12% СгОз, 88—86% Н3Р 0 4 и 2% Н20. Полирование проводилось при плотности тока 0,2 а/дм2, а травление — при 0,005 а/дм2.

Структурными составляющими данного сплава (рис. 12) яв­ ляются: твердый раствор на основе алюминия, легированный оло­ вом и медью, эвтектика алюминий — олово с содержанием 99,5% Sn, химическое соединение меди и алюминия CuA12, хими­ ческое соединение №А13 и чистый кремний.

Химические соединения, так же как эвтектика и кремний, рас­ полагаются по границам зерен матричной фазы. Во многих слу­ чаях включения химических соединений и кремния располагаются внутри оловянно-алюминиевой эвтектики.

2. УПРОЧНЕНИЕ ЗАГОТОВОК

При работе двигателя на подшипники коленчатого вала дей­ ствуют усилия, которые можно разделить на три группы:

усилия от затяжки вкладышей; усилия, возникающие при нагреве из-за разности коэффициен­

тов линейного расширения материала блока или шатуна и мате­ риала вкладыша (термические усилия);

рабочие усилия (усилия от давления газов в цилиндре и от инерционных сил).

Под воздействием этих усилий в подшипнике возникают вну­ тренние напряжения. Если эти напряжения не превосходят пре­ дела текучести материала, вкладыши работают устойчиво. В про­ тивном случае вкладыши пластически деформируются, что при­ водит к потере натяга, провороту их в постели и задиру вала.

Подобная картина наблюдалась при опытной эксплуатации на дизелях 2Д100 (тепловоз ТЭЗ) монометаллических подшипников из сплавов А35 и А9-2 [170]. В связи с этим возникла необходи­ мость в повышении предела текучести материала вкладышей, которое достигается двумя путями:

холодной пластической деформацией заготовок для подшипни­ ков (нагартовкой);

термической обработкой заготовок (закалкой с последующим старением).

Нагартовка заготовок в виде втулок производится путем хо­ лодной протяжки (по типу дорнирования). Такая операция вы­ полняется на механических прессах усилием 150—200 Т. На рис. 13 показано приспособление для протяжки, а на рис. 14 — дорн,

37

Рис. 15. Графики изменения механических характеристик сплава А9-2 при наклепе:

металла у внутренней поверхности втулки наблюдается изменение микростроения сплава на глубину 0,5—0,6 мм. В этой зоне зерна вытягиваются по направлению протяжки и становятся более мел­ кими и раздробленными (рис. 16). В этой же зоне наблюдается максимальное увеличение твердости (рис. 17). На глубине больше 0,6 мм сохраняется структура литого сплава. К центру заготовки твердость снижается, но значения ее выше, чем у литого материала.

После лорнирования заготовки подвергают стабилизирующему отпуску при 105—115°С в течение нескольких часов, при котором происходит частичное снятие внутренних напряжений и некоторое понижение прочностных характеристик.

В процессе последующей работы подшипника изменение его размеров при нагревании не наблюдается.

Рис. 16. Микростроение сплава А9-2 после дорнирования:

л — у внутренней поверхности заготовки; б — на глубине более 0,6 мм от поверхности

39

40

на растяжение и сжатие. При проведении испытаний определя­ лись предел прочности при растяжении, предел текучести при растяжении и сжатии, относительное удлинение, твердость по Бринеллю.

На рис. 18 показано изменение механических характеристик сплава при изменении температуры отпуска (продолжительность отпуска 5 ч) после закалки с 505° С в воду с температурой 40° С. Графики показывают, что максимальное упрочнение достигается

отпуска была повышена до 210—230° С, в результате чего было достигнуто наиболее благоприятное сочетание прочностных свойств сплава и пластичности при умеренной твердости.

Проведенные эксперименты показали, что при закалке в воде появляются закалочные трещины во всех случаях, несмотря на подогрев воды вплоть до 90° С.

При закалке в масле как в холодном, так и в подогретом до 150° С полностью исключается образование трещин. Образцы, за­ каленные в масле, после отпуска имеют и более высокие проч­ ностные свойства. Так, механические испытания образцов, зака­ ленных в масле с 505° С, а затем отпущенных при температуре

41