Анализ диаграммы состояния сплава смеси системы

Свинец — сурьма

Сплав Рb — Sb относится к сплавам сме­сям (I тип), составляющие которого неограниченно растворяются в жидком виде, а в твердом состоянии нерастворимы и представляют собой механическую смесь кристаллов компонентов, образующих сплав.

Общий вид диаграммы приведен на рис. 3.3. Линия ACB — ликвидус, выше которой находит­ся область жидкого однофазного состояния (Ж). Линия DCE – солидус, ниже которой сплав находится в твердом двухфазном состоянии в виде смеси кристаллов свинца и сурьмы (Рb + Sb).

t,0C

6310

В

100%Pb 13 20 40 60 80 100%Sb %Sb

Е

А

D

3270

С

2460

Ж

Ж + Sb

Э (Pb+Sb)

Pb+Э

Sb + Э

Ж+Pb

Рис. 3.3. Диаграмма состояния системы свинец — сурьма

При охлаждении сплавов различной концентрации на линии AC из жидкого расплава выделяются кристаллы свинца, а на линии CB – кристаллы сурьмы.

На линии DCE происходит образование эвтектики, т.е. из жидкой фазы состава точки C (13% Sb) одновременно при постоянной температуре выделяются дис­персные кристаллы свинца и сурьмы. Эта линия называется линией эвтектического превращения. На ней в равновесии находятся три фазы: жидкая, кристаллы свинца и сурьмы. Точка C называется эвтектической, а сплав состава этой точки — эвтектическим (Э). Сплавы с содержанием сурь­мы менее 13% называются доэвтектическими (Э+Pb), а бо­лее 13% - заэвектическими (Э+Sb).

Проведение анализа сплава любой заданной концентрации, позволяет выявить закономерности структурообразования в процесс изменения температуры. По диаграмме состояния системы, пользуясь правилами фаз и отрезков, построим кривую охлаждения, например, заэвтектического сплава c концентрацией 45% Sb (рис. 3.4).

а) б)

Рис. 3.4. Построение схемати­ческой кривой охлаждения (б) сплава с

содержанием 45% сурьмы по диаграмме состояния Pb-Sb (а)

При охлаждении от исходной температуры t₀ точки 0 до t₁ точки 1 сплав находится в однофазном жидком состоянии. Определяем число степеней свободы С_0-1 = 2 – 1+1 = 2. Скорость охлаждения сплава максимальна, что характеризуется малым наклоном участка 0-1 кривой охлаждения.

С температуры t₁ начинается кристаллизация сурьмы, которая продолжается до температуры t₂, соответствующей линии эвтектического превращения. Сплав находится в двухфазном состоянии Ж+Sb, число степеней свободы С_1-2 = 1. Скорость охлаждения замедляется, что обусловливает больший наклон участка 1-2 кривой охлаждения. Охлаждение сплава в интервале температур t₁-t₂ приводит к его качественному изменению: в результате выпадения первичных кристаллов сурьмы жидкая фаза обедняется сурьмой и обогащается свинцом. Согласно правилу отрезков состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус от точки 1 при температуре t₁, до точки C при температуре t₂.

Описанный процесс фазовых превращений записывают в виде уравнения металлургической реакции

На линии DCE образование первичных кристаллов сурьмы заканчивается, а из оставшейся жидкости состава точки C (13%) происходит кристаллизация эвтектики Э=(Pb+Sb). Для сплава в точке 2 конодой является линия диаграммы DCE, которая показывает одновременное существование трех фазы: жидкости, кристаллов свинца и сурьмы. Число степеней свободы С₂ = 0, система безвариантна, следовательно образование эвтектики происходит при постоянной температуре. На кривой охлаждения наблюдается горизонтальный участок 2-2^/. Процесс кристаллизация эвтектики описывается уравнением

После кристаллизации сплав состоит из двух структурных составляющих: крупных первичных кристаллов сурьмы и эвтектики, представляющей собой мелкозернистую смесь кристал­лов сурьмы и свинца (рис. 3.5, в). Структурной составляющей называют обособленную часть структуры, имеющую при определенном уве­личении микроскопа однообразное строение.

В доэвтектических сплавах в интервале температур от линии ликвидус до линии солидус из жидкой фазы выпада­ют первичные кристаллы свинца, а жидкость обогащается сурьмой (до 13%) и обедняется свинцом. Доэвтектические сплавы после затвердевания состоят также из двух структурных составля­ющих: крупных кристаллов свинца и эвтектики (рис. 3.5, а).

а) б) в)

Рис. 3.5. Микроструктуры сплавов Pb – Sb (х135, травлено):

а– доэвтектоидного; б – эвтектоидного; в – заэвтектоидного

Сплав эвтектического состава (13%) кристаллизуется при пос­тоянной температуре, без предварительного образования кристаллов сурьмы или свинца. После затвердевания он состо­ит из одной структурной составляющей — эвтектики (рис. 3.5, б).

Сплавы смеси склонны к ликвации по удельному весу, т.е. к неоднородности по химсоставу в разных зонах слитка. Для предотвращения ее сплав перед разливкой интенсивно перемешивают либо вводят в него третий компонент, который образуя химическое соединение, препятствует возникновению ликвации. К таким сплавам относятся баббиты: подшипниковые сплавы системы Sb-Sn-Cu.

Применение сплавов смесей:

1. В качестве литейных, обладающих хорошей жидкотекучестью благодаря наличию в их структуре эвтектики.

2. Припои для пайки, например ПОС-61 (61% олова, остальное свинец). Сплав эвтектический, кристаллизуется при постоянной минимальной температуре 183 ⁰С.

3. Тепловые предохранители, т.к. сплавы смеси при любой концентрации имеют одинаковую температуру начала плавления (линия солидус). Это обеспечивает точность срабатывания предохранителей при повышении температуры до заданных значений.

4. Типографские шрифты (доэвтектический сплав Pb-Sb), дающие четкий отпечаток при повышенной, по сравнению с чистым свинцом, износостойкостью.

5. Вкладыши подшипников скольжения (баббиты), представляющие собой заэвтектические сплавы, состоящие из пластичной эвтектики с включениями кристаллов твердой фазы. Мягкая основа обеспечивает хорошую прирабатываемость к валу, а твердые включения повышают износостойкость и несущую способность подшипника.