CC BY
2
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.74.043
Штамповка биметаллических подшипников из жидкого алюминия и спеченных порошковых вкладышей
Р. В. Кузнецов, П. А. Кузнецов
Описан новый перспективный способ получения биметаллических заготовок совместной штамповкой жидкого алюминиевого сплава и спеченных порошковых вкладышей. Представлена схема экспериментального стенда для получения биметаллических заготовок неразъемных подшипников скольжения. Приведены результаты исследования механических свойств и микроструктуры опытных образцов биметалла АК9ч+АНС100.29. Рассмотрено влияние основных режимов технологического процесса на прочность соединения слоев полученных образцов.
Ключевые слова: биметалл, штамповка жидкого металла, подшипник скольжения, антифрикционный материал, аллюминий, порошковый спеченный материал.
Биметаллические материалы и изделия из них все шире применяются в самых различных областях промышленности. Интерес к биметаллическим материалам обусловлен, прежде всего, экономией дефицитных материалов и возможностями соединения в одном изделии преимуществ применения каждого из материалов композиции [1]. Из многочисленных способов получения биметаллических материалов — прокатки, штамповки взрывом, литья, экструзии и др. — можно выделить способы, обеспечивающие получение штучных заготовок и изделий с требуемым расположение рабочих слоев материала с заданными характеристиками. Для изготовления биметаллических изделий конкретной формы и размеров рационально применять процессы штамповки, прессования и т. п. Применение при этом комбинированных процессов позволяет объединить преимущества каждой технологии и получить изделия с более высокими эксплуатационными свойствами [1, 2].
К характерным биметаллическим изделиям, в которых соединены указанные преимущества и особенности, относятся подшипники скольжения [3, 4]. Подшипники скольжения являются важными деталями большинства приборов и устройств, работающих в самых
различных средах и условиях, поэтому как материалы для подшипников, так и технологии их изготовления постоянно развиваются.
На сегодняшний день наиболее распространенными технологиями изготовления антифрикционных биметаллов и биметаллических подшипников скольжения являются литейное и холодное плакирование. Оба способа являются сложными многооперационными технологическими процессами, требующими специального оборудования, специальной подготовки исходных материалов и дополнительных операций, таких как гибка, механическая обработка и т. д. Кроме того, возможности использования этих способов существенно ограничены контактной парой материалов и геометрическими размерами искомой заготовки.
Предлагаемая технология комбинированной штамповки жидкого алюминиевого сплава и рабочих вкладышей из спеченного материала соединяет преимущества штамповки жидкого металла и порошковой металлургии. При штамповке жидкого металла, в том числе алюминия, появляется возможность получать фасонные заготовки сложной геометрической формы с высоким уровнем механических и специальных свойств, практически из любого коммерческого сплава [5-7].
МЕТ^^^РАБОТК)»
В свою очередь, технология порошковой металлургии позволяет получать материалы с наименьшим содержанием примесей, а также с точным соответствием химическому и гранулометрическому составу, который необходим для получения высокого уровня антифрикционных свойств, трудно достижимых в литых сплавах [8-10].
Предлагаемый способ заключается в совместной штамповке жидкого металла и рабочего вкладыша из пористого материала, предварительно изготовленного прессованием порошкового материала с заданным размером пор и требуемого химического состава, соответствующего, например, требованиям антифрикционного назначения. Штамповку биметаллического изделия проводят с выдержкой под давлением до полной кристаллизации жидкого металла основы. На рис. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого процесса.
Штамповку биметаллических образцов осуществляли следующим образом. Матрицу 1 устанавливали и закрепляли на нижней плите 2, в полость матрицы 1 коаксиально устанавливали оправку 3 в опоре 4. На рабочие поверхности матрицы, оправки и опоры наносили защитное антипригарное покрытие [11]. Собранную оснастку нагревали до рабочей
температуры с помощью нагревательного элемента 5. В матрицу 1 заливали фиксированную дозу жидкого алюминия 6 основы в соответствии с объемом получаемой заготовки. Рабочий вкладыш 7 из спеченного порошкового материала, зафиксированный на оправке 3 с помощью пуансона 8, погружали в жидкий металл 6 основы и фиксировали в требуемом положении. При дальнейшем движении пуансона 8 осуществляли совместную штамповку жидкого металла 6 и вкладыша 7. При этом выдержку под давлением проводили до полной кристаллизации основы и проникновения жидкого металла в открытые поры порошкового материала вкладыша 7. Готовое биметаллическое изделие выталкивали из матрицы 1 выталкивателем 9.
Внедрение вкладыша из спеченного порошкового материала в жидкий металл обеспечивает разрушение окисной пленки алюминиевого сплава, образовавшейся при заливке металла, сводит к минимуму окисление поверхности контакта материала основы и вкладыша, а следовательно, увеличивается адгезия и улучшается качество изделия в целом.
Штамповку жидкого алюминия с вкладышем из спеченного материала осуществляли на опытном стенде, показанном на рис. 2.
б)
а)
Рис. 1. Принципиальная схема штамповки жидкого металла и спеченного рабочего вкладыша: а — заливка жидкого алюминия и установка рабочего вкладыша из спеченного материала; б — совместная штамповка биметаллического изделия;
1 — матрица; 2 — плита; 3 — оправка; 4 — опора; 5 — нагревательный элемент; 6 — жидкий металл; 7 — рабочий вкладыш; 8 — пуансон; 9 — выталкиватель
Р
7
J 2
\
\4\v-s4X4\:
11
ПК
10
/
J
\ р
vv^VI
Рис. 2. Принципиальная схема экспериментального стенда: 1 — обойма с разъемной матрицей; 2 — пуансон; 3 — оправка; 4 — рабочий вкладыш; 5 — жидкий металл; 6 — термопары ХА; 7 — плита; 8 — лабораторно-испытательный пресс ПСУ-125; 9 — датчик давления NAT 8251; 10 — устройство сбора данных National Instruments USB-6008/6009; 11 — персональный компьютер; 12 — регулятор ОВЕН ТРМ1; 13 — методическая печь сопротивления СНОЛ 1.6.2.5.1/11-И2
В качестве прессового оборудования использовали лабораторно-испытательный пресс ПСУ-125 с наибольшей предельной нагрузкой 125 тс (1250 кН). Помимо пресса в состав стенда также вошли: методическая печь сопротивления СНОЛ 1.6.2.5.1/11-И2 с максимальной температурой нагрева 1100 °С, оснащенная регулятором с универсальным входом ОВЕН ТРМ1; устройство сбора данных (УСД) National Instruments USB-6008/6009, соединенное с ПК через интерфейс LabVIEW Professional Development System Версия 7.1; датчик давления NAT 8251 с погрешностью измерения ± 0,03 % и интервалом измерения 0-2000 бар; термопары ХА; разъемная металлическая формообразующая оснастка, изготовленная из инструментальной штамповой стали 5ХНМ (ГОСТ 5950-2000).
Исследования проводились на биметаллических втулках с размерами: наружный диа-
метр образца Б = 55 мм; диаметр рабочего вкладыша = 33,1 мм; внутренний диаметр образца < = 12,9 мм; высота образца к = 14 мм. Рабочий вкладыш был предварительно спрессован и спечен из порошка АНС 100.29 в виде втулки по стандартному режиму. В качестве материала основы был использован алюминий АК9ч (ГОСТ 1583-93). Химический состав материалов указан в таблице.
Указанная пара материалов биметаллического подшипника — алюминий в качестве основы подшипника (матрицы) и порошковый спеченный материал на основе железа в качестве вкладыша — выбрана исходя из следующих условий:
• алюминий — сравнительно дешевый и распространенный материал, тем более при использовании «вторичного сырья»;
• малая плотность и способность алюминия гасить вибрации являются несомненными
Химический состав исследуемых материалов
Марка материала Массовая доля, %
Fe Si Mn Ni Al Cu Pb Be Mg Zn Sn С примесей (окислов)
АК9ч (ГОСТ1583-93) <1 8-10,5 0,20,5 <0,1 86,9491,63 <0,3 <0,05 <0,1 0,170,3 <0,3 <0,01 - <1,5
АНС 100.29 99,84 0,003 <0,13
№ 3(111)/2019
29
МЕТ^^^РАБОТК)»
преимуществами при определенных условиях эксплуатации подшипников;
• штамповка жидкого металла улучшает его механические свойства и обеспечивает прочное соединение с материалом рабочего вкладыша;
• пористый спеченный материал на основе железного порошка является хорошо зарекомендовавшим себя антифрикционным материалом;
• адгезия (свариваемость) алюминия и железа более высокая, чем у других пар материалов, которые можно использовать для изготовления подшипников скольжения.
Основными технологическими параметрами ШЖМ являются давление штамповки Рш, температура оснастки Тосн и время кристаллизации под давлением £кр [12]. Поэтому главной задачей работы являлся поиск оптимальных интервалов указанных параметров применительно к исследуемой паре материалов. Пористость порошковой заготовки (15 %) была постоянной для всех образцов.
Эксперимент проводился при следующих технологических режимах: Рш = 10 н 100 МПа, Тосн = 450 н 850 °С, гкр = 10 н 30 с. Микро- и макроструктуру контактного слоя исследовали на образцах, вырезанных из центральной части заготовки в продольном сечении. Разрезку осуществляли на низкоскоростном точном отрезном станке «Полилаб Р 30М». При изготовлении микрошлифов применяли термопласт-автомат «Полилаб С50» и шлифо-
вально-полировальный металлографический комплекс «Полилаб П12МА». Визуальную оценку контактного слоя проводили на металлографическом микроскопе МИМ-9 с использованием цифровой фотокамеры. На рис. 3, а показана микроструктура образцов, полученных при Рш = 50 МПа, Тосн = 500 °С, £кр = 10 с, на рис. 3, б — Рш = 100 МПа, Тосн = 750 °С, £кр = = 20 с. Оптимальными технологическими параметрами процесса штамповки жидкого алюминия совместно со спеченным порошком железа следует считать давление штамповки 80100 МПа, температуру матрицы 700-800 °С и время выдержки под давлением 15-20 с.
Твердость полученных образцов исследовали методом Виккерса (ГОСТ 2999-75) на твердомере ИТВ-10-ММ. Измерения проводились на поперечном разрезе центральной части заготовки по обе стороны границы раздела. Анализ результатов показал увеличение твердости по обе стороны границы раздела слоев по сравнению с твердостью исходных материалов.
Испытания прочности соединения слоев на срез производились на кольцеобразных образцах размерами 55 X 20 мм, вырезанных из центральной части заготовки на гидравлической испытательной установке ЬовепИаивеп с номинальным усилием 16 000 кг. Испытания показали, что с ростом температуры залитого металла основы и давления прессования прочность биметаллического соединения растет. Прочность соединения слоев получен-
Рис. 3. Микроструктура контактного слоя биметаллических образцов АК9ч+АНС100.29: а — с зоной интер-металлидного слоя; б — с удовлетворительной областью взаимной растворимости. х500
Рис. 4. Образцы биметаллических подшипников из алюминиевого сплава АК9ч со спеченными вкладышами из порошка АНС 100.29
ных биметаллических образцов на срез тср = = 48 н 50 МПа.
На рис. 4 показаны опытные образцы биметаллических подшипников скольжения из алюминиевого сплава АК9ч и спеченного вкладыша из порошка на основе железа АНС 100.29.
Заключение
Разработанная технология штамповки биметаллических изделий из жидкого алюминия и пористого спеченного материала на основе порошка железа позволит значительно расширить номенклатуру получаемых заготовок, повысить производительность процесса и прочность соединения слоев биметаллического изделия. Использование поршневого способа штамповки жидкого металла обеспечивает использование сравнительно недорогой и простой в изготовлении оснастки и универсального прессового оборудования.
Предлагаемая технология практически не ограничивает номенклатуру материалов контактной пары, не требует специальной подготовки исходных материалов и сводит к минимуму количество технологических переделов. Способ может быть рекомендован для произ-
водства малогабаритных биметаллических подшипников, подпятников и других деталей антифрикционного назначения с гарантированным уровнем механических свойств.
Литература
1. Голованенко С. А., Меандров Л. В. Производство биметаллов. М.: Металлургия, 1966. 153 с.
2. Кабелев А. Г., Потапов И. Н., Кузнецов Е. В. Технология слоистых металлов: учеб. пособие 1991. 248 с.
3. Скотникова М. А., Полковникова М. К. Применение диоксида циркония для повышения триботехни-ческих свойств подшипников; трибология — машиностроению: тр. XI Междунар. науч.-техн. конф. Ин-т машиноведения им. А. А. Благонравова. 2016. С. 225-227.
4. Ашейчик А. А. Расчет и исследование подшипников скольжения, работающих при граничной смазке: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2018. 88 с.
5. Композиты — алюминиевая матрица — тяжелые дисперсные частицы / А. В. Калмыков, Г. А. Косников, Э. Н. Беспалов [и др.] // Композиты и наноструктуры. 2017. Т. 9, № 3-4 (35-36). С. 165-166.
6. Косников Г. А., Чижиков В. В., Колесов С. С. Получение заготовок из сплавов в твердожидком состоянии: сб. тр. VI съезда литейщиков России. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003. С. 111-120.
7. Косников Г.А. Жидкофазные технологии получения заготовок из алюмоматричных нанокомпозитов (обзор) // Журн. Сибир. федерал. ун-та. Техника и технологии. 2014. Т. 7, № 4. С. 409-415.
8. Металлические порошки алюминия, магния, титана и кремния. Потребительские свойства и области применения / В. Г. Гопиенко [и др.]; под ред. А. И. Руд-ского. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. 356 с.
9. Цеменко В. Н. Деформирование порошковых сред. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. 104 с.
10. Гиршов В. Н. Процессы порошковой металлургии. Порошковая металлургия высоколегированных сплавов: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. 152 с.
11. Пат. РФ № 2634107. Защитное покрытие для литейных металлических форм / Матвеев И. А., Кузнецов Р. В., Мартынов К. В. 2017.
12. Кузнецов Р. В., Радкевич М. М. Технология получения антифрикционных биметаллических заготовок методом штамповки жидкого металла: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. «Современное машиностроение. Наука и образование», СПб., 19-20 июня 2016 г.
