Изобретение относится к металлургии сплавов на основе свинца, предназначенных для изготовления подшипникового слоя (литого, спечённого, накатного) в многослойных тонкостенных подшипниках скольжения, малонагруженных коренных и шатунных подшипников, вкладышей, упорных подшипников для двигателей внутреннего сгорания, например дизельных.
Известен подшипниковый сплав на основе свинца, содержащий, мас. %:
Олова 14-18
Медь 6-10
Свинец Остальное [1]
и сплав на основе свинца, содержащий, мас. %:
Висмут 28-34
Олова 18-26
Кальций 0,1-0,2
Свинец Остальное [2].
Эти сплавы по химическому составу и содержании олова и свинца, а также областей их применения являются аналогом заявляемого сплава. Они отличаются невысоким уровнем коррозионной стойкости.
Прототипом заявляемого сплава является свинцовый баббит Б(PbSb15Sn10) по ГОСТу 1320 – 74, содержащий, мас. %:
Сурьма 14-16
Олова 9-11
Свинец Остальное.
Данный сплав обладает также недостаточным уровнем коррозионный стойкости в агрессивных средах, что ограничивает области его использования.
Целью изобретения является повышение коррозионной стойкости баббита Б(PbSb15Sn10) по ГОСТу 1320 – 74, при сохранении усталостной прочности.
Для достижения поставленной цели известный свинцовый баббит Б(PbSb15Sn10), содержащий сурьму и олова, легируется дополнительно одним металлом из группы алюминий, бериллий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Сурьма 14-16
Олова 9-11
Один металл из группы
алюминий, бериллий, висмут 0,1 – 2,0
Свинец остальное.
Из предложенного сплава изготавливают антифрикционный слой в многослойном подшипнике скольжения. Слой преимущественно наносят электрохимическим способом толщиной 0,002-0,05 мм.
Коррозия сплавов свинца с сурьмой зависят не только от концентрации добавки в сплаве, но и от способа отливки анодов. При низком содержании сурьмы (1-6%) в сплаве коррозия имеет преимущественно интеркристаллитный характер, при большем содержании (до 13%) интердендритный характер. Увеличение содержании сурьми до 3% почти не сказывается на стойкости сплава и лишь в диапазоне от 3% до 6% происходит существенное снижение коррозии с 11,6 до 8 мг/(Аꞏ ч), приходящее на состав Pb+4,25%Sb. Резкое изменение скорости коррозии происходит на сплавах, содержащих от 40 до 60% сурьмы.
Растворимость олова в свинце сильно изменяется в зависимости от температуры, в частности, резко снижается от 29 мас.% при эвтектической температуре (183 ⁰С) до 1,9 мас.% при комнатной температуре.
Аноды из сплавов свинец-олова более стойки, чем из свинца. Стойкость анодов повышается с увеличением концентрации олово в сплаве и достигает максимума при 15%. Особенно коррозионная стойкость сплавов свинец-олова увеличивается до содержания олова 2,5 мас.%. Дальнейшее повышение концентрации олова в сплаве с переходом в эвтектическую область сопровождается увеличением коррозии, хотя она и ниже, чем для чистого свинца.
В системе Pb-Al область растворимости алюминия в свинце составляет меньше 0,1 мас.% вблизи температуры перитектики. Эта система служит простейшим примером систем, в которых образуются химические соединения: свинец образует с алюминием только одно соединение Al2Pb, а в твердом состоянии эти металлы взаимно нерастворимы. Свинец диалюминий — бинарное неорганическое соединение свинца и алюминия с формулой Al2Pb, кристаллы.
Вместе с тем увеличение коррозии свинцово-алюминевых сплавов в область концентрации выще 0,25 мас.% очевидно, связано нетолько со структурой сплава, но и с критическим соотношением Al2Pb и фазы Pb, при котором она определяет коррозию. Электрохимический потенциал этой фазы является очень высоким и может, таким образом, выступать в качестве катода, управляющего коррозией легированной матрицы.
Бериллий в количествах 1,0-1,5 мас.% в составе бинарных или тройных сплавов придает анодам повышенную начальную стойкость, но в процесса электролиза это качество постепенно снижается.
Поскольку бериллий образует со свинцом очень ограниченные твердые растворы, коррозионно определяющей фазой является соединение BePb3. В связи с этим, а также учитывая стабильность скорости коррозии низкопроцентных сплавов в ходе длительной поляризации можно предполагать, что граница растворимости бериллия в свинце близка к 0,069 мас.%.
В результате упрочнения твердого раствора, бериллий улучшает механические свойства и приводит к уменьшению зернистости, однако также приводит к микропористости с тенденцией образования горячих трещин, начиная с содержания от 1,5 до 2 мас. % в двухкомпонентном Pb-Be и трехкомпонентном Pb-Sb-Be сплавах.
Присутствие большого количества висмута в свинце (≥2 мас.%) приводит к увеличению
во времени скорость анодной коррозии. В двухфазном сплаве Pb+BiPb3 фаза соединения BiPb3 является нестойкой, поэтому можно сделать вывод о межкристаллитном характере коррозии, т.е. о преимущественном растворении этой фазы, что приводить к развитию поверхности, глубокому проникновению коррозионных процессов и усиленному осыпанию окисленных продуктов.
Для сплавов соответствующих по составу области растворимости висмут в свинце (<1,0мас.%Cd), можно отметить заметное повышение стойкости, стабильной в ходе длительной поляризации. Таким образом, как и в случае присадок алюминия и бериллия, коррозионные свойства сплавов свинца с висмутом зависят от их структуры и свойств, составляющих сплава.
Для опробования предложенного сплава приготавливают композиции, химический состав которых приведён в таблице.
Примеры получения сплавов
Свинцовый баббит c алюминием, бериллием и висмутом получали в шахтной лабораторной печи СШОЛ при температуре 450 – 500°С путём плавки свинца марки С1 (99,985 % 
) (ГОСТ 3778-77), олова марки ОВЧ-000 (99,999 % ) (ГОСТ 860-75), сурьмы металлической марки Су00 (99,9 % ) (ГОСТ 1089-82), алюминия марки А8(99,8% Al) ГОСТ 11069-2019, металлического бериллия марки Бр1 (99,8% Ве) ГОСТ Р 57516-2017 и металлического висмута марки Ви00 (99,98 % Bi) ГОСТ 10928-90. Далее из расплава в металлический кокиль отливали цилиндрические образцы диаметром 8 мм и длиной 120 мм, для исследования коррозионно-электрохимических свойств. Торцевая часть образцов служила рабочим электродом для исследования электрохимических свойств. Состав полученных сплавов контролировался взвешиванием шихты и полученных сплавов.
Исследования электрохимических свойств сплавов проводили на импульсном потенциостате ПИ-50-1.1 потенциостатическим методом в потенциодинамическом режиме при скорости развертки потенциала 2 мВ/с, с помощью программатора ПР-8 и самозаписа ЛКД-4. Температура раствора поддерживалась постоянно 20°С, с помощью термостата МЛШ-8. Электродом сравнения служил хлоридсеребряный, а вспомогательным - платиновый.
Исследование коррозионно-электрохимических свойств свинцового баббита Б(PbSb15Sn10) с алюминием, бериллием и висмутом проводилось в соответствии с рекомендациями ГОСТ 9.017-74, в среде водного раствора 3%-ного NaCl как заменителя морской среды. Результаты исследования обобщены в таблице.
Из приведённых в таблице электрохимических характеристик и скорости коррозии свинцового баббита Б(PbSb15Sn10) с алюминием, бериллием и висмутом следует, что добавки алюминия, бериллия и висмута в пределах 0,1÷2,0 мас. % способствуют смешению в область положительных значений потенциалов свободной коррозии (Есв.кор.), питингообразования (Еп.о.) и репассивации (Ерп.), результатом чего является снижение скорости коррозии и плотности тока коррозии сплавов на 28%.
Механизм действия алюминия, бериллия и висмута на рост коррозионной стойкости исходного баббита Б(PbSb15Sn10) заключается в сдвиге всех электрохимических потенциалов сплавов в область положительных значений и снижении плотности тока коррозии и скорости их коррозии.
Расчёт экономический эффективности изобретения
Повышение на 28% коррозионной устойчивости свинцового баббита Б(PbSb15Sn10), легированием алюминием, бериллием и висмутом позволяет на столько же уменьшить металлоёмкость изготавливаемых из них изделий. При стоймости 1 тонны свинца 2400$ США 28%-е снижение металлоёмкости изготавливаемых из его сплавов изделий при объеме производства 1000 тонн в год составляет: $2400∙280=672.000$.
