Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления заготовок из антифрикционной бронзы литьем с последующей экструзией

Область техники

Способ относится к области металлургии цветных металлов, в частности к способам получения литых заготовок из антифрикционных оловянно-свинцовых бронз типа БрО10С2Н3, предназначенных для диффузионной сварки со сталью, для создания узлов трения средней нагрузки и скоростей скольжения.

Уровень техники

Одним из способов изготовления антифрикционных пар сталь-бронза является диффузионная сварка. По сравнению с другими методами она обладает рядом преимуществ: возможностью сваривать готовые изделия, прошедшие термообработку, минимизацией воздействия на микроструктуру свариваемых материалов, низкими термическими напряжениями. Для лучшего протекания диффузионных процессов необходимо высокое качество подготовки поверхности свариваемых материалов.

Известен способ получения бронзовых заготовок для диффузионной сварки методами наполнительного литья (Белов В.Д., Герасименко Е.А., Гусева В.В., Коновалов А.Н. Влияние условий затвердевания заготовок из оловянистой бронзы БрО10С2Н3 на её структуру // Литейное производство. 2016. № 2. С. 26-33). При наполнительном литье оловянных бронз наблюдается зональная ликвация, приводящая к тому, что содержание олова в центре слитка ниже, чем среднее содержание в сплаве, а вблизи его поверхности выше, чем среднее содержание. Причины этого заключаются в конвекции, питании объёмной усадки и осаждении зёрен. Также проблемой является неоднородное распределение свинца, связанное с гравитационной ликвацией.

Недостатками данного способа является усадочная пористость по всему объему слитка из-за широкого интервала кристаллизации сплава БРО10С2Н3. Для снижения пористости необходимо увеличить скорость охлаждения при затвердевании и обеспечить направленное затвердевание.

Также известен способ получения оловянно-свинцовых бронз (SU 1502646 A1, 06.08.1987), включающий расплавление шихты, перемешивание расплава и вытягивание заготовки, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств за счет улучшения распределения олова и свинца в сплаве и его структуры, в расплав дополнительно вводят 0,05-0,1 мас.% церия и 0,01-0,03 мас.% циркония при температуре расплава 1120-1150°С.

Недостатками данного способа является необходимость использования дорогостоящих добавок церия и циркония, а также возможное формирование усадочной пористости, зональная ликвация олова, образование трещин и газовых пор.

Наиболее близким к заявляемому способу является поддающийся механической обработке сплав на основе меди и способ его производства (RU 2348720 С2, 05.04.2004) (прототип), который включает способ, с помощью которого заготовку получают непрерывным литьем с последующей ковкой или заливкой в форму, или распылительным формованием, или полунепрерывным литьем с последующей экструзией.

Недостатками данного способа является необходимость термической обработки заготовки гомогенизацией при температуре существования однофазной структуры с охлаждением со скоростью, обеспечивающей предотвращение растрескивания и ограничение образования двухфазной структуры. Сплавы типа БРО10С2Н3 практически плохо поддаются пластической деформации из-за чего их используют в литом состоянии.

Сущность изобретения

Технической задачей предлагаемого способа является получение плотных экструдированных заготовок из бронз типа БрО10С2Н3 с минимальным количеством дефектов, высокими механическими и трибологическими свойствами и минимальными материальными затратами без вносения изменения в состав сплава.

Поставленная задача решалась подбором режимов горячего экструдирования этих заготовок без предварительной термической обработки. Недостатком антифрикционной бронзы типа БрО10С2Н3 является очень плохая деформируемость из-за невозможности нагрева до температуры близкой к температуре плавления медного твердого раствора за счет присутствия в структуре легкоплавких включений свинца. В силу этого деформация должна проводиться при относительно низкой температуре. Сравнительное изучение поведения бронз различного состава показало, что прямой связи между механическими свойствами сплава, такими как твёрдость, прочность и относительное удлинение, с износостойкостью нет. На износостойкость влияют морфология и размер структурных составляющих в бронзе. Поэтому отсутствие предварительной термической обработки перед диффузионной сваркой со сталью также объясняется необходимостью предотвратить растворение включений интерметаллических фаз, обеспечивающих трибологические свойства сплава. Предлагается изготавливать бронзовые заготовки методом горячей экструзии для обеспечения получения мелкозернистой структуры с включениями интерметаллидов и свинцовой фазы, снижения пористости и повышения механических и трибологических свойств. Наличие текстуры в экструдированных заготовках должно положительно повлиять на их трибологические свойства.

Техническим результатом является получение свободных от рыхлот и пористости заготовок из антифрикционной бронзы типа БрО10С2Н3 для диффузионной сварки со сталью, при котором значительно (по сравнению с заготовками, полученными наполнительным и непрерывным литьем) измельчаются структурные составляющие сплава и повышается равномерность распределения эвтектических выделений и плотность заготовки.

Технический результат достигается экструдированием заготовок на вертикальном или горизонтальном гидравлическом прессе методом прямого прессования со скоростью 1-5 мм/с через матрицу, обеспечивающую степень обжатия от 2 до 10, с использованием метода горячей экструзии. Заготовки без предварительной термической обработки нагревались до 500-600°С, а матрица до 450-550°С. После экструзии микроструктура сплавов состоит из медного твёрдого раствора (Cu), интерметаллидной фазы γ-Cu₃Sn и твёрдого раствора на основе свинца (Pb).

Сущность изобретения заключается в следующем.

Литую заготовку в виде цилиндра вытачивают из слитка антифрикционной бронзы, полученного методом непрерывного или наполнительного литья. При этом, если заготовку отливают методом наполнительного литья, важно, чтобы ее формирование происходило в условиях направленной кристаллизации, для чего литье осуществляют в форму с водоохлаждаемым днищем и подогреваемыми боковыми стенками формы, причем их температура в процессе литья находится в интервале от температуры солидус заливаемой бронзы до температуры солидус минус 300°С.

Диаметр и высота заготовки определятся размерами используемой камеры прессования. После этого заготовку нагревают до температуры 500-600°С и помещают в разогретую до температуры 450-550°С камеру прессования гидравлического пресса. Предлагаемые температурные режимы нагрева заготовки и камеры прессования препятствуют образованию прослоек жидкой фазы между зернами твердого раствора на основе меди (Cu), что приводит к межкристаллитному растрескиванию заготовок в процессе деформации. Экструзию проводят методом прямого прессования со скоростью 1-5 мм/с через матрицу, обеспечивающую степень обжатия от 2 до 10. Такая медленная скорость прессования способствует пластической деформации металла и препятствует появлению трещин на поверхности прутка. Также в процессе деформации исчезает пористость, характерная для литого металла. После экструдирования полученный пруток остужают на воздухе и режут на необходимые мерные заготовки. Дополнительной термообработке до диффузионной сварки со сталью сплав не подвергается. Из-за малого времени нагрева фазовый состав сплава не изменяется, что приводит к сохранению необходимого количества эвтектических фаз в структуре. Предлагаемый способ позволяет получить однородную мелкозернистую микроструктуру с диспергированными частицами интерметаллических фаз и свинца, имеющую ярко выраженную текстуру, без заметной пористости или ликвации компонентов.

Отличием предлагаемого способа от прототипа является получение плотных заготовок, свободных от пор и рыхлот для диффузионной сваркой со сталью с измельченной микроструктурой и высокими механическими и трибологическими свойствами.

Осуществление изобретения

В качестве шихты для приготовления бронзы БрО10С2Н3 (ОСТ 1 90054-72) использовали медь М1, олово О1пч, цинк Ц1 и никель Н1. Для удобства введения никеля готовили лигатуру Cu-10 % мас. Ni. Плавку вели в высокочастотной индукционной печи в графитошамотном тигле под покровом графитового боя. Получали слитки методом наполнительного литья для последующего прессования, для этого расплав при температуре 1100°С заливали в изложницы из стали. После заливки заготовки механически обрабатывались до необходимых размеров. Диаметр и высота заготовок под прессование составляли 50 и 150 мм соответственно. Экструзия проводилась на вертикальном гидравлическом прессе с максимальным усилием 300 тс методом прямого прессования. Слитки нагревались до температуры 600°С, а матрица до 530°С. Прессование осуществлялось со скоростью 2 мм/с через матрицу диаметром 20 мм со степенью обжатия 6. Твердость получаемых методом горячей экструзии при 600°С заготовок составляет 152 НВ, предел прочности σ_B = 446 МПа, предел текучести σ_0,2 = 405 МПа и относительное удлинение δ = 8,4 %. Интенсивность изнашивания составляет 0,11×10^-6 и коэффициент трения ~ 0,02. Средний размер зерна в образце, полученном методом горячей экструзии, меньше, чем в слитках, полученных наполнительным и непрерывным литьем, и составляет 1,6-1,8 мкм. Доля интерметаллидной фазы γ-Cu₃Sn составила порядка 7,7 об. %, доля частиц свинца составила порядка 2 об.%.

Описание иллюстраций

Изобретение поясняется чертежом, где на Фиг. 1 схематически представлена реализация способа изготовления бронзовых антифрикционных заготовок методом горячей экструзии, при котором нагретая до температуры прессования литая заготовка (1), которой путем механической обработки придана форма цилиндра с диаметром соответствующим диаметру внутренней полости камеры прессования (2), помещается внутрь камеры прессования и подвергается давлению со стороны пуансона (3), который движется сверху вниз, при этом литая заготовка деформируется через отверстие матрицы (4) и полученная заготовка (5) опускается вниз, где подвергается разделению на заготовки необходимой длины. На Фиг.2 показана получаемая в результате горячей экструзии структура сплава в плоскости параллельной направлению прессования. На Фиг.3 показана получаемая в результате горячей экструзии структура сплава в плоскости перпендикулярной направлению прессования. Структура сплава состоит из медного твердого раствора (Cu), в котором диспергированы частицы интерметаллидной фазы γ-Cu₃Sn и твёрдого раствора на основе свинца (Pb).