3.4.3. Антифрикционные цинковые сплавы

Антифрикционные сплавы относятся к той же системе Zn – Al – Cu, что и литейные сплавы, но с более высоким содержанием легирующих добавок. В настоящее время применяют две марки сплавов: ЦА9М1,5 и ЦА10М5. Их применяют как в литом, так и в деформированном состоянии. Сплавы имеют малый интервал кристаллизации (15 – 20 ^оС), что позволяет получать из них плотные отливки. Линейная усадка такая же, как и у литейных сплавов 1,0 – 1,2 %. Сплавы склонны к образованию горячих трещин и большой зоны столбчатых кристаллов.

Отличаясь высокими антифрикционными свойствами и достаточной прочностью при комнатной температуре, эти сплавы служат хорошими заменителями бронз при работе в узлах трения, температура которых не превышает 80—100 °С. При более высоких температурах сплавы сильно размягчаются, и намазываются на вал. У цинковых сплавов высокий коэффициент линейного расширения, что следует учитывать при установлении величины зазора в подшипнике. Наиболее широко цинковые антифрикционные сплавы применяются для изготовления подшипников металлообрабатывающих станков.

3.5. Сплавы на основе олова и свинца

Олово и свинец выделяются среди других технических металлов низкой температурой плавления, малой твердостью и высокой коррозионной стойкостью. Оба металла могут использоваться в чистом виде, но в основном они расходуются на производство различных сплавов. Свинец и олово входят в состав бронз и латуней, а также являются базой самостоятельных оловянно-свинцовых сплавов. В промышленности применяют шесть групп сплавов на их основе: антифрикционные (подшипниковые), припои, типографские сплавы, сплавы для кабельных оболочек и легкоплавкие сплавы.

Олово металл серебристого цвета с температурой плавления 232 °С. Имеет две модификации: серое олово с плотностью 5,8 г/см³ и белое с плотностью 7,3 г/см³. Низкотемпературная α-модификация (серое олово) с кристаллической решеткой типа алмаза устойчива до температуры 13,2 °С. Белое β-олово имеет тетрагональную решетку. Переход из одной модификации в другую сопровождается резкими объемными изменениями, что приводит к его превращению в черный порошок. Скорость этого процесса при температуре превращения мала, и ее практически можно не учитывать. Процесс полиморфного превращения весьма интенсивно развивается при минусовых температурах (минус 30 – 40 °С). На оловянных изделиях появляются темные наросты, а затем наступает полное разрушение. Это явление называют «оловянной чумой». Остановить разрушение белого олова можно путем переплавки. Такие примеси, как Bi, Pb, Sb, Cu, Cd резко снижают скорость превращения и делают его невозможным.

Олово устойчиво против коррозии в атмосферных условиях, растворах пищевых кислот, формальдегиде и морской воде. Его широко используют для защитных покрытий (лужения) металлических поверхностей, в том числе посуды, жести для консервных марок.

ГОСТ 860 – 75 предусматривает выпуск 4 марок олова высшей категории качества и 5 марок первой категории качества. Химический состав олова приведен в табл. .

Таблица

Химический состав олова по ГОСТ 860 - 75

Высшая категория качества
ОВЧ-000 О1пч О1 О2
Первая категория качества
О1пч О1 О2 О3 О4
						Сумма определяемых примесей
Высшая категория качества
ОВЧ-000 О1пч О1 О2
Первая категория качества
О1пч О1 О2 О3 О4

В олове высшей категории качества ограничивается содержание алюминия и цинка, которые снижают коррозионную стойкость.

Прочность олова невелика (σ_в = 20 МПа), но зато он обладает хорошей пластичностью (δ = 40 – 60 %).

Свинец очень пластичный и мягкий металл (можно резать ножом) с синеватым (свинцовым) блеском на свежем срезе. Обладает гранецентрированной кубической решеткой. Температура плавления 327 ^оС, температура кипения 1750 ^оС, плотность 11,34 г/см³. Свинец стоек в атмосферных условиях, сырой земле, в растворах серной, фосфорной, плавиковой кислот. Его используют в сернокислотном производстве, для оболочек кабелей, в аккумуляторах, боеприпасах и для производства сплавов.

Металлургическая промышленность выпускает семь марок чистого свинца, состав которых должен соответствовать ГОСТ 3778 – 77 (табл.)

Таблица

Химический состав свинца по ГОСТ 3778 – 77.

Марка	Pb, не менее	Примеси (%), не более
С0 С1С С1 С2С С2 С3 С3С	99,992
Марка	Примеси, (%), не более								Сумма определяемых примесей
С0 С1С С1 С2С С2 С3 С3С

Антифрикционные сплавы на основе олова и свинца называются баббитами, по имени американского изобретателя I. Babbita. Три марки баббитов разработаны на основе олова и три марки на основе свинца. Состав баббитов приведен в таблице ., а их свойства в табл. .

Таблица

Химический состав оловянно-свинцовых баббитов по ГОСТ 1320 - 74

Сплав	Легирующие элементы, %					Примеси, %, не более
	Sb	Cu	Cd	Ni	Sn	Fe	As	Zn	Pb	Bi	Al
Б88 Б83 Б83С Б16 БН БС6	7,3 – 7,8 10-12 9-11	2,5-3,5 5,5-6,5 5,0-6,0	0,8-1,2 – –	0,15-0,25 – –	Ост. Ост. Ост. 1,0-1,5	0,05 0,1 0,1	0,05 0,05 0,1	0,005 0,04 0,01	0,10 0,35 –	0,05 0,05 0,05	0,005 0,05 0,05

Марка	Основные элементы
	Sn	Sb		Cu		Cd		Ni		Pb
Б88 Б83 Б83С Б16 БН БС6	Остальн. Остальн. Остальн. 5,5 – 6,5	7,3 – 7,8 5,5 – 6,5		2,5 – 3,5 0,1 – 0,3		0,8 – 1,2 –		0,15–0,25 –		– Остальн.
		Примеси, не более
	As	Fe	As		Zn		Pb		Bi		Al
Б88 Б83 Б83С Б16 БН БС6	–	0,05	0,05		0,005		0,1		0,05		0,005

Антифрикционные сплавы должны иметь гетерогенную структуру и состоять либо из твердой основы с мягкими включениями, либо из мягкой основы и твердых включений. Баббиты относятся к группе сплавов с мягкой основой. Структуру оловянных баббитов можно описать по диаграмме состояния олово – сурьма (рис. ), так как медь связана с оловом в форме соединения Cu₆Sn₅ и образует самостоятельную фазу. Мягкую пластичную основу образуют кристаллы α – фазы (твердого раствора сурьмы в олове), а кристаллы β' – фазы (SnSb) и Cu₆Sn₅ твердую составляющую. Структура баббитов показана на рис. .Структуры баббитов Б88 и Б83 отличаются большим количеством твердых фаз.

а б

Рис. Структура баббитов: а – Б88, б – Б83

В свинцовых баббитах роль мягкой основы играет твердый раствор олова, сурьмы и меди в свинце, а твердыми составляющими являются включения интерметаллидов.

Для анализа структуры свинцовых баббитов можно воспользоваться диаграммой состояния системы Pb, Sb, Sn (рис. ).

Произ. отлив. Стр. 321. Убрать точки 2 и 4, 3 заменить на 2, 5 – на 3

Рис. . Диаграмма состояния системы Pb – Sb – Sn (по А.М. Захарову): 1 – Б16; 2 – БН; 3 – БС6

В баббите Б16 наблюдаются твердые включения (рис. ) β- и β'- фаз (SnSb) и химического соединения Cu₂Sb. В баббите БН кроме β- фазы, присутствуют: фаза, содержащая медь; мышьяковистая составляющая (AsCd) и эвтектика δ_Pb + β (SnSb). В баббите БС6 мягкие кристаллы твердого раствора δ_Pb окружены более твердой эвтектической смесью.

Оловянные баббиты применяются для заливки подшипников паровых турбин, турбокомпрессоров, турбонасосов, гидротурбин, дизелей и других высоконагруженных установок. Баббит Б88 выдерживает более высокие скорости вращения и рабочие температуры, чем Б83.

Баббиты на основе свинца являются более дешевым заменителем оловянных сплавов. Они выдерживают меньшие удельные давления и окружные скорости вращения, поэтому применяются для подшипников, работающих при средних скоростях и средних нагрузках. Это подшипники дизелей компрессоров, судовых валоводов (БН), моторно-осевые подшипники электровозов и путевых машин (Б16), подшипники автотракторных двигателей (БС6).

Таблица

Свойства оловянно-свинцовых баббитов

Свойство	Б88	Б83	Б83С	Б16	БН	БС6
Прочность при сжатии, σв,МПа Относительное удлинение, δ, % Твердость (5/60), НВ Плотность, г/см3 Интервал кристаллизации, оС Тем - ра литья, оС Линейная усадка, % Жидкотекучесть, см	– 9 27 - 30 7,35 320 -250 380 - 420 0,65 75	110 – 120 6 27 - 30 7,38 370 - 240 440 - 460 0,65 70	– – 27 - 30 7,4 400 - 230 440 - 460 0,65 70	147 30 9,26 240 - 410 480 - 500 0,50 51	125 - 130 27 – 29 9,55 240 - 400 480 - 500 0,50 63	– 15 – 17 10,05 247 - 280 – – –

Для подшипников подвижного состава железных дорог (вагоны, тепловозы, электровозы) и тракторов рекомендуется использовать кальциевые баббиты БКА, БК2, БК2Ш на основе свинца (ГОСТ 1209 – 78), в состав которых входят Ca (0,30 – 1,15), Na (0,20 – 0,90), Mg (0,01 – 0,009) и Al (0,05 – 0,20). Эти сплавы менее хрупкие и более износостойкие, чем баббиты Б16, БН и БС6.

Сплавы для литья под давлением кроме основы от 91 % Sn до 91 % Pb содержат добавки Sb и Cu (табл. ). Они отличаются низкой температурой плавления, малой линейной усадкой (0,6 – 0,7 %) и малой склонностью к образованию трещин. Применяются для изготовления игрушек (оловянные солдатики), художественных изделий и некоторых промышленных деталей.

Таблица

Химический состав и свойства оловянно-свинцовых сплавов для литья под давлением.

Номер сплава	Основные компоненты
	Sn		Pb			Sb			Cu
1 2 3 4 5 6 7
Номер сплава	Примеси				Свойства
	As	Bi		Fe	Плотность, кг/см3		σв, МПа	δ, %		Твердость НВ, МПа
1 2 3 4 5 6 7

Припои служат для соединения различных металлов и сплавов путем заполнения промежутка (шва) между деталями в расплавленном состоянии. Поэтому припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы.

По своему составу припои разделяются на несколько групп, из которых наиболее важная — оловянно-свинцовые припои по ГОСТ 21930 - 79. Для лучшего смачивания и растекания в них добавляют сурьму. Химический состав припоев приведен в таблице.

Таблица

Химический состав оловянно-свинцовых припоев по ГОСТ 21930 – 79

Марка	Состав, %			Области применения
	Sn	Sb	Pb
Бессурмянистые
ПОС90	89-91	-	ост.	Для лужения и пайки внутренних швов пишевой посуды и медицинской аппаратуры.
ПОС 40	39-41	-	ост.	Для лужения и пайки электроаппаратуры, деталей из оцинкованного железа с герметичными швами.
ПОС 61	59-61	-	ост.	Для лужения и пайки электро- и радиоаппаратуры, печатных схем, точных приборов с высокогерметичными швами, где недопустим перегрев.
ПОС 30	29-31	-	ост.	Для лужения и пайки изделий машиностроения.
ПОС 10	9-10	-	ост.	Для лужения и пайки контактных поверхностей электрических аппаратов, приборов, реле, для заливки и лужения контрольных пробок топок паровозов.
Малосурьмянистые
ПОССУ 61-0,5	59-61	0,05-0,5	ост.	Для лужения и пайки электроаппаратуры, пайки элементов печатных плат, обмоток электролитических машин, оцинкованных радиодеталей при жестких требованиях к температуре.
ПОССУ 50-0,5	49-51	0,05-0,5	ост.	Для лужения и пайки авиационных радиаторов, для пайки пищевой посуды с последующим лужением пищевым оловом.
ПОССУ 40-0,5	39-41	0,05-0,5	ост.	Для лужения и пайки жести, обмоток электрических машин, для пайки монтажных элементов, моточных и кабельных изделий, радиаторных трубок, оцинкованных деталей холодильных агрегатов.
ПОССУ 35-0,5	34-36	0,05-0,5	ост.	Для лужения и пайки свинцовых и кабельных оболочек электротехнических изделий неответственного назначения, тонколистовой упаковки.
ПОССУ 30-0,5	29-31	0,05-0,5	ост.	Для лужения и пайки листового цинка, радиаторов.
ПОССУ 25-0,5	24-26	0,05-0,5	ост.	Для лужения ипайки радиаторов.
ПОССУ 18-0,5	17-18	0,05-0,5	остальн.	Для лужения и пайки трубок теплообменников, электроламп.
Сурьмянистые
ПОССУ 40-2	39-41	1,5-2,0	ост.	Для лужения и пайки холодильных устройств, тонколистовой упаковки.
ПОССУ 30-2	29-31	1,5-2,0	ост.	Для лужения и пайки в холодильном аппаратостроении, электроламповом производстве, автомобилестроении, для абразивной пайки.
ПОССУ 18-2	17-18	1,5-2,0	ост.	Для пайки в автомобилестроении.
ПОССУ 10-2	9-10	1,5-2,0	ост.
ПОССУ 8-3	7-8	2,0-3,0	ост.	Для лужения и пайки в электроламповом производстве.

Кроме оловянно-свинцовых припоев с сурьмой применяются припои с серебром: ПСр 1,5, ПСр 2 и ПСр 2,5. Они предназначены для пайки монтажных соединений, работающих в условиях повышенных температур, от 150 до 250°С. Пайка и лужение тонких проводов из золота, серебра и покрытых ими деталей выполняется припоями ПСрОСИнЗ-56 и ПСрИнЗ, содержащими индий, которые снижают скорость растворения драгоценных металлов и образование интерметаллидов. Припои марок П150А, П250А и ПЗ00А, не содержащие свинца, предназначены для пайки монтажных элементов из алюминия и его сплавов, а также соединения их с медью, ее сплавами и другими металлами.

Наиболее технологичными являются припои, имеющие эвтектический или близкий к нему состав, для которых характерны отсутствие или малая (не более 10 ^оС) разница между начальной и конечной температурами их плавления. К таким припоям относятся оловянно-свинцовые припои марок ПОС 61, ПОС 61М, ПОССу-61-0,5; оловянно-свинцово-кадмиевый припой ПОСК 50-18, оловянно-свинцово-висмутовый припой ПОСВ 33 и припои, содержащие индий. Припои эвтектического состава почти мгновенно переходят из жидкого состояния в твердое, обладают повышенной растекаемостью и коррозионной стойкостью, а также имеют более низкие температуры пайки.