Химико-термическая обработка 4 страница

В случае необходимости применения материалов с низкой термоэлектродвижущей силой в паре с медью, в качестве материалов для элементов электроприборов применяют сплавы никелин (32% Ni, 1% Mn и 67% Cu) или манганин (4% Ni, 12% Mn, 84% Cu). Однако эти сплавы обладают меньшей стабильностью удельного электросопротивления при изменении температуры. Как никелин, так и манганин являются однофазными сплавами.

Наиболее распространенными сплавами, обладающими высоким электросопротивлением для работы при высоких температурах (до 1100 ºС) являются нихромы; по составу они могут быть двух типов: 80% Ni, 20% Cr и 60% Ni, 15% Cr, 25% Fe. Наиболее стойким при высоких температурах является первый тип нихромов. Эти сплавы однофазны, однако в них идет фазовое превращение, обусловленное упорядочением с образованием фазы состава, соответствующей формуле Ni₂Cr (33,3% ат. Cr). При длительном отжиге при температуре 450 - 480 ºС происходит упорядочение с образованием ромбической решетки, близкой по параметрам к кубической исходной решетке. При нагреве выше 600 ºС нарушается упорядочение решетки. При упорядочении сплава Ni₂Cr его электросопротивление уменьшается, модуль упругости возрастает, растет плотность, увеличивается твердость. Все это говорит об усилении межатомной связи при упорядочении.

Если в сплаве менее 33% ат. Cr, то в процессе упорядочения удельное электросопротивление не уменьшается, а растет. При этом все остальные свойства изменяются обычным порядком. Как установлено это изменение свойств также объясняется упорядочением, однако характер упорядоченного состояния оказывается несколько другой, чем в сплаве с содержанием 33,3% Cr. Поэтому упорядоченное состояние в сплавах, отличающихся от 33,3% Cr называют особым термином, а именно К-состоянием.

Это состояние до последнего времени сравнительно мало исследовано и нуждается в дополнительном изучении.

Если в сплав типа нихром ввести 0,7-2% Al и 1,5-3% Ti, то получается сплав, называемый нимоником. Он оказывается термически упрочняемым в связи с тем, что Al и Ti совместно с Ni образуют упрочняющую фазу Ni₃(Ti, Al), так называемую a' фазу, растворимость которой в твердом растворе на основе никеля увеличивается с повышением температуры. Следовательно, сплав становится дисперсионно-твердеющим при старении после закалки.

Режим термической обработки нимоника Х20Н80Т3 заключается в закалке с температуры 1080 ºС на воздухе и старении при температуре 700 ºС в течение 16 часов.

В этом случае зафиксированный при закалке пересыщенный твердый раствор распадается при старении с выделением упрочняющей a’ фазы по механизму, аналогичному процессу старения алюминиевых сплавов. a’-фаза, имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба, т.е. такую же, как и твердый раствор, когерентно с ним связана и очень медленно коагулирует, что позволяет использовать эти сплавы в качестве материалов, от которых требуется очень высокая жаропрочность.

Никелевые сплавы с большим содержанием кобальта называемые виталиум, например, сплавы с содержанием 20-25% Cr, до 20% Ni, до 50-60% Co, до 5% Mo, W, Nb могут работать при температурах до 1100-1200 ºС.

Сплавы системы Ni-Fe с содержанием железа от 15 до 50% (пермаллои) обладают высокой магнитной проницаемостью. Высокая магнитная проницаемость в этих сплавах достигается при осуществлении специальной термической обработки, приводящей к образованию упорядоченного К-состояния, аналогичного получаемому в нихромах.

Широкое применение находят никелевые сплавы: инвар и элинвар. Инвар (состав 36% Ni и 64% Fe) обладает малым коэффициентом линейного расширения – в 10 раз меньше, чем у железа или никеля. Элинвар (состав: 0,7-0,8% C, 2-3% Mn, 33-35% Ni, 7-9% Cr, 2-4% W, ост.Fe) обладает слабой температурной зависимостью модуля упругости. Инвар используется в радиовакуумной аппаратуре для арматуры, впаиваемой в стекло, поскольку коэффициент линейного расширения стекла и инвара оказывается – одинаковым, что уменьшает внутренние напряжения в месте пайки, увеличивает срок службы ламп. Элинвар применяется, в основном, для пружин, которые должны обладать постоянством рабочим усилием при изменении температуры.

 

Цинк и его сплавы

 

Цинк – синевато-белый металл. Температура плавления цинка 419,5 ºС, удельный вес 7,13 г/см³.

Цинк имеет гексагональную решетку от комнатной температуры до температуры плавления. Аллотропических превращений цинк не испытывает. Чистый цинк при комнатной температуре очень хрупок, при температуре 100-150 ºС пластичен, хорошо поддается прокатке и прессованию. Чистый цинк при обычных условиях на сухом воздухе устойчив против коррозии. Во влажной атмосфере или в воде покрывается плотной пленкой углекислой соли, предохраняющей от дальнейшего окисления. При высоких температурах оказывается весьма активным.

Основное количество цинка (до 50% производимого в промышленности) используется для защиты железа и стали от атмосферной коррозии. Цинк и его сплавы широко применяется в полиграфической промышленности для изготовления шрифтов и клише, используются в качестве сплавов для литья под давлением, а также, в некоторых случаях, как проводниковые материалы вместо меди. Его электропроводность составляет 30% от электропроводности меди.

В качестве примесей в цинке могут быть свинец, олово и железо. Примеси свинца очень сильно влияют на коррозионную стойкость цинка, поскольку электрохимический потенциал свинца значительно отличается от потенциала цинка. Благодаря контактным явлениям на границе между Pb и Zn возникает гальваническая пара, которая активно работает во влажной атмосфере и, особенно, в разбавленных кислотных растворах по механизму электрохимического растворения цинка.

Олово даже при содержании сотых долей процента образует с цинком легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 198 ºС. Еще более легкоплавкая эвтектика образуется при одновременном наличии олова и свинца. Температура плавления тройной эвтектики 150 ºС. Поэтому наличие в цинке и его сплавах примесей олова и свинца резко затрудняет обработку давлением, поскольку уже при 150 ºС под действием даже небольших напряжений происходит межзеренное нарушение.

Примеси железа приводят к образованию хрупких интерметаллидов FeZn₇ и Fe₃Zn₁₀, охрупчивающих сплавы, в связи с чем содержание железа в цинковых сплавах ограничивается 0,1 %.

Одними из основных сплавов цинка являются уже рассмотренные нами латуни, в которых содержится до 40 % Zn.

Сплавами на основе Zn в основном являются сплавы, содержащие в качестве легирующих элементов алюминий и медь. В связи с высокой жидкотекучестью и легкоплавкостью, цинковые сплавы широко применяют для литья под давлением. Литейные цинковые сплавы содержат до 4,5 % Al и до 5 % Cu. Структура литейных сплавов представляет собой смесь избыточных дендритных кристаллов b фазы и сильно травящегося эвтектоида (a₁ + b)_э. При ускоренном охлаждении эвтектоидный распад можно подавить, зафиксировав при комнатной температуре переохлажденную a₂ фазу. В процессе хранения может протекать распад a₂ фазы, т.е. процесс старения, сопровождающийся упрочнением. Однако это приводит к короблению деталей. В связи с этим для увеличения устойчивости a₂-фазы в сплав вводят до 0,1% Mg. Литейные цинковые сплавы в литом состоянии имеют сравнительно высокие механические свойства s_в = 36 кг/мм², d = 2,5 %. Для защиты от коррозии их никелируют или создают иное антикоррозионное или декоративное покрытие.

Деформируемые цинковые сплавы также легируется алюминием (до 15%), медью (до 5 %) и магнием (0,03-0,05 %). Эти сплавы хорошо прокатываются в листы, обрабатываются глубокой вытяжкой. Сплавы обладают высокой прочностью при удовлетворительной пластичности s_в = 360 МПа, d = 6 %, КСU>20 Дж/см².

Наиболее прочным цинковым сплавом является сплав с 32 % Al и 3 % Cu. Этот сплав в горячепрессованном виде имеет s_в = 500 МПа, d около 10 %.

Подшипниковые сплавы на основе Zn применяются сравнительно мало. Это связано с тем, что хотя цинковые сплавы имеют большую прочность по сравнению с подшипниковыми сплавами на основе олова, но они очень быстро разрушаются в связи с низкой коррозионной стойкостью.

Цинковые сплавы применяются в качестве припоев для пойки алюминия и магния. Эти сплавы построены на основе системы Zn-Cd. Наиболее широко применяемым припоем является сплав цинка с кадмием с содержанием 40% Cd. Этот сплав соответствует эвтектическому составу с температурой плавления 266 ºС.

 

Олово, свинец и их сплавы

 

Олово и свинец – пластичные, легкоплавкие металлы, с повышенной стойкостью против коррозии в атмосферных и в некоторых кислотных условиях.

Свинец является металлом с гранецентрованной кубической решеткой, аллотропических превращений в твердом состоянии не испытывает. Температура плавления свинца 327 ºС.

Олово может находиться в двух кристаллических модификациях: a-Sn (серое олово) с алмазной решеткой - ниже +13 ºС и b-Sn (белое олово) с объемно-центрированной тетрагональной решеткой. На морозе пластичное b-олово рассыпается в серый порошок a-Sn. Это явление называется оловянной чумой. Температура плавления олова 232 ºС.

Расчет температурного порога рекристаллизации в соответствии с правилом А.А. Бочвара (Т_р = 0,4 Т_пл) дает цифры –123 и –147 ºС, т.е. температурный порог рекристаллизации лежит значительно ниже 0 ºС. Таким образом, пластическая деформация свинца и олова при комнатной температуре является горячей деформацией. Наклепа при такой деформации в этих металлах не наблюдается.

Основная область применения чистого олова – лужение жести. Чистый свинец применяется для футеровки аппаратов сернокислотного производства и контейнеров для соляной кислоты. Применяется свинец и для кабельных оболочек для защиты их от почвенной коррозии.

Важной областью применения свинца и олова являются припои, а также сплавы для типографских шрифтов, анатомических слепков, плавких предохранителей. Эти сплавы содержат кроме свинца и олова также висмут и кадмий. Попарно все эти элементы образуют между собой системы с легкоплавкими эвтектиками без промежуточных фаз и химических соединений, т.е. образуют простые эвтектические системы (рисунок 8.8). В тройных системах между этими элементами образуются тройные эвтектики, еще более легкоплавкие, чем двойные. Температура плавления этих эвтектик 90-100 ºС. В четверной системе этих компонентов образуется четверная эвтектика с температурой плавления 70 ºС. Практически применяемый сплав Вуда по своему составу близок к эвтектическому (50 % Bi, 25 % Pb, 12,5 % Sn и 12,5 % Cd).

Для получения еще более легкоплавких сплавов, в них вводят ртуть, например сплав с содержанием Bi-36 %; Pb-28 %; Cd-6 % и Hg - 30 % имеет температуру плавления 48 ºС.

В качестве припоев для пайки медных, стальных и многих других изделий применяются как чистое олово, так и сплавы свинца с оловом, содержащие олово от 3 до 90 % и небольшое количество сурьмы (до 2 % Sb).

Температура плавления припоев зависит от содержания олова и может быть ориентировочно определена по двойной диаграмме Pb-Sn. Наиболее легкоплавким припоем является сплав с 61 % Sn, маркируется ПОС 61. Различают сплавы ПОС 18, ПОС-40, ПОС-61, ПОС 90 и тд. Сплавы свинца с сурьмой и мышьяком (10-16 % Sb и 1-4 % As) применяют для типографских шрифтов.

Рисунок 8.8. Диаграмма состояния свинец-олово	Рисунок 8.9. Диаграмма состояния олово-сурьма

 

Наиболее важными сплавами на основе свинца и олова являются подшипниковые сплавы (таблица 8.11).

 

Таблица 8.11 - Основные характеристики подшипниковых сплавов

 

Марка сплава	Твердость кг/мм2	Критические точки	Коофф. трения без смазки (со смазкой)
при 20 0С	при 125 0С	нижняя	верхняя
Б 83 Б 16 БК					0,28 (0,005) 0,27 (0,006) 0,44 (0,004)

 

Особенностью работы подшипников скольжения является то обстоятельство, что материал вкладыша подшипника должен хорошо прирабатываться к валу, т.е. он должен быть сравнительно мягким, и в то же время, он должен обладать высокой износостойкостью, чтобы он преждевременно не выходил из строя. Таким образом, материал вкладыша подшипника должен быть и твердым и мягким одновременно. Такое условие может быть удовлетворено, если сплав окажется двухфазным или многофазным, одна из фазовых составляющих которого (основа) окажется мягкой, а вторая (включения) – твердой, препятствующая износу подшипника при работе.

Такими сплавами являются баббиты, например, сплав на основе олова, легированный до 12 % Sb и до 6 % Cu (баббит Б83). Микроструктура таких сплавов определяется, в основном, диаграммой равновесия Sn-Sb (рисунок 8.9).

Микроструктура сплава Б83 состоит из основы a-фазы (темная) и некоторого количества b - кристаллов (рисунок 8.10).

Сплавы на основе свинца являются заменителями оловянных подшипниковых сплавов. Типичным представителем подшипникового сплава на основе свинца является баббит Б16, содержащий16% Sb, 16% Sn, 1,5-2%Cu, остальное - Pb. В этом сплаве при кристаллизации в качестве избыточной фазы выделяется не сурьма, а смесь кристаллов b и d на основе сурьмы. Темная составляющая – мягкая эвтектическая смесь.

Для уменьшения ликвации по удельному весу в сплав введена медь, которая образует мелкие игольчатые выделения Cu₂Sb. В сплав Б16 для улучшения антикоррозионных свойств вводят Ni, Cd, Al (до 1 %), Te (до 0,1 %). Теллур, кроме того, приводит к упрочнению сплава.

При кристаллизации кристаллы b-твердого раствора образуются в первую очередь. Так как b-фаза содержит значительно больше Sb, она оказывается легче жидкого металла и всплывает на поверхность, образуя ликвацию по удельному весу. Для устранения этого явления в сплав вводят медь (до 5%). При этом в структуре сплавов появляются разветвленные кристаллы соединения: Cu3Sn и Cu6Sn5, которые задерживают эти всплывания кристаллов сурьмы.

Рисунок 8.10. Микроструктура баббита Б83

В качестве подшипниковых сплавов применяют кальциевый баббит (БК) состава: 0,85-1,15% Ca и 0,6-0,9% Na. Кальций может образовывать со свинцом (при 6% Ca) промежуточную фазу состава Pb₃Ca. Мягкой основой является твердый раствор натрия в свинце. Растворимость натрия уменьшается с понижением температуры, в связи с чем кальциевый баббит может упрочняться при старении. Твердость кальциевого баббита по Бринеллю 34 HB, т.е. несколько выше чем рассмотренных выше баббитов, поэтому он наиболее широко применяется в случаях высоких удельных нагрузок, например, для подшипников подвижного состава железнодорожного транспорта. Однако кальциевый баббит обеспечивает высокую работоспособность только в условиях обильной смазки. В условиях сухого трения работоспособность подшипников из кальциевого баббита значительно хуже.

 

Глава 9