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.