18.13. Властивості промислових титанових сплавів [13]

Характерними особливостями титанових сплавів є висока питома міцність, що характеризується відношенням межі міцностіsв,

до питомої вагиg. Для титанових сплавів характерні: sв - 200-280 МПа, що значно більше, ніж для сплавів на алюмінієвій основі і сталі; висока корозійна стійкість в атмосферних умовах, у прісній і морській воді, кислотах органічного походження; підвищена жароміцність до 430-540° С, а в деяких випадках і до 650° С.

Оскільки титан має високу міцність при малій питомій вазі, його широко застосовують в криогенній техніці, авіації та ракетобудуванні для виготовлення корпусів двигунів, балонів для газу, сопел, дисків,

морських суден, підводних човнів, виготовлення гребних гвинтів.

Цинк і його сплави

Цинк - метал з низькою температурою плавлення (419°С) і дуже низькою - кипіння (906°), високою питомою вагою(7,14). Міцність цинку низька (sв=150 МПа) при високій пластичності(d»50%).

Кристалічна ґратка гексагональна. Алотропічних перетворень цей метал не має.

343

Цинк застосовується для гарячого і гальванічного оцинковування сталевих листів, у поліграфічній промисловості, для виготовлення гальванічних елементів тощо. Цинк використовується як добавка в різні сплави, в першу чергу в сплави міді(латунь тощо), і як основа цинкових сплавів (наприклад - легкоплавкі припої на основі цинку, цинкові бабіти), а також як друкарський метал.

Залежно від чистоти, цинк ділиться на марки(ГОСТ 3640-47):

ЦВ (99,99% Zn); Ц0 (99,96); Ц1 (99,94); Ц2 (99,9), Ц3 (98,7); Ц4 (97,5).

Домішки в технічному цинкуРв (основне забруднення), Fe, Cd і деякі інші.

Звичайний легуючий компонент в цинкових сплавахалюміній (до 5-10%). В системі 1А-Zn можливе утворення двох твердих розчинів: b-твердий розчин (майже чистий цинк) і a-твердий розчин на основі алюмінію, що розчиняє до 83% Zn (такий твердий розчин на основі алюмінію може містити83% Zn і лише 17% А1). У певному інтервалі температур і концентраційa-твердий розчин розпадається на два твердих розчинів тієї ж кристалічної структури, багатої (a2) і бідної (a1) цинком.

Відповідно до діаграми стануZn-A1 (рис. 18.21), a - твердий розчин при 275° зазнає евтектоїдного розпадуa2®a1 + b, причому

евтектоїдного розпаду може не відбутися; a2-фаза переохолоджується до низьких температур. Структура нестійка і структурні зміни (розпад переохолоджений a2-фази), що відбуваються, викликають зміну в розмірах виробів, що особливо небажано для високоточних виливок (лиття під тиском). Добавка магнію (близько 0,1%) зменшує швидкість розпаду переохоложденогоa2-твердого розчину і тому стабілізує розміри.

Таким чином, структура сплавів цинку 5—з 10% А1 є доевтектоїдний сплав b+евтектоїд (a+b) (рис. 18.22).

Сплави цинку з міддю не схильні до старіння, але за механічними властивостями вони гірші за сплави з алюмінієм. Найміцнішими цинковими сплавами є потрійні сплавиZn-A1-Сu. Структура цих сплавів дуже різноманітна (залежить, головним чином, від співвідношення і кількостей А1 і Сu) і складається з первинних виділень b (чистий Zn), a (розчин на базі А1, багатий Zn) або e (хімічні з'єднання CuZn3), подвійної евтектики b+a, e+a або b+e і потрійної евтектики a+b+e. Наприклад, литий сплав з 5% А1 і 10% Сu має структуру: первинні кристали e, подвійна евтектика e+b і потрійна

344

e+b+a. Склад і властивості деяких промислових цинкових сплавів наведено в табл. 18.14.

Рис. 18.21. Діаграма стану цинк — алюміній [13]

Рис. 18.22. Мікроструктура литого сплаву з 96% Zn, 4% Al [25]: дендрити b - фази (світлі); a2 – фаза, що частково розпалась (темний

345

346

частіше всього сплави свинцю і олова. Склад та призначення сплавів олова показано в табл. 18.16.

тверді припої, що мають високу температуру плавлення; паяння цими припоями затруднено, але спай володіє високими механічними властивостями і при паянні мідних сплавів часто не гіршими, ніж основний метал.

18.15. Склад та властивості друкарських сплавів [13]

18.16. Склад та призначення сплавів олова [13]

Крім того, олово марок О1 і О2, а також більш низьких марок

(0,3—98,35% Sn і 04—96,25% Sn) застосовується для паяння і

347

МПа (залежно від того, який метал паяється, і форми шва— у напустк, стик тощо).

Діаграма стану Pb—Sn показана на рис. 18.23, а хімічний склад та властивості Pb—Sn припоїв - у табл. 18.17.

Найлегкоплавкішим сплавом у системіPb—Sn є евтектичний,

плавлення сплаву 183°С. Стандартне позначення сплаву— ПОС-61 (припой олов’яносвинцевий, 61% олова). Припої ПОС-40 і ПОС-30 містять 40 і 30% Sn і мають, як це видно з рис. 18.23, трохи більш високу температуру плавлення.

Рис. 18.23. Діаграма стану свинець - олово [13]

Крім перерахованих у таблиці, знаходять застосування й інші

першим - у малоолов'янистих припоїв вище температурний інтервал кристалізації (265-299 оС у сплаві ПОС-10 і 300-314° С у сплаві ПОС- 5), менша міцність і рідкотекучість.

Крім олов'яно-свинцевих припоїв, застосовуються і олов'яноцинкові з 90, 70, 60 і 40% олова, решта - цинк (марки припоїв - ПОЦ-

348

90, ПОЦ-70, ПОЦ-60 і ПОЦ-40).

Діаграму стану олово - цинк показано на рис. 18.24. Кращим з цієї серії сплавів є припой ПОЦ-90, який за складом відповідаєчий евтектиці, тобто має найнижчу температуру початку кристалізації (199 °С за діаграмою стану, фактично ж, у зв'язку з коливаннями в хімічному складі, не вище 202°С).

18.17. Маркування, хімічний склад і властивості легких Pb-Sn припоїв

349

Рис. 18.24. Діаграма стану олово - цинк [13] Сплави ПОЦ-70, ПОЦ-60 і ПОЦ-40 мають відповідно

температурe початку кристалізації відповідно 325, 345 і 365 °С (кінець

увсіх лежить при199°С). Олов¢яноцинкові припої порівняно з

350

351

підшипників кочення (кулькових або роликових), підшипники ковзання також застосовуються достатньо широко.

Матеріал вкладиша повинен:

а) мати із сталевою поверхнею валу малий коефіцієнт тертя; б) мало зношуватися по поверхні тертя; в) витримувати достатній питомий тиск.

Перша і друга вимоги задовольняються тоді, коли поверхня валу і вкладиша розділена плівкою мастила. Якщо структура вкладиша неоднорідна і складається з твердих включень і м'якої основи, то після

нетривалої роботи («припрацювання») на поверхні вкладиша утворюється мікрорельєф (рис. 18.25) - тверді включення виступають і між валом і вкладишем утворюється простір, в якому утримується мастило. Краще всього подібна схема структури виходить у сплавів олова і сплавів свинцю. Проте ці сплави через свою низьку міцність не можуть витримувати великого ,тискуа внаслідок низької температури плавлення - порівняно невеликого розігрівання.

У сучасному машинобудуванні застосовують для вкладишів підшипників чавуни, бронза і бабіти.

Рис. 18.25. Поверхня розділу вкладиш — вал [13]

Чавунні вкладиші виготовляють з сірого перлітного чавуну (АЧЦ-1 і АЧЦ-2). Це найдешевший матеріал для вкладишів. Він може витримувати значний питомий тиск, але, зважаючи на більш високий коефіцієнт тертя (у пари сталь—чавун порівняно з парою бронза-сталь або бабіт-сталь) чавунні вкладиші не слід застосовувати у швидкохідних двигунах.

352

Бронза має високу міцність. Сказане дозволяє застосовувати бронзові вкладиші для відповідальних підшипників, що працюють у важких умовах: великий питомий тиск і частота обертання.

При застосуванні дуже м'яких легкоплавких підшипникових сплавів забезпечується краще збереження шийки вала. Бабіти, крім

вкладишами широке застосування в машинобудуванні мають для вкладишів підшипників легкоплавкі сплави на основі олова, свинцю, а також цинку і алюмінію.

Бабіти – це антифрикційні сплави на основі олова, свинцю, цинку та алюмінію, які мають спеціальні антифрикційні властивості, що виявляються при терті в підшипниках ковзання. Це - низький коефіцієнт тертя, добре припрацювання до іншої деталі, висока теплопровідність, здатність утримувати мастило.

Бабіти застосовують для заливання вкладишів підшипників ковзання, що працюють при великих швидкостях та змінних ударних навантаженнях. Тому підшипник підбирають з такого матеріалу, який запобігає зношуванню вала, створює умови для оптимального змащення вала та зменшення тертя і сам при цьому спрацьовується мінімально. Виходячи з цих вимог, антифрикційний матеріал повинен мати досить міцну та пластичну осно, ву якій містяться тверді включення. При терті пластична основа частково зношується, а вал спирається на тверді включення. В цьому випадку тертя відбувається не по всій поверхні підшипника, мастило утримується в місцях пластичної основи, що найбільш спрацьовуються.

За хімічним складом бабіти поділяються на групи: олов’янисті, свинцеві, цинкові та алюмінієві. Хімічний склад та властивості бабітів показані в табл. 18.20 - 18.22.

У табл. 18.20 наведено склад бабітів, які можна розділити на3 групи. До першої належать олов’яно-сурьм¢янисті (Б83 і Б89), до другої свинцево-олов’яно-сурьм¢яні (Б6, БТ, БН, Б16), в третій — свинцеві бабіти, що не містять олова (БС, БК).

Кращим антифрикційним сплавом є олов'янистий бабіт марки Б83, що містить 83% Sn, 11% Sb, 6% Сu. Мідь введена в сплав для запобігання ліквації за питомою вагою, а також для утворення твердих структурних складових. Мідь з оловом утворює хімічну сполуку Сu3Sn, яка кристалізується, насамперед, і утворює начебто скелет, на якому затримуються кристалиb-твердого розчину олова в хімічній сполуці SnSb, що має малу питому вагу.

Мікроструктура бабіту Б83 (рис. 18.26) складається з темної

353

пластичної основи твердого розчинуSb в Cu і Sn (α-фаза), світлих твердих частинок SnSb квадратної або прямокутної форми та дрібних зірочок і голочок кристалівCu6Sn5 (Cu3Sn). При перегріванні бабіту утворюються фази великих розмірів, і його якість погіршується.

Бабіти другої групи 6,Б БН, БТ, окрім олова, сурми і міді, містять ще добавки інших компонентів. Призначення цих присадок різне - миш'як збільшує рідкотекучість(полегшується заливка вкладиша), нікель підвищує твердість, що зменшує знос, аналогічно впливає і кадмій. Роль теллура і миш'яку — утворювати дрібні тверді включення (ТеРb і AsPb), що підвищують зносостійкість бабіту.

Оловяно-сурьм¢янисті бабіти (Б83 і Б89) з перерахованих трьох груп є якнайкращими. Олов'яна основа в'язка, пластична і менш схильна до втомного руйнування. Ці бабіти застосовуються тільки для залиття підшипників і вкладишів машин великої потужності.

354

18.20. Хімічний склад та властивості олов’яно-сурьм’яністих, свинцево-олов’янисто-сурьм’яних та свинцевих бабітів [13]

355

18.21. Хімічний склад та властивості цинкових бабітів [13]

356

Рис. 18.26. Мікроструктура олов"янистого бабіту марки Б83 [13]: а - структура в нормальному стані; б - виливок з перегріванням

Олов"янисті бабіти використовують у підшипниках турбін дизельних двигунів крупних , пароплавівтурбонасосів, турбокомпресорів, електричних та інших навантажених машин.

На другому місці стоїть олов¢яно-свинцево-сурьм¢яний бабіт (Б16), де м'яка основасвинець. Вони значно дешевше олов¢яносвинцевих, а за якістю поступаються їм не набагато. Мікроструктура бабіту марки Б16, що містить 15-17% Sn; 15-17% Sb; 1,5-2,0 % Сu,

складається з м'якої основиевтектики (свинцю і твердого розчину сурми в олові).

Це найпоширеніші марки бабітів. Гіршим є свинцевосурьм¢яний бабіт (БС), основою якого є недостатньо пластична евтектика Pb+Sb.

Для інших підшипників використовують бабіти, в яких частина олова замінена свинцем, а також безолов'янисті бабіти марок БС, БК. Бабіт БК, що використовується у залізничному транспорті, як і бабіт БС, є відносно дешевим сплавом, його структура: основа-свинець, тверді включення - хімічні з'єднання свинцю з кальцієм і натрієм.

Для легкоплавких підшипникових сплавів застосовують сплави системи Рb-Sb, Sn-Sb і Pb-Sn-Sb, а також цинкові бабіти на основіZn (з добавками Сu і А1) і алюмінієві бабіти на основі А1 (з добавками Сu, Sb, Ni та ін.). Діаграма стану системи bР-Sb наведена на рис. 18.27.

Свинець має твердість НВ3, сурма - НВ 30, евтектика, що складається з 13% Sb і 87%Рb, - НВ 7-8. Очевидно, доевтектичні сплави, що мають структуру евтектика+ свинець, дуже м'які, і відповідними є заевтектичні сплави, що містять 16-18% Sb. М'якою основою є евтектика з твердими включеннями(кристалами сурми), кількість яких складає близько 5% від загального об'єму сплаву.

356

Рис. 18.27. Діаграма стану сплаву свинець - сурма [13]

У системі Sn—Sb (рис. 18.28) олово має низьку твердістьблизько НВ 5. Відповідною композицією буде сплав, що складається з 13% Sb і 87%Sn, має двофазну структуру a+b', де a - твердий розчин на базі Sn (м'яка основа); b'-твердий розчин на базі інтерметалевого з'єднання SnSb (тверді включення).

Оловяно-свинцево-сурьм¢янистий підшипниковий сплав м'якою основою має твердий розчин на базі свинцю, а твердими включеннями служать включення з'єднання SnSb. Перераховані сплави містять, як правило, добавку міді, яка, з одного боку, зменшує ліквацію за питомою вагою, а з іншого, утворює з'єднання Cu3Sn, що виконує в сплаві роль твердих включень.

Дефіцитність олова, а також і свинцю змушує знаходити і застосовувати сплави на іншій, менш дефіцитній основі (цинк, алюміній).

Як цинкові підшипникові сплави застосовують марки ЦАМ-10-5 і ЦАМ-5-10. Їх склад наведено у табл. 18.21 (зазначається структура і

коефіцієнтами тертя і лінійного розширення і приблизно рівноцінні свинцевим бабітам.

357

Рис. 18.28. Діаграма стану сплаву олово - сурма [13]

Є також серія алюмінієвих сплавів, що використовуються як підшипникові. Це двофазні високолеговані сплави, в яких твердий розчин на базі алюмінію є м'якою основою, а хімічні з'єднання—

поступаються звичайним бабітам. Їх більш висока твердість є швидше недоліком, ніж перевагою, оскільки вимагає обробки цапф і вкладиша

358

продукт, неплавкий і нерозчинний. Перехід від стадії А до стадії С

359

борошно, очоси виляску, тканина, папір, азбест) одержують пластичні бакелітові маси. Способи цього змішування різні: змішування розчину смоли з наповнювачем, просочення смолою наповнювачів, конденсація на наповнювачі і змішування наповнювача і подрібненої сухої смоли на гарячих вальцях.

З групи термопластів найбільш поширені маси, отримані на основі ефірів целюлози: целулоїд, твердий розчин нітроцелюлози в камфорі; етрол, що отримують вальцюванням ефірів у присутності води без летючого розчинника з пластифікаторами.

360