Технические параметры олова и свинца и их сплавов
Сплав олова и свинца обладает особыми параметрами, позволяющими применять его в различных отраслях промышленного производства. Технические характеристики и физические свойства каждого металла определяют их использование для длительного хранения продуктов, пайки и обработки поверхности деталей с целью увеличения срока эксплуатации.
Физические свойства свинца
Археологические артефакты свидетельствуют о том, что этот химический элемент был известен человеку более 6000 лет назад. Его открытие связано с присутствием металла в рудах, содержащих серебро. При их выплавке материал выбрасывался в отходы, но со временем из него начали делать различные изделия: фигурки, водопроводные трубы. В настоящее время свинец применяется:
- для производства аккумуляторов;
- в кабельной промышленности — для создания защитной бесшовной оболочки;
- для изготовления красок и припоев;
- при строительстве защитных сооружений — для источников радиационного загрязнения (саркофагов);
- для производства сплавов на его основе (баббитов);
- для изготовления типографских составов;
- в медицине.
Главным потребителем свинца является автомобильная промышленность, где широко применяются баббиты. Производство свинцовых стартерных аккумуляторов постоянно растет, в разработки вносятся усовершенствования.
В химической промышленности материал используют для покрытия стальных изделий: аппаратов, резервуаров, трубопроводов. Так как железо и свинец между собой не соединяются, то на изделия предварительно наносят тонкий слой расплавленного олова. Такой процесс обработки называется лужением.
В производстве применяется не только чистый свинец, но и его соединения. Например, оксид свинца используется при изготовлении стекла. Незначительная добавка соединения в материал при плавке стекла позволяет придать хрустальным изделиям прозрачность естественного минерала — горного хрусталя.
Технические параметры олова
Данный химический элемент известен более 3500 лет и изначально предназначался для изготовления столовых предметов. Современное потребление олова связано с консервной промышленностью.
Патент на способ хранения продуктов в жестяных банках принадлежит повару из Франции. С 1810 года человечество получило возможность долговременного хранения пищевых продуктов.
Олово является основным компонентом припоев, применяемых для пайки и лужения теплообменных аппаратов, радиаторов автомобильных двигателей, лужения медицинской и пищевой аппаратуры.
Материал используется для производства оловянной бронзы, обладающей отличными механическими, литейными, антикоррозионными свойствами. Такие сплавы применяются в деталях, предназначенных для эксплуатации в особых условиях и и при особой нагрузке.
Сплавом, обладающим низким коэффициентом трения, является баббит. Он содержит 83% олова, сурьму и медь. Его применяют в производстве подшипников. Благодаря устойчивому соединению сурьмы и меди сплав имеет высокую твердость.
Механизм работы подшипника и компоненты состава исключают возникновение механических повреждений на поверхности детали.
Олово обладает специфическими физическими свойствами:
- Его деформация сопровождается звуком, образованным в результате сдвига под воздействием силы.
- При температурах -39 °C и + 161°C олово превращается в порошок.
Истории известны случаи таких преобразований. Пуговицы, сделанные из чистого материала, на морозе теряли свою форму, а «оловянная чума» разрушала слитки металла.
Главные различия металлов и их сплавов
Еще в древности эти материалы различали только по цвету и называли белым и черным оловом. Между ними существуют различия, которые можно легко установить без дополнительных анализов.
Масса свинца выше в 1,5 раза, чем у олова. Зато олово имеет высшую твердость и трещит при деформации. Свинец легко окисляется с образованием пленки серого цвета.
Какие компоненты содержит сплав олова со свинцом, определить сложнее. Приблизительный показатель можно получить при фиксировании температуры и характера плавления соединения.
Подшипниковые материалы, содержащие олово и свинец, сплав металлов с никелем, теллуром, кальцием, обладают высокой устойчивостью к износу.
Припои на основе этих металлов различаются температурой плавления. Мягкие, с температурой плавления до +300 °C, содержат висмут и кадмий. Твердые (тугоплавкие) припои, переходящие в жидкое состояние при +500 °C, в своем составе имеют серебро, цинк, медь.
Для пайки сплавов с высоким содержанием олова, в которых отсутствует свинец, рекомендуется использование реактивов, разбавленной азотной кислоты. При травлении состава основа чернеет, а места с низким содержанием металла остаются светлыми, что позволяет улучшить качество пайки деталей.
Расплавленный чистый свинец не скользит по поверхности, не смачивая ее, но сплав с оловом позволяет получить качественное покрытие. Рабочая температура ванн устанавливается в зависимости от долевого содержания сплавляющего металла.
В случае необходимости уменьшения масляного зазора подшипников и улучшения условий работы деталей применяют поверхностное покрытие сплавами олова или свинца.
Для покрытия поверхности без содержания углеродов в качестве полуды применяют сплав, содержащий 90% свинца, 5% олова и 5% сурьмы. Состав сплава влияет на текучесть материала, которая варьируется в зависимости от соотношения компонентов.
Источник
Свойства свинца олова висмута
Свинец и олово известны с глубокой древности, в старину их часто не различали. В Египте и Мессопотамии из свинца отливали статуи уже в III тысячелетии до н. э., вероятное время его открытия 3500 г., а олова — 1700 г. до н. э.
Древнерусское слово олово, по предположению Н. А. Фигуровского, происходит от напитка типа браги — оловина, который хранили в сосудах из олова (свинца). У западных славянских народов память об этом и поныне сохранилась, например свинец по-чешски olov, а олово — сіn от немецкого zinn. Свинец, как поясняет в своем толковом словаре В. И. Даль, «столь же тяжел, но посинее олова».
О соединениях висмута впервые упоминает монах-бенедик-тианец Василии Валентин (XV в.). Металл восстановили, вероятно, в XVIII в. и нашли ему первое применение в легкоплавких сплавах.
Все три элемента легкоплавки и отличаются большой плотностью, олово имеет сравнительно высокую точку кипения.
Только олово известно в полиморфных модификациях.
Свинец и олово — элементы IV группы Периодической системы. Электронная структура атомов их во внешней оболочке одинакова— оба имеют по два и р-эл s-ектрона. Атом свинца крупнее и у него стремление отдать электроны сильнее выражено, чем у олова он более металличен. В связи с этим устойчивее производные Pb (II), в большинстве солеобразные, а соединения Pb (IV)—сильные окислители. Напротив, четырехвалентное олово более стойко, а двухвалентное — энергичный восстановитель. В металлургии эти металлы объединяет легкоплавкость и малое сродство к кислороду, а также сходство способов получения и рафинирования, несмотря на различие в сырье.
Окисляясь на воздухе, свинец образует окисел РbО с температурой плавления 884°С (глет). Эвтектика Pb—PbO мало от личается от свинца: в ней не более 0,001% (по массе) кислорода, а плавится она лишь приблизительно на 1 град ниже чистого металла.
Жидкий глет при температурах выше 850° С не смешивается со свинцом, а образует взаимно насыщенные расплавы. Известны две модификации РbО: высокотемпературная — желтая (ромбическая) и низкотемпературная — красная (тетрагональная). Температура превращения одной в другую точно не определена из-за экспериментальных трудностей, наиболее вероятная ее величина около 530° С.
Другие окислы свинца получают косвенно: сурик Pb 3O4 — нагреванием глета на воздухе до 500° С, а двуокись — электролизом или действием сильных окислителей. Из первого смешиванием с олифой или льняным маслом делают весьма важные в технике водостойкие замазки, а с глицерином — самотвердеющие смеси.
Двуокись применяется как окислитель и играет существенную роль в устройстве широко известных свинцовых аккумуляторов:
Олово окисляется на воздухе с образованием тонкой плотной пленки SnO2, которая предохраняет твердый металл от дальнейшего окисления — действия кислорода и слабых кислот. При высокой температуре жидкое олово, распыленное воздухом или кислородом, сгорает в тонкодисперсную белоснежную двуокись, служащую для производства жаростойких эмалей. Оксид SnO, называемый часто закисью, получается косвенным путем — из водных растворов. Гидроокись олова (II), выпадающая в осадок от добавления небольшого избытка соды или щелочи, разлагается, отщепляя воду. В зависимости от условий осаждения получают полиморфные модификации ее синего или черного цвета. Нагретая выше 400° С SnO диспропорционируется:
Свинец восстанавливается из окиси чистой окисью углерода при температуре около 350° С, углеродом также при весьма низких температурах; в обоих случаях медленно. По мере нагревания скорость реакций увеличивается, но без изменения стехиометрии.
Олово из SnO2 начинает восстанавливаться углеродом только выше 600° С и сначала до SnO:
Второй атом кислорода отделяется по подобной реакция SnO + СО = Sn + С O 2
однако одновременно наблюдается диспропорционирование (219 —221), протекание которого при низких температурах преобладает, а по мере их повышения уменьшается. Выше точки кипения SnO (1425° С) и, вероятно, плавления (1400° С) единственным путем получения металла остается реакция .
Свинец с водными растворами щелочей не реагирует, но гидроокись Pb(ОН) 2, будучи амфотерной, в них растворяется, образуя плюмбит:
У гидроокиси свинца (II), преобладают основные свойства KPb(OH)2 = 9,6•10 -4 ; KH2PbO2 = 1•10 -12 , а у Н4РbO4 — кислотные.
Соли последней — плюмбаты щелочных металлов Me 1 2 РbO3 (мета) и Ме 1 4РbO4 (орто) растворимы в щелочах, а с понижением рН они гидролизуются. Окислы Рb3O4 и Рb2O3 — плюмбаты свинца (II)—Рb II 2 РbО IV 2и Pb II Pb IV O3.
Олово подобно свинцу дает амфотерные гидроокиси, растворимые в щелочах и кислотах, однако только сразу после осаждения. Со временем они «стареют» — теряют воду, приобретают более упорядоченную структуру, после чего растворяются в кислотах и щелочах лишь весьма медленно. Анион станнита HSnO — 2 устойчив, при рН> 11, а станната HSnO — 3—при рН>12.
Водородный показатель дан для концентраций порядка 10 -5 моль/л. С повышением их он увеличивается. В кислой среде те же гидроокиси олова растворяются соответственно при рН ниже 4 и 2.
Сульфид свинца PbS с температурой плавления 1103°С: в жидком состоянии смешивается с металлом в любых отношениях, а в твердом свинце при обычных условиях растворимость его менее 0,001% (по массе). Другие сильфиды свинца не известны.
Сульфидов олова три SnS, Sn 2S3 и SnS2. Полная диаграмма состояния Sn — S не построена; однако известна последовательность диссоциации при нагревании.
SnS плавится при температуре 881° С; выше 860° С он ограниченно растворим в жидком металле и дает с ним систему взаимно насыщенных расплавов; сернистое олово кипит при 1230° С.
Лучшим растворителем свинца, глета и сульфида свинца может служить азотная кислота (5:1). В частности, металл она растворяет по реакции:
Нитрат свинца в несколько разбавленной азотной кислоте растворяется лучше, чем в крепкой.
Разбавленная серная кислота на свинец не действует; поверхностная пленка PbSO4 надежно защищает его. Концентрированная серная кислота энергично реагирует со свинцом при нагревании вследствие образования растворимой кислой соли Pb(HSO4)2
Соляная кислота слабо реагирует с металлом из-за защиты его поверхности пленкой труднорастворимого РbСl2 (ПР = 1,6•10 -5 ); однако в присутствии хлоридов, щелочных и щелочноземельных металлов PbSO4 и РbСl2 переходят в растворимые комплексные ионы PbCl — 3и РbСl + .
Азотная кислота не растворяет олово, а окисляет до твердой метаоловянной кислоты (Н2SnО3), выпадающей в виде белого осадка H2SnO3•nH2O
Концентрированная серная кислота при нагревании окисляет металл и дает с ним труднорастворимый сульфат Sn(SO4)2.
Соляная кислота, особенно горячая и концентрированная, энергично восстанавливается оловом, выделяя водород. Металл переходит в раствор в виде комплексных хлоридов, из которых наиболее стойки SnCl2 (рК=2,24) и HSnCl3 (рК=2,03).
Висмут, атом которого отличается от свинца только дополнительным p-электроном, имеет структуру внешней орбита ли: Хе 5s 2 5р 3 . Металл окисляется на воздухе и кислородом до Ві2O3. Он растворяется во всех сильных кислотах, образуя соли, соответствующие степени окисления (III), которые легко подвергаются гидролизу. Высшая валентность проявляется только в анионах, например висмутата BiO — 3. В свинце висмут неограниченно растворим выше 327° С и дает твердые растворы, содержащие при обычных температурах до 18% Bi. С оловом образует систему эвтектического типа и твердые растворы, при 25° С в них не более 1 % Bi.
Статья на тему Свойства свинца олова висмута
Похожие страницы:
Понравилась статья поделись ей
Источник
Технология гальванического оловянирования
Одним из способов нанесения олова на различные поверхности, является гальваническое оловянирование . Олово обладает высокой химической стойкостью. Разбавленные растворы серной, соляной и азотной кислот взаимодействуют с оловом очень медленно, сернистые соединения почти не действуют. Крепкие растворы щелочей растворяют олово только при нагревании. В органических кислотах олово очень устойчиво. Стандартный потенциал олова –0,14 В, следовательно, в паре с железом оно более положительно и в условиях атмосферной коррозии электрохимически железо не защищает, так как является катодным покрытием. По отношению к изделиям из медных сплавов олово является анодным покрытием.
В присутствии органических веществ, содержащихся в пищевых продуктах, фруктовых соках, пиве и т.п., потенциал олова становится более электроотрицательным и в этих условиях оно надежно защищает сталь от коррозии. Продукты коррозии олова безвредны для человеческого организма. Кроме того, олово относится к числу очень немногих материалов, которые при контакте с пищевыми продуктами не меняют их вкуса. По этим причинам олово с давних времен применяется в качестве покрытия жести, идущей на изготовление консервных банок, а также для покрытия изделий, связанных с хранением и приготовлением пищи.
Состав растворов, концентрация г/л
Плотность тока, напряжение
Время обработки, мин
Обезжириватель КХ – 10-20 г/л
Соляная кислота – 80-100 г/л
Нанесение сплава олово-висмут
Серная кислота — 160-180 г/л
Б/о добавки
При низких температурах (ниже–13°С) олово склонно к переходу в серую модификацию и рассыпается в порошок. Это явление, известное под названием «оловянной чумы», необходимо учитывать при выборе покрытия для изделий, эксплуатирующихся при низких температурах. Для уменьшения пористости оловянных покрытий и покрытий сплавами олова со свинцом (60% олова и 40% свинца), а также для улучшения способности оловянных покрытий к пайке их подвергают оплавлению , что приводит к дополнительным затратам энергии.
При длительном хранении электролитически луженых деталей отмечаются случаи образования тонких (0,5-2 мкм) игольчатых наростов (усов), наличие которых может привести к неисправности точных приборов вследствие коротких замыканий электрических цепей. Добавки небольших количеств висмута позволяет решить эти проблемы, кроме того покрытие получается более коррозионностойким. Небольшие добавки висмута к олову замедляют рост нитевидных кристаллов и предотвращают переход белого олова в рыхлое серое при низких температурах. Сплавы олова с висмутом образуют системы эвтектического типа, причем при содержании висмута до 5% предполагается образование твердого раствора устойчивого при температуре до 231,8°С. .
Электролиты для осаждения олова (сплава олово-висмут) бывают двух видов; кислые, содержащие олово в виде Sn2+, или щелочные, в которых олово находится в виде аниона SnO3 (2–). Различие в валентности олова обусловливает разную скорость осаждения олова в кислых и щелочных электролитах. При одних и тех же плотностях тока и выходе по току олово в кислых электролитах осаждается в два раза быстрее, чем в щелочных.
Осаждение олова на катоде происходит по реакции:
SnO32- + 3H2О + 4е -> Sn + 6ОН-
Щелочные электролиты обладают хорошей рассеивающей способностью и позволяют получать весьма равномерные покрытия на сложнорельефных деталях даже в том случае, когда они покрываются в барабанах.
Наибольшее распространение получил щелочной электролит следующего состава:
Станнат натрия…………..20-80 г/л
Едкий натр……………….8-15 г/л
Ацетат натрия……………15-50 г/л
Перекись водорода………2 мл/л
Особо вредной примесью в щелочном электролите оловянирования является станнит-ион Sn(OH)2-4, где олово находится в двухвалентном состоянии
При низких плотностях тока (до 2 А/дм2) растворение оловянных анодов происходит с образованием двухвалентных ионов олова, а при повышенных (более 4 А/дм2) — аноды полностью пассивируются и их растворение прекращается. Растворение оловянных анодов с образованием четырехвалентных ионов олова происходит в интервале 2-4 А/дм2; при этом поверхность анодов приобретает желтовато-золотистый оттенок, отвечающий моменту частичной пассивности. При рабочих плотностях тока ниже 2 А/дм2 проводится предварительная частичная пассивация анодов путем завешивания в ванну с электролитом при плотности тока 4 А/м2 и температуре 70-80 °С, до того момента, как поверхность анодов приобретет золотистый оттенок, отвечающий моменту частичной пассивации.
Электролиты осаждения сплава олово-висмут представляют собой обычные электролиты лужения с добавками небольших количеств солей висмута. Щелочные станнатные электролиты непригодны для получения этих сплавов, так как соли висмута в щелочной среде неустойчивы, и легко выпадают с образованием основных нерастворимых солей.
К кислым электролитам оловянирования относятся сульфатные, пирофосфатные, фенолсульфоновые, борфтористоводородные и др.
В пирофосфатных электролитах олово находится в виде комплексного аниона [Sn(P2О7)2]6-, что обусловливает хорошую рассеивающую способность электролитов и возможность замены щелочных электролитов, где скорость осаждения вдвое ниже и условия работы на ваннах более сложные.Наиболее стабильным в работе является пирофосфатный электролит лужения состава:
Олово (в расчете на металл) — 70 г/л
Пирофосфат калия — 500 — 600 г/л
Солянокислый гидразин — 8 — 12 г/л
ПАВ- 3-4 г/л
Желатин (гидролизованный) — 2-2,5 г/л
Показатель рН = 8,0-8,5.
Режим электролиза: температура электролита 300- 340 К, плотность тока до 6 А/дм2. Выход по току 80-90 %. Рабочая плотность тока зависит от температуры и перемешивания электролита: при комнатной температуре она составляет 3-3,5 А/дм2, а при 330-340 К — до 6 А/дм2 .
Основными компонентами фенолсульфонового электролита оловянирования являются сульфат олова и фенолсульфоновая кислота. При смешивании этих компонентов в воде образуется фенолсульфонат олова:
Состав фенолсульфонового электролита лужения:
SnSO4…………………………………………50-70 г/л
Пара-фенольсульфоновая кислота………..80-90 г/л
Дигидрооксидифенилсульфон…………….6,5-11,5 г/л
Натрий-монобутилфенилфенолсульфон….0,4-1 г/л
При температуре 40-50 °С, плотность тока 20-30 А/дм2.
Эти электролиты менее склонны к окислению, чем сульфатные.
Борфтористоводородные электролиты содержат оловянную соль борфтористоводородной кислоты, олово находится в двухвалентном состоянии, свободную HBF4, и H3BO3 или несколько органических ПАВ, без которых невозможно получить качественный осадок. Борфтористоводородные электролиты применяют при температурах от 20 до 40°С. Они позволяют применять более высокие плотности тока, по сравнению с сернокислыми электролитами. Максимальная допустимая плотность тока, при покрытии в стационарных ваннах 10-12 А/дм2.
Состав борфтористоводородного электролита лужения :
В состав сульфатных электролитов оловянирования входят сульфат олова, серная кислота, а также коллоиды и поверхностно — активные вещества. В некоторых случаях в электролит прибавляют сульфат натрия, повышающий электропроводность раствора.
Серную кислоту вводят в электролит для снижения гидролиза оловянных солей, а также для предотвращения окисления двухвалентного олова в четырехвалентное и образования шероховатых осадков. При отсутствии органических веществ в кислых электролитах невозможно получить приемлемые осадки олова из-за образования крупных кристаллов и усиленного роста дендритов на краях деталей.
Сульфатные электролиты оловянирования с добавкой ПАВ отличаются сравнительно высокой рассеивающей способностью, приближающейся к рассеивающей способности медных цианистых электролитов. Выход по току сульфатных оловянных электролитов равен примерно 90 -98 %.
Анодный процесс при лужении протекает без заметной поляризации, олово переходит в раствор в основном в виде двухвалентных ионов. Поверхность анодов покрыта легко удаляемым тонким слоем черного шлама. При повышенных плотностях тока поверхность анодов имеет резко выраженную кристаллическую структуру; пленок на поверхности не наблюдается. Анодный выход по току, как правило, превышает катодный.
Изменение концентрации сульфата олова в пределах 30- 60 г/л не сказывается заметно на характере катодного процесса. Пониженная концентрация сульфата олова снижает максимальный предел рабочей плотности тока, но положительно влияет на рассеивающую способность электролита. При повышенном содержании сульфата олова аноды склонны к пассивированию.
Серная кислота повышает электропроводность электролита, предохраняет электролит от гидролиза и появления шероховатости на осадках. Концентрация серной кислоты может колебаться в пределах от 20 до 100 г/л. При малых концентрациях кислоты увеличивается опасность гидролиза и окисления сульфата олова; слишком большая ее концентрация приводит к снижению выхода но току, быстрому разрушению коллоидных добавок и пассивированию анодов .
Сульфатные электролиты оловянирования имеют склонность к расслаиванию. Концентрация олова в нижних слоях может в 3-4 раза превышать концентрацию в верхних слоях. Для устранения этого явления рекомендуется перемешивать электролит.
Присутствие хлоридов и нитратов вредно сказывается на нормальной работе сульфатного электролита оловянирования. Ионы меди также оказывают отрицательное влияние на качество оловянных осадков. Малые концентрации в сульфатном электролите оловянирования ионов свинца, железа, цинка и никеля до известных пределов не оказывает влияния на ход катодного процесса.
Хорошими блескообразующими свойствами обладают электролиты, содержащие синтанол ДС-10 и ДИ-7, формалин, ацетил-ацетон, a-нафтол, желатин, блескообразователь Лимеда Sn-2. Осадки блестящего олова очень чувствительны к механическим загрязнениям, которые могут попадать в электролит из шлама, образующегося в результате окисления Sn2-. Нерастворимый осадок, содержащий ионы четырехвалентного олова, является коллоидным, и для полной очистки электролита следует пользоваться коагулянтами .
Режим электролиза плотность тока и температура — в значительной степени влияет на качество осадков. При малых плотностях получаются осадки с крупнокристаллической структурой, отличающиеся повышенной пористостью. Чрезмерно высокая плотность тока приводит к тому, что осадки становятся шероховатыми, на краях растут дендриты. Перемешивание электролита может осуществляться при повышенных плотностях тока. Для тонких покрытий (около 1-2 мкм) допустимы большие плотности, чем для толстых покрытий. Повышение температуры в период работы с сульфатными электролитами приводит к снижению катодной поляризации, уменьшению рассеивающей способности и ухудшению качества осадков. Так, при нагреве сульфатного электролита до температуры, превышающей 40 °С, образуются грубокристаллические шероховатые осадки. При повышенной температуре уменьшается стабильность ванны.
Кислые сульфатные электролиты лужения с органическими добавками ОС-20 и ДДДМ позволяют получить компактные, блестящие осадки. Блестящие покрытия менее пористы и дольше сохраняют способность к пайке, поэтому даже при осаждении сплава олово-висмут им отдают предпочтение.
Состав электролита осаждения сплава олово-висмут:
Сульфат олова……………..40-60 г/л
Серная кислота…………….95-120 г/л
Сульфат висмута………0,2-1,5 г/л (поддерживается 0,2 г/л)
Хлорид натрия…………….0,3-0,8 г/л
Препарат ОС-20……………5-15 г/л
ДДДМ……………………….1,5-5 г/л
Добавка ОС-20 является блескообразователем и поверхностно активным веществом, добавка ДДДМ или же 4,4′-диамино-3,3′-диметоксидифенилметан. Ввод этих добавок уменьшает контактное выделение висмута на оловянных анодах и значительно улучшает качество покрытия [4].
Реакция контактного вытеснения оловом висмута из раствора:
3Sn+2Bi3+->2Sn2++2Bi
Источник
