Олово, свинец и их сплавы

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 (Т_р = 0,4 Т_пл) 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

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).

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.