§ 34. Легкоплавкие металлы и их сплавы

Цинк и его сплавы

Цинк имеет плотноупакованную гексагональную структуру с периодами решетки а = 0,26595 нм, с = 0,49368 нм. Аллотропических превращений цинк не испытывает. Температура плавления 419°С. Плотность при комнатной температуре 7,14 г/см³. Цинк отличается достаточно хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и в пресной воде и поэтому его широко используют для защитных покрытий кровельного железа и изделий из него (ведра, баки). Цинк, как и все металлы с гексагональной структурой, обладает ярко выраженной анизотропией свойств. Это проявляется в различии механических и физических свойств по разным направлениям в кристаллах и в деформированных полуфабрикатах, в которых при деформировании возникает текстура. При деформировании цинка в металле происходит скольжение по плоскости базиса. При этом кристаллы поворачиваются так, что плоскость базиса становится параллельной направлению главной деформации.

Основные естественные примеси в цинке - свинец, железо, кадмий, олово. Свинец практически нерастворим в твердом цинке. Эти металлы образуют две несмешивающиеся жидкости вплоть до температуры 798°С. Диаграмма состояния системы цинк - свинец подобна диаграмме, изображенной на рис. 20. Монотектическая реакция проходит при 418°С. При температуре 318°С происходит эвтектическая реакция, и жидкость распадается на почти чистые металлы. При быстром охлаждении сплавов цинка со свинцом удается получить равномерное распределение свинца в виде округлых включений по границам зерен. Свинец в отсутствие других примесей не уменьшает пластичности цинка, однако, обладая электропотенциалом, сильно отличающимся от потенциала цинка, увеличивает склонность цинка к коррозии. Это свойство используется в процессе изготовления типографских клише, для которых применяют цинк, содержащий около 1% Рb. Такой металл очень легко растворяется в кислоте, а именно на этом и основано создание рисунка на клише.

Примесь железа повышает твердость цинка и задерживает процесс рекристаллизации. Уже при очень незначительном содержании железа (менее 0,001%) в цинке образуется хрупкая фаза в виде соединения FeZn₇. Олово - вредная примесь, так как практически не растворяясь в цинке, образует с ним легкоплавкую эвтектику (198°С), которая, откладываясь по границам зерен, делает невозможным обработку давлением при повышенных температурах, вызывая горячеломкость. При совместном содержании олова и свинца образуется еще более легкоплавкая эвтектика (150°С).

Основная масса чистого цинка в виде листов расходуется на изготовление малогабаритных источников постоянного тока. Кроме упоминавшегося сплава цинка с 1% Рb, широкое применение имеют его сплавы с алюминием (3,5 - 4,5%), медью (0,5 - 3,5%) и магнием (0,1%). Эти сплавы, обозначаемые ЦАМ, предназначены для получения фасонных отливок литьем под давлением. Они достаточно легкоплавки, жидкотекучи и в условиях литья под давлением дают отливки, которые не требуют дополнительной обработки поверхности. Из диаграммы состояния алюминий - цинк (см. рис. 57) следует, что сплавы, содержащие до 5% А1, должны кристаллизоваться с образованием первичных кристаллов твердого раствора алюминия в цинке и эвтектики α₁+Zn, причем фаза α₁ при температуре 275°С должна распадаться на α+Zn. Однако этот эвтектоидный распад не успевает проходить в процессе охлаждения и идет при эксплуатации изделий при 20 - 100°С. В результате изделия из сплавов цинк - алюминий медленно изменяют свои размеры ("растут"), что совершенно недопустимо. Небольшая добавка магния практически нацело подавляет эвтектоидный распад и делает отливки стабильными по размерам.

Деформируемые цинковые сплавы также легированы алюминием (до 15%), медью (до 5%) и магнием (0,03%). Эти сплавы обладают механическими свойствами, близкими к свойствам латуней, но значительно дешевле их. Так, сплав ЦАМ10-5 (10% А1, 5% Сu, 0,05% Mg) имеет следующие механические свойства: σ_в = 300÷400 МПа, δ = 12÷8%, НВ (95 - 100).

К сожалению, все цинковые сплавы быстро корродируют на воздухе, поэтому нуждаются в защите от коррозии. Наиболее распространено защитно-декоративное хромирование изделий из цинковых сплавов. Тысячные доли процента примесей олова, свинца и кадмия вызывают очень быстрое разрушение цинковых сплавов вследствие межкристаллитной коррозии, особенно во влажной атмосфере при 50 - 90°С.

Олово, свинец и их сплавы

Олово плавится при 232°С, имеет две модификации: β-модификацию (белое олово), устойчивую выше 13°С с объемноцентрированной тетрагональной решеткой, и α-модификацию с кубической решеткой типа алмаза (серое олово). Переход белого олова в серое сопровождается большим изменением объема, так что происходит рассыпание металла в порошок. Это явление носит название "оловянная чума". Из-за склонности олова к переохлаждению самопроизвольный переход в α-олово происходит при очень низких температурах (-20÷-30°С). Однако начавшееся превращение идет и при более высоких температурах, поэтому оловянные изделия необходимо предохранять от действия морозов. Чем чище олово, тем больше оно подвержено заболеванию "чумой". Примеси висмута и сурьмы, в меньшей степени свинца и кадмия, задерживают аллотропическое превращение. Достаточно в олово добавить 0,5% висмута или сурьмы, чтобы снизить скорость превращения практически до нуля и сделать белое олово абсолютно устойчивым.

Свинец имеет температуру плавления 327°С, обладает гранецентрированной кубической решеткой, аллотропических превращений не испытывает. Плотность свинца при комнатной температуре 11,34 г/см³.

Рекристаллизация наклепанных олова и свинца происходит при температурах ниже комнатной, поэтому их обработка при комнатной температуре является горячей обработкой. Чистые олово и свинец отличаются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Свинец стоек в концентрированных растворах некоторых кислот (серной, фосфорной, плавиковой), олово - в растворах пищевых кислот (молочной, масляной). Олово широко применяется для лужения жести, а свинец для футеровки аппаратуры сернокислотного производства, а также для защитных оболочек электрокабелей. Специфическая область применения свинца - пластины электрических аккумуляторов, получаемые литьем в металлические формы. Олово и свинец между собой и с другими легкоплавкими металлами (висмутом, кадмием) дают еще более легкоплавкие сплавы, которые широко применяются в качестве припоев, для отливки типографских шрифтов, для изготовления плавких предохранителей и т. д. Системы олово - свинец, свинец - висмут, свинец - кадмий, олово - висмут, олово - кадмий являются простыми системами эвтектического типа, при этом эвтектики плавятся при 120 - 190°С. В тройных системах этих металлов образуются еще более легкоплавкие тройные эвтектики (92 - 96°С). Достаточно хорошо изучена четверная система свинец - висмут - олово - кадмий, в которой образуется четверная эвтектика, плавящаяся при 70°С и известная в технике и научных исследованиях как сплав Вуда (50% Bi; 25% Pb; 12,5% Sn; 12,5% Cd). Для получения еще более низкой точки плавления в состав сплавов вводят индий или ртуть. Так, для анатомических слепков применяют сплав, содержащий 53,5% Bi; 19% Sn; 17% Pb; 10,5% Hg и затвердевающий при 60°С.

В качестве припоев в основном используют сплавы системы олово - свинец с небольшим количеством сурьмы (до 2%) Для улучшения растекания припоя. Температура их плавления зависит от соотношения олова и свинца. Самый легкоплавкий (190°С ) припой ПОС-61 близок по составу к эвтектической точке. Типографские свинцовые сплавы, применяемые для отливки шрифтов, стереотипов и т. д., основаны на системе свинец - сурьма (10 - 25% Sb) с добавками олова (4 - 7%).

Очень важная область применения олова и свинца - подшипниковые сплавы, носящие специальное название "баббиты". Эти сплавы используют для заливки вкладышей подшипников. Материал вкладыша подбирают таким образом, чтобы он мог приработаться к валу. Таким требованиям на первый взгляд удовлетворяют мягкие пластичные металлы: олово, свинец, алюминий. Однако в паре со стальным валом они имеют слишком большой коэффициент трения, сильно разогреваются при работе и налипают на шейку вала ("схватываются"). Коэффициент трения в паре вал - вкладыш оказывается тем меньше, чем тверже вкладыш. Таким образом, материал вкладыша должен быть и твердым, и мягким одновременно. Этим требованиям удовлетворяют двухфазные или многофазные сплавы, структура которых состоит из твердых изолированных кристаллов, распределенных в пластичной основе. Назначение твердых кристаллов - осуществлять непосредственный контакт с вращающимся валом, назначение пластичной основы - обеспечивать прирабатываемость вкладыша к валу. Количество твердой составляющей должно быть небольшим, чтобы твердые и хрупкие кристаллы не соприкасались между собой. Кроме того, они должны быть равномерно распределены в пластичной основе. Подобную структуру имеют сплавы на оловянной основе, содержащие до 12% Sb и до 6,5% Сu. Представление об их структуре можно получить по диаграмме состояния системы олово - сурьма (рис. 70).

Рис. 70. Диаграмма состояния системы олово - сурьма

Составы сплавов лежат в двухфазной α+β-области. Кристаллы β-фазы, обогащенные сурьмой, являются твердой хрупкой фазой, а кристаллы α-фазы образуют мягкую пластичную основу. Чтобы предотвратить ликвацию кристаллов β-фазы, которые легче расплава и всплывают в ходе кристаллизации, в сплав вводят медь. Медь с оловом образует фазу Сu₃Sn. Кристаллы этой фазы выпадают первыми и образуют скелет, препятствующий всплыванию кристаллов β-фазы. Классическим подшипниковым сплавом этого типа является баббит Б83 (83% Sn; 11% Sb; 6% Сu).

Подшипниковые сплавы на основе олова довольно дороги, а содержащееся в них олово - дефицитно, поэтому разработаны подшипниковые сплавы на основе свинца с добавками сурьмы (16 - 18%) и меди (до 3%). Сурьма в этих сплавах выделяется в виде правильно ограненных первичных кристаллов, которые являются твердой составляющей, а мягкой основой служит эвтектика свинец - сурьма. Медь образует соединение Cu₂Sb, которое также препятствует всплыванию кристаллов сурьмы. Эвтектика свинец - сурьма менее пластична, чем α-фаза в оловянных баббитах, поэтому свинцовые сплавы сильнее изнашиваются, чем оловянные. Для повышения их пластичности в них добавляют олово (до 16%). Кроме того, для улучшения антифрикционных свойств вводят никель, кадмий, мышьяк (до 1%).

Помимо перечисленных сплавов, в качестве подшипникового материала широко применяют так называемый кальциевый баббит (в основном, на железнодорожном транспорте) - сплав на основе свинца с добавками 0,85 - 1,15% Са и 0,6 - 0,9% Na. В этом сплаве кальций образует первичные кристаллы Рb₃Са, а натрий - твердый раствор в свинце, повышая его твердость.

Запчасти для китайских погрузчиков тут.