Антифрикционная бронза

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Карпенко Михаил Иванович Марукович Евгений Игнатьевич Карпенко Валерий Михайлович Чудаков Сергей Романович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Антифрикционная бронза, содержащая медь, олово, фосфор, железо и хром или цирконий, отличающаяся тем, что дополнительно содержит марганец и бор при следующем соотношении компонентов, мас.олово 1,2-9,5 фосфор 0,4-1,2 железо 0,1-0,4 хром или цирконий 0,3-1,1 марганец 0,2-0,8 бор 0,02-0,20 медь остальное. 2. Антифрикционная бронза по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит 0,03-0,35 мас.нитридов ванадия и титана. Изобретение относится к области металлургии, в частности к области изыскания антифрикционных материалов, и может быть использовано при изготовлении литых деталей для узлов с повышенным сопротивлением износу венцов червячных передач, шнековых приводов, нажимных гаек, червячных колес, гидро- и газодинамических подшипников. Известна стандартная литейная антифрикционная бронза 1, используемая для изготовления деталей для узлов трения с повышенным сопротивлением износу. Эта бронза обладает удовлетворительными литейными и прочностными свойствами, но низкими упругопластическими и эксплуатационными свойствами. Известна также антифрикционная бронза 2, содержащая, мас.никель 14-15 алюминий 8,5-10,5 ниобий 0,5-1,0 10329 1 2008.02.28 железо до 1,0 медь остальное. В литой структуре этого сплава содержится много включений твердых структурных составляющих типа 3, 2 и 3, снижающих способность быстро прирабатываться и легко приспосабливаться к ужесточению условий работы узлов трения и снижающих характеристики коэффициента трения и других антифрикционных свойств. Кроме того, детали из этой бронзы требуют дополнительного длительного отжига при температуре 870-87020 С. По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близкой к предложенной является антифрикционная бронза 3 следующего химического состава, мас.олово 2,0-11 фосфор 0,01-0,8 один или более металлов из группы, содержащей хром,ванадий, цирконий и титан 0,3-2,0 железо и кобальт в сумме до 0,8 медь остальное. Известная бронза в литом состоянии обладает следующими свойствами предел прочности при растяжении - 210-270 МПА относительное удлинение - 3-5 коррозионная стойкость под напряжением - 180-190 ч износостойкость - 91-120 г/м 2 ч твердость НВ 873-890 МПа кавитационно-усталостная выносливость - 160-190 МПа. В условиях интенсивного трения эксплуатационная стойкость и предел выносливости при трении, не превышающий 2500 МПам/с, недостаточен. В значительной степени эти характеристики и эксплуатационная стойкость обусловлены низкими пластическими свойствами этой бронзы. Задача изобретения - повышение пластичности и предела выносливости при трении и эксплуатационной стойкости. Поставленная задача достигается тем, что антифрикционная бронза, содержащая медь,олово, фосфор, железо и хром или цирконий, дополнительно содержит марганец и бор при следующем соотношении компонентов, мас.олово 1,2-9,5 фосфор 0,4-1,2 железо 0,1-0,4 хром или цирконий 0,3-1,1 марганец 0,2-0,8 бор 0,02-0,20 медь остальное. Антифрикционная бронза может также содержать 0,03-0,35 мас.нитридов ванадия и титана. Дополнительное введение в состав бронзы 0,2-0,8 марганца повышает твердость,износостойкость, предел выносливости при трении, сопротивляемость задирам и заеданию при сохранении упругопластических свойств на высоком уровне, что обеспечивает высокие характеристики кавитационно-усталостной выносливости и эксплуатационной стойкости. При содержании марганца до 0,2 предел выносливости при трении, износостойкость и эксплуатационная стойкость недостаточны. При увеличении концентрации марганца более 0,8 снижаются относительное удлинение, ударная вязкость и эксплуатационная стойкость. Дополнительное введение в состав бронзы бора оказывает модифицирующее влияние,измельчает структурные составляющие литого металла, повышает упругопластические,антифрикционные и эксплуатационные свойства. При концентрации до 0,02 его модифицирующий эффект и влияние на структуру и свойства литого металла недостаточны. При увеличении концентрации бора более 0,2 снижается предел выносливости при тре 2 10329 1 2008.02.28 нии, увеличивается содержание в отливках боридов и других твердых структурных составляющих, что снижает коэффициент трения, упругопластические и эксплуатационные свойства. Дополнительное введение в состав бронзы нитридов ванадия и титана измельчает структуру бронзы в отливках, повышает антифрикционные и эксплуатационные свойства. При концентрации нитридов ванадия и титана до 0,03 их влияние на структуру и антифрикционные свойства сказывается незначительно. При увеличении содержания нитридов более 0,35 снижается сопротивляемость бронзы заеданию и задирам, усталостным, коррозионным, кавитационным и абразивным повреждениям, что снижает эксплуатационные свойства. Олово является основным легирующим компонентом, обеспечивающим высокую прирабатываемость деталей в узлах трения и низкие значения коэффициента трения, повышающим предел выносливости при трении и другие эксплуатационные свойства. При концентрации олова до 1,2 в структуре литого металла не получается достаточно мягкой и пластичной металлической основы (-фазы), что снижает динамическую прочность,способность прирабатываться и приспосабливаться к ужесточению условий работы трибосистемы. При увеличении концентраций олова более 9,5 снижаются характеристики износостойкости, сопротивляемости усталостным, кавитационным, коррозионным и абразивным повреждениям, что приводит к снижению эксплуатационной стойкости. Фосфор является недорогим раскисляющим и микролегирующим компонентом, повышающим упругопластические, антифрикционные и эксплуатационные свойства оловянных бронз. При концентрации фосфора до 0,4 снижается жидкотекучесть бронзы и повышается содержание газовых дефектов в отливках, снижаются характеристики антифрикционных и эксплуатационных свойств. При концентрации фосфора более 1,2 снижаются упруго-пластические свойства, предел выносливости при трении и износостойкость. Введение металла из группы, содержащей хром и цирконий, способствует образованию достаточно твердой -фазы в структуре и повышению износостойкости, предела выносливости при трении и эксплуатационной стойкости. При увеличении концентрации металла из этой группы более 1,1 снижаются пластические свойства, коэффициент трения и другие антифрикционные свойства. При концентрации металла из этой группы до 0,3 не отмечается существенного изменения структуры, а следовательно, антифрикционных и эксплуатационных свойств литых заготовок. Железо при концентрации 0,1-0,4 повышает износостойкость, механические и эксплуатационные свойства. При концентрации железа более 0,4 снижаются литейные свойства и пластичность сплава, что приводит к снижению плотности, износостойкости и эксплуатационных свойств. При концентрации железа до 0,1 снижаются характеристики механических свойств, износостойкости и предела выносливости при трении. Присутствие кобальта снижает литейные и антифрикционные свойства, поэтому он исключен из состава предложенной бронзы. Химические составы предлагаемой и известной антифрикционных бронз приведены в табл. 1. Пример конкретного выполнения способа. Выплавку антифрикционных бронз производили в открытых индукционных печах под надежным покровом комбинированного флюса в тиглях из боя магнезитового кирпича(85 ), электрокорунда (13 ) и буры (2 ). Приготовление сплава начинали с загрузки меди 1, ферромарганца ФМг 0,5 и комбинированного флюса, состоящего из хлористых и фтористых солей, содержащих 10-12 буры. Фосфор вводили в виде фосфористой меди, предварительно подогретой до 580-620 С,в расплав при температуре 1200-1220 С в измельченном виде. Фосфористая медь марки МФЗ. После перемешивания расплава и перегрева его до 1280-1320 С проводили тщательную очистку расплава от кислорода и легирование хромом, бором, цирконием и оловом. После легирования и раскисления в расплав вводили измельченные азотированные лигатуры на основе ванадия и титана за 3-5 мин до разливки при непрерывном перемешивании. Расплавы при 1230-1270 С разливали в литейные формы. В табл. 2 приведены механические и эксплуатационные свойства выплавляемых бронз. Таблица 2 КавитаПредел ОтносиВремя до ционновынослиПредел ИзносостойСоставы тельное образоваэрозионная вости при прочности,2 бронзы удлинения задистойкость,трении, кость, г/м ч МПа ние,ра, ч мг/м 2 ч МПам/с 1 255 7,1 122 13,1 2920 72 2 267 8,6 96 15,4 3260 56 3 272 8,2 88 16,2 3330 61 4 228 5,4 136 7,8 2560 82 5 239 5,9 125 9,6 2720 70 6 239 7,3 116 13,2 2950 68 4 Время до образования задира, ч 15,8 16,5 8,2 9,8 13,7 16,4 17,1 8,9 11,6 8,1 Продолжение таблицы 2 Предел вынослиИзносостойвости при 2 трении, кость, г/м ч МПам/с 3320 54 3350 56 2680 77 2790 68 3120 65 3400 52 3370 55 2720 71 2780 67 2420 95 Механические и эксплуатационные испытания проведены на образцах и литых заготовках по стандартным методикам. Стойкость в условиях кавитационно-эрозионного интенсивного износа определена на гидравлических кавитационно-эрозионных стендах с магнитострикционными вибраторами. Исследования структуры темплетов, вырезанных из отливок в литом состоянии, показали, что наиболее плотной структурой, без пористости и трещин, обладали бронзы предложенного состава. Как видно из табл. 2, составы предложенной антифрикционной бронзы обеспечивают более высокие показатели износостойкости и предела выносливости при трении, чем известная антифрикционная бронза. Источники информации 1. Курдюмов А.В., Пискунов М.В., Чурсин В.М. и др. Производство отливок из сплавов цветных металлов. - М. Металлургия, 1986. - С. 196, 200. 2. Патент США 4732602, МПК С 22 С 9/02. 3. Патент Австралии 491543, МПК С 22 С 9/00, 9/02. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5