Свинец, его особенности и области применения

 Свинец (Рb) – синевато-серый металл с сильным блеском на свежем срезе. Очень ковкий, мягкий (легко режется ножом), вязкий. Плотность 11,34 г/см³_, температура плавления - 327°С, твердость по Бринеллю 4 (по Моосу 2). На сухом воздухе устойчив. Во влажной среде быстро покрывается темно-серой оксидной пленкой, сохраняющей его от дальнейшего разрушения. Свинец устойчив к действию серной и соляной кислот. Хорошо растворяется в азотной, а также уксусной, лимонной и винной кислотах, разрушается под действием щелочей. Растворимые соединения свинца ядовиты и требуют осторожности при работе с ними. Во всех сплавах драгоценных металлов свинцовая примесь является вредной, поэтому во время работы драгметаллы оберегают от попадания в них свинца. При индивидуальном изготовлении ювелирных изделий свинцовые и свинцово-оловянные (в зависимости от требуемой жесткости) подушки используют в качестве матриц для формообразования деталей. Свинец также является одним из компонентов составления черни.

 Свинец выпускается марок С0000, С000, С00, С0, С1,С2,С3, где примесей соответственно от

0,0001 до 0,1.

 Свинец используется как основной материал для получения легкоплавких и антифрикционных сплавов, в качестве легирующего элемента для изготовления пластин аккумулятора и др. Основными видами сплавов на основе являются антифрикционные (подшипниковые), типографские (для изготовления типографского шрифта марок МП1, МП1. ЛМ1) и кабельные (для изготовления оболочек кабелей).

 

Олово, его особенности и области применения

  Олово (Sn) – металл серебристо-белого цвета, мягкий, очень пластичный. Температура плавления 233 °С, твердость по Бринеллю 5 (по Моосу 2).

 Олово имеет две полиморфные модификации. Кристаллическая решетка обычного b-Sn (белого олова) тетрагональная с периодами a=5,813А, С=3,176А; плотность7,3 г/см³. При температурах ниже 13,2°С устойчиво a-Sn (серое олово) кубической структуры плотностью 5,85 г/см³. Поэтому при охлаждении олова ниже 13,2 °С происходит переход b®a, который сопровождается превращением металла в порошок, что приводит к образованию на поверхности серых пятен («оловянная чума»). Причина разрушения состоит в резком увеличении удельного объема металла (плотность b-Sn больше, чем a-Sn).

 Олово не корродирует на воздухе и во влажной среде. При сгорании образует белый порошок. Концентрированные соляная и азотная кислоты легко растворяют его, разбавленные действуют слабо. Сильно взаимодействуют с оловом щелочи, сера, хлор, бром, фтор и др. галогены.

 Олово марок ОВЧ 000, 01пч, 01, 02, 03, 04, где содержание примесей от 0,001 до 3,5 % соответственно.

 Олово применяется для изготовления белой (пищевой)жести, создания защитных покрытий и антифрикционных (подшипниковых) сплавов. Почти половина всего добываемого в мире олова расходуется на производство белой жести, используемой главным образом для изготовления консервных банок. Олово имеет ценные качества: химическую устойчивость по отношению к кислороду, воде, органическим кислотам и полную безвредность солей олова для человеческого организма.

 Легкоплавкость олова обусловила применение его в качестве основного компонента припоев. Состав олова (16%) с висмутом (52%) и свинцом (32%) может расплавиться даже в кипятке: температура плавления этого сплава всего 95 ⁰C, в то время как его составляющие плавятся при значительно более высокой температуре.

Поэтому олово является основой мягких (легкоплавких) припоев для контактной пайки.

 В современном производстве ювелирных изделий оловянный припой не применяется. Наличие олова в драгоценных металлах считается нежелательной примесью. Следы олова на ювелирных изделиях должны быть тщательно удалены.

 Однако олово обладает отличными литейными свойствами, податливостью резцу, поэтому в ювелирных украшениях начала ХХ века можно заметить, что наиболее нежные элементы – ажурные касты с заранее закрепленными камнями тонкие листочки с легкоплавкой прозрачной эмалью, цветочки – фиксировались в штифтовом соединении с помощью олова. Оловянный припой в таких случаях не выходит наружу, и реставрация подобных изделий должна производиться квалифицированно.

 В 18 веке на севере России достигло расцвета производство медных подносов, чайников, табакерок, отделанных оловянными накладками с эмалями. Эстетическое достоинство современных декоративных изделий из олова - в четком выявлении структуры предмета, в зеркальной чистоте поверхности, достигаемой литьем без последующей обработки.

 

8.4. Сплавы на основе олова и свинца

 

Баббиты

 В современном машиностроении используются подшипниковые сплавы на основе сплавы олова или свинца с сурь­мой, медью, а в ряде случаев и со щелочноземельными металла­ми, называемые баббитами. Сплавы, предназначенные для изготовления вкладышей под­шипников скольжения, должны иметь неоднородную структуру, состоящую из мягкой основы и равномерно расположенных в ней твердых включений: более мягкая и пластичная составляющая, являющаяся основой сплава, обеспечивает прирабатываемость подшипника к шейке вала, а включения более твердой составляющей понижают коэффициент трения. Твердые кристаллы, воспринимая нагрузку, вдавливаются в мягкую основу. Баббиты отличаются низкими температурами плавления (300-400 °С).

 Оловянные баббиты являются лучшими подшипниковыми сплавами и применяются для заливки наиболее ответственных подшипников паровых турбин, компрессоров, и других высоконагруженных установок, работающих со смазкой при высоких нагрузках и скоростях скольжения. Одним из лучших считается баббит марки Б83, содержащий 83% Sn, 11% SЬ и 6% Сu. Баббит Б83 является многокомпонентным сплавом, но основой его служит система Sn- SЬ.

Мягкая основа сплава - α -твердый раствор сурьмы в олове, а твердые кристаллы — β-фаза; эта фаза представляет собой твердый раствор на основе химического соединения SnSb.

Сурьма и олово отличаются по плотности, поэтому сплавы этих металлов способны к значительной ликвации. Для предупре­ждения этого дефекта в баббиты вводят медь. Она образует с сурь­мой химическое соединение Сu₃Sn. Это соединение имеет более высокую температуру плавления и кристаллизуется первым, образуя разветвленные дендриты, которые препятствуют ликвации кубических кристаллов β-фазы SnSb. Кроме того, кристаллы обра­зуют в баббите твердые включения, дополнительно повышающие износостойкость вкладышей.

На рис. 8.1., а приведена микроструктура баббита Б83. Тем­ное поле представляет собой мягкую основу α-твердого рас­твора сурьмы и меди в олове, светлые кристаллы квадратной формы являются соединением SnSb (β -фазой), а кристаллы в виде звездочек или удлиненных игл — соединением Си₃Зп.

 

А                                                               б

Рис.8.1. Микроструктура баббитов Б83 (а); БКА (б)

 Оловянистые баббиты сравнительно дороги, поэтому в ря­де случаев целесообразно применять более дешевые, но менее качественные сплавы на основе свинца. Свинцовые баббиты по сравнению с оловянистыми обладают меньшими прочностью и сопротивлением износу, поэтому их следует использовать для слабонагруженных подшипников менее ответственного назначения.

 Среди свинцовых бабби­тов широкое распространение получил сплав марки Б16, которыйприменяют как заменитель баббита Б83 для вкладышей подшипников, не испытывающих ударных нагрузок. Баббит Б16 - сплав на свинцовой основе, содержащий 16 % Sn, 16 % SЬ и 2 % Сu. Медь введена для пре­дотвращения ликвации по плотности.

Баббит БС6 - сплав на свинцовой основе. Он содержит 6 % Sn, 6 % SЬ и 0,2 % Сu. В отличие от баббита Б16, он содержит значительно меньше олова и сурьмы, поэтому в нем первично кристаллизуется не ß-фаза (SnSЬ), а а -раствор на базе свинца. В противоположность другим баббитам, в которых изолированные твердые кристаллы распределены в мягкой основе, в баббите БС6 мягкие кристаллы раствора на базе свинца окружены более твердой эвтектикой. Благодаря отсутствию хрупких первичных кристаллов химических соединений сплав БС6 обладает большим сопротивлением усталости, чем баббиты Б83, Б16 и БН. Он дешевле этих баббитов, т.к. содержит меньше олова. Баббит БС6 широко применяется в автомобильной промышленности в виде биметаллических вкладышей, состоящих из стальной ленты и тонкого слоя баббита.

Для подшипников подвижного состава железнодорожного транспорта (коленчатых валов, дизельных двигателей) широко применяют кальциевые баббиты типа БК. Сплав БКА на основе свинца содержит 0,95-1,15 % Са, 0,7-0,9 % Na. Мягкой составляющей такого баббита является темный α-твердый раствор Са и Na в свинце, а твердой – светлые включения кристаллов РЬ3Са (рис. 8.1, б).

Натрий, вводимый в сплав БКА до 1%, полностью находится в твердом растворе, повышая его твердость. Кальциевый баббит БКА обладает высокими антифрикционными свойствами, хорошо сопротивляется воздействию ударных нагрузок, поэтому используется в подшипниках неподвижного состава железных дорог. От баббитов на основе Sn и свинцово-оловянных баббитов кальциевый баббит отличается более высокой температурой плавления и сохранением твердости до более высоких температур при разогреве.

 Антифрикционные и механические свойства баббитов можно повысить за счет введения добавок никеля, кадмия и мышьяка и мышьяка. Так баббит БН на свинцовой основе по содержанию главных легирующих элементов (10 % Sn, 14 % SЬ, 1,7 % Сu) близок к баббиту Б16. Кроме указанных добавок баббит БН содержит 0,3 % Ni, 0,4 % Сd и 0,7 % As. Мышьяк и кадмий образуют твердое химическое соединение (возможно As₃Сd₂, которое обнаруживается на микрошлифе в виде мелких серых кристаллов на фоне светлой b -фазы. Фаза b в баббите БН - это многокомпонент­ ный раствор на базе соединения SnSЬ. Кристаллы этого соединения мельче, а объемная доля их меньше, чем в сплаве Б16, что обусловливает повышенную сопротивляемость усталости сплава БН.

 Подшипниковые вкладыши из-за низкой прочности баббита изготавливают либо штамповкой из биметаллической ленты баббит - сталь, либо заливкой центробежным способом или литьем под давлением в более прочный стальной, чугунный или бронзовый корпус.

 

8.4.2. Оловянно -свинцовые припои

 Сплавы двойной эвтектической системы Pb-Sn относятся к группе мягких припоев. Припои применяются для соединения спаиваемых изделий и характеризуются незначительной прочностью (σ_в =60 МПа). Припои ПОСЗО, ПОС61 и ПОС90 содержат соответственно около 30, 61 и 90 % Sn.

 Структура доэвтектического сплава ПОСЗО состоит из первичных дендритов раствора олова в свинце и эвтектики. Припой ПОС61 содержит практически одну структурную составляющую - эвтектику. Это самый легкоплавкий из оловянно-свинцовых припоев, применяющийся для пайки электро- и радиоаппаратуры,

где недопустим перегрев.

 Структура заэвтектического сплава ПОС90 состоит из первичных дендритов раствора свинца в олове и эвтектики. Этот припой содержит мало свинца и поэтому применяется для пайки пищевой посуды.