Лахтин_Матеориаловедение

Латуни в наклепанном состоянии или с высокими остаточными напряжениями и содержащие свыше 20 % Zn склонны к коррозионному («сезонному») растрескиванию в присутствии влаги, кислорода и аммиака. Для предотвращения растрескивания полуфабрикаты из латуни указанных составов отжигают при 250— 650 °С, а изделия из латуни — при 250—270 °С.

Все латуни по технологическому признаку подразделяют на две группы: деформированные, из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты, и литейные — для фасонного литья.

Литейные латуни обладают хорошей жидкотекучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами.

Когда требуются высокая пластичность, повышенная теплопроводность и важно отсутствие склонности к коррозионному растрескиванию, применяют α-латуни с высоким содержанием меди (Л 96 и Л90). Латуни Л 62, Л60, Л59 (α + β'-латуни) с большим содержанием цинка обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, дешевле, но хуже сопротивляются коррозии. Наибольшей пластичностью, обладает α-латунь (Л68), которую чаще используют для изготовления деталей штамповкой.

411

В табл. 38 приведены механические свойства и назначение некоторых специальных латуней. Деформируемые латуни ЛАЖ60—1—1 и ЛМЖц59—1— 1 обладают высокими коррозионными свойствами в атмосферных условиях, пресной и морской воде и применяются для изготовления деталей в судостроении. Более высокой устойчивостью в морской воде обладают латуни, легированные оловом, например, ЛО70—1 и ЛО62— 1, получившие название морских латуней. Латунь ЛС59—1 (автоматная латунь) поставляется в прутках и предназначается для изделий, изготовляемых резанием на станкахавтоматах.

Для уменьшения твердости перед обработкой давлением и получения в полуфабрикатах требуемых свойств их подвергают рекристаллизацион-ному отжигу, чаще при 600—700 °С. Для получения мелкого зерна перед глубокой вытяжкой полосы и ленты отжигают при более низкой температуре (450—550 °С).

Структура и свойства α + β'- латуней зависят от скорости охлаждения. При быстром охлаждении возрастает количество β'-фазы, что повышает твердость латуни и в некоторых случаях улучшает

обработку резанием. Когда нужна высокая пластичность, например для холодной обработки давлением, охлаждение должно быть медленным, чтобы получить возможно большее количество α- фазы. Латуни, предназначенные для фасонного литья, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства. Эти латуни отличаются и лучшей коррозионной стойкостью.

Оловянные бронзы. На рис. 192, а приведена диаграмма состояния Cu—Sn. Фаза α представляет твердый раствор олова в меди с ГЦК-решеткой. В сплавах этой системы образуются электронные соединения: β-фаза (Cu5Zn); δ-фаза (Cu31Sn8); ε-фаза (Cu3Sn), а также γ-фаза — твердый раствор на базе химического соединения, природа которого не установлена. Система Cu—Sn имеет ряд перитектических превращений и два превращения эвтектоидного типа. При температуре 588 °С кристаллы β-фазы

412

претерпевают эвтектоидный распад с образованием α- и γ-фаз, а при 520 °С кристаллы твердого раствора γ распадаются на фазы α и δ.

При температуре ~350 °С δ-фаза распадается на α-твердый раствор и ε-фазу. Однако это превращение протекает только при очень медленном охлаждении. В реальных условиях охлаждения бронза состоит из фаз α и Cu81Sn8. В практике применяют только сплавы с содержанием до 10—12 % Sn. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки. Оловянные бронзы при ускоренном охлаждении имеют резко выраженное дендритное строение.

Бронзы, содержащие до 4—5 % Sn, после деформации и отжига получают полиэдрическое строение (рис. 193, б) и представляют собой в основном α-твердый раствор. После литья даже такие низколегированные бронзы в результате сильной ликвации могут иметь

включения эвтектоида (α + Cu31Sn8).

При большем содержании олова в структуре бронз в равновесном состоянии с α-раствором присутствует эвтектоид (α + + Cu31Sn8). Зависимость механических свойств литых бронз от содержания олова показана на рис. 192, б. Предел прочности возрастает с увеличением содержания олова. При высокой концентрации олова вследствие присутствия в структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое соединение Cu31Sn8, предел прочности резко снижается.

Относительное удлинение несколько возрастает при содержании в бронзе 4—6 % Sn, но при образовании эвтектоида сильно уменьшается. Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства бронзы и удешевляет бронзу. Фосфор улучшает литейные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок и уменьшает ликвацию. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии.

413

Легирование свинцом снижает механические свойства бронзы, но повышает плотность отливок, а главное — облегчает обработку резанием и улучшает антифрикционные свойства.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы (табл. 39). Деформируемые бронзы изготовляют в виде прутков, лент и проволоки в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состояниях. Эти бронзы чаще предназначаются для изготовления пружин и пружинных деталей, применяемых в различных отраслях промышленности. Структура деформированных оловянных бронз — α-твердый раствор (см. рис. 193, б). Литейные бронзы, содержащие большое количество цинка, фосфора и нередко свинца, имеют двухфазную структуру: α-твердый раствор и твердые хрупкие включения δ-фазы, входящие обычно в структуру эвтектоида (см. рис. 193, а).

Оловянные бронзы обладают хорошими литейными свойствами и применяются для литья деталей сложной формы. Недостатком отливок из оловянных бронз является большая микропористость. Бронзы, особенно двухфазные, обладают высокими антифрикционными свойствами. В связи с этим их часто применяют для изготовления антифрикционных деталей.

Для облегчения обработки давлением бронзы подвергают гомогенизации при 700—750 °С с последующим быстрым охлаждением.

414

Алюминиевые бронзы. Наиболее часто применяют алюминиевые бронзы двойные и добавочно легированные Ni, Mn, Fe и др. Сплавы, содержащие до 9 % Аl, однофазные и состоят только из α-твердого раствора алюминия в меди. Фаза β, существующая при температуре свыше 565 °С, представляет собой твердый раствор на базе электронного соединения Cu3Al. При содержании алюминия более 9 % в структуре появляется эвтектоид α + γ' (γ' — электронное соединение Cu32Al9). Фаза α пластична, но прочность ее невелика. Двухфазные сплавы α + γ' имеют повышенную прочность, но пластичность их заметно ниже (рис. 194, б). Железо измельчает зерно и повышает механические и антифрикционные свойства алюминиевых бронз. Никель улучшает механические свойства и износостойкость как при низких, так и при высоких температурах (500— 600 °С).

Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии в морской воде и тропической атмосфере, имеют высокие механические и технологические свойства. Однофазные бронзы, обладающие высокой пластичностью, применяют для глубокой штамповки. Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации или применяют в виде фасонного литья.

Литейные свойства алюминиевых бронз ниже, чем литейные свойства оловянных бронз, но они обеспечивают высокую плотность отливок.

Кремнистые бронзы (см. табл. 40). При легировании меди кремнием (до 3,5 %) повышается прочность, а также пластичность. Никель и марганец улучшают механические и коррозионные свойства кремнистых бронз. Эти бронзы легко обрабатываются давлением, резанием и свариваются. Благодаря высоким механическим свойствам, упругости и коррозионной стойкости их применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей приборов и радиооборудования, работающих при температуре до 250 °С, а также в агрессивных средах (пресная, морская вода).

415

Бериллиевые бронзы (см. табл. 40). Эти бронзы относятся к сплавам, упрочняемым термической обработкой. Предельная растворимость бериллия в меди при температуре 866 °С составляет 2,7 %, при температуре ~600 °С 1,5 %, а при 300 °С всего 0,2 %. Это указывает на возможность упрочнения бериллиевой бронзы методом дисперсного твердения. При нагреве бронзы БрБ2 до 760—780 °С образуется однородный α-раствор, который сохраняется в результате быстрого охлаждения в воде при нормальной температуре1.

После закалки бронза обладает малой прочностью (σΒ = 450 МПа), высокой пластичностью (δ = 40 %) и способностью упрочняться при старении как непосредственно после закалки, так и после пластической деформации в закаленном состоянии. Старение проводят при 300—350 °С. При старении из пересыщенного α- раствора выделяются дисперсные частицы γ-фазы (CuВе), что СИЛЬНО повышает прочность бронзы. Предварительно наклепанная бронза при старении упрочняется сильнее и быстрее.

1 В составе бериллиевых бронз всегда присутствует никель (или кобальт) для повышения устойчивости переохлажденного твердого раствора.

416

Так, бронза БрБ2 в состоянии после закалки и старения имеет σΒ = 1250 МПа и δ = 3÷5 %, а после закалки, холодной пластической деформации с обжатием 30 % и старения — σΒ = = 1400 МПа, пластичность после старения невелика (δ = 2 %). Бронзу нередко легируют также титаном (0,1—0,25 %): БрБНТ1,9 и БрБНТ1,7. Обладая высокими значениями временного сопротивления, пределов текучести и упругости, бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием. Бериллиевые бронзы применяют для мембран, пружин, пружинящих контактов, деталей, работающих на износ (кулачки полуавтоматов), в электронной технике и т. д.

Свинцовые бронзы. Свинец практически не растворяется в жидкой меди. Поэтому сплавы после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца.

Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это предопределяет широкое применение бронзы БрСЗО для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводность бронзы БрСЗО в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.

Из-за невысоких механических свойств (σΒ = 60 МПа, δ = 4 % ) бронзу БрСЗО наплавляют тонким слоем на стальные ленты (трубы). Такие биметаллические подшипники просты в изготовлении и легко заменяются при изнашивании. Вследствие большой разности значений плотности меди (8,94 г/см3) и свинца (11,34 г/см3) и широкого интервала кристаллизации бронза БрС30 склонна к ликвации по плотности. Нередко свинцовые бронзы легируют никелем и оловом, которые, растворяясь в меди, повышают механические и коррозионные свойства.

Вопросы для самопроверки

1.Укажите влияние примесей на свойства меди. Перечислите марки меди.

2.Где применяется чистая медь?

3.Чем отличаются латуни от бронзы? Как маркируются латуни и бронзы?

4.Как влияет цинк на механические и технологические свойства латуни? Укажите состав (марки), свойства и применение латуней.

5.Какую структуру имеет латунь, содержащая 20 % Ζn и 40 % Ζn?

6.Какие Вы знаете многокомпонентные латуни? Какими элементами легируют латунь и зачем?

7.Как влияет олово на механические свойства и структуру бронз?

8.Какие Вы знаете безоловянистые бронзы? Укажите их состав (марки), свойства и применение.

9.Какую термическую обработку проходят бериллиевые бронзы и где они применяются?

10. Укажите, почему бронзы часто применяют как антифрикционный материал. Какую бронзу наиболее часто применяют для изготовления вкладышей подшипников скольжения?

417

ГЛАВА ХХШ. АНТИФРИКЦИОННЫЕ (ПОДШИПНИКОВЫЕ) СПЛАВЫ НА ОЛОВЯННОЙ, СВИНЦОВОЙ, ЦИНКОВОЙИ АЛЮМИНИЕВОЙОСНОВАХ

Антифрикционные сплавы применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения1. Основные требования, предъявляемые к антифрикционным сплавам, определяются условиями работы вкладыша подшипника. Эти сплавы должны иметь достаточную твердость, но не очень высокую, чтобы не вызвать сильного износа вала; сравнительно легко деформироваться под влиянием местных напряжений, т. е. быть пластичными; удерживать смазочный материал на поверхности; иметь малый коэффициент трения между валом и подшипником.

Кроме того, температура плавления этих сплавов не должна быть высокой, и сплавы должны обладать хорошей теплопроводностью и устойчивостью к коррозии.

Для обеспечения этих свойств структура антифрикционных сплавов должна быть гетерогенной, состоящей из мягкой и пластичной основы и включений более твердых частиц. 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 смазочный материал и уносятся продукты износа.

Наиболее широко применяют сплавы на оловянной и свинцовой основе (баббиты), сплавы на цинковой и алюминиевой, основе, а также медно-свинцовые сплавы (см. с. 417).

Оловянные и свинцовые баббиты. В табл. 41 приведены состав и назначение часто применяемых баббитов. Оловянные баббиты используют в подшипниках турбин крупных судовых дизелей, турбонасосов, турбокомпрессоров, электрических и других тяжелонагруженных машин.

Баббиты Б88 и Б83 являются многокомпонентными сплавами, но основой их служит система Sn—Sb.

Мягкая основа сплава — α-твердый раствор сурьмы в олове, а твердые кристаллы — β'-фаза; эта фаза представляет собой твердый раствор на основе химического соединения SnSb.

Сурьма и олово отличаются по плотности, поэтому сплавы этих металлов способны к значительной ликвации. Для предупреждения этого дефекта в баббиты вводят медь. Она образует с сурьмой химическое соединение Cu3Sn. Это соединение имеет более высокую температуру плавления и кристаллизуется первым, образуя разветвленные дендриты, которые препятствуют ликвации

1 Антифрикционность — способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение.

418

кубических кристаллов β' (SnSb). Кроме того, кристаллы образуют в баббите твердые включения, дополнительно повышающие износостойкость вкладышей.

На рис. 195, а приведена микроструктура баббита Б83. Темное поле представляет собой пластичную массу α-твердого раствора сурьмы и меди в олове, светлые кристаллы квадратной формы являются соединением SnSb (β-фазой), а кристаллы в виде звездочек или удлиненных игл — соединением Cu3Sn.

Свинцовые баббиты применяют для менее нагруженных подшипников. Свинцово-оловянные сплавы Б16, БН, БС6 имеют структуру, состоящую из α-твердого раствора — Sn, Sb и Cu в свинце (мягкая составляющая) и твердых частиц β-фазы (SnSb), Cu3Sn и Cu2Sb (рис. 195, б).

Антифрикционные и механические свойства баббитов повышаются при введении в их состав никеля, кадмия и мышьяка.

Никель упрочняет α-раствор. Кадмий с мышьяком (сплав БН) образуют соединения AsCd, которые служат зародышами для формирования соединения

SnSb (β-фа-зы).

Некоторое применение нашел сплав свинца с сурьмой и небольшими добавками меди (БС). Структура сплава состоит из

эвтектики (твердый раствор Sb в Pb) + β (твердый раствор Pb в Sb), первичных кристаллов β и соединения Cu2Sb, играющих роль твердой составляющей.

На железнодорожном транспорте большое распространение получили кальциевые баббиты (подшипники вагонов, подшипники коленчатого вала тепловозных дизелей и т. д.). Состав кальциевых баббитов приведен в табл. 42.

Сплавы БК принадлежат к системе Pb—Са—Na. Мягкой составляющей баббита является α-фаза (твердый раствор Na и Са в Pb), а твердой составляющей — кристаллы Рb3Са (рис. 95, в). Натрий и другие элементы, вводимые в сплав, повышают твердость α-раствора.

Баббиты, имея небольшую прочность σΒ = 60÷120 МПа, 20—30 НВ, могут применяться только в подшипниках, имеющих прочный стальной (чугунный) или бронзовый корпус. Тонкостенные подшипниковые вкладыши автомобильных двигателей изготовляют штамповкой из биметаллической ленты, полученной на

420