Чем отличается олово от свинца

Чем отличается олово от свинца

Олово и свинец – пластичные, легкоплавкие металлы, с повышенной стойкостью против коррозии в атмосферных и в некоторых кислотных условиях.

Свинец является металлом с гранецентрованной кубической решеткой, аллотропических превращений в твердом состоянии не испытывает. Температура плавления свинца 327 ºС.

Олово может находиться в двух кристаллических модификациях: a-Sn (серое олово) с алмазной решеткой — ниже +13 ºС и b-Sn (белое олово) с объемно-центрированной тетрагональной решеткой. На морозе пластичное b-олово рассыпается в серый порошок a-Sn. Это явление называется оловянной чумой. Температура плавления олова 232 ºС.

Расчет температурного порога рекристаллизации в соответствии с правилом А.А. Бочвара (Тр = 0,4 Тпл) дает цифры –123 и –147 ºС, т.е. температурный порог рекристаллизации лежит значительно ниже 0 ºС. Таким образом, пластическая деформация свинца и олова при комнатной температуре является горячей деформацией. Наклепа при такой деформации в этих металлах не наблюдается.

Основная область применения чистого олова – лужение жести. Чистый свинец применяется для футеровки аппаратов сернокислотного производства и контейнеров для соляной кислоты. Применяется свинец и для кабельных оболочек для защиты их от почвенной коррозии.

Важной областью применения свинца и олова являются припои, а также сплавы для типографских шрифтов, анатомических слепков, плавких предохранителей. Эти сплавы содержат кроме свинца и олова также висмут и кадмий. Попарно все эти элементы образуют между собой системы с легкоплавкими эвтектиками без промежуточных фаз и химических соединений, т.е. образуют простые эвтектические системы (рисунок 8.8). В тройных системах между этими элементами образуются тройные эвтектики, еще более легкоплавкие, чем двойные. Температура плавления этих эвтектик 90-100 ºС. В четверной системе этих компонентов образуется четверная эвтектика с температурой плавления 70 ºС. Практически применяемый сплав Вуда по своему составу близок к эвтектическому (50 % Bi, 25 % Pb, 12,5 % Sn и 12,5 % Cd).

Для получения еще более легкоплавких сплавов, в них вводят ртуть, например сплав с содержанием Bi-36 %; Pb-28 %; Cd-6 % и Hg — 30 % имеет температуру плавления 48 ºС.

В качестве припоев для пайки медных, стальных и многих других изделий применяются как чистое олово, так и сплавы свинца с оловом, содержащие олово от 3 до 90 % и небольшое количество сурьмы (до 2 % Sb).

Температура плавления припоев зависит от содержания олова и может быть ориентировочно определена по двойной диаграмме Pb-Sn. Наиболее легкоплавким припоем является сплав с 61 % Sn, маркируется ПОС 61. Различают сплавы ПОС 18, ПОС-40, ПОС-61, ПОС 90 и тд. Сплавы свинца с сурьмой и мышьяком (10-16 % Sb и 1-4 % As) применяют для типографских шрифтов.

Рисунок 8.8. Диаграмма состояния свинец-олово Рисунок 8.9. Диаграмма состояния олово-сурьма

Наиболее важными сплавами на основе свинца и олова являются подшипниковые сплавы (таблица 8.11).

Таблица 8.11 — Основные характеристики подшипниковых сплавов

Марка сплава Твердость кг/мм 2 Критические точки Коофф. трения без смазки (со смазкой)
при 20 0 С при 125 0 С нижняя верхняя
Б 83 Б 16 БК 0,28 (0,005) 0,27 (0,006) 0,44 (0,004)

Особенностью работы подшипников скольжения является то обстоятельство, что материал вкладыша подшипника должен хорошо прирабатываться к валу, т.е. он должен быть сравнительно мягким, и в то же время, он должен обладать высокой износостойкостью, чтобы он преждевременно не выходил из строя. Таким образом, материал вкладыша подшипника должен быть и твердым и мягким одновременно. Такое условие может быть удовлетворено, если сплав окажется двухфазным или многофазным, одна из фазовых составляющих которого (основа) окажется мягкой, а вторая (включения) – твердой, препятствующая износу подшипника при работе.

Такими сплавами являются баббиты, например, сплав на основе олова, легированный до 12 % Sb и до 6 % Cu (баббит Б83). Микроструктура таких сплавов определяется, в основном, диаграммой равновесия Sn-Sb (рисунок 8.9).

Микроструктура сплава Б83 состоит из основы a-фазы (темная) и некоторого количества b — кристаллов (рисунок 8.10).

Читайте также:  Термостат с погружным датчиком

Сплавы на основе свинца являются заменителями оловянных подшипниковых сплавов. Типичным представителем подшипникового сплава на основе свинца является баббит Б16, содержащий16% Sb, 16% Sn, 1,5-2%Cu, остальное — Pb. В этом сплаве при кристаллизации в качестве избыточной фазы выделяется не сурьма, а смесь кристаллов b и d на основе сурьмы. Темная составляющая – мягкая эвтектическая смесь.

Для уменьшения ликвации по удельному весу в сплав введена медь, которая образует мелкие игольчатые выделения Cu2Sb. В сплав Б16 для улучшения антикоррозионных свойств вводят Ni, Cd, Al (до 1 %), Te (до 0,1 %). Теллур, кроме того, приводит к упрочнению сплава.

При кристаллизации кристаллы b-твердого раствора образуются в первую очередь. Так как b-фаза содержит значительно больше Sb, она оказывается легче жидкого металла и всплывает на поверхность, образуя ликвацию по удельному весу. Для устранения этого явления в сплав вводят медь (до 5%). При этом в структуре сплавов появляются разветвленные кристаллы соединения: Cu3Sn и Cu6Sn5, которые задерживают эти всплывания кристаллов сурьмы.
Рисунок 8.10. Микроструктура баббита Б83

В качестве подшипниковых сплавов применяют кальциевый баббит (БК) состава: 0,85-1,15% Ca и 0,6-0,9% Na. Кальций может образовывать со свинцом (при 6% Ca) промежуточную фазу состава Pb3Ca. Мягкой основой является твердый раствор натрия в свинце. Растворимость натрия уменьшается с понижением температуры, в связи с чем кальциевый баббит может упрочняться при старении. Твердость кальциевого баббита по Бринеллю 34 HB, т.е. несколько выше чем рассмотренных выше баббитов, поэтому он наиболее широко применяется в случаях высоких удельных нагрузок, например, для подшипников подвижного состава железнодорожного транспорта. Однако кальциевый баббит обеспечивает высокую работоспособность только в условиях обильной смазки. В условиях сухого трения работоспособность подшипников из кальциевого баббита значительно хуже.

Свинцово-оловянные припои широко используются в радиоэлектронике для спаивания различных микросхем. Достичь качественных результатов с их использованием становится возможным лишь тогда, когда мастер достаточно хорошо разбирается с процессом пайки и понимает основные правила работы и выбора припоев.

Начинающие же радиолюбители достаточно часто задаются вопросом: какой припой лучше выбрать в данном конкретном случае, и какими свойствами они обладают. Эта статья поможет разобраться с поставленной задачей.

Свинцово-оловянные припои

Свинцово-оловянные припои разделяют на мягкие и твердые. Первые являются легкоплавкими и широко применяются в работе с радиоаппаратурой. Их температура плавления находится в интервале 300–450 градусов.

Данный тип сплава характеризуется меньшей твердостью по сравнению с тугоплавкими вариантами, однако в монтаже микросхем именно они используются наиболее часто.

Состав мягких вариантов представляет собой сочетание двух элементов: свинца и олова. Также могут добавляться и легирующие элементы. Содержание подобных примесей незначительно. Их вводят для придания соединению определенных свойств, таких как пластичность, прочность и так далее.

Почему их делают на основе олова? Дело в том, что станум – лучший материал для пайки. Он обладает рядом преимуществ. К ним относится высокая проводимость и отличное смачивание. Тем не менее есть и недостатки, например, оно подвержено явлению оловянной чумы, формированию интерметаллических поверхностей и т.д.

Избежать появления подобных проблем можно путем добавления плюмбума, меди, серебра, золота. Если в составе первый элемент отсутствует, то сплав называют бессвинцовым. Он отличается большей безопасностью для мастера. На практике чаще всего используются припои, содержащие свинец и обозначающиеся буквами «ПОС».

Состав

Как уже было отмечено выше, свинцовый припой обычно содержит Sn и Pb. Количество процентного содержания первого элемента обозначается цифрами, стоящими за буквами. Например, в ПОС-40 содержится сорок процентов станума, а в ПОС-60 – шестьдесят. Стоит отметить, что у ПОС-60 и 61 состав одинаковый, однако маркируются по-разному.

Многие зачастую не обращают должного внимания на состав сплава при занятии пайкой. Тем не менее данный момент очень важен, ведь он определяет характеристики монтажа и качество выполненной работы.

Читайте также:  Станки для цилиндрического бревна

Назначение

В зависимости от содержания того или иного материала сплавы имеют разные области применения.

ПОС-90 используется в ремонте пищевой посуды и медицинских принадлежностей. В нем содержится незначительное количество плюмбума – токсичного для человека материала.

ПОС-40 наиболее часто применяют в работе с электрическими приборами и деталями из оцинкованного железа. Также служит основой ремонта латунных и медных трубопроводов. Данное соединение может заменить припой ПОС 18, используемый в тех же целях.

Сплавы с 30% содержанием станума отлично подходят для кабельной промышленности, лужения и пайки цинка.

Свойства

Как уже было отмечено ранее существует деление припоев на две категории в зависимости от температуры плавления. Мягкие или легкоплавкие – это сплавы плавящиеся при менее 450 °С. Стоит отметить, что они не обязательно изготавливаются из олова. Тут может использоваться галлий, висмут, кадмий, индий.

Тем не менее зачастую используется не один, а смесь нескольких элементов. Это нужно, чтобы придать сплаву необходимые характеристики и параметры. Наиболее распространёнными являются ПОСы.

Таким образом, взяв в руки проволоку, попробовав погнуть ее и оценив вес, можно с определённой точность определить содержание в ней станума или плюмбума.

В зависимости от концентрации олова выделяют несколько десятков сплавов, производящихся в соответствии с государственным стандартом – ГОСТом.

Когда речь заходит про свойства, то они в основном определяются содержанием олова. Оно имеет две полиморфные модификации. Белое – с тетрагональной кристаллической решеткой, серое – с кубической. Переход от одной модификации к другой сопровождается выделением тепла, то есть реакция является экзотермической.

Данное превращение приводит также и к увеличению объема, сопровождающегося разрушением с образованием серого порошка. Такой процесс называется «оловянной чумой».

Скорость превращения белой модификации в серую – мала. Данный процесс ограничивает применение чистого станума в пайке. В связи с этим добавляются различные химические элементы, препятствующие указанному переходу.

Известно также об увеличении и таких характеристик олова, как прочность и твердость, с помощью добавления никеля, меди, магния, цинка. А вот наличие висмута и цинка повысит смачиваемость и понизит температуру плавления.

ПОСы не поддаются упрочнению посредством наклепа. В отличии от чистого станума, сплавы со свинцом после деформирования обладают меньшей твердостью и прочностью, чем литые.

В результате, комбинируя различные варианты концентрации примесей, можно добиться желанных параметров сплава, которые наилучшим образом подойдут в каждой конкретной задаче.

Припои являются незаменимыми при осуществлении паяльных работ. Они широко применяются в различных областях человеческой деятельности: от крупных производств, до мелких мастерских.

Монтаж микросхем, ремонт трубопроводов, соединение медных и латунных деталей выполняют с использованием данного материала. Самыми распространенными являются припои на основе олова и свинца, и маркируются, как ПОС.

Точную дату появления оловянно-свинцового припоя вряд ли кто-то назовет. Однако соединение, обозначаемое «ПОС», известно еще со средних веков. Оно обладает оптимальными качествами для того, чтобы соединять многие металлы.

Его легко расплавить, а свинец и олово, входящие в состав, добывались несколько тысяч лет назад. В настоящее время припой ПОС – самый распространенный вид расходного материала, применяемый в каждодневной практике.

Основные данные

Популярность припоев из олова и свинца объясняется несколькими обстоятельствами.

Главная особенность сплавов – способность при определенном соотношении компонентов образовывать состав с эвтектическими свойствами. Это межметаллическая система, температура плавления которой меньше, чем ожидаемые значения.

Можно себе представить радость первооткрывателей, которые обнаружили, что оловянно-свинцовый сплав для превращения в жидкое состояние можно нагревать до меньшей температуры.

Интересно, что эвтектическая смесь может служить растворителем, в котором распределяется при добавлении определенное дополнительное количество какого-либо металла.

Так были разработаны разнообразные марки припоев ПОС. В их технических характеристиках указаны пропорции, значения физических констант.

Визуально заметно, что при преобладании в оловянно-свинцовом сплаве олова припой имеет сильно выраженный металлический блеск. Если в сплаве больше свинца, поверхность имеет сероватый цвет с синим оттенком.

Характеристики отдельных марок

Все представители категории относятся к легкоплавким припоям. Оловянно-свинцовые сплавы при любом соотношении исходных металлов плавятся при температуре до 450 °С. Характеристики припоев ПОС регламентированы ГОСТом.

Читайте также:  Отзывы о компании хилти

Производители поставляют припойную продукцию:

  • в литых чушках;
  • в виде проволочных изделий;
  • лентообразной фольги;
  • трубчатой продукции с флюсами внутри;
  • порошков или пастообразной массы.

В целом существует однозначная закономерность. Чем меньше массовая доля олова в оловянно-свинцовом припое, тем больше его температура плавления и меньше прочностные показатели.

Больше половины олова

В сплаве, содержащем 90 % олова, остальную часть массы составляет свинец. Припой ПОС-90 имеет температуру плавления 220 ℃.

Применяется для пайки изделий, которые впоследствии будут подвергаться гальванической обработке золотом или серебром.

Оловянно-свинцовый припой с 61 % олова имеет более доступную температуру плавления, равную 191 °С. ПОС-61 используется для изготовления тонких контактов деталей из медных и стальных сплавов в различных измерительных приборах. Места нанесения сплава не должны подвергаться сильному нагреванию.

Припой модно применять для пайки проводов, имеющих толщину до 0,08 мм, в обмотке. Он может подвергаться действию токов высокой частоты.

Припой используют во всех ситуациях, требующих большой прочности и надежности соединения радиоэлементов, компонентов микросхем. Им можно паять провода, защищенные оболочкой из поливинилхлорида.

Оловянно-свинцовый припой, содержащий равные доли двух металлов, обозначается как ПОС-50. Он плавится при температуре 222 ℃. Применим во всех ситуациях, где может использоваться ПОС-61.

Отличие сводится к тому, что данный припой имеет более высокую температуру плавления. Если контакт может нагреваться это качество будет полезным.

Меньше половины олова

Швы, для которых велика вероятность нагрева до еще более высоких температур, следует паять посредством припоя ПОС-40. Температура плавления оловянно-свинцового сплава, содержащего от 39 % до 41 % олова, составляет 238 °С.

Обращаем внимание на то, что представленные показатели характерны для окончательного плавления сплава. Начинается процесс при несколько более низких температурах.

Сплав предназначен для работы с проводами, деталями из разных металлов. Образующийся шов имеет меньший запас прочности, чем соединения, полученные сплавами с большей массовой долей олова. Припой используют для получения соединений, не подвергающихся большой механической нагрузке.

Еще большую температуру окончательного расплавления имеет сплав ПОС-30. Она равна 256 ℃.

Этот оловянно-свинцовый припой используется для пайки швов, не подлежащих нагрузке, из медных и стальных материалов.

Припой ПОС-18 окончательно расплавляется при 277 ℃. Образующийся шов имеет небольшую механическую устойчивость.

Представленный оловянно-свинцовый сплав можно применять для лужения, пайки ненагружаемых медных деталей, изделий из оцинкованного железа.

Оловянно-свинцовый сплав, содержащий всего 10 % олова, имеет максимальную в этом ряду температуру плавления, равную 299 ℃, и минимальную прочность.

ПОС-10 может использоваться для пайки, лужения контактов на поверхности приборов реле. ГОСТ позволяет применять состав для обработки контрольных точек в топках паровозов. В настоящее время паровозы остались уже только в музеях, иногда их приходится ремонтировать, реставрировать.

Припои с маркировкой ПОС – бессурьмянистые расходные материалы.

Группа специальных сплавов

При добавлении в состав металлических композиций в небольших количествах сурьмы значительно увеличивается прочность шовных соединений.

Материал обозначается маркировкой «ПОСсу», имеет температуры плавления от 189 ℃ (у состава со следовым содержанием сурьмы) до 270 ℃ (у припоя с содержанием сурьмы, достигающим 4 %, в некоторых даже 6 %).

Материалы первой подгруппы с концентрацией добавки, измеряющейся в сотых долях процента – это малосурьмянистые марки.

Такие припои применяются в авиа- и автомобилестроении, при производстве холодильного оборудования, пищевой посуды, подлежащей последующему лужению.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector