Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе свинца, используемым для изготовления пластин аккумуляторов, оболочек силовых и телефонных кабелей и т.д.
Аналогом данного изобретения является известный способ получения коррозионностойких сплавов свинца с добавками серебра, кальция и таллия [1], а также сплавов свинца с таллием [2]. Однако, данные способы не обеспечивают должный уровень повышения коррозионной устойчивости свинца.
Прототипом заявляемого изобретения является сплав свинца с серебром и сурьмой [3]. Сущность данного изобретения заключается в том, что в нагретую до температуры 500-600 0С расплав свинца вводят лигатуры свинца с серебром и сурьмой, проводят дегазацию расплава, снятия шлака с поверхности и производят разливку изделий.
Недостатком данного способа является то, что в качестве легирующей добавки используется металлическое серебро, который является очень дорогим металлом и не производится в Республике Таджикистан.
Цель изобретение является разработка способа повышения коррозионной стойкости свинца, достигающийся тем, что в нагретую до температуры 500-600 0С расплав свинца вводят металлический олово или висмут или иттербий, проводят дегазацию расплава, снятия шлака с поверхности и производят разливку изделий.
Сущность изобретение заключается в том, что сплавы получают в шахтной лабораторной печи типа СШОЛ (сопротивление шахтное опытное лабораторное) из металлического свинца с добавлением олова или висмута или иттербия.
Олово - пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристо-белого цвета. Используется в основном как безопасное, нетоксичное, коррозионностойкое покрытие в чистом виде или в сплавах с другими металлами. Главные промышленные применения олова - в белой жести (луженое железо) для изготовления тары, в припоях для электроники, в домовых трубопроводах, в подшипниковых сплавах и в покрытиях из олова и его сплавов.
Олово имеет две аллотропные модификации: α-Sn (серое олово) с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой и β-Sn (обычное белое олово) с объемно центрированной тетрагональной кристаллической решеткой. Фазовый переход β -> α ускоряется при низких температурах (-30 0С) и в присутствии зародышей кристаллов серого олова; известны случаи, когда оловянные изделия на морозе рассыпались в серый порошок («оловянная чума»), но это превращение даже при очень низких температурах резко тормозится наличием мельчайших примесей и поэтому редко встречается, представляя скорее научный, чем практический интерес.
Плотность β-Sn 7,29 г/см3, плотность α-Sn 5.85 г/см3. Температура плавления 231,9 0C, температура кипения 2270 0C. Температурный коэффициент линейного расширения 23·10-6 (0-100 0С); удельная теплоемкость (0 0С) 0,225 кдж/(кг·К), то есть 0,0536 кал/(г·0С); теплопроводность (0 0С) 65,8 вт/(м·К), то есть 0,157 кал/(см·сек·0С); удельное электрическое сопротивление (20 °С) 0,115·10-6 ом·м, то есть 11,5·10-6 ом·см. Серое олово является диамагнетиком, а белое - парамагнетиком.
Предел прочности при растяжении 16,6 Мн/м2 (1,7 кгс/мм2); относительное удлинение 80-90%; твердость по Бринеллю 38,3-41,2 Мн/м2 (3,9-4,2 кгс/мм2). При изгибании прутков олова слышен характерный хруст от взаимного трения кристаллитов.
Чистое олово обладает низкой механической прочностью при комнатной температуре (можно согнуть оловянную палочку, при этом слышится характерный треск, обусловленный трением отдельных кристаллов друг о друга) и поэтому редко используется.
Висмут - металл серебристо-белого цвета с розоватым оттенком. Известно большое количество аллотропных модификаций висмута, которые имеют место при высоком давлении. Существует восемь кристаллографических модификаций висмута. При давлении 2,57 ГПа и температуре +25 0C кристаллическая решётка висмута претерпевает полиморфное превращение из ромбоэдрической в моноклинную с параметрами решётки a = 0,6674 нм, b = 0,6117 нм, c = 0,3304 нм, β = 110,33°, пространственная группа C2m. При давлениях 2,72 ГПа, 4,31 ГПа и около 5 ГПа также происходят полиморфные превращения кристаллической решётки висмута. При давлении 7,74 ГПа висмут имеет кубическую решётку, пространственная группа Im3m с параметром решётки a = 0,3800 нм. В интервале давлений 2,3-5,2 ГПа и температур 500-580 0C висмут имеет тетрагональную решётку с параметрами a = 0,657 нм, c = 0,568 нм. При давлении 30 ГПа также обнаружено полиморфное превращение.
Переход висмута из твёрдого в жидкое состояние сопровождается увеличением плотности с 9,8 г/см3 до 10,07 г/см3, которая постепенно уменьшается с повышением температуры и при 900 0C составляет 9,2 г/см3. Обратный переход висмута из жидкого в твёрдое состояние сопровождается увеличением объёма на 3,3 %. Повышение плотности при плавлении наблюдается лишь у немногих веществ; другим хорошо известным примером вещества с таким свойством является вода.
Удельное электрическое сопротивление висмута равно 1,2 мкОм·м при +17,5 0C и повышается с ростом температуры. Интересной особенностью является то, что удельное сопротивление при плавлении уменьшается: у твёрдого висмута (при 269 0C) оно составляет 2,67 мкОм·м, а в жидком состоянии (при 272 0C) - лишь 1,27 мкОм·м.
Температурный коэффициент линейного расширения равен 13,4·10-6 К−1 при 293 К (+20 0C). По сравнению с другими металлами висмут, как и ртуть, обладает низкой теплопроводностью, равной 7,87 Вт/(м·К) при 300 К.
Висмут является диамагнетиком с магнитной восприимчивостью -1,34·10-9 при 293 K, что делает его самым диамагнитным металлом. Образец висмута, подвешенный на нитке, достаточно заметно отклоняется в сторону от поднесённого сильного магнита. Это явление получило название диамагнитной левитации.
При комнатной температуре висмут хрупкий металл и в изломе имеет грубозернистое строение, но при температуре 150-250 0C проявляет пластические свойства. Монокристаллы висмута пластичны и при комнатной температуре, и при медленном приложении усилия легко изгибаются. При этом можно ощутить «ступенчатость» процесса и даже услышать лёгкий хруст - это связано с двойникованием, за счёт которого упругое напряжение скачком снимается.
Иттербий довольно капризный метал. На открытом воздухе он окисляется очень медленно, но стоит только его нагреть и поместить в помещение с влажным воздухом, процесс окисления значительно ускорится. Вследствие окисления он превращается в своеобразную смесь карбоната и оксида. Так же при нагревании выше 400 градусов по Цельсия взаимодействует с галогенами. При реакции с азотом, водородом может образовывать соединение иттербия третьей группы. При температуре 21-25 градусов по Цельсия может реагировать и с различными кислотами.
В природных условиях иттербий включает в себя 7 изотопов достаточно стабильного характера. Изотопы иттербия обладают массой от 168 до 176. Сам металл обладает серебристым цветом с переливами. Элемент может находится в двух кристаллических модификациях. Первая это модификация типа меди с кристаллической решеткой. Вторая – объёмно-центрированная решетка кубической формы. При переходе, к которой должен быть нагрет до 792 градусов по Цельсия. Для того чтобы расплавить иттербий придется нагреть его до 824 градусов по Цельсия. Это не самый большой показатель плавления среди других редкоземельных металлов, но тоже достаточно значительный. Его атомная масса при этом составляет 173,04 грамм на моль.
Для изготовления сплавов после полного расплавления свинца при температуре 500-600 0С вводят один из металл из группы олово, висмут, иттербий в чистом виде из расчёта 0.01- 0,5 мас.%. Перед заливкой образцов в кокиль расплав дегазируют и с поверхности расплава удаляют шлак, и отливают образцы для исследования свойств.
Образцы для исследования коррозионно-электрохимических свойств имели цилиндрическую форму высотой 100-120мм и диаметром 8-10мм. Исследования проводили в растворе электролита 3%-ного NaCl, потенциостатическим методом на потенциостате ПИ-50.1.1 со скоростью развёртки потенциала 2 мВ/с. В качестве электрода сравнения использовали хлорид-серебряный электрод, а в качестве вспомогательного - платиновый электрод. Потенциодинамические кривые снимали следующим образом: от стационарного потенциала, который снимали после выдержки электрода в растворе 1 час, шли в анодную область до значения тока - 2 мА, затем обратным ходом достигали потенциала коррозии (Екор.), после чего заходили в глубоко катодную область до значения потенциала Е = -0.8 В, и обратным ходом до значения тока, равного нулю. Далее снимали ход анодной кривой до значения тока - 2 мА. Рассчитанные из катодных ветвей поляризационных кривых значения скорости коррозии сплавов обобщены в таблице. Видно, что свинец дополнительно легированный одним элементом из группы олова, висмут, иттербий по коррозионной стойкости в 2-3 раза превосходят чистый свинец.
Введение в расплав свинца одного металла из группы олово, висмут и иттербий способствует образованию на его поверхности защитной пленки, обладающей хорошей прочностью и не имеющей дефектов, что обеспечивает повышение коррозионной стойкости свинца как конструкционного материала в растворе электролита 3%-ного NaCI (таблица).
Результатом изобретения является повышение коррозионной устойчивости свинца в 2-3 раза, что в свою очередь позволяет увеличить в 2-3 раза срок службы изделий из металлического свинца. Повышение коррозионной устойчивости свинца в 2-3 раза позволяет в 2 раза уменьшить толщину изготовляемого из них изделий, т.е. снизить металлоёмкость единицы готовой продукции и получить значительный экономический эффект.
