Олово, припои, баббиты, сурьма

Тугоплавкие и легкоплавкие

Припои для пайки подразделяются на тугоплавкие и легкоплавкие. Еще их называют твердые и мягкие. Все виды припоев широко используются в машиностроении, электротехнике, электронике.

Твердые припои применяют, когда необходимо достичь большой прочности соединения. Наверно, такие соединения можно было бы назвать конструктивными. Температура плавления их достигает 500 ℃ и выше.

https://www.youtube.com/watch?v=Ep2ZdI4z2YQ

Такая температура опасна для большинства компонентов электронных схем, особенно для полупроводниковых приборов и ограничивает их применение, поэтому для пайки используют другие сплавы – легкоплавкие.

Их получают добавлением в олово большего количества свинца. Все легкоплавкие припои имеют температуру плавления около 200 – 240 ℃.

Физические свойства

Внешне вещество похоже на металл, однако характеризуется меньшей электро- и теплопроводностью. Оно отличается хрупкостью (легко растирается в порошок) и способностью расширяться при застывании.

Элемент существует в четырех модификациях:

• Кристаллическая, или серая (основная модификация).
• Черная (аморфная).
• Взрывчатая (аморфная).
• Желтая (аморфная).

В основной модификации полуметалл образует игольчатые кристаллы в форме звезд. Чем меньше примесей, тем толще кристаллы. Вещество начинает плавиться при температуре 630,5 ⁰C, закипает — при 1634 ⁰C. Обладает диамагнитностью, т.е. намагничивается против направления внутреннего поля.

Основные свойства вещества:

• Плотность при стандартных условиях — 6,691 г/см³.
• Удельная теплоемкость — 0,210 кДж/(кг*К) при температурах от 20 ⁰С до 200 ⁰С.
• Молярная теплоемкость — 25,2 Дж/(K*моль).
• Теплопроводность — 17,6 вт/(м*К) при температуре 20 ⁰C.
• Молярный объем — 18,4 см³/моль.
• Удельная теплота плавления — 20,08 кДж/моль.
• Удельная теплота испарения — 195,2 кДж/моль.

В основной модификации металл устойчив при стандартных условиях. Он имеет слоистую структуру.

Черная сурьма

Это аморфная металлическая модификация, которая образуется из кристаллической сурьмы при резком охлаждении паров вещества. Она имеет плотность 5,3 г/см3. Данная неустойчивая модификация в безвоздушном пространстве при нагреве до 400 ⁰С переходит в кристаллическую сурьму.

Желтая сурьма

Чтобы получилась желтая сурьма, требуется воздействие кислорода на сниженный стибин SbH3. Эта модификация содержит небольшой процент химически связанного водорода. Является неустойчивой: переходит в черную сурьму при освещении или нагревании.

Взрывчатая сурьма

Электролиз раствора SbCl3 в соляно-кислой среде приводит к образованию взрывчатой сурьмы. Она имеет плотность от 5,64 до 5,97 г/см3, внешне напоминает графит. При любом прикосновении взрывается и превращается в кристаллическую сурьму.

Олово, как и сурьма, имеет серебристо-белый цвет, наряду с блестящим оттенком, но олово более мягкий и ковкий металл, а сурьма имеет кристаллическую форму с большой степенью хрупкости. Сурьма, хоть и имеет много схожего с металлами, но в полной степени им не является, в отличие от того же олова. Сурьма относиться к группе полуметаллов.

С температурой плавления менее 200 градусов

Существуют и припои с очень низкой температурой плавления. Это, например, ПОСК-50-18. Из маркировки следует, что олова в этом припое 50% и 18% кадмия, свинца – 32%.

Такой припой плавится при температуре 142 – 145 ℃. Он очень пластичен, но из-за содержания кадмия, токсичен.

Еще одним примером таких легкоплавких припоев служит ПОСВ-50 (у него есть название Розе). Здесь число 50 указывает на содержание висмута в количестве 50%, а олово и свинец присутствуют в составе в равных долях – по 25%.

Температура плавления припоя 90 – 94 ℃. Эти два продукта для пайки выпускаются чаще всего в форме, напоминающей по виду и по размеру таблетки. Третий сплав Вуда, содержит олово в количестве 10%, свинец – 40%, висмут – 40%, кадмий – 10%.

Его температура плавления не превышает значения 72°С. Из-за наличия в своем составе кадмия, он токсичен. Сплавы Розе и Вуда довольно дороги.

Для пайки полупроводников очень часто используют индиевые припои, так как температура плавления их около 117 ℃. В таком сплаве индий выступает вместо олова, а свинец также добавляется, чтобы смягчить его и сделать его более текучим.

Некоторыми индиевыми припоями допускается паять стекло. При этом кромки последнего перед пайкой просто натираются пастой.

Сурьма и человек: историческая справка

Этот металл применялся с доисторических времен. При раскопках на территории древнего Вавилона археологи обнаружили сосуды из металлической сурьмы. Изделия датируются 3 тысячелетием до н.э.

Предметы из этого металла также были найдены в Грузии: находки относятся к 1 тысячелетию до н.э. В древности металл использовался в сплаве со свинцом, медью или оловом.

С XIX в. до н.э. в Древнем Египте и странах Азии (Индия, Междуречье и др.) повсеместно применялся «сурьмяный блеск» — черный порошок из соединений полуметалла, который использовался для грима (в основном для чернения бровей).

До конца неизвестно происхождение самого названия. В тюркских языках существует слово surme, которое обозначает «грим, мазь». В персидском «сурме» значит «металл».

Оловянно-свинцовые

В зависимости от состава сплавов, точнее, от процентного содержания компонентов, образуются и названия марок припоев.

Например, ПОС-30. Буквами сокращенно обозначается химический состав – припой оловянно-свинцовый, а число обозначает процентное количество олова в составе – 30%.

Сплавы с содержанием олова и свинца, как правило, относятся к легкоплавким припоям для пайки.

Наиболее распространены следующие марки:

• ПОС-90. Используется тогда, когда присутствие свинца нежелательно. Это могут быть различные машины и механизмы, предназначенные для пищевой промышленности, отраслей сельского хозяйства. Свинец при соединении с некоторыми химическими элементами и на воздухе выделяет ядовитые испарения, вредные для здоровья живых организмов.
• ПОС-60. Универсальный припой. Он широко используется для пайки из-за сочетания его хороших прочностных характеристик и температуры, к которой лояльны радиоэлементы.
• ПОС-40. Он применяется для пайки изделий из оцинкованного железа. Используется при ремонте отопительных приборов, труб.
• ПОС-30. Такая марка используется для лужения, то есть для нанесения слоя олова на поверхность с целью придать последней антикоррозионные свойства.

Свинец придает сплаву мягкость и текучесть, пайка происходит проще. Пруток с большим содержанием свинца (более 30%) можно легко согнуть, тогда как чистый оловянный только с большим трудом.

Сурьма и организм: несколько слов о биологии

Сурьма относится к макроэлементам и участвует в обменных процессах многих живых организмов. Среднее количество элемента в растениях — 0, 06 мг, в наземных животных — 0,0006 мг, в морских животных — 0,02 мг. В организме человека содержится не более 0,00001% сурьмы по массе. Она поступает с воздухом, пищей и водой, содержится в щитовидной железе, эритроцитах и плазме крови, печени, почках, костной ткани, селезенке. В среднем за сутки поступает около 50 мкг и выводится мочой и фекалиями.

До конца не изучены физиологическая и биохимическая функции макроэлемента, поэтому нет достоверных данных о возможных последствиях ее дефицита в организме. При этом установлено, что избыток вещества препятствует белковому, жировому и углеводному обменам. Если сурьма накапливается в щитовидной железе, она угнетает ее работу и вызывает эндемический зоб.

Токсичные пары металла могут вызвать поражения кожи и носовые кровотечения. В зоне риска — люди, которые работают с этим металлом постоянно: печатники, эмалировщики и др.

В малых дозах макроэлемент применяется в медицине — в основном, в составе отхаркивающих и рвотных средств.

Содержащие сурьму

Для уменьшения степени окисления сплава в жидком состоянии и придания пайке лучшего вида, в состав его вводят сурьму. Согласно ГОСТ 21930-76 все оловянно-свинцовые припои для пайки в зависимости от химического состава классифицируются на:

• безсурьмянистые;
• малосурьмянистые, с содержанием сурьмы до 0,5 %;
• сурьмянистые, содержащие более 0,5% сурьмы.

Этот же ГОСТ определяет и области преимущественного использования каждой марки.

Таблица 1. Химический состав припоев

Химические свойства

Начнем с сурьмы. Температура плавления этого элемента 630,5°C, проводимость тепла 24,43 Вт/(м•К) и степень окисления 3, 5, -3. Олово, как легкоплавкий элемент, имеет на порядок ниже температуру, при которой, он начинает плавиться (около 232°C). Теплопроводность тоже имеет различия, в сравнении с предыдущим веществом, порядка 66,8 Вт/(м•К). При степени окисления 4, 2.

Металлическая сурьма малоактивна и устойчива на открытом воздухе при нормальных температурах. Начинает окислятся при 630 ⁰С, в результате чего образуется соединение Sb2O3 — оксид сурьмы. Полуметалл не вступает в реакции с водородом, азотом, кремнием и бором, остается устойчивым к воде, а в расплавленном виде незначительно растворяет углерод.

В результате возможных химических реакций образуются следующие вещества:

• Сульфид сурьмы — при сплавлении с серой.
• Интерметаллические соединения (антимониды) — при взаимодействии с мышьяком, медью, палладием                               и некоторыми другими металлами.
• Хлорид сурьмы — при растворении в хлоре.
• Сульфат сурьмы — при растворении в соляной кислоте.
• Сурьмяная кислота — в результате реакции с концентрированной азотной кислотой.

Полуметалл растворяется в «царской водке» — смеси винной и азотной кислот.

Иностранные марки

Существуют и составы иностранного производства. Маркируются они по-разному, но в марке можно определить состав сплава. В качестве примера можно привести сплав Sb62Pb36Ag2, производимый американской компанией «Indium corporation».

В его составе 62% олова, 36% свинца и 2% серебра. Серебро в состав очень часто добавляют, чтобы увеличить текучесть после того, как припой расплавился.

Еще одним примером можно назвать продукт, производимый канадской компанией «UNIVERSALPRIBOR». Маркировка его SN62/36/2 NC. Это материал в виде пасты и из маркировки следует, что состав его: 62% олова, 36% свинца, 2% серебра. NC (No Clean – безотмывочный) означает, что шарики припоя находятся внутри геля из флюса.

Сурьма как полезное ископаемое: добыча и производство

Месторождения металлической сурьмы находятся в ЮАР, Китае, Алжире, России, Болгарии, Азербайджане, Киргизии, Сербии, Финляндии, Казахстане, Таджикистане. Содержание элемента в земной коре невелико — 500 мг/т. Большая часть вещества сконцентрирована в осадочных породах — бокситах, фосфоритах, глинистых сланцах. Меньше всего ископаемого содержится в песчаниках и известняках.

Более 70% этого металла производится в Китае, а остальные 30% делят Россия, Мьянма, Боливия, Таджикистан, ЮАР, Канада, Австралия и некоторые другие страны.

На территории Китая также находятся самые крупные резервы — более 50% мировых запасов. Около 20% расположено в России, 16% — в Боливии, 3% — в Таджикистане, 1% — в ЮАР, менее 10% рассредоточено по разным странам.

Форма выпуска

Припой выпускается в различных формах. Первоначально, на заводе, это чушки. В обозначении марки тогда добавляется буква Ч. Например Ч ПОС-40. ГОСТ 21930-76 определяет форму и размер чушек для каждого материала и вида.

В розничную продажу припой для пайки поступает в прутках диаметром 8 мм, в виде паяльной проволоки, намотанной на катушке или свернутой в спираль и уложенной в пластиковой тубе.

Очень часто паяльная проволока представляет собой трубку из оловянно-свинцового сплава, внутри которой находится флюс – вещество, способствующее повышению качества пайки.

Флюс разрушает оксидную пленку на спаиваемых деталях и препятствует дальнейшему окислению спаянного стыка во время его охлаждения.

Нередко в качестве флюса используется канифоль – продукт перегонки сосновой смолы-живицы. Она плавится при температуре 68 ℃, в обычных условиях твердая, хрупкая, имеет жёлтый цвет.

Сферы применения

Оба вещества часто применяют в радиоэлектронике. В особенности, сурьма задействована в полупроводниковой промышленности, при изготовлении диодов и резисторов и прочих деталях, а олово больше применяют как припой. Олово не окисляется, что активно используют производители для придания другим металлам или веществам, антикоррозийных свойств. Данное вещество, в сплавах или в очищеном виде, используют даже в медицине. Сурьму задействуют даже в батареях, спичках и обмотке кабеля.

Такие разные вещества, находящиеся «по соседству», нашли собственную область применения и сейчас, играют большую роль во многих аспектах и элементах. С развитием науки, технологий и электротехники, данные элементы находят все большие области применения. И хоть ресурсы данных веществ не безграничны, но благодаря правильному и рациональному подходу, в особенности, вторичной переработки, уже отработанных деталей, можно существенно сэкономить их расход.

Металлургия

Поскольку сурьма — хрупкий металл, в металлургической промышленности она практически не применяется отдельно. Зато в сплавах она повышает прочность других металлов и препятствует окислению.

Сплав сурьмы, олова и свинца называется «гарт» (в переводе с украинского — «зеркала»). Он на протяжении многих веков используется в типографии для изготовления шрифтов. В основу положено свойство сурьмы расширяться при затвердевании: благодаря этому сплав более плотно заполняет литейную матрицу. Помимо этого, сурьма повышает износостойкость шрифта. Гарт также используется для отливки пуль, изготовления кабелей, труб для протока агрессивных жидкостей и др.

Сплав свинца и сурьмы отличается твердостью и устойчивостью к коррозии. Он применяется в химическом машиностроении.

Баббиты (подшипниковые сплавы) широко используются в железнодорожном, автомобильном транспорте и станкостроении. Они содержат сурьму, олово, медь и свинец. Имеют высокую твердость, стойкость к истиранию и коррозии.

Всего существует порядка 200 сплавов различных металлов с сурьмой. В том числе она добавляется к металлам для хрупкой отливки.

Полуметалл входит в свинцовые сплавы, используется при производстве диодов, ИК детекторов, датчиков Холла и других элементов в полупроводниковой промышленности.

Медицина

Стибнит, природный сульфит сурьмы, в древности применялся в качестве лекарства от паразитов. В некоторых странах его до сих пор добавляют в препараты. Соединения металла применяются для лечения лейшманиозов и глазных заболеваний.

Оксид сурьмы используют в текстильной промышленности как закрепитель. Он также входит в состав многих эмалей и красок. Пятиокись металла применяется при изготовлении стекла, люминесцентных ламп, резины. Трехсернистая сурьма входит в состав спичек. Металла находит применение в электронике (для некоторых припоев) и в термоэлектрический сплавах.

Пасты для микросхем

Выпускается припой и в виде паяльной пасты. Она представляет собой пластичную массу, состоящую из флюса и вяжущего вещества, в которой содержится множество мельчайших шариков оловянно-свинцового припоя с флюсом.

Такие пасты используются для пайки по трафаретам, то есть когда использование обычных способов пайки невозможно из-за небольших размеров компонентов.

Это могут быть микросхемы, компоненты в BGA-корпусах. Пасты наносятся на выводы шпателем и расплавляются феном или инфракрасным паяльником.

Ввиду того, что паяльные пасты быстро высыхают, их хранение должно осуществляться в специальных, герметично закрывающихся тубах.

Для восстановления BGA-корпусов, то есть обновления на их выводах шариков припоя, еще называемого реболингом, производится припой в шариках. Он может быть как оловянно-свинцовым, так и безсвинцовым.

Это высококачественный чистый продукт, с очень точным химическим составом.

Шарики хранятся в банках плотно закрытыми при температуре 20 – 30 ℃ и влажности не более 60-70 %. Срок хранения такого припоя, как правило, не более 12 месяцев. Используется для пайки ответственных компонентов.

Сурьма как элемент: химические свойства

При наличии в достаточном количестве олова и свинца, можно сделать припой самостоятельно. Чтобы выдержать пропорции, можно взвесить необходимое количества свинца и олова на обычных кухонных весах, обязательно используя какую-нибудь подложку.

Свинец ядовит, поэтому его остатков на весах быть не должно. По этой же причине при работе необходимо организовать хорошую вентиляцию помещения, использовать защитные очки и перчатки, а при необходимости и респиратор.

Чтобы взвесить нужное количество материалов, достаточно знать их плотность. У олова она – 7,30 г/см³, у свинца – 11,35 г/см³. Составив нехитрую пропорцию, можно определить количество для разного состава сплавов.

Непосредственно для приготовления сплава можно использовать стальную емкость небольшого размера. В ней нужно довести до температуры плавления свинец с оловом.

После того, как они примут жидкое состояние, необходимо стальной ложкой снять верхний слой. Это – шлак, образующийся при соединении с кислородом воздуха.

Затем необходимо аккуратно, но тщательно перемешать два металла и вылить в форму из какого-либо тугоплавкого материала. Для этого могут подойти формы, изготовленные из гипса или из жести.

Такой состав можно с успехом использовать при монтаже электронных схем, пайке проводов и кабелей, соединении медных или латунных труб.