книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

флюс должен вступать в реакцию с окислами алюминия и же­ леза и давать с ними соединения, которые в последующем легко удалялись бы с поверхности стальной заготовки;

флюс должен обеспечивать смачивание стали алюминиевым сплавом, так как только в этом случае на границе двух сплавов могут идти диффузионные процессы;

остатки флюса должны хорошо удаляться из ванны после али­ тирования и не загрязнять ее.

При выборе флюса для алитирования были исследованы: хло­ ристые и фтористые соли NaCl, NaF, LiF, MgCl2, ZnCl2 и др.;

смеси солей NaCl, KCl, NaF, KF и др.; сложные соли K2ZrF4, Na2BeF4, K2NbF7, K2ZrF6 и т. п.

Определение смачиваемости поверхности стали алюминием проводилось оптическим методом, сущность которого заключается в следующем. На поверхность стального образца наносится про­ веряемый флюс и кусочек твердого алюминия. Стальной образец помещается в трубчатую печь, где нагревается в среде инертного газа. Изменение контура кусочка алюминия фиксируется на экране, помещенном позади трубчатой печи (рис. 20).

Исследования показали, что наилучшее смачивание поверх­ ности образца достигается при применении в качестве флюса фторцирконата калия (K2ZrF6).

Было изучено также растворение окислов железа и алюминия во фторцирконате калия. Выяснено, что соединения AI2O3, К22гР6 и Fe203 образуют эвтектическую смесь с температурой плавле­ ния 670° С.

При проведении алитирования с выбранным флюсом было подмечено, что он не всегда полностью удаляется с поверхности и недостаточно препятствует окислению стали при подсушивании заготовок после флюсования. Изучение влияния присадок различ­

водного раствора.

Рис. 20. Ход лучей в трубчатой печи при фиксировании изменения контура капли алюминия:

1 — источник света; 2 — трубчатая печь с образцом; 3 — линза; 4 — зеркало; в — экран

52

Выбор состава сплава для алитирования

Толщина интерметаллической зоны, полученной при алитировании стальных заготовок, и ее фазовый состав определяют прочность соединения слоев биметаллического изделия. В связи с этим были проведены исследования по выбору оптимального режима алити­ рования стальных заготовок. Критерием оценки различных режи­ мов служила прочность соединения слоев биметалла, определяе­ мая при испытаниях на сдвиг по схеме, показанной на рис. 21.

Образование зоны интерметаллидов на границе раздела стали и алюминиевого сплава происходит за счет диффузионных про­ цессов. Известно, что скорость этих процессов зависит от состава сплава для алитирования и сложности образующихся при этом соединений [85]. Введение присадок в ванну для алитирования изменяет также характер роста интерметаллида на границе сое­ динения.

В связи с этим было исследовано влияние различных приса­

тала), а также совместное влияние титана и цинка. При прове­ дении исследований, кроме определения размеров зоны интерме­ таллидов и оценки прочности соединения слоев, изучалось также качество алитированной поверхности. О качестве поверхности судили по отсутствию на ней неметаллических включений и тем­ ных пятен, являющихся показателем неравномерности алитирую­ щего слоя. Были проведены также микроструктурные и рентгено­

товыми нагревателями. Температура нагрева каждого сплава

5а

разцах, полученных заливкой стальных алитированных заготовок алюминиево-оловянным сплавом при температуре 680—700° С. Толщина заливаемого сплава была в пределах 8—10 мм. Раз­ меры образцов в сечении 10X10 мм. Из результатов испытаний на сдвиг, приведенных в табл. 18, видно, что максимальная проч­ ность соединения достигается при алитировании в сплаве, содер­ жащем 5% Zn и 0,2% Ті. Исследования позволили рекомендовать для алитирования алюминиевый сплав, содержащий 5% Zn и 0,2% Ті. Этот сплав обеспечивает качественную поверхность али­ тирования, минимальную толщину интерметаллической зоны и ■высокую прочность соединения слоев в биметаллическом изделии.

Технологический процесс изготовления вкладышей подшипников

Определение оптимального температурно-временного режима али­ тирования и заливки проводилось при отработке технологии из­

в жидком состоянии вплоть до момента заливки алюминиево-оло­ вянным сплавом (в течение 15—18 сек).

56

Исследования позволили отработать промышленную техноло­ гию изготовления вкладышей. Технология, разработанная ЦНИИ МПС и коломенским тепловозостроительным заводом имени Куй­ бышева, предусматривает следующие операции:

расточка втулок под заливку;

обезжиривание в растворе, содержащем 10-12% NaOH, 10—15% Ыа3Р 0 4;

промывка в горячей воде; травление заготовки в концентрированной соляной кислоте

в течение 10—15 сек; промывка в проточной холодной воде;

нейтрализация в щелочной ванне (10—12-процентный раствор каустической соды) при 90—100° С с выдержкой 7—10 мин(;

промывка в холодной воде; флюсование заготовок путем погружения в насыщенный

раствор фторцирконата калия и фтористого калия при темпера­ туре 60—90° С. Сразу же после извлечения заготовок из флюса поверхность, предназначенную для алитирования, опыляют сухим фторцирконатом калия. Удаление влаги с поверхности заготовки

время на поверхность ванны всплывают продукты взаимодей­ ствия флюса с расплавленным алюминием, которые тщательно' счищают;

заливка заготовок сплавом А09-2Б, которая производится на центробежной машине при скорости вращения 800 об/мин. Тем­ пература алюминиево-оловянного сплава при заливке 700—710° С. Планшайбы должны быть изготовлены с теплоизоляцией из асбо­ цемента (рис. 23). Охлаждение производится спрейером, имею­ щим щелевые отверстия ромбической формы [202].

57'

Определение прочности соединения было проведено на образцах, взятых из отлитых заготовок. Образцы испытывали на сдвиг по схеме, показанной на рис. 21. Результаты испытаний показали, что прочность соединения слоев была в пределах 5—9 кГ/мм2 при сред­ нем значении 7,5 кГ/мм2, т. е. несколько выше прочности, получен­ ной при изготовлении биметалла другими литейными методами.

Толщина слоя интерметаллидов, установленная металлогра­ фическими исследованиями, находится в пределах 20—30 мк. По границе соединения отсутствуют трещины, несплошности, неме­ таллические включения и другие дефекты. На рис. 25 показана граница соединения слоев.

Партия подшипников, изготовленных литейным методом, была испытана на дизелях. Результаты этих испытаний оказались по­ ложительными.

Рис. 25. Микростроение границы соединения слоев (X 500):

1 — сталь; 2 — зона интерметаллидов; 3 — сплав А09-2Б

58

2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛОС

зельных и карбюраторных двигателей. Применение катаных биме­ таллических полос позволяет значительно упростить и удешевить производство вкладышей по сравнению с их изготовлением инди­ видуальной заливкой. Особенно эффективно применение биме­ таллических полос и лент при крупносерийном производстве* когда можно полностью механизировать и даже автоматизи­ ровать процесс изготовления вкладышей [64, 177, 189].

Алюминиевые антифрикционные сплавы плакируют на сталь путем прокатки. Литейный способ получения биметалла здесь не может быть использован из-за образования хрупких по­ граничных прослоек интерметаллидов, которые способствуют отслоению алюминиевого сплава от стали при штамповке вкладышей.

Катаные биметаллические полосы алюминиевые антифрикци­ онные сплавы — сталь начали выпускать с 1953 г., когда в США.

щее время в СССР крупнотоннажное производство биметалли­ ческого проката алюминиевые антифрикционные сплавы — сталь освоено на ряде заводов металлургической, автомобильной и тракторной промышленности. По ГОСТ 14113—69 для плакирова­ ния на сталь предназначаются сплавы ACM, АН2,5, А09-1 и АО20-1. Осваивается также производство биметалла со сплавом типа AS11.

Как показывает многолетняя практика применения подшипни­ ковых вкладышей из катаных биметаллических полос, успешная: их работа возможна только при обеспечении высокого качества проката. Особенно важно гарантировать прочность соединения слоев в биметалле, так как наличие несплошностей способствует

работы составлял 200—500 ч при 30—40% сплошности сцеплениясплава со сталью, до 1000 ч — при сплошности 50—60% и 2000— 3000 ч — при сплошности 80% и выше.

Определенное значение имеет структура сплава в биметалли­ ческой полосе. Крупные включения второй фазы, как правило,, отрицательно влияют на усталостную прочность сплава.

Для обеспечения хорошего теплоотвода от подшипника необ­ ходимо иметь прилегание вкладыша к постели на 80—90%. Это-

59»

П р и м е ч а н и е . В таблице не указаны сплавы, которые не вошли в стандарты.

предъявляет повышенные требования к геометрии отштампован­ ного вкладыша, а следовательно, и к точности размеров биме­ таллической полосы, из которой он штампуется. Кроме того, необ­ ходимо точное соотношение толщин слоев в полосе. А для сохра­ нения заданного натяга вкладыша в подшипнике нужно, чтобы стальная основа в биметалле обладала достаточной релаксацион­ ной стойкостью.

Все эти требования к качеству биметаллов алюминиевые анти­

выборе соответствующего технологического оборудования.

За истекшие 20 лет предложено около десятка технологи­ ческих процессов производства биметаллов с алюминиевыми антифрикционными сплавами [189, 64, 12, 109, 15, 253], довольно подробно описанных в литературе. Некоторые из них применялись лишь для опытного производства, другие были заменены более совершенными.

60

Биметаллические полосы с алюминиевыми антифрикционными сплавами получают путем плакирования сплава на сталь в про­ цессе холодной прокатки пакета с большой степенью обжатия за проход (до 50%). Холодная деформация металла при большом обжатии связана с высокими энергосиловыми затратами и необ­ ходимостью применения мощного прокатного оборудования. Діо при этом способе можно с достаточной точностью учесть нерав­ номерность послойной деформации и обеспечить заданное соотно­ шение слоев в биметалле. Кроме того, максимально упрощается весь технологический процесс производства биметалла.

Для получения биметаллов с алюминиевыми сплавами, имею­ щими легкоплавкую составляющую (например, с алюминиево­ оловянными сплавами), холодная прокатка является наиболее приемлемой из-за наличия оловянной фазы, которая плавится при температуре 228,3° С. Дополнительным доводом в пользу холод­ ной прокатки служит и то обстоятельство, что при температурах выше 200—220° С необходимо принимать меры для защиты стали от окисления, так как образующаяся на ее поверхности окисная пленка ухудшает сварку слоев при прокатке биметалла. і£роме того, в интервале температур 250—400° С уменьшается вязкость малоуглеродистой стали, которая обычно используется для изго­ товления биметалла (явление синеломкости). Это приводит к раз­ рушению стали при деформации в процессе плакировочной про­ катки.

Для предотвращения отрицательного влияния структурных со­ ставляющих алюминиевых антифрикционных сплавов на проч­ ность их соединения со сталью в процессе плакировочной про­ катки сварку слоев ведут через подслой чистого алюминия или малолегированного алюминиевого сплава. Алюминиевый подслой, легко свариваясь как со сталью, так и со сплавом, гарантирует надежное соединение слоев в биметаллической полосе. Лучше всего наносить алюминиевый подслой на заготовку антифрикци­ онного сплава. В этом случае можно дать максимальную вы­ тяжку металлу при прокатке, обеспечивая тем самым надежное соединение сплава с алюминиевым подслоем при наименьших за­ тратах на подготовку соединяемых поверхностей.

Получение заданного соотношения слоев в биметалле в значи­ тельной степени зависит от качества исходных заготовок. Для получения биметалла высокого качества применяют калибрование заготовки с минимальным разбросом прочностных свойств. Сталь­ ная заготовка должна быть хорошо отожжена, чтобы обеспечить достаточную пластичность биметалла при штамповке вкладыша.

Весыѵш—бѳльшие обжатия при., холодном плакировании пред­ варительно алюминированного сплава на сталь, а также потреб­ ность в биметалле значительной толщины и необходимость допол­

ляют применить наиболее прогрессивный способ рулонной про­ катки для получения большинства типоразмеров биметаллического

61

Рис. 26. Схема технологического процесса изготовления биметаллических полос

проката с алюминиевыми антифрикционными сплавами. Как по­ казывает практика производства, в рулоне может быть получен биметалл толщиной до 3,0—3,5 мм. Более толстый биметалл удобнее получать в виде полосового проката.

Принципиальная схема технологического процесса современ­ ного крупнотоннажного производства биметаллического проката

62