Общие сведения о цветных металлах и сплавах, применяемых в конструкции автомобилей

В автомобилестроении наиболее часто применяют сплавы, основными компонентами которых являются такие цветные металлы, как алюминий, медь, цинк, олово, свинец. В виде собственно металлов алюминий, например, используется для защиты алю­миниевых сплавов от коррозии путем нанесения на их поверх­ность тонкой пленки (плакирование). Из меди изготовляют элект­рические провода. Почти половина добываемых цинка и олова расходуется на покрытие поверхности соответственно черных ме­таллов (цинкование) и консервной жести (лужение). Из свинца изготовляют пластины, перемычки и клеммы аккумуляторных батарей.

Цветные металлы, как и черные, получают из руд. Однако в рудах цветных металлов, кроме алюминия, содержание главного металла крайне низкое и, как правило, не превышает 1 ...4 %.

Поэтому первым этапом производства большинства цветных металлов является обогащение руд на обогатительных фабриках, в результате которого получают концентраты, содержащие 50...70 % основного металла. Обогащение осуществляют чаще всего фло­тационным методом с применением эффективных флотореагентов.

Сущность флотации заключается в разделении мелких твердых частиц, основанном на различии их в смачиваемости водой. Для этого руду измельчают до крупности 0,1... 0,2 мм и смачивают водой или специальными жидкостями в специальных машинах. При этом образуется жидкая смесь — пульпа, которая перемешивается ме­шалкой и насыщается воздухом. Вследствие плохой смачиваемо­сти частички металла прилипают к пузырькам воздуха и поднима­ются на поверхность пульпы, отделяясь от хорошо смачиваемых частиц. В результате на поверхности пульпы в машине образуется слой минерализованной пены, которая сгребается в желоб маши­ны, а далее направляется в сгустители, фильтрующие и сушиль­ные устройства.

Полученный концентрат поступает на металлургические заво­ды, где подвергается сложной переработке несколькими техноло­гическими процессами, чередующимися определенным образом. К числу таких процессов относятся автогенная плавка, электро­термия, гидрометаллургия (электролитический способ), химиче­ская обработка и др., с помощью которых из концентрата получают почти чистые цветные металлы с процентным содержанием свы­ше 99 %.

В целом процесс получения цветных. металлов более трудоем­кий и энергоемкий, чем получение черных металлов, поэтому они значительно дороже последних.

Алюминий получают в основном из бокситов, в которых его содержание составляет до 40...60 %. Производство алюминия на­чинается с получения щелочным или электрометаллургическим способом глинозема А1₂О₃, подвергаемого в дальнейшем электро­литическому разложению с образованием металлического алюминия (алюминия-сырца). Заканчивается производственный процесс рафинированием для удаления из алюминия различных примесей и растворенных газов.

Свинец получают из галенита (РbS) путем окислительного об­жига, восстановления (до Рb) и рафинирования. Для получения меди вначале обогащают сульфидную руду, содержащую медный колчедан (СиFе₂S), затем концентрат очищают и плавят на мед­ный штейн. Далее штейн переплавляют в медеплавильном конвер­тере, получая черновую медь, которую рафинируют для удаления примесей.

Алюминиевые сплавы обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью, хорошей технологичностью при малой плот­ности. В их состав входят медь, магний, кремний, цинк, марганец и другие элементы. Они нашли самое широкое применение в ав­томобильных конструкциях.

Алюминиевые литейные сплавы на основе Аl—Si (силуми­ны) обладают достаточно высокой прочностью и удовлетвори­тельной пластичностью, высокой жидкотекучестью, пониженной склонностью к образованию горячих трещин, малой усадкой. Си­лумины маркируют буквами АЛ и цифрами, стоящими за буква­ми. Цифры указывают условный номер сплава.

Из алюминиевых сплавов изготовляют поршни двигателей, головки и блоки цилиндров, картеры коробок передач, тормозные барабаны, крышки распределительных шестерен и другие детали. Литейные сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удельную прочность и коррозионную стойкость.

Деформируемые алюминиевые сплавы используют для изготовления деталей дав­лением, прокаткой, прессованием, сваркой. Характерным пред­ставителем этих сплавов является дюралюмин, получаемый на основе алюминия, меди и магния. Например, дюралюмин Д16 содержит 4,4 % меди, 1,5 % магния, а также 0,6 % марганца и менее 0,5 % кремния и железа. Из деформируемых алюминиевых сплавов изготовляют силовые детали кузова (поперечины, стойки и др.), тормозные цилиндры, дверные пороги, обшивки, решетки и др.

Некоторые алюминиевые сплавы (например, дюралюмин) мо­гут упрочняться термической обработкой — закалкой и старени­ем — благодаря получению равновесной структуры. Кроме того, листы из дюралюмина могут быть плакированы, и тогда в конце маркировки ставится буква «А».

Медные сплавы получили наибольшее распространение в виде латуни и бронзы.

Латуни — сплавы меди с цинком. Для повышения механических и других свойств в состав латуни могут входить олово, свинец, кремний, марганец, никель, алюминий, железо. Маркировка латуни содержит буквы и цифры. Например, марка латуни ЛС60-3 означает: Л — латунь; 60 — содержание меди 60 % и цифра 3 — содержание свинца 3 %, остальное — цинк.

Латуни обладают высокой пластичностью и прочностью. Их мож­но обрабатывать давлением (способами волочения, прокатки, штамповки, горячего прессования).

Латуни применяют на автомобилях для изготовления деталей систем охлаждения: бачков и трубок радиаторов (латунь Л63), де­талей электрооборудования (Л72), различных втулок, пробок, штекеров, наконечников и т.д.

Бронзы — сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, свин­цом, бериллием. В их состав могут входить также никель, марганец и другие элементы.

Бронзы обладают высокой износостойкостью, низким коэф­фициентом трения, коррозионной стойкостью, хорошей упруго­стью, незначительной усадкой, хорошими жидкотекучестью и обрабатываемостью резанием. Различают две группы бронз: оло­вянные и безоловянные. Оловянные бронзы хорошо сварива­ются, паяются и обладают антифрикционными свойствами. Бtpоловянные бронзы содержат в качестве присадок алюминий, бериллий, никель, кремний, марганец и т.д. Эти бронзы отлича­ются высокими пределами упругости, текучести, временным со­противлением, обладают хорошей коррозионной устойчивостью.

Бронзу маркируют по аналогии с латунью: после сочетания букв «Бр» (бронза) приведено название компонентов сплава и их процентное содержание. Например, оловянная бронза БрОЦС5-5-5 — содержит по 5 % олова, цинка и свинца и 85 % меди.

Бронзу на автомобилях применяют для изготовления деталей топливоподающей аппаратуры, втулок шатунов двигателей, плос­ких и круглых пружин в системе питания, упорных шайб, шесте­рен полуосей и т. д.

Антифрикционные сплавы — это сплавы на основе олова, свин­ца, меди или алюминия, обладающие высокими антифрикцион­ными свойствами. Такие сплавы применяют главным образом для изготовления вкладышей подшипников скольжения коленчатых валов, втулок распределительных валов. Указанные детали изго­товляют штамповкой из предварительно прокатанной ленты или полосы.

В настоящее время для подшипников скольжения используют биметаллические или трехслойные вкладыши, в которых рабочий слой представляет собой свинцовую бронзу или пластичные алю­миниевые сплавы, содержащие алюминий, сурьму и медь или алюминий, олово и медь.

В качестве антифрикционных материалов в автомобилестрое­нии наиболее широко применяют баббит, бронзу, алюминиевые и металлокерамические сплавы.

Баббиты — это антифрикционные материалы, основой кото­рых являются олово и свинец. Кроме них в состав баббитов вво­дятся легирующие компоненты, придающие им специфические свойства: медь увеличивает твердость и ударную вязкость, ни­кель — твердость и износостойкость, кадмий — коррозийную стой­кость, сурьма — прочность.

Баббиты применяются для заливки вкладышей подшипников скольжения, работающих при больших окружных скоростях и при переменных и ударных нагрузках.

По химическому составу баббиты классифицируют на группы: оловянистые (баббиты Б83, Б88); оловянисто-свинцовые (БС6, БС16); свинцовые (БК2, БКА).

Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловяни­стые баббиты. Оловянисто-свинцовые баббиты имеют несколько худ­шие антифрикционные свойства, но они дешевле. Свинцовые баб­биты применяют в подшипниках, работающих в легких условиях.

Подшипники скольжения из баббитов изготовляют в виде би­металлических деталей (вкладышей). Для ускорения приработки на их рабочую поверхность наносят тонкий слой сплава на оло­вянной или свинцовой основе.

Алюминиевые антифрикционные сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью, хорошими механическими и техноло­гическим свойствами. Их наносят в виде тонкого слоя на стальную основу, получая биметаллическую пластину. Для изготовления вкладышей подшипников коленчатого вала автомобильных дви­гателей используют сплавы алюминия с сурьмой, медью и други­ми компонентами (сплав САМ) или сплавы алюминия с оловом и медью (АО20-1).

Металлокерамические сплавы после прессования и спекания пропитываются смазками или маслографитовой эмульсией, хоро­шо прирабатываются к валу и обладают низким коэффициентом трения.

Припои — это металлы или сплавы, используемые при пайке в 1 качестве промежуточного металла (связки) между соединяемы­ми деталями. По температуре расплавления припои разделяют на группы:

легкоплавкие (145...450°С) оловянно-свинцовые (ПОС),

оловянно-малосурьмянистые и сурьмянистые (ПОССу) и др. Последние широко применяются при пайке и лужении в автомобильной промышленности;

среднеплавкие (450... 1100°С) медно-цинковые припои! (ПМЦ-54, Л63, Л68) широко используются при пайке стали, жести и медных сплавов;

высокоплавкие (1100... 1430°С) многокомпонентные припои на основе железа применяют для закрепления твердосплав­ных пластин на режущем инструменте (сверла, резцы и т.п.).

ТВЁРДЫЕ СПЛАВЫ

Общие сведения

Технология порошковой металлургии основана на использова­нии в качестве исходного сырья порошков металлов или смеси их с неметаллическими порошками, которые прессуются (формуются) в изделия или заготовки требуемой формы, размеров и плотности. Она имеет некоторое сходство с технологией керамического произ­водства. Поэтому изделия, изготавливаемые методами порошковой металлургии, известны под названием металлокерамических.

Особенно быстрое развитие порошковая металлургия получила в начале XX столетия в связи с потребностями электротехники в материалах, .которые невозможно было получить другими, известными в то время способами. Методами порошковой металлургии начали получать в промышленных масштабах вольфрам, молибден, медно-графитовые щетки. В 1926—1927 гг. были получены металлокерамические твердые сплавы для режущего инструмента, несколь­ко позже — постоянные магниты, пористые подшипники и многие другие детали машин, и материалы из смесей металлов с неметал­лическими добавками.

В настоящее время на многих предприятиях освоено производ­ство из порошков массовых деталей общего назначения, антифрик­ционных и фрикционных элементов станков и транспортных машин, сплавов со специальными свойствами, обеспечивающими работо­способность машин в особо тяжелых условиях эксплуатации.

Особое значение металлокерамические материалы приобретают в свя­зи с развитием ядерной и ракетной техники, вычислительных, управляющих и других машин, определяющих технику ближайшего будущего.