Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ

НА ОЛОВЯННОЙ, СВИНЦОВОЙ

Глава XX

ЦИНКОВОЙ ОСНОВАХ

(ПОДШИПНИКОВЫЕ

СПЛАВЫ)

Антифрикционные

сплавы применяют

для

заливки вкладышей подшипни-

ков.

Основные требования, предъявляемые

антифрикционным сплавам,

определяются условиями работы вкладыша подшипника.

Эти

сплавы

дол-

жны

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 смазку

на по-

верхности; иметь малый коэффициент трения

между

валом

подшипни-

ком.

Кроме

того, температура плавления этих сплавов

не

должна быть

вы-

сокой,

сплавы должны обладать хорошей теплопроводностью

устойчи-

востью против коррозии.

Для обеспечения этих свойств

структура

антифрикционных сплавов

должна быть гетерогенной, состоящей

из

мягкой

пластичной основы

включений более

твердых

частиц.

При

вращении

вал

опирается

на

твердые частицы, обеспечивающие износостойкость,

основная масса,

ис-

тирающаяся

более быстро, прирабатывается

валу

образует сеть микро-

скопических

каналов,

по

которым циркулирует смазка

уносятся

про-

дукты износа.

Наиболее широко применяются сплавы

на

оловянной

свинцовой

ос-

нове

(баббиты), сплавы

на

цинковой

алюминиевой основе (см.

стр 353),

а также медносвинцовые сплавы

(см. стр. 370).

Оловянные

свинцовые баббиты.

табл.

приведен состав

назначе-

ние

наиболее часто применяемых баббитов. Оловянные баббиты исполь-

зуют

подшипниках турбин крупных

судовых

дизелей, турбонасосов,

тур-

бокомпрессоров,

электрических

других

тяжелонагруженных машин.

Баббиты

Б88 и Б83

являются многокомпонентными сплавами,

но

основной

их

служит

система

—

(рис.

182).

Мягкая

основа сплава

ос-твердый раствор сурьмы

олове (рис.

182),

а твердые кристаллы

Р'-фаза;

эта

фаза представляет собой твердый

рас-

твор

на

основе химического соединения SnSb.

Сурьма

олово отличаются

по

плотности, поэтому сплавы этих метал-

лов способны

значительной ликвации.

Для

предупреждения этого дефек-

та

баббиты вводят медь.

Она

образует

сурьмой химическое соединение

Sn.

Это

соединение имеет более высокую температуру плавления

кристаллизуется первым, образуя разветвленные дендриты, которые пре-

пятствуют ликвации кубических кристаллов

(SnSb). Кроме того, кристал-

лы Cu

Sn образуют

баббите твердые включения, дополнительно

по-

вышающие износостойкость вкладышей.

371

Таблица

Химический состав

(%) и

назначение подшипниковых сплавов

—

баббитов

(ГОСТ

1320-74)

Марка

сплава

Б88

Б83

БН

Б16

БС6

7,3-7,8

10-12

13-15

15-17

5,5-6,5

Си

2.5-3.5

5,5-6,5

1,5-2,0

0,1-0,3

0,8-1,2

—

0,1-0,7

Остальное

9-11

15-17

5,5-6,5

Другие

элементы

0,15

-0,25

0,1-0,5

0,5-0,9

Область

применения

Тяжелонагруженные

ма-

шины, паровые

турбины.

турбонасосы

и т. д.

Машины

средней

нагру-

женности

Автомобильные

моторы

Примечание.

Во

всех

сплавах,

кроме

Б88 и Б83,

основа свинец

На

рис.

183,

приведена микроструктура баббита

Б83.

Темное поле

представляет собой пластичную массу а-твердого раствора сурьмы

меди

олове, светлые кристаллы квадратной формы являются соединением

SnSb

(P), а

кристаллы

виде звездочек

или

удлиненных

игл

— соедине-

нием

Sn.

Свинцовые

баббиты применяют

для

менее нагруженных подшипников.

Свинцовооловянные

сплавы

Б16,

БН,

БС6

имеют

структуру,

состоящую

из

твердого раствора

—

Sn, Sb и Си в

свинце (мягкая составляющая)

твердых частиц

(SnSb), Cu

(рис. 183).

Антифрикционные

механические свойства баббитов повышаются

при

введении

в их

состав никеля, кадмия

мышьяка. Никель упрочняет ос-ра-

створ. Кадмий

мышьяком (сплав

БН)

образуют соединения

AsCd,

Кото-

рые

служат

зародышами

для

формирования соединения SnSb

(Р-фазы).

Некоторое

применение нашел сплав свинца

сурьмой

небольшими

добавками меди (БС). Структура сплава состоит

из

эвтектики

(твердый

раствор

Sb в

РЬ)

+ Р

(твердый раствор

РЬ в Sb),

первичных кристаллов

соединения Cu

Sb, 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

табл.

37.

Сплавы

БК

принадлежат

системе

РЬ

—

Са

— Na.

Однако,

учитывая,

что

весь натрий нахо-

дится

твердом растворе

(рис.

184,

б)

для

установления струк-

туры сплавов можно пользо-

ваться диаграммой состояния

9OSb"l

(Р

ис

184

>4 Мягкой

''*

составляющей баббита БК явля-

ется а-фаза (твердый раствор

Са в

РЬ),

твердой состав-

ил

ПО

20 30

B83U588

SO 60

Рис.

182.

Диаграмма состояния

Sn - Sb

372

Рис.

183. Микроструктура

бабби-

тов:

Б83;

6 -

Б16;

в -

БКА

ляющей

кристаллы РЬ

Са

(рис.

183, в,

рис.

184, о). Натрий

другие

элементы, вводимые

сплав, повышают твердость а-раствора.

Баббиты

БК

обладают

хорошими антифрикционными свойствами,

они

менее хрупки

более износостойки,

чем

баббит

БС.

Баббиты, имея небольшую прочность

(ст

= 6

-=-

кгс/мм

ИВ 20

—

30),

могут

применяться только

подшипниках, имеющих прочный стальной

(чугунный)

или

бронзовый корпус. Тонкостенные подшипниковые вклады-

ши

автомобильных двигателей изготовляют штамповкой

из

биметалличе-

ской

ленты, полученной

на

линии непрерывной заливки. Подшипники

большого диаметра заливают индивидуально стационарным

или

центро-

бежным способом,

также литьем

под

давлением.

Повышенные

антифрикционные свойства

высокое сопротивление

усталостным разрушениям обеспечивают новые триметаллические

под-

Таб.шца

Химический состав

(%)

кальциевых баббитов (ГОСТ

1209-73)

Марка сплава

БКА

БК2

БК2Ш

Са

0,95-1,15

0,3-0,55

0,65-0,9

0.7-0,9

0.4

0.7-0,9

1,5-2.1

1,5-2,1

0.06-0.11

0,11-0.16

0.5-0.2

373

0,02 0,06 0,10

-~ca,%

Ж+РЬСа

670

/ш°с

328°С

Pb,ca*FbDa

2 * 6 8 10 12

№

160

-I

jay

0,4 Z 4 6

Рис. 184.

Диаграммы

состояния:

Pb-Ca;

и - Pb - Na

шипники.

Наиболее распространенные отечественные композиции

трех-

слойных вкладышей состоят из стальной основы, промежуточного пори-

стого меднонйкелевого или металлокерамического слоя (см. стр. 375)

свинцового сплава, заполняющего поры промежуточного слоя и обра-

зующего

рабочий поверхностный слой толщиной не более 0,1 мм. Триме-

таллы нашли широкое применение в автопромышленности (ГАЗ-53,

ЗИЛ-130, ЗИЛ-375).

Цинковые

антифрикционные

сплавы.

Чаще применяют сплавы ЦАМ

10-5 и ЦАМ

9,5-1,5,

содержащие кроме алюминия и меди

0,03-0,06%

Mg. В литом виде сплавы применяют для монометаллических вкладышей,

втулок, ползунов и т. д.; сплав

ЦАМ-10

—5 применяется и для отливки би-

металлических изделий со стальным корпусом.

В деформированном виде сплав ЦАМ-9,5 —1,5 используют для получе-

ния

биметаллических полос со сталью и алюминиевыми сплавами мето-

дом проката и последующей штамповки вкладыша.

Вследствие высоких антифрикционных свойств и достаточной прочно-

сти (ст„ = 25 -г- 40 кгс/мм

) при

120°С

эти сплавы

могут

заменять бронзы

для

узлов

трения, температура которых не превышает

100°С.

При более

высоких

температурах

сплавы размягчаются и налипают на вал.

ПОРОШКОВЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

Глава

X (ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ)

Порошковые материалы

получают

методом порошковой металлургии.

Под

порошковой металлургией понимают изготовление металлических по-

рошков тех или

других

металлов (сплавов) и формирование из них раз-

личными методами полуфабрикатов или готовых изделий

Получение порошков производится химическими (восстановление из

окислов или солей, электролизом водных растворов азотнокислых, серно-

кислых и

других

солей металлов, разложением при нагреве карбонилов

(CO)j,

и др.) или механическими (распылением

воздухом

или аргоном,

расплава металла или сплава, измельчением в мельницах и др.) методами.

Формирование порошков в заготовки или готовые изделия осуществляется

холодном состоянии или при нагреве. Холодное формирование произво-

дится

путем

осевого прессования на механических или гидравлических

прессах или давлением жидкости на эластичную оболочку, в которую по-

мещаются порошки (гидростатический метод), применяется также взрыв-

ное формирование в

результате

давления газов, образующихся при взрыве.

Сформированное из порошка в холодном состоянии изделие подвергают

спеканию при температуре 0,75 от температуры плавления в течение

0,5

—

6 ч в защитной атмосфере или в вакууме. Горячее прессование приме-

няют для изготовления изделия из плохо спекающихся материалов, напри-

мер изделий из тугоплавких соединений. Горячее прессование проводится

штампах под молотом (динамическое прессование) или газостатическим

методом в специальных контейнерах за

счет

давления

(1500-4000

ат) горя-

чих газов. Температура нагрева составляет 0,75 от температуры плавления

порошка.

Номенклатура продукции порошковой металлургии велика. Порош-

ковые материалы широко применяются для изготовления антифрик-

ционных

пористых втулок и подшипников скольжения (табл. 38). Пористые

подшипники

изготовляются из порошков железа, меди и алюминия.

Поми-

мо указанных компонентов для снижения. коэффициента трения в состав

подшипников

вводят графит или сульфиды. Поры, количество которых со-

ставляет 10

—

25%, заполнены маслом. Порошковые пористые подшипники

имеют высокую износостойкость,

низкий

коэффициент трения (табл. 38),

хорошо прирабатываются и

могут

эксплуатироваться без принудительной

смазки.

В автомобильной и некоторых

других

отраслях промышленности при-

меняются вкладыши подшипников, изготовляемые из многослойных лент.

Изделия, полученные порошковой металлургией, нашли применение в автостроения,

тракторостроении, электромашиностроении, радиотехнической промышленности, судостроении

т.д.

375

Таблица 38

Химический

состав и механические свойства некоторых антифрикционных и

фрикционных порошковых материалов

Марка

материала

Содержание

элементов,

Гра-

фит

Си

Другие

элементы

Механические

свойства

КГС/ММЗ

НВ

Антифрикционные

материалы

на

железной основе*

ЖГр-1

ЖГр-3

ЖГр-7

ЖГр-2Д2,5

ЖГр-2Д10

БрОГр10-2

БрОГр8-4

Свинцовая бронза

ФМК-П

МКВ-50

МК-5

95,5

88,2

1,0

3,0

7,0

2,0

1.8

—

2,5

сульфидов

Антифрикционные

материалы

на

медной основе**

10,5-ЗОРЬ

—

70-72

0-15

Фрикционные

материалы

Остальное

—

барита:

С;

FeS,

SiCT

азбеста;

барита

РЬ

10-18

20-35

20-30

10-

25-

3,5-4,5

3-4

50-100

50-120

50-125

18-40

5-6

65-110

80-120

25-40

* Коэффициент трения

но

стали

всухую

и со

смазкой 0,07 — 0,09.

Жслезографнт

используют

при

рабочем

давлении

не

более

100-150

кгс/см

температуре

80-100

С.

Структура

железо1

рафита —

перлит.

** Коэффициент трения бронзографнта

по

стали

всухую

0,04-0,07 и со

смазкой

0,05-0,007.

Изделия

ленточного типа представляют собой стальную подложку

нане-

сенными

на нее

двумя порошковыми слоями (промежуточным

рабочим)

соответствующего состава.

Спеченные

материалы

на

основе железа

меди используются

и для

фрикционных

изделий (дисков, сегментов)

тормозных узлах (см. табл.

38).

Фрикционные

изделия должны иметь высокий коэффициент трения, доста-

точную механическую прочность

хорошее сопротивление износу.

Для по-

вышения

коэффициента трения

состав фрикционных материалов вводят

карбиды кремния, бора, тугоплавкие окислы

и т. д.

Компонентами твердой

смазки

служат графит, свинец, сульфиды

и др.

Коэффициент

трения

по

чугуну

(сухое трение)

для

материала

на

желез-

ной

основе составляет

0,18-0,40,

а на

медной основе 0,17 — 0,25. Фрик-

ционные

материалы, особенно

на

железной основе, хрупки, поэтому

они

прикрепляются

стальному каркасу.

Фрикционные,

материалы применяют

самолетах, экскаваторах, гидротрансмиссиях танков, автомашин

и др.

Спеченные

изделия фрикционного назначения значительно превосходят

376

по

своим служебным свойствам все

другие

материалы, используемые

тормозных

устройствах.

Широко

применяют порошковые материалы для фильтрующих изде-

лий.

Фильтры в виде втулок,

труб,

пластин из порошков Ni, Ti. Fe. A1, кор-

розионно-стойкой

стали, бронзы и др. с пористостью 20

—

35% (величина

пор

2—20

мкм) используют для очистки жидкостей и газов от

твердых

примесей.

Предпочтение

следует

отдавать фильтрам, сделанным из порошков со

сферической формой частиц. В этом

случае

фильтры

обладают

более высо-

кой

проницаемостью и стабильностью. Современные фильтры позволяют

отделять частицы величиной до 2

—

5 мкм.

В электротехнике и радиотехнике применяют металлокерамические

магниты, в состав которых

входят

Fe, Ni, Al, Co, Si и др. Свойства порош-

ковых магнитов нередко выше литых магнитов.

Большое применение в машинах для контактной сварки, приборах свя-

зи

и т. д. получили контакты из порошковых материалов. Для этой целя

применяют псевдосплавы тугоплавких металлов (W и Мо) с Си (МВ20,

МВ40, МВ60,

МВ80)

ИЛИ

Ag (СМ30, СМ60, СМ80, СВ30, СВ50,

СВ85

и др.),

пли

Ag с окисью кадмия (ОК8, ОК12, ОК15) и др.

. Контакты отличаются

высокой прочностью, электропроводностью и электроэрозионной стой-

костью. Токосъемники (щетки) изготовляют из порошков меди (или сере-

бра) с графитом (углем).

Все большее применение порошковая металлургия

получает

для изго-

товления специальных сплавов: жаропрочных на никелевой основе, диспер-

сионно-упрочненных материалов на основе Ni, Al (см. стр. 353), Ti и Сг, раз-

личных материалов на основе карбидов W, Мо и Zr. Большое значение

приобрел «тяжелый

сплав»

вольфрама с добавками Ni, Си и некоторых

других

компонентов. Сплав применяют для изготовления балансиров, кон-

тейнеров, для хранения изотопов и т. д.

Широкое

применение получили спеченные инструментальные мате-

риалы (см. стр. 320).

Порошковая

металлургия позволяет изготовлять и различные детали

машин

и приборов из порошков углеродистой и легированной стали,

бронз,

латуней, сплавов алюминия и титана. Свойства таких изделий не

уступают

свойствам изделий, полученных обычными методами.

Порошковая

металлургия позволяет повысить коэффициент использо-

вания

металлов до 0,7

—

0,9, производительность

труда

и снизить себестои-

мость детали по сравнению с обычной технологией, несмотря на более вы-

сокую стоимость металлических порошков. Экономическая эффективность

достигается за

счет

резкого сокращения или полного исключения механи-

ческой обработки и обеспечения

лучших

эксплуатационных показателей.

Вследствие высокой стоимости пресс-форм изготовление деталей машин

методами порошковой металлургии эффективно только в массовом про-

изводстве.

Продукция порошковой металлургии пока составляет незначительную

долю

(не более 0,2%) от всего выпуска металлической продукции.

—

серебро, В — вольфрам, М — медь, и ОК — окись кадмия. Цифра указывает содержа-

ние

W, Мо или CdOl

377

ЧАСТЬ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ

// МАТЕРИАЛЫ

ОБЩИЕ

СВЕДЕНИЯ

лава

лхп о

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛАХ

Понятие

неметаллические материалы включает большой ассортимент ма-

териалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, ре-

зиновые материалы, клеи,, лакокрасочные покрытия, древесина, а также си-

ликатные стекла, керамика и др.

Неметаллические материалы являются не только заменителями метал-

лов, но и применяются как самостоятельные, иногда

даже

незаменимые

материалы. Отдельные материалы

обладают

высокой механической про-

чностью, Легкостью, термической и химической стойкостью, высокими

электроизоляционными

характеристиками, оптической прозрачностью

т. п. Особо

следует

отметить технологичность неметаллических материа-

лов.

Применение

неметаллических материалов обеспечивает значительную

экономическую эффективность.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным об-

разом синтетические. Создателем структурной теории химического строе-

ния

органических соединений является великий русский химик А. М. Бут-

леров. Промышленное производство первых синтетических пластмасс

(фено-

пластов) явилось результатом глубоких исследований, проведенных Г. С. Пет-

ровым

(1907—•

1914 гг.). Блестящие исследования позволили С. В. Лебе-

деву

впервые в мире осуществить промышленный синтез каучука (1932 г.).

Н.

Н. Семеновым разработана теория цепных реакций

(1930—1940

гг.)

распространена на механизм цепной полимеризации.

Успешное развитие химии и

физики

полимеров связано с именами

видных

ученых:

П. П.. Кобеко, В. А. Каргина, А. П. Александрова,

С. С. Медведева, С. Н. Ушакова, В. В. Коршака и др. Важный вклад внесен

К.

А. Андриановым в развитие химии кремнийорганических полимеров,

широко

применяемых в качестве термостойких материалов.

ПОНЯТИЕ

О НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ И КЛАССИФИКАЦИЯ

ПОЛИМЕРОВ

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из

многочисленных, элементарных звеньев (мономеров) одинаковой струк-

туры. Молекулярная масса их составляет от

5000

до

1000000.

При таких

378

больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не толь-

ко

химическими составами этих молекул, но и их взаимным расположе-

нием

и строением.

Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из

отдельных звеньев. Поперечное сечение цепи несколько ангстрем, а длина

несколько тысяч ангстрем, поэтому макромолекулам полимера свойствен-

на

гибкость (которая ограничена размером сегментов - жестких участков,

состоящих из нескольких звеньев). Гибкость макромолекул является одной

из

отличительных особенностей полимеров.

Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической (кова-

лентной) связью. Энергия химических связей (в ккал/моль) составляет

вдоль цепи 80 для С — С, 79 для С — О, 66 для С — N. Силы межмолеку-

лярного взаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значи-

тельно (в 10

—

50 раз) меньше. Например, прочность межмолекулярных свя-

зей электростатического характера не превышает 9 ккал/моль. Однако

реальных полимерах такие суммарные силы имеют значение вследствие

большой протяженности цепевидных макромолекул. Наиболее сильные

межмолекулярные взаимодействия осуществляются посредством водо-

родных связей (только в 4—10 раз слабее ковалентных). Таким образом,

молекулы полимеров характеризуются прочными связями в самих макро-

молекулах и относительно слабыми

между

ними.

В некоторых полимерах

между

звеньями, входящими в состав соседних макромолекул,

действуют

силы химической связи. Такие вещества характеризуются высокими свой^

ствами во

всех

направлениях.

Макромолекулы полимеров, имея одинаковый химический состав, обы-

чно отличаются по размерам. Это явление, вызывающее рассеяние

физико-

механических характеристик материала, называется полидисперсностью.

Макромолекулы

могут

быть построены из одинаковых по химическому

строению мономеров или разнородных звеньев. В первом

случае

соедине-

ния

называются гомополимерами (или полимерами), во втором — сополи-

мерами. Иногда макромолекула вещества состоит из чередующихся

крупных химически однородных отрезков (блоков) разного состава (блок-

сополимеры).

Можно в процессе синтеза к главной молекулярной цепи, состоящей из

одних мономеров,

«привить»

отрезки из

других

мономеров,

тогда

полу-

чают

так называемые привитые сополимеры.

Когда основная цепь построена из одинаковых атомов, полимер назы-

вают

гомоцепным, из разных — гетероцепным. Большое значение имеет

сгереорегулярность полимера, когда все звенья и заместители располо-

жены в пространстве в определенном порядке. Это придает материалу по-

вышенные физико-механические свойства (по сравнению с нерегулярными

полимерами).

Полимеры встречаются в природе — натуральный каучук, целлюлоза,

слюда,

асбест, природный графит. Однако ведущей группой являются син-

тетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низ-

комолекулярных соединений. Возможности создания новых полимеров

изменения свойств уже

существующих

очень велики. Синтезом можно

получать полимеры с разнообразными свойствами и

даже

создавать мате-

риалы с заранее заданными характеристиками.

379

Классификация

полимеров. Для

удобства

изучения связи состава, струк-

туры

со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным

признакам

(составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярно-

сти, отношению к нагреву). По составу все полимеры подразделяют на ор-

ганические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры составляют наиболее обширную

группу

соеди-

нений.

Если основная молекулярная цепь таких соединений образована

только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полиме-

рами.

Углеродные атомы соединены с атомами водорода или органиче-

скими

радикалами:

I I I I

1_, \^ 1_, \^, *

•

В гетероцепных полимерах атомы

других

элементов, присутствующие

основной цепи, кроме

углерода,

существенно изменяют свойства полиме-

ра. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению

гибкости цепи, что приводит к увеличению эластичности полимеров (на-

пример,

для волокон, пленок), атомы фосфора и

хлора

повышают огне-

стойкость, атомы серы придают газонепроницаемость (для герметиков, ре-

зин),

атомы фтора,

даже

в виде радикалов, сообщают полимеру высокую

химическую стойкость и т. д.

Некоторые карбоцегшые и гетероцепные полимеры

могут

иметь сопря-

женную систему связей, например:

... сн

сн-сн

сн ...

или

Энергия сопряженной связи

100—110

ккал/моль выше одинарной, по-

этому такие полимеры более устойчивы при нагреве.

Органическими полимерами являются смолы и каучуки. Элементоорга-

нические соединения содержат в составе, основной цепи неорганические

атомы кремния, титана, алюминия и

других

элементов, которые сочетают-

ся

с органическими радикалами (метальный, фенильный, этильный). Орга-

нические радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неор-

ганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. В природе

таких соединений не встречается. Представителями этой группы являются

кремнийорганические соединения, разработанные советским ученым К. А.

Андриановым. Строение этих соединений в основном имеет вид

R R

' Si — О — Si— ••

R' R'

380