Антифрикционные материалы

Антифрикционный силумин (АС) – инновационная разработка ИТМ НАН Беларуси, на сегодняшний день является наиболее перспективным заменителем бронзы [1-6]. Это новый, относительно легкий и износостойкий сплав на основе алюминия, с высокими механическими и антифрикционными свойствами, который применяется для замены бронз, латуней, баббитов в узлах трения различных машин и механизмов.
ИТМ НАН Беларуси является разработчиком и единственным производителем заготовок из АС, все права защищены патентами Беларуси и России (пат. BY 17697, RU 2504595) [7, 8].

СВОЙСТВА	АНТИФРИКЦИОННЫЙ СИЛУМИН
Предел прочности σ_в, МПа	300-450
Предел текучести σ_т, МПа	250-300
Относительное удлинение, %	1-5
Твердость, HB	110-150
Плотность, г/см³	2,8
Коэффициент линейного расширения, α∙10⁶, °С	28-30
Износостойкость	0,5∙10^-8-1∙10^-7 – интенсивность линейного изнашивания со смазкой, 6,5∙10^-11-6,5∙10^-10 – интенсивность массового изнашивания со смазкой, 5,5∙^-10-3,0∙10^-9 – интенсивность массового изнашивания без смазки, 0,001-0,05 см/ч – скорость массового изнашивания со смазкой, 0,005-0,9 см/ч – скорость массового изнашивания без смазки
Коэффициент трения	0,01-0,06 – со смазкой, 0,3-0,8 – без смазки
Макс. рабочая температура, °C	до 120
Твердость вала, HRC	не менее 20
Допустимая нагрузка (МПа) – скорость (м/сек)	до 100 МПа – 0,5 м/сек до 50 МПа – 1 м/сек до 10 МПа – 5 м/сек
Коррозионная стойкость	Обладает коррозионной стойкостью или малочувствителен к нефти, газовому конденсату, бензину, керосину, воде и атмосферным загрязнениям. Коррозию вызывают соляная кислота, серная кислота, щелочь.
Обрабатываемость резанием	Заготовки из антифрикционного силумина обрабатываются на токарных, фрезерных, зубонарезных, строгальных и др. металлорежущих станках с применением СОЖ
Смазка	Рекомендуется использовать в смазочной среде (ИА20, ИА40, Литол и др.)

Для повышения износостойкости заготовок из АС их подвергают термической обработке по режимам Т5, Т6 по ГОСТ 1583-93.
Микроструктура заготовок из АС после термообработки: α-фаза с глобулярными кристаллами эвтектического кремния дисперсностью до 10 мкм и единичными кристаллами первичного кремния дисперсностью до 40 мкм.
После термической обработки по режиму Т5 заготовки из эвтектического силумина (АК12М3) имеют временное сопротивление разрыву 350-450 МПа и относительное удлинение 3-5%. После прокатки со степенью деформации 65% предел прочности заготовок из силуминов с глобулярным кремнием увеличивается в среднем на 40%, а относительное удлинение – в 4 раза.

Микроструктура заготовок из АС после термической обработки

Высокая степень структурной инверсии и высокодисперсная микроструктура обеспечивают силуминам с глобулярным кремнием уникальные антифрикционные свойства, которые исследовали в Санкт-Петербургском институте машиностроения [9].
Были проведены сравнительные триботехнические испытания образцов из АС 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 АС по стали 45 в 7 раз выше, чем у аналогичных образцов из бронзы;
- коэффициент трения скольжения по стали 45 у образцов из АС в 1,65 раз ниже, чем у аналогичных образцов из бронзы.
Установлено, что при испытании на машине трения СМЦ-2 со смазкой И20А при нормальном напряжении 200 Н и вращении со скоростью 300 об/мин:
- линейный износ образцов из АС по стали 45 в 23 раза меньше, чем у аналогичных образцов из бронзы;
- коэффициент трения по стали 45 из образцов из АС в 1,35 раз ниже, чем у аналогичных образцов из бронзы.

Образцы из АС испытывали в Объединенном институте машиностроения НАН Беларуси в сравнении с антифрикционными бронзами БрОЦС5-5-5, БрОФ10-1, БрАЖ9-4 при повышенных удельных нагрузках. Сравнительные триботехнические испытания проводили на машине трения МТВП в условиях смазки (И20А). Использовали схему возвратно-поступательного перемещения призматического образца (10х5х5 мм) по закаленной стали 45 при скорости 0,1-0,5 м/с. Удельная нагрузка составляла 10-100 МПа. Было установлено, что антифрикционный силумин АК15М3 по фрикционной износостойкости в условиях высоких удельных нагрузок превосходит промышленные антифрикционные бронзы БрОЦС5-5-5, БрОФ10-1 и БрАЖ9-4.

Результаты триботехнических испытаний в Институте технологии металлов НАН Беларуси на машине трения ИИ 5018 при заданных режимах трения также показали высокие триботехнические характеристики в смазочной среде образцов из силумина АК12М2 в сравнении с антифрикционными бронзами БрОЦС 5-5-5 и БрОЦС 4-4-17.

1 – силумин АК12М2; 2 – бронза БрОЦС 5-5-5
Зависимость момента трения от времени испытаний образцов в установившимся режиме (Р = 4,0 кН, n = 200 об/мин, ? = 30 мин)

Высокие антифрикционные свойства силумина с высокодисперсной инвертированной микроструктурой объясняются принципом Шарпи, относительно большой теплопроводностью сплава, высокими дисперсностью, глобулярностью и прочностью кристаллов кремния (β_Si-фазы).
Проведенные триботехнические испытания свидетельствуют о том, что АС может эффективно заменить дорогостоящие антифрикционные бронзы типа БрОЦС, БрАЖ, а также БрОФ в узлах трения при давлении до 100 МПа.
Были проведены опытно-промышленные испытания деталей из АС в сравнении с аналогичными из различных антифрикционных бронз (табл.).

Таблица. Опытно-промышленные испытания деталей из АС

№ п/п	Предприятие	Страна	Результат
1	ОАО «Завод Оптик»	Беларусь	Превосходят БрАЖ9-4
2	РУП «Завод «Эвистор»	Беларусь	Не уступают БрАЖН10-4-4
3	ОАО «Оршанский станкостроительный завод «Красный Борец»	Беларусь	Не уступают БрОЦС5-5-5
4	ОАО «Белшина»	Беларусь	Не уступают БрОЦС5-5-5
5	ЧП «ВС-Техника»	Беларусь	Не уступают БрАЖ9-4
6	Завод «Могилевтрансмаш» ОАО «МАЗ»	Беларусь	Превосходят БрАЖМц10-3-1,5
7	ОАО «Гомельский завод станочных узлов»	Беларусь	Превосходят БрОЦС5-5-5
8	ОАО «Управляющая компания холдинга «Бобруйскагромаш»	Беларусь	Превосходят серийные из АСП-6
9	ОАО «Кузлитмаш»	Беларусь	Не уступают БрАЖ9-3
10	ОАО «БЕЛАЗ» - управляющая компания холдинга «БЕЛАЗ-ХОЛДИНГ»	Беларусь	Не уступают БрОФ6,5-0,15, превосходят Wieland-B09 (CuSn8P)
11	ОАО «Амкодор - Дзержинск»	Беларусь	Не уступают бронзовым BMZ/L (CuSn8P)
12	ПАО «Таганрогский металлургический завод»	Россия	Превосходят БрОЦС5-5-5
13	ОАО «СветлогорскХимволокно»	Беларусь	Не уступают БрАЖ9-4
14	ОАО «Первоуральский новотрубный завод»	Россия	Превосходят БрОЦС5-5-5
15	ОАО «Витебсклифт»	Беларусь	Не уступают бронзовым
16	АО «НЛМК-Урал»	Россия	Не уступают БрАЖН10-4-4
17	ООО «Сальсксельмаш»	Россия	Не уступают БрОЦС5-5-5
18	ООО «СтанкоПромСервис»	Россия	Не уступают БрОЦС5-5-5
19	ООО «ТМК-ИНОКС»	Россия	Превосходят БрОЦС5-5-5, БрОЦС4-4-2,5 БрАЖН10-4-4
20	ООО «Строительные машины»	Россия	Не уступают бронзовым
21	АО «ТМК Нефтегазсервис - Нижневартовск»	Россия	Превосходят БрОС10-10
22	СП «Святовит» ООО	Беларусь	Не уступают ZX-100
23	ОАО «МАЗ» - управляющая компания холдинга «БЕЛАВТОМАЗ»	Беларусь	Не уступают БрОЦС5-5-5
24	ООО «НТЦ «РЕДУКТОР»	Россия	Не уступают БрОФ10-1
25	МЦ «ССМ-Тяжмаш»	Россия	Не уступают БрА9Ж3Л
26	ЗАО «Тулаэлектропривод»	Россия	Не уступают БрАЖМц10-3-2
27	ОАО «Минский завод колесных тягачей»	Беларусь	Не уступают БрАЖН10-4-4
28	ООО «ХАВЕР BY металлотканый завод»	Беларусь	Не уступают БрАЖ9-4
29	ООО «Талнахский механический завод»	Россия	Не уступают БрАЖМц10-3-2, БрОЦС5-5-5

Эти испытания показали, что детали из АС по износостойкости и ресурсу работы либо превосходят детали из бронз, либо не уступают им.
Положительные опытно-промышленные испытания заготовок из АС позволили создать опытно-промышленное производство отливок из силуминов с высокодисперсной микроструктурой и поставлять их на промышленные предприятия.
На опытно-промышленном участке ИТМ НАН Беларуси налажен выпуск заготовок из АС в соответствие с ТУ BY 700002421.003-2011 [10]:

- мерных сплошных цилиндрических заготовок наружным диаметром до 300 мм и высотой до 250 мм;

- мерных полых цилиндрических заготовок наружным диаметром до 300 мм и высотой до 250 мм;

Поставка заготовок из АС осуществляется на многие предприятия Беларуси, России, а также Кореи: ОАО «Гомсельмаш», ОАО «Белшина», ОАО «ОЗАА», ОАО «Бобруйский завод тракторных деталей и агрегатов», ОАО «Моготекс» (г. Могилев), ОАО «Кузлитмаш» (г. Пинск), ОАО «Гомельский завод станочных узлов», ОАО «СветлогорскХимволокно», ОАО «Борисовский завод «Автогидроусилитель», ОАО «Минский завод колесных тягачей», ОАО «Витебсклифт», СП «Святовит» ООО, ОАО «Гродненский завод токарных патронов «БелТАПАЗ», ОАО «БЕЛАЗ», ОАО «МАЗ», ОАО «Амкодор-Дзержинск», ООО «Строительные машины» (г. Санкт-Петербург), ООО «Талнахский механический завод» (г. Тула), ООО «Авторемонтный завод» (г. Великий Новгород), АО ПО «Уральский оптико-механический завод» (г. Екатеринбург) и др.

ПАРТНЁРЫ

ОАО «МАЗ»

ОАО «БЕЛАЗ»

ОАО «МЗКТ»

ОАО «Гомсельмаш»

ОАО «Белшина»

ОАО «Кузлитмаш»

СП «Святовит» ООО

ОАО «СветлогорскХимволокно»

ОАО «Гомельский завод станочных узлов»

Предприятия Трубной Металлургической Компании

АО «Первоуральский новотрубный завод»

АО «НЛМК-Урал»

МЦ «ССМ-Тяжмаш» ПАО «Северсталь»
г. Череповец

НТЦ «Редуктор»
г. Санкт-Петербург

ООО «Строительные машины»
г. Санкт-Петербург

ООО «Талнахский механический завод»
г. Тула

Заготовки из АС изготавливаются способами литья, основанных на ускоренном затвердевании отливки и по своим механическим свойствам не уступают аналогичным из бронзы, а по антифрикционным – превосходят их. Преимущества деталей изготовленных из антифрикционного силумина включают:

стоимость аналогичных деталей в 3 раза ниже, чем бронзовых;
повышенная износостойкость (в 1,5-2 раза выше, чем бронзовых);
масса деталей в 2,5-3 раза меньше, чем у аналогичных из бронз.

Способы получения заготовок из АС являются достаточно простыми, производительными и не предусматривают применение дорогостоящих и экологически небезопасных модифицирующих лигатур и флюсов.
Область применения заготовок из АС: втулки подшипников скольжения, кольца муфт фрикционных для кормоуборочных комбайнов и ротационных жаток, втулки балансиров ходовых систем большегрузных машин и прицепов, втулки шарнирных соединений навесного оборудования экскаваторов и погрузчиков, вкладыши люнетов токарных станков, втулки и вкладыши для кузнечно-прессового оборудования, втулки сателлитов дифференциалов карьерных самосвалов и колесных шасси, втулки сальниковых букс, втулки гидроцилиндров, шестерни червячных колес редукторов, направляющие втулки и другие детали узлов технологического оборудования.
Таким образом, антифрикционный силумин является новым триботехническим сплавом, который с успехом заменяет более тяжелые и дорогие бронзы, латуни и баббиты в узлах трения различных машин и механизмов.

Литература

1. Стеценко В.Ю., Гутев А.П. Производство и применение заготовок из антифрикционного силумина / Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы междунар. науч.-техн. конф.: -Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2015. – С. 126-127.
2. Стеценко В.Ю., Баранов К.Н. Использование заготовок из антифрикционного силумина для вкладышей люнета токарных станков // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. научн.-техн. конф., Могилев 16-17 апреля 2015г. – Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2015. – С. 125.
3. Марукович Е.И., Стеценко В.Ю., Гутев А.П. Литье, свойства и применение антифрикционного силумина // Труды 23-й Междунар. научн.-техн. конф. «Литейное производство и металлургия 2015. Беларусь», Жлобин, 21-22 октября 2015г. / Литейное производство и металлургия, Минск, 2015. – С.9-12.
4. Стеценко В.Ю., Гутев А.П., Баранов К.Н. Получение слитков диаметром 75мм из заэвтектического силумина АК18 с мелкокристаллической структурой // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: Материалы междунар. науч.-техн. конф., Могилев, 14 - 15 апреля 2016 г. / Белорус.-Рос. ун-т. - Могилев, 2016. - С. 107.
5. Марукович Е.И., Стеценко В.Ю. Литье силумина. Новые подходы // Литейное производство сегодня и завтра: Труды междунар. науч.-практ. конф., Санкт-Петербург, 15 - 17 июня 2016 г. / Культ-информ-пресс - Санкт-Петербург, 2016. - С. 173.
6. Стеценко В.Ю., Гутев А.П., Баранов К.Н. Применение антифрикционного силумина для кузнечно-прессового оборудования // Литейное производство и металлургия 2016. Беларусь: Труды междунар. науч.-техн. конф., Минск, 19 - 21 октября 2016 г. - Минск: БНТУ, 2016. - С. 10-12.
7. Патент BY 17697 C1 2013.12.30, МПК С22С 21/04. Антифрикционный сплав на основе алюминия. Марукович Е.И., Стеценко В.Ю., Ривкин А.И.
8. Патент RU 2504595, МПК С22С21/04. Антифрикционный сплав на основе алюминия / В.Ю. Стеценко, Е.И. Марукович – 2014. – Бюл. №2
9. Отчет НИР «Получение сравнительных триботехнических характеристик на бронзовых и силуминовых сплавах» ГОУВПО «Санкт-Петербургский институт машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ)
10. Технические условия ТУ BY 700002421.003-2011 «Заготовки деталей из антифрикционного силумина»

НАГРАДЫ

КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ:

Гутев Алексей Петрович
старший научный сотрудник
тел. моб. +375 44 702 11 49
тел/факс +375 222 64 01 13
lms@itm.by

Баранов Константин Николаевич
старший научный сотрудник
тел. моб. +375 29 390 39 13
bkn_84@mail.ru