/ 59 3 (56), 2010 В. Ю. СТЕЦЕНКО, А. И. РИВКИН, К. Н. БАРАНОВ, ИТМ НАН Беларуси УДК 621.74:669.714 ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНОЙ ДИСПЕРСНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ МЕДИ НА ФРИКЦИОННУЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО АНТИФРИКЦИОННОГО СИЛУМИНА АК15 It is shown that antifriction silumin with 15% silicon content has maximal frictional endurance in friction pair with steel at 3% copper content and dispersion of globular silicon crystals 3-4 micrometer. В ГНУ «Институт технологии металлов НАН Беларуси» разработан метод ци- клического литья в струйный кристаллизатор, который по сравнению с традици- онными способами литья обеспечивает высокую скорость затвердевания отливок и, как следствие, существенное измельчение их микроструктуры [1]. В настоящее время заготовки из эвтектического силумина, полученные этим методом, с успе- хом применяются в промышленности в качестве заготовок различных деталей, ра- ботающих в узлах трения машин и механизмов. Наиболее высокие свойства имеет эвтектический антифрикционный силумин [2]. Его механические и эксплуата- ционные свойства существенно зависят от микроструктуры и концентрации леги- рующих элементов. В связи с этим актуально исследование влияния содержания меди и дисперсности микроструктуры заготовок из эвтектического антифрикци- онного силумина на их фрикционную износостойкость. Ее определяли на машине трения СМЦ-2 в условиях сухого трения по схеме вал-втулка с нагрузкой 0,8 МПа и скоростью скольжения образца относительно стального шлифованного вала (сталь 45) твердостью 58 HRC 0,38 м/с. Взвешивание образцов проводили на элек- тронных весах марки «Stratorius BP1S» c точностью до 0,0001 г. Расчет скорости износа образцов проводили по следующей формуле: èçí , MV S ∆ = ρτ где ∆M – разность массы образца до и после износа; S – площадь рабочей поверх- ности образца; ρ – плотность образца; τ – время износа. Твердость образцов измеряли на твердомере ТШ-2М. После шлифовки, поли- ровки и химическо го травления водным раствором кислот (2%HCl + 3%HNO3 + 1%HF) микроструктуру образцов анализировали с помощью аппаратно-програм- много комплекса на базе микроскопа Carl Zeiss «Axiotech vario». Для определения влияния структурной дисперсности заготовок из сплава АК15 на их фрикционную износостойкость методом литья в струйный кристалли- затор были изготовлены отливки диаметром 50 мм и высотой 160 мм. Микро- структура этих отливок состояла из равномерно распределенных в алюминиевой матрице кристаллов эвтектического кремния глобулярной формы со средним диа- метром 1,2 мкм. Для получения кристаллов эвтектического кремния различной дисперсности заготовки подвергали гомогенизации при температуре 520 °С и вы- Стеценко В. Ю. Ривкин А. И. Баранов К. Н. 60 / 3 (56), 2010 держке 1–10 ч. В результате были получены образ- цы из силумина АК15 со средними диаметрами глобулярных кристаллов эвтектического крем- ния 2–7 мкм (см. рисунок). Каждый из полученных образцов проходил ис- пытания на фрикционную износостойкость в тече- ние 3 ч. Результаты приведены в табл. 1. Из таблицы следует, что увеличение диаметра глобулярных кристаллов эвтектического кремния в сплаве АК15 от 1,2 до 3,2–3,9 мкм позволяет по- высить фрикционную износостойкость образцов на 9–14%, а их дальнейшее укрупнение не приво- дит к значительному повышению износостойко- сти образцов. Наиболее приемлемым размером включений шаровидного кремния для антифрик- ционного эвтектического силумина является 3–4 мкм, так как такая дисперсность кристаллов эвтектики позволяет существенно повысить изно- состойкость заготовок и не требует длительной тер- мообработки. Известно, что легирование силуминов медью позволяет повысить механические свойства заго- товок. Поэтому для исследования влияния содер- жания меди на фрикционную износостойкость эв- тектического антифрикционного силумина литьем в струйный кристаллизатор были изготовлены от- ливки диаметром 50 мм и высотой 160 мм из спла- ва АК15 с содержанием меди 1, 2, 3 и 4%. Их тер- Т а б л и ц а 1. Влияние дисперсности глобулярных кристаллов кремния на фрикционную износостойкость сплава АК15 Номер образца Температура гомогенизации, °С Время гомогенизации, ч Дисперсность кристаллов эвтектического кремния, мкм Твердость НВ Средняя скорость износа, мм/ч 0 – – 1,2 72,6 0,1235 1 520 1 2,2 72,6 0,1172 2 520 3 3,2 72,6 0,1126 3 520 5 3,9 72,6 0,1065 4 520 10 7,0 72,6 0,1029 а б в г Микроструктура гомогенизированных образцов из сплава АК15: а – 520 °С, 1 ч; б – 520 °С, 4 ч; в – 520 °С, 6 ч; г – 520 °С, 10 ч / 61 3 (56), 2010 мообработку проводили по режиму Т5: нагрев до температуры 520 °С, выдержка в течение 4 ч, за- калка в воде и последующее искусственное старе- ние в течение 6 ч при температуре 175 °С. Время испытания образцов на фрикционную износостой- кость составляло 3 ч. Результаты испытаний при- ведены в табл. 2. Из таблицы следует, что наиболее рациональ- ным содержанием меди в антифрикционном силу- мине АК15 является 3–4%, так как обеспечивается повышение твердости заготовок в среднем в 1,7 раза и износостойкости более чем на 20%. Проведенные исследования позволили опреде- лить рациональный состав и термообработку эв- тектического антифрикционного силумина, кото- рые обеспечивают ему максимальную износостой- кость при фрикционном трении. Проводили производственные испытания заго- товок. Для этого были получены отливки диаме- тром 140 мм и высотой 100 мм из сплава АК15М3. После термообработки по режиму Т5 из них были изготовлены втулки диаметрами 125 и 115 мм для проведения производственных испытаний на ОАО «Белшина» (г. Бобруйск). Они устанавливались в сборочные станки СПД в качестве подшипников скольжения, работающих без смазки, взамен анало- гичных из БрОЦС5-5-5. Установлено, что за 6 мес. работы станков в круглосуточном режиме износ этих втулок составил не более 0,04%. На сопрягаемых с втулками частях стального вала задиров и других следов износа не обнаружено. В настоящее время подшипники скольжения из антифрикционного си- лумина успешно используются на ОАО «Белшина». Стоимость заготовок из антифрикционного силу- мина в 2,0–2,5 раза ниже, а масса более чем в 3,5 раза меньше, чем аналогичных из антифрикцион- ных бронз БрОЦС5–5-5 и БрАЖ9-4. Таким образом, антифрикционный силумин АК15 имеет максимальную фрикционную износо- стойкость в паре трения со сталью при содержа- нии меди 3% и дисперсности глобулярных кри- сталлов кремния 3–4 мкм. Т а б л и ц а 2. Влияние содержания меди на твердость и фрикционную износостойкость сплава АК15 Номер образца Материал образца Режим термообработки Средняя дисперсность кристал- лов эвтектического кремния, мкм Твердость НВ Средняя скорость износа, мм/ч 5 АК15 Гомогенизация 520 °С, 4 ч 3,7 72,6 0,1134 6 АК15М1 Т5 3,5 77,9 0,1132 7 АК15М2 Т5 3,6 98,2 0,0991 8 АК15М3 Т5 3,8 113,8 0,0835 9 АК15М4 Т5 3,7 129,0 0,0811 Литература 1. М а р у к о в и ч Е. И., С т е ц е н к о В. Ю. Модифицирование сплавов. Мн.: Беларуская навука, 2009. 2. С т е ц е н к о В. Ю., Р и в к и н А. И. Новый антифрикционный силумин АК15М3 // Литье и металлургия. 2009. № 3. С. 114–115.