CC BY
30
УДК 669.45
А. С. Фильченков1, канд. техн. наук В. П. Грицай2, Г. В. Иванов1
1 Запорожский механический завод, 2 Государственная инженерная академия,
г. Запорожье
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА ГАЗОНАСЫЩЕННОСТЬ И ОБРАЗОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ ВСПУЧИВАНИЯ ПЕРЕПЛАВА БАББИТА БК2
Определена насыщенность свинца и его сплавов кислородом, водородом и азотом и проанализировано образование дефектов вспучивания на образцах чушек переплава баббита БК2. Установлено оптимальное содержание магния (0,02... 0,05 %) и натрия (0,16... 0,23 %) в переплаве, при котором минимизируется возможность образования этих дефектов.
Введение
Кальциевые баббиты склонны к вспучиванию, которое возникает после окончательной механической обработки вкладышей в процессе их хранения на складах [1].
Вспучивание приводит к бракованию вкладышей, также возможен преждевременный выход из строя подшипника по усталостному разрушению баббитового слоя. Дефекты баббитового слоя в виде вспучивания могут быть крупные, диаметром 2-15 мм и мелкие от 0,2 до 2 мм, максимальная глубина их залегания - 1 мм. Характерный вид дефектов, обнаруженных нами на вкладыше дизеля Д50 показан на рис. 1.
В этой же работе Буше Н.А. [1] было установлено, что подшипники, имеющие дефекты в виде вспучивания, всегда содержат повышенное количество растворенного водорода. На отдельных участках баббитового слоя увеличенные концентрации водорода создают повышенное давление, которое приводит к деформации слоя.
При взаимодействии с металлами водород образует различные соединения [2]. Со щелочными и щелочноземельными металлами он образует гидриды, представляющие собой кристаллические соединения с ионной связью.
По этим данным растворимость водорода в химически чистом свинце в твердом состоянии практически отсутствует. Однако, при добавлении к свинцу магния растворимость водорода увеличивается. При содержании 1 % магния растворимость водорода составляет 0,18 см3/100 г; при 1,6 % - 1,6 см3/100 г; при 17,5 % - 4,8 см3/100 г. Автор предполагает, что растворимость водорода увеличивается в связи с образованием в сплаве интерметаллических соединений.
Как известно [2], водород может находиться в металле в различных состояниях:
- в межузлиях кристаллической решетки, образуя раствор внедрения в атомарной форме;
- в трещинах, пустотах, раковинах, порах и других несплошностях;
- в виде химического соединения с основным металлом или примесями.
I IVlLIpH вспучивания
Рис. 1. Характерный вид дефектов на вкладыше дизеля Д50
Атомарный водород, растворимый в металле, при изменении физико-химических условий может собираться в любых несплошностях металла-растворителя. Адсорбированные в несплошностях атомы реком-бинируются в молекулы и находятся там в молекулярной форме. В зависимости от предельной растворимости водорода, его фактической концентрации в решетке и парциального давления, содержание водорода в молекулярной и атомарной формах сдвигается в ту или иную сторону. Так как степень диссоциации молекулярного водорода при низких температурах мала, равновесие постепенно сдвигается в сторону молекулярного водорода, возрастанию давления молекулярного водорода, иногда до 1000 МПа, что и
© А. С. Фильченков, В. П. Грицай, Г. В. Иванов, 2007
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2007
85
является причиной деформации металла и образования вспучиваний.
Газовые пузыри возникают в результате образования зародышей и последующего их роста. Критический размер зародыша определяется уравнением Гиббса
^ = р + кТЫ 1пС, г0 С о
где у - удельная поверхностная энергия;
к - постоянная Больцмана;
N - число атомов в единице объема;
Т - абсолютная температура;
С - действительная концентрация водорода в металле;
Со - равновесная концентрация водорода;
р - давление;
го - радиус поры.
Как видно из уравнения, увеличение пересыщения расплава водородом облегчает самопроизвольное образование зародышей и дальнейший их рост.
В начальный момент времени давление водорода в пузыре велико и происходит увеличение размера полостей. Этот процесс происходит до тех пор, пока в полости пузыря не образуется равновесная концентрация водорода. Если степень пересыщения водородом велика, то пористость может возникать не только в жидких металлах, но и в твердых. Равновесие между давлением газа в поре и силами поверхностного натяжения, действующими на неё, сохраняется для каждой поры. Давление в поре зависит от ее радиуса -чем больше давление, тем меньше радиус. Поэтому малые поры термодинамически менее устойчивы, чем
большие. Из-за диффузии водорода и вакансий, со временем происходит их укрупнение.
Как уже указывалось, растворимость водорода в свинце при комнатной температуре невелика. Однако введение в расплав натрия, кальция, олова и особенно магния способствует повышению растворимости водорода. При достижении предельной растворимости водород начинает диффундировать в решетку металла-растворителя и скапливается в несплошностях (разделы фаз, микропустоты) у неметаллических включений, газовых раковин, усадочных пор. При этом давление его возрастает, что облегчает образование и распространение трещин и приводит к уменьшению пластичности и разрушению баббитового слоя.
Материалы и методика исследования
Для проведения исследований были взяты пробы чушковых сплавов БК2, БК2Ш, образцов залитого в подшипник баббита, а также слитков переплава баббитовой стружки, которые используются в шихте плавки при заливке вкладышей подшипников скольжения. Газовый состав всех проб определялся нами методом вакуумного плавления в лаборатории цветных металлов ВНИИЖТ [2]. Кроме того была исследована газонасыщенность чистого свинца. Для исследования влияния химического состава сплава на газонасыщенность были взяты различные пробы переплава стружки баббита БК2. Изучение дефектов вспучивания вели на образцах переплава баббита БК2, чушки которого хранились 1 год в сухом помещении. Количество и размер дефектов вспучивания подсчитывалось при помощи бинокулярной лупы при увеличении х7.
Результаты определения содержания газов в пробах свинца, баббита и переплава баббита приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Газовый состав исследуемых материалов
Сплав Содержание газов
О2 весовые % Н2 N2
см3/100 г весовые % см3/100 г весовые %
свинец 0,0025 1,72 0,00015 1,68 0,0021
баббит БК2 чушковой 0,0023 10,66 0,00095 1,66 0,0021
баббит БК2Ш чушковой 0,0019 9,68 0,00086 2,66 0,0033
баббитовый слой вкладыша 0,0260 29,58 0,0026 4,08 0,0051
переплав баббитовой стружки 0,047 68,35 0,0060 4,95 0,0053
Результаты исследования и их обсуждение
Как видно из табл. 1, чистый свинец содержит наименьшее количество водорода. Увеличение содержания водорода в сплавах БК2, БК2Ш объясняется тем, что его адсорбционная способность заметно возрастает под влиянием химических элементов, которые образуют с ним соединения. Натрий, кальций и магний образуют с водородом гидриды N8^ СаН2, МgН2. В баббитовом слое вкладыша количество газов еще более увеличивается.
Это можно объяснить, тем, что помимо таких факторов, как скорость кристаллизации, температура заливки и др. на увеличение количества растворенного водорода в баббитовом слое подшипника оказывает влияние введение переплава стружки. Материал стружки переплава имеет сильно развитую поверхность, из-за чего на нем адсорбируется большое количество газов, в том числе водорода и паров воды [3]. Следовательно, использование большого количества переплава при заливке вкладышей способствует наводорожива-нию баббитового слоя.
В табл. 2 представлены результаты определения газонасыщенности сплавов разного состава.
Статистическая обработка [5] данных табл. 2 позволила получить следующую зависимость содержания водорода от химического состава сплавов: Н2 = (7,66 + 0,29 Х1 + 9,54 Х2) см3 / 100 г,
где Х - содержание натрия, %;
Х2 - содержание магния, %.
Анализируя полученную зависимость, можно сделать вывод, что основное влияние на содержание водорода оказывает магний, и в значительно меньшей степени натрий. Содержание кальция не оказывает заметного влияния. Следует отметить усиливающее влияние натрия и магния друг на друга.
Анализом данных табл. 2 определено оптимальное содержание натрия и магния, исходя из минимальной газонасыщенности баббита: 0,16 - 0,23 % № и 0,02 -0,05
Дальнейшего снижения газонасыщенности за счет уменьшения содержания легирующих элементов нельзя допускать т. к. начнут резко снижаться прочностные свойства сплава.
Кроме определения газонасыщенности было проведено изучение дефектов вспучивания на образцах, взятых от чушек переплава баббита БК2.
Как показал визуальный осмотр, вспучивание было на всех образцах, однако их количество и размеры различаются в зависимости от состава сплава.
Результаты осмотра образцов представлены в табл. 3. Номера химического состава и сплавов соответствуют табл. 2.
Как видно из табл. 3, закономерности возникновения дефектов вспучивания сохраняются такими же, как и для газонасыщенности сплавов. Это еще раз подтверждает водородную природу вспучивания.
Как уже отмечалось, вспучивание наблюдается при складском хранении вкладышей в течение достаточно долгого времени после заливки (порядка 1 года).
Анализ многолетних данных показал, что во всех дефектных подшипниках содержание магния находилось на высоком уровне. Критическим для вспучивания является содержание магния более 0,06 %, при этом содержание натрия не должно превышать 0,3 %. Эти значения и были положены в основу разработанной малоотходной технологии изготовления бронзо-баббитовых вкладышей.
Выводы
1. При вспучивании баббитового слоя подшипников в сплаве всегда имеется большое количество
Таблица 2 - Химический состав сплавов и результаты их газовых анализов
№ сплава Химический состав в % Содержание газов
№ Са О2 Н2 N2
массовые % см3/100г массовые % см3/100г массовые %
1. 0,14 0,06 0,031 0,0023 6,78 0,0006 1,23 0,0015
2. 0,26 0,056 0,02 0,0024 7,56 0,00067 1,42 0,0018
3. 0,14 0,186 0,013 0,0023 6,89 0,00061 1,35 0,0017
4. 0,27 0,131 0,014 0,0022 7,24 0,00064 1,38 0,0017
5. 0,14 0,08 0,1 0,0027 7,88 0,0007 1,41 0,0018
6. 0,3 0,08 0,084 0,0029 8,42 0,00075 1,45 0,00181
7. 0,14 0,19 0,1 0,0027 7,92 0,0007 1,32 0,00167
8. 0,28 0,16 0,076 0,0028 8,57 0,00076 1,42 0,0018
9. 0,21 0,11 0,051 0,0027 7,06 0,00076 1,33 0,00167
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2007
87
Таблица 3 - Количество и размер дефектов вспучивания
№ сплава Размер дефектов 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Крупные (2-15мм) - - - - - 3 1 4 -
Мелкие (менее 2мм) 36 43 37 46 49 67 56 78 44
растворенного водорода.
2. Основное влияние на газонасыщенность сплава оказывает магний.
3. Натрий и магний при совместном введении взаимоусиливают воздействие на насыщенность металла водородом.
4. В результате исследований определен верхний предел содержания магния в сплаве, которым заливается вкладыш (0,06 %). Оптимальное содержание натрия составляет 0,16-0,23 %.
5. Содержание кальция не оказывает заметного влияния на газонасыщенность баббита.
Перечень ссылок
1. Буше Н.А. Вспучивание свинцового сплава. - Сб. Исследование сплавов цветных металлов, № 3. ИМет им. Байкова. - Изд. АН СССР, 1962. - С. 195-203.
2. Котрелл П. Водородная хрупкость металла. - М.: Ме-таллургиздат, 1963. - 123 с.
3. Фильченков А.С., Иванов Г.В., Грицай В.П. Особенности технологии заливки вкладышей подшипников скольжения кальциевым баббитом. - Металлургия. Запорожье: ЗГИА, 2005. - 159 с.
4. ГОСТ 17745 - 90.
5. Володарский Е.Т., Малиновский Б.Н., Туз Ю.М. Планирование и организация измерительного эксперимента. - Киев: Вища школа, 1987. - 279 с.
Одержано 27.12.2006
Визначено насичетстъ свинцю та його cmaeie киснем, воднем та азотом та np0aHani30eaH0 виникнення дефектiв вспучення на зразках чушок переплаву бaбiту БК2. Встановлено оптималъний змкт мaгнiю (0,02... 0,05 %) та нaтрiю (0,16... 0,2 3%) в переплaвi, при якому мiнiмiзуeтъся можливiстъ утворення цих дефектiв.
The saturation of lead and its alloys by oxygen, hydrogen and nitrogen has been determined. The formation of bubbling defects on pigs by remelting of babbit BK2 was analyzed. The optimal contents of magnesium (0,02... 0,05 %) and sodium (0,16... 0,23 %) by remelting which reduced the formation of these defects to a minimum have been established.
