Сплав 158-190

Сплав 158-190 — легкоплавкий висмутовый сплав системы Bi–Pb–Sn–Cd, стандартизованный по ASTM B774 «Standard Specification for Low Melting Point Alloys and Solders». Применяется в низкотемпературной пайке, технологической оснастке, плавких предохранителях и экранировании от ионизирующего излучения. В отечественной практике используется преимущественно под обозначением «сплав 158-190» или «158-190 ASTM B774».

Обозначение и состав сплава 158-190

Цифры в обозначении сплава — температурный диапазон в градусах Фаренгейта: солидус 158 °F (70 °C), ликвидус 190 °F (88 °C). Это не эвтектический, а гипоэвтектический сплав с интервалом кристаллизации — пастообразной зоной шириной 18 °С между началом и окончанием затвердевания. Данное свойство принципиально для ряда технологических применений (см. ниже).

Для сравнения: ближайший родственный сплав с точечным эвтектическим плавлением при 70 °C — Сплав Вуда (50 % Bi, 26,7 % Pb, 13,3 % Sn, 10 % Cd), имеющий другой состав и иное поведение при кристаллизации.

Химический состав

Химический состав сплава 158-190 по ASTM B774 приведён в таблице.

Элемент	Содержание, % (масс.)
Висмут (Bi)	42,0–43,0
Свинец (Pb)	37,2–38,2
Олово (Sn)	10,8–11,8
Кадмий (Cd)	8,0–9,0
Сурьма (Sb), не более	0,10
Медь (Cu), не более	0,08
Цинк (Zn), не более	0,08
Индий (In), не более	0,08
Серебро (Ag), не более	0,001

Сурьма, медь, цинк и индий — примесные элементы, нормируемые как загрязняющие. Их наличие сверх установленных пределов может смещать температурный диапазон кристаллизации.

Физические свойства

Ключевые физические характеристики сплава 158-190:

Характеристика	Значение
Солидус (начало плавления)	70 °C (158 °F)
Ликвидус (конец плавления)	88 °C (190 °F)
Тип сплава	Неэвтектический (с интервалом кристаллизации 18 °С)

Висмут — один из немногих металлов, расширяющихся при затвердевании: объёмное расширение чистого висмута составляет около 3,3 %. Сплавы с высоким содержанием висмута наследуют это свойство в той или иной мере. Для сплава 158-190 (42 % Bi) расширение при затвердевании ослаблено присутствием свинца (который, напротив, усаживается), однако полностью не устранено. Это важно при использовании сплава в пресс-формах и фиксирующей оснастке: расчёт зазоров должен учитывать возможное увеличение объёма отливки.

Механическая прочность сплава низкая — как у всех легкоплавких сплавов данного класса. Материал не предназначен для силовых конструкций; его ценность — в сочетании низкой температуры плавления, достаточной плотности и способности точно воспроизводить форму при литье.

Применение сплава 158-190

Низкотемпературная пайка меди, латуни и стали

Основное применение в качестве припоя — соединение деталей из меди и медных сплавов (прежде всего латуни), когда по конструктивным или технологическим причинам недопустим нагрев выше 100–110 °C. Сплав хорошо смачивает медь и латунь без специальной подготовки поверхности (с применением соответствующего флюса).

Пайка стали этим припоем возможна только после предварительной металлизации поверхности: нанесения цинкового или гальванически осаждённого медного подслоя. Без подслоя сцепление неудовлетворительно из-за плохого смачивания висмутовым расплавом оксидированной стальной поверхности.

Интервал кристаллизации 70–88 °C означает, что пастообразная зона существует 18 °С. При пайке подвижных соединений в этот период необходимо исключить смещение деталей — иначе шов будет рыхлым. Конструктор должен учесть, что шов остаётся частично жидким вплоть до 70 °C. Схожие легкоплавкие висмутовые припои с другим составом см. также: Припой Липовица.

Гибка тонкостенных труб

Одно из ключевых промышленных применений — заполнение тонкостенных труб перед гибкой. Расплав заливают в трубу, после отвердевания трубу гнут по оправке. Застывший сплав предотвращает смятие стенок и овализацию профиля. По окончании гибки сплав выплавляют, опустив трубу в ёмкость с водой при 90–95 °C. Сплав 158-190 удобен для этой операции благодаря тому, что начинает плавиться уже при 70 °C: трубу не нужно перегревать, что важно при работе с алюминием и тонкостенными медными трубами.

Технологическая оснастка: фиксация заготовок и патроны для точной обработки

Сплав используют как заливочный материал для фиксации нежёстких заготовок при механической обработке (шлифовании, полировании, фрезеровании): деталь помещают в оправку или специальный патрон, заполняют зазор расплавом, обрабатывают, после чего сплав выплавляют. Применяется также при изготовлении пробных отливок для проверки формообразующей оснастки (пресс-форм, штампов): заполняет резьбовые каналы, глухие отверстия, воспроизводя точный негатив внутренней геометрии.

Наличие интервала кристаллизации 70–88 °C полезно при заливке в оснастку: «пастообразная» фаза позволяет дольше удерживать расплав в форме до полного заполнения сложных полостей.

Плавкие вставки, термочувствительные элементы и защита от радиации

Точно определённые температуры солидуса и ликвидуса делают сплав пригодным для плавких предохранительных вставок в системах пожаротушения, перепускных клапанах и тепловых реле, где срабатывание должно происходить при температуре ниже 100 °C. Высокая плотность (~9,7 г/см³) и хорошая технологичность литья делают сплав пригодным для изготовления временных или постоянных экранов от рентгеновского и гамма-излучения в радиотерапевтическом оборудовании и приборостроении.

Требования безопасности при работе со сплавом 158-190

Сплав содержит кадмий и свинец — вещества 1-го класса опасности по ГОСТ 12.1.007-76. При пайке и нагреве до температур выше 100 °C в рабочую зону могут поступать аэрозоль оксида кадмия (CdO) и пары свинца. Оксид кадмия особенно опасен: его ПДК в воздухе рабочей зоны — 0,05 мг/м³ (в пересчёте на Cd), острое отравление возможно при кратковременном воздействии.

Обязательные меры при работе с припоем на основе сплава 158-190:

• Местная вытяжная вентиляция или общеобменная вентиляция с кратностью, обеспечивающей концентрацию кадмия ниже ПДК.
• Контроль воздуха рабочей зоны на содержание кадмия и свинца.
• Индивидуальные средства защиты органов дыхания при пайке.
• Соблюдение правил личной гигиены (запрет приёма пищи и курения на рабочем месте).
• Хранение и транспортировка в соответствии с требованиями к кадмий- и свинецсодержащим материалам.

Отходы сплава подлежат сдаче в качестве лома цветных металлов согласно требованиям к обращению с отходами 1-го и 2-го классов опасности.

Формы поставки сплава 158-190

Согласно ASTM B774, сплав 158-190 поставляется в следующих видах: слитки и чушки (стандартная форма для переплавки и заливки), круглые прутки и проволока, лента, порошок (с регламентируемым размером частиц), а также специальные формы по согласованию с потребителем. Порошок характеризуется размером сетки классификации; минимальный нормируемый размер — 45 мкм (325 меш).