книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

Т а б л и ц а 16

Сравнение показателей механических свойств заготовок для коренных и шатунных подшипников дизелей Д100, подвергнутых упрочнению протяжкой и термической обработкой (табл. 15 и 16), показывает, что прочностные характеристики выше у термически обработанных заготовок. Уровень пластичности и твердости в обоих случаях одинаков. Необходимо также отметить, что тер­ мическая обработка в отличие от протяжки обеспечивает более стабильное состояние сплава, которое не изменяется при нагреве до 200° С.

3.ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК

ИНАНЕСЕНИЯ ПРИРАБОТОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

Алюминиевые сплавы по их поведению в процессе резания обычно делят на три группы [183].

К первой группе относятся технически чистый алюминий и ма­ лолегированные пластичные алюминиевые сплавы. Эти сплавы характеризуются тем, что в процессе резания имеют склонность к налипанию на инструмент (наростообразование), поэтому для них нужно применять режущие инструменты с большими перед­ ними углами. При резании этих сплавов образуется сливная стружка, что затрудняет обработку, особенно на автоматах. Склонность к образованию наростов затрудняет получение высо­ кой чистоты поверхности после резания.

42

Ко второй группе относятся прочные сплавы. Эти сплавы хо­ рошо обрабатываются и не имеют склонности к налипанию на инструмент. Однако износ инструмента при работе с этими спла­ вами выше, чем при работе со сплавами I группы, а скорости ре­ зания ниже.

К третьей группе относятся литейные алюминиевые сплавы, часто содержащие кремний. При обработке этих сплавов износ инструментов и величина силы резания больше, чем при обра­ ботке сплавов первой и второй групп, поэтому требуется примене­ ние высококачественного инструмента с твердосплавными режу­ щими частями и снижение скоростей резания.

Алюминиево-оловянные антифрикционные сплавы не могут быть отнесены ни к одной из этих групп. Эти сплавы прекрасно обрабатываются резанием. Хорошая обрабатываемость обуслов­ ливается чрезвычайно благоприятным с точки зрения механи­ ческой обработки сочетанием механических и физических свойств, а также микростроения. Обладая относительно невысокими проч­ ностными свойствами, сплавы оказывают небольшое противодав­ ление на инструмент даже при тяжелых режимах резания. Высо­ кая теплопроводность сплавов обеспечивает хороший отвод тепла

териала.

Алюминиево-оловянные сплавы обладают высоким сопротив­ лением схватыванию [23]. Это свойство при резании определяет высокую сопротивляемость наростообразованию. Механизм обра­ зования наростов при резании раскрыт В. Д. Кузнецовым [122]. Как уже отмечалось, образование наростов приводит к прежде­ временному разрушению режущих кромок инструмента и рез­ кому снижению чистоты обрабатываемой поверхности.

Подобное сочетание позволяет обрабатывать заготовки из алюминиево-оловянных сплавов при больших подачах и высоких скоростях резания и получать высокую чистоту обработки по­ верхностей.

Технологический режим механической обработки заготовок коренных и шатунных подшипников дизелей Д100 был разрабо­ тан Харьковским заводом транспортного машиностроения им. Ма­ лышева. Высокая технологичность сплавов при резании позволила производить обработку их на тех же станках и при тех же режи­ мах, которые применяются при изготовлении серийных бронзово­ баббитовых вкладышей.

Отличие в технологии изготовления бронзово-баббитовых и алюминиево-оловянных вкладышей подшипников состоит в том,

43

что бронзовый корпус предварительно растачивается под заливку, а заготовки алюминиево-оловянного сплава обрабатываются пе­ ред дорнированием в две операции:

отрезка прибыльной части; расточка заготовки под размер, обеспечивающий при дорни-

ровании пластическую деформацию стенок на 6—7%.

После лорнирования заготовки из алюминиево-оловянного сплава подвергают окончательной механической обработке.

Затем на рабочую поверхность вкладышей наносят приработочные покрытия. Обычно для алюминиево-оловянных сплавов применяют два типа покрытий:

покрытия оловом или сплавом свинца с оловом; дисульфидмолибденовые покрытия.

Олово наносится на поверхность алюминиево-оловянных сплавов размерным или контактным лужением. Технологические режимы размерного и контактного лужения вкладышей из сплава А9-2 были разработаны на Харьковском заводе транс­ портного машиностроения имени Малышева [44].

Размерное лужение вкладышей позволяет получать на поверх­ ности трения длой олова толщиной до 40 мк с допускаемой не­ равномерностью по толщине покрытия в 10 мк. Технология раз­ мерного лужения предусматривает две операции — контактное никелирование и гальваническое лужение. Чтобы определить оптимальные условия предварительной обработки поверхности сплава А9-2, были проведены исследования по подбору состава растворов и режимов травления, осветления и контактного нике­ лирования сплава. Для этого обезжиренные образцы вкладышей обрабатывали растворами при различных режимах, после чего проводили контактное никелирование их, а затем лужение в сернокислом электролите до получения слоя покрытия толщи­ ной 20 мк. По результатам визуального осмотра готовых образцов судили о пригодности каждого варианта предварительной обра­ ботки. Было установлено, что травление сплава А9-2 должно про­ изводиться в 10-процентном растворе едкого натра при комнатной температуре в течение 2 м щ і .

Хорошее качество поверхности сплава А9-2 получается после осветления в растворе, содержащем смесь хромового ангидрида и серной кислоты.

Для осаждения на сплаве А9-2 контактного никеля был ис­ пользован солянокислый раствор хлористого никеля с концентра­ цией соли 240 г/л. При контактном никелировании проверялось качество осажденных пленок в зависимости от содержания кис­ лоты в растворе, температуры раствора и времени обработки. Исследования показали, что равномерные пленки никеля, хорошо сцепляющиеся с оловянным покрытием, получаются при осажде­ нии из раствора, содержащего 12 г/л соляной кислоты, при тем­ пературе 35—40° С в течение 1—2 мин.

44

По результатам исследований был установлен следующий ре­ жим предварительной подготовки поверхности вкладышей из сплава А9-2 перед лужением:

травление в 10-процентном растворе едкого натра в течение 2 мин;

осветление в растворе, содержащем 30—40 г/л хромового ан­ гидрида и 200—300 г/л соляной кислоты, в течение 1—2 мин при комнатной температуре;

никелирование в растворе хлористого никеля (200—240 г/л) и соляной кислоты (8—14 г[л) в течение 1—2 мин при темпера­ туре 35—40° С.

Указанные режимы предварительной обработки не изменяют чистоты исходной поверхности.

Лужение вкладышей после предварительной подготовки про­ водят в растворе следующего состава: 15—25 г/л металлического

быть минимальным. Поверхности, которые не подвергаются нике­ лированию и лужению, защищают изоляцией — двумя-тремя слоями эмали ПХВ-512 или ПХВ-515. Каждый слой эмали просу­ шивается на воздухе в течение 30 мин и затем в сушильном шкафу при температуре 70—80° С в течение 15 мин до отвердения пленки.

Лужение производится в приспособлении, показанном на рис. 19. Равномерное осаждение олова достигается применением круглых оловянных анодов, строго центрированных в приспо­

к электросети. Отложение олова на вкладышах ведется при плот­ ности тока 1 a/дм2. Для наращивания слоя толщиной 20—30 мк вкладыши выдерживают в ванне в течение 40—50 мин, после чего их тщательно промывают в холодной и горячей воде. Про­ цесс заканчивается снятием изоляции.

Все луженые вкладыши осматривают. Покрытие должно быть) белого или светло-серого цвета, сплошным и однородным по структуре, без пузырчатости, вздутий и губчатых отложений. При толщине покрытия менее 20 или более 40 мк вкладыши бра­ куют. Прочность сцепления покрытия с основой проверяют его зачисткой острым шабером на фаске вкладыша или методом на­ несения на луженую поверхность пересекающихся царапин. Сцепление считается удовлетворительным, если при проверке не обнаруживаются отслаивание и задиры оловянного покрытия.

Контактное лужение вкладышей производится в том случае, если требуется более высокая производительность при серийном производстве. Сущность этого метода состоит в вытеснении олова из раствора станата натрия на алюминиевую поверхность без применения электрического тока. В результате образуется

45

Рис. 19. Приспособление для лужения вкла­ дышей:

Технологический процесс контактного лужения вкладышей предусматривает следующие операции:

осмотр вкладышей с целью определения наличия на поверх­ ности литейных дефектов, коррозионных пятен, механических за­ боин и других повреждений;

обезжиривание трихлорэтиленом; монтаж вкладышей на приспособлении;

лужение вкладышей погружением в раствор состава: станат

46

горячая промывка вкладышей погружением в ванну с проточ­ ной водой при температуре 60—70° С;

демонтаж деталей; внешний осмотр облуженных вкладышей.

Цвет оловянного покрытия должен быть от белого до светло­ серого. На рабочей поверхности вкладышей не допускается пузырчатость, шероховатость и отслаивание покрытия.

Основным недостатком метода контактного лужения является то, что получается покрытие толщиной до 4 мк, которое практи­ чески полностью изнашивается во время приработки.

За последнее время взамен покрытия рабочих поверхностей вкладышей чистым оловом все чаще применяется покрытие спла­ вом свинец — олово с содержанием до 10% Sn. Такое покрытие обладает лучшей антифрикционностью и повышенной усталост­ ной прочностью, не срабатывается во время приработки и сохра­ няется на рабочей поверхности почти на весь период эксплуата­ ции подшипника.

Технология нанесения покрытий из сплава свинец — олово гальваническим способом разработана ЦНИИТМаш. При разра­ ботке отрабатывались методы подготовки поверхности, способы нанесения свинцово-оловянного покрытия непосредственно на по­ верхность алюминиево-оловянных сплавов и через слой различ­ ных металлов, режимы лужения и составы электролитов.

Оценка различных режимов производилась как путем внеш­ него осмотра и определения качества покрытий, так и путем стендовых и эксплуатационных испытаний вкладышей ди­ зеля 1 ОД100 с нанесенными на них покрытиями. Вкладыши испы­ тывали на двигателе в период приработки в течение 100 ч, затем осматривали и по состоянию покрытия судили о применимости того или иного режима. В результате испытаний был выбран

1,3 г/см3. Плотность тока 2 а/дм2, выдержка 20 мин, температура комнатная, катод свинцовый;

47

1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОДШИПНИКОВ ЛИТЕЙНЫМ СПОСОБОМ

Биметаллические подшипники с алюминиевыми антифрикцион­ ными сплавами изготовляются двумя основными методами: за­ ливкой стального основания алюминиевым сплавом (литейный способ) и совместной прокаткой алюминиевого сплава со сталью или другими прочными материалами (дуралюмин, титан и т. п.). Метод изготовления подшипников из прокатанных биметалли­ ческих полос является более перспективным, так как позво­ ляет организовать массовое производство с использованием авто­ матизированных поточных линий.

Однако при производстве подшипников со значительной тол­ щиной стенок или подшипников сложной конфигурации может быть применен только литейный способ.

Сущность литейного способа состоит в получении при заливке расплавленным алюминием стального основания надежного сое­ динения стали и алюминия за счет диффузионных процессов, иду­ щих на границе двух металлов.

Предложено много различных литейных способов изготовления биметаллических изделий сталь — алюминиевые сплавы. Все эти способы можно разделить на три основные группы: флюсовые способы, бесфлюсовые способы, заливка через подслой третьего (буферного) металла.

Один из наиболее известных и распространенных флюсовых методов получения стале-алюминиевых изделий литейным спосо­ бом—-это так называемый А1 — Fin-процесс, разработанный в 1941 г. в США фирмой «Fairchild Engine and Airplane Corpora­ tion» [234]. Этот метод был разработан для изготовления биме­ таллических оребренных охладителей блоков двигателей самоле­ тов. Известно применение этого метода и для изготовления биме­ таллических подшипников с алюминиево-оловянным сплавом

SAE770 (5,5—7,0% Sn, 0,7—1,3% Cu, 0,7-1,3% Ni, 0,7% Si, 0,3% Mg, остальное алюминий).

Сущность метода заключается в следующем. Очищенные и протравленные стальные заготовки погружают в расплавленную смесь солей (флюс) состава: КС1 — 40%, NaCl— 40%, BaCU— 10%, Na3AlF610%.

Во флюсе происходит прогревание заготовки, при этом окисные пленки на ее поверхности вступают в реакцию с компонентами

49

флюса, образуя с ними системы эвтектического типа. Впоследствии продукты взаимодействия окисных пленок и флюса легко удаля­ ются при алитировании, обнажая неокисленную металлическую поверхность.

После выдержки в ванне с флюсом заготовки погружают

вванну с расплавленным алюминием (алитируют). При этом на границе металлов сталь — алюминий образуется зона интерметал­ лических соединений (в основном ГегАЬ, FeAl3) за счет диффу­ зионных явлений, которая в последующем определяет прочность соединения двух металлов.

Алитированные заготовки извлекают из ванны, устанавливают

вкокиль и заливают алюминиевым сплавом. Заливка должна осуществляться по жидкому слою промежуточного металла.

Впоследствии было предложено много методов, подобных А1—Fin-процессу, которые отличаются составом применяемых флюсов и методом их нанесения, составом сплавов для али­

литейным способом отличается от А1—Fin-процесса составом флюса, методом его использования и технологическими парамет­ рами.

К бесфлюсовым методам изготовления биметаллических ста­ леалюминиевых изделий относится А1—Fer-процесс, разработан­ ный в ГДР в 1952 г. [260]. Согласно этому процессу обезжирен­ ные и протравленные заготовки погружают в ванну с жидким алюминием, где происходит образование переходных интерметал­ лических соединений. Для улучшения качества алитирования по­ верхности заготовки должны быть обработаны до чистоты не ниже V5. Алитированную заготовку устанавливают в кокиль и заливают расплавленным алюминиевым сплавом.

А1—Fer-процесс применяется для изготовления биметалли­ ческих блоков цилиндров, поршней, подшипников различных дви­ гателей, а также колес компрессоров, тормозных барабанов и не­ которых других деталей.

Технология изготовления сталеалюминиевых изделий через подслой третьего металла [132] предусматривает следующие ос­ новные операции:

обезжиривание и травление заготовок; флюсование заготовок;

погружение заготовок в ванну с расплавленным цинком или другим металлом. При выдержке в ванне с цинком происходит рост интерметаллидов системы Fe—Zn (в основном FeZn;) за счет диффузионных процессов на границе стали с расплавленным цинком;

заливка оцинкованных заготовок алюминиевым сплавом. Введение промежуточного подслоя цинка объясняется необхо­

димостью получения более пластичной переходной зоны для

50

улучшения сплошности соединения двух металлов, так как цинк при заливке растворяется в алюминии. При этом уменьшается также опасность возникновения дефектов в случае захолаживания отдельных участков алитированной поверхности [132].

Такой технологический процесс применяется и для производ­ ства биметаллических отливок чугун — алюминиевые сплавы. При этом технологические режимы усложняются, так как необходимо удалить с поверхности чугуна свободный графит, который препят­

или другими методами [41]. После удаления с поверхности сво­ бодного графита чугунные заготовки проходят тот же технологи­ ческий цикл.

Необходимо отметить, что в настоящее время не применяются вкладыши с алюминиевыми антифрикционными сплавами на чу­ гунном основании, а эксплуатируются вкладыши с заливкой баб­ битами по чугуну.

Бесфлюсовые методы получения биметаллических изделий менее трудоемкие, однако вряд ли они могут обеспечить такую же стабильность процесса, как флюсовые методы, так как при применении флюса происходит подготовка поверхности к алити­ рованию и уменьшается возможность влияния случайных факто­ ров в ходе этого процесса.

Прочность биметаллических соединений, полученных различ­

сплав, разработанный в Советском Союзе, обеспечивает несколько более высокую прочность.

Такой метод получения биметаллических подшипников сталь— алюминиевый сплав А09-2Б для тепловозных дизелей Д100 и 11Д45 был разработан ЦНИИ МПС совместно с Коломенским тепловозостроительным заводом [202]. При разработке ставилась цель получить более высокую прочность сцепления, чем при дру­ гих методах.

В процессе создания этого метода проводились исследования по выбору флюса и состава сплава для алитирования, после чего разрабатывался технологический процесс изготовления вклады­ шей подшипников.

Выбор флюса

К флюсам, применяемым при изготовлении биметаллических из­ делий сталь — алюминиевый сплав, предъявляются следующие основные требования:

51