Металловедение
.pdf331
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% MgCl2; 3240% KCl; 3-5% CaF2; 5-8% ВаС12, 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% MgCl2; 25-36% КС1; 15-20% CaF2; 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/мм2 |
|
|
|
|
% |
|
|
|
|
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 N2 |
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
0,25-0,35Si |
- |
|
9-15 |
0,15-0,2O2 |
|
|
0,8-2.0 Zr |
|
|
|
0,008-0,015Н2 |
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 1980774). 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 1090o 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 деформацииГОСТ 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 |
алюминий |
марганец |
цинк |
другие до- |
Основное |
на- |
сплава |
|
|
|
бавки |
значение |
|
МЛ-2 |
- |
1,0-2,0 |
- |
- |
|
|
МЛ-4 |
5,0-7,0 |
0,15-0,5 |
2,0-3,0 |
- |
Получение фа- |
|
МЛ-5 |
7,5-9,0 |
0,15-0,5 |
0,2-0,8 |
- |
сонных |
отли- |
МЛ-10 |
- |
- |
0,1-0,7 |
0,4-1,0 |
вок |
|
|
|
|
|
циркония |
|
|
|
|
|
|
2,2-2,8 |
|
|
|
|
|
|
неодима |
|
|
МА-1 |
- |
1,3-2,5 |
- |
- |
Получение за- |
|
МА-2 |
3,0-4,0 |
0,15-0,5 |
0,2-0,8 |
- |
готовок |
горя- |
МА-8 |
- |
1,3-2 |
|
0,15-0,35 |
чей деформа- |
|
|
|
|
|
церия |
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 Cu3Sn.
Т а б л и ц а 2 4
Химический состав (%) баббитов(по ГОСТ 1209-73 и 1320-74)
Марка |
Элементы |
|
|
|
|
Другие элементы |
стали |
|
|
|
|
|
|
|
Sn |
Pb |
Sb |
|
Cu |
|
Б88 |
остальное |
- |
7,3 |
– |
2,5 – 3,5 |
0,8-l,2Cd |
|
|
|
7,8 |
|
|
0,15-0,25Ni |
Б83 |
* |
|
10 - 12 |
5,5 – 6,5 |
|
|
|
|
- |
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
Б16 |
15 - 17 |
осталь- |
15 - 17 |
1,5 – 2,0 |
- |
|
|
|
ное |
|
|
|
|
БС6 |
5,5 – 6,5 |
* |
5,5 |
– |
0,1 – 0,3 |
- |
|
|
|
6,5 |
|
|
|
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 - Cu3Sn.
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 РЬ3Са.
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,