Силумин с глобулярным кремнием Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

С ГЛОБУЛЯРНЫМ КРЕМНИЕМ

Евгений Марукович,

завотделом контактных явлений

Института технологии металлов НАН Беларуси,

академик

Владимир Стеценко,

завлабораторией модифицирования сплавов Института технологии металлов НАН Беларуси, кандидат технических наук

Алексей Гутев,

старший научный сотрудник лаборатории

модифицирования сплавов

Института технологии металлов НАН Беларуси

Еилумин - сплав алюминия с кремнием - перспективный для белорусской промышленности материал, имеющий малую плотность, невысокую стоимость, низкую температуру плавления и хорошие литейные свойства. Однако его дендритная структура существенно снижает механические и антифрикционные свойства заготовки. Для их повышения необходимо получать отливки с недендритной (инвертированной) микроструктурой из силумина с глобулярным кремнием (СГК). Для этой цели наиболее эффективно литье ускоренным затвердеванием [1]. Глобулярная структура получается, когда образуется относительно большое

количество центров кристаллизации, не успевающих превратиться в дендриты, для чего нужна более высокая линейная скорость затвердевания, чем при литье в обычный (щеле вой) кристаллизатор.

В Институте технологии металлов НАН Беларуси (ИТМ) разработано 2 способа литья ускоренным затвердеванием, обеспечивающих получение заготовок с СГК. Первый - литье закалочным затвердеванием [2], суть которого заключается в следующем:

■ расплавом с помощью заливочного устройства (1) заполняют стационарный (2) и подвижный (3) кристаллизаторы (рис. 1А);

■ после достижения заданного уровня жидкий металл выдерживается для формирования стакана (4) с толщиной стенки 3-10 мм (рис. 1Б);

■ с помощью подвижного кристаллизатора (3) происходит извлечение стакана (4) с расплавом (5) и их охлаждение в закалочной ванне 6 (рис. 1В, Г).

Линейная скорость затвердевания при формировании отливок из силумина данным

Рис. 1.

Схема

литья закалочным затвердеванием

V

и,0 — ^

н,0^_ О

Н,0

В

ill \

. Flw ^гП

В

w

ад—

D

н,0

1 - заливочное устройство;

2 - стационарный кристаллизатор;

3 - подвижный кристаллизатор; А - заполнение кристаллизатора;

4 - стакан; Б - формирование стакана;

5 - расплав; В - извлечение стакана с расплавом;

6 - закалочная ванна Г - закалочное затвердевание и получение отливки 9

НАУКА И ИННОВАЦИИ | №4 (170) | Апрель 2017

Рис. 2. Микроструктура литой заготовки диаметром 50 мм из сплава Al+12%Si (Х30000)

Рис. 3. Микроструктура литой заготовки диаметром 50 мм из сплава Al+12%Si+3%Cu (Х1000): А - литье в обычный (щелевой) кристаллизатор;

Б - литье в струйный кристаллизатор

Рис. 4.

Схема НГЛ в струйный кристаллизатор с использованием вторичного охлаждения:

1 - металлоприемник;

2 - струйный кристаллизатор;

3 - устройство затопленно-струйного вторичного охлаждения;

4 - тянущее устройство;

5 - слиток

Рис. 5.

НГЛсиспользова-нием струйного охлаждения

I Рис. 6.

Микроструктура I заготовок из СГК < после термической обработки

методом на порядок больше, чем при литье в обычный кристаллизатор. В результате получаются отливки с глобулярным наноструктурным кремнием (рис. 2). Этот способ позволяет получать литые заготовки диаметром 50-150 мм и высотой до 300 мм. По сравнению с аналогичными непрерывнолитыми (серийными) они имеют дисперсность фазовых

составляющих выше в 6-10 раз и предел прочности на разрыв в 1,5-2 раза. Отливки из СГК путем закалочного затвердевания деформируемы, их можно подвергать прессованию, штамповке и прокатке.

Второй способ - литье в струйный кристаллизатор, где используется затопленно-струй-ный метод охлаждения [3]. Он при прочих равных гидравлических параметрах позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой поверхности к охладителю более чем в 2 раза [1], что происходит благодаря уменьшению толщины гидродинамического и теплового пограничного слоев. Линейная скорость затвердевания отливки диаметром 100 мм из эвтектического силумина в струйном кристаллизаторе в 3 раза выше, чем в обычном, что обеспечивает получение литых заготовок из СГК (рис. 3).

В ИТМ разработан метод непрерывного горизонтального литья (НГЛ) в струйный кристаллизатор с устройством затопленно-струй-ного вторичного охлаждения (рис. 4, 5).

Скорость НГЛ слитков из СГК диаметром 70 мм составляет 1,4 м/мин, что на порядок выше, чем у лучших мировых аналогов. Размер глобул кремния в СГК можно увеличить с помощью ускоренного отжига отливок (рис. 6). После термической обработки по режиму Т5 непрерывнолитые заготовки из эвтектического СГК имеют временное сопротивление разрыву 350-450 МПа и относительное удлинение 3-5%. После прокатки со степенью деформации 65% предел прочности на разрыв увеличивается в среднем на 40%, а относительное удлинение - в 4 раза. Высокая степень структурной инверсии и высокодисперсная микроструктура обеспечивают СГК уникальные антифрикционные свойства. Исследователи

из Санкт-Петербургского института машиностроения провели сравнительные триботехнические испытания образцов из СГК и бронзы БрОЦС5-5-5.

Установлено, что при испытании на торцевой машине трения в отсутствие смазки при нормальном напряжении 12,8 Н и вращении со скоростью 620 об/мин линейный износ образцов из СГК по стали 45 в 7 раз выше, чем у аналогичных образцов из бронзы, а коэффициент трения скольжения в 1,65 раза ниже. При проверке на СМЦ-2 со смазкой И20А при нормальном напряжении 200 Н и вращении со скоростью 300 об/мин износ в 23 раза меньше, а сравниваемый коэффициент в 1,35 раза ниже.

Аналогичные результаты получены при сравнении с бронзой БрАЖ9-4. Исследование проводилось на СМЦ-2 в условиях сухого трения по схеме «вал - втулка» при давлении 0,6 МПа и скорости скольжения образца относительно шлифованного вала из стали 45 - 0,38 м/с. Было установлено, что линейный износ образцов из СГК в 10-15 раз ниже. Все это свидетельствует о том, что СГК может заменить традиционные антифрикционные бронзы в узлах трения машин и механизмов. Опытно-промышленные испытания деталей из СГК в сравнении с аналогичными из бронзы показали, что детали из СГК по износостойкости и ресурсу работы либо превосходят бронзовые, либо не уступают им (таблица).

Рис. 7. Сплошные и полые заготовки из антифрикционного СГК

Предприятие Страна Результат

ПАО «Таганрогский металлургический завод» Россия Превосходят бронзовые

ОАО «Первоуральский новотрубный завод» Россия Превосходят бронзовые

ОАО «БЕЛАЗ» - управляющая компания холдинга «БЕЛАЗ-ХОЛДИНГ» Беларусь Не уступают бронзовым

ОАО «Витебсклифт» Беларусь Не уступают бронзовым

ОАО «Гомсельмаш» Беларусь Не уступают бронзовым

ОАО «Управляющая компания холдинга «Бобруйскагромаш» Беларусь Превосходят серийные из АСП-6

ОАО «Амкодор - Дзержинск» Беларусь Не уступают бронзовым

ОАО «Светлогорск Химволокно» Беларусь Не уступают бронзовым

ОАО «Белшина» Беларусь Не уступают бронзовым

Завод «Могилевтрансмаш» ОАО «МАЗ» Беларусь Превосходят бронзовые

ОАО «Гомельский завод станочных узлов» Беларусь Превосходят бронзовые

ОАО «Кузлитмаш» Беларусь Не уступают бронзовым

ОАО «Завод Оптик» Беларусь Превосходят бронзовые

ЧУП «ВС-Техника» Беларусь Не уступают бронзовым

ОАО «Оршанский станкостроительный завод «Красный Борец» Беларусь Не уступают бронзовым

РУП «Завод «Эвистор» Беларусь Не уступают бронзовым

Антифрикционный СГК запатентован в России [3, 4]. В Институте технологии металлов НАН Беларуси из СГК изготавливают сплошные мерные заготовки диаметром до 200 мм и высотой до 250 мм; полые заготовки наружным диаметром от 90 до 350 мм и высотой до 200 мм; непрерывнолитые прутки диаметром от 40 до 90 мм. Стоимость заготовки из СГК в 3 раза меньше, чем аналогичной из бронзы (рис. 7, 8).

Их поставка осуществляется на 60 предприятий нашей страны, России и Кореи. Область применения - подшипники скольжения, шестерни червячных колес редукторов, втулки балансиров и шарнирных соединений, вкладыши люнета токарных станков и прессов, втулки сателлитов дифференциалов и сальниковых букс, поршни гидроцилиндров, направляющие втулки и другие детали узлов технологического оборудования.

Таким образом, силумин с глобулярным кремнием - новый антифрикционный материал, с успехом заменяющий более тяжелые и дорогие серийные антифрикционные бронзы. СП

Таблица.

Опытнопромышленные испытания деталей из СГК

http://innosfera.by/2017/04/silumin

Рис. 8. Детали машиностроения из антифрикционного СГК

ЛИТЕРАТУРА

1. Марукович Е.И.,Стеценко В.Ю. Модифицирование сплавов,- Минск, 2009.

2. Стеценко В.Ю., Марукович Е.И. Патент RU2288067, МПК B22D7/00, 27/04. Способ литья заготовок.- 2006. Бюл. №33.

3. Марукович Е.И., Стеценко В.Ю. Патент RU2342220, МПК B22D11/055. Способ охлаждения кристаллизатора.- 2008. Бюл. №36.

4. Стеценко В.Ю., Марукович Е.И. Патент RU2504595, МПК С22С21/04. Антифрикционный сплав на основе алюминия.- 2014. Бюл. №2.

11

НАУКА И ИННОВАЦИИ | №4 (170) | Апрель 2017