4.2.3. Сплавы меди с никелем и другими металла­ми

Сплавы меди с никелем и другими металла­ми однофазны, со структурой твердых растворов, поставля­ются они в виде полуфабрикатов – листов, полос, проволоки.

Мельхиор – МН19 (19 – 20 % никеля) и нейзиль­бер – МНЦ15-20 (15 % никеля, 20 % цинка) обладают вы­сокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных сре­дах. Применяются в приборостроении, для бытовых изделий, посуды и украшений. Для изделий высокой прочности и кор­розионной стойкости (кроме азотной кислоты) используется сплав монель, содержащий кроме меди и никеля железо и марганец – МНЖМц68-2,5-1,5 (68 % никеля; 2,5 % железа; 1,5 % марганца).

Сплавы меди с никелем и марганцем применяются как реостатные. В измерительных схемах и для прецизионных сопротивлений с рабочей температурой до 200°С используется манганин – МНМц3-12 (3 % никеля, 12 % марганца). Сплавы константан – МНМц40-1,5 (40 % никеля; 1,5 % марганца) – и копель – МНМц45-0,5 (45 % никеля; 0,5 % марганца) – обла­дают максимальным электросопротивлением и термоЭДС. Они используются в основном для термопар с рабочей температурой до 500°С.

5. Антифрикционные (подшипниковые) сплавы

Опорами вращающегося вала являются подшип­ники. Несмотря на широкое применение подшипников каче­ния (шариковых, роликовых, игольчатых) подшипники тре­ния скольжения часто используются в узлах трения. Подшип­ник может быть цельный (втулочный) или из двух поло­вин – вкладышей.

Сплавы, из которых изготавливают вкладыши (или только их рабочую часть), называются подшипниковыми. Антифрикционными называют сплавы, обеспечивающие ми­нимальный коэффициент трения между поверхностью вкла­дыша подшипника и шейкой стального вала.

Основные требования к подшипниковым сплавам:

низкий коэффициент трения при работе в паре с валом;

гетерогенная (неоднородная) структура, «мягкая» основа и «твердые» включения;

хорошая прирабатываемость к шейке вала;

низкая стоимость (вкладыш заменить легче, чем из­готовить вал);

высокая теплопроводность для отвода теплоты из зоны контакта трущихся поверхностей.

Подшипниковые (антифрикционные) сплавы можно раз­делить на группы: черные, желтые, белые, композиционные.

Черные – антифрикционные чугуны, которые в свою очередь делятся на серые (АЧС-1; АЧС-2), ковкие (АЧК-1; АЧК-2) и высокопрочные (АЧВ-1; АЧВ-2). Они имеют низкую стоимость, выдерживают большие удельные давления, изно­состойкие. Их основной недостаток – высокий коэффициент трения. Рекомендуются для изготовления подшипников с малыми скоростями вращения вала.

Желтые – подшипниковые сплавы – бронзы. Они при­меняются в ответственных подшипниках, работающих с большими удельными давлениями, с ударными нагрузками, при больших скоростях. Их основной недостаток – высокая стоимость. В качестве подшипниковой в основном использу­ется свинцовая бронза, содержащая 30 % свинца (БрС30).

Белые – антифрикционные сплавы на основе олова и свинца, называются баббиты. Применение мягких легкоплав­ких подшипниковых сплавов обеспечивает лучшую сохран­ность шейки вала. Они имеют минимальный коэффициент трения со сталью и хорошо удерживают смазку. Баббиты, ввиду низкой прочности, наносят заливкой на рабочую по­верхность стального или бронзового вкладыша.

Оловянный баббит Б83 – сплав системы «олово – сурьма – медь» (табл. 5). С целью упрочнения слишком мягкого (НВ5) и пластичного ( = 40 %) олова в сплав добавляют сурьму (11%), и структура его становится гетерогенной.

Одна фаза – «мягкая» основа баббита – твердый раст­вор сурьмы (и частично меди) – в олове обладает большей твердостью и прочностью при сохранении высокой пластич­ности. Другая фаза – химическое соединение олова и сурь­мы – SnSb. Крупные кристаллы этого соединения – «твер­дые» включения – обладают высокой твердостью. Таким образом, сурьма упрочняет «мягкую» основу баббита и спо­собствует образованию «твердых» включений.

Таблица 5

Характеристика подшипниковых сплавов

Марка сплава	Среднее содержание элементов, %	Структура		Темпера­тура плавле­ния, °С
		«мягкая» основа	«твердые» включе­ния
Б83	Sn – 83; Sb – 11; Cu – 6	Твердый раствор	SnSb Cu3Sb	380
Б16	Pb – 66; Sn – 16; Sb – 16; Cu – 2	Эвтектика	Сu2Sb	410
БКА	Pb – 97; Ca – 1,15; Na – 0,9; Al – 0,2; Zn – 0,1	Твердый раствор	Pb3Ca Sb3Na	470
ЦАМ 10-5	Zn – 85; Al – 10; Cu – 5	Эвтек­тика	CuZn3	395
ЦАМ5-10	Zn – 85; Al 5; Cu – 10	Эвтек­тика	CuZn3	500

Сплавы «олово – сурьма» склонны к неоднородности (ликвации по удельному весу). Для предупреждения ее вводится медь, которая, практически не растворяясь в олове, образует кристаллы Cu₃Sn (Cu₆Sn₅). Эти кристаллы иголь­чатой формы, зарождаясь первыми при кристаллизации, создают как бы «скелет» сплава и препятствуют его расслое­нию. Кроме того, в структуре баббита они выполняют роль «твердых» включений. Баббит Б83 обладает наилучшим сочетанием антифрикционных и механических свойств, высо­кой коррозионной стойкостью. Из-за дефицитности олова он используется только в особо ответственных скоростных узлах трения для вкладышей тяжелонагруженных подшипников (мощные паровые турбины, турбокомпрессоры и т. п.).

Для подшипников более широкого применения (в про­катных станах, автотракторных двигателях – машинах сред­ней нагруженности) основным компонентом в баббите явля­ется свинец.

Свинцово-оловянно-сурьмяный баббит Б16 – сплав си­стемы «свинец – олово – сурьма – медь» (см. табл. 5). Олово частично раст­воряется в свинце. Свинец (точнее, твердый раствор) и сурьма образуют эвтектику (НВ18). Олово с сурьмой, как и в Б83, образуют кристаллы SnSb, а медь с сурьмой – химическое соединение Cu₂Sb. Это соединение играет ту же роль, что и Cu₃Sn в оловянном баббите, т. е. предупреждает ликвацию по удельному весу.

«Мягкую» основу структуры сплава составляет эвтекти­ка: кристаллы свинца (точнее, твердого раствора) и кристал­лы твердого раствора олова и свинца в сурьме. Крупные кристаллы SnSb и кристаллы Cu₂Sb – «твердые» включения. Баббит Б16 отличается пониженной пластичностью, так как «мягкая» основа структуры – эвтектика.

На железнодорожном транспорте сплав Б16 исполь­зуется для заливки вкладышей моторно-осевых подшипников тяговых двигателей локомотивов.

Наиболее дешевый – свинцовый баббит, который часто называют по второму компоненту кальциевым, БКА – сплав системы «свинец – кальций – натрий – алюминий – цинк» (см. табл. 5). Кальций прак­тически не растворяется в свинце и образует с ним химиче­ское соединение Pb₃Са. Натрий (до 0,4 %), весь алюминий и цинк, растворяясь в слишком мягком (НВ4) и пластичном ( = 45 %) свинце, повышают его твердость и прочность, тем самым улучшают механические и антифрикционные свойства сплава. Нерастворившаяся часть натрия образует со свин­цом химическое соединение Pb₃Na. Структура кальциевого баббита: «мягкая» основа – твердый раствор натрия, алюми­ния и цинка в свинце, «твердые» включения – Pb₃Са, Pb₃Na.

Свинцовые баббиты дешевле, так как не содержат дефи­цитных элементов. Сплав БКА быстрее прирабатывается к шейке оси и не требует тщательной пригонки «по месту», имеет более высокие, чем оловянный, твердость и прочность. Ис­пользуется в тяжелонагруженных узлах трения (вагоно­-, судо-, дизелестроение и т. п.).

К белым антифрикционным сплавам также относятся сплавы «ЦАМ» системы «цинк – алюминий – медь» (см. табл. 5). «Мягкая» основа структуры этих сплавов – эвтектика [Zn + Al + CuZn₃], а «твердые» включения – кристаллы химического соединения CuZn₃. Сплавы ЦАМ10-5 и ЦАМ5-10 уступают баббитам на оловянной основе по пластичности, коэффициентам трения и линейного расширения. Эти сплавы примерно равно­ценны свинцовым баббитам, но в три раза превосходят их по прочности.

Металлокерамические композиционные подшипниковые сплавы получают прессованием и спеканием порошков, например порошка бронзы или железа с графи­том (1 – 4 %). Пористость сплава после спекания составляет 15 – 30 %. Сплавы пропитывают смазочными материалами, что способствует снижению коэффициента трения и износа подшипникового узла.

Библиографический список

1. Гуляев А. П. Металловедение / А. П.Гуляев. М.: Металлургия, 1977.

2. БерлинВ. И. Транспортное материаловедение / В. И.Берлин, Б. В.Захаров, П. А.Мельниченко. М.: Транспорт, 1982.

3. Материаловедение / Под ред. Б. Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1986.

4. ЛахтинЮ. М. Материаловедение / Ю. М.Лахтин. М.: Машиностроение, 1984.

5. ТравинО. В. Материаловедение / О. В.Травин, Н. Т.Травина. М.: Металлургия, 1989.

6. МозбергР. К. Материаловедение / Р. К.Мозберг. М.: Высшая школа, 1991.

7. ЛахтинЮ. М. Материаловедение / Ю. М.Лахтин, В. Л.Леонтьева. М.: Машиностроение, 1990.

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

9. Материаловедение и технология металлов: Учебник для вузов / Г. П. Фе-тисов, М. Г.Кариман, В. М.Матюнин и др. М.: Высшая школа, 2002.

10. Материаловедение и технология конструкционных материалов для железнодорожной техники / Под ред. Н. Н. Воронина. М.: Маршрут, 2004.

Учебное издание

Бычков Георгий Владимирович,

РАУБА Александр Александрович,

Смольянинов Антон Владимирович