Почему картер льют из силумина, вкладыш заливают баббитом, а шину делают из меди? Выбирай деталь и сплав, смотри, где выигрыш и где проигрыш, состаривай дюраль по дням и разглядывай баббит под лупой.
Цветными называют все металлы, кроме железа и его сплавов. В технике чаще всего встречаются четыре семьи. Алюминиевые сплавы втрое легче стали и хорошо отводят тепло: из них льют картеры и корпуса. Медь лучше всех проводит ток и тепло, а ее сплавы латунь и бронза хорошо скользят по стали и не ржавеют. Баббит очень мягкий: им заливают вкладыши подшипников, чтобы вал скользил по тонкому слою масла. Титан легкий и прочный, как хорошая сталь, но дорогой.
Выбрать сплав значит решить, чем пожертвовать. Медная шина тяжелее алюминиевой, алюминиевый шатун не держит нагрев, а бронзовая втулка в десять раз дороже стальной. Ниже опыт: выбери деталь и сплав и посмотри, где выигрыш, а где проигрыш. Там же дюраль твердеет по дням после закалки, а баббит видно под лупой.
ⓘ Свойства сплавов типичные, округлены. Цена условная: сколько стоит килограмм по сравнению со сталью 40Х.
Три простые оценки, по которым сравнивают сплавы. Карточка, которая работает в опыте сейчас, подсвечена. Числа берутся из опыта.
Какой металл прочнее на килограмм?
Представь проволоку, подвешенную за один конец. Чем она длиннее, тем больше тянет ее собственный вес. Длина, при которой она оборвется, и есть удельная прочность. От толщины проволоки она не зависит.
Насколько легче алюминиевая шина?
Чтобы шина грелась так же, ее сопротивление должно быть тем же. Хуже проводит, значит сечение больше во столько же раз. А масса это сечение, умноженное на плотность.
Как дюраль крепнет после закалки?
Сразу после закалки сплав мягкий, потом прочность растет и выходит на полку. Время τ зависит от температуры очень сильно: τ = τ20 · e(Q/R)(1/T − 1/293). На морозе оно вырастает в сотни раз.
При 500 °C медь растворяется в алюминии полностью, как сахар в горячем чае. Если резко охладить сплав в воде, медь не успевает выделиться и остается в растворе. Раствор пересыщен: меди в нем больше, чем алюминий может удержать при комнатной температуре.
Атомы меди потихоньку перебегают и собираются в тонкие плоские скопления, зоны Гинье-Престона. Каждая зона искажает решетку вокруг себя. Когда металл пытается пластически сдвинуться, сдвиги упираются в эти искажения. Поэтому прочность растет, а пластичность падает.
Перебегать атомам помогает тепло. На морозе они почти стоят, поэтому старение замирает. На этом держится старый прием ремонтников: заклепки из Д16 закаливают и хранят в морозильнике, а ставят мягкими.
Корпуса ГМП, картеры, крышки и головки цилиндров льют из силуминов АК7 и АК12. Они легкие, хорошо заполняют форму и отдают тепло. Трещину в таком корпусе заваривают аргоном, а не обычным электродом.
Коренные и шатунные вкладыши дизелей: стальная лента, тонкий антифрикционный слой (баббит, свинцовистая бронза или алюминиевый сплав) и приработочное покрытие. Перегрев и нехватка масла выплавляют этот слой первым.
Шины, кабели, обмотки генераторов и тяговых двигателей: медь или алюминий. Стык меди с алюминием на влажном воздухе разрушается коррозией, поэтому ставят медно-алюминиевые пластины и контактную пасту.
Направляющие втулки цилиндров, втулки насосов и золотников делают из бронзы, фитинги и штуцеры из латуни. Бронза скользит по хромированному штоку и не задирает его.
Старые радиаторы медно-латунные: их легко паять в мастерской. Новые алюминиевые легче и дешевле, но их чинят только заменой секций или аргоном, и им нужен правильный антифриз.
В горной технике редки из-за цены. Титан стоит в насосах и теплообменниках для кислых растворов на фабрике, магний в корпусах ручного инструмента. Титан не ржавеет даже в соленой воде.
Свойства сплавов взяты типичные для распространенного состояния (Д16Т, АК7ч после Т5, АМг6 отожженный, АД31 Т1, медь М1 мягкая, латунь Л63 полутвердая, БрАЖ9-4 деформированная, ВТ6 отожженный) и округлены. Коррозия и антифрикционность оценены баллами от 1 до 5 по справочникам, это качественная оценка. Цена условная: отношение к стали 40Х, на рынке она меняется. Масса детали посчитана грубо: у корпуса, вкладыша, болта, радиатора и втулки форма та же, у шатуна сечение пересчитано на ту же прочность, у шины на то же сопротивление. Модель старения Д16 подобрана по порядку величин: σв от 290 до 440 МПа, при +20 °C основной рост за 1–2 суток, энергия активации около 70 кДж/моль. Время при морозе это оценка, на деле его проверяют по технологической карте. Баббит показан схемой: размеры кристаллов, глубина приработки и падение твердости с нагревом (около 30 HB при 20 °C и вдвое меньше около 110 °C) округлены.