7.1. Общая характеристика легкоплавких металлов
Сравнительная характеристика физических свойств ряда легкоплавких металлов приведена в таблице 7.1. Наиболее широкое применение в качестве машиностроительных материалов нашли цинк, свинец, олово и сплавы на их основе. Кроме этих элементов, компонентами сплавов на основе легкоплавких металлов являются также такие металлы с низкой температурой плавления, как сурьма, висмут, индий и другие.
Таблица 7.1 - Сравнительная характеристика легкоплавких металлов
| Металл | Температура плавления, °С | Температура кипения или сублимации,°С | Плотность, г/см3 (при 20 °С) | Удельное электросопротивление, мкОм*см (20 °С) |
| Цинк | 419.5 | 7.14 | 5.96 | |
| Свинец | 327.4 | 11.68 | 20.6 | |
| Олово | 231.9 | 7.3 | 12.6 | |
| Сурьма | 630.5 | 6.68 | 40.1 | |
| Висмут | 9.8 | |||
| Кадмий | 320.9 | 8.64 | 7.3 | |
| Ртуть | -38.87 | 13.55 | 95.9 | |
| Индий | 156.4 | 7.3 | 8.8 | |
| Калий | 63.2 | 0.86 | 6.8 | |
| Литий | 0.534 | 9.29 | ||
| Теллур | 6.24 | |||
| Таллий | 11.85 | 16.6 |
Цинк сравнительно недефицитный металл, поскольку его содержание в земной коре составляет 0,02%. Имеет гексагональную решетку. Он пластичен в нагретом состоянии, особенно при 100-150°С, однако, его пластичность в холодном состоянии невелика. При холодной деформации одновременно с прочностью увеличивается и пластичность цинка. Аллотропических превращений не испытывает. Чистый цинк характеризуется следующими свойствами: sB =150 Н/мм2, d =20 %, y =70 %. Очень чистый цинк хорошо сопротивляется коррозии в атмосферных условиях и в морской воде. Однако, уже незначительное количество примесей, в частности, свинца, заметно снижает его устойчивость против коррозии.
Содержание в цинке и его сплавах таких примесей, как олово и свинец, ограничивается тысячными или сотыми долями процента. Это обусловлено тем, что как олово, так и свинец практически не растворяются в твердом цинке, образуют легкоплавкие эвтектики по границам зерен (двойную - 91% Sn + 9% Zn, Тпл = 198°С в присутствии Sn и тройную при одновременном присутствии как Sn, так и Pb с Тпл=150 °С), что охрупчивает цинк и его сплавы при повышенных температурах, приводя к образованию “горячих” трещин при обработке давлением и охлаждении затвердевших отливок. Содержание железа также должно быть незначительным (менее 0,1%), поскольку соединение цинка с железом ( d -фаза) значительно охрупчивает сплавы цинка.
Цинк как конструкционный материал практически не используется. Основные области использования цинка: цинкование стали для защиты от коррозии, получение цинковых сплавов, литье под давлением, изготовление полуфабрикатов, получение сплавов других металлов (например, латуней), легирование сплавов, получение цинковых соединений. Рафинированный цинк (с содержанием Zn не менее 98,7%, полученный путем дистилляции или электролиза первичного цинка) применяется для изготовления изделий методом холодного выдавливания, обработки давлением, вытяжки и чеканки. Черновой цинк (с содержанием цинка не менее 97,5%) используется для жестяных работ, подвергается обработке давлением и простой вытяжке.
Свинец в сравнении с цинком имеет более низкую температуру плавления, но примерно в 1,5 раза большую плотность. Аллотропических превращений не испытывает. После наклепа рекристаллизуется при температуре ниже комнатной, т.е. деформация его при 20 °С является не холодной, а горячей пластической деформацией. Свинец с содержанием примесей до 0,008-0,10% отличается небольшой прочностью (sв=10-20 Н/мм2), высокой пластичностью (d =20-80%), уже при малых нагрузках склонен к ползучести. Характеризуется хорошей кислотостойкостью, а также высокой коррозионной стойкостью и в других средах вследствие образования на его поверхности плотного защитного слоя с хорошей адгезией с основным металлом. Однако, свинец мало устойчив против действия соляной и плавиковой кислот, щелочных растворов. С увеличением температуры и концентрации агрессивных сред коррозионная стойкость свинца может резко падать.
Основные области применения свинца:
- изготовление свинцовых оболочек подземных кабелей для их защиты от почвенной коррозии, которая усиливается под воздействием блуждающих токов;
- изготовление элементов защиты от рентгеновского и других видов ионизирующего излучения; изготовление отдельных элементов и защитных оболочек для химических аппаратов;
- получение конструкционных сплавов на основе свинца;
- как легирующий элемент в сплавах цветных металлов;
- изготовление элементов аккумуляторов, хотя чаще для этих целей используются сплавы свинца;
- для получения некоторых видов химических соединений свинца для изготовления антидетонаторных средств, красок.
Олово. В сравнении с Zn, Pb, Sb, Bi олово имеет более низкую температуру плавления (см. табл. 7.1), значительно легче свинца. но несколько тяжелее цинка. Является дорогим металлом: его стоимость примерно в 25 раз больше, чем цинка и в 15-20 раз больше, чем свинца. Как и в случае свинца, деформация олова при комнатной температуре может рассматриваться как горячая, поскольку температура рекристаллизации олова находится ниже комнатной. Олово имеет высокую пластичность и повышенную стойкость против коррозии в атмосферных условиях и некоторых растворах кислот. Олово обладает полиморфизмом: высокотемпературная модификация - b -Sn (белое олово) имеет тетрагональную решетку и обладает металлическими свойствами и плотностью 7,29 г/см3. Низкотемпературная модификация - a -Sn (серое олово) имеет кристаллическую решетку типа алмаза и является полупроводником с явно выраженной ковалентной связью, имеет плотность 5,81 г/см3. Температура равновесия То=13,2 °С, однако, в реальных условиях полиморфное превращение становится заметным при температуре ниже 0 °С. Аллотропическое превращение белого олова в серое характеризуется изменением не только пространственной решетки, но и типа связи; при этом олово рассыпается в порошок (явление называется “оловянной чумой”). При обратном превращении серого олова в белое повышение давления ускоряет его, причем, чем выше температура и скорость нагрева, тем при меньшем давлении наступает быстрое полиморфное превращение. Олово обладает низкой прочностью (sB около 15 Н/мм2), хотя и весьма высокой пластичностью (d около 60%) и коррозионной стойкостью. Как конструкционный материал практически не применяется.
Основными областями применения олова являются: покрытие стали для повышения коррозионной стойкости - лужение жести (белая жесть для изготовления консервных банок), поскольку олово не токсично; производство сплавов на основе олова - баббитов, припоев; легирование сплавов цветных металлов (например, бронз, латуней).
7.4. Легкоплавкие сплавы
К ним относят обычно сплавы с температурой плавления ниже 230 °С (т.е. ниже температуры плавления олова). Компонентами таких сплавов являются металлы с низкой температурой плавления - Pb, Sn, Sb, Bi, In, Hg. Состав таких сплавов подбирают обычно таким образом, чтобы обеспечить образование многофазной многокомпонентной эвтектики, состоящей из 2, 3 и более фаз. Характеристика таких сплавов приведена в таблице 7.4.
Легкоплавкие сплавы применяют для изготовления различных предохранительных пробок и вставок, в качестве особо легкоплавких припоев, в качестве материала для анатомических слепков, для фиксации металлографических шлифов при их изготовлении с целью предотвращения “заваливания” их краев и для других целей.
Маркируют легкоплавкие сплавы буквой Л и цифрой, показывающей температуру его плавления, являющуюся постоянной, поскольку эти сплавы являются сплавами эвтектического состава.
Таблица 7.4 - Состав и температура плавления легкоплавких сплавов
| Марка | Температура плавления | Содержание элементов,% | |||||
| сплава | сплава,°С | Sn | Pb | Zn | Cd | Bi | In |
| Л 199 | 91.1 | - | 8.9 | - | - | - | |
| Л 183 | 61.9 | 38.1 | - | - | - | - | |
| Л 141 | - | - | - | - | |||
| Л 145 | 49.8 | - | 18.2 | - | - | ||
| Л 130 | - | - | |||||
| Л 96 | 18.75 | 31.25 | - | - | - | ||
| Л 68 (сплав Вуда) | 12.5 | - | 12.5 | - | |||
| Л 47 | 8.3 | 22.6 | - | 5.3 | 44.7 | 19.1 |
Температуру плавления ниже 100 °С имеют также сплавы с добавкой ртути, называемые амальгамами и являющиеся сплавами системы Sn - Pb - Bi - Hg. Чистая ртуть и сплавы системы Tl - Hg имеют температуру плавления ниже 0 °С. Наиболее легкоплавкий из известных в природе сплавов - сплав с 8,5 % Tl и 91,5 Hg - плавится при температуре -59 °С.