Магний и его сплавы

Магний относится к числу самых легких металлов, используемых в промышленности. Его плотность 1,47 г/см³, он в 1,6 раза легче алюминия и в 4,5 раза легче железа.

Магниевые сплавы, несмотря на сложность их производства, получили широкое применение в ряде отраслей техники. Они легки, поглощают вибрацию, что и определяет их использование в авиации, ракетной технике и транспорте. Наиболее распространёнными магниевыми сплавами являются сплавы с алюминием и цинком. Эти элементы обеспечивают высокую прочность даже при температуре 150…200ºС.

Магниевые сплавы делятся на две основные группы: деформируемые (МА) и литейные (МЛ).

Наибольшее применение из литейных получили сплавы марок МЛ5 и МЛ6 (картеры двигателей, коробки передач, маслопомпы и т.д.).

Деформируемые магниевые сплавы вследствие высокой удельной прочности нашли широкое применение в авиастроении, ракетной технике, электротехнике и радиотехнике.

Задание студенту: ознакомиться с основными положениями данной работы, ГОСТами на цветные металлы и сплавы и записать их в виде письменного отчета.

Содержание отчета

• письменный отчет должен включать определение «что такое цветные металлы и сплавы», какие металлы и сплавы к ним относятся;

• записать виды алюминиевых, медных, титановых и магниевых сплавов, их маркировку, свойства и применение;

• записать общие принципы маркировки цветных сплавов.

Объём требований

1. Каковы свойства чистого алюминия и область его применения?

2. Как классифицируются алюминиевые сплавы?

3. Укажите марки, состав, свойства и область применения литейных и деформируемых алюминиевых сплавов.

4. Каковы свойства чистой меди?

5. Как классифицируются медные сплавы?

6. Что такое латуни? Укажите их виды, свойства, маркировку, применение.

7. Что такое бронзы? Какие бывают бронзы? Свойства бронз, их маркировка, применение.

8. Укажите свойства и применение титана.

9. Укажите марки, состав, свойства и область применения титановых сплавов.

10. Укажите марки, состав, свойства и область применения магниевых сплавов.

Литература

1. Конструкционные материалы. Справочник / Под общ. ред. Арзамасова Б.Н. М.: Машиностроение, 1990.

2. Онищенко В.И., Мурашкин С.У., Коваленко С.А. Технология металлов и конструкционные материалы. М.: Агропромиздат, 1991.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990.

Лабораторная работа № 8

АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Цель работы: ознакомиться с антифрикционными материалами (АФМ), их классификацией, химическим составом, структурой, свойствами, маркировкой и применением.

Оснащение рабочего места

1. Микроскопы металлографические МИМ-7.

2. Наборы микрошлифов антифрикционных сплавов (АФС).

3. Альбомы фотографий микроструктур АФС.

4. Плакаты: «Металлы в тракторном двигателе», «Микроструктура и свойства цветных металлов и сплавов», «Антифрикционные сплавы и подшипники», «Подшипниковые сплавы», «Пластмассы».

Задание студенту

1. Ознакомиться с назначением АФМ и предъявляемыми к ним требованиями.

2. Изучить классификацию и маркировку АФС.

3. Рассмотреть под микроскопом набор шлифов АФС.

4. Составить письменный отчет.

5. Ответить на контрольные вопросы.

Основные положения

Антифрикционные материалы (АФМ) – материалы, обладающие низким коэффициентом. АФМ используют для изготовления втулок и вкладышей подшипников скольжения, широко применяемых в машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям и ударным нагрузкам, бесшумности работы.

Главное назначение подшипников скольжения в любом узле трения – снижать потери мощности на трение и предохранять дорогостоящие валы и цапфы от износа. При выборе АФМ учитывают условия трения, характер и величину действующей нагрузки и возможных деформаций, способ подводки смазки, возможность загрязнения и очистки смазки.

К АФМ предъявляются следующие требования:

• минимальный коэффициент трения;

• хорошая прирабатываемость к поверхности контрдетали и способность поглощать посторонние твёрдые частицы во избежание на ней задиров;

• достаточная статическая и динамическая прочность при рабочих температурах;

• высокая теплопроводность;

• невысокий коэффициент линейного расширения;

• способность образовывать прочный граничный слой смазочного материала и быстро восстанавливать его в местах, где он разрушен;

• достаточная, но невысокая прочность, чтобы не изнашивалась сопрягаемая деталь;

• высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах;

• соответствующая температура плавления;

• технологичность (обрабатываемость резанием, давлением, способность к литью).

Материалов, отвечающих одновременно всем этим требованиям, нет.

Различают четыре группы АФМ: металлические, композиционные, неметаллические и минералы.

Металлические антифрикционные сплавы (АФС)

К этой группе относятся сплавы на основе цветных металлов и железа.

Вышеуказанным требованиям удовлетворяют сплавы с неоднородной структурой. Первыми использовались сплавы с мягкой основой и твёрдыми включениями – баббиты (названы в честь разработавшего их в 1839 г. английского инженера Баббита).

Рисунок 1 – Строение подшипника скольжения

Мягкая пластичная основа баббитов, легко прирабатываясь к валу, быстро истирается, образуя сеть микроканалов, по которым циркулирует смазка и уносятся вредные продукты износа. Вал при вращении опирается на твёрдые включения, обеспечивающие износостойкость баббитов.

В дальнейшем были разработаны сплавы, у которых основа тверже включений (например, свинцовистая бронза), и сплавы, однородные по твёрдости (на основе серебра).

Баббиты

Это мягкие (до 30 НВ) легкоплавкие (t_пл = 240 - 320ºС) сплавы на основе олова или свинца. Обозначают их буквой Б, справа от которой ставятся цифры, показывающие процент олова или букв, характеризующая специальный элемент, входящий в сплав.

Таблица 1 - Химический состав баббитов (ГОСТ 1320-74)

Сплав	Содержание элементов, %
	Sn	Sb	Cu	Pb	Cd	Др. элементы
Б88	Основа	7,3 7,8	2,5 3,5	_	0,8 0,12	0,15 - 0,12 Ni
Б83	Основа	10 12	5,5 6,5	_	_
Б16	15 17	15 17	1,5 2,0	Основа	_
БН	9 11	13 15	1,5 2,0	Основа	0,1 0,7	0,1 - 0,5 Ni 0,5 - 0,9 Al
БС6	5,5 6,5	5,5 6,5	0,1 0,3	Основа	0,1 0,7

Обозначение баббитов носит условный характер и не показывает полностью их химический состав.

Рисунок 2 - Микроструктура оловянных баббитов

Пластичная основа этих сплавов – твёрдый раствор сурьмы (Sb) и меди (Cu) в олове (Sn), а твёрдые включения – соединения SnSb и Cu₃Sn.

Оловянные баббиты (Б88, Б83) имеют наилучшие антифрикционные свойства, высокую теплопроводность и коррозионную стойкость, не склонны к хрупкому разрушению, хорошо прирабатываются к валу. Но из-за высокого содержания дорогостоящего олова их применяют только для ответственных подшипников тяжелонагруженной техники: авиационных двигателей, турбин крупных судовых дизелей, турбонасосов и др.

В свинцовых баббитах (Б16, БН, БС6) большая часть олова заменена свинцом, мягкая основа у них - это твёрдый раствор сурьмы (Sb) и олова (Sn) в свинце (Pb), а твёрдые включения представляет собой - соединения – SnSb и Cu₃Sn. Эти баббиты дешевле оловянных, но имеют более высокий коэффициент трения, менее износо- и коррозионностойки и не выдерживают высокое удельное давление. Применяются для средненагруженных подшипников в автомобильных и тракторных двигателях, подъемных машинах, металлорежущих станках, вентиляторах и т.д.

Особую группу составляют самые дешевые баббиты - свинцово-кальциевые, химических состав их некоторых марок приведен в табл. 2 (ГОСТ1209-90).

Таблица 2 – Баббиты свинцово-кальциевые.

Сплав	Содержание элементов, %
	Pb	Ca	Na	Sn	Mg	Al
БКА	Основа	0,95 - 1,15	0,7 - 0,9	-	-	0,5 - 0,2
БК2		0,3 - 0,55	0,2 - 0,4	1,5 - 2,1	0,06 - 0,11

Мягкая составляющая данных баббитов – твёрдый раствор натрия (Na) и кальция (Ca) в свинце, твёрдые включения - кристаллы Pb₃Ca. Натрий и другие элементы, вводимые в сплав, повышают твёрдость основы. Основным потребителем кальциевых баббитов является железнодорожный транспорт, т.к. температура их старения (упрочнения) равна 50…70ºС, что соответствует рабочей температуре буксовых подшипников вагонов (< 80ºС).

Все баббиты, имея небольшую прочность (60…120 МПа) и высокую стоимость, применяются только как тонкое покрытие (< 1 мм) рабочей поверхности прочного стального, чугунного или бронзового корпуса подшипника.

Высокие эксплуатационные свойства и значительную экономию цветных металлов обеспечивают отечественные триметаллические подшипники, состоящие из стальной основы, промежуточного пористого медно-никелевого или металлокерамического слоя баббита, заполняющего поры промежуточного слоя и образующего рабочий поверхностный слой толщиной < 0,1 мм. Триметаллы широко применяются в автомобилестроении.

Бронзы

Одни из лучших АФС – бронзы (сплавы на основе меди, легированные оловом, цинком, фосфором, никелем, алюминием, бериллием и др.). Химический состав некоторых марок приведен в табл. 3.

Таблица 3 - Бронзы для антифрикционных деталей

ГОСТ, марка	Состав, % (Cu - остальное)
	Sn	Pb	Zn	Al	Fe	Др. элементы
ГОСТ 17-74(олов.деф.) Бр. ОФ 6,5-0,15 Бр. ОЦС 4-4-4	6,0-7,0 3,0-5,0	3,5-4,5	3,0-5,0			(0,1 – 0,25) Р
ГОСТ 18175-78 (безолов. Деф.) Бр. АЖН 10-4-4 Бр. Б2			9,5-11	3,5-5,5	3,5-5,5 0,2-0,5	(1,8-2,1) Ве
ГОСТ 13-79 (олов. лит.) Бр. 04Ц4С17 БР. 03Ц7С5Н1	3,5-5 2,5-4	14-20 3-6	2-6 6-9,5		0,5-2
ГОСТ 13-79 (безолов. лит) Бр. А10Ж3Мц2 Бр. С30		27-33		9-11	2-4	(1-2) Mn

Подшипниковые бронзы по сравнению с баббитами имеют более высокую прочность, выносливость и теплопроводность, поэтому они работают при больших удельных давлениях, значительных ударных нагрузках, повышенных температурах. Область применения: узлы трения авиационных двигателей, тяжелонагруженных дорожных машин и станочного оборудования, скользящих соединений теплопередаточной техники, мощных турбин и электродвигателей и т.д. Например, бронза БрС30 выдерживает при высоких скоростях удельное давление до 250…300 кгс/мм², её теплопроводность в шесть раз выше, чем у баббитов; механические свойства сохраняются при нагреве до 200ºС.

Рисунок 3 - Микроструктура бронзы БрС30

Свинец и медь нерастворимы друг в друге ни в жидком, ни в твёрдом состоянии, поэтому после затвердевания сплав состоит из кристаллов нетвёрдой меди и еще более мягких включений свинца. Равномерное вкрапление свинца в меди обеспечивает высокие антифрикционные свойства сплава. Недостатки таких бронз:

- низкая прирабатываемость (вынуждает изготавливать валы с высокой степенью точности);

- неспособность поглощать инородные твёрдые частицы (требуется тщательная очистка масла);

- недостаточная коррозионная стойкость (нужно в масло вводить противоокислительные присадки);

- склонность к ликвации по удельному весу (необходимо перед заливкой сплавы хорошо перемешивать, а после заливки быстро охлаждать).

И всё-таки, бронза БрС30 является наилучшим подшипниковым сплавом для мощных дизельных двигателей. Бронзы используются для изготовления монометаллических втулок и вкладышей подшипников скольжения, и часто их наплавляют тонким слоем на стальную основу. Такие биметаллические подшипники просты в изготовлении и легко заменяются при изнашивании.

В качестве заменителей бронз для опор трения приборов, рольгангов, транспортёров используют другие сплавы на основе меди – латуни. По антифрикционным свойствам они уступают бронзам, применяются при малых скоростях скольжения (до 2 м/с) и невысоких нагрузках. Химический состав некоторых марок антифрикционных латуней приведен в табл. 4.

Таблица 4 – Химический состав антифрикционных латуней

ГОСТ, марка	Состав, % (Zn - остальное)
	Cu	Mn	Pb	Fe	Al	Sn	Др. элем.
ГОСТ 15527-70 ЛН 65-5 ЛЖМц59-1-1	64-67 57-60	0,5-0,8	-	0,6-1,2	0,1-0,4	0,3-0,7	(5-6,5) Ni
ГОСТ 17711-93 ЛЦ 14 К363 ЛЦ38А 1Ж1 ЛЦ38Мц2С2	77-81 58-61 57-60	- - 1,5-2,5	2,4-4,5 - 1,5-2,5	- 0,8-1,5 -	- 0,8-1,5 -	- 0,2-0,7 -	2,5-4,5 Si - -

Ещё в 1911 г. немецкий инженер Гирен предложил антифрикционные сплавы на основе цинка – менее дорогие и дефицитные, чем баббиты и бронзы. Химический состав цинковых АФС приведен в табл. 5.

Таблица 5 – Химический состав цинковых АФС

ГОСТ, марка	Состав, % (Zn-остальное)
	Al	Cu	Mg
ГОСТ 21437-75 ЦАМ 9-1,5 ЦАМ 10-5	9-11 9-12	1-2 4,0-5,5	0,03-0,86 0,03-0,06

Цинковые сплавы технологичны при изготовлении как монометаллических, так и биметаллических подшипников скольжения. Антифрикционные свойства у них высоки, прочность достаточна, но пластичность невысока, и при температуре в рабочей зоне выше 120ºС они размягчаются и налипают на вал. Их применяют в узлах трения металлорежущих станков, подъёмных механизмов, прессов, работающих без ударных нагрузок при температуре ниже 100ºС.

Применение алюминиевых сплавов для изготовления подшипников скольжения их преимуществами перед баббитами и бронзами: более высокой усталостной прочностью, меньшей плотностью, лучшей коррозионной стойкостью в масляных средах. Кроме того, алюминиевые сплавы имеют низкий коэффициент трения, высокие теплопроводность и износостойкость. Основными легирующими компонентами этих сплавов являются олово, медь, никель, кремний.

Таблица 6 – Химический состав некоторых марок алюминиевых антифрикционных сплавов

ГОСТ, марка	Состав, % (Al)
	Sn	Cu	Ni	Si	Mg	Fe	Sb
ГОСТ 14113-78 АН 2,5 АСМ Алькусин АО 20-1	- - - 17-23	- - 7,5-9,5 0,7-1,2	2,7-3,3 - - -	- - 1,5-2,5 -	- 0,3-0,7 - -	- - - < 0,12	- 3,5-6,5 - -

Алюминиевые сплавы широко применяются для изготовления монометаллических и биметаллических подшипников тракторных и автомобильных двигателей, транспортного и общего машиностроения. Но по технологичности они уступают баббитам: нужно учитывать их высокий коэффициент линейного расширения при выборе зазоров для сборки; высокая твёрдость сплавов требует обработки цапф и вкладыша повышенной чистоты, а шейка сопрягаемого вала должна быть твёрдой, иначе в узле возможен ускоренный износ.

Сплавы на основе железа

Стали в качестве АФС используют в очень легких условиях работы при небольшом давлении и малой скорости скольжения. Имея высокие относительно цветных сплавов твёрдость и температуру плавления, стали плохо прирабатываются, схватываются с сопряженной поверхностью цапфы и образуют задиры. Обычно используют или медистые стали с малым содержанием углерода или графитизированные стали с включениями свободного графита.

Таблица 7 – Химический состав некоторых марок антифрикционных сталей

Сталь	Состав, % (остальное железо)
	Cu	Al	C	Si	Mn	S	P
Медистая Графитизированная	32 -	2,5 -	0,1 1,5-1,7	- 0,7-1,0	- 0,15-0,4	- 0,025	- 0,03

Чугуны для изготовления подшипников скольжения используют чаще, чем стали. Они могут работать при значительном давлении, но малой скорости скольжения (до 5 м/с). Недостатки чугунов: плохая прирабатываемость, не выдерживают ударной нагрузки и обычно требуют постоянной смазки.

По ГОСТ 1585-85 эти чугуны маркируют тремя буквами и цифрой:

АЧС-1, АЧС-2, АЧС-6; АЧВ-1, АЧВ-2; АЧК-1, АЧК-2.

Значение буквы: «А» - антифрикционный, «Ч» - чугун, «С» - серый, «В» - тип чугуна - высокопрочный, «К» - ковкий.

Цифра показывает порядковый номер марки чугуна в ГОСТе.

ГОСТ 1558-85 регламентирует химический состав и микроструктуру чугуна. Все антифрикционные чугуны содержат повышенное количество графита, который сам является смазкой и одновременно впитывает смазочные масла, чем дополнительно снижает коэффициент трения. Чугунные вкладыши применяют для неответственных подшипников в тихоходных двигателях с.–х. машин, несложной бытовой техники (ручные мясорубки, миксеры и т.д.).