ЛАТУНЬ ДЛЯ КОЛЕЦ СИНХРОНИЗАТОРОВ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК Российский патент 2021 года по МПК C22C9/04 C22C1/03 C22F1/08 F16D23/02 

Изобретение относится к металлургии и машиностроению, может быть использовано для производства сложнолегированных латуней предназначенных для изготовления блокирующих колец синхронизаторов механизмов.

Известна латунь, полученная по ТУ 48-21-5007-77, предназначенная для изготовления прессованных труб для производства колец синхронизаторов автомобилей, содержащие масc. %:

медь 58,0 – 60,0; марганец 3,0 – 4,0; алюминий 2,0 – 3,0; железо 0,3 – 0,7; никель 0,3 – 0,5; кремний не более 0,2; свинец не более 0,2; олово не более 0,2; всего примесей не более 0,5; остальное цинк. Микроструктура должна состоять из α и β' фаз.

Многолетние наблюдения за промышленными партиями указанной латуни показали, что к растрескиванию в состоянии поставки более склонны партии с содержанием α-фазы менее 5% об. (Тропотов А.В., Пугачева Н.Б., Рязанцев Ю.В., Л.М. Жукова. Исследование остаточных напряжений в изделиях, изготовленных из сложнолегированных латуней. Металловедение и термическая обработка металлов.2006, № 1. с. 28 – 32) , с высоким уровнем остаточных напряжений I рода (более 116 Н/мм²). К растрескиванию после штамповки склонны партии, классифицируемые по признаку технологичности, у которых с увеличением температуры штамповки в интервале 700°….780°С увеличивается склонность к хрупкому разрушению и уровень дефектности по геометрическим параметрам (Святкин А.В. Влияние температуры нагрева под штамповку на склонность к растрескиванию заготовок из ЛМцАЖН 59-3,5-2,5-0,4-0,2 // Вектор науки ТГУ. – 2018. № 3 (45). – с. 48 – 56), что приведено в таблице 1, где показаны данные по партиям с дефектами и без дефектов в латуни, полученной от поставщиков, а на фиг. 1 показана сравнительная диаграмма уровня брака по отклонениям геометрических параметров на заготовках из представительной выборки при различной температуре штамповки.

Таблица 1

Партии Температура штамповки, °С трещины, % α-фаза отклонения по геометрии*, % Балл зерна β-фазы «с трещинами» 780 21 когерентная по границам зерен и в зерне 13 4, ед. 0 700 3 единичные когерентные выделения 11 4, ед. 2 «без трещин» 780 0 отсутствует 6 0…4 750 0 8 0…4 700 0 16,5 2…4

Партии у которых с увеличением температуры нагрева под штамповку в интервале 700°….780°С отклонения по геометрии уменьшаются – к растрескиванию не склонны. Согласно ранее проведенных исследований (Курбаткин И.И., Белов Н.А., Райков Ю.Н. и др. Влияние легирующих элементов и технологических факторов на фазовый состав и свойства латунных труб, применяемых в автомобильной промышленности. Цветные металлы. 2001. № 5. с. 73-76), анализируемый сплав в рамках технических требований можно разделить на две группы с различными интервалами фазовых переходов β→β' и β→α+β (фиг. 2) На данной фигуре показано количество α-фазы в области фазовых переходов, где

1 группа: Cu 58,0-59,0%, Al 2,5-3,0%, Si 0,1-0,2%;

2 группа: Cu 59,0-60,0%, Al 2,0-2,5%, Si ≤ 0,1.

Это соответствует данным металлографического анализа, характеризуемым метастабильными выделениями в штампованной заготовке, приведенными на фиг. 3 и в таблице 1 (химсостав 1 группы), х2000, когда в проблемных партиях после штамповки в значительном количестве выявляются метастабильные выделения α-фазы. Статистический анализ показал, что уровень дефектности коррелирует с содержанием свинца, также установлено, что к разрушению склонны партии с низким соотношением суммарного содержания железа и марганца к кремнию. На фиг. 4 показано соотношение (Mn+Fe)/Si, при этом красными крестиками помечены партии с трещинами. На фиг. 5 показана взаимосвязь содержания свинца и количества разрушенных заготовок в партии. В данной латуни кремний практически полностью связан в силициды. Рентгеноспектральный анализ показал (табл. 2 - сравнительный химический состав силицидов в исходном и после штамповки с нагрева при температуре 780°С в партии с трещинами и без трещин), что партии, характеризующиеся растрескиванием, имеют нестабильный химический состав силицида. Таким образом, к растрескиванию после штамповки склонны, главным образом, партии, относящиеся к сплавам 1 группы (фиг. 1), характеризующиеся высоким содержанием свинца, с соотношением (Mn+Fe)/Si≥28.

Таблица 2

партии Состояние Содержание химического элемента, % масс Mn Fe Si Al Cr Ni трещины исходное 23,64±
0,81 61,26±
0,58 13,35±
0,31 1,13±
0,14 0,43±
0,02 штампованное 18,28±
0,42 64,39±
0,70 13,55±
0,52 1,72±
0,18 2,06±
0,18 - Без трещин исходное 19,68±
0,56 65,23±
0,86 13,30±
0,33 1,46±
0,19 0,34±
0,04 - штампованное 19,71±
0,62 64,70±
0,48 13,25±
0,40 1,49±
0,18 0,30±
0,07 0,56±
0,10

Таблица 3

вариант доля отклонений по геометрии при штамповке, % Растрескивание при штамповке, % исходный 2,88 0…21 предлагаемый 1,51 0

Задачами, на решение которых направлено изобретение, является повышение качества материала – латуни для колец синхронизаторов и улучшение технологичности изготовления заготовок из латуни для колец синхронизаторов.

За счёт подбора оптимального химического состава материала латуни для колец синхронизатора, а также проведения оптимизации изготовления заготовок обеспечивается требуемая технологичность и увеличивается ресурс долговечности деталей, изготовленных из данных заготовок.

На основании вышеизложенного предлагается латунь для колец синхронизаторов следующего химического состава масc. %, содержащая медь, марганец, алюминий, никель, железо, кремний, свинец, отличающаяся тем, что при содержании меди до 60,5 % масс., свинца не более 0,2 % масс., дополнительно содержит: титан, цирконий, хром, ванадий, церий, вольфрам, магний при следующем соотношении масс: титан 0 – 0,5; цирконий 0 – 0,5; хром 0 – 0,3; ванадий 0 – 0,5; вольфрам 0 – 0,5; церий 0 – 0,01%; магний 0 – 0,03%, всего примесей не более 0,45; остальное - цинк, при выполнении соотношения (Mn+Fe)/Si≥28, с гарантированным уровнем остаточных напряжений не более 116 Н/мм², и количеством α-фазы в полуфабрикатах в интервале 14…32%, и силицидов на основе марганца, железа и хрома в количестве 0,1…8,0.

Способ изготовления заготовок колец синхронизаторов, заключающийся в том, что производят выплавку слитков в установках полунепрерывного литья, далее выполняют операцию разрезки на шашки, изготавливают полуфабрикаты в виде труб прессованием с предварительным нагревом, охлаждают, удаляют с одних концов труб прессутяжины, производят правку на косовалковой машине, выполняют обрезку других концов с удалением разностенности труб, производят операции отжига и контроль качества полученных заготовок, отличающийся тем, что выполняют предварительный индукционный нагрев перед прессованием в интервале температур от 580°С до 680°С, далее выполняют операцию скальпирования, затем - операцию отжига при температуре от 420°С до 480°С в течение 3 часов, причем для стабилизации фазового состава плавку латуни производят из шихты, состоящей не менее чем на 30% из медных и латунных ломов и на 60 % - из собственных отходов двойных и сложнолегированных латуней. Происходит снижение в шихте корольков до 5%.

Для повышения степени дисперсности силицидов используют лигатуры, содержащие церий и магний.

В частном случае, для исключения силицидов скелетообразной формы, снижающих пластичность на всех этапах переработки, используют хромосодержащие лигатуры. Введение титана, циркония, ванадия, вольфрама способствуют снижению температуры эвтектоидного распада β → α + β (Курдюмов А.В., Белов В.Д., Пикунов М.В., Чурсин В.М., Герасимов С.П., Моисеев В.С. Производство отливок из цветных сплавов: Учебник для вузов. М. – НИТУ МИСиС, 2011, с. 515), что повышает деформируемость полуфабрикатов (прутков, труб) и заготовок в горячем состоянии, а также способствует более интенсивному выделению α-фазы.

Индукционный нагрев перед прессованием выполняют для снижения разброса свойств по сечению и длине труб.

С учётом интервалов фазовых превращений для предлагаемого состава (фиг. 2) и наличия фазовых превращений в системе Mn-Si, температура прессования должна находиться в интервале 580…680°С.

Операцию скальпирования шашки производят для снижения числа дефектов поверхности труб.

Стабилизацию фазового состава и снятие остаточных напряжений позволяет получить выполнение в течение 3 часов операции отжига при диапазоне температур от 420…480 °С.

Для исключения растрескивания нагрев штамповку заготовок проводить с нагрева в интервале 580…790 °С.

Повышение среднего содержания α-фазы позволяет исключить вероятность растрескивания в процессе хранения и транспортировки, за счёт релаксации напряжений в объёме полуфабрикатов при выделении стабильных частиц α-фазы в процессе отжига, а увеличить склонность к дисперсионному упрочнению за счёт увеличения количества частиц, выделяющихся в диапазоне 370…450°С продолжительностью 90±10 мин и, как следствие, повысить долговечность деталей, изготовленных из него.

Химический состав предлагаемого состава в сочетании с предлагаемой технологией прессования и стабилизационным отжигом позволяют гарантированно обеспечить фазовый состав, состоящий из β'+α-фаз с количеством α-фазы не менее 15%, повышение стабильности фазового состава в изделиях и между партиями. На фиг. 6 приведено распределение α-фазы при прототипе (а) и по защищаемому составу латуни (б) и способу получения заготовок из данного состава для получения колец синхронизаторов.

Предлагаемый химический состав латуни и способ получения заготовки для колец синхронизатора не только полностью исключил дефектность по трещинам, но и способствовал снижению по общему количеству брака, что приведено в таблице 3.

Изобретение относится к металлургии и машиностроению и может быть использовано для производства сложнолегированных латуней, предназначенных для изготовления блокирующих колец синхронизаторов механизмов. Способ получения заготовки колец синхронизаторов из латуни со структурой, содержащей α-фазу в количестве 14-32 % и силициды на основе марганца, железа и хрома в количестве 0,1-8,0 %, включающий выплавку слитка в установке полунепрерывного литья, содержащего 59,0-60,0 мас.% меди, свинец не более 0,2 мас.%, а также цинк, марганец, алюминий, никель, железо, титан, цирконий, хром, ванадий, церий, вольфрам, магний, разрезку слитка на шашки, получение полуфабрикатов в виде труб прессованием с предварительным нагревом, охлаждение, удаление с одних концов труб прессутяжин, правку на косовалковой машине, выполнение обрезки других концов с удалением разностенности труб, отжиг и контроль качества полученных заготовок, причем предварительный индукционный нагрев перед прессованием осуществляют в интервале температур от 580°С до 680°С с последующим скальпированием, а отжиг осуществляют при температуре от 420°С до 480°С в течение 3 часов, при этом плавку латуни производят из шихты, состоящей не менее чем на 30% из медных и латунных ломов и на 60 % из отходов двойных и сложнолегированных латуней. Изобретение направлено на повышение качества латуни и улучшение технологичности изготовления заготовок колец синхронизаторов. 2 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

1. Способ получения заготовки колец синхронизаторов из латуни со структурой, содержащей α-фазу в количестве 14-32 % и силициды на основе марганца, железа и хрома в количестве 0,1-8,0 %, включающий выплавку слитка в установке полунепрерывного литья, содержащего 59,0-60,0 мас.% меди, свинец не более 0,2 мас.%, цинк, марганец, железо, кремний, алюминий, никель, титан, цирконий, хром, ванадий, церий, вольфрам, магний, разрезку слитка на шашки, получение полуфабрикатов в виде труб прессованием с предварительным нагревом, охлаждение, удаление с одних концов труб прессутяжин, правку на косовалковой машине, выполнение обрезки других концов с удалением разностенности труб, отжиг и контроль качества полученных заготовок, причем предварительный индукционный нагрев перед прессованием осуществляют в интервале температур от 580°С до 680°С с последующим скальпированием, а отжиг осуществляют при температуре от 420°С до 480°С в течение 3 часов, при этом плавку латуни производят из шихты, состоящей не менее чем на 30 % из медных и латунных ломов и на 60 % из отходов двойных и сложнолегированных латуней.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выплавку сплава осуществляют с использованием хромсодержащих лигатур.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выплавляют сплав с содержанием алюминия 2,0-2,5 мас.%, кремния ≤0,1 мас.%, титана до 0,5 мас.%, циркония до 0,5 мас.%, хрома до 0,3 мас.%, ванадия до 0,5 мас.%, вольфрама до 0,5 мас.%, церия до 0,01 мас.%, магния до 0,03 мас.%.