Легкоплавкие металлы и сплавы на их основе

7.  Легкоплавкие  металлы  и  сплавы  на  их  основе

7.1. Общая характеристика легкоплавких металлов

         Сравнительная характеристика физических свойств ряда легкоплавких металлов приведена в таблице 7.1. Наиболее широкое применение в качестве машиностроительных материалов нашли цинк, свинец, олово и сплавы на их основе. Кроме этих элементов, компонентами сплавов на основе легкоплавких металлов являются также такие металлы с низкой температурой плавления, как сурьма, висмут, индий и другие.

         Таблица 7.1 - Сравнительная характеристика легкоплавких металлов

         Цинк  сравнительно недефицитный металл, поскольку его содержание в земной коре составляет 0,02%. Имеет гексагональную решетку. Он пластичен в нагретом состоянии, особенно при 100-150°С, однако, его пластичность в холодном состоянии невелика. При холодной деформации одновременно с прочностью увеличивается и пластичность цинка. Аллотропических превращений не испытывает. Чистый цинк характеризуется следующими свойствами: s_B =150 Н/мм², d =20 %,  y =70 %. Очень чистый цинк хорошо сопротивляется коррозии в атмосферных условиях и в морской воде. Однако, уже незначительное количество примесей, в частности, свинца, заметно снижает его устойчивость против коррозии.

         Содержание в цинке и его сплавах таких примесей, как олово и свинец, ограничивается тысячными или сотыми долями процента. Это обусловлено тем, что как олово, так и свинец практически не растворяются в твердом цинке, образуют легкоплавкие эвтектики по границам зерен (двойную - 91% Sn + 9% Zn,  Тпл = 198°С в присутствии Sn и тройную при одновременном присутствии как Sn, так и Pb с Тпл=150 °С), что охрупчивает цинк и его сплавы при повышенных температурах, приводя к образованию “горячих” трещин при обработке давлением и охлаждении затвердевших отливок. Содержание железа также должно быть незначительным (менее 0,1%), поскольку соединение цинка с железом  ( d -фаза) значительно охрупчивает сплавы цинка.

         Цинк как конструкционный материал практически не используется. Основные области использования цинка: цинкование стали для защиты от коррозии, получение цинковых сплавов, литье под давлением, изготовление полуфабрикатов, получение сплавов других металлов (например, латуней), легирование сплавов, получение цинковых соединений. Рафинированный цинк (с содержанием Zn не менее 98,7%, полученный путем дистилляции или электролиза первичного цинка) применяется для изготовления изделий методом холодного выдавливания, обработки давлением, вытяжки и чеканки. Черновой цинк (с содержанием цинка не менее 97,5%) используется для жестяных работ, подвергается обработке давлением и простой вытяжке.

         Свинец в сравнении с цинком имеет более низкую температуру плавления, но примерно в 1,5 раза большую плотность. Аллотропических превращений не испытывает. После наклепа рекристаллизуется при температуре ниже комнатной, т.е. деформация его при 20 °С является не холодной, а горячей пластической деформацией. Свинец с содержанием примесей до 0,008-0,10% отличается небольшой прочностью (s_в=10-20 Н/мм²), высокой пластичностью (d =20-80%), уже при малых нагрузках склонен к ползучести. Характеризуется хорошей кислотостойкостью, а также высокой коррозионной стойкостью и в других средах вследствие образования на его поверхности плотного защитного слоя с хорошей адгезией с основным металлом. Однако, свинец мало устойчив против действия соляной и плавиковой кислот, щелочных растворов. С увеличением температуры и концентрации агрессивных сред коррозионная стойкость свинца может резко падать.

         Основные области применения свинца:

- изготовление свинцовых оболочек подземных кабелей для их защиты от почвенной коррозии, которая усиливается под воздействием блуждающих токов;

- изготовление элементов защиты от рентгеновского и других видов ионизирующего излучения;  изготовление отдельных элементов и защитных оболочек для химических аппаратов;

- получение конструкционных сплавов на основе свинца;

- как легирующий элемент в сплавах цветных металлов;

- изготовление элементов аккумуляторов, хотя чаще для этих целей используются сплавы свинца;

- для получения некоторых видов химических соединений свинца для изготовления антидетонаторных средств, красок.

         Олово. В сравнении с Zn, Pb, Sb, Bi  олово имеет более низкую температуру плавления (см. табл. 7.1), значительно легче свинца. но несколько тяжелее цинка. Является дорогим металлом: его стоимость примерно в 25 раз больше, чем  цинка и в 15-20 раз больше, чем свинца. Как и в случае свинца, деформация олова при комнатной температуре может рассматриваться как горячая, поскольку температура рекристаллизации олова находится ниже комнатной. Олово имеет высокую пластичность и повышенную стойкость против коррозии в атмосферных условиях и некоторых растворах кислот. Олово обладает полиморфизмом: высокотемпературная модификация -  b -Sn (белое олово) имеет тетрагональную решетку и обладает металлическими свойствами и плотностью 7,29 г/см³. Низкотемпературная модификация - a -Sn (серое олово) имеет кристаллическую решетку типа алмаза и  является полупроводником с явно выраженной ковалентной связью, имеет плотность 5,81 г/см³. Температура равновесия То=13,2 °С, однако, в реальных условиях полиморфное превращение становится заметным при температуре ниже  0 °С. Аллотропическое превращение белого олова в серое характеризуется изменением не только пространственной решетки, но и типа связи; при этом олово рассыпается в порошок (явление называется “оловянной чумой”). При обратном превращении серого олова в белое повышение давления ускоряет его, причем, чем выше температура и скорость нагрева, тем при меньшем давлении наступает быстрое полиморфное превращение. Олово обладает низкой прочностью (s_B около 15 Н/мм²), хотя и весьма высокой пластичностью (d около 60%) и коррозионной стойкостью. Как конструкционный материал практически не применяется.

         Основными областями применения олова являются: покрытие стали для повышения коррозионной стойкости - лужение жести (белая жесть для изготовления консервных банок), поскольку олово не токсично;  производство сплавов на основе олова - баббитов, припоев;  легирование сплавов цветных металлов (например, бронз, латуней).

7.2. Подшипниковые сплавы (антифрикционные материалы)

                      с мягкой матрицей

                      7.2.1. Общая характеристика подшипниковых материалов

         Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения и вкладышей узлов трения.

         Подшипниковые сплавы должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивать низкий коэффициент трения с контактной поверхностью изделия;

- обеспечивать малый износ обеих трущихся поверхностей;

- материал должен выдерживать достаточные удельные давления.

         Эти требования будут удовлетворены, если подшипниковый сплав будет обладать следующими свойствами: высокой теплопроводностью; хорошей смачиваемостью поверхности смазочным материалом; способностью образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла; хорошей прирабатываемостью, основанной на способности материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры на поверхности подшипника.

         Для подшипников скольжения используют:

         а) металлические материалы;

         б) неметаллические материалы - пластмассы, как термореактивные (текстолит), так и термопластические (такие полимеры, как полиамиды ПС 10, анид, капрон, фторопласт);

         в) комбинированные материалы - самосмазывающиеся подшипники из порошковых материалов (железо - графит, железо - медь - графит, бронза - графит при содержании графита в пределах 1-4%), металлофторопластовые подшипники из 4-слойной металлофторопластовой ленты;

         г) минералы - полудрагоценные и драгоценные камни - естественные (агат) и искусственные (рубин, корунд), или их заменители - ситаллы (стеклокристаллические материалы); такие опоры и подшипники используются в прецизионных приборах.

         Металлические материалы по своей структуре подразделяются на два типа:

1) сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями, к которым и относятся сплавы на основе легкоплавких металлов (баббиты и цинковые антифрикционные материалы), а также сплавы на основе меди (бронзы и латуни);

2) сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями, к которым относятся свинцовистая бронза БрС30, алюминиевые сплавы с оловом ( например, сплав АО 9-2, содержащий 9% олова и 2% меди), а также серые чугуны.

         Сравнительная характеристика ряда антифрикционных материалов приведена в таблице 7.2.

7.2.2. Легкоплавкие подшипниковые сплавы с мягкой

                              матрицей (баббиты)

         При применении мягких легкоплавких подшипниковых сплавов обеспечивается меньший износ шейки вала. Они имеют и минимальный коэффициент трения со сталью (см. табл. 7.1) и хорошо удерживают смазку.

         В качестве таких материалов используют:  а) сплавы системы  Sn - Sb  (+ Cu) - оловянные баббиты;  б) сплавы системы  Pb - Sn - Sb  (+ Cu  и другие элементы) - свинцово-оловянные баббиты;  в) сплавы системы   Pb - Sb  (+ Cu) - свинцовые баббиты и системы  Pb - Ca - свинцово-кальциевые баббиты;  г) сплавы системы  Zn - Cu - Al - цинковые антифрикционные материалы (иногда называемые цинковыми баббитами);  д) сплавы системы  Al - Sn  (+ Cu) - алюминиевые подшипниковые сплавы(иногда называемые алюминиевыми баббитами).

         На рисунке 7.1 представлены диаграммы состояния сплавов ряда систем.

         В оловянных баббитах (Б 88, Б 83), состав и свойства которых приведены в табл. 7.3, мягкой основой является  a -твердый раствор на основе олова, а твердыми частицами -  b‘-фаза - твердый раствор на базе интерметаллидного соединения SnSb , а вследствие ввода 2,5-6,5% Cu  для предотвращения сильной ликвации - и частицы  Cu₃Sn, образующие “каркас” еще до начала кристаллизации других фаз. Оловянные (или, как их часто называют, оловянносурьмяномедные) баббиты обладают наилучшими свойствами и имеют максимальные значения рабочих параметров, определяющих допустимый режим работы.

         Таблица 7.2 - Характеристика антифрикционных материалов

                            а                                                                б

         Рисунок 7.1 - Диаграммы состояния сплавов систем  Sn - Sb (а)

                                 и Al - Zn (б)

         Оловянные баббиты содержат 7-12 % сурьмы, 2,5-6,5 % меди, иногда - до 1% кадмия (основа -олово), являются дорогими материалами (см. табл. 1.4) и применяются для подшипников ответственного назначения (в дизелях, паровых турбинах и т.д.), работающих при больших скоростях и нагрузках.

         В оловянно-свинцовых баббитах (Б 6, БТ, БН, Б 16) содержится 5-17% олова, 13-17% сурьмы, 1-3% меди, а также, в зависимости от марки - в небольших количествах такие элементы, как Cd, Te, As, Ni (табл. 7.3). Основой сплава является свинец. В качестве мягкой основы здесь выступает твердый раствор на базе свинца, а твердыми включениями - преимущественно частицы  SnSb. Как и в оловянных баббитах, добавка меди уменьшает ликвацию по плотности и обеспечивает появление частиц дополнительной упрочняющей фазы - Cu₃Sn. Оловянно-свинцовые баббиты значительно дешевле оловянных, а по качеству уступают им ненамного (особенно баббит Б 16). Присадки других элементов обеспечивают различные эффекты: As увеличивает жидкотекучесть и износоустойчивость, Ni  повышает твердость, что снижает износ, Te  упрочняет сплав.

         В свинцовых баббитах (баббит БС) при содержании 16-18% сурьмы являющихся заэвтектическими, мягкой основой является эвтектика  Pb - Sb  (13% Sb + 87% Pb), имеющая твердость  НВ 7-8, а твердыми включениями - кристаллы сурьмы с твердостью  НВ30. Такой баббит имеет меньшие прочность и пластичность и более высокий коэффициент трения в сравнении с предыдущими сплавами (см. табл. 7.3) и поэтому применяется в менее нагруженных подшипниках.

         Свинцово-кальциевые баббиты (БК, БКА, БК 2), как и баббит БС, являются более дешевыми в сравнении со сплавами, содержащими олово, хотя по ряду показателей и уступают им (см. табл. 7.3). В этих сплавах мягкой основой является свинец, а твердыми частицами - соединения свинца с кальцием и натрием. Такие баббиты используют в железнодорожном транспорте.

         Цинковые подшипниковые сплавы (ЦАМ 10-5, ЦАМ 5-10) являются более дешевыми материалами в сравнении с баббитами, имеющими в своем составе свинец и особенно олово. В качестве мягкой основы в них выступает эвтектика  Zn+Al (рис. 7.1, в), в состав которой в связи с присутствием меди входит и третья составляющая - CuZn₃,  а в роли  твердых частиц выступают частицы  CuZn₃  (табл. 7.3). Цинковые сплавы уступают оловянным баббитам по пластичности, коэффициенту трения и коэффициенту линейного расширения и примерно равноценны свинцовым баббитам. Цинковые антифрикционные сплавы применяют для изготовления вкладышей, втулок, ползунов, биметаллических деталей.

В качестве подшипниковых сплавов, заменяющих в ряде случаев оловянные и свинцовые баббиты, нашли применение сплавы на основе алюминия (системы   Al - Sb, Al - Sb - Pb,  Al - Ni,  Al - Cu - Si), мягкой основой которых является твердый раствор на основе алюминия, а твердыми включениями - соединения алюминия с легирующими элементами (см. табл. 7.3).

         Таблица 7.3 - Химический состав, структура и свойства легкоплавких

                                 антифрикционных сплавов с мягкой матрицей

Примечание:  r - плотность сплава,  Тпл - температура плавления сплава,

                       К тр - коэффициент трения (со смазкой).

                   Алюминиевые сплавы обладают низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, низкой плотностью. Однако, они уступают другим подшипниковым сплавам по технологичности (повышенная твердость требует повышенной чистоты обработки цапф и вкладыша и высокой твердости шейки вала, ибо несоблюдение этих условий приводит к ускоренному износу), коэффициенту линейного расширения (его повышенные значения требуют более тщательной сборки с большим зазором).

7.3. Припои

         Припои - это металлические присадочные материалы, которые используются для получения методом пайки прочного соединения двух металлических материалов с более высокой температурой плавления.

         Различают припои двух видов:

- мягкие припои с низкой температурой плавления, обеспечивающие лишь герметичность спая; механические свойства спая, как правило, очень низки  (50-70 Н/мм²) и спаянную деталь поэтому не следует подвергать механическим нагрузкам;

- твердые припои с высокой температурой плавления; пайка этими припоями затруднительна, но спай обладает высокими механическими свойствами, приближающимися к таковым у основного металла.

         В качестве мягких припоев применяют сплавы легкоплавких металлов:  Pb, Sn, Zn, Bi, Cd, чаще всего - сплавы свинца и олова. Наиболее широкое применение находят следующие материалы:

1) олово для пайки и лужения марок О1 (не менее 99,9% олова), О2 (не менее 98,35 % олова), О3 (не менее 98,35% олова), О4 (не менее 96,25% олова); олово марок О1 и О2, кроме того, используется для лужения консервной жести (О1) и кухонной утвари (О2);

2) мягкие припои системы Sn - Pb (Sn - Pb - Sb), маркируемые как ПОС - ХХ (припой оловянно-свинцовый, ХХ - содержание олова, %): припой с высоким содержанием олова - ПОС-90 (температурный интервал затвердевания  Тз=185-220 °С), припой эвтектического состава ПОС-61, называемый на практике третником (Тз=183-185 °С), припои, представляющие собой доэвтектические сплавы - ПОС-50 (Тз=183-210 °С), ПОС-40 (Тз=183-235 °С), ПОС-30 (Тз=183-256 °С), ПОС-18 (Тз=183-277 °С), малооловянистые припои ПОС-10 (Тз=255-299 °С), ПОС-5 (Тз=300-314 °С). обладающие худшими физическими и технологическими свойствами в сравнении со сплавами с более высоким содержанием олова;

3) оловянно-цинковые припои (ПОЦ-ХХ,  ХХ-содержание олова, %): ПОЦ-90, ПОЦ-70, ПОЦ-60, ПОЦ-40, имеющие температуры начала кристаллизации соответственно 198, 325, 345 и 365 °С, а температуру конца кристаллизации (эвтектическую) - 198-202 °С; наилучшим из этой серии является эвтектический сплав ПОЦ-90; эти припои в сравнении с оловянно-свинцовыми имеют более высокую прочность, но меньшую пластичность;

4) свинцово-серебряные припои - П Ср-1,5 (цифра в маркировке указывает содержание серебра, %), П Ср-2,5,  П Ср-3; основой сплава является свинец, температура затвердевания таких припоев находится в пределах 300-309 °С; эти припои применяют при пайке меди и ее сплавов, поскольку при их пайке припоем, содержащим олово, может образоваться соединение  Cu3Sn, что приводит к охрупчиванию шва.

         Твердые припои имеют температуру плавления в интервале 800-900 °С и являются сплавами меди и цинка (латуни) и меди, цинка и серебра (т.н. серебряные припои). Серебряные припои применяют при пайке электроприборов, когда электропроводность спая не должна уменьшаться по сравнению с электропроводностью основного металла. Так, у серебряного припоя П Ср-72 (28% меди, 72% серебра) температурный интервал затвердевания Тз=779-779 °С, а удельное электросопротивление  r= 0,0000022 Ом.см,  у сплава П Ср-50 - Тз=779-850 °С,  r =0,0000025 Ом.см, у сплава П Ср-25 - Тз=745-775 °С,  r =0,0000069 Ом.м.

7.4. Легкоплавкие сплавы

         К ним относят обычно сплавы с температурой плавления ниже 230 °С (т.е. ниже температуры плавления олова). Компонентами таких сплавов являются металлы с низкой температурой плавления - Pb, Sn, Sb, Bi, In, Hg. Состав таких сплавов подбирают обычно таким образом, чтобы обеспечить образование многофазной многокомпонентной эвтектики, состоящей из 2, 3 и более фаз. Характеристика таких сплавов приведена в таблице 7.4.

         Легкоплавкие сплавы применяют для изготовления различных предохранительных пробок и вставок, в качестве особо легкоплавких припоев, в качестве материала для анатомических слепков, для фиксации металлографических шлифов при их изготовлении с целью предотвращения “заваливания” их краев и для других целей.

         Маркируют легкоплавкие сплавы буквой Л и цифрой, показывающей температуру его плавления, являющуюся постоянной, поскольку эти сплавы являются сплавами эвтектического состава.

         Таблица 7.4 - Состав и температура плавления легкоплавких сплавов

         Температуру плавления ниже 100 °С имеют также сплавы с добавкой ртути, называемые амальгамами и являющиеся сплавами системы  Sn - Pb - Bi - Hg. Чистая ртуть и сплавы системы  Tl - Hg имеют температуру плавления ниже 0 °С. Наиболее легкоплавкий из известных в природе сплавов - сплав с 8,5 % Tl  и  91,5 Hg - плавится при температуре   -59 °С.

7.5. Типографские сплавы

         Их используют для отливки шрифтов ручного и машинного набора. Они должны иметь по возможности низкую температуру плавления, достаточно высокую твердость и давать возможно меньший угар при переплавах.

         В качестве типографских сплавов используют:

а) сплавы на основе свинца: марок МШ 1, МШ 2, МШ 3 (14-16% Sb, 1,5-4,5% As) с температурой плавления 315-325 °С и твердостью  НВ 23-30; марки МЛ 1 (9,5-10,5% Sb, 1-1,5% As), имеющий Тпл=250 °С,  НВ 23-25;  марки ЛН 1  (11-12%Sb, 4,2-4,8% Sn), имеющий Тпл=245 °С,  НВ 22-23;

б) сплавы на основе олова: марки ЦШ 1 (3,5-4,5% Al, 0,02-0,06% Mg),  Тпл=390 °С, сплав № 3   (2,2-3% Al, 1,2-1,8% Mg),  Тпл=400 °С;  сплав № 7   (4,5-5,4% Al, 3,5-4,5% Cu, 1,5-2,5% Mg),  Т пл=460 °С;

в) сплавы на основе цинка, например, цинк с небольшими добавками магния (0,05%) и алюминия (0,1%), имеющий мелкозернистую структуру и повышенную по сравнению с другими типографскими сплавами твердость (НВ 55-70), но более высокую температуру плавления (420 °С); этот сплав называют микроцинком.

         Ввиду высокой стоимости типографские сплавы на основе олова в настоящее время практически не применяются, Наиболее широкое применение находят сплавы на основе свинца. Менее дефицитными являются сплавы на основе цинка, но как указывалось выше, они имеют более высокую температуру плавления и больший угар при переплавке.

 

7.6. Цинковые конструкционные сплавы

Информация в лекции "Операционные системы" поможет Вам.

         Для изготовления мелких, неответственных изделий, получаемых в производстве методом литья под давлением, применяют литейные цинковые сплавы, легированные алюминием (3,5-4,5%), либо совместно алюминием и медью (до 5%), например, сплавы марок  ЦА 4, ЦАМ 4-1, ЦАМ 4-3. Отливки, отливаемые под давлением, обычно не подвергают дальнейшей механической обработке, поскольку они имеют точные размеры и гладкую блестящую поверхность, хотя и характеризуются повышенной пористостью. Такие сплавы обеспечивают следующие свойства:  sв =250-380 Н/мм²,  d =2-6%, твердость  НВ 70-120.  Для защиты от коррозии такие отливки никелируют или создают на поверхности какое-либо иное покрытие.

         Деформируемые цинковые сплавы также легируют алюминием  (ЦАМ 15), алюминием и медью (ЦАМ 10-1), либо только медью (ЦМ 1). Такие сплавы прокатывают в листы, обрабатывают глубокой вытяжкой и прессуют в горячем состоянии. Высоколегированные сплавы обладают значительной прочностью (sв до 460 Н/мм²) и удовлетворительной пластичностью ( d =8-12%) и вязкостью. Цинковые сплавы часто используют взамен латуней.

7.7. Коррозионно-стойкие покрытия

         Легкоплавкие металлы - цинк, олово, свинец - используют для создания коррозионно-стойких металлических покрытий на поверхности изделий из стали и других сплавов. Коррозионно-стойкие металлические покрытия по механизму своего влияния делят на катодные и анодные.

         Катодные покрытия изготавливают из более электроположительного металла. Они экранируют анодные участки металла и повышают электродный потенциал поверхности. Вследствие высокой коррозионной стойкости они долговечны, но не выносят механических повреждений. При появлении царапин основной металл при наличии покрытия - второго катода - корродирует даже быстрее, чем без покрытия. Покрытия свинцом или оловом (лужение) для железа и низкоуглеродистой стали являются катодными. Луженую сталь применяют в пищевой промышленности (консервные банки и др.), а покрытие свинцом - в химической промышленности.

         Анодные покрытия изготавливают из более электроотрицательного металла. Разрушаясь, они предохраняют металл от коррозии. При механических повреждениях такое покрытие выполняет роль дополнительного более электроотрицательного анода, который забирает большую долю коррозионного тока и тем самым защищает основной анод - защищаемый металл. Анодные покрытия применяют для защиты от атмосферной и морской коррозии. Анодными покрытиями для железа и углеродистых сталей являются покрытия цинком или кадмием.