سرب چیست؟ + آلیاژ های سرب و کاربرد آن ها💯[فلز سرب]

سرب چیست؟

به‌علت‌ فراوانی‌ سرب‌، ‌تهیه ‌آسان‌،‌ کار کردن‌ آسان‌ با ‌آن‌،‌ انعطاف‌پذیری ‌و ‌چکش‌خواری‌ بالا ‌و ‌پالایش راحت‌،‌ حداقل ‌از 7000 سال ‌پیش‌ مورد ‌استفاده ‌بشر ‌است.‌ کیمیاگران‌ می‌پنداشتند ‌سرب ‌قدیمی‌ ترین ‌فلز ‌بوده‌ و ‌به‌ سیاره ‌زحل مربوط ‌می‌شود.‌ نشان Pb برای‌سرب ‌خالصه ‌نام لاتین‌ آن plumbum است.‌ در‌ اواسط‌ دهه ‌80 تغییر ‌مهمی ‌در الگوهای ‌پایان ‌استفاده ‌از‌ سرب ‌بوجود ‌آمده ‌بود. ‌بیشتر ‌این ‌تغییر‌ ناشی ‌از ‌پیروی ‌مصرف‌کنندگان ‌سرب ‌آمریکا ‌از قوانین ‌زیست محیطی ‌بود‌ که ‌به طرز ‌قابل ‌ملاحظه‌ای ‌استفاده ‌از‌ سرب‌ را ‌در‌
محصولات ‌بجز ‌باطری ‌از‌ جمله‌ گازوئیل‌، ‌رنگ‌، ‌اتصالات ‌و‌ سیستم های‌ آبی ‌کاهش‌ داده ‌یا‌ حتی ‌حذف‌ کرد.
سرب ‌از‌ نظر‌ فراوانی ‌در ‌پوسته ‌زمین کمتر ‌از ‌مس ‌و ‌روی ‌و ‌به ‌عنوان ‌سی ‌و ‌یکمین ‌عنصر ‌فراوان‌ در ‌پوسته ‌زمین است. ‌سرب ‌فلزی ‌است ‌ضعیف‌ و ‌به ‌رنگ‌ خاکستری ‌مایل ‌به ‌آبی‌ با ‌نماد Pb، عدد ‌اتمی ‌82‌، وزن ‌اتمی ‌207/2‌، وزن‌ مخصوص ‌11/35 گرم ‌بر ‌سانتی ‌متر ‌مکعب،‌ سختی ‌1/5 در‌ مقیاس ‌موس، نرم، جلای‌فلزی،‌ دارای ‌خاصیت ‌انعطاف پذیری ‌ضعیف، ‌چکش ‌خوار،‌ قابل‌ برش، ‌نقطه‌ جوش‌ بالا ‌1700 درجه‌ سانتیگراد ‌و ‌نقطه ‌ذوب‌ پایین 4/327 درجه ‌سانتی ‌گراد است.
سرب ‌در ‌گروه ‌14 جدول‌ تناوبی ‌به ‌عنوان ‌فلز ضعیف بوده ‌و‌ در‌ دوره ‌6 قرار ‌دارد. ‌سرب‌ زمانی ‌که ‌در ‌معرض‌ هوا ‌قرار ‌می‌گیرد، ‌ظاهر ‌خاکستری ‌تیره ‌رنگ‌ و ‌ماتی ‌می‌یابد ‌اما ‌به ‌صورت‌ سطوح‌ سالم و ‌تازه‌ شکسته ‌به ‌رنگ ‌سفید ‌مایل ‌به‌ آبی ‌است‌ و‌ خاصیت ‌هدایت ‌الکتریکی ‌ضعیفی ‌دارد.
سرب،‌ بیشتر‌ با‌ آنتیموان،‌ کلسیم ‌یا ‌کلسیم-آلومینیوم ‌و ‌قلع‌ تشکیل‌ آلیاژ ‌می‌دهد. ‌این ‌آلیاژها ‌را‌ به ‌طور معمول‌ با ‌نام ‌سرب ‌سخت‌ یا ‌خشك، ‌آنتیموان‌دار، ‌کلسیم‌دار، ‌فلز ‌سفید،‌ آلیاژهای ذوب‌ شدنی ‌و ‌اتصال‌ دهنده‌ نرم ‌می‌نامند. سرب ‌تصفیه‌ شده ‌خالص ‌را ‌سرب‌ نرم ‌می‌نامند ‌تا ‌با ‌آلیاژهای‌ دربردارنده ‌درصد‌ بالای ‌سرب اشتباه ‌نشود.

چند نوع سرب نرم

در ادامه‌ چند ‌نوع‌ سرب ‌نرم که ‌در ‌آمریکا ‌تعریف‌ می‌شود را مشاهده میکنید:
الف) کورودینگ‌:‌ حداکثر ‌94/99 درصد سرب‌ و ‌حداکثر 025/0 درصد نقره ‌و 01/0 درصد مس. ب) عمومی‌: ‌حداقل 94/99 درصد سرب ‌و ‌حداکثر 05/0 درصد نقره ‌و ‌015/0 درصد مس.
ج) شیمیایی ‌و‌ مس‌دار‌:‌‌ نقره‌زدایی‌ شده ‌با‌ حداقل ‌99/90‌ درصد سرب ‌و ‌حداکثر ‌01/0 نقره ‌و ‌مس.
میزان ‌آرسنیك، ‌روی، ‌آهن‌ و ‌بیسموت ‌برای‌ چهار‌ نوع‌ سرب ‌نرم ‌یاد ‌شده ‌محدود است‌ و‌ دارای‌ مرز ‌حداکثری ‌است.
در بازار‌ علاوه ‌بر اشکال ‌متعارف ‌ریخته‌گری ‌سرب ‌همچون ‌شمش ‌و ‌بلوك،‌ اشکال‌ همچون ‌نوار،‌ ورق‌، ‌ورقه ‌لوله ‌شده، ‌لوله، ‌میله، ‌سیم،‌ اشکال‌ زاویه ‌دار، ‌ورق ‌نازك،‌ پودر، ‌پولك، ‌گلوله، ‌لعاب، ‌نوار ‌رنگی ‌و ‌نوار ‌شیمیایی ‌از ‌سرب‌ نیز ‌وجود ‌دارد.

کاربرد های سرب

کاربردهای ‌اولیه ‌سرب‌ عبارت‌ بودند ‌از: ‌سازه‌های‌ ساختمانی‌، ‌رنگدانه‌های ‌مورد‌ استفاده‌ در ‌لعاب ‌سرامیك‌ و ‌لوله‌های‌ انتقال ‌آب، کاخ ها‌ و ‌کلیساهای‌ بزرگ ‌اروپا ‌در‌ وسایل ‌تزئینی‌،‌ سقف ها‌،‌ لوله‌ها‌ و ‌پنجره‌هایشان ‌دارای‌ مقادیر‌ قابل‌ توجهی ‌سرب‌ هستند . این ‌فلز‌ (در‌ حالت‌ عنصری‌) پس ‌از‌ آهن ،‌آلومینیوم ،‌مس و‌ روی بیشترین کاربرد را دارد.
در‌ باطری ‌های ‌اسید ‌سرب‌،‌ در ‌اجزای ‌الکترونیکی‌، ‌روکش‌ کابل‌، ‌مهمات‌،‌‌ سرامیك‌،‌ شیشه‌های ‌سُرب‌دار‌، ‌لوله‌های ‌سربی، ‌در ‌رنگ ها، اتصالات ‌و ‌مواد ‌پر‌کننده ‌دندان، همچنین‌ در ‌بام ها‌ بعنوان ‌درزگیر ‌برای‌ محافظت‌ اتصالات‌ در ‌برابر ‌باران ‌مورد‌ استفاده قرار ‌می‌گیرد.

آلیاژهای سرب:

1- آلیاژهای سرب – آنتیموان

آلیاژهای سرب- آنتیموان پرمصرف ترین آلیاژهای سرب هستند. سیستم سرب – آنتیموان حاوی یک نقطه یوتکتیک در 11.1٪ آنتیموان و 252 درجه سانتیگراد است. حلالیت آنتیموان در سرب جامد از 3.5 درصد وزنی در دمای یوتکتیک 252 درجه سانتیگراد به 0.25 درصد وزنی در دمای 25 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. کاهش حلالیت با دما باعث می شود که آلیاژهای سرب-آنتیموان سخت شوند. افزودن قلع سیالیت را افزایش می دهد و در ترکیب با مس و آرسنیک، سرعت اکسیداسیون آلیاژهای مذاب سرب- آنتیموان را کاهش می دهد. بیشتر آلیاژهای سرب – آنتیموان با اهمیت تجاری حاوی 11 درصد وزنی یا کمتر آنتیموان هستند. از این نوع آلیاژها در صنایع زیر استفاده می شوند:
– باتری های سرب اسیدی
– مهمات
– روکش کابل
– آندها
– آلیاژ ریخگی سرب آنتیموان
– آلیاژهای سرب – آنتیموان – قلع

2- آلیاژهای سرب-کلسیم

آلیاژهای سرب-کلسیم در بسیاری از کاربردها جایگزین آلیاژهای سرب-آنتیموان می شوند. بیشتر باتری‌های خودروهای ایالات متحده از شبکه‌های سرب-کلسیم ساخته شده‌اند، در حالی که بیشتر باتری‌های جایگزین ایالات متحده از آلیاژهای سرب-کلسیم برای قطب منفی و آلیاژ سرب-آنتیموان برای قطب مثبت استفاده می‌کنند. سرب-کلسیم در سراسر جهان برای برق آماده به کار، زیردریایی ها و باتری های مهر و موم شده ویژه استفاده می شود. باتری های آلیاژ سرب-کلسیم نیازی به اضافه کردن آب ندارند و بنابراین می توانند آب بندی شوند. آلیاژهای سرب-کلسیم برای آندهای الکترووینینگ، روکش و آستین کابل، کیل های مخصوص قایق و نوارهای آلیاژ سرب استفاده می شوند.

3- آلیاژهای سرب-مس:

مس یک عنصر آلیاژی و همچنین ناخالصی در سرب است. سیستم سرب مس دارای نقطه یوتکتیک در 0.06% مس و 326 درجه سانتیگراد است. در تصفیه سرب، محتوای مس را می توان تنها با سرد کردن به حدود 0.08٪ کاهش داد. آلیاژهای بالای مس-سرب معمولاً حاوی 60 تا 70 درصد مس هستند.
ریخته گری آلیاژهای مس بالا دشوار است و مستعد جدایش گسترده هستند. آلیاژهای سرب-مس ریختگی (60 تا 70 درصد وزنی %) به عنوان یاتاقان و بوشینگ برای سرویس در دمای بالا استفاده می شوند.
اخیراً، آلیاژهای ریختگی با محصولات پودر مس تف جوشی شده با سرب برای تولید توزیع یکنواخت‌تر سرب جایگزین شده‌اند. فقط آلیاژهای سرب حاوی مس کمتر از 0.08 درصد کاربرد عملی دارند. آلیاژهای سرب و مس به دلیل خواص مکانیکی برتر، مقاومت در برابر خزش، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری دمای بالا در مقایسه با سرب خالص مشخص می‌شوند. آلیاژهای سرب-مس ماده اولیه مورد استفاده در اکستروژن مداوم پوشش های کابل برای صنعت کابل برق در ایالات متحده است. ذرات مس که به طور یکنواخت پراکنده شده اند سلول های محلی ایجاد می کنند که در آن سرب آند را تشکیل می دهد و مس کاتد را تشکیل می دهد. از طریق این خوردگی آندی سرب، یک لایه نامحلول از سولفات سرب روی سطح سرب تشکیل می شود که آن را غیرفعال می کند و از خوردگی بیشتر جلوگیری می کند. فیلم، اگر آسیب ببیند، به سرعت اصلاح می شود.

4- آلیاژهای سرب-نقره:

نقره به آسانی با سرب آلیاژ تشکیل می دهد. سرب اغلب به عنوان حلال فلز پایه برای فرآیندهای بازیابی نقره استفاده می شود. سیستم سرب-نقره یک یوتکتیک ساده است که نقطه یوتکتیک آن در 2.5 درصد وزنی نقره و 304 درجه سانتیگراد است. حلالیت جامد نقره در سرب 0.10 درصد وزنی در دمای 304 درجه سانتیگراد است و در دمای 20 درجه سانتیگراد به کمتر از 0.02 درصد وزنی کاهش می یابد.
آلیاژهای سرب-نقره هنگام خاموش شدن از دمای بالا، پیرسختی قابل توجهی را نشان می دهند.
به دلیل سخت شدن مشخص که با استفاده از مقادیر کمی نقره انجام می شود، محتوای نقره به عنوان ناخالصی در سرب خالص در اکثر مشخصات به کمتر از 0025/0 درصد وزنی محدود می شود. افزودن های کوچک نقره به سرب مقاومت بالایی در برابر تبلور مجدد و رشد دانه ایجاد می کند. کاربرد اصلی آلیاژهای سرب-نقره به عنوان آند و لحیم کاری با دمای بالا است. فقط آلیاژهای سرب-نقره حاوی کمتر از 6 درصد وزنی نقره به صورت تجاری استفاده می شود. آلیاژهای سرب حاوی 0.75-1.25 درصد وزنی نقره به عنوان آندهای نامحلول در استخراج الکتریکی روی و منگنز استفاده می شود.

5- آلیاژهای سرب-تلوریم:

تلوریم اغلب در آلیاژهای سرب زمانی که به استحکام مکانیکی بالا در حداقل مقدار آلیاژ مورد نیاز است استفاده می شود. برای لوله ها و ورق ها، محافظ برای راکتورهای هسته ای (qv) و پوشش کابل استفاده می شود. آلیاژهای سرب حاوی 0.035-0.10 درصد وزنی تلوریم معمولاً حاوی مس در مقادیر 0.03 تا 0.08 درصد وزنی هستند. استحکام مکانیکی بالا، مقاومت در برابر خزش عالی، و سطوح پایین عناصر آلیاژی، آلیاژهای سرب-تلوریم را به ماده اولیه محافظ هسته‌ای برای راکتورهای کوچک مانند زیردریایی‌ها تبدیل کرده است. این آلیاژ خود نگهدار است و تشعشعات ثانویه تولید نمی کند.

6- آلیاژهای سرب-قلع

آلیاژهای سرب با قلع در تمام نسبت ها، ارائه یک سری آلیاژهایی که کاربرد وسیعی در بسیاری از صنایع دارند.
در نمودار فازی ترکیب یوتکتیک 61.9 درصد وزنی قلع و 39.1 درصد وزنی سرب را نشان می دهد که در دمای 183 درجه سانتیگراد ذوب می شود.

7- آلیاژهای لحیمکاری

کاربرد اصلی آلیاژهای سرب-قلع به عنوان لحیم کاری برای آب بندی و اتصال فلزات است. لحیم کاری ها دارای ترکیبی از 20 تا 98 درصد وزنی سرب هستند که بقیه آن قلع است. لحیم سرب-قلع (2 درصد وزنی) برای آب بندی درزهای جانبی قوطی های فولادی (قلع) استفاده می شود. افزودن 0.5 درصد وزنی نقره به آلیاژ به طور قابل توجهی استحکام خزشی را بهبود می بخشد که در قوطی های تحت فشار ضروری است. قوطی های از پیش قلع امکان استفاده از لحیم قلع کم را فراهم می کند. ساخت قوطی با سرعت بالا به آلیاژی نیاز دارد که دامنه انجماد بسیار باریکی داشته باشد. آلیاژهای سرب-قلع حاوی 40 تا 50 درصد وزنی قلع برای لحیم کاری همه منظوره استفاده می شود. لحیم سرب – قلع ذوب کم با قلع 63 درصد وزنی برای لحیم کاری الکترونیکی، به ویژه برای بردهای مدار چاپی استفاده می شود. آلیاژهای سرب دارای 15 تا 30 درصد وزنی قلع برای لحیم کاری رادیاتورهای خودرو و سایر انواع مبدل های حرارتی استفاده می شود.
آلیاژ سرب حاوی 2.5 درصد وزنی قلع و 0.5 درصد وزنی نقره در مواقعی که خستگی در دمای بالا و مقاومت خزشی مورد نیاز است، به عنوان مثال، در اتصالات لحیم کاری در مبدل های حرارتی استفاده می شود. آلیاژهای لحیم کاری دارای 35 تا 40 درصد وزنی قلع دارای طیف وسیعی از پلاستیک هستند و برای پاک کردن اتصالات سربی استفاده می شوند. گاهی اوقات 0.5-2.0 درصد وزنی آنتیموان برای بهبود خواص مکانیکی اضافه می شود. محتوای آنتیموان 0.2-0.5 درصد وزنی از تبدیل فاز شکننده در دمای پایین جلوگیری می کند.

8- آلیاژهای ری اکتیو سرب

آلیاژهای استرانسیوم-سرب از نظر خواص مکانیکی و عملکرد مشابه آلیاژهای سرب-کلسیم رفتار می کنند. آلیاژهای سرب-استرانسیوم (0.08-0.20 درصد وزنی)، همچنین حاوی آلومینیوم، به عنوان آلیاژ شبکه باتری استفاده شده است. اینها سیالیت عالی دارند، به سرعت سخت می شوند و در برابر خوردگی مقاومت عالی دارند. با این حال، این آلیاژها به سرعت پیر می شوند و منجر به از دست دادن قابل توجه استحکام مکانیکی در طی چند روز می شود. افزودن ۱ درصد وزنی یا بیشتر قلع برای مقاومت در برابر پیری بیش از حد مورد نیاز است. هزینه بالای آلیاژهای سرب- استرانسیوم در مقایسه با آلیاژهای سرب- کلسیم استفاده را محدود کرده است. آلیاژهای سرب – استرانسیوم – قلع به عنوان آند برای الکترووینینگ مس استفاده می شود. آلیاژهای سرب-لیتیوم و سرب-لیتیوم-قلع به دلیل پیری بسیار سریع و خواص مکانیکی بسیار بالا به عنوان آلیاژ برای شبکه باتری های سرب-اسید پیشنهاد شده اند. با این حال، این آلیاژها نسبت به خوردگی مرز دانه حساس هستند. آلیاژهای سرب-لیتیوم حاوی استرانسیم، باریم و کلسیم برای یاتاقان ها استفاده شده است. نقطه ذوب بالا و حفظ خواص مکانیکی و پایداری در دماهای بالا این آلیاژها را برای یاتاقان ها جذاب می کند. افزودن آلومینیوم برای جلوگیری از اکسیداسیون اجازه می دهد تا در دمای بالا بدون اکسیداسیون ریخته گری شود.