Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

331

ма. В электролит с хлористым магнием поступает и окись магния; кроме того,

может протекать гидролиз электролита с образованием окиси магния. Окись

магния оседает на дно электролизера, увлекая за собой другие продукты и обра-

зуя шлам.

Шлам удаляют один раз в два-три дня, не допуская значительного накоп-

ления его на дне ванны, так как это иногда приводит к замыканию анода с ка-

тодом и ухудшает условия осаждения магния на катоде. Для вычерпывания

шлама у нас применяют вакуумные аппараты, разработанные коллективом Бе-

резняковского титано-магниевого комбината.

Рафинирование магния. Извлеченный из ванн магний обычно содержит

более 0,1 % примесей, отрицательно влияющих на его механические свойства и

коррозионную стойкость. Такой магний не отвечает требованиям ГОСТ 804-72,

поэтому он всегда подвергается очистке.

Содержащиеся в магнии примеси можно разделить на две группы.

Первая группа - металлические примеси, попадающие в магний при его

получении. Важнейшими из них являются железо, натрий и калий, которые по-

падают в магний в результате электролитического разложения их соединений,

имеющихся в составе электролита или попавших в него с сырьем.

Вторая группа - неметаллические примеси, механически захваченные при

извлечении магния из ванны. К ним относятся главным образом хлориды каль-

ция, магния, натрия и калия, окись магния, а также нитрид и силицид магния.

Наиболее широко применяется рафинирование магния флюсам; оно дает

возможность очистить магний главным образом от неметаллических примесей.

При рафинировании флюсом, назначение которого - предохранить металл от

окисления во время плавки и ошлаковать примеси, присутствующие в магнии.

Для рафинирования магния предложено много различных флюсов. В ка-

честве примера можно привести флюс ВИ-2, содержащий 38-46% MgCl

; 32-

40% KCl; 3-5% CaF

; 5-8% ВаС1

, применяемый для переплавки магния, для

332

плавки его сплавов в стационарных тиглях и в индукционных печах. Этот флюс

хорошо рафинирует металл и плавится при температуре 420° С.

Флюс ВИ-3 содержит обычно 34-40% MgCl

; 25-36% КС1; 15-20% CaF

;

7-10% MgO; он является универсальным при плавке магниевых сплавов в вы-

емных тиглях. При рафинировании к концу процесса по мере спокойного охла-

ждения металла образованный им шлак затвердевает, превращаясь в твердую

корку.

До последнего времени магний рафинировали в тигельных печах сопро-

тивления. В тигель заливают 1000-1500 кг жидкого магния сырца и добавляют

рафинирующий флюс. Металл перегревают до 720° С и интенсивно перемеши-

вают с флюсом, растворяя в нем хлориды и неметаллические примеси; затем

печь отключают и дают остыть до 690° С; это обеспечивает отстаивание магния

и отделение от флюса твердых примесей. Иногда удается выделить в осадок и

часть растворенного в магнии железа, растворимость которого при охлаждении

снижается. В последние годы для рафинирования магния начали применять пе-

чи непрерывного действия.

Наилучшие результаты рафинирования можно получить при сублимации

магния в вакууме, которая описана при очистке губчатого титана после его вос-

становления магнием.

§ 8. Технический титан и его сплавы

Технический титан, применяемый промышленностью, делят на две мар-

ки: ВТ1-00 и ВТ1-0; в них, согласно ГОСТ 19807-74, допускается (соответст-

венно) следующее содержание примесей: углерода 0,05-0,07%, кислорода 0,10-

0,12%, азота до 0,04 %, водорода 0,008-0,010%, железа до 0,2%, кремния 0,08-

0,10%. Однако механические свойства у ВТ1-0 несколько выше за счет увели-

чения суммы перечисленных примесей в нем.

Для повышения механических свойств титана его почти всегда легируют

алюминием, который повышает температуру аллотропического превращения

333

титана α β и поэтому алюминий часто называют α-стабилизатором титана.

Наоборот, элементы, понижающие эту точку, называют β -стабилизаторами. К

ним относятся: молибден, ванадий, хром, марганец, железо и некоторые другие

металлы.

В промышленности применяют титановые сплавы либо со структурой α-

твердого раствора, либо смешанной структурой (α + β)-твердого раствора.

Алюминий, образуя с титаном твердый раствор, замещая и стабилизируя

α-фазу, увеличивает прочность титана, жаропрочность и сопротивляемость

окислению при высоких температурах. Поэтому алюминий является наиболее

важной составляющей титановых сплавов и всегда входит в их состав. Для по-

лучения сплавов смешанной структуры титан, кроме алюминия, легируют до-

полнительно хромом, марганцем, молибденом, а иногда и другими β-

стабилизаторами.

Химический состав и механические свойства некоторых титановых спла-

вов приведены в табл. 22.

Т а б л и ц а 22

Химический состав и механические свойства титановых сплавов

Другие

Сплав

А1, %

основные

δ, %

Примечание

элементы,

МПа

кгс/мм

ВТ5-1

4,3-6,0

2-3 Sn

950-2250

95-225

10-16

Содержание

ВТЗ-1

5,5-7,0

0,8-2,З Сг

800-1000

80-100

8-16

примесей (в

%),

0,15-0,40 Si

не более

2-3,0 Мо

ВТ5

4,3-6,2

800-950

80-95

12-25

0,3-0,4 Fe

ОТ 4

3.5-5,0

0,8-2 Мn

700-850

70-85

15-40

0,12-0,15 Si

ВТ6С

5,5-6,8

3,5- 5 V

900-1000

90-100

8-13

0,05-0,1 С

ВТ9

5,8-7,0

2,8 – З.8 Мо

1050-1180

105-118

0,04-0,05 N

0,25-0,35Si

0,8-2.0 Zr

9-15

0,15-0,2O

0,008-0,015Н

ПТ-ЗВ

3,5-5,0

1,2-2,5V

334

Все сплавы, приведенные в таблице, являются сплавами смешанной

структуры α - β (кроме сплава ВТ-5).

Эти сплавы обладают почти удвоенной прочностью по сравнению с

чистым титаном. Однако эта повышенная прочность сохраняется до

температуры 430° С. Большинство этих сплавов обладают хорошей

пластичностью и поэтому легче куются, штампуются и прокатываются, чем

однофазные титановые сплавы.

Сварка этих сплавов затруднена, так как они при сварке теряют пластич-

ность, а швы приобретают хрупкость.

Наиболее технологичным, дешевым и поэтому широко распро-

страненным в этой группе является сплав ВТЗ-1 (по ГОСТ 19807- 74). Он обла-

дает термической стабильностью, не становится хрупким при длительном на-

греве (до 10 000 ч) до температуры 400° С, а при кратковременной работе - до

450° С. Сплав ВТ-9 может применяться для изготовления конструкций и дета-

лей, длительно работающих при нагреве до температуры 450° С, а кратковре-

менно-до 700 ° С.

Эти сплавы штампуются и куются, из них прокатываются и прессуются

прутки и фасонные профили. Они находят применение для изготовления ло-

паток паровых и газовых турбин, выпускных клапанов дизельных двигателей,

лопаток и дисков компрессоров, поршневых пальцев, шатунов и других деталей

машин.

Сплавы, содержащие в основном алюминий и поэтому обладающие α-

структурой (например, приведенный в табл. 22 сплав ВТ-5), хорошо сваривают-

ся, устойчивы против коррозии в атмосферной среде, загрязненной газами до

температуры 1090

С; сохраняют высокую прочность при нагреве до 650 ° С.

Однако их пластичность хуже, чем у двухфазных сплавов, имеющих α- и β-

фазу.

335

Структура титановых сплавов

дена на рис. 174. Сплавы титана со струк-

турой, имеющей одну β-фазу, промышлен-

ностью почти не применяются, хотя и обла-

дают отличной пластичностью. Причиной

служит их чувствительность к загрязнению

атмосферными газами при нагреве, неиз-

бежном в процессе производства.

§ 9. Технический магний и его сплавы

Первичный магний в ГОСТ 804-72 имеет три марки; Мг96, Мг95, Мг90,

где цифра обозначает, что этот металл содержит 99,96 или соответственно в по-

следней марке 99,90% магния. ГОСТ лимитирует в магнии содержание железа

от 0,004 до 0,04%, кремния 0,005-0,01%, алюминия от 0,006 до 0,02%), кроме

того, содержание меди, никеля, марганца и хлора. К марке Мг95 предъявляются

особо высокие требования по никелю (не более 0,0007%). Торцы чушек, не по-

крытых защитной смазкой, маскируют белой краской; одна полоса - для Мг96 и

две - для сплава Мг95. По соглашению сторон чушки магния покрывают за-

щитной смазкой, обертывают бумагой или упаковывают в алюминиевые бара-

баны и стальные бочки, что необходимо при длительном хранении магния из-за

его коррозии во влажной атмосфере.

Маркировка и химический состав сплавов на магниевой основе, предна-

значенные для фасонного литья и слитков, обрабатываемых давлением, опреде-

лены ГОСТ 2581-71; сплавы для изготовления листов, прутков, труб методом

горячей деформации- ГОСТ 14957-69. Конкретные марки, их основной состав

приведены в табл. 23.

336

Т а б л и ц а 23

Химический состав (%) магниевых сплавов

(по ГОСТ 2856-08 и 14957-69)

Основные добавки

Марки

сплава

алюминий

марганец

цинк

другие до-

бавки

Основное на-

значение

МЛ-2

МЛ-4

МЛ-5

МЛ-10

5,0-7,0

7,5-9,0

1,0-2,0

0,15-0,5

2,0-3,0

0,2-0,8

0,1-0,7

0,4-1,0

циркония

2,2-2,8

Получение фа-

сонных отли-

вок

МА-1

МА-2

МА-8

3,0-4,0

1,3-2,5

0,15-0,5

1,3-2

0,2-0,8

неодима

0,15-0,35

церия

Получение за-

готовок горя-

чей деформа-

цией

Наиболее широко применяются сплавы магния с алюминием (до 10%),

цинком (до 6%) и марганцем (до 2,5%). Эти добавки значительно улучшают

свойства магния. Различают литейные магниевые сплавы, маркируемые МЛ, и

сплавы, обрабатываемые давлением, маркируемые МА.

Наиболее простым является сплав МЛ-2, основным достоинством которо-

го является высокая коррозионная стойкость, но механические свойства у него

не высокие.

Сплавы МЛ-4 и МЛ-5 имеют значительно лучшие механические и техно-

логические свойства и поэтому их широко используют в промышленности, хотя

у них коррозионная стойкость ниже, чем у сплава МЛ-2. Сплав МЛ-10 жаро-

прочный, обладающий высокой герметичностью и хорошими литейными свой-

ствами; он пригоден для длительной эксплуатации при температуре 250° С.

Сплавы МА-1 и МА-8 обладают высокой пластичностью, хорошей свари-

ваемостью и коррозионной стойкостью. Наличие добавки церия в сплаве МА-8

повышает все эти свойства, измельчая зерно.

337

Сплав МА-2 обладает хорошей пластичностью, но имеет пониженную

коррозионную стойкость. Благодаря малой плотности и значительной удельной

прочности (отнесенной к весу), магниевые сплавы широко применяют в транс-

портном машиностроении, особенно в авиации и ракетостроении.

338

Г л а в а XIX

АНТИФРИКЦИОННЫЕ (ПОДШИПНИКОВЫЕ) СПЛАВЫ

Антифрикционными называют сплавы, предназначенные для повышения

срока службы трущихся поверхностей механизмов и машин. Трение происхо-

дит в подшипниках между вкладышем и трущейся деталью (оси, валы). Для

вкладышей подшипников подбирают такой материал, который предохраняет от

износа вал, минимально изнашивается, создавая условия для нормальной смаз-

ки и облегчая работу трущегося узла, т. е. уменьшая коэффициент трения.

Исходя из условий работы подшипниковый материал представляет собой

сочетание достаточно прочной, относительно пластичной и вязкой основы, в

которой имеются твердые опорные включения. При этих условиях изнашивает-

ся пластичная основа, вал в основном лежит на твер-

дых опорных включениях и, следовательно, трение

идет не по всей поверхности подшипника и смазка

удерживается в изнашивающихся местах пластичной

основы. Схематически условия, создающиеся при ра-

боте вала с вкладышем, имеющим такую структуру,

показаны на рис. 175.

Баббиты. Марки баббитов (табл. 24) обозначают буквой Б, справа от ко-

торой ставится цифра, показывающая процент олова, или буква, характери-

зующая специальный элемент, входящий в сплав. Например, марки Б83, Б16

означают, что в эти баббиты входит соответственно 83 и 16% олова; БН означа-

ет, что сплав содержит никель и т. д., т. е. обозначение носит условный харак-

тер, не показывая полностью состав сплава.

Для того чтобы на основе олова можно было получить антифрикционный

сплав, вводят элементы, которые упрочняют олово, так как оно слишком мягко

и непрочно, и образуют твердые включения. Для этой цели служат добавляе-

мые к олову сурьма и медь. Сурьма растворяется в олове с образованием твер-

339

дого раствора, который имеет большую твердость и прочность, чем чистое оло-

во, почти при той же пластичности.

Кроме того, сурьма с оловом образуют химическое соединение SbSn с

высокой твердостью. Таким образом, сурьма упрочняет основу оловянных ан-

тифрикционных сплавов и создает опорные включения высокой твердости в

виде химических соединений.

Медь с оловом образуют кристаллы химического соединения Cu

Sn.

Т а б л и ц а 2 4

Химический состав (%) баббитов(по ГОСТ 1209-73 и 1320-74)

Марка

стали

Элементы

Другие элементы

Б88

остальное

7,3 –

7,8

2,5 – 3,5

0,8-l,2Cd

0,15-0,25Ni

Б83

10 - 12

5,5 – 6,5

Б16

15 - 17

осталь-

ное

15 - 17

1,5 – 2,0

БС6

5,5 – 6,5

5,5 –

6,5

0,1 – 0,3

БН

9 - 11

13 -15

1,5 – 2,0

0,1-0,7Cd

0,1-0,5Ni

0,5-0,9As

БКА

0,95-1,15Ca

0,7-0,9Na

0,05-0.20A1

БК2

1,5 – 2,1

0,30-0,55Ca

0,20-0,40Na

0,06-0,1l Mg

Структура оловянного баббита Б83 (83% Sn) приведена на рис. 176, тем-

ный фон - твердый раствор, крупные светлые кристаллы - SbSn, мелкие светлые

кристаллы - Cu

Sn.

Так как олово - дорогой и дефицитный элемент, оловянные баббиты при-

меняют только в особо ответственных случаях (для вкладышей подшипников

сильно нагруженных машин, например турбин, дизелей и др.).

340

Для подшипников более широкого применения

(для машин средней нагруженное™, например автомо-

бильных и тракторных двигателей, прокатных станов,

металлообрабатывающих станков и др.) в баббиты в

значительных количествах вводят свинец и понижают

содержание олова до 5-17%. В таких сплавах (БН, Б16,

БС6, см. табл. 24) основой служит уже свинец.

Для упрочнения свинца и создания твердых частиц кроме олова

вводят также сурьму и медь. Вводимый в баббит никель (марка БН) улучшает

форму включений и измельчает структуру.

Для подшипников железнодорожного транспорта широкое применение

получили баббиты, состоящие почти из одного свинца, в которые вводят незна-

чительное количество щелочноземельных элементов (марки БКА и БК2). В

этих баббитах основа, т. е. свинец, упрочняется натрием, так как образуется

раствор натрия в свинце.

Твердые же включения образует кальций, дающий химическое соедине-

ние РЬ

Са.

Сплавы на медной основе. При повышенном давлении и больших скоро-

стях для изготовления вкладышей подшипников применяют свинцовую бронзу

БрСЗО с содержанием 27-33% РЬ, остальное - медь.

Свинец практически не растворяется в меди в

жидком состоянии, поэтому при затвердевании такой

механической смеси жидких фаз получается также

механическая смесь твердых фаз свинца и меди. В

таких бронзах основой является сравнительно твер-

дая медь с включениями мягкого свинца (рис. 177).

Теплопроводность бронзы БрСЗО высокая,