RU2833648C1 - Wear-resistant antifriction aluminium-based composite material and method for its production - Google Patents
Wear-resistant antifriction aluminium-based composite material and method for its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2833648C1 RU2833648C1 RU2024119251A RU2024119251A RU2833648C1 RU 2833648 C1 RU2833648 C1 RU 2833648C1 RU 2024119251 A RU2024119251 A RU 2024119251A RU 2024119251 A RU2024119251 A RU 2024119251A RU 2833648 C1 RU2833648 C1 RU 2833648C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aluminum
- tin
- wear
- aluminium
- temperature
- Prior art date
Links
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 62
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 58
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 51
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 16
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 title abstract 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 58
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims abstract description 49
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 26
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 10
- 229910021326 iron aluminide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- UJXVAJQDLVNWPS-UHFFFAOYSA-N [Al].[Al].[Al].[Fe] Chemical compound [Al].[Al].[Al].[Fe] UJXVAJQDLVNWPS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011135 tin Substances 0.000 abstract description 46
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 26
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 26
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 abstract 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 39
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 15
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 14
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 10
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 9
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- 229910017091 Fe-Sn Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910017142 Fe—Sn Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 7
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 229910018140 Al-Sn Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910018564 Al—Sn Inorganic materials 0.000 description 4
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 4
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 4
- 229910000951 Aluminide Inorganic materials 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004484 Briquette Substances 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101100110010 Neurospora crassa (strain ATCC 24698 / 74-OR23-1A / CBS 708.71 / DSM 1257 / FGSC 987) asd-4 gene Proteins 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 2
- 239000003831 antifriction material Substances 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 2
- 238000001595 flow curve Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910020900 Sn-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019314 Sn—Fe Inorganic materials 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical group [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000000048 melt cooling Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000009828 non-uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 102220253765 rs141230910 Human genes 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии сплавов на основе алюминия, используемых в узлах трения скольжения.The invention relates to the field of powder metallurgy of aluminum-based alloys used in sliding friction units.
Известен антифрикционный сплав на основе алюминия из патента РФ 2643284, C22C 21/10, C22C 21/06, опубл. 31.01.2018 [1], который может быть использован для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения. Антифрикционный сплав на основе алюминия содержит, мас.%: кремний <1,2; медь 0,7-1,1; магний 3,5-5,5; цинк 4,0-5,5; олово 3,5-4,5; марганец <1,0; титан 0,05-0,25; кремний <1,2; железо <1,2; алюминий остальное. По второму варианту сплав на основе алюминия содержит, мас. %: кремний <1,2, медь 0,7-1,1, магний 3,5-5,5, цинк 4,0-5,5, олово 3,5-4,5, марганец <1,0, цирконий 0,05-0,25, кремний <1,2, железо <1,2, алюминий - остальное. При этом в обоих вариантах прочих примесей каждой в отдельности содержится не более 0,2%, а сумма всех примесей не должна превышать 1,2%. Техническим результатом изобретения является снижение металлоемкости, повышение надежности и стабильности работы деталей.An aluminum-based antifriction alloy is known from Russian patent 2643284, C22C 21/10, C22C 21/06, published 31.01.2018 [1], which can be used to manufacture parts operating under sliding friction conditions. The aluminum-based antifriction alloy contains, wt.%: silicon <1.2; copper 0.7-1.1; magnesium 3.5-5.5; zinc 4.0-5.5; tin 3.5-4.5; manganese <1.0; titanium 0.05-0.25; silicon <1.2; iron <1.2; aluminum is the rest. According to the second embodiment, the aluminum-based alloy contains, wt. %: silicon <1.2, copper 0.7-1.1, magnesium 3.5-5.5, zinc 4.0-5.5, tin 3.5-4.5, manganese <1.0, zirconium 0.05-0.25, silicon <1.2, iron <1.2, aluminum - the rest. In both variants, each of the other impurities individually contains no more than 0.2%, and the sum of all impurities should not exceed 1.2%. The technical result of the invention is to reduce metal consumption, increase the reliability and stability of the parts.
Известен антифрикционный алюминиевый литейный сплав для монометаллических подшипников скольжения из патента РФ 2702531, C22C 21/16, C22C 21/18, опубл. 08.10.2019 [2]. Антифрикционный алюминиевый литейный сплав для монометаллических подшипников скольжения содержит, мас.%: олово 4,5-8, свинец 2-4, медь 3,5-4,5, кремний 0,6-1,0, цинк 2,0-3,0, магний 1,5-2,5, титан 0,03-0,2, хром 0,8-1,2, алюминий - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями нагрузки задира, площади приработки, предела прочности, относительного удлинения и твердости сплава при снижении средней удельной нагрузки.An antifriction aluminum casting alloy for monometallic plain bearings is known from the Russian Federation patent 2702531, C22C 21/16, C22C 21/18, published 08.10.2019 [2]. The antifriction aluminum casting alloy for monometallic plain bearings contains, by weight %: tin 4.5-8, lead 2-4, copper 3.5-4.5, silicon 0.6-1.0, zinc 2.0-3.0, magnesium 1.5-2.5, titanium 0.03-0.2, chromium 0.8-1.2, aluminum - the rest. The alloy is characterized by high values of scuffing load, running-in area, tensile strength, relative elongation and hardness of the alloy with a decrease in the average specific load.
Основным недостатком указанных выше технических решений является большое число легирующих добавок, значительно повышающее стоимость изделий из антифрикционных алюминиевых сплавов, малое содержание мягкой оловянной фазы, не обеспечивающее надежную работу узла трения, а также невысокая износостойкость сплавов при сухом трении.The main disadvantage of the above technical solutions is the large number of alloying additives, which significantly increases the cost of products made from antifriction aluminum alloys, the low content of the soft tin phase, which does not ensure reliable operation of the friction unit, and the low wear resistance of the alloys under dry friction.
Известен способ получения износостойкого антифрикционного сплава из патента РФ 2552208, C22F 1/04, C22C 1/04, C22C 21/00, B22F 3/24, опубл. 10.06.2015 [3]. Способ получения антифрикционного износостойкого сплава на основе алюминия включает смешивание 35-45% вес. порошков элементарного олова и порошков алюминия - остальное, формирование брикетов с пористостью 12-18%, их спекание в безокислительной атмосфере при температуре 585-615°С в течение 45-60 мин с последующим угловым прессованием спеченного сплава с сохранением ориентации плоскости течения материала во время пластической обработки при интенсивности деформации не менее 100%. Техническим результатом изобретения является обеспечение максимальной износостойкости сплава при сухом трении.A method for producing a wear-resistant antifriction alloy is known from Russian patent 2552208, C22F 1/04, C22C 1/04, C22C 21/00, B22F 3/24, published 10.06.2015 [3]. The method for producing an antifriction wear-resistant alloy based on aluminum includes mixing 35-45% by weight of elemental tin powders and aluminum powders - the rest, forming briquettes with a porosity of 12-18%, sintering them in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 585-615 ° C for 45-60 minutes, followed by angular pressing of the sintered alloy while maintaining the orientation of the material flow plane during plastic processing at a deformation intensity of at least 100%. The technical result of the invention is to ensure maximum wear resistance of the alloy under dry friction.
Известен износостойкий композиционный материал на основе алюминия и способ его получения из патента РФ 2714005, C22C 21/02, B22F 3/16, B22F 3/24, 11.02.2020 [4]. Износостойкий композиционный материал на основе алюминия содержит кремний и олово, при этом он содержит алюминий в виде матрицы, легированной 12% кремния, а массовое содержание олова в композите составляет 10-40% по отношению к весу матрицы. Способ получения композиционного материала на основе алюминия включает приготовление смеси исходных порошков, формирование прессовки, спекание с последующим ее уплотнением. При этом формование прессовки проводят до пористости 10-15%, спекание осуществляют с использованием 2-ступенчатого нагрева, сначала при температуре 550±10°С, затем температуру повышают до 570±5°С и выдерживают при указанной температуре, после чего спечённую прессовку подвергают уплотнению до пористости менее 1% в закрытом штампе при температуре выше температуры плавления олова. Изобретение направлено на получение композиционного материала на основе алюминия, обладающего улучшенными триботехническими свойствами, в частности, повышенной прочностью и износостойкостью. A wear-resistant aluminum-based composite material and a method for producing it are known from Russian patent 2714005, C22C 21/02, B22F 3/16, B22F 3/24, 11.02.2020 [4]. The wear-resistant aluminum-based composite material contains silicon and tin, while it contains aluminum in the form of a matrix alloyed with 12% silicon, and the mass content of tin in the composite is 10-40% relative to the weight of the matrix. The method for producing an aluminum-based composite material includes preparing a mixture of initial powders, forming a compact, sintering, and then compacting it. In this case, the molding of the pressing is carried out to a porosity of 10-15%, sintering is carried out using 2-stage heating, first at a temperature of 550±10°C, then the temperature is increased to 570±5°C and maintained at the specified temperature, after which the sintered pressing is compacted to a porosity of less than 1% in a closed die at a temperature above the melting point of tin. The invention is aimed at obtaining a composite material based on aluminum, which has improved tribotechnical properties, in particular, increased strength and wear resistance.
Основным недостатком указанных выше двух последних технических решений является невысокая несущая способность и износостойкость при сухом трении полученных сплавов.The main disadvantage of the last two technical solutions mentioned above is the low load-bearing capacity and wear resistance under dry friction of the obtained alloys.
В качестве прототипа выбран износостойкий антифрикционный материал на основе двухфазного сплава Al-Sn, легированного железом и способ его получения, описанный в патенте RU 2789324, C22C 21/00, опубл. 01.02.2023 [5]. Износостойкий антифрикционный композиционный материал на основе алюминия содержит, мас.%: олово 30-49, железо 5,5-13,4, алюминий остальное, при этом после спекания в материале образованы частицы твёрдых алюминидов железа. Способ получения композиционного материала на основе алюминия включает приготовление смеси порошка из порошковых компонентов, формирование прессовки, двухступенчатое спекание с последующим ее уплотнением. Формирование прессовки проводят до пористости 8-12%, спекают сначала при температуре 525-535°С, затем температуру спекания повышают до 570-710°С и выдерживают при указанной температуре, после чего спечённую прессовку подвергают уплотнению под давлением 295-305 МПа в закрытом штампе. Материал характеризуется высокими механическими и триботехническими свойствами.A wear-resistant antifriction material based on a two-phase Al-Sn alloy doped with iron and a method for producing it described in patent RU 2789324, C22C 21/00, published 01.02.2023 [5] were selected as a prototype. The wear-resistant antifriction composite material based on aluminum contains, by weight %: tin 30-49, iron 5.5-13.4, aluminum the rest, while after sintering, particles of solid iron aluminides are formed in the material. The method for producing a composite material based on aluminum includes preparing a powder mixture from powder components, forming a pressing, two-stage sintering followed by its compaction. The pressing is formed to a porosity of 8-12%, sintered first at a temperature of 525-535°C, then the sintering temperature is increased to 570-710°C and maintained at the specified temperature, after which the sintered pressing is compacted under a pressure of 295-305 MPa in a closed die. The material is characterized by high mechanical and tribotechnical properties.
Основным недостатком прототипа является наличие двуступенчатого режима спекания порошковых прессовок, первая ступень которого обусловлена необходимостью равномерного распространения жидкого олова по прессовке и завершения реакции между Al и Fe с образованием алюминидов железа Al3Fe перед последующим подъёмом температуры спекания. В противном случае твёрдых частиц новой фазы оказывается недостаточно для образования ими каркаса, поддерживающего форму спекаемой прессовки в присутствии расплава. The main disadvantage of the prototype is the presence of a two-stage sintering mode of powder compacts, the first stage of which is due to the need for uniform distribution of liquid tin over the compact and completion of the reaction between Al and Fe with the formation of iron aluminides Al 3 Fe before the subsequent increase in the sintering temperature. Otherwise, the solid particles of the new phase are insufficient to form a framework that supports the shape of the sintered compact in the presence of a melt.
Другим недостатком, обусловленным in-situ сплавообразованием алюминидов, является неравномерное распределение частиц Al3Fe по объёму образца в виде агломератов мелких частиц, образовавшихся на месте исходных порошков железа, что отрицательно сказывается на механических и трибологических свойствах спечённого композита. Another disadvantage caused by in-situ alloy formation of aluminides is the uneven distribution of Al 3 Fe particles throughout the volume of the sample in the form of agglomerates of small particles formed in place of the original iron powders, which negatively affects the mechanical and tribological properties of the sintered composite.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка износостойкого антифрикционного композиционного материала на основе алюминия и способа его получения.The technical problem that the proposed invention is aimed at solving is the development of a wear-resistant antifriction composite material based on aluminum and a method for producing it.
Техническим результатом изобретения является получение по заявленному способу композиционного материала заявленного состава с равномерным распределением частиц твёрдой фазы по объему материала, обладающего улучшенными триботехническими свойствами, в частности повышенной прочностью и износостойкостью.The technical result of the invention is the production, using the claimed method, of a composite material of the claimed composition with a uniform distribution of solid phase particles throughout the volume of the material, possessing improved tribotechnical properties, in particular increased strength and wear resistance.
Указанный технический результат достигается тем, что износостойкий антифрикционный композиционный материал на основе алюминия содержит олово и алюминид железа, при этом он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: олово от 37 до менее 37,7 или от более 37,7 до 38, Al3Fe 17-36, алюминий - остальное.The specified technical result is achieved in that the wear-resistant antifriction composite material based on aluminum contains tin and iron aluminide, and it contains components in the following ratio, wt.%: tin from 37 to less than 37.7 or from more than 37.7 to 38, Al 3 Fe 17-36, aluminum - the rest.
Указанный технический результат достигается также тем, что способ получения композиционного материала на основе алюминия включает приготовление смеси из порошков алюминия, олова и железа, формование прессовки, её спекание и последующее уплотнение, при этом прессовку спекают при температуре 710-720°С с выдержкой при указанной температуре, а уплотнение проводят в закрытом штампе при температуре 250-260°С и давлении 305-350 МПа, при этом получают материал, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас. %: олово от 37 до менее 37,7 или от более 37,7 до 38, Al3Fe 17-36, алюминий - остальное. Формирование прессовки проводят до 8-12%.The specified technical result is also achieved by the fact that the method for producing a composite material based on aluminum includes preparing a mixture of aluminum, tin and iron powders, forming a compact, sintering it and then compacting it, wherein the compact is sintered at a temperature of 710-720°C with holding at the specified temperature, and compaction is carried out in a closed die at a temperature of 250-260°C and a pressure of 305-350 MPa, whereby a material is obtained containing components in the following ratio, wt. %: tin from 37 to less than 37.7 or from more than 37.7 to 38, Al 3 Fe 17-36, aluminum - the rest. Formation of the compact is carried out up to 8-12%.
Раскрытие сущности изобретения.Disclosure of the essence of the invention.
Предлагаемый материал на основе алюминия содержит олово, объёмная доля которого поддерживается постоянной - 20%, а часть алюминия в матрице замещается соединением Al3Fe, введённым в спекаемую смесь в виде мелких порошков. Состав исследуемых сплавов приведён в таблице 1. The proposed aluminum-based material contains tin, the volume fraction of which is maintained constant at 20%, and part of the aluminum in the matrix is replaced by the Al 3 Fe compound introduced into the sintered mixture in the form of fine powders. The composition of the alloys under study is given in Table 1.
Таблица 1. Элементный состав (% масс/% об) и теоретическая плотность спечённых сплавов системы Al-Fe-Sn. Table 1. Elemental composition (% mass/% vol) and theoretical density of sintered alloys of the Al-Fe-Sn system.
(% масс/% об)Alloy number and its composition
(% w/% vol)
Основной причиной адгезионного изнашивания алюминиевых сплавов является их склонность к схватыванию со стальным контртелом при граничном или сухом трении. С целью снижения его интенсивности в алюминий вводят олово и/или другой нерастворяющийся в нём легоплавкий металл, способный выдавливаться на поверхность трения и размазываться тонким слоем, препятствующим схватыванию поверхностей алюминиевого подшипника и вала. С ростом концентрации данных металлов давление схватывания растёт, а интенсивность адгезионного изнашивания снижается. Однако, несмотря на положительный антизадирный эффект указанных металлов, их содержание в алюминии ограничивают. Например, ГОСТ 14113-78 разрешает при наличии жидкой смазки и давлении до 30 МПа использовать в качестве подшипниковых материалов сплавы системы Al-Sn с концентрацией олова не выше 20% (~10% об.). The main cause of adhesive wear of aluminum alloys is their tendency to seize with a steel counterbody during boundary or dry friction. In order to reduce its intensity, tin and/or another insoluble low-melting metal are introduced into aluminum, which can be squeezed out onto the friction surface and spread into a thin layer, preventing the surfaces of the aluminum bearing and shaft from seizing. With an increase in the concentration of these metals, the seizing pressure increases, and the intensity of adhesive wear decreases. However, despite the positive anti-seize effect of these metals, their content in aluminum is limited. For example, GOST 14113-78 allows the use of Al-Sn alloys with a tin concentration of no more than 20% (~10% vol.) as bearing materials in the presence of liquid lubrication and a pressure of up to 30 MPa.
Ограничения по концентрации олова обусловлены тем, что при кристаллизации расплава оно оттесняется на периферию растущих алюминиевых зёрен и образует сеть тонких мягких прослоек, снижающих несущую способность матрицы. При этом добиться разбиения оловянной сетки на изолированные включения не удаётся даже при очень высоких скоростях охлаждения расплава. По указанной причине двухкомпонентные сплавы с высоким содержанием олова ГОСТ рекомендует использовать в виде тонких покрытий на прочных подшипниковых вкладышах - многослойных дорогих и сложных в изготовлении деталей. The limitations on tin concentration are due to the fact that during melt crystallization it is pushed to the periphery of growing aluminum grains and forms a network of thin soft layers that reduce the bearing capacity of the matrix. At the same time, it is not possible to achieve the division of the tin grid into isolated inclusions even at very high melt cooling rates. For this reason, GOST recommends using two-component alloys with a high tin content in the form of thin coatings on durable bearing liners - multilayer expensive and difficult to manufacture parts.
Для изготовления монометаллических подшипников из сплавов на основе Al-Sn в их состав дополнительно вводят различные упрочняющие алюминиевую матрицу элементы - медь, цинк, магний, а также кремний и переходные металлы, образующие при взаимодействии с алюминием твёрдые интерметаллические частицы. Однако, если матричный каркас ослаблен большим количеством межзёренных оловянных прослоек, то указанные меры, направленные на улучшение износостойкости и повышение несущей способности материала за счёт упрочнения зёрен матрицы, оказываются малоэффективными. To manufacture monometallic bearings from Al-Sn-based alloys, various elements that strengthen the aluminum matrix are additionally introduced into their composition - copper, zinc, magnesium, as well as silicon and transition metals that form solid intermetallic particles when interacting with aluminum. However, if the matrix frame is weakened by a large number of intergranular tin layers, then the indicated measures aimed at improving wear resistance and increasing the load-bearing capacity of the material due to strengthening the matrix grains are ineffective.
Авторами было установлено, что если сплавы системы Al-Sn получать не литьём, а путём спекания смеси элементарных порошков, то наличие Al зёрен со средним числом когезионных границ между ближайшими соседями меньше 2-х становится преобладающим только при объёмной доле олова выше 20% (>40% масс). То есть, при указанной концентрации олова и меньше Al каркас сохраняется, как и его способность воспринимать внешнюю нагрузку. The authors found that if the Al-Sn alloys are obtained not by casting, but by sintering a mixture of elemental powders, then the presence of Al grains with an average number of cohesive boundaries between the nearest neighbors of less than 2 becomes predominant only at a volume fraction of tin above 20% (>40% by weight). That is, at the specified concentration of tin and less than Al, the framework is preserved, as is its ability to withstand external load.
После спекания материал зёрен алюминиевой матрицы находится в хорошо отожжённом состоянии, имеет низкий предел текучести σ0,2 = 50-60 МПа и малую твёрдость. При нагружении такого материала матрица начинает деформироваться уже при малой нагрузке, что сопровождается нежелательным изменением формы и размеров изделия. То есть, величина σ0,2 имеет важное значение для антифрикционного материала, поскольку определяет допустимую нагрузку на изготовленные из него подшипники скольжения. В процессе деформации зёрна упрочняются, величина σ0,2 возрастает, и матрица перестает течь при действующей нагрузке. After sintering, the aluminum matrix grain material is in a well-annealed state, has a low yield point σ 0.2 = 50-60 MPa and low hardness. When loading such material, the matrix begins to deform already at a low load, which is accompanied by an undesirable change in the shape and size of the product. That is, the value of σ 0.2 is important for an antifriction material, since it determines the permissible load on friction bearings made from it. During deformation, the grains are strengthened, the value of σ 0.2 increases, and the matrix stops flowing under the current load.
Этого же эффекта можно добиться, если спечённый материал подвергнуть упрочняющей интенсивной обработке прокаткой или экструзией. Правда, при этом поперечные размеры образцов сильно уменьшаются, и соответственно сужается номенклатура возможных изделий из них. Другим нежелательным эффектом интенсивной деформации является утонение зажатых между зёрен оловянных прослоек и снижение их ресурса пластичности, что приводит к низкой пластичности всего материала [3]. Тонкие прослойки начинают разрушаться, образуя расслоения по границам зёрен матрицы. The same effect can be achieved if the sintered material is subjected to intensive strengthening treatment by rolling or extrusion. However, in this case the transverse dimensions of the samples are greatly reduced, and the range of possible products from them is accordingly narrowed. Another undesirable effect of intensive deformation is the thinning of the tin layers sandwiched between the grains and a decrease in their plasticity resource, which leads to low plasticity of the entire material [3]. Thin layers begin to collapse, forming delaminations along the boundaries of the matrix grains.
Чтобы избежать применения упрочняющей интенсивной деформационной обработки и обусловленного ею снижения пластичности спечённого материала было предложено авторами в спекаемую смесь порошков Al и Sn внести порошки твёрдых тугоплавких частиц с тем, чтобы они, располагаясь между зёрнами матрицы, препятствовали их сближению и утонению межзёренных оловянных прослоек. Поскольку твёрдые частицы в этом случае контактируют и с Al зёрнами, и с окружающим их оловом, то для формирования прочных адгезионных межфазных границ желательно, чтобы они хорошо смачивались и оловом, и алюминием. В этом качестве подходят, например, алюминиды переходных металлов типа Al3Fe, поскольку содержащиеся в них атомы, согласно диаграммам фазового равновесия, могут взаимодействовать с окружающими их Al и Sn фазами с установлением прочных адгезионных связей. In order to avoid the use of strengthening intensive deformation treatment and the resulting decrease in the plasticity of the sintered material, the authors proposed adding powders of hard refractory particles to the sintered mixture of Al and Sn powders so that they, located between the matrix grains, prevent their convergence and thinning of the intergranular tin layers. Since the hard particles in this case are in contact with both the Al grains and the tin surrounding them, it is desirable for them to be well wetted by both tin and aluminum to form strong adhesive interphase boundaries. For example, transition metal aluminides of the Al 3 Fe type are suitable for this purpose, since the atoms contained in them, according to phase equilibrium diagrams, can interact with the surrounding Al and Sn phases to establish strong adhesive bonds.
Указанный подход был опробован на примере порошковой системы Al-Sn-Fe. Спечённые композиты данной системы демонстрировали хорошую износостойкость при сухом трении по стальному контртелу, высокие механические свойства, и материал, заявленный в патенте [5], был выбран в качестве прототипа. Источником тугоплавких твёрдых частиц в данном материале служили порошки железа, которые вводились в смесь элементарных порошков Al и Sn. При спекании атомы алюминия диффундировали в порошки железа и образовывали слой продуктов реакции из тугоплавкого интерметаллического соединения Al3Fe. Слой по мере его роста растрескивался, и на месте порошинок железа оставались агломераты из мелких частиц Al3Fe, сцементированных оловом. То есть, частицы твёрдой фазы распределяются по объёму спечённого композита неравномерно в виде компактных скоплений. The specified approach was tested on the example of the Al-Sn-Fe powder system. The sintered composites of this system demonstrated good wear resistance during dry friction on a steel counterbody, high mechanical properties, and the material declared in the patent [5] was chosen as a prototype. The source of refractory solid particles in this material were iron powders, which were introduced into a mixture of elemental Al and Sn powders. During sintering, aluminum atoms diffused into the iron powders and formed a layer of reaction products from the refractory intermetallic compound Al 3 Fe. As the layer grew, it cracked, and in place of the iron powder particles there remained agglomerates of small Al 3 Fe particles cemented with tin. That is, the particles of the solid phase are distributed unevenly throughout the volume of the sintered composite in the form of compact clusters.
Также усложняет процедуру получения композита необходимость выдерживать спекаемые прессовки при относительно низкой температуре с целью завершения процессов сплавообразования между алюминием и железом с целью образования большого количества частиц Al3Fe, способных формировать каркас, поддерживающий форму прессовки при плавлении алюминиевой матрицы во время жидкофазного спекания. The procedure for obtaining the composite is also complicated by the need to maintain the sintered compacts at a relatively low temperature in order to complete the alloying processes between aluminum and iron in order to form a large number of Al 3 Fe particles capable of forming a framework that supports the shape of the compact when the aluminum matrix melts during liquid-phase sintering.
С целью избежания неоднородного распределения компонентов в спечённых композитах системы Al-Fe-Sn и сокращения времени их получения, авторы предлагают вместо порошков железа использовать готовые порошки соединения Al3Fe. Прессовки из таких смесей при достаточном количестве твёрдых тугоплавких частиц можно сразу нагревать до температуры выше точки плавления алюминия, не дожидаясь, как в прототипе, окончания реакции сплавообразования между алюминием и железом. In order to avoid non-uniform distribution of components in sintered composites of the Al-Fe-Sn system and reduce the time of their production, the authors propose to use ready-made powders of the Al 3 Fe compound instead of iron powders. Presses from such mixtures with a sufficient amount of solid refractory particles can be immediately heated to a temperature above the melting point of aluminum, without waiting, as in the prototype, for the end of the alloying reaction between aluminum and iron.
Минимальное количество частиц Al3Fe, позволяющее спекаемым прессовкам сохранять приданную им форму, легко определяется экспериментальным путём при нагреве образцов выше температуры плавления алюминия. Максимальное количество твёрдых частиц в композитах антифрикционного назначения определяется совокупностью их механических и триботехнических свойств. Большое количество жидкой фазы, образующееся при расплавлении Al, позволяет получать материалы с малой остаточной пористостью, для удаления которой будет достаточно простого обжатия образцов в закрытой пресс-форме, не прибегая к методам интенсивной пластической обработки типа прокатки или экструзии. The minimum amount of Al 3 Fe particles that allows sintered compacts to retain their given shape is easily determined experimentally by heating samples above the melting point of aluminum. The maximum amount of solid particles in antifriction composites is determined by the combination of their mechanical and tribotechnical properties. A large amount of liquid phase formed during melting of Al allows obtaining materials with low residual porosity, which can be removed by simply compressing the samples in a closed press mold, without resorting to methods of intensive plastic processing such as rolling or extrusion.
Изобретение иллюстрируется фигурами 1-4. The invention is illustrated by figures 1-4.
На фиг. 1 представлена фотография исходного порошка Al3Fe. Fig. 1 shows a photograph of the original Al 3 Fe powder.
На фиг. 2 представлены фотографии структуры спеченных и подвергнутых последующему доуплотнению композитов Al-Fe-Sn с разным содержанием частиц Al3Fe (% вес.): 17(а); 24(б); 30(в); 36(г). Температура спекания - 710°С. Время выдержки - 60 мин. Светлая фаза - олово.Fig. 2 shows photographs of the structure of sintered and subsequently compacted Al-Fe-Sn composites with different contents of Al 3 Fe particles (% by weight): 17 (a); 24 (b); 30 (c); 36 (d). Sintering temperature - 710°C. Holding time - 60 min. Light phase - tin.
На фиг. 3 представлены кривые сжатия заявляемых композитов Al-Fe-Sn, структура которых приведена на фиг 2, а также их аналогов. Fig. 3 shows the compression curves of the claimed Al-Fe-Sn composites, the structure of which is shown in Fig. 2, as well as their analogues.
На фиг. 4 приведены изображения структуры под поверхностью трения композитов 2(а, б), 3(в), 4(г) и 5(д), а также поверхность трения композита 2(е). Температура спекания: 620°С (a), 710°С (б-е). Давление – 5 МПа. Скорость скольжения – 0,6 м/с, путь трения – 1000 м. Fig. 4 shows images of the structure under the friction surface of composites 2(a, b), 3(c), 4(d) and 5(d), as well as the friction surface of composite 2(e). Sintering temperature: 620°C (a), 710°C (b-e). Pressure – 5 MPa. Sliding speed – 0.6 m/s, friction path – 1000 m.
Изобретение осуществляется следующим образом. The invention is carried out as follows.
Вначале спеканием получают брикеты под горячее прессование в закрытом штампе. Для этого порошки олова марки ПО 2 в количестве олово от 37 до менее 37,7 или от более 37,7 до 38 мас.%, молотые исходные порошки Al3Fe (фиг 1) в количестве 17-36 мас.% и порошки алюминия марки АСД-4 - остальное, смешивали до однородного состояния, а затем прессовали из них брикеты с пористостью 8-12%. Брикеты помещали в печь с безокислительной атмосферой, нагревали до 710-720°С и выдерживали в течение 60 минут. First, briquettes for hot pressing in a closed die are obtained by sintering. For this, tin powders of grade PO 2 in an amount of tin from 37 to less than 37.7 or from more than 37.7 to 38 wt.%, ground initial powders Al 3 Fe (Fig. 1) in an amount of 17-36 wt.% and aluminum powders of grade ASD-4 - the rest, were mixed until a homogeneous state, and then briquettes with a porosity of 8-12% were pressed from them. The briquettes were placed in a furnace with a non-oxidizing atmosphere, heated to 710-720 ° C and held for 60 minutes.
При спекании брикетов с большей исходной пористостью наблюдалась их значительная и неравномерная усадка, приводящая к существенному искажению формы и размеров прессовок и ухудшению качества их поверхности. В плотных прессовках с пористостью < 8% образуется много закрытых пор, заполненных захваченными из атмосферы газами. При жидкофазном спекании сжатый в порах газ препятствует усадке образцов. В результате, после спекания материал содержал много крупных остаточных пор, значительно снижающих его прочность и пластичность. После спекания брикетов с оптимальной исходной пористостью поры в них были мелкими и равномерно распределенными по объему образца, их объёмная доля в образцах не превышала 3-5%. Далее доуплотнению до пористости 1% не подвергались только образцы сплава № 1, так как во время спекания они теряли свою форму из-за недостаточной объёмной доли в них твёрдых частиц.During sintering of briquettes with a higher initial porosity, their significant and uneven shrinkage was observed, leading to a significant distortion of the shape and size of the compacts and deterioration of their surface quality. In dense compacts with a porosity of < 8%, many closed pores are formed, filled with gases captured from the atmosphere. During liquid-phase sintering, the gas compressed in the pores prevents shrinkage of the samples. As a result, after sintering, the material contained many large residual pores, significantly reducing its strength and plasticity. After sintering of briquettes with optimal initial porosity, the pores in them were small and uniformly distributed throughout the volume of the sample, their volume fraction in the samples did not exceed 3-5%. Only samples of alloy No. 1 were not subjected to further compaction to a porosity of 1%, since they lost their shape during sintering due to an insufficient volume fraction of solid particles in them.
При расплавлении алюминиевых порошинок жидкий алюминий начинает смешиваться с окружающим частицы Al3Fe жидким оловом. Форму прессовок в это время поддерживает каркас, сформировавшийся из частиц тугоплавкой фазы. При содержании частиц менее 17 % вес. спекаемый брикет терял форму и оплавлялся. When aluminum powders melt, liquid aluminum begins to mix with liquid tin surrounding the Al 3 Fe particles. At this time, the shape of the compacts is supported by a framework formed from particles of the refractory phase. When the particle content is less than 17% by weight, the sintered briquette loses its shape and melts.
В процессе выдержки при 710-720ºС составляющие каркас частицы слегка растворяются в окружающем их расплаве, выходят из зацепления и обретают возможность к перегруппировке под влиянием капиллярных сил. Пористость композитов снижается, а прилегание фаз и структура межфазных границ улучшается. Указанная перекристаллизация частиц Al3Fe через жидкую фазу сопровождается их укрупнением и ослаблением образуемого ими каркаса, поэтому температура спекания образцов с минимальным содержанием алюминидов железа 17 % вес. ограничивалась 710-720ºС и временем выдержки 60 минут. Превышение указанных параметров спекания приводило к искажению формы прессовок и их оплавлению. During holding at 710-720ºС, the particles constituting the framework slightly dissolve in the surrounding melt, disengage and acquire the ability to rearrange under the influence of capillary forces. The porosity of the composites decreases, and the adhesion of the phases and the structure of the interphase boundaries improve. The said recrystallization of Al 3 Fe particles through the liquid phase is accompanied by their enlargement and weakening of the framework they form, therefore the sintering temperature of the samples with a minimum iron aluminide content of 17% by weight was limited to 710-720ºС and a holding time of 60 minutes. Exceeding the said sintering parameters led to distortion of the shape of the compacts and their melting.
Поскольку усадка спекаемых образцов контролировалась медленными диффузионными процессами «растворения-осаждения», то она не обеспечивала полного устранения пор за разумное время спекания. Остаточные поры существенно снижали пластичность и прочность композитов. Для их устранения спечённые образцы помещались в пресс-форму и нагревались до 250-260 ºС, а затем подвергались прессованию при давлении 305-350 МПа, в ходе которого поры сжимались и заполнялись жидким оловом, что приводило к улучшению пластичности композита. Материал после уплотнения становился более пластичным и мог подвергаться большим деформациям, приводящим к сильному его упрочнению. Достигнутые значения σ0,2 и σВ при сжатии отличающихся по составу композитов приведены в таблице 2, а кривые их течения приведены на фиг. 3. Since the shrinkage of the sintered samples was controlled by slow diffusion processes of "dissolution-precipitation", it did not ensure complete elimination of pores in a reasonable sintering time. Residual pores significantly reduced the plasticity and strength of the composites. To eliminate them, the sintered samples were placed in a press mold and heated to 250-260 ºС, and then pressed at a pressure of 305-350 MPa, during which the pores were compressed and filled with liquid tin, which improved the plasticity of the composite. After compaction, the material became more plastic and could be subjected to large deformations, leading to its strong strengthening. The achieved values of σ 0.2 and σ B during compression of composites with different compositions are given in Table 2, and their flow curves are shown in Fig. 3.
Таблица 2. Механические и триботехнические свойства спечённых композитов Al-Fe-Sn и их прототипа после горячей допрессовки (ГП) в закрытом штампе. Table 2. Mechanical and tribological properties of sintered Al-Fe-Sn composites and their prototype after hot pressing (HP) in a closed die.
°С; часReceiving mode:
°C; hour
Коэффициент трения (µ)Wear intensity, (µm/m)/
Coefficient of friction (µ)
МПаσ 0.2 ,
MPa
МПаσ B ,
MPa
%δ,
%
Приведённые на фиг. 3 кривые течения σ(δ) имеют одинаковое строение – за коротким участком линейного упрочнения следует участок параболического упрочнения в ходе которого скорость деформационного упрочнения материала постепенно убывает и в точке σB стабилизируется при максимальном значении σ. За ней следует короткий отрезок, где σ(δ) = σB, а затем длинный пологий участок разупрочнения материала. Максимальная прочность сжимаемых образцов достигается при сжатии их на δ = 8-13%. Скорость деформационного упрочнения композиционных образцов растёт с ростом концентрации в них твёрдых частиц, при этом достигаемая величина σB также оказывается выше. Поскольку в исследуемых композитах упрочняться могут только зёрна алюминиевой матрицы, то это означает, что с ростом концентрации твёрдых частиц объёмная доля алюминиевой фазы снижается, и при равной величине осадки образцов δ её зёрна испытывают большую деформацию. Из приведённых кривых сжатия σ(δ) также следует, что в качестве упрочняющей обработки достаточно подвергнуть исследуемые композиты обжатию на 4-6%. В результате материал сильно упрочняется, лишь немного не достигая σB, но при этом у него ещё сохраняется небольшой запас пластичности. The flow curves σ(δ) shown in Fig. 3 have the same structure: a short section of linear hardening is followed by a section of parabolic hardening, during which the rate of strain hardening of the material gradually decreases and stabilizes at the point σ B at the maximum value of σ. It is followed by a short section where σ(δ) = σ B , and then a long flat section of material softening. The maximum strength of compressible samples is achieved when they are compressed by δ = 8-13%. The rate of strain hardening of composite samples increases with an increase in the concentration of solid particles in them, and the achieved value of σ B is also higher. Since only the grains of the aluminum matrix can be hardened in the studied composites, this means that with an increase in the concentration of solid particles, the volume fraction of the aluminum phase decreases, and with an equal value of sample settlement δ, its grains experience greater deformation. From the given compression curves σ(δ) it also follows that as a strengthening treatment it is sufficient to subject the studied composites to compression by 4-6%. As a result, the material is greatly strengthened, only slightly short of reaching σ B , but at the same time it still retains a small reserve of plasticity.
Из таблицы следует, что после допрессовки спечённый при 710°С композит демонстрирует лучшую пластичность, чем композит, спечённый при температуре ниже точки плавления алюминия. Обусловлено это тем, что спечённый при 710°С материал имеет меньшую пористость, и при допрессовке в закрытом штампе испытал меньшую деформацию, а значит и утончение межзёренных прослоек было меньше. А поскольку ресурс пластичности прослоек зависит от их толщины, то закономерно, что высокая температура спекания композита благоприятно сказывается на его пластичности. В свою очередь, высокая пластичность при равной прочности способствует повышению износостойкости материала, поскольку частицы износа образуются после больших деформаций поверхностного слоя. Это хорошо видно из таблицы 2, и на фото структуры приповерхностного слоя на фиг. 4. It follows from the table that after additional pressing, the composite sintered at 710°C demonstrates better plasticity than the composite sintered at a temperature below the melting point of aluminum. This is due to the fact that the material sintered at 710°C has lower porosity, and during additional pressing in a closed die it experienced less deformation, which means that the thinning of the intergranular layers was less. And since the plasticity resource of the layers depends on their thickness, it is natural that a high sintering temperature of the composite has a favorable effect on its plasticity. In turn, high plasticity with equal strength contributes to an increase in the wear resistance of the material, since wear particles are formed after large deformations of the surface layer. This is clearly seen from Table 2, and in the photo of the structure of the near-surface layer in Fig. 4.
На фотографии структуры под поверхностью трения видно, что перед образованием частиц износа зёрна матрицы испытывают большую деформацию – вытягиваются в направлении скольжения стального диска и утончаются в перпендикулярном направлении, так что их границы становятся параллельными поверхности трения. Частицы Al3Fe оказываются зажатыми между сближающимися и упрочняющимися зёрнами, они постепенно разрушаются и измельчаются. Зажатые между зёрнами прослойки олова также вытягиваются и утончаются. То есть, вблизи поверхности трения структура композитов меняется и больше напоминает слоистую. По достижении критической величины деформации зёрна начинают отслаиваться от поверхности трения, и расслой проходит по исчерпавшим ресурс пластичности оловянным прослойкам. На месте отслоившихся зёрен на поверхности трения образуются углубления, заполненные мелкими частицами оксидов и алюминидов (фиг. 4б). The photograph of the structure under the friction surface shows that before the formation of wear particles, the matrix grains undergo a large deformation - they stretch in the direction of sliding of the steel disk and become thinner in the perpendicular direction, so that their boundaries become parallel to the friction surface. The Al 3 Fe particles are squeezed between the approaching and strengthening grains, they gradually collapse and become smaller. The tin layers squeezed between the grains are also stretched and become thinner. That is, near the friction surface, the structure of the composites changes and more closely resembles a layered structure. Upon reaching a critical deformation value, the grains begin to peel off from the friction surface, and the layering passes through the tin layers that have exhausted their plasticity resource. In place of the peeled grains, depressions filled with small particles of oxides and aluminides are formed on the friction surface (Fig. 4b).
Таким образом, частицы Al3Fe сдерживают сближение деформируемых зёрен и замедляют их отслоение, однако после удаления верхнего слоя зёрен оказываются на поверхности трения и воспринимают внешнюю нагрузку. В этом случае на поверхности трения их удерживает вязкий слой олова. Когда частиц в композите много, то не все частицы оказываются окружёнными оловом, и такие частицы слабо удерживаются на поверхности трения. Интенсивность изнашивания композита с большим количеством твёрдых частиц возрастает (табл. 2). Thus, Al 3 Fe particles restrain the approach of deformable grains and slow down their delamination, but after the removal of the upper layer of grains they appear on the friction surface and perceive the external load. In this case, they are held on the friction surface by a viscous layer of tin. When there are many particles in the composite, not all particles are surrounded by tin, and such particles are weakly held on the friction surface. The wear intensity of the composite with a large number of hard particles increases (Table 2).
Примеры конкретного выполнения. Examples of specific implementation.
Пример 1Example 1
Для примера 1 использовался состав порошковой смеси указанный в таблице 1 под номером 2.For example 1, the composition of the powder mixture indicated in Table 1 under number 2 was used.
Порошки олова марки ПО 2 в количестве 38% масс., молотые порошки Al3Fe в количестве 17% масс. и порошки алюминия марки АСД-4 - остальное, смешивали до однородного состояния, а затем прессовали из них брикеты с пористостью 8-12%. Брикеты помещали в печь с безокислительной атмосферой, нагревали до 710 °С и выдерживали в течение 60 минут. Затем подвергали горячей допрессовке при 250°С в закрытой пресс-форме с целью повышения их плотности и механических свойств. Давление уплотнения составило 305 МПа. Затем проводили доуплотнение брикета до пористости 1%.Tin powders of grade PO 2 in the amount of 38% by weight, ground powders of Al3Fe in the amount of 17% by weight and aluminum powders of grade ASD-4 - the rest, were mixed until homogeneous, and then pressed from them into briquettes with a porosity of 8-12%. The briquettes were placed in a furnace with a non-oxidizing atmosphere, heated to 710 °C and held for 60 minutes. Then they were subjected to hot additional pressing at 250 °C in a closed press mold in order to increase their density and mechanical properties. The compaction pressure was 305 MPa. Then additional compaction of the briquette was carried out to a porosity of 1%.
Далее из полученного композиционного материала вырезались прямоугольные образцы для испытаний на сжатие размером 5х5х10 мм и на износостойкость при сухом трении по диску из закалённой стали марки 40Х по схеме «палец-диск». Полученные в ходе испытаний значения механических и триботехнических свойств композитов занесены в таблицу 2. Next, rectangular samples of 5x5x10 mm in size were cut from the obtained composite material for compression testing and for wear resistance during dry friction on a disk made of hardened grade 40X steel using the “pin-disk” scheme. The values of mechanical and tribotechnical properties of the composites obtained during the tests are listed in Table 2.
Примеры 2-4Examples 2-4
Для примеров 2-4 использовались составы порошковой смеси указанные в таблице 1 под номером 3, 4, 5. Примеры 2-4 проводили аналогично примеру 1. For examples 2-4, the powder mixture compositions indicated in Table 1 under numbers 3, 4, 5 were used. Examples 2-4 were carried out similarly to example 1.
Отличиями примеров 2-4 были проведение технологических операций по параметрам режимов заявленных в формуле изображения пределах. The differences between examples 2-4 were the implementation of technological operations according to the parameters of the modes declared in the image formula within the limits.
Аналогично примеру 1 проводились испытания полученных композиционных материалов по примерам 2-4, результаты которых представлены в таблице 2.Similar to example 1, tests of the obtained composite materials were carried out according to examples 2-4, the results of which are presented in table 2.
Из приведённых данных таблицы 2 следует, что при сохранении объёмной доли олова в спечённых композитах системы Al-Fe-Sn 20% их прочность при увеличении концентрации железа растёт, а пластичность почти не меняется и сохраняется на уровне 11-15%. Тогда как прочность прототипа с ростом концентрации также росла, но пластичность их быстро понижалась. From the data provided in Table 2 it follows that while maintaining the volume fraction of tin in sintered composites of the Al-Fe-Sn system at 20%, their strength increases with an increase in the iron concentration, while their plasticity remains almost unchanged and remains at a level of 11-15%. Whereas the strength of the prototype also increased with an increase in concentration, their plasticity quickly decreased.
Помимо прочности и пластичности важной характеристикой подшипниковых материалов является их способность сопротивляться истиранию при фрикционном контакте со стальным контртелом. Наиболее быстро сравнительные результаты по их износостойкости получают при сухом трении, проведённом в одинаковых внешних условиях. Например, это позволяет сделать схема испытаний «палец-диск», получившая широкое распространение из-за простоты её исполнения. Испытания по данной схеме проводились при той же, что и испытания прототипа, скорости скольжения (0,6 м/с) и давлении (1-5 МПа). Радиус дорожки трения и размеры испытываемых образцов также были идентичными. Полученные результаты по износостойкости спечённых композитов системы Al-Fe-Sn приведены в таблице 2. In addition to strength and plasticity, an important characteristic of bearing materials is their ability to resist abrasion during frictional contact with a steel counterbody. The fastest comparative results on their wear resistance are obtained with dry friction, carried out under identical external conditions. For example, this can be done using the "pin-disk" test scheme, which has become widespread due to the simplicity of its implementation. Tests according to this scheme were carried out at the same sliding speed (0.6 m/s) and pressure (1-5 MPa) as the prototype tests. The friction track radius and the dimensions of the tested samples were also identical. The obtained results on the wear resistance of sintered composites of the Al-Fe-Sn system are given in Table 2.
Из представленных здесь результатов следует, что при фиксированном оптимальном содержании олова увеличение концентрации алюминидов железа выше 17% масс. приводит к плавному повышению износостойкости композитов во всём диапазоне исследованных давлений, и только при концентрации их 38% и выше износостойкость начинает снижаться. Последующий рост концентрации частиц Al3Fe ухудшает способность композитов сопротивляться истиранию при сухом трении о стальное контртело. The results presented here show that, at a fixed optimum tin content, an increase in the iron aluminide concentration above 17% by weight leads to a smooth increase in the wear resistance of the composites over the entire range of pressures studied, and only at a concentration of 38% and above does the wear resistance begin to decrease. A subsequent increase in the concentration of Al 3 Fe particles worsens the ability of the composites to resist abrasion during dry friction against a steel counterbody.
Аналогичным образом менялась интенсивность изнашивания образцов Ih, взятых за прототип. У состава 2 величина Ih была заметно больше, чем у заявляемого композита с тем же содержанием железа, но по мере роста концентрации частиц Al3Fe быстро снижалась, и у образцов состава 4 интенсивность изнашивания была практически одинаковой, не зависимо от способа их получения (табл. 2). Износостойкость образцов состава 5 в обоих случаях начала ухудшаться, но у прототипа была выше, чем у заявляемого композита. The wear rate of the Ih samples taken as a prototype changed in a similar manner. The value of Ih for composition 2 was significantly higher than that of the claimed composite with the same iron content, but as the concentration of Al 3 Fe particles increased, it rapidly decreased, and the wear rate of the composition 4 samples was practically the same, regardless of the method of their production (Table 2). The wear resistance of the composition 5 samples began to deteriorate in both cases, but that of the prototype was higher than that of the claimed composite.
Таким образом, композиты, полученные по предложенному способу, демонстрируют более высокую прочность во всём исследованном диапазоне концентраций железа по сравнению с образцами прототипа того же состава. Пластичность их при высоких концентрациях железа также лучше, чем у прототипа. Износостойкость легированных частицами Al3Fe композитов также выше, чем износостойкость образцов прототипа с равным составом до тех пор, пока концентрация твёрдых частиц не превысит 38% и число хрупких контактов между частицами не достигнет значительной величины. Thus, the composites obtained by the proposed method demonstrate higher strength in the entire studied range of iron concentrations compared to the prototype samples of the same composition. Their plasticity at high iron concentrations is also better than that of the prototype. The wear resistance of the composites alloyed with Al 3 Fe particles is also higher than the wear resistance of the prototype samples with the same composition until the concentration of solid particles exceeds 38% and the number of brittle contacts between particles reaches a significant value.
Claims (9)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2833648C1 true RU2833648C1 (en) | 2025-01-28 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2323992C1 (en) * | 2006-07-31 | 2008-05-10 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Caked antifrictional alloy with copper in the base |
| RU2552208C2 (en) * | 2013-05-17 | 2015-06-10 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Method for obtaining wear-resistant antifriction alloy |
| WO2016004971A1 (en) * | 2014-07-07 | 2016-01-14 | Rimsa Metal Technology, S.A. | Alloy for friction material |
| RU2789324C1 (en) * | 2022-07-06 | 2023-02-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Wear-resistant antifriction material based on a two-phase al-sn alloy alloyed with iron, and a method for its production |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2323992C1 (en) * | 2006-07-31 | 2008-05-10 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Caked antifrictional alloy with copper in the base |
| RU2552208C2 (en) * | 2013-05-17 | 2015-06-10 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Method for obtaining wear-resistant antifriction alloy |
| WO2016004971A1 (en) * | 2014-07-07 | 2016-01-14 | Rimsa Metal Technology, S.A. | Alloy for friction material |
| RU2789324C1 (en) * | 2022-07-06 | 2023-02-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Wear-resistant antifriction material based on a two-phase al-sn alloy alloyed with iron, and a method for its production |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Rusin Nikolay M. Et al., Effect of the Reinforcing Particle Introduction Method on the Tribomechanical Properties of Sintered Al-Sn-Fe Alloys, Metals 2023, vol.13, Issue 8, 1483, стр.3, табл.1. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4451913B2 (en) | Method for producing Ti particle-dispersed magnesium-based composite material | |
| EP1975260A1 (en) | Copper base sintered slide member | |
| US9028582B2 (en) | Process for production of sintered copper alloy sliding material and sintered copper alloy sliding material | |
| JP4397425B1 (en) | Method for producing Ti particle-dispersed magnesium-based composite material | |
| Rusin et al. | Mechanical and tribological properties of sintered aluminum matrix Al–Sn composites reinforced with Al3Fe particles | |
| RU2833648C1 (en) | Wear-resistant antifriction aluminium-based composite material and method for its production | |
| JPH0625386B2 (en) | Method for producing aluminum alloy powder and sintered body thereof | |
| JP2018040034A (en) | Mg-BASED COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND SLIDING MEMBER | |
| JP4401326B2 (en) | Method for producing high-strength wear-resistant aluminum sintered alloy | |
| Youseffi et al. | PM processing of elemental and prealloyed 6061 aluminium alloy with and without common lubricants and sintering aids | |
| JP4008597B2 (en) | Aluminum-based composite material and manufacturing method thereof | |
| JP2007100200A (en) | Aluminum alloy for bearings | |
| RU2789324C1 (en) | Wear-resistant antifriction material based on a two-phase al-sn alloy alloyed with iron, and a method for its production | |
| JP7266269B2 (en) | Mg-based sintered composite material, manufacturing method thereof, and sliding member | |
| Rusin et al. | Improving the tribological properties of self-lubricating Al-Sn alloys by their severe plastic processing | |
| Abdoos | Sintered steel composites reinforced with ceramic nanoparticles: fabrication, characteristics and wear behavior | |
| Rusin et al. | Effect of the Parameters of Forging with Various Pressing Axis on the Structure and Mechanical Properties of the Sintered Al–7Fe–38Sn Alloy | |
| US3728089A (en) | Aluminum-silicon base sintered porous bearing metals | |
| RU2714005C1 (en) | Wear-resistant composite material based on aluminum and method of its production | |
| Vladimirova et al. | Development of heat-and wear-resistant nanocomposite copper powder based material and technique of its obtaining used for plungers of die-casting machines | |
| RU2378404C2 (en) | Method of receiving of antifriction powder material on basis of copper | |
| Rusin et al. | Structure and tribomechanical properties of sintered Al–Sn–Pb composites | |
| RU2396144C2 (en) | Composition of anti-friction powder materials on base of copper | |
| RU2320537C2 (en) | Method of preparing granules for manufacturing antifriction material | |
| WO2001034330A1 (en) | Aluminium alloy and method for the production thereof |