موضوع تحقیق : فلزات با نقطه ذوب پايين (قلع و سرب)

موضوع تحقیق : فلزات با نقطه ذوب پايين (قلع و سرب)
قلع:
نقطه ذوب ْ-234C چگالي 28/7 نقطه تبخير cْ2270كه در حالت فلزي سختي و مقاومت كم و هدايت الكتريكي وحرارتي زياد دارد. و داراي دو شكل آلوتروپي استـ (قلع سفيدـ -sn-B و قلع خاكستري (ساختار الماس) مشخصات كلي: فلزي است نرم و سفيد با خواص خوردگي و روغنكاري خوب. وقتي تحول چند شكلي قلع رفع ميدهد و ساختمان چهارگوش آن (قلع سفيد) به شكل مكعبي (قلع خاكستري) تبديل ميشودـ ساختمان چهار گوش آن را از نقطة ذوب قطع تا درجه فارنهايت پايدار است. در نتيجه تغيير تراكم كريستال همراه با افزايش حجم قابل ملاحظهاي (تقريباً 25 درصد) و توسعه تنشهاي بزرگي در قطعه ميشود. كه اين تنشها در نهايت موجب خرد شدن فلز به صورت پودر به شكل خاكستري ميشود كه اين به طاعون قلع معروف است.
اين تبديل با كاهش وزن مخصوص از 3/7 براي قلع سفيدتا7/5براي قلع خاكستري همراه است. سرعت استحاله خيلي كم بوده و قلع B نيز داراي تمايل مشخصي نسبت به سرد شدن اضافي ميباشد در نتيجه اين خردشدگي خودبه خود قلع فقط پس از نگه داشتن طولاني در انبار در درجه حرارتهاي پائين به وقوع ميپيوند.
افزودههاي آلياژي در قلع:
اِبيسموت: كه وجود اين عنصر به ميزان 1/0 درصد از وقوع اين دگرگوني جلوگيري ميكند.
وجود عناصري مثل سرب و آنتيموان سرعت تبديل را كاهش ميدهند. به طور كه فقط 2% سرب با آنتيموا كافي است تا تشكيل قلع را تا درجه حرارت به تأخير بيندازد.
قلع در درجه حرارت محيط در مقابل هوا و آب مقاوم است و اكسيد فيلم Sno2 پرده محافظتي مناسبي در سطح فلز اينجاد ميكند و مانع از اكسيد شدن قلع ميگردد و به همين دليل است كه قلع يكي از عناصري است كه در پوشش سطح فلزات كاربرد دارد و اين خاصيت يكي از مهمترين كاربردهاي قلع است. دومين كابرد اصلي قلع به صورت يك عنصر آلياژي است قلع باس براي تهيه برترهاي قلعدار مختلفـ با سرب براي توليد لحيمـ با آنتيموانـ مس يا سرب براي تشكيل بابيتها كاربرد دارد.

.آلياژهاي قلع:
آلياژهاي مختلف قلع را در مصارف ساخت آلياژهيا لحيم و يا تاقان به كار ميبردند.و نقره، مس، آنتيموان و سرب عناصر اصلي آلياژهاي قلع هستند، كه عنصر سرب مهمترين و اصليترين عنصر آلياژي است.
1ـ آلياژهاي لحيم: پركاربردترين استفاده قلع را دارندـ قلع يك ماده تشكيل دهنده در لحيم ميباشد. زيرا قلع قابليت مرطوب بودن و چسبندگي به بسياري از فلزات اصلي و پايه را در حرارتهاي كه به ميزان قابل توجهي كمتر از دماي ذوب آنها ميباشد را دارا است قلع همواره با سرب آلياژ ميشود تا لحيمهاي براي فلزاتي با نقطه ذوب پائينتر از هر يك از قلع و سرب را به انتهايي داشته باشند.
مقادير كمي از ساير فلزات كه معمولاً آنتيموان و نقره مورد توجه هستند به لحيمهاي قلع و سرب افزوده ميشوند تا مقاومت آنها را افزايش دهند. اين لحيمها را ميتوان براي مفصلهايي كه در معرض اتصال در دماي بالا يا حتي زير صفر درجه استفاده نمود.
انواع لحيم:
ا) لحيم با قلع كمتر 2) لحيم با قلع بيشتر «در جائي كه ممكن است سرب خطرناك باشد مورد استفاده قرار ميگيرد» كه لحيم با قلع كمتر در اتصال كابل و رادياتورها و مبدل حرارتي اتومبيلها به كار ميروند.
3) لحيمهاي قلع و رويـ براي اتصال آلومينيم به كار ميروند. 4) لحيمهاي قلع آنتيموان ـ كه آنتيموان در درجه حرارت (cْ246) به ميزان 4/10% قابليت انحلال دارد كه در درجه حرارت محيط به 5/3% كاهش مييابد.
و قلع نقره: كه نقره حداكثر به مقدار 5/3 درصد انحلال دارد. كه نقره مازاد بر حلال يت يك تركيب ميان فلزي با فرمول Ag3sn تشكيل ميدهد. كه هر دو آلياژهاي قلع آنتيموان و قلع نقره در اتصالات با مقاومت ؟؟ بالا زيادي نياز دارند به كار ميروند.
ناخالصهاي موجود در لحيم:
كه اين ناخالصيها ميتوانند بر ويژگيهاي مرطوب كنندگي آنها، سياست در حين انجماد ـ قابليت استحكام اتصالهاـ آلياژهاي لحيم تأثير بگذارند. كه مهمترين اين ناخالصها، آلومينوم، آنتيموان، آرسنپك، بيسموت، روي، ؟؟ سولفور و … است.
1ـ آلومينيوم: مقادير ناچيز Ah در يك حمام قلع لحيم كاري ميتواند به طور جدي بر كيفيت لحيم كاري اثر بگذارد تخريب يك سطح آبكاري شده توسط قلع نشانه وجود Ah است. 2ـ آنتيموان: به ندرت به عنوان عنصر ؟؟ به كار ميرود. ولي ميتوان آنرا به عنوان تقويتكننده به كار برد. 3ـ آرسپنك: باعث تخريب در كيفيت قلع ميشود درصد كمي (005/0) باعث ميشود كه رطوبت كمي حاصل شود.
4ـ بيسموت: در مقادير مم متكي ندارد، با اين وجود در مقادير بالاي 5/0 درصد رنگ پريدگي و عاري شفافيت سطوح ميشود. 5ـ روي: حداكثر حلال يت آن 005/0% در قلع لحيم:اري نگهداشته ميشود و اگر بيشتر از اين مقدار باشد باعث اكسايش سطحي ميشود. 6ـ مستقر: درصد 01/0 درصد باعث كاهش رطوبت و سبب از هم گسيختگي ماده لحيم ميشود و در مقادير بيشتر باعث اكسايش سطح ميشود. 7ـ سولفور: سبب از هم گسيختگي در لحيم ميشود و ميزان 001/0 درصد نگه داشته ميشود هر دو اين عناصر مخرب هستند.
به طور كلي كندي در اتصال يك لحيم نشانه بيش از حد ناخالص در آن است.
آلياژهاي ياتاقان:
نكته اساسي در انتخاب يك آلياژ ياتاقان بايد در نظر داشت اينست كه مواد بايد داراي ضريب اصطكاك پائيني داشته باشند آلياژهاي ياتاقان همچنين بايد تعادلي بين ملايمت و استحكام را برقرار كنند.
براي مثال AL در آلياژهاي ياتاقان قلعي يك سازي و اعتدال خوبي را بين استحكام و خشكي ويژگيهاي سطحي مناسب مانند نرميـ مقاومت در برابر توقف ناگهاني را ايجاد ميكند.
قلع داراي ضريب اصطكاك كمي است بنابراين جزء اولين و اصليترين نيازمنديهاي مواد تركيبي يك ياتاقان ميباشد.
قلع از لحاظ ساختاري فلز كم مقاومتي است بنابراين هنگامي كه در موارد كاربرد ديياتاقان استفاده ميشود و در تركيب با فلزاتي مانند مس و آنتيموان جهت افزايش سختي استحكام كششاني و استحكام خشكي قرار ميگيرد.
عناصر ناخالصي در ياتاقان
1) آرسپنك: مقاومت در برابر تغيير شكل را در تمامي درجه حرارت افزايش ميدهد.
روي: وجود آن در ياتاقان قلعي سودمند نيست.
2) مقادير بسيار كم AL كمتر از 1% ميكروساختار را تغيير و اصلاح مينمايند.
مبيوت: با تركيب با قلع يك اوتكتپك تشكيل ميدهد كه در دماي ْ137 ذوب ميشود. و درجه حرارتهاي بالاي اين فرآيند استحكام آلياژ به ميزان قابل توجهي كاهش مييابد.
3) بابيتهاي قلع: بابيتهاي قعل به علت خاصيت ضد سوزان و مقاومت به خوردگي نشان به صورت آلياژهاي ياتاقان به كار ميروند. سرب تا حدود 30 درصد افزوده ميشود تا هزينه آلياژ كاهش يابد علاوه بر آن عناصر مانند مس و آنتيموان 10ـ 15 درصد اضافه ميشود كه اين عناصر موجب سخت شدت ياتاقان ميشوند.
خواص كلي بابيتهاي قلع:
1) داراي سختي كافي باشند. 2) نرم باشند. 3) مواد ضدسايش (مثل روغن) را بر سطح خود نگهدارند. 4) نقطة ذوبشان نبايد بالا باشد. 5) بايد پيش ريخته شدن به داخل ياتاقان محكم به ديوارههايش بچسبند. 6) بايد داراي هدايت حرارتي و مقاومت خوردگي خوبي باشند.
3) فلز سفيد= آلياژ ريختگي قلع است كه 62% قلع و 8% آنتيموان دارد كه براي جواهر آلات از اين فلز اسفتاده ميشود.
5) پيتر= يك آلياژ قلع است كه 90ـ95% درصد قلع و 1 تا 3درصد مس و بقيه آنيموان است. به سهولت قابليت لحيمكاري و چكش كاري را دارد
سرب: خواص فيزيكي سرب:
وزن اتمي: 9/207عدد اتمي 82نقطة ذوب Cْ5/317نقطة جوش ْ1744وزن 35/11 مخصوص هدايت الكتريكي98/7(زاگرس را 100 در نظر ميگيريم)سختي 1/5mohرنگ: آب خاكستري، شبكه كريستالي Fcc، ثابت شبكه خصوصيات كلي سرب: زون زياد، دانسيته بالا، نرم بودن، چكشخوار، نقطه ذوب پائين و استحكام كم، خواص روغنكاري خوب، ضريب هدايت ا لكتريكي پائين، ضريب انبساط حرارتي بالا، مقاومت عالي به خوردگي.
خواص مكانيكي سرب، استحكام كششي 2kg/mm2، درصد ازدياد طول نسبي 45 درصد سختي 413Hz
بخش اعظم سرب توليدي در ساخت باتريهاي الكتروليتي و تهيه تتراتيل سرب به كار ميرود سرب از نظر خواص مكانيكي كاربرد بهينه ندارد ولي ميتوان با اضافه كردن بعضي از عناصر مانند آنتيموان، آرسپنك، كلسيم و مس، … خواص مكانيكي را بهبود بخشيد.
وزن سنگين سرب در ساعت وزنههايي براي بالاش، دانسيته بالاي سرب نيز در جذب اشعههاي B و گاما مؤثر است.
نرمي سرب كه از آن براي تهيه واشر و درزبند. از انعطافپذيري آن براي ايجاد غلاف روي كابلها استفاده ميشود.از سرب به عنوان عنصر آلياژي براي افزايش ماشينكاري، بوتر، برنجها و فولادها استفاده ميشود.
يكي از خواص مهم سرب مقاوم بودن در مقابل خوردگي است. زيرا در مجدرت هوا روي قطعات سربي پوسته نازك كربنات سرب ايجاد ميشود كه از اكسيژن هوا به داخل فلز جلوگيري ميكند.
سرب مذاب در دماي بيش از Cْ500 به سرعت اكسيد ميشود و pbo تبديل ميشود كه اصطلاحاً به اكسيد سرب يا ليتارژ معروف است.
سرب مقاومت زيادي در اسيد سولفوريك دارد و به وسيله اسيد نيتريك مورد حمله قرار ميگيرد.
آلياژهاي سرب:
آنتيموان و قلع فلزاتي هستند كه با سرب آلياژي ميشوند، و يكي مهمترين آلياژهايي هستند كه در صنعت كاربرد دارند.
آنتيموان براي افزايش سختي و استحكام در صفحات باتري ذخيره فلز ثايپ، آلياژهاي ريختگي به كار ميرود. افزودن آنتيموان درجه حرارت تبلور محدد را نيز افزايش ميدهد.
بدين سبب كه قابليت به لعيم براي پيوند شدن با فلزاتي تظير فولاد و مس را زياد ميكند. اكثر در لحيم نرم مصرف ميشود متداولترين ماده لحيم داراي 60درصد سرب و 40 درصد قلع يا 50ـ50 قلع و سرب اضافه ميشود. معمولاً مقداري آنتيموان نيز استفاده ميشود.
نمودار سرب آنتيموان
اين نمودار يك سيستم اتكتپك ساده ميباشد كه تركيب اوتكپتك در 3/11 آنتيموان قرار داد، حلال يت جامد آنتيموان در سرب با كاهشدرجه حرارت اوتكتيك پائين زياد ميشود. كه اين خاصيت پير سختي آلياژنهاي سرب آنتيموان و سرب آنتيموان قلع سريع خنك شده را امكان پذير ميسازد.

اگر آلياژ فلز ثايپ داراي 1 درصد قلع و 2 درصد آنتيموان باشد. از درجه حرارت اندكي پائينتر از درجه حرارت اوتكتپك خنك ميشود. پير سختي معمولاً به آرامي عمل ميشود و ممكن است براي كسب حداكثر سختي چندين روز وقت لازم ميباشد. زمان پير سختي را ميتوان اكثراً با زمان دادن به مدت يك دقيقه در يا به مدت يكساعت در كوتاه كرد سختي حالت زمان داده شده به 18ـ211 برنيل برسد در صورتي كه در حالت زماننديده شده سختي به 7ـ 8 برنيل ميرسد.
بيشترين مقاومت كششي (طبق شكل) 7670 پوند بر اينچ مربع با افزايش 10 درصد آنتموان بدست ميآيد.

نمودار سرب قلع: داراي تركيب و تكتيك 9/61 درصد قلع در دماي ْC183 ميباشد.
كه تركيب اوتكتپك به صورت پك لحيم ظريف
در جاهاي كه نيازهاي حرارتي بحراني مستند به كار ميرود.
فلزترن (سربي) 1ـ اين آلياژ محتوي 10 تا 25 درصد قلع است و براي پوشش دادن ورقهاي فولادي كاربرد دارد.

آلياژهاي ياتاقان سرب: درصد عناصر آلياژي ياتاقان سرب عبارتند از:
As Cu sb sn pb
0/15 1.5 15 20.0 62.5
0/6 0/5 15 10 75
0/2 0/5 15 5 80
آلياژهاي ياتاقان سرب به سه دسته تقسيم ميشوند.
1ـ سرب آنتيموان. 2ـ سرب فلزات قليايي خاكي، (كلسيم، منيزيم)، 3ـ سرب قلع و آرسنيك
دسته اول: داراي 10 تا 15 درصد آنتيموان دارد كه آنتيموان باعث افزايش مقاومت كششي، كاهش از ازدياد طول نسبي و انقباض حجمي ميشود.
دسته دوم: كه معمولاً 5/2، كلسيم (منيزيم) وجود دارد كه تركيبات سخت بين فلزي pbmg2,pb3.cu حاصل ميشود. دسته سوم: آلياژهاي معروف 15% آنيموان، 1% قلع، 1% ارسنيك و 5% مس نفت خام بابيتها است كه در ياتاقان قطعات فولادي ماشين بكار ميرود. آلياژهاي لحيم (سربي)، كه حاوي 5/89% سرب و 10% قلع و 5% آنتيموان ميباشد. خواص عمده اين آلياژ، استحكام، قابليت چسبندگي و نقطه ذوب كم ميباشد كه آلياژهاي مختلف سرب از 95% سرب تا 70% قلع از مهمترين آلياژهاي لحيم هستند. كه قلع خاصيت چسبندگي را افزايش ميدهد.
در آلياژهاي لحيم يك سري آلياژ زود ذوب نيز وجود دارند كه در مصارف خاص استفاده ميشوند.
تركيبات سرب، بيسموت، كادميم و قلع ميباشند. داراي نقطه ذوب ْ47 است.
شامل: فلزهاي حروفچيني، (ثايپ): آلياژهاي بكار رفته در صنعت چاپ عموماً از آلياژهاي از سرب، آنتيموان، قلع و با اندكي از مس در سختترين از آلياژها هستند.
ساختمان ميكروسكوپي: اين آلياژها سياليت زيادي دارند. پس از ذوب مكرر، آنتيموان كه نسبت به سرب بسيار سخت ميباشد كه در اين آلياژها، ازدياد سختي مقاومت و كاهش نقطه ذوب را در بر دارد. قلع شكنندگي حاصل را كاهش ميدهد.
آلياژهايي كه عموماً آنيموان داشته باشند تحت عنوان سرب خشك ناميده ميشود همراه با اندكي ارسنپك
اكثر فلزات ثايپ را ميتوان پير سختي كرد و مقاوت سايشي آن را بهبود داد كه براي بهبود مقاومت سايشي عناصري نظير كلسيم، ليتيم يا منيزيم اضافه ميشود.
فلز ودود:
كه در درجه حرارت (154) ْc5/10 ذوب ميشود. داراي يك تركيب اسمي از 1/33 سرب، 3/14 كاديم، %19 قلع و 6/33 درصد بيسموت تشكيل شده است در سيستمهاي اطفاء حريق استفاده ميشود.
منابع:
Metall- hand book
1) تئوري عملي متالورژي، دكتر علي‌اكبر قاري نيت.
2) متالورژي فيزيكي، افسانه ربيعي
3) فلزات غير آهني، دكتر حجازي