Сплав на основе меди

 

Сплав на основе меди содержит следующие компоненты, мас.%: медь - 57,0-60,0; марганец - 3,1-4,0; кремний - 0,6-1,5; алюминий - 0,5-1,5 и цинк - остальное. В качестве необязательных компонентов сплав может дополнительно содержать никель менее 0,6 мас.%, железо менее 0,7 мас.% и свинец менее 0,3 мас.%. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости и твердости. При производстве сплава возможно использование отходов металлургического производства. 6 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к металлургии, а именно к латунным сплавам, содержащим дополнительно марганец и кремний, и может быть использовано для изготовления заготовок и деталей литьем под давлением, преимущественно для изготовления деталей с твердостью НВ выше 150 единиц.

Известен сплав (1) на основе меди, содержащий алюминий, марганец, цинк, железо и свинец при следующем соотношении компонентов, мас.%: Медь - 58 - 61 Алюминий - 0,75 - 1,5 Железо - 0,75 - 1,5 Марганец - 0,1 - 0,6 Свинец - 0,75 - 1,5 Цинк - Остальное Сплав предназначен для получения литых изделий. Его ограничениями являются: отсутствие в сплаве кремния, что ухудшает механические свойства сплава и его жаропрочность; большое процентное содержание в сплаве свинца, токсичного компонента, а также железа, увеличивающих пористость отливки и приводящих к расслоению детали и повышению ее хрупкости.

Известен сплав (2) ЛМцСКА, используемый для изготовления заготовок блокирующих колец синхронизатора, содержащий медь, цинк, марганец, свинец, алюминий, кремний, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: Медь - 57 - 60 Марганец - 1,75 - 2,5
Свинец - 1,5 - 2,2
Алюминий - 0,6 - 1,2
Кремний - 0,5 - 1,2
Железо - Не более 0,6
Цинк - Остальное
Поковки данного сплава могут быть получены из вторичных сплавов, что несколько снижает себестоимость заготовок. Ограничениями сплава являются: невысокая твердость; большое процентное содержание в сплаве свинца, токсичного компонента, а также железа, увеличивающих пористость отливки и приводящих к расслоению детали и повышению ее хрупкости. Этот сплав предназначен для получения поковок трубчатой формы, из которых затем изготавливают кольца синхронизатора, при этом, как показали исследования, при изготовлении из этого сплава заготовок литьем под давлением не удается получить удовлетворительные технико-эксплуатационные характеристики детали, такие как наработка на износ, необходимая твердость НВ выше 150 единиц. Сплав имеет невысокую способность к деформации соответственно повышенную хрупкость. Таким образом, состав этого сплава не позволяет получить удовлетворительное качество заготовок при их изготовлении посредством ресурсосберегающих технологий, например литьем под давлением.

Известны варианты сплавов (3) на основе меди, содержащие цинк, алюминий, марганец, кремний, железо и свинец при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь - 50- 55
Марганец - 0,5 - 2,0
Алюминий - 0,5 - 2,0
Кремний - 0,25 - 2,0
Свинец - 0,0 - 2,0
Железо - 0,25 макс.

Другие примеси - 0,0 - 2,0
Цинк - Остальное
Этот сплав характеризуется количеством меди менее 55%, что повышает хрупкость сплава, а также невысокими процентным содержанием марганца, что снижает износостойкость детали и ее выносливости при повышении температуры, а также уменьшает коррозионную стойкость.

Известен также медно-цинковый сплав (4), содержащий медь, марганец, алюминий, кремний, железо, свинец, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Медь - 67 - 72
Марганец - 6,0 - 8,5
Алюминий - 4,0 - 8,0
Кремний - 1,0 - 2,5
Железо - 1,0 - 1,5
Свинец - 0,5 - 1,5
Цинк - Остальное
Никель - Отсутствует
Этот сплав характеризуется относительно высоким содержанием меди, что повышает его стоимость, и повышенными процентными значениями в нем алюминия, железа и свинца, что ухудшает характеристики заготовок при их изготовлении литьем под давлением, например, такие как способность к деформации, а также повышение хрупкости и расслоения детали при ее эксплуатации.

Известен сплав (5) на основе меди, содержащий медь, цинк, марганец, кремний, алюминий, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь - 56,8 - 65,4
Цинк - 15,0 - 22,7
Марганец - 12,0 - 24,2
Кремний - 0,67 - 0,78
Алюминий - 0,22 - 0,5
Железо - 0,0 - 0,16
В этом техническом решении приведены конкретные варианты сплавов, характеризующиеся нахождением процентного содержания всех компонентов, кроме железа, по специальным диаграммам. Сплавы обладают высоким сопротивлением на разрыв и хорошей ковкостью. Найденный из диаграмм один из оптимальных вариантов сплава имеет следующее содержание компонентов, мас.%:
Медь - 56,8
Цинк - 22,7
Марганец - 19,6
Кремний - 0,75
Алюминий - 0,24
Железо - 0,0 - 0,16
Все известные из этого технического решения варианты сплавов характеризуются высоким процентным содержанием марганца, за счет чего увеличена износостойкость и сопротивление детали к разрыву, а также минимальным количеством в сплаве железа, что дополнительно улучшает механические свойства заготовки.

Как показали исследования, такое высокое содержание марганца при изготовлении деталей литьем использовать нецелесообразно, поскольку ухудшаются другие характеристики материала, такие как его деформируемость (удлинение) и сопротивление удару. Кроме того, без значительного ухудшения качества готовой отливки возможно некоторое увеличение количества алюминия и железа, обеспечивая тем самым возможность использования и переплавки вторичного сырья, содержащего упомянутые, отрицательно влияющие при их переизбытке на качество материала компоненты.

Наиболее близким техническим решением по химическому составу является сплав (6) ЛМцКА, используемый для изготовления заготовок блокирующих колец синхронизатора, содержащий медь, цинк, марганец, алюминий, кремний, железо и свинец при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь - 57 - 60
Марганец - 2 - 3
Алюминий - 0,75 - 1,5
Кремний - 0,5 - 1,3
Железо - До 0,6
Свинец - До 0,6
Цинк - Остальное
Сплав предназначен для получения поковок из вторичных сплавов, что несколько снижает себестоимость заготовок. Его ограничениями являются невысокая твердость, получаемого материала; большое процентное содержание в сплаве свинца, токсичного компонента, а также железа, увеличивающих пористость отливки и приводящих к расслоению детали и повышению ее хрупкости. Этот сплав предназначен для получения поковок трубчатой формы, из которых затем изготавливают кольца синхронизатора, что увеличивает расход металла, при этом, как показали исследования, при изготовлении из этого сплава заготовок литьем под давлением не удается получить удовлетворительные технико-эксплуатационные характеристики детали, такие как наработка на износ, необходимая твердость НВ выше 150 единиц. Сплав имеет невысокую способность к деформации и соответственно повышенную хрупкость. Таким образом, состав этого сплава не позволяет получить удовлетворительное качество заготовок при их изготовлении посредством ресурсосберегающих технологий, например литьем под давлением.

Решаемая изобретением задача - повышение качественных технико-эксплуатационных характеристик материала при изготовлении из него заготовок методом литья под давлением.

Технический результат, который может быть получен при использовании заявленного сплава, - повышение износостойкости и твердости. Дополнительный технический результат - возможность использования отходов металлургического производства.

Для решения поставленной задачи в известном сплаве на основе меди, содержащем медь, марганец, кремний, алюминий и цинк, согласно изобретению компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%
Медь - 57,0 - 60,0
Марганец - 3,1 - 4,0
Кремний - 0,6 - 1,5
Алюминий - 0,5 - 1,5
Цинк - Остальное
Возможны дополнительные варианты осуществления сплава, в которых целесообразно, чтобы количество марганца было выбрано преимущественно из интервала 3,4 - 3,7 мас.%; количество кремния было выбрано преимущественно из интервала 1,2 - 1,3 мас.%; количество алюминия было выбрано преимущественно из интервала 0,5 - 0,75 мас.%; сплав дополнительно содержал никель в количестве менее 0,6 мас.%; сплав дополнительно содержал железо в количестве менее 0,7 мас.%; сплав дополнительно содержал свинец в количестве менее 0,3 мас.%.

Указанные преимущества, а также особенности сплава поясняются с приведением лучшего варианта его выполнения.

Как показали исследования, с учетом и зерен количество меди в сплаве целесообразно выбирать в пределах 57,0 - 60,0 мас.%, поскольку количество больше 60% приводит к удорожанию сплава и снижает его твердость, а при количестве меди менее 57% повышается его хрупкость.

Марганец способствует повышению механических свойств материала, его выносливости при функционировании деталей в условиях повышенных температур, коррозионной стойкости. В то же время, содержание марганца выше 4 мас.% снижает удлинение и ударную прочность заготовки, а ниже 3 мас.% резко ухудшает механические свойства готовой детали такие, как износостойкость и фрикционность. Оптимальное содержание марганца в сплаве находится в интервале 3,4 - 3,7 мас.%.

Кремний повышает механические свойства заготовки такие, как твердость и жаропрочность, однако использовать его в количестве более 1,5% нецелесообразно, поскольку значительно повышается остаточная деформация в заготовке, сильно снижается пластичность в холодном состоянии. Введение кремния в сплав в количестве менее 0,6% практически не влияет на улучшение механических свойств сплава. Исследования показали, что оптимальные механические свойства сплава могут быть получены при содержании кремния в интервале 1,2 - 1,3 мас. %.

Алюминий способствует повышению предела текучести и твердости материала. При его количестве более 1,5% понижается способность заготовки к деформации. В то же время выбирать его в количестве менее 0,5 мас.% нецелесообразно, так как при этом снижается величина сопротивления детали к давлению и возможно появление в образце трещин при функционировании детали в жестких условиях внешних нагрузок. Оптимальное содержание алюминия в сплаве находится в интервале 0,5 - 0,75 мас.%.

Количество цинка с учетом вышеприведенных интервалов основных компонентов и без учета возможных примесей других компонентов может быть выбрано в интервале 33,0% - 38,9%, и такое его количество хорошо согласуется с известными техническими решениями.

Для обеспечения возможности использования при производстве сплава отходов металлургического производства сплав дополнительно может содержать никель в количестве менее 0,6 мас.%, железо - в количестве менее 0,7 мас.%, свинец - в количестве менее 0,3 мас.%. В сплаве при использовании отходов производства при их переплавке выбирается минимально возможное количество свинца, поскольку свинец является токсичным и увеличивает пористость заготовки, при этом ухудшаются литейные свойства при изготовлении заготовок относительно сложных деталей, например отливок колец. Железо и свинец являются нежелательными примесями, наличие которых приводит к охрупчиванию и расслоению детали. Однако, как показали испытания, содержание никеля до 0,6%, железа до 0,7% и свинца до 0,3% значительного отрицательного воздействия на материал детали не оказывают. Небольшое содержание этих примесей может присутствовать в составе сплава, что позволяет с учетом применения для изготовления деталей метода литья под давлением осуществить безотходное производство заготовок, например, из отходов, полученных после механической обработки заготовок, или из отходов металлургического производства, поскольку небольшое количество железа, никеля или свинца может содержаться в шихте и ломе.

При проведении испытаний блокирующих колец синхронизатора коробки передач, выполненных из заявленного сплава по сравнению с используемым в действующем производстве известным сплавом, было получено, что долговечность и износостойкость блокирующих колец синхронизатора из заявленного сплава в полтора-два раза выше существующих колец.

Резьба блокирующих колес действующего производства после 6300 циклов включений 1 передачи на повышенных нагрузках полностью изнашивается, имеет множество трещин и отслоений металла. Твердость материала блокирующих колец действующего производства составляет 121 - 138 НВ.

Резьба блокирующих колец, выполненных из заявленного сплава, после испытаний на тех же повышенных нагрузках и при тех же циклах включений имеет четкий профиль без трещин и отслоений металла. Твердость материала заявленного сплава составляет 158 - 200 НВ.

Наиболее успешно заявленный сплав на основе меди может быть использован при изготовлении методом литья под давлением различных заготовок высокой твердости, работающих при приложении значительных нагрузок и в условиях агрессивных сред, преимущественно при изготовлении деталей блокирующих колец синхронизатора коробки передач, а также, например, при изготовлении латунных зубчатых шестерен, колес, червячных пар и других деталей различного профиля.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 440435, C 22 C 9/04, 1974.

2. Технические условия на сплав ЛМцСКА ТУ 48-21-15-77, 1977.

3. Патент США N 2577426, н.к.и. 75-157.5, 1951.

4. Заявка на выдачу Европейского патента N EP 0 621 346 B1, C 22 C 9/04, 1996.

5. Патент США N 2479595, 75-157.5, 1947.

6. Технические условия на сплав ЛМцКА ТУ 48-26-36/0-84, 1984.

Формула изобретения

1. Сплав на основе меди, содержащий медь, марганец, кремний, алюминий и цинк, отличающийся тем, что компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Медь - 57,0 - 60,0
Марганец - 3,1 - 4,0
Кремний - 0,6 - 1,5
Алюминий - 0,5 - 1,5
Цинк - Остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что количество марганца преимущественно 3,4 - 3,7 мас.%.

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что количество кремния преимущественно 1,2 - 1,3 мас.%.

4. Сплав по п.1, отличающийся тем, что количество алюминия преимущественно 0,5 - 0,75 мас.%.

5. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель менее 0,6 мас.%.

6. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо менее 0,7 мас.%.

7. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит свинец менее 0,3 мас.%.