123468 (Олово и его основные сплавы)

Содержание

Введение

Олово

Состав и свойства некоторых сплавов олова

Список литературы

Введение

Важнейшим этапом развития стало использование железа и его сплавов. В середине XIX века осваивается конвертерный метод производства стали, а к концу века - мартеновский.

Сплавы на основе железа и в настоящее время являются основным конструкционным материалом.

Бурный рост промышленности требует появления материалов с самыми различными свойствами.

Середина XX века ознаменована появлением полимеров - новых материал лов, свойства которых резко отличаются от свойств металлов.

Полимеры широко применяют также в различных областях техники: машиностроении, химической и пищевой промышленности и ряде других областей.

Развитие техники требует материалов с новыми уникальными свойствами. Для атомной энергетики и космической техники необходимы материалы, которые могут работать при весьма высоких температурах.

Компьютерные технологии стали возможными только при использовании материалов с особыми электрическими свойствами.

Таким образом, материаловедение - одна из важнейших, приоритетных наук, определяющих технический прогресс.

Олово - один из немногих металлов, известных человеку еще с доисторических времен. Олово и медь были открыты раньше железа, а сплав их, бронза, - это, по-видимому, самый первый "искусственный" материал, первый материал, приготовленный человеком.

Результаты археологических раскопок позволяют считать, что еще за пять тысячелетий до нашей эры люди умели выплавлять и само олово. Известно, что древние египтяне олово для производства бронзы возили из Персии.

Под названием "трапу" этот металл описан в древнеиндийской литературе. Латинское название олова stannum происходит от санскритского "ста", что означает "твердый".

Олово

Свойства олова:

Атомный номер ё50

Атомная масса 118,710

Изотопы

Стабильные 112, 114-120, 122, 124

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

Температура плавления, ° С 231,9

Температура кипения, ° С 262,5

Плотность, г/см3 7,29

Твердость (по Бринеллю) 3,9

Содержание в земной коре, % (масс) 0,0004

Производство олова из руд и россыпей всегда начинается с обогащения. Методы обогащения оловянных руд довольно разнообразны. Применяют, в частности, гравитационный метод, основанный на различии плотности основного и сопутствующих минералов. При этом нельзя забывать, что сопутствующие далеко не всегда бывают пустой породой. Часто они содержат ценные металлы, например вольфрам, титан, лантаноиды. В таких случаях из оловянной руды пытаются извлечь все ценные компоненты.

Состав полученного оловянного концентрата зависит от сырья, и еще от того, каким способом этот концентрат получали. Содержание олова в нем колеблется от 40 до 70%. Концентрат направляют в печи для обжига (при 600...700°C), где из него удаляются относительно летучие примеси мышьяка и серы. А большую часть железа, сурьмы, висмута и некоторых других металлов уже после обжига выщелачивают соляной кислотой. После того как это сделано, остается отделить олово от кислорода и кремния. Поэтому последняя стадия производства чернового олова - плавка с углем и флюсами в отражательных или электрических печах. С физико-химической точки зрения этот процесс аналогичен доменному: углерод "отнимает" у олова кислород, а флюсы превращают двуокись кремния в легкий по сравнению с металлом шлак.

В черновом олове примесей еще довольно много: 5...8%. Чтобы получить металл сортовых марок (96,5...99,9% Sn), используют огневое или реже электролитическое рафинирование. А нужное полупроводниковой промышленности олово чистотой почти шесть девяток - 99,99985% Sn - получают преимущественно методом зонной плавки.

Олово получают также регенерацией отходов белой жести. Для того чтобы получить килограмм олова, не обязательно перерабатывать центнер руды, можно поступить иначе: "ободрать" 2000 старых консервных банок.

Всего лишь полграмма олова приходится на каждую банку. Но помноженные на масштабы производства эти полуграммы превращаются в десятки тонн... Доля "вторичного" олова в промышленности капиталистических стран составляет примерно треть общего производства. В нашей стране работают около ста промышленных установок по регенерации олова.

Снять олово с белой жести механическими способами почти невозможно, поэтому используют различие в химических свойствах железа и олова. Чаще всего жесть обрабатывают газообразным хлором. Железо в отсутствие влаги с ним не реагирует. Олово же соединяется с хлором очень легко. Образуется дымящаяся жидкость - хлорное олово SnCl4, которое применяют в химической и текстильной промышленности или отправляют в электролизер, чтобы получить там из него металлическое олово. И опять начнется "круговерть": этим оловом покроют стальные листы, получат белую жесть. Из нее сделают банки, банки заполнят едой и запечатают. Потом их вскроют, консервы съедят, банки выбросят. А потом они (не все, к сожалению) вновь попадут на заводы "вторичного" олова.

Другие элементы совершают круговорот в природе с участием растений, микроорганизмов и т.д. Круговорот олова - дело рук человеческих.

Сплавы. Одна треть олова идет на изготовление припоев. Припои - это сплавы олова в основном со свинцом в разных пропорциях в зависимости от назначения. Сплав, содержащий 62% Sn и 38% Pb, называется эвтектическим и имеет самую низкую температуру плавления среди сплавов системы Sn - Pb. Он входит в составы, используемые в электронике и электротехнике. Другие свинцово-оловянные сплавы, например 30% Sn + 70% Pb, имеющие широкую область затвердевания, используются для пайки трубопроводов и как присадочный материал. Применяются и оловянные припои без свинца. Сплавы олова с сурьмой и медью используются как антифрикционные сплавы (баббиты, бронзы) в технологии подшипников для различных механизмов.

Состав и свойства некоторых сплавов олова

* Припои, содержащие менее 50% Sn, относятся к сплавам свинца

Многие сплавы олова - истинные химические соединения элемента №50 с другими металлами. Сплавляясь, олово взаимодействует с кальцием, магнием, цирконием, титаном, многими редкоземельными элементами. Образующиеся при этом соединения отличаются довольно большой тугоплавкостью. Так, станнид циркония Zr3Sn2 плавится лишь при 1985°C. И "виновата" здесь не только тугоплавкость циркония, но и характер сплава, химическая связь между образующими его веществами. Или другой пример. Магний к числу тугоплавких металлов не отнесешь, 651°C - далеко не рекордная температура плавления. Олово плавится при еще более низкой температуре - 232°C. А их сплав - соединение Mg2Sn - имеет температуру плавления 778°C. Современные оловянно-свинцовые сплавы содержат 90-97% Sn и небольшие добавки меди и сурьмы для увеличения твердости и прочности.

Соединения. Олово образует различные химические соединения, многие из которых находят важное промышленное применение. Кроме многочисленных неорганических соединений, атом олова способен к образованию химической связи с углеродом, что позволяет получать металлоорганические соединения, известные как оловоорганические. Водные растворы хлоридов, сульфатов и фтороборатов олова служат электролитами для осаждения олова и его сплавов. Оксид олова применяют в составе глазури для керамики; он придает глазури непрозрачность и служит красящим пигментом. Оксид олова можно также осаждать из растворов в виде тонкой пленки на различных изделиях, что придает прочность стеклянным изделиям (или уменьшает вес сосудов, сохраняя их прочность). Введение станната цинка и других производных олова в пластические и синтетические материалы уменьшает их возгораемость и препятствует образованию токсичного дыма, и эта область применения становится важнейшей для соединений олова. Огромное количество оловоорганических соединений расходуется в качестве стабилизаторов поливинилхлорида - вещества, используемого для изготовления тары, трубопроводов, прозрачного кровельного материала, оконных рам, водостоков и др. Другие оловоорганические соединения используются как сельскохозяйственные химикаты, для изготовления красок и консервации древесины.

Важнейшие соединения:

Диоксид олова SnO₂ не растворим в воде. В природе - минерал касситерит (оловянный камень). Получают окислением олова кислородом. Применение: для получения олова, белый пигмент для эмалей, стекол, глазурей.

Оксид олова SnO, черные кристаллы. На воздухе выше 400°С окисляется, не растворим в воде. Применение: черный пигмент в производстве рубинового стекла, для получения солей олова.

Гидрид олова SnH₂ получается в незначительных количествах как примесь к водороду при разложении кислотами сплавов олова с магнием (т.е. при действии водорода в момент выделения). При хранении постепенно разлагается на свободное олово и водород.

Тетрахлорид олова SnCl₄ дымящая на воздухе жидкость, растворимо в воде. Применение: протрава при крашении тканей, катализатор полимеризации.

Дихлорид олова SnCl₂ растворим в воде. Образует дигидрат. Применение: восстановитель в органическом синтезе, протрава при крашении тканей, для обесцвечивания нефтяных масел.

Дисульфид олова SnS₂, золотисто-желтые кристаллы, нерастворим. "Сусальное золото" - для отделки под золото дерева, гипса.

Сульфид олова SnS взаимодействует с концентрированными кислотами, не растворяется в воде. Применение: для повышения антифрикционных свойств подшипникового материала, катализатор полимеризации, для получения диоксида олова.

Олово в сплавах. На консервные банки идет примерно половина мирового производства олова. Другая половина - в металлургию, для получения различных сплавов. Самый известный сплав из олова - бронза (существуют также безоловянные бронзы: алюминиевые бронзы, кремнистые и бериллиевые). Одна из главных причин создания безоловянных бронз - дефицитность олова. Тем не менее бронза, содержащая олово, по-прежнему остается важным материалом и для машиностроения, и для искусства. Однофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).

Однофазные оловянные бронзы в катаном состоянии, особенно после значительной холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные и упругие свойства (> 40 кгс/мм²).

Для двухфазной бронзы характерна более высокая износостойкость.

Важное преимущество двухфазных оловянистых бронз - высокие литейные свойства. Бронзы получают при литье наиболее низкий коэффициент усадки по сравнению с другими металлами, в том числе чугунами. Оловянные бронзы применяют для литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов и подобных деталей они используются лишь в случае небольших давлений пара. Недостаток отливок из оловянных бронз - их значительная микропористость. Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они все больше заменяются алюминиевыми бронзами.

Из-за высокой стоимости олова чаще используют бронзы, в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).

Бронзы отличаются невысокой жидкотекучестью из-за большого интервала кристаллизации. По этой же причине в бронзе не образуется концентрированная усадочная раковина, а возникает рассеянная мелкая пористость. Линейная усадка у оловянных бронз очень невелика и составляет 0,8% при литье в песчаную форму и 1,4% при литье в кокиль. Указанные свойства облегчают получение отливок, от которых не требуется высокой герметичности.

В оловянные бронзы часто вводят фосфор. Фосфор, во-первых, раскисляет медь и уменьшает содержание водорода в расплаве; во-вторых, повышает прочностные свойства; в-третьих, улучшает жидкотекучесть и позволяет получать отливки сложной формы с тонкими стенками, в частности, качественное художественное литье.

Фосфор в бронзах с небольшим количеством олова повышает сопротивление износу из-за появления в структуре твердых частичек фосфида меди.