Никель и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
Никель – металл серебристо-белого цвета с желтоватым оттенком, плавится при температуре 1455 оС, имеет плотность 8,91 г/см3; тверд, хорошо полируется, ферромагнитен (ТкNi = 358 оС), обладает высокой коррозионной стойкостью – устойчив на воздухе, в воде, щелочах и ряде кислот. В чистом виде никель почти не применяется, основная масса его идет на производство различных сплавов с железом, медью, цинком и др. металлами. Около 20 % мирового производства никеля расходуется на получение электролических покрытий*.
Сплавы на основе никеля можно разделить на жаропрочные, жаростойкие, магнитные и сплавы с особыми физическими свойствами**.
Жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе никеля используются для изготовления деталей, работающих при температурах 700…1100 оС.
Жаропрочные деформируемые (ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ, ХН55ВМТФКЮ) и литейные (ЖС6К) суперсплавы, предназначенные для изготовления рабочих лопаток и дисков газовых турбин, а также различных элементов ракетных двигателей, получают путем легирования никеля хромом, титаном, алюминием, вольфрамом, молибденом и др. элементами. Наилучшие эксплуатационные свойства деталей из этих сплавов достигаются путем закалки и последующего старения.
Жаростойкие сплавы – нихромы (Х20Н80, Х20Н75БТЮ, Х25Н60В15Т) обладают высоким удельным электросопротивлением, имеют хорошие технологические свойства – хорошо деформируются и свариваются, широко применяются для изготовления нагревательных элементов различных электрических печей и бытовых приборов, а также деталей, эксплуатируемых при высокой температуре.
Многие никелевые сплавы имеют специальные названия, например, сплав НМЖМЦ28-2,5-1,5 (28 % Cu, 2,5 % Fe, 1,5 % Mn) называется монель-металл, который широко используется для изготовления коррозионно-стойких деталей для разных отраслей промышленности (травильных баков, арматуры паровых котлов и т. п.).
Стоимость никелевых сплавов примерно в 100 раз превышает стоимость рядовой стали.
53(38). Тугоплавкие металлы и сплавы, маркировка, свойства и область применения
Наибольшее применение в технике имеют следующие тугоплавкие металлы: Cr (1875), Nb (2468), Mo (2625), Ta (2994) и W (3410)[52]. Эти металлы широко используются для повышения жаропрочности легированных сталей и чугунов. Сплавы на основе ниобия незаменимы в ядерной технике из-за стойкости к нейтронному облучению. Молибден и вольфрам в чистом виде используют в химическом машиностроении, стекольной промышленности, радиоэлектронике, светотехнике и т.д. В частности, из вольфрама – самого тугоплавкого металла изготавливают нагревательные элементы высокотемпературных печей, нити накаливания осветительных и радиоэлектронных ламп, контакты сильноточных реле и т.п.
Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью в присутствии кислорода, поэтому при температуре выше 400…600 оС их нужно защищать от окисления на воздухе. Для этого используют вакуум, инертные газы, азот, водород, а также специальные покрытия, например, из дисилицида молибдена и вольфрама (MoSi2, WSi2).
Жаропрочность чистых металлов сравнительно невелика. Более высокой жаропрочностью обладают их сплавы на основе ниобия (ВН2, ВН2А, ВН3, ВН4), молибдена (ЦМ2А, ЦМ3, ЦМ6, ВМ2, ВМ3) и вольфрама (ВВ2). При создании таких сплавов широко используется легирование рением, окислами лантана и тория, карбидом гафния и т. п.
Все большее распространение получают так называемые псевдосплавы, состоящие из взаимно нерастворимых компонентов: W – Ag, W – Cu, W – Ni – Cu. Для получения этих материалов предварительно спеченный из порошка вольфрама пористый каркас пропитывают при высокой температуре жидкой металлической составляющей композиции. Из псевдосплавов изготавливают сопловые вкладыши ракетных двигателей, контакты высоковольтных выключателей, электроды контактных сварочных машин, сопла и межэлектродные вставки плазмотронов. При нагреве изделия из псевдосплава его температура не может подняться выше температуры кипения легкоплавкой составляющей (tкипAg = 2167 оС, tкипCu = 2543 оС), пока в порах содержится жидкий металл.
54(39). Антифрикционные материалы, маркировка, структура, свойства и область применения
Антифрикционные материалы предназначены для использования в различных подшипниках трения-скольжения, применяемых чаще, чем подшипники трения-качения (шариковых и роликовых). Эти материалы должны обладать комплексом противоречивых эксплуатационных свойств: малым коэффициентом трения по отношению к валам, обычно изготавливаемым из закаленной стали; высокой износостойкостью сочетающейся с небольшой твердостью, чтобы не изнашивался вал; достаточной прочностью и сравнительно легко деформироваться, чтобы принимать форму вала; коррозионной стойкостью и высокой теплопроводностью, чтобы отводить тепло, выделяющееся при трении; хорошо удерживать смазку на поверхности и т. д. В зависимости от состава различают антифрикционные материалы металлические (сплавы), неметаллические (полимерные, графитовые, древесные и др.) и комбинированные (металлополимерные, графитометаллические и др.)
Антифрикционные сплавы различного состава нашли самое широкое применение в промышленности для изготовления вкладышей подшипников скольжения. Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств структура антифрикционных сплавов должна состоять из мягкой и пластичной основы, в которую вкраплены твердые частицы химических соединений. В этом случае вал, опираясь на твердые частицы, быстро прирабатывается к подшипнику, а появившиеся канавки от движения твердых частиц образуют микроскопические каналы, по которым циркулирует смазка и уносятся продукты износа.
Рис. 54. Микроструктура оловянного баббита
Высочайшими антифрикционными свойствами обладают баббиты[53]– мягкие сплавы на основе олова или более дешевого свинца. Баббиты наносятся в виде тонкого слоя (до 1 мм) на поверхность опоры скольжения. Самый дорогой баббит Б88 содержит 88 % олова, сурьму, медь и кадмий. Мягкой основой в нем является α-твердый раствор сурьмы в олове, а твердые частицы образованы β-фазой – твердым раствором на основе SnSb и кристаллами химического соединения Cu3Sn – рис. 54. Оловянные баббиты применяются для подшипников тяжело нагруженных машин (турбин, электрогенераторов, карьерных экскаваторов и т.п.). Более дешевый свинцово-оловянный баббит БС6 содержит 6 % олова, свинец, сурьму и медь. Еще более дешевыми являются свинцово-кальциевые баббиты типа БКА, БК2, содержащие десятые доли % Са и некоторых других элементов.
Высокими антифрикционными свойствами обладают рассмотренные ранее сплавы на медной основе – латуни и бронзы (оловянные, алюминиевые, свинцовые бронзы и кремнистые и марганцовистые латуни). В наиболее ответственных случаях используют бронзы с высоким содержанием олова и свинца.
Антифрикционные чугуны по ГОСТ 1585-85 (серые АЧС-1, … АЧС-6, высокопрочные АЧВ-1, АЧВ-2 и ковкие АЧК-1, АЧК-2) по комплексу эксплуатационных свойств сопоставимы со сплавами на медной основе. Антифрикционные свойства чугунов в значительной степени определяются строением графитовой составляющей, выполняющей роль твердой смазки. В структуре антифрикционного чугуна желательно иметь более крупные включения графита, минимальное количество свободного феррита (до 15 %) и должен отсутствовать свободный цементит.
Для менее нагруженных конструкций в качестве втулок подшипников применяют:
- цинковые антифрикционные сплавы, содержащие алюминий и медь: ЦАМ 9,5-1,5; ЦАМ 10-5 (10 % Al, 5 % Cu, остальное Zn), заменяющие при температурах до 100 оС более дорогие оловянные бронзы;
- алюминиевые антифрикционные (подшипниковые) сплавы, содержащие олово, медь, никель и кремний: АО3-1 (3 % Sn, 1% Cu, 0,4 % Ni, 1,9 % Si, остальное Al), АО9-2, АО20-1, АН-2,5 (2,5 % Ni, остальное Al).
В настоящее время в малонагруженных подшипниках расширяется использование втулок из полимерных и композиционных материалов, состоящих либо из одного полимера (капрон, фторопласт-4), либо полимера с наполнителем (текстолит), либо из смеси порошков железо-графит, бронза-графит, металлофторопласт и т. п. Применение подшипников скольжения из самосмазывающихся пластмасс упрощает конструкцию, снижает издержки при изготовлении и эксплуатации изделий.
Углеграфитовые антифрикционные материалы используются для работы без дополнительной смазки в различных газовых и жидких агрессивных средах (кислотах, щелочах, растворах солей и органических растворителей) в широком диапазоне температур от –200 до +2000 оС*.
Ограниченное применение имеют антифрикционные материалы на основе древесины твердых пород (бакаута, самшита, бука) и фтороуглеродных резин, предназначенные для работы в водной среде, выполняющей роль смазки.