УДК 621.771.23:621.771.8
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННОГО СПЛАВА А1-РЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ
© Ю.В. Концевой, канд. техн. наук, И.Э. Игнатьев, канд. техн. наук, Е.В. Игнатьева,
Э.А. Пастухов, чл.-корр. РАН, д-р хим. наук, проф., Н.А. Ватолин, акад. РАН, д-р техн. наук, проф.
Институт металлургии УрО РАН
Начиная со второй половины прошлого века подшипники скольжения (вкладыши) для двигателей внутреннего сгорания выпускаются в виде биметалла со стальной основой и антифрикционным слоем из сплава олова и алюминия [1]. Работы, проведенные в 1970-1980 гг. [2] по замене дорогого олова на сравнительно дешевый свинец, показали, что качество вкладышей при этом не только не ухудшается, но даже становится выше. Однако, ввиду очень большого различия свинца и алюминия по плотности, а также отсутствия химического взаимодействия и взаимного растворения этих металлов, такой сплав расслаивается до кристаллизации и теряет свои служебные свойства. Поэтому получить слиток с равномерным распределением свинца в алюминиевой матрице массой, применимой в производстве, авторам разработки не удалось, и работы были прекращены. Тем не менее, идея замены олова свинцом оказалась столь привлекательной, что многие исследователи начали искать более сложные пути получения такого сплава. Одни разработчики пошли по пути частичного замещения олова свинцом [3], другие - по пути получения биметаллической антифрикционной заготовки совместной прокаткой стальной полосы и порошковой А1-РЬ шихты [4, 5]. В определенной степени эти исследования оказались успешными: разработаны составы и технологии получения таких биметаллов, изготовлены образцы с механическими и трибологическими показателями, превышающими показатели стандартного образца. Однако в первом случае олово остается доминирующим элементом в сплаве, во втором случае сложна технология получения композита.
Следует отметить, что по известным причинам осуществлять покрытие полосы сплавом значительно проще, чем порошковой шихтой. В связи с этим в ИМЕТ УрО РАН были разработаны новые способ и устройство [6] получения алюмо-свинцового антифрикционного сплава для изготовления биметаллических вкладышей.
Способ заключается в непрерывном получении расплавленной алюмо-свинцовой эмульсии и быстром ее затвердевании в кристаллизаторе. Равномерность распределения свинца в алюминиевой основе обеспечивается за счет интенсивного смешивания этих компонентов в турбулентно-вихревых потоках, создаваемых гармоническими колебаниями поршня-вибратора. Установка для осуществления данного способа (рис. 1) работает следующим образом. В ваннах 1 и 2 алюминий и свинец расплавляются при температуре 750 °С и затем по каналам 4 поступают в смесительно-разливочную камеру 6. В ней с помощью поршня-вибратора 5 происходит перемешивание составляющих расплава до однородного состава во всем рабочем объеме. Одновременно с перемешиванием производится разливка алюмо-свинцовой эмульсии через отверстие выпуска в кристаллизатор. Из кристаллизатора затвердеваю-
щий сплав посредством тянущих роликов подается в клеть прокатного стана, где получают тонкую полосу для последующего плакирования ею стальной основы.
Размеры установки определяются объемом производимой продукции. Технологические и геометрические параметры установки определяются следующими положениями. Для получения однородной эмульсии необходимо произвести интенсивное перемешивание расплава турбулентно-вихревыми потоками, которые создаются колебаниями поршня-вибратора с частотой 16-160 Гц. В работе [7] показано, что турбулентность и степень перемешивания расплава зависят от скорости потока из зазора между поршнем-вибратором и боковыми поверхностями смесительной камеры, от геометрии смесительной камеры и вязкости расплава. Скорость потока, вы-
Рис. 1. Установка для получения антифрикционной полосы: 1, 2 - плавильные ванны для алюминия и свинца; 3 - теплоизолятор и электронагреватели; 4 - каналы подачи расплавов; 5 - поршень-вибратор; 6 - смесительно-разливочная камера; 7 - кристаллизатор; 8 - тянущие ролики; 5 9 - клети прокатного стана; 10 - антифрикционная полоса
ходящего из зазора, определяется скоростью изменения объема расплава под поршнем, т.е. пропорциональна частоте и амплитуде колебаний поршня.
Амплитуду колебаний поршня определяют исходя из частоты колебаний, вязкости и плотности расплава по выражению [6]
_ п1500
О = -4;-, мм,
где п - вязкость расплава, ц - частота колебаний, р - плотность расплава, Я0 - радиус поршня-вибратора. Это выражение получено из условия полного турбулентного перемешивания расплава при вибрационной обработке в цилиндрическом сосуде [7]. Применительно к цилиндрической смесительной камере часть параметров заменена конкретными значениями. При
8 < 1500п/Л02ЦР не
будет обеспечена полная однородность готового сплава, а при 8 > 1500^ /-^ИР возрастают энергетические затраты и износ виброагрегата. Соблюдение указанного условия определяет оптимальные параметры установки.
Радиус поршня Я0 = (0,97 + 0,99)Лр где Я1 - внутренний радиус смесительной камеры. Высота поршня является немаловажным фактором, влияющим на расход энергии. Она определяется в соответствии с выводами работы [6], как Я6=(0,1-0,2)5яРЯ0/600(1-яР), где ¿=Я0/Яу
Поршень-вибратор погружают в расплав так, чтобы расстояние от дна смесительной камеры до его нижней плоскости составляло Н1 = (2,5 + 3,0)Л„ + ^' , где
п
V - скорость разливки сплава. Объясняется это тем, и оп 6У
что при Н1 > 3К0 +--- в камере смешивания создаются
п
застойные зоны, в которых начинается процесс расслоения составляющих компонентов, вследствие чего не обеспечивается однородность готового продукта. В случае 6г
Н1 < 2,5Л„ +--растет технологически неоправданный
п
расход энергии.
Уровень расплава над верхней плоскостью поршня-вибратора Н0=(2+8)§<^2 - обязательное условие предотвращения закачивания атмосферного воздуха в расплав.
Плавильные ванны выполнены в виде концентрических колец вокруг смесительной камеры и соединены с ней подающими каналами на уровне, на (5^15)-10-3 м ниже нижней плоскости поршня-вибратора. Этим обеспечивается попадание новых порций расплава непосредственно под струю, бьющую из зазора между стенками поршня и смесительной камеры при максимальном ее импульсе. Постоянный уровень компонентов расплава в плавильных ваннах (Н2, Н3) должен обеспечивать такие скорости подачи в смесительную камеру каждого из компонентов, чтобы они соответствовали требуемому содержанию металлов в сплаве. Этого можно достичь или подбором размеров выходных сечений подающих каналов, или учетом величины гидростатического давления. Секундный объ-£ ем подачи должен равняться секундному объему разлива « расплавленной эмульсии.
° Предлагаемые способ и устройство получения ком-
,1 позиционных сплавов были опробованы в лабораторных условиях в ИМЕТ УрО РАН при выплавке сплава из вза-< имно нерастворимых и расслаивающихся компонентов: I 65% А1 и 35% РЬ.
Рис. 2. Структура сплава Al - 65%, Pb - 35%
(увеличение х500)
Лабораторная установка имела следующие размеры: радиус смесительной камеры R1 = 50,510-3 м, общая высота накопителя H4=4-10-1 м, радиус поршня-вибратора R0=49,5-10-3 м; высота его Н6=26-10-3 м; врезка каналов подачи расплава - на высоте H7=(13-18)-10-2 м; высота плавильных ванн H5=15-10- 2 м. Уровень расплава от дна накопителя до нижней плоскости вибратора H1=138-10-3 м; над верхней плоскостью вибратора H0=26-10-3 м; общий уровень расплава в накопителе Н8=(Н0+Нб+Н1) =19-10-2 м; уровень расплава свинца в плавильной ванне H2=3-10-2 м, а уровень расплава алюминия H3=12-10-2 м. Виброобработка производилась колебаниями частотой 50 Гц и амплитудой 2,5-10-3 м.
В процессе эксперимента производилась выплавка и виброобработка алюмо-свинцового сплава. Фотография микрошлифа полученного сплава (рис. 2) позволяет сделать вывод об объемной однородности алюмо-свинцового сплава.
Заключение. Разработан высокопроизводительный способ непрерывной выплавки сплавов не взаимодействующих расслаивающихся металлов.
Библиографический список
1. Засуха П.Ф., Корщиков В.Д., Бухвалов О.Б., Ершов А.А. Биметаллический прокат. - М.: Металлургия. 1971. - 264 с.
2. Авраамов Ю.С., Филоненко В.П., Груздов А.П., Шляпин А.Д. Изменение структуры и свойств сплавов алюминия со свинцом в процессе пластической деформации // Металловедение и термическая обработка металлов. 1984. № 7. С. 49-51.
3. Патент 2087577 РФ. Сплав для подшипников на основе алюминия и способ изготовления биметаллической заготовки для подшипником из этого сплава / Буше Н.А., Маркова Т.Ф., Копытко В.В. и др. 1997. Бюл. № 23. С. 283.
4. Патент 2208660 РФ. Способ покрытия стальной полосы антифрикционной порошковой смесью / Буланов В.Я., Пастухов Э.А., Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В. 2003. Бюл. № 20. С. 690.
5. Концевой Ю.В., Ватолин Н.А., Игнатьев И.Э. и др.
Технология получения композитного антифрикционного слоя на стальной ленте // Сталь. 2003. № 12. С. 69-70.
6. Патент 2298590 РФ. Способ получения композиционных сплавов и устройство для его осуществления / Концевой Ю.В., Ватолин Н.А., Игнатьев И.Э. и др. 2007. Бюл. № 13. С. 548.
6. Игнатьев И.В., Киселев А.В., Долматов А.В.и др.
Математическое моделирование движения жидкости в цилиндре, возбуждаемое поршнем-вибратором // Расплавы. 2005. № 6. С. 3-11.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.