Сплав олова со свинцом: структура, свойства, сферы применения

История открытия

Прежде чем говорить о производстве сплава нужно разобраться с тем, откуда появились его главные составляющие. По археологическим находкам историки установили, что впервые свинец появился 6 тыс. лет назад. Он содержался в серебряных рудах.

Благородный металл использовался для изготовления украшений, посуды, столовых приборов. Свинец считался отходом и поэтому не использовался. Однако постепенно люди заметили свойства этого материала. Сегодня он используется при производстве:

сплавов;
аккумуляторов;
конструкций, защищающих от радиоактивного излучения;
красящих составов, припоев для радиоэлектроники;
защитной оболочки для проводов.

Этот материал применяют в автомобилестроении.

Олово появилось около 3500 лет назад. Изначально оно использовалось для изготовления столовых приборов. В современной промышленности этот материал используется для создания консервных банок. Началось это с 1810 года, когда люди научились хранить продукты с помощью металлических емкостей. Олово используется при изготовлении радиаторов для автомобилей, подшипников.

Олово часто применяется для изготовления деталей промышленного оборудования. Это связано с его повышенным показателем твердости, прочности. Соединения этого металла со свинцом используется при создании подшипников, так как смесь считается износоустойчивой.

История

Олово известно людям шесть тысяч лет. Но как компонент бронзы. Чистый металл выделили к XII веку. Через восемь столетий историю открытия пополнила разгадка феномена «оловянной чумы».

Олово как металл упоминают книги Библии и энциклопедист раннего Средневековья Роджер Бэкон.

Интересна этимология названия. Наименование stannum восходит к санскриту и означает «прочный, стойкий». Так именовали сплавы, и лишь с 4 века термин применяется к олову.

Термин «олово» есть в балтийских и всех славянских языках. Однако у славян он обозначает свинец. В балтийской группе основой служит наименование металла по цвету: белый либо желтый.

Состав и структура

Соединения часто содержат не только два основных компонента, но и легирующие добавки. Основной из них является сурьма. Соединением может содержать до 15% этого вещества. Другими легирующими добавками является серебро, кадмий висмут. Серебро, сурьма действуют одинаково. Их добавляют, когда нужно увеличить температуру плавления материала. Если нужно сделать смесь менее тугоплавкой, она насыщается висмутом, кадмием.

Когда нужно создать износоустойчивый материал, который будет выдерживать постоянное трение, смесь дополняется медью. Благодаря множеству легирующих добавок, которые можно использовать при производстве сплавов олово и свинца, соединения используют в разных направлениях промышленности.

Плавление сплава

Литье олова в домашних условиях

Как уже отмечалось, литье из олова в домашних условиях используют для получения рыболовных снастей, фигурок, например, солдатиков и пр. Порядок выполнения отливки из олова выглядит следующим образом:

Изготовление формы.
Литье изделия.
Механическая обработка отливки.

Для выполнения литья олова в домашних условиях понадобится:

Кухонная плита;
Олово.
Форма для отливки.
Напильник, скальпель и некоторые другие несложные инструменты.

Оснастку, выполненную из алюминия или силикона, можно использовать по нескольку раз. Для получения качественного результат придется потратить много времени, при этом желательно иметь определенные художественные навыки. После того как фигурка будет отлита ее желательно раскрасить. Для этого применяют акриловые краски. Для того чтобы она хорошо легла фигурку перед началом работы необходимо обезжирить.

Свойства и маркировка

Готовые сплавы на основе олова и свинца обладают рядом свойств, которые делают соединение уникальным:

Температура плавления — до 500 градусов по Цельсию зависимо от процентного содержания легирующих добавок.
Высокий показатель износоустойчивости.
Стойкость к окислению выше, чем у чистых материалов.

Существует два вида соединений свинца: баббиты и припои. Первые обозначаются буквой «Б». Далее указываются буквы легирующих добавок, процентное содержание основного вещества, количество дополнительных компонентов.

ОЛОВА СПЛАВЫ

ОЛОВА СПЛАВЫ, сплавы на основе олова. Осн. легирующие элементы — Pb, Sb, Cu, Bi, Zn, Cd. Олова сплавы характеризуются, как правило, низкой т-рой плавления, относительно низкими прочностью и твердостью, высокой пластичностью. Со мн. металлами образуют эвтектики, имеющие более низкую т-ру плавления, чем исходные металлы, напр. сплавы (приведены % Sn по массе, т.пл.) Bi-Sn (45%, 139 oС), Cd-Sn (67,76%, 177°С), Pb-Sn (61,9%, 183°С), Tl-Sn (56,76%, 170°С), Zn-Sn (91%, 198 °С); твердые р-ры с легирующими металлами образует редко. Для олова весьма характерно образование интерметаллич. соед. (станнидов), имеющих, как правило, высокие т-ры плавления, напр. Zr3Sn2 (т.пл. 1985°С), Ti3Sn (1663 °С), Pt3Sn(1420cC), Pr2Sn(1415°C), Cl2Sn (1400 СС), Mg2Sn (778 °С). Используют олова сплавы гл. обр. для изготовления припоев, антифрикц. сплавов, в виде покрытий и фольги (см. табл.).

Легкоплавкие припои представляют собой гл. обр. сплавы на основе Sn и Рb. Содержание Sn в них может колебаться от 1 до 95%; наиб. распространены олова сплавы, содержащие 59-61 и 49-51% Sn. Легирующие компоненты-Sb, Cu, Cd, Zn, Ag, In и др.; вредные примеси-А1, As и S. Припои отличаются низкой твердостью и прочностью, высокой пластичностью и корроз. стойкостью, хорошо смачивают пов-сти большинства металлов и в тонком слое обладают высоким сопротивлением усталости. Используют их при пайке деталей, испытывающих небольшие ударные нагрузки при невысоких т-рах. При пайке меди, медных сплавов, сталей или др. прочное соединение деталей достигается вследствие образования оловом твердого р-ра (или интер-металлидов) с металлом изделия. С помощью припоев

СОСТАВ И СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ СПЛАВОВ ОЛОВА


Область использования	Состав сплавов, % по массе				Мех. св-ва
Область использования	Sn	Sb	Сu	Рb	Предел прочности, МПа	Относит. удлинение, %	Твердость по Бри-неллю, МПа
Антифрикц. сплавы Припои*	88,7-90,2	7.3-7,8	2,5-3,5		80,0	18,5	240.0
	81-84	10-12	5,5-6,5		90,0	6.0	300,0
	89-90	Не более 0,05	—	До 100	43,0	25	130
	59-61	Не более : 0,05	—	То же	50,0	34	126
	49-51	0,05-0,5	—	-«-	40,0	54	149

* Припои, содержащие менее 50% Sn, относятся к сплавам свинца.

Sn-Pb можно паять практически все металлы и сплавы, за исключением Аl и его сплавов, для пайки к-рых используют сплавы Sn-Zn.

Антифрикционные олова сплавы (оловянистые баббиты) содержат от 6 до 89% Sn (см. Антифрикционные материалы). Наиб. распространены сплавы, содержащие 83 и 88% Sn, легированные 7-12% Sb и 2,5-6,5% Си. Высокие антифрикц. св-ва этих сплавов обусловлены их гетерог. структурой-в мягкой матрице твердого р-ра Sb в Sn равномерно распределены твердые кристаллы SnSb и Cu3Sn. Баббиты характеризуются также высокой корроз. стойкостью и теплопроводностью, низким температурным коэф. линейного расширения. Увеличение содержания в сплаве Sb до 12% повышает его хрупкость, увеличение содержания Си — твердость. Положит. влияние на св-ва баббитов оказывают небольшие кол-ва Cd, Ag и Ni, отрицательное — Рb. Применяют баббиты в подшипниках, работающих при больших ударных нагрузках.

В покрытиях, в т.ч. и при изготовлении белой жести, помимо чистого Sn используют сплавы Sn-Pb, Sn-Pb-Ni и Sn-Zn. Сплавы для фольги содержат 82-97% Sn, а также Pb, Sb и Сu.

Олова сплавы, применяемые для литья под давлением и центробежного литья посуды и деталей измерит. приборов, содержат 64-92% Sn, 5,5-36% Sb, 1-8% Си и иногда 5-14% Pb. Сплавы Sn с Zr используют для изготовления деталей атомных реакторов, сплавы с Та-в произ-вс турбин, с Nb-в произ-ве проводников при создании мощных магн. полей.

Лит.: Шпагин А. И., Антифрикционные сплавы, М., 1956; Хансен М., Андерко К., Структура двойных сплавов, пер. с англ., 2 изд., т. I, M., 1962; Буше Н.А., Подшипниковые сплавы для подвижного состава, М., 1976; Россошинский А. А., Лапшов Ю. К., Яценко Б. П., Олово в процессах пайки, К., 1985; Tin and its alloys, ed. by E.S. Hedges, L., 1960. H.A. Буше.

Классификация

Особенно распространены сплавы олова и свинца, имеющие название баббиты. Их можно разделить на несколько групп:

Оловянные — обозначаются как Б83, Б89. Содержат сурьму, свинец. Олово выступает основой. Применяется при изготовлении подшипников для промышленного оборудования. Однако основной металл считается дорогим, поэтому часто используются более дешёвые аналоги.
Свинцовые — обозначаются как Б16. Сплавы на основе свинца считаются более выгодными аналогами оловянных соединений. Высокий показатель износоустойчивости позволяет изготавливать из них детали для станков, подвижных механизмов.
Кальциевые — твердые частицы, которые входят в состав этого сплава, представляют собой соединение кальция, свинца. Олово выступает как дополнительный компонент.

Химические свойства.

При комнатной температуре олово химически инертно к кислороду и воде. На воздухе олово постепенно покрывается защитной оксидной пленкой, которая повышает его коррозионную стойкость. С химической инертностью олова и его оксидной пленки в обычных условиях связано использование его в покрытии жестяной тары для продуктов питания, прежде всего – консервных банок. Олово легко наносится на сталь и продукты его коррозии безвредны. В соединениях олово проявляет две степени окисления: +2 и +4, причем соединения олова(II) в большинстве своем относительно нестабильны в разбавленных водных растворах и окисляются до соединений олова(IV) (их используют иногда как восстановители, например SnCl2). Разбавленные соляная и серная кислоты действуют на олово очень медленно, а концентрированные, особенно при нагревании, растворяют его, причем в соляной кислоте получается хлорид олова(II), а в серной – сульфат олова(IV). С азотной кислотой олово реагирует тем интенсивнее, чем выше концентрация и температура: в разбавленной HNO3 образуется растворимый нитрат олова(II), а в концентрированной HNO3 – нерастворимая b-оловянная кислота H2SnO3. Концентрированные щелочи растворяют олово с образованием станнитов – солей оловянистой кислоты H2SnO2; в растворах станниты существуют в гидроксоформе, например Na2[Sn(OH)4]. Наибольшее промышленное значение соединения олова(II) имеют в производстве гальванических покрытий. Соединения олова(IV) находят обширное промышленное применение.

Оксиды олова амфотерны, проявляют и кислотные, и основные свойства. Оксид олова(IV) встречается в природе в виде минерала касситерита, а чистый SnO2 получают из чистого металла; диоксид олова SnO2 применяется для приготовления белых глазурей и эмалей. Из SnO2 при взаимодействии со щелочами получают станнаты – соли оловянной кислоты, наиболее важные из которых – станнаты калия и натрия; растворы станнатов находят широкое применение как электролиты для осаждения олова и его сплавов. SnCl4 – тетрахлорид олова, исходное соединение для многих синтезов других соединений олова, включая и оловоорганические.

Сферы применения

Оловянные сплавы раньше использовались для изготовления посуды, столовых приборов. Сейчас их гораздо чаще применяют для создания консервных банок. Из этого материла в соединении с другими компонентами изготавливают припои, которые бывают нескольких видов:

Легкоплавкие — температура плавления не превышает 150 градусов по Цельсию.
Среднеплавкие — становятся жидкими при нагревании от 200 до 500 градусов.
Тугоплавкие — плавятся при температуре свыше 1100 градусов.

Ещё одна сфера применения сплавов — производство деталей, устойчивых к трению.

Оловянно-свинцовый припой

Марки олова и сплавов

На сегодняшний день в промышленности используется олово следующих марок:

ОВЧ-000 – практически чистое олово, которое производится в виде прутков или чушки (содержимое Sn в такой продукции достигает 99,999%);
01ПЧ, 01 – сплавы, которые также причислены к категории чистого олова, а содержимое примесей в них не превышает 0,085% и 0,1%, соответственно (выпускается такое олово в виде чушки, проволоки и прутков);
02 – чистое олово с максимальным процентным содержанием примесей – не более 0,435%;
03 – олово с примесью свинца, процентное содержание которого не превышает 1%;
04 – Sn с максимальным содержанием примесей (допустимое содержание посторонних элементов – 3,51%).

Особенности производства и обработки

Расходное сырьё получается из руды. Например, чтобы получить 1 килограмм чистого материала, необходимо переработать 100 кг руды. Плавятся оба материала при низких температурах. Для изготовления сплава нужно учитывать следующие особенности:

При изготовлении формы для отливки нужно использовать материал, который не подвержен смачиванию расплавленными расходными металлами.
Форма должна выдерживать нагрев при температуре свыше 250 градусов.
Расплавленные металлы быстро окисляются под воздействием окружающей среды. Твердый металл защищён от окисления.

Если речь идёт о изготовлении припоя, то к соединению добавляют сурьму. Некоторые мастера добавляют серебро. Он обладает следующими особенностями:

Серебро защищает материал от образования ржавчины.
Из-за добавления благородного металла повышается ценник на готовый припой, но расширяется его функциональность.

Есть припои с добавлением цинка. Однако они редко используются. Цинк активно реагирует на воздействие факторов окружающей среды. Он начинает разрушаться, что приводит к нарушению целостности изделия. Лучше использовать смесь сурьмы, олова и свинца. Таким припоем паяют радиодетали, контакты, провода. Изменяя компоненты, мастера добиваются от расходника нужных характеристик. Нельзя забывать про использование флюса.

Сплав олова со свинцом обладает особыми характеристиками. Они изменяются после добавки легирующих компонентов. Применяются готовые соединения для изготовления припоев, износоустойчивых деталей, посуды, столовых принадлежностей, консервных банок.

Основные сведения об олове

Олово (Sn) – легкий металл. Отличается повышенной ковкостью и пластичностью, в периодической системе олово расположено под номером 50. В чистом виде – это металл, отличающийся серебристо-белым цветом, обладающий характерным блеском. Температура, при которой Sn переходит в жидкое состояние, равна 231,9°С, что позволяет легко плавить его даже в бытовых условиях. Закипает металл при температуре 2620°С.

В зависимости оттого, как меняется температура внешней среды, олово погружается в то или иное аллотропическое состояние:

аллотропическое состояние с кубической молекулярной решеткой (подобным образом расположены молекулы углерода в алмазах) – характерно для температур ниже 13,2°С (в этом виде материал называют «серым оловом»);
состояние с тетрагональной молекулярной решеткой – в эту модификацию материал начинает переходить при температуре, превышающей 13,2°С (в таком виде Sn называют «белым оловом»);
существуют другие модификации олова, в которые материал переходит при температурах от 161°С до 231,9°С (при одновременном воздействии на него высокого давления).

Олово обладает одной достаточно интересной особенностью: при переходе в состояние «серого олова» материал начинает растрескиваться и в конечном итоге превращается в порошок. Это явление принесло немало вреда человечеству и в свое время получило название «оловянная чума». Особенно опасным оно становится при низких отрицательных температурах.

По уровню содержания в земной коре Sn занимает 47-е место среди других элементов. Больше всего присутствует олова в касситерите. Это природный материал, получивший второе название – «оловянный камень». Процент Sn в нем достигает 78,8%. Основные запасы олова на земле сконцентрированы в материковой части азиатского континента.