Изобретение относится к области металлургии свинцовых сплавов, предназначенных для формирования подшипникового слоя различного типа — литого, спечённого или накатного — в многослойных тонкостенных подшипниках скольжения. Сплавы применяются в малонагруженных коренных и шатунных подшипниках, вкладышах, а также упорных подшипниках двигателей внутреннего сгорания, в частности дизельных.
Известны подшипниковый сплавы на основе свинца, содержащие, 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].
Прототипом заявляемого сплава является свинцовый баббит Б(PbSb15Sn10) по ГОСТу 1320 – 74, содержащий, мас. %:
Сурьма 14-16
Олова 9-11
Свинец остальное [3].
Данный сплав по химическому составу и содержании олова и свинца, а также областей их применения являются прототипом заявляемого сплава. Он отличается невысоким уровнем коррозионной стойкости.
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 галлий, индий и таллий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Сурьма 14-16
Олова 9-11
Один металл из группы
галлий, индий, таллий 0,01 – 1,0
Свинец остальное.
Свинцовый баббит, легированный галлием, индием и таллием, получали в шахтной лабораторной печи СШОЛ при температуре 450–500 °С путём плавки свинца марки С1 (99,985 % Pb) по ГОСТ 3778-77, олова марки ОВЧ-000 (99,999 % Sn) по ГОСТ 860-75, сурьмы металлической марки Су00 (99,9 % Sb) по ГОСТ 1089-82, галлия марки Гл-1 (99,9 % Ga) по ГОСТ 12797-77, индия металлического марки Ин00 (99,9995 % In) по ГОСТ 10297-94 и таллия марки Тл00 (99,999 % Tl) по ГОСТ 18337-95. Далее расплав разливали в металлический кокиль, получая цилиндрические образцы диаметром 8 мм и длиной 140 мм для исследования коррозионно-электрохимических свойств. Торцевая поверхность образцов служила рабочим электродом при проведении электрохимических исследований. Состав полученных сплавов контролировали путём взвешивания шихты и готовых 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 использованием программатора ПР-8 и самописца ЛКД-4. Температуру раствора поддерживали постоянной (20 °С) с помощью термостата МЛШ-8. В качестве электрода сравнения использовали хлоридсеребряный электрод, а в качестве вспомогательного - платиновый.
Исследование коррозионно-электрохимических свойств свинцового баббита Б (PbSb15Sn10), легированного галлием, индием и таллием, проводили в соответствии с рекомендациями ГОСТ 9.017-74 в среде 3%-ного водного раствора NaCl, используемого в качестве имитатора морской среды. Результаты исследований обобщены в таблице.
Из приведённых в таблице электрохимических характеристик и значений скорости коррозии свинцового баббита Б (PbSb15Sn10), легированного галлием, индием и таллием, следует, что введение указанных добавок в количестве 0,01–1,0 мас. % приводит к смещению потенциалов свободной коррозии (Есв. кор.), питтингообразования (Еп.о.) и репассивации (Ерп.) в область более положительных значений. Это сопровождается снижением плотности тока коррозии и скорости коррозии сплавов примерно на 25 %.
Механизм влияния галлия, индия и таллия на повышение коррозионной стойкости исходного баббита Б (PbSb15Sn10) связан со сдвигом электрохимических потенциалов в положительную область, а также со снижением плотности тока и скорости коррозии.
Предложенный сплав используют для изготовления антифрикционного слоя многослойных подшипников скольжения. Слой преимущественно наносят механическим способом толщиной 0,002–0,05 мм.
Коррозия свинцово-сурьмянистых сплавов зависит не только от содержания сурьмы, но и от способа отливки анодов. При низком содержании сурьмы (1–6 %) коррозия носит преимущественно интеркристаллитный характер, при более высоком содержании (до 13 %) — интердендритный.
Увеличение содержания сурьмы до 3 % практически не влияет на коррозионную стойкость сплава. В диапазоне 3–6 % наблюдается существенное снижение скорости коррозии (с 11,6 до 8 мг/(А·ч)), характерное, в частности, для состава Pb + 4,25 % Sb. Резкое изменение скорости коррозии наблюдается в сплавах с содержанием сурьмы 40–60 %.
Растворимость олова в свинце существенно зависит от температуры и резко снижается с 29 мас. % при эвтектической температуре (183 °С) до 1,9 мас. % при комнатной температуре.
Аноды из сплавов системы свинец–олово обладают более высокой коррозионной стойкостью по сравнению с чистым свинцом. Стойкость анодов возрастает с увеличением содержания олова в сплаве и достигает максимума при концентрации около 15 %. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости наблюдается при содержании олова до 2,5 мас. %. Дальнейшее увеличение концентрации олова, с переходом в эвтектическую область, сопровождается ростом коррозии, хотя её уровень остаётся ниже, чем у чистого свинца.
Галлий, индий и таллий относятся к легкоплавким элементам, обладающим высокой химической активностью и склонностью к взаимодействию с металлическими матрицами, включая свинец. Введение этих элементов в свинцовые баббиты, даже в малых количествах, оказывает комплексное влияние на фазовый состав, структуру и коррозионные свойства сплавов.
Растворимость галлия в твёрдом свинце при температурах ниже 100 °С крайне ограничена и составляет не более 0,002–0,005 мас. % в соответствии с фазовой диаграммой системы Pb–Ga. В системе образуется эвтектическая смесь с температурой около 216 °С, включающая жидкую фазу, обогащённую галлием, и твёрдую свинцовую фазу.
Введение галлия способствует улучшению литейных свойств свинцовых баббитов, повышению смачиваемости и текучести расплава, что облегчает получение тонкостенных и сложнопрофильных изделий. При контролируемом легировании галлий способствует измельчению зерна и повышению однородности структуры сплава, что положительно влияет на его механическую стабильность.
Галлий в малых концентрациях (<0,01 мас. %) способствует формированию тонких, равномерных и плотных защитных оксидно-гидроксидных плёнок на поверхности свинцового баббита. Эти плёнки существенно снижают скорость электрохимической коррозии в агрессивных средах, включая водные растворы кислот и щелочей. Кроме того, галлий способствует снижению пористости и уменьшению количества микротрещин, что препятствует развитию локальной и щелевой коррозии.
Индий обладает более высокой растворимостью в свинце по сравнению с галлием. Он образует со свинцом ограниченные твёрдые растворы, а при повышенных концентрациях — интерметаллическую фазу PbIn. Введение индия повышает пластичность свинцовых сплавов при пониженных температурах, снижает температуру плавления при сохранении высокой плотности и позволяет использовать такие сплавы в низкотемпературных уплотнительных материалах.
Индий способствует улучшению адгезии пассивирующих слоёв, обеспечивая более стабильную и долговечную защиту от окисления. В составе свинцового баббита он снижает уровень гальванической микронеоднородности и уменьшает потенциалы анодного растворения, что в конечном итоге повышает коррозионную стойкость сплава, особенно в условиях циклических нагрузок и температурных перепадов. Кроме того, индий повышает устойчивость к межкристаллитной коррозии за счёт стабилизации межфазных границ и подавления сегрегации элементов.
Таллий растворяется в свинце в пределах 0,01–1,0 мас. % в зависимости от температуры и образует интерметаллические соединения типа Pb₃Tl. Введение таллия в ограниченных количествах способствует снижению ползучести и повышению теплопроводности свинцовых сплавов, что может быть полезно при их использовании в теплоотводящих элементах.
Таллий в концентрациях до 1,0 мас. % способствует повышению структурной однородности свинцового баббита, уменьшая гетерогенность электродных потенциалов и снижая вероятность образования локальных коррозионных очагов. Он также активизирует формирование плотной и устойчивой пассивной плёнки, эффективно противостоящей воздействию серосодержащих и хлорсодержащих сред. Дополнительно таллий повышает термохимическую стабильность защитных слоёв, что особенно важно при эксплуатации в агрессивных средах и при повышенных температурах.
Введение малых количеств (до 1,0 мас. %) галлия, индия и таллия оказывает положительное влияние на структуру и физико-химические свойства свинцового баббита, в частности на смачиваемость, пластичность и термическую стабильность. Однако при превышении критических концентраций возможно возникновение фазовой нестабильности, разрушение пассивных слоёв и снижение коррозионной стойкости сплава. При разработке свинцовых сплавов, легированных галлием, индием и таллием, необходимо тщательно контролировать их содержание и учитывать фазовые взаимодействия на уровне микроструктуры. Введение галлия, индия и таллия в состав свинцового баббита при оптимальном контроле их концентрации способствует значительному повышению коррозионной стойкости сплава за счёт формирования прочных пассивных плёнок, снижения локальной гальванической активности и повышения структурной однородности.
Указанные улучшения обеспечивают увеличение срока службы баббитовых подшипников, а также снижение вероятности преждевременного износа и коррозионного разрушения в эксплуатационных условиях.
Для экспериментальной проверки предложенного сплава готовят композиции, химический состав которых приведён в таблице.
Пример 1. Легирование свинцового баббита Б (PbSb15Sn10) галлием, индием и таллием в концентрациях 0,01–1,0 мас. % приводит к существенному повышению коррозионной стойкости сплава, снижая скорость коррозионного разрушения на 18–25 %. Это обеспечивает повышение долговечности и эксплуатационной надёжности подшипниковых материалов (см. табл.).
Увеличение срока службы изделий и снижение частоты ремонтов приводят к сокращению эксплуатационных и капитальных затрат. Повышенная коррозионная стойкость уменьшает необходимость применения дополнительных защитных покрытий и антикоррозионных обработок, что дополнительно снижает производственные расходы.
Экономическая эффективность применения указанных легирующих элементов выражается в увеличении межремонтных интервалов, снижении простоев оборудования и оптимизации совокупных затрат жизненного цикла изделий. Таким образом, использование галлия, индия и таллия в составе свинцового баббита Б (PbSb15Sn10) является перспективным направлением повышения качества и конкурентоспособности подшипниковых материалов в различных отраслях промышленности.
