Алюминиевые сплавы антифрикционного назначения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»








                Алюминиевые сплавы антифрикционного назначения




        Монография

 Под редакцией А.Е. Миронова, Н.А. Белова, О.О. Столяровой








            МИСиС



Москва 2016

УДК 669.018.24;656.2;625.2;621.8
      А45


Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. К.А. Батышев (ФГБОУ «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»);
д-р техн. наук, проф. С.М. Захаров (АО «ВНИИЖТ»)
Авторы:
Н.А. Белов, Е.И. Гершман, И.С. Гершман, И.Г. Горячева, Д.Л. Загорский,
Е.Г. Котова, Ю.Ю. Маховская, А.М. Мезрин, А.Е. Миронов,
Т.И. Муравьева, Б.Я. Сачек, О.О. Столярова, Е.В. Торская



        Алюминиевые сплавы антифрикционного назначения :
A45 моногр. / Н.А. Белов [и др.] ; под ред. А.Е. Миронова, Н.А. Белова, О.О. Столяровой. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. -222 с.
        ISBN 978-5-906848-22-8



          Приведен краткий исторический экскурс по антифрикционным сплавам с подробным рассмотрением алюминиевых сплавов для биметаллических и монометаллических подшипников скольжения. Проведен системный анализ двойных, тройных и многокомпонентных систем на основе алюминия для научно обоснованного выбора составов экспериментальных сплавов. Представлены результаты механических и триботехнических испытаний экспериментальных сплавов. Исследованы структуры данных сплавов до и после испытаний на трение. Показана возможность использования алюминиевых антифрикционных сплавов взамен бронз при изготовлении монометаллических подшипников скольжения. Разработаны механико-математические модели контактного взаимодействия гладкого индентора и двуслойного упругого полупространства с шероховатой поверхностью.
          Монография рассчитана на широкий круг специалистов - технологов и конструкторов, работающих в сфере, связанной с антифрикционными сплавами. Она также может быть полезна студентам, аспирантам, преподавателям вузов, научным сотрудникам отраслевых и академических институтов, работающих по тематике трения, износа и надежности узлов трения.
          Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-19-01033).

УДК 669.018.24;656.2;625.2;621.8


ISBN 978-5-906848-22-8

© Коллектив авторов, 2016
© НИТУ «МИСиС», 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.............................................6
Основные обозначения....................................11
Глава 1. Общие сведения. Свойства и применение антифрикционных алюминиевых сплавов.....................12
   1.1. Антифрикционные сплавы. Краткий исторический экскурс..............................................12
   1.2. Алюминиевые антифрикционные сплавы..............20
   1.3. Опыт применения монометаллических подшипников из алюминиевых антифрикционных сплавов...............31
   1.4. Опыт применения многослойных подшипников из алюминиевых антифрикционных сплавов...............34
   1.5. Роль легирующих элементов в литейных алюминиевых сплавах антифрикционного назначения..................42
   1.6. Применение неравновесной термодинамики и теории самоорганизации в трибологическом материаловедении...50
   1.7. Общие требования к алюминиевым антифрикционным сплавам для монометаллических подшипников скольжения.57
   Заключение...........................................61
   Библиографический список.............................61
Глава 2. Фазовый состав и структура сплавов алюминия с легкоплавкими металлами...............................71
   2.1. Фазовые диаграммы двойных систем................71
    2.1.1. Система Al-Sn................................71
    2.1.2. Система Al-Pb................................72
    2.1.3. Система Al-Bi................................73
    2.1.4. Система Al-Zn................................74
    2.1.5. Система Al-In................................75
    2.1.6. Система Al-Cd................................76
   2.2. Фазовые диаграммы тройных систем................77
    2.2.1. Система Al-Bi-Cu.............................77
    2.2.2. Система Al-Bi-Si.............................79
    2.2.3. СистемаAl-Bi-Sn..............................79
    2.2.4. Система Al-Bi-Zn.............................81
    2.2.5. Система Al-Cd-Si.............................82
    2.2.6. СистемаAl-Cu-Sn..............................82
    2.2.7. Система Al-Cu-Pb.............................87
    2.2.8. СистемаAl-In-Sn..............................88

3

     2.2.9. Система Al-Pb-Si.............................89
     2.2.10. Система Al-Pb-Sn............................90
     2.2.11. Система Al-Si-Sn............................90
   2.3. Фазовые диаграммы системы Al-Sn-Pb-Cu-Si.........93
     2.3.1. Сплавы системы Al-Cu-Si-Sn...................93
     2.3.2. Сплавы системы Al-Cu-Pb-Si...................96
     2.3.3. Сплавы системы Al-Cu-Pb-Si-Sn................99
   2.4. Особенности формирования структуры сплавов алюминия с легкоплавкими металлами...................103
     2.4.1. Сплавы системы Al-Cu-Si-Sn..................103
     2.4.2. Сплавы системы Al-Cu-Si-Pb..................108
     2.4.3. Сплавы системы Al-Cu-Si-Sn-Pb...............112
     2.4.4. Сплавы системы Al-Cu-Si-Sn-Pb-Bi............117
   Заключение...........................................127
   Библиографический список.............................128
Глава 3. Трибологические исследования новых алюминиевых сплавов.................................................132
   3.1. Триботехнические испытания алюминиевых сплавов..132
     3.1.1. Критерии оценки работоспособности подшипниковых материалов...........................133
     3.1.2. Средства и методы исследования механических свойств антифрикционных алюминиевых сплавов........137
     3.1.3. Испытания на трение и износ.................149
   3.2. Металлографические исследования многокомпонентных алюминиевых сплавов..................................158
     3.2.1. Комплекс методов микроскопии в изучении поверхности экспериментальных сплавов..............158
     3.2.2. Исследование сплавов 1-й партии (термообработанных при температуре 400 °С, остывание с
     печью).............................................161
     3.2.3. Исследование сплавов 2-й партии
     (термообработанных при температуре 500 °С с последующей закалкой)............................170
   3.3. Моделирование выделения мягкой фазы на поверхность многокомпонентного алюминиевого сплава при трении....185
     3.3.1. Описание модели выделения мягкой фазы из многокомпонентного сплава при трении............185
     3.3.2. Определение полей напряжений и температуры в сплаве...........................................187

4

     3.3.3. Определение областей пластического течения матрицы и включений.................................192
     3.3.4. Расчет толщины пленки вторичных структур, формирующейся на поверхности........................196
     3.3.5. Анализ влияния на пленку вторичных структур
     условий трения, механических свойств и структуры сплава ... 198
   3.4. Исследование влияния шероховатости на контактное взаимодействие тел с поверхностными слоями, свойства которых отличны от объемных...........................206
     3.4.1. Цель теоретико-экспериментального исследования поверхностных слоев сплавов.........................206
     3.4.2. Механико-математическая модель контактного взаимодействия гладкого индентора и шероховатого контртела с неоднородными поверхностными слоями....207
     3.4.3. Экспериментально-теоретическое исследование процесса индентирования алюминиевых сплавов........210
Заключение..............................................213
Библиографический список................................217

5

Предисловие
   Алюминиевые антифрикционные сплавы являются наиболее перспективными металлическими материалами, используемыми в подшипниках скольжения. До начала 50-х годов XX в. их относили к группе «белых сплавов», куда помимо алюминиевых входили оловянные, свинцовые и цинковые сплавы. Их рассматривали в качестве заменителей антифрикционных бронз, из которых в то время изготавливали большую часть подшипников скольжения. Ко всем видам антифрикционных сплавов в то время предъявляли следующие требования:
   - высокое сопротивление износу;
   - хорошая прирабатываемость;
   - минимальная склонность к заеданию;
   - высокая сопротивляемость коррозии;
   -    способность без изменения свойств выдерживать требуемые механические нагрузки.
   В 60-70-х годах прошлого века алюминиевые подшипниковые материалы выделяют уже в отдельный класс. При выборе материала для подшипников скольжения начинают учитывать природу сплавов, их структуру, механические свойства и триботехнические особенности их эксплуатации в различных узлах трения. Постепенно складывается новое направление в материаловедении - трибологическое материаловедение.
   Наибольший вклад в создание и внедрение алюминиевых сплавов в нашей стране внесла школа Н.А. Буше. В работах этой школы впервые сформулирован принцип совместимости трущихся пар, т.е. необходимость выбора материалов вала и антифрикционного слоя в соответствии с условиями их эксплуатации.
   Для разных подшипников требуются разные сочетания служебных характеристик антифрикционных материалов, что приводит к необходимости создания целой гаммы алюминиевых сплавов с различной прирабатываемостью, задиростойкостью, износостойкостью и способностью минимально изнашивать стальное контртело. При этом, как правило, новые алюминиевые антифрикционные сплавы применяют для замены бронзы в различных узлах трения. Такая замена экономически обоснованна, так как алюминиевые сплавы имеют в 2,5-3 раза меньшую плотность, а единица веса такого сплава в среднем в 2-4 раза дешевле заменяемой бронзы.

6

   При создании новых сплавов необходимо представлять результаты ранее проведенных работ по алюминиевым антифрикционным сплавам с их классификацией по областям применения. Необходимо учитывать своеобразие требований к монометаллическим и многослойным подшипникам скольжения. Особое внимание следует уделять результатам ранее проведенных теоретических и практических работ, посвященных влиянию различных легирующих элементов на служебные характеристики сплавов и на образование диссипативных и вторичных структур на поверхностях трения. Необходимо учитывать принципы неравновесной термодинамики и теории самоорганизации в трибологическом материаловедении. Комплекс этих представлений позволяет сформулировать требования к алюминиевым антифрикционным сплавам нового поколения.
   Первая глава содержит сведения о наиболее распространенных отечественных и зарубежных антифрикционных сплавах на основе олова, свинца, цинка и меди. Особое внимание уделено истории создания и применения алюминиевых антифрикционных сплавов. Рассмотрены особенности составов, свойств и условий эксплуатации алюминиевых сплавов, применяемых для монометаллических и многослойных подшипников скольжения. Рассмотрена роль легирующих элементов в литейных алюминиевых антифрикционных сплавах. Целесообразность комплексного многокомпонентного легирования обоснована с помощью критериев трибологического материаловедения на основе применения неравновесной термодинамики и теории самоорганизации. Представлены требования к алюминиевым антифрикционным сплавам для монометаллических подшипников скольжения.
   Вторая глава посвящена фазовому составу и особенностям структуры сплавов системы Al-Cu-Si-Sn-Pb как основы алюминиевых антифрикционных сплавов. Разработка новых марок таких сплавов должна основываться на качественной металловедческой базе. Основой всех разработок антифрикционных материалов является четкое представление об оптимальных сочетаниях структурных составляющих таких сплавов - упрочненной твердыми растворами алюминиевой матрицы, мелких, равномерно распределенных включениях твердых фаз и выделениях мягкой структурной составляющей, способной служить твердой смазкой и местом поглощения абразивных частиц и продуктов износа.
   Важным шагом в этом процессе является изучение диаграмм состояния двойных, тройных и многокомпонентных систем на основе

7

алюминия и легирующих элементов, введение которых считается целесообразным.
   Эти исследования необходимы для изучения особенностей формирования структуры алюминиевых сплавов, содержащих легкоплавкие компоненты, образующие включения мягкой структурной составляющей. Особое внимание уделяется процессу кристаллизации, влиянию термической обработки и обработки давлением. Исследования, проведенные авторами с использованием как расчетных так и экспериментальных методов, направлены на создание научной базы, необходимой для обоснования составов многокомпонентных алюминиевых сплавов с добавками олова и свинца. При написании этой главы применялся расчет фазового состава многокомпонентных сплавов по программе Thermo-Calc с использованием различных баз данных (TCAL1, TTAL7 и TCAL4).
   В третьей главе описаны трибологические испытания ряда сплавов и соответствующие им микроскопические исследования, а также теоретическое описание процессов, происходящих на поверхностях сплавов.
   В первом разделе третьей главы дана краткая предыстория вопроса, описаны трибологические исследования сплавов, выбор которых научно обоснован во второй главе. Кратко описаны различные методы испытаний. Особая роль отводится склерометрическим исследованиям как средству предварительного отбора образцов. Показано, что удельное сдвиговое сопротивление, наряду с контактным напряжением микрорезания, может быть использовано в качестве критерия потенциальной задиростойкости антифрикционных алюминиевых сплавов. Испытаны серии многокомпонентных сплавов, из которых отобраны сплавы с эксплуатационными характеристиками, не уступающими аналогичным характеристикам бронзы.
   Второй раздел третьей главы посвящен металлографическим исследованиям сплавов, испытанных в первом разделе. Использована комплексная методика микроскопии, включающая различные методы - оптическую, электронную (с рентгеновским элементным анализом), а также зондовую микроскопию. Для всех исследованных образцов были изучены поверхности, как в исходном состоянии, так и после трибологических испытаний. Показано влияние термообработки (ТО) на исходную структуру поверхности и на трибологические свойства образцов. Продемонстрировано, что различные типы ТО по-разному влияют на исходную структуру. Показано, что ТО при

8

температуре 500 °C приводит к сфероидизации фаз и большему растворению меди в алюминиевой матрице.
   Рассмотрено влияние изменения рабочего давления при трибологических испытаниях на морфологию и химический состав поверхности. При этом на поверхности происходят различные физикохимические процессы. Так, вследствие повышения температуры и давления в зоне трения, происходит выделение мягкой фазовой составляющей, в результате чего образуется пленка вторичных структур. В процессе трения зона контакта насыщается кислородом и углеродом, что приводит к образованию твердых частиц оксидов и карбидов. Эти частицы играют роль абразива, способствующего изнашиванию и образованию задира на поверхности.
   Третий раздел третьей главы посвящен теоретическому исследованию выделения мягкой фазы на поверхность многокомпонентного алюминиевого сплава при трении по жесткому шероховатому контртелу. Предложена модель для расчета зависимости количества твердого смазочного материала, образующегося на поверхности сплава, от основных характеристик материала и условий трения. Модель строится на основании предположения о том, что мягкая фаза выделяется на поверхность сплава путем ее пластического течения по границам зерен матрицы при деформировании сплава, при этом рассматривается как упругая, так и пластическая деформация матрицы. На основе построенной модели проведен анализ влияния свойств матрицы и мягких структурных составляющих, а также структуры сплава, на количество выделяемой в зону трения мягкой фазы, обеспечивающей эффект самосмазывания. Проведено сопоставление расчетной толщины образующейся пленки с экспериментально измеренным коэффициентом трения для сплавов различного состава. Даны рекомендации по структурному составу сплава (размеру и плотности фазовых включений), который обеспечит увеличение толщины выделяющейся смазочной пленки при заданных режимах трения.
   В четвертом разделе третьей главы предложено приближенное решение задачи об идентификации упругих свойств поверхностных слоев алюминиевых сплавов. Необходимость исследования обусловлена тем, что на поверхности сплавов в результате трения образуется наноразмерная пленка вторичных структур, свойства которой отличаются от свойств основного материала сплава. Пленка образуется в результате выделения мягкой фазы сплава и обеднения поверхностных слоев материала, что также приводит к изменению механических свойств этих слоев. В случае если механические свойства по

9

верхностных слоев отличаются от объемных, для их идентификации используются методы индентирования, результаты которого существенно зависят от шероховатости поверхности исследуемого материала. Для учета этого фактора была разработана механикоматематическая модель контактного взаимодействия гладкого индентора и двуслойного упругого полупространства с шероховатой поверхностью. Представлены границы применимости модели, проведен анализ влияния параметров микрогеометрии на результаты индентирования. Приведены примеры идентификации упругих свойств поверхностных слоев на основе результатов индентирования до и после трибологических испытаний.
   Представленные материалы смогут служить основой для создания серии алюминиевых антифрикционных сплавов нового поколения, способных соответствовать разнообразным условиям эксплуатации подшипников скольжения различных агрегатов.

10

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
 Е - модуль Юнга
 Fгр - сила трения
 f - коэффициент трения
 НВ - твердость по Бринеллю
 HV - твердость по Виккерсу
 h - толщина приповерхностного слоя
 I - интенсивность изнашивания
 J - термодинамический поток
 L - жидкая фаза
 N — нагрузка при триботехнических испытаниях
 p - контактное давление
 Q - нагрузка при индентировании
 QM - массовая доля фазы
 QV - объемная доля фазы
 R - средний радиус неровности
 S - энтропия
 T - температура
 t - время
 v — скорость скольжения
 X - термодинамическая сила
 x, y, z - координаты
  а - температурный коэффициент линейного расширения X - коэффициент теплопроводности
  ц - модуль сдвига
  v - коэффициент Пуассона
 стy - предел текучести
 (Al) - твердый раствор на основе алюминия
 (Bi) - твердый раствор на основе висмута
 (Pb) - твердый раствор на основе свинца
 (Si) - твердый раствор на основе кремния
 (Sn) - твердый раствор на основе олова
 СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия
  ДТА - дифференциальный термический анализ МРСА - микрорентгеноспектральный анализ ОМ - оптическая микроскопия
  СЭМ - сканирующая электронная микроскопия УЭП - удельная электропроводимость

11

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1.1. Антифрикционные сплавы. Краткий исторический экскурс
  Потребность в металлических антифрикционных материалах возникла с появлением первых паровых машин и развитием ткацкого производства. В узлах трения этих агрегатов применялись монометаллические подшипники скольжения, изготовленные из литой бронзы с различными составами и механическими свойствами. Из-за этого детали имели существенное различие в трибологических свойствах. Одни слабо изнашивались сами, но интенсивно изнашивали сопряженные детали, другие часто выходили из строя из-за задира и схватывания, третьи интенсивно изнашивались из-за попадания абразивных частиц, четвертые перегревались при приработке или во время работы. Каждый изготовитель самостоятельно выбирал нужную ему марку бронзы. Но именно бронзы оставались практически единственным антифрикционным металлическим материалом. Поэтому и в настоящее время все остальные антифрикционные материалы сравнивают с бронзами, которые остаются основным материалом для изготовления цельнолитых монометаллических подшипников.
  Первый специальный антифрикционный материал был разработан в 1839 г. И. Баббитом [1]. Этот сплав содержал 82...84 % Sn , 5...6 % Cu и 11...12 % сурьмы, что очень близко к современной марке баббита Б83 (10,0...12,0 % Sn, 5,5...6,5 % Cu, Sn - остальное), которая и сейчас считается эталонной маркой баббита. И. Баббит открыл эру использования в технике сплавов на оловянной, свинцовой и оловян-но-свинцовой основах, которые стали называть в его честь баббитами. Эти сплавы полностью отвечают правилу Шарпи, согласно которому антифрикционные сплавы должны обладать гетерогенной матрицей, в которой равномерно распределены твердые мелкие включения вторых фаз [2, 3] (рис. 1.1).





     Здесь и далее при указании содержания элементов в процентах (%) имеется в виду содержание в процентах по массе (% масс.), если не указано иное.


12

Рис. 1.1. Характерная структура классического баббита марки Б16.*100. Темная составляющая - свинцовая матрица.
Светлые включения - интерметаллидная фаза SnSb

   Впоследствии из-за дефицитности и высокой стоимости олова стали разрабатывать сплавы на оловянно-свинцовой и свинцовой основах, структура которых также соответствовала правилу Шарпи. В годы Первой мировой войны (1914-1918 гг.) стали разрабатывать так называемые кальциевые баббиты на свинцовой основе с легированием щелочными и щелочноземельными элементами (Ca, Na, Mg). Наиболее распространенные в настоящее время в России (табл. 1.1) и за рубежом (табл. 1.2) баббиты представляют собой модернизированные сплавы, разработанные в XIX - начале ХХ в.
   До настоящего времени широко применяются антифрикционные сплавы на медной основе - бронзы и латуни. Первоначально использовались бинарные сплавы системы Cu-Sn. Для них было отмечено, что с повышением содержания олова снижается износ подшипников, увеличивается задиростойкость, но снижается прирабатываемость и возрастает износ стального контртела. С учетом дефицитности и дороговизны олова проводились работы по снижению его содержания и замене его другими легирующими элементами. Поэтому сейчас для подшипников скольжения используются бронзы с содержанием олова до 10 %, соответствующие ГОСТ 613-79 «Бронзы оловянные литейные. Марки». В этом стандарте представлены 11 марок бронз с содержанием олова от 2,0 до 11,0 % .
   В табл. 1.3 представлены механические свойства бронз стандартных марок.

13