Оловянные и свинцовые сплавы

Антифрикционные (подшипниковые) сплавы на основе олова или свинца с добавками сурьмы, меди, кальция и других элементов называют баббитами.

Микроструктура всех баббитов, согласно правилу Шарпи, должна слагаться минимум из двух составляющих: более мягкая и пластичная составляющая, являющаяся основой сплава, обеспечивает прирабатываемость подшипника к шейке вала, а включения более твердой составляющей понижают коэффициент трения. Твердые кристаллы, воспринимая нагрузку, вдавливаются в мягкую основу.

Баббит Б83. Баббит Б83 – сплав на оловянной основе, содержащий 83 % Sn, 11 % Sb и 6 % Cu. Если бы сплав не содержал меди, то согласно диаграмме состояния Sn – Sb, его структура должна была бы слагаться их двух составляющих: первичных кристаллов b-фазы (твердые включения) и образовавшихся по перитектической реакции a-кристаллов твердого раствора сурьмы в олове (мягкая основа). Фаза b является раствором на базе соединения SnSb. Кристаллы твердой b-фазы хорошо полируются и, следовательно, хорошо отражают свет. Травление раствором 5 %-й HNO₃ в спирте обычно не выявляет границ между a-кристаллами и они под микроскопом сливаются в сплошной темный фон. В то же время светлые b-кристаллы, имеющие в сечении шлифа форму квадратов, треугольников и других многогранников, резко очерчены на темном фоне a-кристаллов. Кроме того, твердые b-кристаллы выдаются в рельеф над сильнее сполировывающими мягкими a-кристаллами и видны на нетравленном шлифе.

Добавка Cu усложняет структуру баббита. Состав сплава Б83 в тройной системе Sn – Sb – Cu находится в области первичной кристаллизации интерметаллида Cu₆Sn₅. После окончания процесса первичной кристаллизации при понижении температуры начинаются процессы кристаллизации двойной эвтектики b+Cu₆Sn₅, состоящей в основном из b-фазы (объемная доля Cu₆Sn₅ в эвтектике порядка нескольких процентов). Граненые кристаллы b из эвтектики выглядят так же, как и первичные кристаллы b, в системе Sn – Sb.

При дальнейшем понижении температуры происходит перитектическое превращение: Ж_p+b®a+Cu₆Sn₅, причем образующаяся смесь состоит в основном из a-фазы (раствора сурьмы в олове).

Первичные кристаллы Cu₆Sn₅ образуют остов, препятствующий ликвации по плотности – всплыванию более легких b-кристаллов. Таким образом, медь добавляется, главным образом, для предотвращения ликвации по плотности. Кроме того, кристаллы Cu₆Sn₅, наряду с b-фазой, являются необходимыми твердыми включениями в баббите. Мягкая составляющая – смесь (a+Cu₆Sn₅), образующаяся по перитектической и эвтектической реакциям и состоящая в основном из мягких кристаллов a-раствора сурьмы в олове.

Таким образом, сплав Б83 содержит три структурные составляющие: белые игольчатые и звездчатые первичные кристаллы Cu₆Sn₅, белые граненые кристаллы b-фазы из двойной эвтектики b+Cu₆Sn₅ и смесь a+Cu₆Sn₅ перитектического и эвтектического происхождения, в которой преобладает темная a-фаза.

Баббит Б16, разработанный А.М. Бочваром, – сплав на свинцовой основе. Он содержит 16 % Sn, 16 % Sb и 1,7 % Cu. Благодаря меньшему содержанию олова, баббит Б16 менее дефицитен, чем баббит Б83. В четверном сплаве Б16 кристаллизация начинается с образования игл Cu₆Sn₅, затем кристаллизуется двойная эвтектика b+Cu₆Sn₅, в основном состоящая из b-фазы (SnSb), и в последнюю очередь образуется тройная эвтектика a+b+Cu₆Sn₅, в которой количество a+Cu₆Sn₅ столь мало, что ее можно считать состоящей только из a-раствора всех легирующих элементов в свинце и b-фазы (SnSb). Практически в сплаве Б16 можно выделить три структурные составляющие: первичные игольчатые кристаллы Cu₆Sn₅, граненые кристаллы b (SnSb) и пеструю эвтектику a+b. Первичные иглы Cu₆Sn₅ препятствуют всплыванию более легких b-кристаллов. Твердыми включениями в баббите являются b-кристаллы и Cu₆Sn₅, а пластичной основой – смесь a+b, в которой b-фаза светлая, а a-твердый раствор на базе свинца – темный. Пестрая структурная составляющая с ярко выраженным эвтектическим строением резко отличает микроструктуру сплава Б16 от микроструктуры баббита Б83.

Баббит БН – семикомпонентный сплав на свинцовой основе по содержанию главных легирующих элементов (10 % Sn, 14 % Sb, 1,7 % Cu) близок к баббиту Б16. Кроме указанных добавок баббит БН содержит 0,3 % Ni, 0,4 % Cd и 0,7 % As. Мышьяк и кадмий образуют твердое химическое соединение (возможно As₃Cd₂), которое обнаруживается на микрошлифе в виде мелких серых кристаллов на фоне светлой b-фазы.

Микроструктура баббита БН содержит четыре составляющие: светлые иглы соединения, содержащего медь (возможно Cu₆Sn₅), белые кристаллы b-фазы, серые кристаллы мышьяковистой составляющей и эвтектику, состоящую из b-фазы и a-раствора на базе свинца. В эвтектике темная фаза – это многокомпонентный раствор на основе свинца. Фаза b в баббите БН – это многокомпонентный раствор на базе соединения SnSb. Кристаллы этого соединения мельче, а объемная доля их меньше, чем в сплаве Б16, что обусловливает повышенную сопротивляемость усталости сплава БН.

Баббит БС6 – сплав на свинцовой основе, содержащий 6 % Sn, 6 % Sb и 0,2 % Cu. В отличие от баббита Б16 в нем значительно меньше олова и сурьмы, и поэтому в баббите БС6первично кристаллизуется не b-фаза (SnSb), а a-раствор на базе свинца. Структура баббита БС6 слагается из двух составляющих – темных первичных дендритов a-раствора олова и сурьмы в свинце и эвтектики (a+b). В противоположность другим баббитам, в которых изолированные твердые кристаллы распределены в мягкой основе, баббите БС6 мягкие кристаллы раствора на базе свинца окружены более твердой эвтектикой. Благодаря отсутствию хрупких первичных кристаллов химических соединений, сплав БС6 обладает большим сопротивлением усталости, чем баббиты Б83, Б16 и БН. Он дешевле этих баббитов, так как содержит меньше олова. Баббит БС6 широко применяют в автомобильной промышленности в виде биметаллических вкладышей, состоящих из стальной ленты и тонкого слоя баббита.

Баббит БКА. В отличие от рассмотренных выше баббитов на свинцовой основе, содержащих в качестве главных присадок Sb, Sn и Cu, сплав марки БКА состоит из свинца с добавками 1 % Ca, 0,8 % Na и 0,1 % Al и называется кальциевым баббитом. Этот сплав является основным для подшипников скольжения железнодорожных вагонов. От баббитов на основе Sn и свинцовооловянных баббитов кальциевый баббит отличается более высокой температурой плавления и сохранением твердости до более высоких температур при разогреве подшипника.

Натрий в сплаве БКА полностью находится в твердом растворе на основе свинца. Кальций образует со свинцом соединение Pb₃Ca; в твердом свинце растворимы лишь сотые доли процента Ca. Микроструктура кальциевого баббита слагается из двух составляющих: первичных белых дендритов соединения Pb₃Ca (твердые включения) и образующихся по перитектической реакции темных кристаллов раствора Na и Ca в Pb (пластичная основа). Т.к. свинцовый раствор очень мягок, то при полировке он размазывается и трудно выявить границы между кристаллами пластичной основы, которая под микроскопом дает сплошной темный фон. Шлифы из кальциевого баббита сильно окисляются, поэтому их просматривают в свежеполированном состоянии.

Оловянно-свинцовые припои

Сплавы двойной эвтектической системы Pb-Sn относятся у группе широко используемых в технике мягких припоев. Припои ПОС30, ПОС61 и ПОС90 содержат, соответственно, около 30, 61 и 90 % Sn, остальное – свинец.

Структура доэвтектического сплава ПОС30 состоит из темных первичных дендритов раствора Sn в Pb (a) и эвтектики (a+b). Припой ПОС61 содержит практически одну структурную составляющую – эвтектику (a+b). Это – самый легкоплавкий из оловянно-свинцовых припоев, применяющийся для пайки электро- и радиоаппаратуры, где недопустим перегрев. Структура припоя ПОС90 состоит из светлых первичных дендритов раствора Pb в Sn (b) и эвтектики (a+b). Этот припой содержит мало Pb, и поэтому применяется для пайки пищевой посуды.

Цинковые сплавы

Наиболее широко применяемые цинковые сплавы относятся к тройной системе Zn – Al – Cu.

Сплав ЦАМ 10-5. Антифрикционный сплав на цинковой основе ЦАМ 10-5 содержит в среднем 10 % Al, 5 % Cu и 0,4 % Mg. Сплав находится в области первичной кристаллизации a-фазы недалеко от линии кристаллизации двойной эвтектики (a+e). Фаза a представляет собой твердый раствор цинка и, частично, меди в алюминии. Фаза e - соединение электронного типа переменного состава с характерной электронной концентрацией 7/4, отвечающей составу CuZn₃. В тройной системе Zn – Al – Cu в e-фазе растворено некоторое количество алюминия. Структура сплава ЦАМ 10-5 слагается из трех составляющих: относительно небольшого количества светлых первичных дендритов алюминиевого a-раствора, двойной эвтектики (a+e) и тройной эвтектики (h+a+e). Фаза h – твердый раствор Al и Cu в Zn. Тройную эвтектику легко отличить от двойной, т.к. она значительно темнее и имеет более дисперсное строение. Кроме того, колонии двойной эвтектики, образуясь вслед за первичными кристаллами, окружают их, а тройная эвтектика располагается между колониями двойной эвтектики.

Сплав ЦА4М3. Этот сплав содержит 4 % Al, 3 % Cu и 0,04 % Mg и широко применяется для литья под давлением в автомобилестроении, для отливки деталей бытовой техники и в других отраслях промышленности. Основными структурными составляющими сплава ЦА4М3 должны быть двойная (h+e) и тройная (h+a+e) эвтектики. Кроме того, наиболее вероятно обнаружить светлые первичные кристаллы e-фазы.

 

Порядок проведения работы

1. Просмотреть шлифы при увеличениях 100-200, определить структурные составляющие и схематично зарисовать микроструктуру.

2. Под каждой микроструктурой подписать марку сплава, средний химический состав, увеличение микроскопа и стрелками указать структурные составляющие.

3. Рядом с микроструктурами начертить соответствующие диаграммы состояния, необходимые для анализа структурных составляющих.

Лабораторная работа № 7