Олово та його основні сплави

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати


Зміст

Введення

Олово

Склад і властивості деяких сплавів олова

Список літератури

Введення

Найважливішим етапом розвитку стало використання заліза і його сплавів. У середині XIX століття освоюється конвертерний метод виробництва сталі, а до кінця століття - мартенівський.

Сплави на основі заліза і в даний час є основним конструкційним матеріалом.

Бурхливе зростання промисловості вимагає появи матеріалів з самими різними властивостями.

Середина XX століття ознаменована появою полімерів - нових матеріал лов, властивості яких різко відрізняються від властивостей металів.

Полімери широко застосовують також у різних областях техніки: машинобудуванні, хімічній та харчовій промисловості та ряді інших областей.

Розвиток техніки вимагає матеріалів з новими унікальними властивостями. Для атомної енергетики та космічної техніки необхідні матеріали, які можуть працювати при дуже високих температурах.

Комп'ютерні технології стали можливими тільки при використанні матеріалів з особливими електричними властивостями.

Таким чином, матеріалознавство - одна з найважливіших, пріоритетних наук, що визначають технічний прогрес.

Олово - один з небагатьох металів, відомих людині ще з доісторичних часів. Олово і мідь були відкриті раніше заліза, а їхній сплав, бронза, - це, мабуть, найперший "штучний" матеріал, перший матеріал, виготовлений людиною.

Результати археологічних розкопок дозволяють вважати, що ще за п'ять тисячоліть до нашої ери люди уміли виплавляти й чисте олово. Відомо, що древні єгиптяни олово для виробництва бронзи возили з Персії.

Під назвою "трапу" цей метал описаний у давньоіндійській літературі. Латинська назва олова stannum походить від санскритського "ста", що означає "твердий".

Олово

Властивості олова:

Атомний номер Е50

Атомна маса 118,710

Ізотопи

Стабільні 112, 114-120, 122, 124

Нестабільні 108-111, 113, 121, 123, 125-127

Температура плавлення, ° С 231,9

Температура кипіння, ° С 262,5

Щільність, г/см3 7,29

Твердість (по Бринеллю) 3,9

Вміст у земній корі,% (мас) 0,0004

Виробництво олова з руд і розсипів завжди починається зі збагачення. Методи збагачення олов'яних руд досить різноманітні. Застосовують, зокрема, гравітаційний метод, заснований на розходженні густини основного і супутнього мінералів. При цьому не можна забувати, що супутні далеко не завжди бувають порожньою породою. Часто вони містять коштовні метали, наприклад вольфрам, титан, лантаноїди. У таких випадках з олов'яної руди намагаються витягти усі цінні компоненти.

Сполука отриманого олов'яного концентрату залежить від сировини, і ще від того, яким способом цей концентрат одержували. Вміст олова в ньому коливається від 40 до 70%. Концентрат направляють у печі для випалу (при 600 ... 700 ° C), де з нього віддаляються відносно леткі домішки миш'яку та сірки. А велику частину заліза, сурми, вісмуту і деяких інших металів уже після випалу виділяють соляною кислотою. Після того як це зроблено, залишається відокремити олово від кисню і кремнію. Тому остання стадія виробництва чорнового олова - плавка з вугіллям і флюсами у відбивних або електричних печах. З фізико-хімічної точки зору цей процес аналогічний доменному: вуглець "віднімає" в олова кисень, а флюси перетворюють двоокис кремнію в легкий у порівнянні з металом шлак.

У чорновому олові домішок ще досить багато: 5 ... 8%. Щоб одержати метал сортових марок (96,5 ... 99,9% Sn), використовують вогневе або рідше електролітичне рафінування. А потрібне напівпровідниковій промисловості олово чистотою майже шість дев'яток - 99,99985% Sn - одержують переважно методом зонної плавки.

Олово отримують також регенерацією відходів білої жерсті. Для того щоб одержати кілограм олова, не обов'язково переробляти центнер руди, можна зробити інакше: "обдерти" 2000 старих консервних банок.

Всього лише півграма олова приходиться на кожну банку. Але помножені на масштаби виробництва ці півграми перетворюються в десятки тонн ... Частка "вторинного" олова в промисловості капіталістичних країн становить приблизно третину загального виробництва. У нашій країні працюють десятки промислових установок по регенерації олова.

Зняти олово з білої жерсті механічними способами майже неможливо, тому використовують розходження в хімічних властивостях заліза й олова. Найчастіше жерсть обробляють газоподібним хлором. Залізо під час відсутності вологи з ним не реагує. Олово ж з'єднується з хлором дуже легко. Утворюється паруюча рідина - хлорне олово SnCl4, що застосовують у хімічній і текстильній промисловості або відправляють у електролізер, щоб одержати там з нього металічне олово. І знову почнеться "круговерть": цим оловом покриють сталеві аркуші, одержать білу жерсть. З неї зроблять банки, банки заповнять їжею й закриють. Потім їх розкриють, консерви з'їдять, банки викинуть. А потім вони (не всі, на жаль) знову потраплять на заводи "вторинного" олова.

Інші елементи роблять круговорот у природі за участю рослин, мікроорганізмів і т. д. Круговорот олова - справа рук людських.

Сплави. Одна третина олова йде на виготовлення припоїв. Припої - це сплави олова в основному зі свинцем у різних пропорціях в залежності від призначення. Сплав, що містить 62% Sn і 38% Pb, називається евтектичним і має найнижчу температуру плавлення серед сплавів системи Sn - Pb. Він входить до складів, які використовуються в електроніці та електротехніці. Інші свинцево-олов'яні сплави, наприклад 30% Sn + 70% Pb, що мають широку область затвердіння, використовуються для пайки трубопроводів і як присадний матеріал. Застосовуються й олов'яні припої без свинцю. Сплави олова з сурмою і міддю використовуються як антифрикційні сплави (бабіти, бронзи) в технології підшипників для різних механізмів.

Склад і властивості деяких сплавів олова

Область використання

Склад сплавів,% за масою


Мех. св-ва


Sn

Sb

Сu

Рb

Межа міцності, МПа

Відносить. подовження,%

Твердість за Бринеллю, МПа

Антіфрікц.

сплави

Припої *

88,7-90,2

7.3-7,8

2,5-3,5


80,0

18,5

240.0


81-84

10-12

5,5-6,5


90,0

6.0

300,0


89-90

Не більше 0,05

-

До 100

43,0

25

130


59-61

Не більше: 0,05

-

Те ж

50,0

34

126


49-51

0,05-0,5

-

- "-

40,0

54

149









* Припої, що містять менше 50% Sn, відносяться до сплавів свинцю

Багато сплави олова - справжні хімічні сполуки елемента № 50 з іншими металами. Сплавляючись, олово взаємодіє з кальцієм, магнієм, цирконієм, титаном, багатьма рідкоземельними елементами. Утворюються при цьому, відрізняються досить великою тугоплавкістю. Так, станід цирконію Zr3Sn2 плавиться лише при 1985 ° C. І "винна" тут не тільки тугоплавкість цирконію, але і характер сплаву, хімічний зв'язок між утворюючими його речовинами. Або інший приклад. Магній до числа тугоплавких металів не віднесеш, 651 ° C - далеко не рекордна температура плавлення. Олово плавиться при ще більш низькій температурі - 232 ° C. А їхній сплав - сполука Mg2Sn - має температуру плавлення 778 ° C. Сучасні олов'яно-свинцеві сплави містять 90-97% Sn і невеликі добавки міді і сурми для збільшення твердості й міцності.

Злуки. Олово утворює різні хімічні сполуки, багато з яких знаходять важливе промислове застосування. Крім численних неорганічних сполук, атом олова здатний до утворення хімічного зв'язку з вуглецем, що дозволяє отримувати металоорганічні сполуки, відомі як оловоорганические. Водні розчини хлоридів, сульфатів і фтороборатов олова служать електролітами для осадження олова і його сплавів. Оксид олова застосовують у складі глазурі для кераміки; він надає глазурі непрозорість і служить барвним пігментом. Оксид олова можна також осаджувати з розчинів у вигляді тонкої плівки на різних виробах, що надає міцність скляним виробам (або зменшує вагу судин, зберігаючи їх міцність). Введення станату цинку та інших похідних олова в пластичні і синтетичні матеріали зменшує їх займистість і перешкоджає утворенню токсичного диму, і ця область застосування стає найважливішою для сполук олова. Величезна кількість оловоорганічних сполук витрачається в якості стабілізаторів полівінілхлориду - речовини, що використовується для виготовлення тари, трубопроводів, прозорого покрівельного матеріалу, віконних рам, водостоків та ін Інші оловоорганические сполуки використовуються як сільськогосподарські хімікати, для виготовлення фарб і консервації деревини.

Найважливіші сполуки:

Діоксид олова SnO 2 не розчинний у воді. У природі - мінерал каситерит (олов'яний камінь). Отримують окисленням олова киснем. Застосування: для отримання олова, білий пігмент для емалей, скла, глазурі.

Оксид олова SnO, чорні кристали. На повітрі вище 400 ° С окислюється, не розчиняється у воді. Застосування: чорний пігмент у виробництві рубінового скла, для одержання солей олова.

Гідрид олова SnH 2 виходить в незначних кількостях як домішка до водню при розкладанні кислотами сплавів олова з магнієм (тобто при дії водню в момент виділення). При зберіганні поступово розкладається на вільне олово і водень.

Тетрахлорид олова SnCl 4 димить на повітрі рідина, розчинно у воді. Застосування: протрава при фарбуванні тканин, каталізатор полімеризації.

Дихлорид олова SnCl 2 розчинний у воді. Утворює дигідрат. Застосування: відновник в органічному синтезі, протрава при фарбуванні тканин, для знебарвлення нафтових масел.

Дисульфід олова SnS 2, золотисто-жовті кристали, нерозчинний. "Сусальне золото" - для обробки під золото дерева, гіпсу.

Сульфід олова SnS взаємодіє з концентрованими кислотами, не розчиняється у воді. Застосування: для підвищення антифрикційних властивостей підшипникового матеріалу, каталізатор полімеризації, для отримання діоксиду олова.

Олово у сплавах. На консервні банки йде приблизно половина світового виробництва олова. Інша половина - у металургію, для одержання різних сплавів. Найвідоміший сплав з олова - бронза (існують також безолов'яні бронзи: алюмінієві бронзи, кременисті та берилієві). Одна з головних причин створення безолов'яним бронз - дефіцитність олова. Проте бронза, що містить олово, як і раніше залишається важливим матеріалом і для машинобудування, і для мистецтва. Однофазні та двофазні бронзи перевершують латуні в міцності і опорі корозії (особливо в морській воді).

Однофазні олов'яні бронзи в катанні стані, особливо після значної холодної пластичної деформації, мають підвищені міцнісні і пружні властивості (> 40 кгс / мм 2).

Для двофазної бронзи характерна більш висока зносостійкість.

Важлива перевага двофазних оловяністих бронз - високі ливарні властивості. Бронзи отримують при литті найбільш низький коефіцієнт усадки в порівнянні з іншими металами, у тому числі чавунами. Олов'яні бронзи застосовують для литих деталей складної форми. Однак для арматури котлів і подібних деталей вони використовуються лише у випадку невеликих тисків пари. Недолік виливків з олов'яних бронз - їх значна микропористая. Тому для роботи при підвищених тисках пари вони все більше замінюються алюмінієвими бронзами.

Через високу вартість олова частіше використовують бронзи, в яких частина олова замінена цинком (або свинцем).

Бронзи відрізняються невисокою жидкотекучестью через великого інтервалу кристалізації. З цієї ж причини в бронзі не утворюється концентрована усадочна раковина, а виникає розсіяна дрібна пористість. Лінійна усадка в олов'яних бронз дуже невелика і становить 0,8% при литті в піщану форму і 1,4% при литті в кокіль. Зазначені властивості полегшують отримання виливків, від яких не потрібно високої герметичності.

У олов'яні бронзи часто вводять фосфор. Фосфор, по-перше, понижати мідь і зменшує вміст водню в розплаві, по-друге, підвищує міцнісні властивості, по-третє, покращує жидкотекучесть і дозволяє одержувати виливки складної форми з тонкими стінками, зокрема, якісне художнє лиття.

Фосфор у бронзах з невеликою кількістю олова підвищує опір зносу через появу в структурі твердих частинок фосфіду міді.

Однак фосфор погіршує технологічну пластичність, тому в деформуються сплави вводять не більше 0,5% фосфору.

Олов'яні бронзи легують цинком у великих кількостях, але в межах розчинності. За таких утриманнях цинк сприятливо впливає на властивості олов'яних бронз:

знижує схильність до ліквації і підвищує жидкотекучесть, оскільки він зменшує температурний інтервал кристалізації сплавів;

сприяє отриманню більш щільного лиття;

раскисляют розплав і зменшує вміст у ньому водню;

покращує властивості міцності.

З усіх антифрикційних сплавів найкращими властивості мають олов'яні бабіти, у складі яких до 90% олова.

М'які і легкоплавкі свинцево-олов'яні припої добре змочують поверхню більшості металів, мають високу пластичність.

Однак область їхнього застосування обмежується через недостатню механічну міцність самих припоїв.

Склади олов'яно-свинцевих припоїв. Властивості олов'яно-свинцевих припоїв.

Припої мають різне призначення, наприклад: ПОС 90 - для паяння внутрішніх швів харчової посуду (електрочайники, казанки тощо); ПОС 40 - паяння латуні, заліза і мідних проводів; ПОС 30 - паяння латуні, міді, заліза цинкових і оцинкованих аркушів, білої жерсті, приладів, радіоапаратури, гнучких шлангів і бандажної дроту електромоторів.

Олово входить також до складу типографського сплаву гарту, через що гарт має низьку температуру плавлення (240-350 ° С) і добрі ливарні властивості.

Нарешті, сплави на основі олова дуже потрібні електротехніці. Найважливіший матеріал для електроконденсаторів - станіоль; це майже чисте олово, перетворене в тонкі аркуші (частка інших металів у станіолі не перевищує 5%).

Той факт, що олово утворює досить численні сплави такого роду, змушує критично поставитися до твердження, що лише 7% виробленого у світі олова витрачається у вигляді хімічних сполук ("Коротка хімічна енциклопедія", т.3, с.739). Мабуть, мова тут йде тільки про сполуки з неметалами.

Сполуки з неметалами. З цих речовин найбільше значення мають хлориди. У тетрахлориді олова SnCl4 розчиняються йод, фосфор, сірка, багато органічних речовин. Тому і використовують його головним чином як досить специфічний розчинник. Дихлорид олова SnCl2 застосовують як протравлення при фарбуванні і як відновник при синтезі органічних барвників. Ті ж функції в текстильному виробництві ще в однієї сполуки елемента № 50 - станату натрію Na2SnO3. Крім того, з його допомогою збільшують масу шовку.

Промисловість обмежено використовує й окисли олова. SnO застосовують для одержання рубінового скла, a SnO2 - білої глазурі. Золотисто-жовті кристали дисульфіду олова SnS2 нерідко називають сухозлітним золотом, яким "золотять" дерево, гіпс. Це, якщо можна так виразитися, "найантисучасніше" застосування сполук олова. А найсучасніше?

Якщо мати на увазі тільки сполуки олова, то це застосування станату барію BaSnO3 у радіотехніку як чудовий діелектрик. А один з ізотопів олова, 119Sn, зіграв помітну роль при вивченні ефекту Мессбауера - явища, завдяки якому був створений новий метод дослідження - гамма-резонансна спектроскопія. І це не єдиний випадок, коли древній метал послужив службу сучасній науці.

На прикладі сірого олова - однієї з модифікацій елемента № 50 - був виявлений зв'язок між властивостями і хімічною природою напівпровідникового матеріалу. І це, мабуть, єдине, за що сіре олово можна пом'янути добрим словом: шкоди воно принесло більше, ніж користі. Ми ще повернемося до цього різновиду елемента № 50 після розповіді про ще одну велику і важливу групу сполук олова.

Оловоорганіки. Елементоорганічних сполук, до складу яких входить олово, відомо безліч. Перше з них отримано ще в 1852 р.

Спочатку речовини цього класу одержували лише одним способом - в обмінній реакції між неорганічними сполуками олова і реактивами Гриньяра. Ось приклад такої реакції:

SnCl4 + 4RMgX SnR4 + 4MgXCl

(R тут - вуглеводневий радикал, X - галоген).

Сполуки складу SnR4 широкого практичного застосування не знайшли.

Вперше інтерес до оловоорганіки виник у роки першої світової війни. Майже всі органічні сполуки олова, отримані на той час, були токсичні. Як отруйні речовини ці сполуки не були використані, їх токсичністю для комах, цвілевих грибків, шкідливих мікробів скористалися пізніше. На основі ацетату трифенілолова (C6H5) 3SnOOCCH3 був створений ефективний препарат для боротьби з грибковими захворюваннями картоплі та цукрового буряка. У цього препарату виявилася ще одна корисна властивість: він стимулював ріст і розвиток рослин.

Для боротьби з грибками, що розвиваються в апаратах целюлозно-паперової промисловості, застосовують іншу речовину - гідроокис трибутилолова (С4Н9) 3SnOH. Це набагато підвищує продуктивність апаратури.

Багато "професій" у ділауріната дібутілолова (C4H9) 2Sn (OCOC11H23) 2. Його використовують у ветеринарній практиці як засіб проти гельмінтів (глистів). Ця ж речовина широко застосовується у хімічній промисловості як стабілізатор полівінілхлориду й інших полімерних матеріалів і як каталізатор. Швидкість реакції утворення уретанів (мономери поліуретанових каучуків) у присутності такого каталізатора зростає в 37 тис. разів.

На основі оловоорганічних сполук створені ефективні інсектициди; оловоорганические скло надійно захищає від рентгенівського опромінення, полімерними свинець - і оловоорганічними фарбами покривають підводні частини кораблів, щоб на них не наростали молюски.

Усе це сполуки чотирьохвалентного олова. Органічні сполуки двовалентного олова, напроти, нечисленні і практичне застосування поки майже не знаходять.

Сіре олово. Як і багато інших елементів, олово має трохи алотропічних модифікацій, кілька станів. (Слово "алотропія" перекладається з грецької як "інша властивість", "інший поворот") При нормальній плюсовій температурі олово виглядає так, що ніхто не може засумніватися в приналежності його до класу металів.

Білий метал, пластичний, ковкий. Кристали білого олова (його називають ще бета-оловом) тетрагональні. Довжина ребер елементарних кристалічних грат - 5,82 і 3,18. Але при температурі нижче 13,2 ° C "нормальне" стан олова інший. Ледь досягають цей температурний поріг, у кристалічній структурі олов'яного зливка починається перебудова. Біле олово перетворюється в порошкоподібне сіре, або альфа-олово, і чим нижче температура, тим більше швидкість цього перетворення. Максимуму вона досягає при мінус 39 ° C.

Кристали сірого олова кубічної конфігурації; розміри їхніх елементарних осередків більше - довжина ребра 6,49. Тому густина сірого олова помітно менша, ніж білого: 5,76 і 7,3 г/см3 відповідно.

Результат перетворення білого олова в сіре іноді називають "олов'яною чумою". Плями і нарости на армійських чайниках, вагони з олов'яним пилом, шви, що стали проникними для рідини - наслідки цієї "хвороби".

Чому зараз не трапляються подібні історії? Тільки по одній причині: олов'яну чуму навчилися "лікувати". З'ясована її фізико-хімічна природа, встановлено, як впливають на сприйнятливість металу до "чуму" ті або інші добавки. Виявилося, що алюміній і цинк сприяють цьому процесу, а вісмут, свинець і сурма, навпаки, протидіють йому.

Крім білого і сірого олова, виявлена ​​ще одна Аллотропических модифікація олова - гамма-олово, стійке при температурі вище 161 ° C. Відмітна риса такого олова - крихкість. Як і всі метали, зі зростанням температури олово стає пластічнєє, але тільки при температурі нижче 161 ° C. Потім воно повністю втрачає пластичність, перетворюючись в гамма-олово, і стає настільки крихким, що його можна стовкти в порошок.

Ізотопи. Олово - один з найбільш "багатоізотопних" елементів: природне олово складається з десяти ізотопів з масовими числами 112, 114 ... 120, 122 і 124. Найпоширеніший з них 120 Sn на його частку доводиться близько 33% усього земного олова. Майже в 100 разів менше олова-115 - найрідкіснішого ізотопу елемента № 50. Ще 15 ізотопів олова з масовими числами 108 ... 111, 113, 121, 123, 125 ... 132 отримані штучно. Час життя цих ізотопів далеко не однаковий. Так, олово-123 має період напіврозпаду 136 днів, а олово-132 всьго 2,2 хвилини.

Ізотопи олова 117 Sn та 119 Sn є месбауерівських ізотопами і застосовуються в гамма-резонансної спектроскопії.

Дефіцит олова. Кілька років тому американське Гірське бюро опублікувало розрахунки, з яких випливало, що розвіданих запасів олова вистачить світові якнайбільше на 35 років. Правда, уже після цього було знайдено кілька нових родовищ, у тому числі найбільше в Європі, розташоване на території Польщі. І проте дефіцит олова продовжує тривожити фахівців.

Список літератури

1. Бєлєнький М.А., Іванов А.Ф. Електроосадження металевих покриттів. Справ. вид. М.: "Металургія", 1985.

2. В'ячеславом П.М. Електролітичне осадження сплавів. Л.: "Машинобудування", 1986

3. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Корозія і корозійностійкі сплави. М.: "Металліргія", 1973.

4. Росошинській А.А., Лапшов Ю.К., Яценко Б.П., Олово у процесах пайки, К., 1985;

5. Частина статі Н.В. Одноралова "СЕКРЕТИ МАЙСТРА" в ж. "ЗРОБИ САМ" № 2, 1991 стор.61-68


Посилання (links):
  • http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1052329
  • http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/75470
  • Додати в блог або на сайт

    Цей текст може містити помилки.

    Виробництво і технології | Реферат
    52.8кб. | скачати


    Схожі роботи:
    Олово свинець і їх сплави
    Алюміній і його сплави 2
    Алюміній і його сплави Характеристика алюмінію
    Олово
    Олово 2
    Олово 6
    Хімічний елемент Олово
    Олово і нікель в організмі людини
    Сплави
    © Усі права захищені
    написати до нас