 |
Антифрикционные (подшипниковые) сплавы на оловянной, свинцовой и цинковой основах
|
|
|
|
Антифрикционностъ — способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение.
Антифрикционные сплавы — материалы с низким коэффициентом трения скольжения, достаточной твердостью, хорошей деформируемостью и пластичностью, способностью удерживать смазку на поверхности.
Основные потребительские свойства антифрикционных сплавов реализуются за счет структурных особенностей — однородная, мягкая, пластичная основа с включением твердых частиц (например, SnSb). Мягкая основа должна обеспечивать хорошую прирабатываемость трущихся поверхностей, а равномерно распределенные в основе хорошо полирующиеся твердые включения — уменьшать (наряду со смазкой) коэффициент трения (рис. 11.1).
|
| Рис. 11.1 Схема работы пары трения вал – вкладыш: 1 – вал; 2 – вкладыш; 3 – мягкая основа; 4 – твердые включения; 5 – пространство, заполняемое смазкой, уменьшающей силы трения |
При вращении вал опирается на твердые частицы, обеспечивающие износостойкость, а основная масса, истирающаяся более быстро, прирабатывается к валу и образует сеть микроскопических каналов, по которым циркулирует смазка и уносятся продукты износа.
Большая часть подшипников скольжения изготавливается из цветных сплавов на медной основе (латуни — ЛКС80-3-3 и бронзы — БрС3О и БрОЦС5-5-5) и на основе алюминия. Широкое распространение получили также баббиты.
Баббиты — антифрикционные сплавы на основе Sn, Pb, Ca, Zn и др. с добавками Sb, Сu и других элементов, предназначенные для заливки вкладышей подшипников.
Оловянные баббиты базируются на системе Sn-Sb-Cu. Оловянные баббиты маркируются буквой Б, за которой следует цифра, показывающая содержание основного компонента — олова (остальное — сурьма и медь).
|
|
|
Оловянные баббиты (Б88, Б83) обладают наилучшим сочетанием антифрикционных и физико-механических свойств. Однако ввиду большого содержания дорогостоящего олова они применяется для заливки подшипников ответственного назначения тяжело нагруженных машин (турбин).
Свинцовые баббиты применяют для менее нагруженных подшипников, чем оловянные. Для легирования свинцовых баббитов используют Ni, Cd и As.
Свинцовый баббит Б16 системы Pb — Sb (15...17 %) с добавкой олова (15...17 %) и меди (1,5...2 %) является дешевым заменителем оловянных баббитов.
Он используется для изготовления подшипников скольжения высокоскоростных двигателей, хорошо воспринимает ударные и знакопеременные нагрузки.
Кальциевые баббиты базируются на системе Са — Pb — Na. Дополнительное легирование осуществляют Sn, Mg и Аl.
Эти баббиты (БКА, БК2, БК2Ш), имея небольшую прочность (σв = 60... 120 МПа, 20...30 НВ), могут применяться только в подшипниках с прочным стальным (чугунным) или бронзовым корпусом.
Для цинковых баббитов (ГОСТ 21437—95) используется цинк, легированный алюминием, медью или магнием.
Цинковые баббиты обладают высокими антифрикционными свойствами и прочностью (σв = 250...400 МПа) и могут применяться для узлов трения, температура которых не превышает 100 °С, при сравнительно небольших скоростях скольжения (до 8 м/с).
Сплавы ЦАМ 10-5 и ЦАМ 9,5-1,5 в литом виде применяют для монометаллических вкладышей, втулок и др., а сплав ЦАМ 10-5 — для изготовления биметаллических изделий со стальным корпусом.
Сплав ЦАМ 9,5-1,5 в деформированном виде используют для получения биметаллических полос со сталью и алюминиевыми сплавами.
Припои
Припой — металл или сплав, заполняющий зазор между соединяемыми деталями и предназначенный для их соединения пайкой. Температура плавления припоев должна быть ниже температуры плавления материалов паяемых деталей, а в расплавленной состоянии припой должен хорошо смачивать поверхности металлов. Температурные коэффициенты линейного расширения металла и припоя должны быть близки.
|
|
|
Пайка (паяние) — процесс получения неразъемного соединения путем нагрева места пайки изаполнения зазора между соединяемыми деталями расплавленным припоем с его последующей кристаллизацией.
Припои разделяют на низкотемпературные (tпл < 400 °C) и высокотемпературные (tпл > 400 °С).
Основные материалы низкотемпературных припоев (ГОСТ 21930—76) — сплавы олова и свинца. Дополнительное легирование низкотемпературных (мягких) припоев с целью повышения температуры плавления выполняется сурьмой (до 6 %) или кадмием.
Низкотемпературные припои используются для лужения и пайки деталей электрорадиоаппаратуры, приборов, реле, в том числе, оцинкованных, в кабельной, электро- и радиоэлектронной промышленностях, пайки белой жести, лужения и пайки деталей с закатанными и клепанными швами из латуни и меди, шпатлевки кузовов автомобилей и др.
Высокотемпературные припои выполняют на медно латунной, медно-никелевой или серебряной (например, ПСр 72, где 72 - содержание серебра в %) основах.
Серебряные припои применяют для пайки черных и цветных металлов, кроме сплавов алюминия и магния, а припои на медной основе - для пайки углеродистых и легированных сталей, никеля и его сплавов.
Припои для высокотемпературной пайки обеспечивают более прочные соединения, чем припои для низкотемпературной пайки, так как вследствие высокой температуры нагрева легче происходит взаимная диффузия элементов основного металла и припоя.
Медь и ее сплавы
Медь — металл красновато-розового цвета, имеющий кристаллическую ГЦК решетку с периодом а = 0,3608 нм, без полиморфных превращений. Медь менее тугоплавка, чем железо, но имеет большую плотность.
Медь обладает хорошей технологичностью. Она прокатывается в тонкие листы и ленту, из нее получают тонкую проволоку, медь легко полируется, хорошо паяется и сваривается.
Медь характеризуется высокими теплопроводностью и электрической проводимостью, пластичностью и коррозионной стойкостью.
В зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99 % Сu), М0 (99,97 % Сu), M1 (99,9 % Сu), М2 (99,7 % Сu), М3 (99,5 % Сu).
|
|
|
Механические свойства меди в большей степени зависят от ее состояния и в меньшей от содержания примесей.
Таблица 12.1 Механические свойства технической меди М1
Холодная пластическая деформация (достигающая 90 % и более) увеличивает прочность, твердость, предел упругости меди, но снижает пластичность и электрическую проводимость.
По пластической деформации электрической проводимости и теплопроводности медь занимает второе место после серебра. Она применяется для проводников электрического тока и различных теплообменников, водоохлаждаемых изложниц, поддонов, кристаллизаторов. Недостатки меди — невысокая прочность, плохая обрабатываемость резанием и низкая жидкотекучесть.
Общая характеристика и классификация медных сплавов
Сохраняя положительные качества меди (высокие теплопроводность и электропроводимость, коррозионную стойкость и т.д.), ее сплавы обладают хорошими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами.
Для легирования медных сплавов в основном используют элементы, растворимые в меди, — Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni. Повышая прочность медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (Zn, Sn, Al) увеличивают пластичность.
Высокая пластичность — отличительная особенность медных сплавов. Относительное удлинение некоторых однофазных сплавов достигает 65 %.
По прочности медные сплавы уступают сталям. Временное сопротивление большинства сплавов меди лежит в интервале 300 - 500 МПа, что соответствует свойствам низкоуглеродистых нелегированных сталей в нормализованном состоянии.
По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные;
по способности упрочняться с помощью термической обработки — на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.
Латуни (сплавы меди с цинком) маркируют буквой Л. В деформируемых латунях, не содержащих кроме меди и цинка других элементов, за буквой Л ставится число, показывающее среднее содержание меди.
|
|
|
В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы — символы элементов, а затем числа, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь Л68 содержит 68 % Сu, латунь ЛАН59-3-2 содержит 59 % Сu, 3 % Аl; 2 % Ni (остальное Zn).
Бронзы (сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка) обозначают буквами Бр, за которыми ставятся буквы и числа. В марках деформируемых бронз сначала помещают буквы — символы легирующих элементов, а затем числа, указывающие их содержание.
Например, БрАЖ9-4 содержит 9 % Аl, 4 % Fe, остальное — Сu.
В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, Бр06Ц6С3 содержит 6 % Sn, 6 % Zn, 3 % Pb, остальное — Сu.
Химический состав некоторых промышленных латуней и их механические свойства приведены в табл. 12.2 и 12.3.
Таблица 12.2 Химический состав и механические свойства деформируемых латуней после отжига (ГОСТ 15527-70
Таблица 12.3 Механические свойства и область применения литейных латуней
Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость, которые составляют 20 - 50 % от характеристик меди.
Для легирования латуней используют Al, Fe, Ni, Sn, Si. Эти элементы повышают прочность и коррозионную стойкость латуней.
Практическое применение находят высокомедистые латуни с добавлением алюминия до 4 % (ЛА77-2), которые благодаря однофазной структуре хорошо обрабатываются давлением.
Алюминиевые латуни дополнительно легируют никелем, железом, марганцем, кремнием, что позволяет упрочнять эти латуни с помощью закалки и старения. Временное сопротивление после такой обработки достигает 700 Мпа.
Хорошая пластичность в закаленном состоянии позволяет дополнительно упрочнять сплавы с помощью пластического деформирования (перед старением). Обработка по схеме «закалка + пластическая деформация + старение» обеспечивает повышение временного сопротивления до 1000 МПа.
Кремнистые латуни характеризуются высокой прочностью, пластичностью, вязкостью не только при 20-25 °С, но и при низких температурах (до минус 183 °С).
При легировании латуней для получения однофазной структуры используют небольшие добавки кремния (ЛК80-3).
Такие латуни применяют для изготовления арматуры, деталей приборов, в судо- и машиностроении.
Оловянные бронзы легируют Zn, Pb, Ni, P. В бронзы добавляют от 2 до 15 % Zn. В таком количестве цинк полностью растворяется в α-твердом растворе, что способствует повышению механических свойств.
|
|
|
Свинец повышает антифрикционные свойства и улучшает обрабатываемость резанием оловянных бронз.
Фосфор, являясь раскислителем оловянных бронз, повышает их жидкотекучесть; износостойкость улучшается благодаря появлению твердых включений фосфида меди Сu3Р.
Среди медных сплавов оловянные бронзы имеют самую низшую линейную усадку (0,8% при литье в песчаную форму и 1,4% при литье в металлическую форму), поэтому их используют для получения сложных фасонных отливок. Двойные и низколегированные литейные бронзы содержат 10 % Sn. Структура литейной бронзы представлена на рисунке.
Алюминиевые бронзы
Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами.
Их преимущества перед оловянными бронзами — меньшая стоимость, более высокие механические и некоторые технологические свойства.
Кремнистые бронзы
Кремнистые бронзы характеризуются хорошими механическими, упругими и антифрикционными свойствами.
Кремнистые бронзы содержат до 3 % Si и имеют однофазную структуру α-твердого раствора.
При увеличении содержания кремния более 3 % в структуре сплавов появляется твердая и хрупкая γ-фаза.
Однофазная структура твердого раствора обеспечивает кремнистым бронзам высокую пластичность и хорошую обрабатываемость давлением. Они хорошо свариваются и паяются, удовлетворительно обрабатываются резанием. Литейные свойства кремнистых бронз ниже, чем оловянных, алюминиевых бронз и латуней.
Легирование цинком способствует улучшению литейных свойств этих бронз. Добавки марганца и никеля повышают прочность, твердость кремнистых бронз. Кремнистые бронзы выпускают в виде ленты, полос, прутков, проволоки. Для фасонных отливок они применяются редко. Их используют вместо более дорогих оловянных бронз при изготовлении антифрикционных деталей (БрКН1 - 3), (БрКМц3 - 1).
Бериллиевые бронзы характеризуются чрезвычайно высокими пределами упругости, временным сопротивлением, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости, ползучести и износу.
Бериллиевые бронзы являются теплостойкими материалами, устойчиво работающими при температурах до 310 - 340°С.
При 500°С они имеют приблизительно такое же временное сопротивление, как оловянно-фосфористые и алюминиевые бронзы при комнатной температуре.
Из бериллиевых бронз изготовляют детали ответственного назначения: упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинные контакты, мембраны); детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, червячные передачи); подшипники, работающие при высоких скоростях, больших давлениях и повышенных температурах.
Основным недостатком бериллиевых бронз является их высокая стоимость. Легирование Mg, Ni, Ti, Co позволяет уменьшить содержание бериллия до 1,7 - 1,9% без заметного снижения механических свойств (БрБНТ1,7 и др.).
Медно-никелевые сплавы
Медно-никелевыми называют сплавы на основе меди, в которых легирующим элементом, определяющим основные свойства сплава, является никель.
Медь с никелем образует непрерывный ряд твердых растворов. Добавка никеля к меди увеличивает твердость, прочность и электросопротивление, уменьшает термический коэффициент электросопротивления и повышает коррозионную стойкость во многих средах.
Медно-никелевые сплавы выделены в особую группу.
По направлению использования их делят на конструкционные (мельхиор, нейзильбер, куниаль) и электротехнические (копель, константан, манганин) сплавы.
Медно-никелевые сплавы маркируют буквами МН и цифрой, указывающей суммарное содержание Ni+Co, например, МН19 — медно-никелевый сплав, содержащий 19% (Ni+Co), остальное — медь.
Если сплав легируется, в марке указывают введенные элементы и их содержание через дефисы в порядке их упоминания.
Мельхиор —сплав Сu (основа), главным образом, с Ni (5...30 %). Например, мельхиоры (МН19 и МНЖМц30-0,8-1) обладают высокой коррозионной и кавитационной стойкостью на воздухе и в воде, хорошей обрабатываемостью.
Нейзильбер — сплав Сu (основа) с Ni (5...35%) и Zn (13...45%).
Обладает высокими коррозионной стойкостью и прочностью; при повышении содержания Ni нейзильбер приобретает красивый белый цвет с зеленоватым или синеватым отливом.
Куниаль — сплав Сu (основа) с Ni (4...20 %) и Al (1...4 %).
Обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, пресной и морской воде; по прочности не уступает некоторым конструкционным сталям.
Куниаль А (МНА 13-3) применяется для изготовления деталей машин повышенной прочности;
куниаль Б (МНА 6-1,5) — для изготовления пружин и других изделий электротехнической промышленности.
Копель — сплав Сu (основа) с Ni (43 %) и Мn (≈ 0,5 %),
константан — сплав Сu (основа) с Ni (40 %) и Мn (1,5 %), а также
манганин — сплав Сu (основа) с Мn (11...13,5 %) и Ni (2,5...3,5 %), относятся к сплавам с высоким удельным электрическим сопротивлением, мало зависящим от температуры.
Рабочая температура копеля до 600 °С, константана — 500 °С, а манганина — в интервале 15...35°С.
Копель (например, МНМц43-0,5) и константан (например, МНМц40-1,5) идут на производство проволоки для измерительных и нагревательных приборов, термопар, компенсационных проводов, точных резисторов.
Манганин (МНМц 3-12) характеризуется сочетанием низкого термического коэффициента электросопротивления и очень малой термо-ЭДС в паре с медью, что обусловливает его применение в электротехнических измерительных приборах и резисторах.
|
|
|
