Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА ОЛОВО, СВИНЕЦ И ИХ СПЛАВЫ

§ 1 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ОЛОВА И СВИНЦА

Олово и свинец среди других технических метал

лов выделяются относительно низкой температурой плавления,

малой твердостью и высокой коррозионной стойкостью.

Эти свойства и предопределили основные области применения

данных металлов. Свинец в чистом виде используют в химиче

ском аппаратостроении, для кабельных оболочек, защиты от

рентгеновских и улучей и в других областях. Свинец и олово

широко применяют для производства антифрикционных сплавов,

и в качестве присадок к латуням, бронзам и другим сплавам.

В промышленности получают олово и свинец различной чи

стоты (табл 57, 58

Ниже приведены физические свойства этих металлов.

Олово Свинец

Атомный вес 118 69 207,19

Кристаллическая решетка Тетрагон. Г.ц.к.

Периоды решетки, А а = Ъ 8194 а = 4,9389

с = 3 ,1753

Плотность, г/см3 7,3 11 34

Температура плавления, °С 232 327,4

Температура кипения, °С 2270 1734

Скрытая теплота плавления, кал/г 14,5 6 89

Скрытая теплота испарения, кал/г 573 204 6

Удельная теплоемкость при 20° С

кал/г-град 0 0542 0 031

Теплопроводность,

кал/см сек-град 0 1528 (0°С) 0 0827 (20°С)

Коэффициент линейного расшире

ния а 106 1 /град 20 (20 165СС) 29,1 (20°С)

Удельное электрическое сопротив

ление при 20° С, мком-см 11 5 22

Поперечное сечение захвата тепло

вых нейтронов, барн/атом . 0 625 0,17

Для олова в зависимости от температуры характерны две

кристаллические структуры (модификации) Непосредственно

при затвердевании образуются кристаллы олова с тетрагональ-

231

Таблица 57

Химический состав промышленных марок олова (ГОСТ 860—41)

то

Содержание примесей, %, не более

то

Содержани

олова, %,

не менее

As Fe Си

РЬ

Sb s

всего

примесей

Применение

99 90 0 015

0 009 0,01

0 04 0 01 0 015

0,01 0 10

Для лужения консерв

ной жести, припоя Г10С90

02 99 56 0 020 0 02

0 03

0,25 0 05 0 05

0 02

0 44

Для изготовления баб

бита Б83, припоя ПОС61,

фольги и др.

03 98 35

0 10 0 05 0 10 1 0 0,06 0 30

0 04

1,65

Для изготовления сталь

ных баббитов, припоев и

малооловянистых сплавов

96 25

0,Ю

0,05 0,15

3,0 0 10 0,30 0,05

3,75

Для изготовления сталь

ных баббитов, припоев и

малооловянистых сплавов

ной решеткой с периодами а = 5,82 А, с = 3,17 А. Эта модифи

кация олова называется p-Sn. Олово в форме {5-модификации

устойчиво до температуры 18° С, а затем переходит в новую

модификацию a-Sn с решеткой типа алмаза с периодом а =

= 6,46 А.

Переход из одной модификации в другую сопровождается

резкими объемными изменениями, что приводит к разрушению

олова и превращению его в черный порошок. Необходимо заме

тить, что при температуре 18° С и несколько более низкой ско

рость этого превращения весьма незначительна и ее можно

практически не учитывать. Однако при минусовых температурах

(особенно минус 30—40° С) процесс полиморфного превращения

протекает весьма интенсивно. На изделиях вначале появляются

темные наросты, а затем наступает полное их разрушение. Такое

явление в практике часто называют «оловянной чумой». Олово,

«заболевшее» оловянной чумой, можно восстановить только

путем переплавки.

Некоторые примеси (свинец, сурьма и др.) в небольших ко

личествах резко снижают скорость превращения олова из одной

модификации в другую, а при определенных концентрациях

0,5% и выше) практически полностью предохраняют от «оло

вянной чумы»

Обычное белое олово (p-Sn) кристаллизуется из расплава в

форме крупных столбчатых кристаллов.

Самопроизвольный отжиг чистого олова протекает уже доста

точно полно при комнатной температуре.

Очень чистый свинец при кристаллизации дает тоже крупное

зерно.

232

233

Таблица 58

Химический состав промышленных марок свинца (ГОСТ 3778—56)

СО

о .

Содержание примесей, %, не менее

о.

та

Содержани

свинца, %

не менее

Ае

Си

As Sb

Fe Bi Mg

ьо

+ 2

6 +

Ca + Na

всего

примесей

Применение

СО

99 992 0,0003

0,0005 0,0005

0 0005 0 0005

0,001

0 004

0,001

0 002 0 008

Для особо ответственных

деталей в аккумуляторной

промышленности

С1

99 985

0,001

0 001

0 001 0 001

0,001 0 006 0 003

0,015

Для аккумуляторного су

рика, производства глета и

сеток общего назначения,

для специальных рубашек

С2

99 95

0 0015 0,001

0 002

0 005

0 002 0 002

0,003

0 03

0 005

0 01

0 05

Для футеровки кислото

упорных установок и труб

СЗ 99 9

0,0015

0 002

0,005

0 005

0,005 0,005

0 06

0,01

0 03 0,01 Для кабельных оболочек

СЗСУ

Ост.

0,0015

0 002

0,С05

0,005

0 ,4 - 0 8 0,008 0 005

0 005 0 01

0 03

» » »

С4 99,6

0,002

0 002

0,01

0 01

0,01

0,25 0,05 4

Для горячего свинцевания,

закалочных ванн, зачеканки

водопроводных и канализа

ционных труб

Свинец не получает наклепа при холодной деформации, так

как температура его рекристаллизации ниже комнатной.

Технические олово и свинец содержат всегда некоторые при

меси. Все примеси в олове, кроме сурьмы, практически нерас

творимы при комнатной температуре. Основной примесью в

олове является свинец, который в некоторых марках, предназна

ченных для изготовления сплавов, допускается в значительных

количествах (до 1—2%).

Как уже отмечалось, чистое олово обладает хорошей химиче

ской стойкостью. Оно не окисляется на влажном воздухе, устой

чиво в органических кислотах и кипящей воде. Это с давних пор

позволяет применять олово для лужения посуды, жести и других

антикоррозионных покрытий.

Примеси значительно снижают коррозионную стойкость оло

ва. При наличии в олове свинца или мышьяка оно становится не

пригодным для пищевой посуды и аппаратуры.

Сильные кислоты и щелочи растворяют олово. В этом отно

шении свинец является более стойким материалом. Особенно

большой стойкостью свинец обладает в серной кислоте вслед

ствие образования на его поверхности защитной окисной плен

ки. Свинец устойчив в горячей серной кислоте до концентрации

80%, в холодной до концентрации 92% В соляной кислоте

свинец устойчив до концентрации 10% Наиболее сильно на

свинец действует азотная кислота.

В сухом воздухе свинец не окисляется, во влажном покры

вается тусклой окисной пленкой, обладающей хорошими защит

ными свойствами.

§ 2. СПЛАВЫ ОЛОВА И СВИНЦА

В промышленности применяют пять групп сплавов на основе

олова и свинца

1. Подшипниковые сплавы.

2. Легкоплавкие сплавы.

3. Припои.

4. Типографские сплавы.

5. Сплавы для кабельных оболочек.

Ниже рассмотрены структуры, свойства и применение этих

сплавов.

1. Подшипниковые сплавы

По условиям работы подшипниковый сплав должен иметь

гетерогенную структуру и состоять из мягкой основы и твердых

включений.

Мягкая основа сплава обеспечивает хорошую прирабатывае-

мость подшипника к валу; твердые включения служат опорными

точками для трущихся частей вала. Небольшая поверхность со

234

прикосновения вала и вкладыша уменьшает трение, а имею

щиеся промежутки между валом и мягкой основой обеспечивают

хорошую подачу смазки и ее равномерное распределение

(рис. 121

Для уменьшения трения и равномерного распределения на

грузки на подшипник количество твердых частиц должно быть

небольшим и они должны равномерно распределяться по объему

металла.

Описанные выше принципы и положены в основу создания

подшипниковых материалов [107 108].

Вал

Рис. 121 Схема работы подшипника

Состав, физико-механические свойства и области применения

промышленных подшипниковых сплавов на основе олова и евин

ца приведены в табл. 59

Исходя из химического состава все подшипниковые сплавы

можно условно разделить на три группы

1 Сплавы на оловянной основе (Б89, Б83

2. Сплавы на свинцовой основе (БС, БК)

3. Сплавы на оловянносвинцовой основе (Б16, БН, БТ Б6)

Сплавы на основе олова

Подшипниковые сплавы Б89 и Б83 являются сплавами трой

ной системы Sn Sb Си.

Однако, учитывая, что медь в основном находится в связан

ном состоянии в форме соединения с оловом Cu3Sn (возможно

CU6S115) и не оказывает существенно влияния на фазовое равно

весие, структуру этих сплавов можно описать, руководствуясь

двойной диаграммой состояния Sn Sb (рис. 122)

По этой диаграмме сурьма до 3,5% растворима в олове,

образуя с ним твердый раствор. При большом количестве сурь

мы в структуре сплава появляются кристаллы р-твердого раство

ра (твердого раствора на основе химического соединения SnSb)

235

Таблица 59

Состав, физико-механические свойства и области применения подшипниковых сплавов

Г руппа

Марка

сплава

Химический состав, %

Плотность, г.'см8

Температурный

интервал кри

сталлизации, °С

Линейная усадка,

Жидкотекучесть,

см

Коэффициент

линейного

расширения

(20-100° С)

а 1 /град

Теплопроводность

при 20° С,

кал/см сек град

Оловянистые баббиты Б89

7,7Sb, ЗСи, остальное Sn

7 3 350-240

0 65 75

22 5

0,09

Б83

llSb, 6Си, остальное Sn 7 3 370—240 0 65 70

0 09

Свинцовооловянистые баб

биты

Б16

16Sn, 16Sb, 2Си, остальное Pb

9,29

410-240

0 50 51

25 0 06

БН

lOSn, 14Sb, 2Cu, INi, 1 5Cd,

0 7As, остальное Pb

9 55

400-240

0 50

63 26 0 055

БТ

Б6

lOSn, 15Sb, 0,9Cu, 0 15Fe,

остальное Pb

6Sn, 15Sb, 3Cu, 2Cd, 0,8As,

остальное Pb

9 55

9 6

410-240

416—232

0 50

0 55

55 26

0 055

0 05

Свинцовистые баббиты

БК

БК2

ICa, 0 75Na, остальное Pb

0,45Ca, 04Na, 2Sn, 0,06Mg,

остальное Pb

10 5

10 3

440-320

0 75

0 05

237

Продолжение табл. 69

Г руппа

Марка

сплава

-о

О4

«5

5;'

Коэффициент

трения со смаз

кой

Износ баббита,

мг/см2 км

Области применения

Оловянистые баббиты

Б89

Б83

0,8

0 6

0 005

0 09

0,1

Для заливки подшипников паровых

турбин, турбокомпрессоров, турбонасо

сов и др.

Свинцовооловянистые баб

биты

Б16

7,8

7 6

0,2

0 14 0 006

0,22

Для заливки опорных подшипников

паровых турбин, паровых машин, гид

ротурбин, электроприводов и др.

БН

7 7 1

0,03

0 006

0,15

Для заливки подшипников двигате

лей внутреннего сгорания, паровых тур

бин, паровых машин, гидротурбин и др.

БТ

Бб

6 7

6,8

5 4 11 7

0 2

0,5

0 15

0 007

0,007

0 18

0,23

Для заливки подшипников трактор

ных и автомобильных двигателей

Для заливки подшипников, нефтяных

двигателей, металлообрабатывающих

станков, трансмиссий, вентиляторов и др.

Свинцовистые баббиты БК

11 8

2 5

0 8

0,004

0 16

Для подшипников городского и же

лезнодорожного транспорта, горноруд

ных машин и др.

БК2

9 5 8

8 20

1 2

0 004 0 15

То же

Сплав Б89 (7—8% Sb, 2,5—3,5% Си, остальное Sn) в осно

ве содержит a -твердый раствор сурьмы и меди в олове с включе

ниями иглообразных кристаллов химического соединения Cu3Sn.

Однако вследствие неравновесной кристаллизации в нем появ

ляется некоторое количество нерастворившихся первичных кри

сталлов р SnSb -фазы. Структура сплава представлена на

рис. 120 атласа

Сплав Б83 имеет структуру, аналогичную сплаву Б89, но

отличается от него большим содержанием кристаллов p(SnSb -

фазы и химического соединения Cu3Sn рис. 121 атласа)

700

600

*4 500

| т

й; зоо

200

100

Sn 10 20 30 ЬО 50 60 70 80 90 Sb

Sb, % (по массе)

Рис. 122. Диаграмма состояния Sn Sb

В этих сплавах мягкой основой является сложнолегирован

ный a-твердый раствор, роль твердой составляющей выполняют

включения р SnSb -фазы и химического соединения CU 3S 11.

Кристаллы Cu3Sn, кроме этого, выпадая первично, образуют в

жидком сплаве своеобразную сетку, препятствующую ликвации

кристаллов p-фазы в сплаве.

Оба сплава близки по своим физико-механическим и анти

фрикционным свойствам табл. 59)

Оловянистые баббиты являются лучшими подшипниковыми

сплавами и применяются для заливки наиболее ответственных

подшипников паровых турбин, турбокомпрессоров, турбонасосов,

компрессоров, дизелей, паровых машин и других высоконагру-

женных установок.

Сплавы на основе свинца

Наиболее широкое применение в промышленности получили

сплавы свинца с сурьмой и небольшими добавками меди БС)

и свинца с кальцием и натрием (БК) Состав и физико-механи

ческие свойства сплавов приведены в табл. 59.

10 20 30 ЬО 50 60 70 80 90

238

Сплав БС является заэвтектическим сплавом системы

Pb Sb.

Согласно диаграмме состояния Pb Sb (рис. 123 , структура

сплава состоит из первичных кристаллов р Sb -твердого раство-

Sb, % (по пассе)

Рис. 123. Диаграмма состояния Pb Sb

ра и эвтектики a Pb + р Sb Кроме этого, при наличии в спла»

ве меди образуются кристаллы химического соединения Cu2Sb.

Микроструктура сплава показана на рис. 122 атласа

Рис. 124. Диаграмма состояния РЬ Са

Ж+а

РЬ

Рис. 125. Диаграмма

состояния Pb Na

Мягкой основой сплава является свинец, роль твердой со

ставляющей выполняют частицы р Sb -фазы и химического со

единения Cu2Sb.

Кроме этого, иглообразные кристаллы медьсодержащей фа

зы, образуя твердый каркас в расплаве, подобно частицам

Cu3Sn, препятствуют всплыванию кристаллов р(5Ь)-фазы.

Сплав БК принадлежит к тройной системе Pb Са Na

Характер взаимодействия свинца с кальцием и натрием в двой-

239

ных системах показан на диаграммах состояния двойных систем

РЬ Са (рис. 124) и Pb Na (рис. 125

Учитывая, что вводимые количества натрия (до 1%) полно

стью находятся в твердом растворе, структуру сплавов можно

отнести, руководствуясь двойной диаграммой состояния РЬ Са,

где положение сплава показано заштрихованной областью. Со

гласно этой диаграмме, после затвердевания структура сплава

состоит из a -твердого раствора и кристаллов химического соеди-

сплава показана на рис. 123 атласа.

В этом случае мягкой основой сплава

является свинец (точнее твердый рас

твор натрия и кальция в свинце), твер

дой составляющей кристаллы РЬзСа.

Вводимые добавки натрия и каль

ция и некоторых других элементов, об

разующих со свинцом твердые раство

ры, повышают его твердость. Влияние

отдельных добавок на повышение твер

дости свинца показано на рис. 126.

Физико-механические и антифрик

ционные свойства баббита показаны

в табл. 59.

Кальциевонатриевые баббиты обла

о о,5 1,0 1,5 2,0 2,5 дают хорошими антифрикционными

Содержание добавок,% свойствами, они менее хрупки и более

Рис. 126. Влияние различных износостойки, чем баббит БС, и поло-

добавок на твердость свинца жительно зарекомендовали себя в экс

плуатации. Они хорошо сопротивляют

ся воздействию ударных нагрузок, поэтому с успехом работают

в подшипниках подвижного состава железных дорог (вагонов,

паровозов, тепловозов), тракторов и т д.

Свинцовооловянистые сплавы

К числу этих сплавов относятся баббиты. Б16, БН, БТ и Б6.

Сплав Б16 по содержанию компонентов относится к чет

верной системе Pb Sb Sn Си. Однако, принимая во вни

мание, что медь кристаллизуется в виде соединений CueSn и

Cu2Sb в зависимости от отношения сурьмы и олова) и ранее,

чем основа сплава, то кристаллизацию и структуру сплава мож

но описать, руководствуясь тройной диаграммой состояния

Pb Sn Sb, приведенной на рис. 127 Сплав Б16 по своему

составу находится на линии Pb SnSb, поэтому процесс его

кристаллизации заканчивается образованием двойной эвтектики

а(РЬ) + p(SnSb)

Структура сплава показана на рис. 124 атласа.

В этом сплаве мягкой составляющей является свинец точ

нее твердый раствор Sn, Sb и Си в свинце), роль твердой со

нения РЬзСа. Структура

:240