Металлическая сурьма Су0

Металлическая сурьма — общие сведения и физико-химические свойства

Сурьма (Sb, лат. Stibium) — химический элемент № 51 периодической системы, относящийся к полуметаллам (семиметаллам). В свободном состоянии представляет собой серебристо-белый металл с синеватым оттенком и выраженным металлическим блеском. Несмотря на внешнее сходство с типичными металлами, сурьма отличается от них рядом принципиальных особенностей: она хрупка, легко раскалывается по плоскостям спайности и растирается в порошок, не поддаётся ковке и прокатке при комнатной температуре. Пластичность появляется лишь при нагреве выше 310 °C.

Важнейшее технологическое свойство сурьмы — расширение при кристаллизации из расплава. Благодаря этому сплавы с участием сурьмы точно заполняют литейные формы, что критично для производства типографских шрифтов, аккумуляторных решёток и фасонного литья.

Физические свойства металлической сурьмы

Для сравнения: теплопроводность меди — около 400 Вт/(м·К), алюминия — около 235 Вт/(м·К). Сурьма проводит тепло и электрический ток значительно хуже, чем обычные конструкционные металлы. Именно поэтому она не применяется как самостоятельный проводник, но эти свойства востребованы в полупроводниковых материалах и в определённых электрохимических процессах.

Химическая стойкость сурьмы

На воздухе при комнатной температуре металлическая сурьма устойчива и не окисляется. Окисление начинается только при температурах, близких к точке плавления (~630 °C), с образованием оксида Sb₂O₃. Сурьма не реагирует с водой, азотом и водородом при нормальных условиях. Разбавленные кислоты на неё практически не действуют. Однако концентрированные соляная и серная кислоты медленно растворяют сурьму, а концентрированная азотная — окисляет до высшего оксида.

Стойкость к коррозии в кислых и агрессивных средах делает сурьму ценным легирующим компонентом для свинцовых сплавов, используемых в химическом оборудовании, а также для свинцово-сурьмянистых анодов, работающих в электролитах гальванических ванн — в частности, при хромировании.

Марки металлической сурьмы по ГОСТ 1089-82

Действующий стандарт ГОСТ 1089-82 «Сурьма. Технические условия» (с изменениями № 1–4) устанавливает следующие марки в зависимости от чистоты основного вещества:

Примеси в составе — свинец, мышьяк, железо, сера, олово, кремний, цинк, висмут, золото и другие элементы — нормируются ГОСТом для каждой марки отдельно. Для сурьмы марок Су1 и Су2, используемых в свинцовых сплавах, допускается увеличение доли свинца, олова и мышьяка за счёт снижения содержания основного вещества.

Сурьма высокой чистоты: марки Су00000 – Су000

Высокочистые марки (от Су000 и выше) получают методами глубокой очистки — зонной плавкой, дистилляцией и другими специальными технологиями. Содержание примесей в марке Су00000 не превышает 0,0001 %, что обеспечивает стабильные электрофизические параметры при использовании в полупроводниковых структурах. Из сурьмы высокой чистоты получают антимониды — соединения с индием (InSb), галлием (GaSb) и алюминием (AlSb), которые применяются в инфракрасных детекторах, диодах и других электронных компонентах.

Форма выпуска высокочистых марок — слитки массой от 0,5 до 4,0 кг (марки Су00000, Су0000, Су000), слитки до 2 кг (марка Су0000П). Поверхность слитков должна быть чистой, без видимых инородных включений. Упаковка — полиэтиленовая плёнка, картонные коробки с мягкими прокладками (поролон или вата), деревянные ящики или контейнеры.

Сурьма технических марок: Су00 – Су2

Наиболее массовые в промышленности — марки Су0, Су1 и Су2. Именно они составляют основу потребления в металлургии, аккумуляторном производстве и химической промышленности.

Марка Су1 (не менее 99,4 % Sb) — единственная из марок ГОСТ 1089-82, которая в обязательном порядке изготовляется электролитическим способом. Это обеспечивает характерную форму выпуска — чешуйчатые пластины размером до 70 мм (содержание влаги — не более 0,5 %). Помимо пластин, Су1 выпускается и в чушках массой 15–25 кг.

Марки Су00, Су0 и Су2 изготовляют в виде чушек массой от 15 до 25 кг. На поверхности чушек стандарт допускает шлаковые включения размером не более 4 мм и пористость.

Формы поставки металлической сурьмы

По ГОСТ 1089-82 металлическая сурьма выпускается в следующих формах в зависимости от марки:

По согласованию изготовителя с потребителем допускается выпуск сурьмы в слитках иной формы и массы. Партия технических марок (Су00 – Су2) формируется из чушек или пластин одной марки, одного вида изготовления, одной плавки, общей массой до 20 тонн.

Применение сурьмы в промышленности

Металлическая сурьма в чистом виде применяется ограниченно — из-за хрупкости она не пригодна для изготовления конструкционных деталей. Основная ценность сурьмы — в её способности улучшать свойства сплавов на основе свинца, олова и других металлов. Даже незначительные добавки (1–2 %) существенно повышают твёрдость и прочность свинца, одновременно улучшая его литейные качества.

Свинцово-сурьмянистые сплавы

Свинцово-сурьмянистые сплавы по ГОСТ 1292-81 — наиболее массовая область применения металлической сурьмы. Стандарт предусматривает марки ССу (0,4–0,6 % Sb), ССу2, ССу3, ССу8, ССу10, ССуА (2–7 % Sb) и другие. Сплавы выпускаются в виде чушек и блоков и используются для:

Добавка сурьмы к свинцу повышает его твёрдость, механическую прочность и коррозионную стойкость. Кроме того, свинцово-сурьмянистые сплавы обладают хорошими литейными свойствами — расплав точно воспроизводит конфигурацию формы, что важно при производстве аккумуляторных решёток, профилей и облицовочных элементов для химических резервуаров.

Баббиты — антифрикционные сплавы с сурьмой

Баббиты — группа антифрикционных сплавов, используемых в подшипниках скольжения. Сурьма является одним из ключевых компонентов: она образует твёрдые интерметаллические кристаллы (например, SbSn), которые равномерно распределяются в мягкой матрице (олово или свинец). Такая структура обеспечивает низкий коэффициент трения и высокую износостойкость.

Типичные оловянные баббиты (Б83, Б88) содержат 6–12 % сурьмы и 4–6 % меди на оловянной основе. Свинцовые баббиты (Б16, БН) имеют иное соотношение: свинцовая основа с добавками олова, сурьмы и меди. Область применения — вкладыши подшипников в двигателях, турбинах, компрессорах, прокатных станах и другом тяжёлом оборудовании.

Типографские и легкоплавкие сплавы

Типографский сплав (гарт) — это сплав на основе свинца с добавками сурьмы (до 15–25 %) и олова. Сурьма в составе гарта придаёт твёрдость литерам и обеспечивает чёткость отпечатка. Свойство расширения при кристаллизации гарантирует точное заполнение литейных матриц с воспроизведением мелких деталей шрифтового рисунка.

Сурьма также входит в состав ряда легкоплавких сплавов (систем Pb–Sn–Sb, Pb–Sn–Sb–Bi и др.), применяемых для пайки, изготовления предохранителей и плавких вставок.

Полупроводниковая и электронная техника

Высокочистая сурьма (марки Су0000 и Су00000) используется как исходный материал для синтеза полупроводниковых соединений — антимонидов. Наиболее важные из них:

Кроме того, сурьма применяется как легирующая добавка (донор) при выращивании кристаллов кремния и германия для управления типом проводимости полупроводниковых пластин.

Сурьмянистые аноды для гальваники

Свинцово-сурьмянистые аноды нашли широкое применение в процессах электрохимического хромирования. Содержание сурьмы в анодном сплаве (обычно 4–8 %) повышает коррозионную стойкость анодов в хромовокислых электролитах и увеличивает их срок службы. Такие аноды являются нерастворимыми — они не переходят в электролит, а лишь обеспечивают подвод электрического тока.

Помимо хромирования, свинцово-сурьмянистые аноды используют при электролитическом полировании, анодировании и в других электрохимических процессах, где требуется устойчивость к агрессивным средам.

Требования безопасности при работе с сурьмой

Согласно ГОСТ 1089-82 и ГОСТ 12.1.007, аэрозоль металлической сурьмы относится к веществам 2-го класса опасности. Вдыхание сурьмяной пыли вызывает раздражение органов дыхания, пищеварительного тракта и слизистых оболочек. Длительное воздействие может привести к антимонокониозу — профессиональному заболеванию лёгких.

Предельно допустимые концентрации в воздухе рабочей зоны: максимально разовая — 0,5 мг/м³, среднесменная — 0,2 мг/м³. Производственные помещения, связанные с выделением пыли сурьмы, оборудуют приточно-вытяжной вентиляцией. Удаление осевшей пыли проводят пневматическими устройствами (пылесосами). Сама по себе металлическая сурьма пожаровзрывобезопасна.

Хранение и транспортировка сурьмы в чушках и слитках

Металлическая сурьма хранится в сухих закрытых помещениях. Высокочистые марки упаковываются в полиэтиленовую плёнку с размещением в картонные коробки с мягкими прокладками. Технические марки (чушки) допускается транспортировать всеми видами транспорта — автомобильным, железнодорожным, морским — в соответствии с правилами перевозки грузов для соответствующего вида транспорта.

На каждой чушке или слитке сурьмы должны быть обозначены: товарный знак изготовителя (литой), марка металла и номер плавки. Партия сопровождается документом о качестве с указанием результатов химического анализа.