Сплавы свинца

Свинец (Pb) — тяжёлый цветной металл с плотностью 11,34 г/см³ и температурой плавления 327,5 °C. Он отличается высокой пластичностью, коррозионной стойкостью к минеральным кислотам и низкой стоимостью по сравнению с оловом и алюминием. В чистом виде свинец обладает малой механической прочностью (предел прочности на растяжение — около 12–13 МПа) и высокой ползучестью, что ограничивает его применение как самостоятельного конструкционного материала. Однако введение легирующих элементов — сурьмы, олова, кальция, меди, теллура, мышьяка, кадмия, никеля — позволяет получать сплавы с требуемыми эксплуатационными характеристиками для различных отраслей промышленности.

Классификация сплавов на основе свинца

Свинцовые сплавы принято делить на две группы: низколегированные и высоколегированные. Низколегированные содержат малые добавки Fe, Cu, Sb, Sn, Cd или Ca, которые повышают коррозионную стойкость, предел ползучести и длительную прочность свинца. Высоколегированные включают значительные количества элементов, повышающих твёрдость, прочность и антифрикционные свойства, а также понижающих температуру плавления и усадку при литье.

По области применения свинцовые сплавы подразделяются на следующие группы:

• подшипниковые (баббиты);
• аккумуляторные;
• кабельные (для защитных оболочек);
• припойные (оловянно-свинцовые и др.);
• типографские;
• для облицовки химической аппаратуры;
• для радиационной защиты;
• легкоплавкие;
• сплавы общего назначения.

Влияние легирующих элементов на свойства свинцовых сплавов

Поведение свинцовых сплавов в значительной мере определяется типом и количеством введённых добавок. Каждый легирующий элемент решает конкретные инженерные задачи.

Сурьма (Sb)

Сурьма — наиболее распространённый легирующий элемент свинцовых сплавов. Даже небольшие добавки (0,4–0,6 %) повышают механическую прочность и твёрдость свинца, а также улучшают литейные свойства — снижают усадку расплава при затвердевании. С увеличением содержания сурьмы до 8–12 % твёрдость и прочность возрастают существенно, что востребовано при производстве дроби, типографских сплавов и аккумуляторных решёток. Свинцово-сурьмянистые сплавы выпускаются по ГОСТ 1292-81 в марках ССу, ССу2, ССу3, ССу8, ССу10, ССуА, УС, ССуМ, ССуМТ.

Олово (Sn)

Олово улучшает смачиваемость и паяемость свинцовых сплавов, повышает их жидкотекучесть. Двойные сплавы свинца с оловом составляют основу большинства мягких припоев серии ПОС (оловянно-свинцовые припои). Кроме того, олово добавляется в типографские сплавы для улучшения литейных характеристик. В подшипниковых баббитах олово совместно со свинцом, сурьмой и медью формирует структуру, необходимую для работы в условиях трения и скольжения.

Кальций (Ca)

Кальций — один из немногих элементов, которые обеспечивают упрочнение свинца при пластической деформации. Свинцово-кальциевые сплавы (кальциевые баббиты) обладают повышенной длительной прочностью и более высокой температурой рекристаллизации по сравнению с чистым свинцом. Они применяются для оболочек силовых кабелей и решёток безсурьмянистых аккумуляторов.

Теллур (Te)

Теллур, как и кальций, способен упрочнять свинец при пластической деформации. Введение 0,03–0,06 % Te значительно повышает стойкость свинца к серной кислоте: потери металла при воздействии кислоты снижаются многократно. Свинцово-теллуровые сплавы используются для облицовки ванн и трубопроводов, работающих с агрессивными средами, а также для кабельных оболочек.

Медь (Cu)

Добавки меди минимизируют ликвацию (неоднородность распределения компонентов) при литье и повышают твёрдость. Медь вводится в свинцовые баббиты и в сурьмянистые сплавы для улучшения равномерности структуры.

Мышьяк (As)

Мышьяк повышает термическую устойчивость свинцовых сплавов. В марке УСМ (по ГОСТ 1292-81), предназначенной для изготовления дроби, содержание мышьяка составляет 0,4–0,7 %. Мышьяк улучшает сферичность дроби при литье капельным способом.

Кадмий (Cd)

Кадмий повышает коррозионную стойкость свинцовых сплавов. Также он входит в состав некоторых легкоплавких сплавов (Вуда, Липовица и др.), в которых снижает температуру плавления ниже 100 °C.

Никель (Ni)

Никель придаёт поверхности сплава износостойкость. Применяется в ограниченном количестве для повышения прочностных характеристик.

Свинцово-сурьмянистые сплавы для аккумуляторов и кабелей

Свинцово-сурьмянистые сплавы занимают центральное место среди промышленных сплавов свинца. ГОСТ 1292-81 устанавливает их марки и химический состав. Эти сплавы выпускаются в виде чушек массой до 40 кг и блоков массой до 3 т.

Основной потребитель свинцово-сурьмянистых сплавов — аккумуляторная промышленность. Сурьма повышает твёрдость решёток аккумуляторных пластин, что необходимо для сохранения формы электродов в процессе многократных циклов заряда-разряда. Марки ССуА и УС специально рассчитаны на стартерные батареи.

Для оболочек силовых и низковольтных кабелей при подземной и подводной прокладке используются марки с низким содержанием сурьмы (ССу, ССуМ, ССуМТ). Свинцовая оболочка защищает токопроводящие жилы от влаги, механических повреждений и агрессивных почвенных сред.

Свинцовые припои: оловянно-свинцовые и специальные

Двойные и многокомпонентные сплавы свинца с оловом, а также с добавками сурьмы, висмута, кадмия, индия и других элементов образуют обширную группу припоев. Температура плавления свинцово-оловянных припоев составляет от 183 °C (эвтектика Sn63Pb37) до 305 °C и выше, в зависимости от состава.

Припои серии ПОС (ПОС 10, ПОС 30, ПОС 40, ПОС 61 и др.) — наиболее распространённые мягкие припои, применяемые для пайки электротехнических соединений, радиоэлектроники, трубопроводов. Серия ПОССу включает припои с добавлением сурьмы (ПОССу 30-0,5; ПОССу 40-0,5; ПОССу 61-0,5 и др.), которые обладают повышенной прочностью паяного шва.

Припои с добавками висмута (серия ПОСВ) и индия (серия ПОИн) относятся к легкоплавким и применяются при пайке термочувствительных компонентов. Некоторые составы плавятся при температурах ниже 100 °C, что позволяет использовать их в специальных технологических процессах.

Подшипниковые сплавы (баббиты) на свинцовой основе

Баббиты — антифрикционные сплавы для заливки подшипников скольжения. Свинцовые баббиты дешевле оловянных и применяются в подшипниках, работающих при умеренных нагрузках и скоростях. В их состав входят олово, сурьма, медь, кадмий, никель, теллур и другие компоненты.

Выделяют две основные подгруппы:

• свинцовые натрокальциевые баббиты — содержат натрий и кальций, обладают хорошими антифрикционными свойствами и применяются для заливки подшипников вместо дорогостоящих оловянных баббитов;
• свинцовые баббиты с оловом и сурьмой (например, Б16, БН, БКА) — применяются в дизельных двигателях, компрессорах, турбинах и другом оборудовании с подшипниками скольжения.

Добавка теллура в свинцовые баббиты повышает пластичность и температуру начала размягчения. Медь уменьшает ликвацию, к которой склонны многокомпонентные свинцовые баббиты.

Типографские свинцовые сплавы

Тройные сплавы свинца с сурьмой (8–23 %) и оловом (2–7 %) исторически применялись для отливки типографских шрифтов и стереотипов. Сурьма повышает твёрдость, уменьшает усадку при затвердевании (что критично для точного воспроизведения литер), а олово улучшает жидкотекучесть. Медь (до 0,5 %) дополнительно препятствует ликвации.

Несмотря на значительное сокращение полиграфического литья из-за внедрения цифровых технологий, типографские свинцовые сплавы продолжают находить применение в специализированном полиграфическом оборудовании и при изготовлении мелкосерийной сувенирной продукции.

Свинцовые сплавы в химической промышленности

Высокая стойкость свинца к серной, соляной и плавиковой кислотам обусловила его широкое применение для облицовки химической аппаратуры. Для этих целей используются как чистый свинец марок С1 и С2 (по ГОСТ 3778-98), так и легированные сплавы с теллуром, медью и сурьмой.

Сплавы с теллуром (0,03–0,06 %), медью (0,04–0,08 %) и сурьмой (0,5–2,0 %) выпускаются в виде листов, труб и других полуфабрикатов. Они применяются для облицовки гальванических ванн, футеровки сернокислотного оборудования, производства кислотоупорных насосов и трубопроводов.

Свинцовые аноды используются в электролитических процессах хромирования и нанесения гальванических покрытий. Свинцово-сурьмянистые аноды (марки ССу8, ССу2) отличаются стойкостью к электрохимическому растворению и применяются в гальванических линиях промышленных предприятий.

Свинцовые сплавы для радиационной защиты

Свинец — один из наиболее эффективных поглотителей ионизирующего излучения благодаря высокой плотности и большому атомному номеру (Z = 82). Свинцовые листы, кирпичи, стёкла и другие изделия применяются для экранирования:

• рентгеновских кабинетов и рентгенодиагностического оборудования;
• ядерных реакторов и хранилищ радиоактивных отходов;
• промышленных дефектоскопов;
• лабораторий, работающих с источниками ионизирующего излучения.

Для радиационной защиты применяется свинец высокой чистоты (марки С1, С2 по ГОСТ 3778-98), обеспечивающий максимальную плотность и однородность материала экранов. Толщина защитного слоя рассчитывается в зависимости от вида и энергии излучения.

Легкоплавкие свинцовые сплавы

Легкоплавкие сплавы представляют собой эвтектики свинца с висмутом, оловом, кадмием, индием и другими элементами. Температура плавления таких сплавов — от 47 °C (сплав Вуда: Bi 50 %, Pb 25 %, Sn 12,5 %, Cd 12,5 %) до 183 °C (эвтектика Sn-Pb).

Области применения легкоплавких свинцовых сплавов:

• плавкие предохранители в электротехнике и противопожарных системах;
• фиксация деталей при механической обработке;
• лужение и пайка термочувствительных элементов;
• выплавляемые модели в литейном производстве;
• изготовление форм для литья.

Формы поставки свинцовых сплавов

Свинцовые сплавы поставляются в различных формах, в зависимости от дальнейшего назначения:

• Чушки — стандартная форма поставки первичного свинца и свинцово-сурьмянистых сплавов (масса 30–40 кг по ГОСТ 3778-98 и ГОСТ 1292-81).
• Блоки — крупные заготовки массой 1, 2, 3 т для промышленных потребителей.
• Листы и ленты — рольный свинец различной толщины для облицовки, радиационной защиты, кровельных работ.
• Трубы — для трубопроводов в химической промышленности.
• Прутки и проволока — заготовки для дальнейшей переработки.
• Припои — в виде прутков, проволоки, лент, трубок с флюсом, порошков и паст.
• Аноды — литые и катаные для гальванических линий.
• Дробь и пломбы — специализированные формы для конкретных задач.
• Порошок — для аккумуляторного производства и специальных технологий.

Токсичность и меры безопасности

Свинец и его соединения относятся к веществам I класса опасности. Предельно допустимая концентрация свинца в воздухе рабочей зоны составляет 0,01/0,005 мг/м³ (по ГОСТ 12.1.005). При плавке, литье и механической обработке свинцовых сплавов в воздух рабочей зоны поступают аэрозоли свинца, сурьмы, мышьяка и других компонентов.

Основные меры защиты при работе со свинцовыми сплавами:

• организация приточно-вытяжной вентиляции на участках плавки и литья;
• использование средств индивидуальной защиты (респираторы, перчатки, спецодежда);
• регулярный контроль содержания свинца в воздухе рабочей зоны;
• соблюдение правил личной гигиены — мытьё рук перед приёмом пищи, раздельное хранение рабочей и повседневной одежды.

Современные санитарные нормы запрещают использование свинца в системах питьевого водоснабжения, в посуде для пищевых продуктов и в детских изделиях.

Выбор марки свинцового сплава для промышленных задач

Для корректного выбора марки свинцового сплава технологу или специалисту по снабжению необходимо учитывать:

• условия эксплуатации — температурный режим, контакт с агрессивными средами, тип нагрузки;
• требования к механическим свойствам — твёрдость, прочность, пластичность;
• совместимость с другими материалами — при пайке, гальванических процессах, заливке подшипников;
• нормативные требования — соответствие ГОСТ, отраслевым стандартам, санитарным нормам;
• форму поставки — чушки, листы, прутки, готовые изделия.

При закупке свинцовых сплавов рекомендуется запрашивать сертификат качества с указанием химического состава по результатам плавочного анализа. Это особенно важно для ответственных применений — аккумуляторного производства, облицовки химической аппаратуры и радиационной защиты.