Цветные металлы и сплавы

1. Получение алюминия

Алюминий получают из бокситов и нефелинов. Химический состав бокситов выражается формулой Na₂(K₂) O · Al₂O₃ · 2SiO₂. Бокситы содержат в своем составе 30…70% глинозема Аl₂О₃, 2…20% кремнезема SiO₂, 2…50% окиси железа Fе₂О₃ и 0,1…10% окиси титана ТiO₂.

Производство алюминия состоит из двух основных процессов:

1. получение глинозема А12О3 из бокситов;
2. восстановление металлического алюминия электролизом из раствора глинозема в расплавленном криолите (Na3AlF6).

Электролитом служат криолит с добавлением 8…10% глинозема, а также AlF₃ и NaF. Образующийся в результате электролиза жидкий алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его называют алюминием-сырцом. Алюминий-сырец содержит металлические (Fe, Si, Cu, Zn и др.) и неметаллические (С, АlО₃ и др.) примеси, а также газы — кислород, водород, окись и двуокись углерода и др. Эти примеси удаляют хлорированием жидкого алюминия-сырца в ковше. Образующийся при этом парообразный хлористый алюминий АlСl₃, проходя через расплавленный алюминий, обволакивает пузырьками частицы примесей и выносит их вместе с газами, растворенными в алюминии.

Первичный алюминий (ГОСТ 11069–2001) делят на следующие группы:

1. алюминий особой чистоты (марка А999);
2. алюминий высокой чистоты (4 марки);
3. алюминий технической чистоты.

ГОСТом предусмотрены восемь марок, допускающих содержание примесей 0,15…1%. Название марки указывает ее чистоту. Например, марка А8 обозначает, что в металле содержится 99,8% алюминия, а в марке А99 — 99,99%.

Алюминий — легкий металл серебристо-белого цвета с высокой электрои теплопроводностью; плотность его 2700 кг/м³, температура плавления зависит от чистоты и колеблется в пределах 660…667°С. В отожженном состоянии алюминий имеет малую прочность (σ_в = 80…100 МПа), низкую твердость (НВ = 20…40), но обладает высокой пластичностью (δ = 35…40%).

Алюминий хорошо обрабатывается давлением, некоторые его сплавы с разным успехом свариваются. Имеет высокую стойкость против атмосферной коррозии и в пресной воде. На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь тонкой плотной пленкой окиси, которая не пропускает кислород в толщу металла, что и обеспечивает его защиту от коррозии.

2. Деформируемые алюминиевые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы применяют для получения листов, ленты, фасонных профилей, проволоки и различных деталей штамповкой, прессованием, ковкой.

В зависимости от химического состава деформируемые алюминиевые сплавы делят на несколько групп; они содержат 2–3 и более легирующих компонента в количестве 0,2…4% каждого.

Деформируемые сплавы разделяют на сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы, подвергаемые механической и термической обработке, имеют буквенные обозначения, указывающие на характер обработки. Термически неупрочняемые сплавы (табл. 6) — это сплавы алюминия с марганцем и алюминия с магнием и марганцем. Они обладают умеренной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и пластичностью.

Термически упрочняемые сплавы (табл. 7) приобретают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате термической обработки.

Таблица 6

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКИ НЕУПРОЧНЯЕМЫЕ СТАЛИ

Таблица 7

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЯЕМЫЕ СТАЛИ

Наиболее распространены сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем (дуралюмины) и алюминия с медью, магнием, марганцем и цинком (сплавы высокой прочности). Дуралюмины маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, обозначающая условный номер сплава. Термическая обработка дуралюминов состоит в закалке, естественном или искусственном старении. Для закалки сплавы нагревают до 500°С

и охлаждают в воде. Естественное старение производят при комнатной температуре в течение 5…7 суток. Искусственное старение проводят при температуре 150…180°С в течение 2…4 ч. При одинаковой прочности дуралюмины, подвергнутые естественному старению, более пластичны и обладают большей коррозионной стойкостью, чем подвергнутые искусственному старению.

Особенностью нагрева алюминиевых сплавов при закалке является строгое поддержание температуры (+5°С), чтобы не допустить пережога и достичь наибольшего эффекта термической обработки. Дуралюмины не обладают необходимой коррозионной стойкостью, поэтому их подвергают плакированию.

Дуралюмины выпускают в виде листов, прессованных и катаных профилей, прутков, труб. Особенно широко применяют дуралюмины в авиационной промышленности и в строительстве.

3. Литейные алюминиевые сплавы

Литейные сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые сплавы, но в значительно большем количестве (до 9—13% по отдельным компонентам). Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок.

Алюминиевые литейные сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава.

Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов, которые по химическому составу можно разделить на несколько групп, например алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ13, АЛ22 и др.).

Сплавы на основе алюминия кремния называют силуминами. Силумин обладает высокими механическими и литейным свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, достаточно высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью. Сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удельную прочность, хорошо обрабатываются резанием и имеют высокую коррозионную стойкость.

Свойства алюминиевых литейных сплавов существенно зависят от способа литья и вида термической обработки. Важное значение при литье имеют скорость охлаждения затвердевающей отливки или скорость охлаждения при ее закалке. В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных свойств. Поэтому механические свойства отливок при литье в кокиль (металлические литейные формы) выше, чем при литье в песчано-глинистые формы (табл. 8).

В графе «Способы литья» введены следующие обозначения: З — в песчано-глинистые формы, В — по выплавленным моделям, К — кокиль, Д — под давлением. Буква М, следующая за первой буквой, обозначает, что сплав при литье подвергают модифицированию.

Литейные алюминиевые сплавы имеют более грубую и крупнозернистую структуру, чем деформируемые. Это определяет режимы их термической обработки. Для закалки силумины нагревают до температуры 520–540°С и дают длительную выдержку (5…10 ч), чтобы полнее растворить включения. Искусственное старение проводят при 150…180°С в течение 10…20 ч. Для улучшения механических свойств силумины, содержащие более 5% кремния, модифицируют натрием. Для этого в расплав добавляют 1…3% от массы сплава соли натрия (²/3NaF + ¹/3NaCl). При этом снижается температура кристаллизации сплава и измельчается его структура.

4. Получение меди и ее сплавов

Медь — цветной металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, у нее повышенная коррозионная стойкость.

Таблица 8

АЛЮМИНИЕВЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ

Медь получают из сульфидных руд, содержащих медный колчедан (CuFeS2). Содержание меди в рудах невелико (от 0,5 до 5%), поэтому медь обогащают. Обогащенный концентрат медных руд (содержащий 11…35% Сu) сначала обжигают для снижения содержания серы, а затем плавят на медный штейн.

Цель плавки на штейн — отделение сернистых соединений меди и железа от рудных примесей. Штейны содержат до 16–60% Сu. Медные штейны переплавляют в медеплавильном конверторе с продувкой воздухом и получают черновую медь, содержащую 1…2% примесей железа, цинка, никеля, мышьяка и др. Черновую медь рафинируют для удаления примесей. Содержание меди после рафинирования возрастает до 99,5…99,99% (медь первичная — технически чистая). После рафинирования медь очищают от вредных примесей, в результате чего качество меди существенно увеличивается.

Чистая медь имеет 11 марок (М00б, М0б, М1б, M1y, M1, Mlр, М1ф, М2р, М3р, М2 и М3) в зависимости от содержания вредных примесей в меди. Суммарное количество примесей в лучшей марке М00б составляет 0,01%, а в марке М3 — 0,5%.

Чистая медь — розовато-красного цвета, плотность 8,93 г/см³ и температура плавления 1083°С.

Механические свойства чистой отожженной меди:

σ_в= 220…240 МПа, НВ = 40…50, δ = 45…50%.

Чистую медь благодаря высокой электропроводности применяют для электротехнических целей и поставляют в виде полуфабрикатов — проволоки, прутков, лент, листов, полос и труб. Из-за малой механической прочности чистую медь не используют как конструкционный материал, а применяют ее сплавы с цинком, оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом.

Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и эксплуатационных свойств. Различают три группы медных сплавов: латуни; бронзы; сплавы меди с никелем.

5. Латунь

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальными по наименованию элементов, например железофосфорномарганцевая латунь и т.п.

В сравнении с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием, литьем, давлением).

Латуни содержат до 40—45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость. Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7—9%.

Сплав обозначают начальной буквой Л. Затем следуют первые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц — цинк, О — олово, Мц — марганец, Ж — железо, Ф — фосфор, Б — бериллий и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛАЖМц66-6-3-2 — алюминиевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа и 2% марганца, остальное составляет цинк.

По технологическому признаку латуни, как и все сплавы цветных металлов, подразделяют на литейные и деформируемые. Литейные латуни (ГОСТ 17711–93) предназначены для изготовления фасонных отливок, их поставляют в виде чушек. Например, сплав ЛС59-1Л с пределом прочности σ_в = 200 МПа используют для изготовления втулок, арматуры, для фасонного литья; сплав ЛМцС58-2-2 с пределом прочности σ_в = 350 МПа используется при изготовлении антифрикционных деталей — подшипников, втулок; сплав ЛА67-2-5 с пределом прочности σ_в = 400 МПа служит для изготовления коррозионно-стойких деталей, а сталь ЛАЖМц-66-6-3-2 с пределом прочности σ_в = 650 МПа применяют при изготовлении червячных винтов, работающих в тяжелых условиях.

Деформируемые латуни выпускают (ГОСТ 15527–2004) в виде простых латуней, например Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например ЛАЖ60-1-1, ЛС63-3 и др. (табл. 9).

Таблица 9

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕФОРМИРУЕМЫХ ЛАТУНЕЙ

Латуни поставляют в виде полуфабрикатов — проволоки, прутков, лент, полос, листов, труб и других видов прокатных и прессованных изделий. Их широко применяют в общем и химическом машиностроении.

6. Бронзы, сплавы меди с никелем

Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием бывают бронзами. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянными, алюминиевыми и т.д. Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием. Для повышения механических характеристик и придания особых свойств бронзы легируют. Введение марганца способствует повышению коррозионной стойкости, никеля — пластичности, железа — прочности, цинка — улучшению литейных свойств, свинца — улучшению обрабатываемости (табл. 10).

Бронзы маркируют буквами Бр, правее ставят элементы, входящие в бронзу: О — олово, Ц — цинк, С — свинец, А — алюминий, Ж — железо, Мц — марганец и др. Затем ставят цифры, обозначающие среднее содержание элементов в процентах (цифру, обозначающую содержание меди в бронзе, не ставят). Например, марка БрОЦС5-5-5 означает, что бронза содержит олова, свинца и цинка по 5%, остальное — медь (85%).

Таблица 10

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БРОНЗ

Оловянные бронзы содержат в среднем 4…6% олова, имеют высокие механические (σ_в = 150…350 МПа; δ = 3…5%; твердость НВ = 60…90), антифрикционные и антикоррозионные

свойства. Для улучшения качества в оловянные бронзы вводят свинец, повышающий антифрикционные свойства и обрабатываемость; цинк, улучшающий литейные свойства; фосфор, повышающий литейные, механические и антифрикционные свойства.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы.

Деформируемые бронзы (ГОСТ 5017–2006) поставляются в виде полуфабрикатов (прутки, проволоки, ленты, полосы) в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состояниях. Эти бронзы применяют для вкладышей подшипников, втулок деталей приборов и т.п.

Литейные оловянные бронзы содержат большее количество олова (до 15%), цинка (4…10%), свинца (3…6%), фосфора (0,4…1,0%).

Литейные бронзы (ГОСТ 614–97) применяют для получения различных фасонных отливок. Высокая стоимость и дефицитность олова — недостаток оловянных бронз.

Алюминиевые бронзы содержат 4…11% алюминия. Они имеют высокую коррозионную стойкость, хорошие механические и технологические свойства. Эти бронзы хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, а при содержании алюминия до 8% — и в холодном состоянии. Бронзы, содержащие 9…11% алюминия, а также железо, никель, марганец, упрочняются термической обработкой (закалкой и отпуском). Наиболее поддающаяся закалке БрАЖН10-4-4 после закалки (980°С) и отпуска (400°С) повышает твердость с НВ = 170…200 до НВ = 400.

Марганцовистые бронзы (БрМЦ5) имеют сравнительно невысокие механические свойства, но обладают хорошей сопротивляемостью коррозии и высокой пластичностью, а также сохраняют механические свойства при повышенных температурах.

Свинцовистые бронзы (БрСЗ0) отличаются высокими антикоррозионными свойствами и теплопроводностью (в 4 раза большей, чем у оловянных бронз), применяются для высоконагруженных подшипников с большими удельными давлениями.

Бериллиевые бронзы (БрБ2) после термообработки имеют высокие механические свойства, например у БрБ2 σ_в = 125 МПа, НВ = 350, высокий предел упругости, хорошая коррозионная стойкость, теплостойкость. Из бериллиевых бронз изготовляют детали особо ответственного назначения.

Кремнистые бронзы (БрКНГ-3, БрКМцЗ-1) применяют как заменители дорогостоящих бериллиевых бронз.

Медно-никелевые сплавы получают на основе меди; в них основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на конструкционные и электротехнические сплавы.

Куниали (медь + никель + алюминий) содержат 6…13% никеля, 1,5…3% алюминия, остальное — медь. Куниали подвергают термической обработке (закалке и старению). Куниали служат для изготовления деталей повышенной прочности, пружин и ряда электротехнических изделий.

Нейзильберы (медь + никель + цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное — медь. Нейзильберы имеют белый приятный цвет, близкий к цвету серебра. Они хорошо сопротивляются атмосферной коррозии. Их применяют в приборостроении и производстве часов.

Мельхиоры (медь + никель и небольшие добавки железа и марганца, до 1%) обладают высокой коррозионной стойкостью, в частности в морской воде. Их используют для изготовления теплообменных аппаратов, штампованных и чеканных изделий.

Кoпель (медь + никель 43% + марганец 0,5%) — специальный термоэлектродный сплав для изготовления термопар. Манганин (медь + никель 3% + марганец 12%) — специальный сплав с высоким удельным электросопротивлением, используемый в электротехнике для изготовления электронагревательных элементов.

Константан (медь + никель 40% + марганец 1,5%) имеет такое же назначение, как и манганин.

7. Получение, свойства и применение титана и магния

Титан — серебристо-белый металл с высокой механической прочностью и высокой коррозионной и химической стойкостью. Для производства титана используют рутил, ильменит, титанит и другие руды, содержащие 10…40% двуокиси титана TiO2. После обогащения концентрат титановых руд содержит до 65% TiO2. TiO2 и сопутствующие окислы железа разделяют восстановительной плавкой. В процессе плавки окислы железа и титана восстанавливаются, в результате чего получают чугун и титановый шлак, в котором содержится до 80…90% TiO2. Титановый шлак хлорируют, в результате чего титан соединяется с хлором в четыреххлористый титан TiCl4. Затем TiCl4 нагревают в замкнутой реторте при температуре 950…1000°С в среде инертного газа (аргона) вместе с твердым магнием. Магний отнимает хлор, превращаясь в жидкий MgCl, а твердые частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу, образуя титановую губку.

Путем сложных процессов рафинирования и переплава из титановой губки получают чистый титан. Технически чистый титан (ГОСТ 19807–91) содержит 99,2…99,65% титана. Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных конструкционных сталей. По коррозионной стойкости титан превосходит высоколегированные нержавеющие стали.

Для получения сплавов титана с заданными механическими свойствами его легируют алюминием, молибденом, хромом и другими элементами.

Преимущество титана и его сплавов заключается в сочетании высоких механических свойств (σ_в = 1500 МПа; δ = 10…15%) и коррозионной стойкости с малой плотностью.

Алюминий повышает жаропрочность и механическую прочность титана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность титановых сплавов. Сплавы хорошо поддаются горячей и холодной обработке давлением, обработке резанием, имеют удовлетворительные литейные свойства, хорошо свариваются в среде инертных газов. Сплавы удовлетворительно работают при температурах до 350—500°С.

По технологическому назначению титановые сплавы делят на деформируемые и литейные, а по прочности — на три группы: низкой (σ_в = 300…700 МПа), средней (σ_в = 700…1000 МПа) и высокой (σ_в > 1000 МПа) прочности. К первой группе относят сплавы под маркой ВТ1, ко второй — ВТ3, ВТ4, ВТ5 и другие, к третьей — ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).

Для литья применяют сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы. Литейные сплавы имеют более низкие механические свойства, чем соответствующие деформируемые. Титан и его сплавы, обработанные давлением, выпускают в виде прутков, листов и слитков. Титановые сплавы применяют в авиационной и химической промышленности (табл. 11).

Таблица 11

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕФОРМИРУЕМЫХ ЛАТУНЕЙ

Магний — самый легкий из технических цветных металлов, его плотность 1,740 кг/м³, температура плавления 650°С. Технически чистый магний — непрочный, малопластичный металл с низкой теплои электропроводностью. Для улучшения прочностных свойств в магний добавляют алюминий, кремний, марганец, торий, церий, цинк, цирконий и подвергают термообработке.

Для производства магния используют преимущественно карналлит (MgCl2 · КCl6 · H2O), магнезит (MgCO3), доломит (CaCО3 · МgCО3) и отходы ряда производств, например титанового. Карналлит подвергают обогащению, в процессе которого отделяют КСl и нерастворимые примеси путем перевода в водный раствор MgCl2 и КСl. После получения в вакуум-кристаллизаторах искусственного карналлита его обезвоживают и электролитическим путем получают из него магний, который подвергают рафинированию. Технически чистый магний (первичный) содержит 99,8…99,9% магния (ГОСТ 804–93). Маркировка и химический состав магниевых сплавов для фасонного литья и слитков, предназначенных для обработки давлением, приведены в ГОСТ 2581–78. В зависимости от способа получения изделий магниевые сплавы делят на литейные и деформируемые. Литейные магниевые сплавы (ГОСТ 2856–79) используют для изготовления деталей литьем. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, обозначающими порядковый номер.

8. Олово, свинец, цинк и их сплавы

Олово — блестящий белый металл с низкой температурой плавления (231°С) и высокой пластичностью. Используется в составе припоев, медных и антифрикционных сплавов.

Свинец — металл голубовато-серого цвета, обладает низкой температурой плавления (327°С) и высокой пластичностью. Входит в состав медных, антифрикционных сплавов и припоев.

Цинк — серовато-белый металл с высокими литейными и антикоррозионными свойствами, температура плавления 419°С. Входит в состав медных сплавов и твердых припоев.

Припои — это металлы или сплавы, используемые при пайке в качестве связки между соединяемыми деталями. Припои имеют более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Незначительный нагрев соединяемых металлов является основным преимуществом пайки в сравнении со сваркой.

По температуре расплавления припои подразделяют на легкоплавкие (145…450°С), среднеплавкие (450…1100°С) и высокоплавкие (1100…1850°С).

К легкоплавким относят оловянно-свинцовые (ПОС), оловянные, малосурьмянистые и сурьмянистые (ПОССу) и другие припои. Медно-цинковые (латуни) припои относят к среднеплавким (905…985°С), а многокомпонентные на основе железа — к высокоплавким (1190…1480°С).

Оловянно-свинцовые припои широко применяют во всех отраслях промышленности. Для снижения охрупчивания олова при низких температурах в состав припоев вводят сурьму. Оловянно-свинцовые припои имеют низкую коррозионную стойкость во влажной среде (табл. 12).

Оловянные припои имеют высокую прочность, пластичность и коррозионную стойкость (см. табл. 12).

Медно-цинковые припои (латуни) широко применяют для пайки большинства металлов (табл. 13). Для повышения прочности паяных соединений в медно-цинковые припои вводят олово, никель и марганец. Добавки олова понижают температуру плавления латуни, повышают коррозионную стойкость и улучшают жидкотекучесть припоя.

Легкоплавкие пастообразные припои состоят из трех частей: порошкообразного припоя, флюса и загустителя. Пасту состава припой ПорПОССу-30-2 (70%), вазелин (20%), бензойная кислота (1,2%), аммоний хлористый (1,2%) и эмульгатор ОП-7 (0,6%) применяют для пайки стальных, медных и никелевых изделий.

Тугоплавкие порошкообразные припои применяют для пайки твердосплавных пластин при производстве режущего инструмента. Состав припоя: ферромарганец (40%), ферросилиций (10%), чугунная стружка (20%), медная стружка (5%), толченое стекло (15%), плавится при температуре 1190…1300°С.

Таблица 12

ОЛОВЯННО-СВИНЦОВЫЕ И ОЛОВЯННЫЕ ПРИПОИ

Таблица 13

МЕДНО-ЦИНКОВЫЕ ПРИПОИ

9. Требования к антифрикционным сплавам

Антифрикционные сплавы предназначены для повышения долговечности трущихся поверхностей машин и механизмов. Трение происходит в подшипниках скольжения между валом и вкладышем подшипника. Для вкладыша подшипника подбирают такой материал, который предохраняет вал от износа, сам минимально изнашивается, создает условия для оптимальной смазки и уменьшает коэффициент трения. Антифрикционный материал представляет собой сочетание достаточно прочной и пластичной основы, с опорными (твердыми) включениями. При трении пластичная основа частично изнашивается, а вал опирается на твердые включения. Трение происходит не по всей поверхности подшипника, смазка удерживается в изнашивающихся местах пластичной основы.

Антифрикционные сплавы создают на основе олова, свинца, меди или алюминия; они обладают специальными антифрикционными свойствами (табл. 14).

К ним относятся:

1. баббит марок Б88 и БС6, применяемый для изготовления подшипников быстроходных дизелей и подшипников автотракторных двигателей;
2. бронза БрОЦС5-5-5, используемая для изготовления подшипников электродвигателей центробежных насосов;
3. латунь марки ЛМцЖ52-4-1, используемая для изготовления подшипников рольгангов, контейнеров, редукторов, и другие сплавы.

Антифрикционные свойства сплавов проявляются при трении в подшипниках скольжения. К ним относятся:

1. низкий коэффициент трения;
2. хорошая прирабатываемость к сопрягаемой детали;
3. высокая теплопроводность;
4. способность удерживать смазку и др.

Из антифрикционных сплавов наиболее широко применяют баббит, бронзу, алюминиевые сплавы, чугун и металлокерамические материалы. Антифрикционные сплавы хорошо прирабатываются в парах трения благодаря мягкой основе — олову, свинцу или алюминию. Более твердые металлы (цинк, медь, сурьма), вкрапленные в мягкую основу, способны выдерживать большие нагрузки. После приработки и частичной деформации мягкой основы в ней образуются углубления, способные удерживать смазку, необходимую для нормальной работы пары.

Таблица 14

АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ

10. Антифрикционные сплавы

Баббиты — антифрикционные материалы на основе олова или свинца. Их применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения, работающих при больших окружных скоростях и при переменных и ударных нагрузках.

По химическому составу баббиты подразделяют на три группы: оловянные (Б83, Б88), оловянно-свинцовые (БС6, Б16) и свинцовые (БК2, БКА). Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты. Баббиты на основе свинца имеют несколько худшие антифрикционные свойства, чем оловянные, но они дешевле и менее дефицитны. Свинцовые баббиты применяют в подшипниках, работающих в несложных условиях. В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит БС6 содержит по 6% олова и сурьмы, остальное — свинец.

Для оловянных и оловянно-фосфористых бронз характерны высокие антифрикционные свойства: низкий коэффициент трения, небольшой износ, высокая теплопроводность, что позволяет подшипникам, изготовленным из этих материалов, работать при высоких окружных скоростях и нагрузках.

Алюминиевые бронзы, используемые в качестве подшипниковых сплавов, отличаются большой износостойкостью, но могут вызвать повышенный износ вала. Свинцовые бронзы в качестве подшипниковых сплавов могут работать в условиях ударной нагрузки.

Латуни по антифрикционным свойствам уступают бронзам. Их используют для подшипников, работающих при малых скоростях и умеренных нагрузках.

Из-за дефицитности олова и свинца применяют сплавы на менее дефицитной основе, например алюминиевые сплавы, которые обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в масляных средах и достаточно хорошими механическими и технологическими свойствами. В зависимости от химического состава различают две группы сплавов:

1. сплавы алюминия с сурьмой, медью и другими элементами, которые образуют твердые фазы в мягкой алюминиевой основе. Наибольшее распространение получил сплав АСМ, содержащий сурьму (до 6,5%) и магний (0,3…0,7%);
2. сплавы алюминия с оловом и медью, например, АО20-1 (20% олова и до 1,2% меди) и АО9-2 (9% олова и 2% меди). Они хорошо работают в условиях сухого и полужидкого трения и по антифрикционным свойствам близки к баббитам.

Для работы в подшипниковых узлах трения применяют специальные антифрикционные чугуны. Изготовляют три типа антифрикционного чугуна: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.

11. Тугоплавкие металлы и сплавы

Тугоплавкими называют металлы, температура плавления которых выше 1700°С.

Наиболее тугоплавки:

1. вольфрам (3410°С),
2. молибден (2620°С), 3) тантал (2996°С),

4) хром (1875°С),

1. рутений (2250°С),
2. гафний (2222°С) и др.

Тугоплавкие металлы и их сплавы применяют как жаропрочные при строительстве ракет, космических кораблей. Эти металлы получают из порошков путем прессования и последующего их спекания в брикеты, а также плавкой заготовок в электродуговых и электронно-лучевых печах. Монокристаллы тугоплавких металлов большой чистоты получают в результате особой плавки.

Тугоплавкие металлы обладают высокой коррозионной стойкостью в среде сильных кислот, в расплавленных щелочных металлах. Тугоплавкие металлы и их сплавы во избежание окисления нагревают в вакууме или нейтральных газах (аргоне, гелии). Детали, работающие при высоких температурах, покрывают хромом, алюминием, кремнием и другими металлами. Для изготовления деталей, работающих при температурах до 1400°С, используют молибден, ниобий или их сплавы; при более высоких температурах — вольфрам и тантал, у которых значительно выше температура плавления.

Сплавы вольфрама с 20% рения и вольфрама с 5% рения применяют для изготовления термопар, измеряющих температуру до 3000°С.

Тантал применяют для изготовления пластин и проволоки, используемых в костной хирургии. Карбиды тантала (температура плавления 3880°С) применяют для наплавки на поверхность изделий в агрессивной среде.

Вольфрам и молибден в чистом виде используют в радиои электронной промышленности для изготовления нитей накаливания, пружин, нагревателей, контактов. Сплав, содержащий 85% вольфрама и 15% молибдена, пригоден для работы при температурах, близких к 3000°С.

Ниобий и его сплавы имеют важное значение в электронной и химической промышленности, а сплавы ниобия с оловом являются ценным сверхпроводящим материалом.

Большую роль играет рений, его температура плавления 3180°С, плотность в 3 раза больше, чем у железа, он немного легче осмия, платины и иридия. Жаропрочность сплава рения с вольфрамом и танталом сохраняется до температуры 3000°С, сохраняются и механические свойства. Вольфрам и молибден при низких температурах очень хрупки, а в сплаве с рением сохраняют при этих температурах пластичность.