Легкоплавкий металл цинк свинец олово

Олово — блестящий белый металл, обладающий низкой температурой плавления (231°С) и высокой пластичностью. Применяется в составе припоев, медных сплавов (бронза) и антифрикционных сплавов (баббит).
Свинец — металл голубовато-серого цвета, обладает низкой температурой плавления (327°С) и высокой пластичностью. Входит в состав медных сплавов (латунь, бронза), антифрикционных сплавов (баббит) и припоев.
Цинк — серовато-белый металл с высокими литейными и антикоррозионными свойствами, температура плавления 419°С. Входит в состав медных сплавов (латунь) и твердых припоев.
Припои. Припой — это металлы или сплавы, используемые при пайке в качестве связки (промежуточного металла) между соединяемыми деталями. Припои имеют более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Незначительный нагрев соединяемых металлов, а вследствие этого отсутствие изменения структуры металла, являются основным преимуществом пайки в сравнении со сваркой.
По температуре расплавления припои (табл. 14) подразделяют на легкоплавкие (145-450°С), среднеплавкие (450-1100°С) и высокоплавкие (1100-1850°С). К легкоплавким относят оловянно-свинцовые (ПОС), оловянные, малосурьмянистые и сурьмянистые (ПОССу) и другие припои; медно-цинковые (латуни) относят к среднеплавким (905-985°С), а многокомпонентные на основе железа — к высокоплавким (1190-1480°С).
Оловянно-свинцовые припои широко применяют во всех отраслях промышленности. Для снижения охрупчивания олова при низких температурах в состав припоев вводят сурьму. Оловянно-свинцовые припои имеют низкую коррозионную стойкость во влажной среде. В этих условиях паяные соединения необходимо защищать лакокрасочными покрытиями.
Оловянные припои имеют высокую прочность, пластичность и коррозионную стойкость. Их применяют при пайке радиотехнической и электронной аппаратуры.
Медно-цинковые припои (латуни) широко применяют для пайки большинства металлов (табл. 15). Для повышения прочности паяных соединений в медно-цинковые припои вводят олово, никель и марганец. Добавки олова понижают температуру плавления латуни, повышают коррозионную стойкость и улучшают жидкотекучесть припоя.

При пайке сложных изделий со швами на вертикальной стенке применяют пастообразные и порошковые припои. Легкоплавкие пастообразные припои состоят обычно из трех частей: порошкообразного припоя, флюса и загустителя. Так, пасту состава: припой ПорПОССу-30-2 (70%), вазелин (20%), бензойная кислота (1,2%), аммоний хлористый (1,2%) и эмульгатор ОП-7 (0,6%) — применяют для пайки стальных, медных и никелевых изделий.

Тугоплавкие порошкообразные припои применяют для пайки твердосплавных пластин при производстве режущего инструмента. Состав припоя: ферромарганец (40%), ферросилиций (10%), чугунная стружка (20%), медная стружка (5%), толченое стекло (15%) — плавится при температуре 1190-1300°С.
Применение цинка. Цинк имеет хорошую коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в пресной воде. Поэтому цинк служит для хорошей антикоррозионной защиты кровельного железа и изделий из него.
Чистый цинк (марок ЦВ0, ЦВ1) применяют в полиграфической и автомобильной промышленности; цинк марки ЦВ00 — в электротехнике для изготовления источников постоянного тока.
Для получения фасонных отливок применяют сплавы ЦАМ с алюминием (4%), медью (0,5-3,5%) и магнием (0,1%). Из сплавов ЦАМ благодаря их легкоплавкости и жидкотекучести литьем под давлением получают отливки, не требующие дополнительной обработки поверхности. Деформируемые цинковые сплавы ЦАМ9-1,5, содержащие алюминий (9-11%), медь (1-2%), магний (0,05%), применяют для получения биметаллической антифрикционной ленты со сталью и алюминием.

Источник

Легкоплавкий металл цинк свинец олово

§ 34. Легкоплавкие металлы и их сплавы

Цинк и его сплавы

Цинк имеет плотноупакованную гексагональную структуру с периодами решетки а = 0,26595 нм, с = 0,49368 нм. Аллотропических превращений цинк не испытывает. Температура плавления 419°С. Плотность при комнатной температуре 7,14 г/см 3 . Цинк отличается достаточно хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и в пресной воде и поэтому его широко используют для защитных покрытий кровельного железа и изделий из него (ведра, баки). Цинк, как и все металлы с гексагональной структурой, обладает ярко выраженной анизотропией свойств. Это проявляется в различии механических и физических свойств по разным направлениям в кристаллах и в деформированных полуфабрикатах, в которых при деформировании возникает текстура. При деформировании цинка в металле происходит скольжение по плоскости базиса. При этом кристаллы поворачиваются так, что плоскость базиса становится параллельной направлению главной деформации.

Читайте также: Нитрат олова с магнием

Основные естественные примеси в цинке — свинец, железо, кадмий, олово. Свинец практически нерастворим в твердом цинке. Эти металлы образуют две несмешивающиеся жидкости вплоть до температуры 798°С. Диаграмма состояния системы цинк — свинец подобна диаграмме, изображенной на рис. 20. Монотектическая реакция проходит при 418°С. При температуре 318°С происходит эвтектическая реакция, и жидкость распадается на почти чистые металлы. При быстром охлаждении сплавов цинка со свинцом удается получить равномерное распределение свинца в виде округлых включений по границам зерен. Свинец в отсутствие других примесей не уменьшает пластичности цинка, однако, обладая электропотенциалом, сильно отличающимся от потенциала цинка, увеличивает склонность цинка к коррозии. Это свойство используется в процессе изготовления типографских клише, для которых применяют цинк, содержащий около 1% Рb. Такой металл очень легко растворяется в кислоте, а именно на этом и основано создание рисунка на клише.

Примесь железа повышает твердость цинка и задерживает процесс рекристаллизации. Уже при очень незначительном содержании железа (менее 0,001%) в цинке образуется хрупкая фаза в виде соединения FeZn₇. Олово — вредная примесь, так как практически не растворяясь в цинке, образует с ним легкоплавкую эвтектику (198°С), которая, откладываясь по границам зерен, делает невозможным обработку давлением при повышенных температурах, вызывая горячеломкость. При совместном содержании олова и свинца образуется еще более легкоплавкая эвтектика (150°С).

Основная масса чистого цинка в виде листов расходуется на изготовление малогабаритных источников постоянного тока. Кроме упоминавшегося сплава цинка с 1% Рb, широкое применение имеют его сплавы с алюминием (3,5 — 4,5%), медью (0,5 — 3,5%) и магнием (0,1%). Эти сплавы, обозначаемые ЦАМ, предназначены для получения фасонных отливок литьем под давлением. Они достаточно легкоплавки, жидкотекучи и в условиях литья под давлением дают отливки, которые не требуют дополнительной обработки поверхности. Из диаграммы состояния алюминий — цинк (см. рис. 57) следует, что сплавы, содержащие до 5% А1, должны кристаллизоваться с образованием первичных кристаллов твердого раствора алюминия в цинке и эвтектики α₁+Zn, причем фаза α₁ при температуре 275°С должна распадаться на α+Zn. Однако этот эвтектоидный распад не успевает проходить в процессе охлаждения и идет при эксплуатации изделий при 20 — 100°С. В результате изделия из сплавов цинк — алюминий медленно изменяют свои размеры («растут»), что совершенно недопустимо. Небольшая добавка магния практически нацело подавляет эвтектоидный распад и делает отливки стабильными по размерам.

Деформируемые цинковые сплавы также легированы алюминием (до 15%), медью (до 5%) и магнием (0,03%). Эти сплавы обладают механическими свойствами, близкими к свойствам латуней, но значительно дешевле их. Так, сплав ЦАМ10-5 (10% А1, 5% Сu, 0,05% Mg) имеет следующие механические свойства: σ_в = 300÷400 МПа, δ = 12÷8%, НВ (95 — 100).

К сожалению, все цинковые сплавы быстро корродируют на воздухе, поэтому нуждаются в защите от коррозии. Наиболее распространено защитно-декоративное хромирование изделий из цинковых сплавов. Тысячные доли процента примесей олова, свинца и кадмия вызывают очень быстрое разрушение цинковых сплавов вследствие межкристаллитной коррозии, особенно во влажной атмосфере при 50 — 90°С.

Олово, свинец и их сплавы

Олово плавится при 232°С, имеет две модификации: β-модификацию (белое олово), устойчивую выше 13°С с объемноцентрированной тетрагональной решеткой, и α-модификацию с кубической решеткой типа алмаза (серое олово). Переход белого олова в серое сопровождается большим изменением объема, так что происходит рассыпание металла в порошок. Это явление носит название «оловянная чума». Из-за склонности олова к переохлаждению самопроизвольный переход в α-олово происходит при очень низких температурах (-20÷-30°С). Однако начавшееся превращение идет и при более высоких температурах, поэтому оловянные изделия необходимо предохранять от действия морозов. Чем чище олово, тем больше оно подвержено заболеванию «чумой». Примеси висмута и сурьмы, в меньшей степени свинца и кадмия, задерживают аллотропическое превращение. Достаточно в олово добавить 0,5% висмута или сурьмы, чтобы снизить скорость превращения практически до нуля и сделать белое олово абсолютно устойчивым.

Свинец имеет температуру плавления 327°С, обладает гранецентрированной кубической решеткой, аллотропических превращений не испытывает. Плотность свинца при комнатной температуре 11,34 г/см 3 .

Рекристаллизация наклепанных олова и свинца происходит при температурах ниже комнатной, поэтому их обработка при комнатной температуре является горячей обработкой. Чистые олово и свинец отличаются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Свинец стоек в концентрированных растворах некоторых кислот (серной, фосфорной, плавиковой), олово — в растворах пищевых кислот (молочной, масляной). Олово широко применяется для лужения жести, а свинец для футеровки аппаратуры сернокислотного производства, а также для защитных оболочек электрокабелей. Специфическая область применения свинца — пластины электрических аккумуляторов, получаемые литьем в металлические формы. Олово и свинец между собой и с другими легкоплавкими металлами (висмутом, кадмием) дают еще более легкоплавкие сплавы, которые широко применяются в качестве припоев, для отливки типографских шрифтов, для изготовления плавких предохранителей и т. д. Системы олово — свинец, свинец — висмут, свинец — кадмий, олово — висмут, олово — кадмий являются простыми системами эвтектического типа, при этом эвтектики плавятся при 120 — 190°С. В тройных системах этих металлов образуются еще более легкоплавкие тройные эвтектики (92 — 96°С). Достаточно хорошо изучена четверная система свинец — висмут — олово — кадмий, в которой образуется четверная эвтектика, плавящаяся при 70°С и известная в технике и научных исследованиях как сплав Вуда (50% Bi; 25% Pb; 12,5% Sn; 12,5% Cd). Для получения еще более низкой точки плавления в состав сплавов вводят индий или ртуть. Так, для анатомических слепков применяют сплав, содержащий 53,5% Bi; 19% Sn; 17% Pb; 10,5% Hg и затвердевающий при 60°С.

В качестве припоев в основном используют сплавы системы олово — свинец с небольшим количеством сурьмы (до 2%) Для улучшения растекания припоя. Температура их плавления зависит от соотношения олова и свинца. Самый легкоплавкий (190°С ) припой ПОС-61 близок по составу к эвтектической точке. Типографские свинцовые сплавы, применяемые для отливки шрифтов, стереотипов и т. д., основаны на системе свинец — сурьма (10 — 25% Sb) с добавками олова (4 — 7%).

Очень важная область применения олова и свинца — подшипниковые сплавы, носящие специальное название «баббиты». Эти сплавы используют для заливки вкладышей подшипников. Материал вкладыша подбирают таким образом, чтобы он мог приработаться к валу. Таким требованиям на первый взгляд удовлетворяют мягкие пластичные металлы: олово, свинец, алюминий. Однако в паре со стальным валом они имеют слишком большой коэффициент трения, сильно разогреваются при работе и налипают на шейку вала («схватываются»). Коэффициент трения в паре вал — вкладыш оказывается тем меньше, чем тверже вкладыш. Таким образом, материал вкладыша должен быть и твердым, и мягким одновременно. Этим требованиям удовлетворяют двухфазные или многофазные сплавы, структура которых состоит из твердых изолированных кристаллов, распределенных в пластичной основе. Назначение твердых кристаллов — осуществлять непосредственный контакт с вращающимся валом, назначение пластичной основы — обеспечивать прирабатываемость вкладыша к валу. Количество твердой составляющей должно быть небольшим, чтобы твердые и хрупкие кристаллы не соприкасались между собой. Кроме того, они должны быть равномерно распределены в пластичной основе. Подобную структуру имеют сплавы на оловянной основе, содержащие до 12% Sb и до 6,5% Сu. Представление об их структуре можно получить по диаграмме состояния системы олово — сурьма (рис. 70).

Рис. 70. Диаграмма состояния системы олово — сурьма

Составы сплавов лежат в двухфазной α+β-области. Кристаллы β-фазы, обогащенные сурьмой, являются твердой хрупкой фазой, а кристаллы α-фазы образуют мягкую пластичную основу. Чтобы предотвратить ликвацию кристаллов β-фазы, которые легче расплава и всплывают в ходе кристаллизации, в сплав вводят медь. Медь с оловом образует фазу Сu₃Sn. Кристаллы этой фазы выпадают первыми и образуют скелет, препятствующий всплыванию кристаллов β-фазы. Классическим подшипниковым сплавом этого типа является баббит Б83 (83% Sn; 11% Sb; 6% Сu).

Подшипниковые сплавы на основе олова довольно дороги, а содержащееся в них олово — дефицитно, поэтому разработаны подшипниковые сплавы на основе свинца с добавками сурьмы (16 — 18%) и меди (до 3%). Сурьма в этих сплавах выделяется в виде правильно ограненных первичных кристаллов, которые являются твердой составляющей, а мягкой основой служит эвтектика свинец — сурьма. Медь образует соединение Cu₂Sb, которое также препятствует всплыванию кристаллов сурьмы. Эвтектика свинец — сурьма менее пластична, чем α-фаза в оловянных баббитах, поэтому свинцовые сплавы сильнее изнашиваются, чем оловянные. Для повышения их пластичности в них добавляют олово (до 16%). Кроме того, для улучшения антифрикционных свойств вводят никель, кадмий, мышьяк (до 1%).

Помимо перечисленных сплавов, в качестве подшипникового материала широко применяют так называемый кальциевый баббит (в основном, на железнодорожном транспорте) — сплав на основе свинца с добавками 0,85 — 1,15% Са и 0,6 — 0,9% Na. В этом сплаве кальций образует первичные кристаллы Рb₃Са, а натрий — твердый раствор в свинце, повышая его твердость.

Источник

Легкоплавкие металлы – список, особенности и значение для человека

Однозначности в классификации этой группы металлов у специалистов нет. Их главное свойство содержится в названии – легкоплавкие металлы.

Что представляет собой

Как понятно из названия, легкоплавким считается металл с малой температурой плавления.

В номенклатуре, принятой Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), термин «легкоплавкие металлы» отсутствует.

У специалистов единства тоже нет. Одни выставляют «порог плавления» в 500°С. Для других легкоплавким металлом является металл, расплавляющийся при менее 600°С.

Перечень

В соответствии с основной классификацией (температура плавления не более 500°С), к списку легкоплавов причислены следующие элементы:

Название	Температура плавления (°С)
Цинк	419
Палладий	327
Свинец	327
Кадмий	321
Таллий	303
Висмут	271
Полоний	254
Олово	232
Индий	157
Натрий	98
Калий	63
Рубидий	39
Галлий	30
Цезий	28
Ртуть	– 39

Ртуть – самый легкоплавкий металл. Она единственная из группы плавится на морозе.

Галлий называют металлом, тающим в руках (нормальная температура тела человека выше точки плавления вещества почти на семь градусов).

Классификация

Легкоплавы подразделяются на две группы:

Тяжелые легкоплавкие металлы – кадмий, кобальт, свинец, ртуть.
Легкие легкоплавкие металлы – кадмий, олово, галлий, индий, таллий, полоний, висмут.

К драгоценным элементам причислен палладий.

Палладий

Легкие элементы полоний и висмут радиоактивны .

Висмут

Олово, таллий, свинец, цезий – мягкие легкоплавы.

Свинец

Самый мягкий легкоплавкий металл – цезий (0,2 по шкале твердости Мооса).

Где и как применяются

Для всех сфер применения решающее преимущество данной группы – низкая температура плавления.

Особенности использования

На основании этого свойства легкоплавких металлов определены способы использования:

Мягкие легкоплавы – материал пайки микросхем. Пайка обычным припоем исключена, поскольку создает перегрев, который их расплавит.
Гораздо чаще используются сплавы. Они легкоплавки, но плотные, прочные на разрыв, химически инертны.
Самые востребованные соединения: свинцовые, оловянные, кадмиевые, цинковые, ртутные. А также с висмутом, таллием, индием, галлием как базисным компонентом.

Легкоплавкие сплавы – это конгломерат металлов с температурой плавления не выше «оловянной» (232°С). Нижний предел – минус 61°C. На таком холоде плавится амальгама таллия.

Области применения

Сферы применения материала: энергетика, машиностроение, электро-, радиотехника, химпром:

Основа жидких теплоносителей, смазка.
Выплавка моделей сложной конфигурации.
Пожарный сегмент: термодатчики, клапаны тушения огня, другая аппаратура раннего оповещения о возгораниях.
Основа термометров разных видов и предназначения.
Верхний слой, предохранители, термодатчики микроэлектроники.
Медицина. Материал протезов, фиксатор при переломах.

Это также проводники, антикоррозионные покрытия, компонент антифрикционных сплавов.

Используются уникальные свойства отдельных позиций из списка легкоплавов:

Свинец – материал подшипников, предохранителей, аккумуляторов, оболочка кабеля. Это щит от радиоактивного излучения.
Олово – защитный слой стали.
Цинк – компонент латуней, анодное покрытие стальных изделий с высоким КПД.
Галлий – заменитель ртути, сохраняющий вакуум в аппаратуре.

Легко плавящиеся сплавы образуют также щелочные металлы. На практике такие материалы используются мало из-за чрезмерной химической активности.

Биологическое воздействие

Влияние легкоплавов на организм человека различно:

Без калия как удобрения растения чахнут, плохо плодоносят. В организме человека работает в дуэте с натрием. Под его контролем жизненно важные процессы.
Микродозы кадмия содействуют метаболизму. Однако вещество, его растворимые соединения токсичны.
Висмут токсичен, но безопасен для биологических организмов. Это радиоактивное вещество, поэтому аптечные препараты с ним нужно применять строго по инструкции.
О токсичности галлия точки зрения противоположны – от малой до высокой степени. Но интоксикация веществом реальна.
Бесполезные для человека как биологического объекта свинец и ртуть токсичны. Особенно опасна ртуть из разбившегося домашнего градусника.

На особом счету таллий. Мягкое серебристое с сероватой голубизной вещество – сильнейший яд. Его «вывела в свет» как средство получения наследства, решения других проблем Агата Кристи. Описание яда, технологии его применения содержит десяток романов королевы английского детектива.

Источник