Cyna i stopy cyny

Odkrycie i występowanie w przyrodzie

Cyna była znana w czasach prehistorycznych, jako trzeci, poznany przez człowieka metal po złocie i miedzi (wcześniej jednak niż srebro, ołów i żelazo). Zawartość cyny w zewnętrznych strefach Ziemi wynosi 4*10^-3 % wag. Jeden atom cyny przypada na 150 tysięcy innych atomów. Minerałami, z których możemy otrzymać cynę to: kasyteryt (kamień cynowy SnO₂) i stannin Cu₂FeSnS₄.

Właściwości fizyczne

Cyna jest metalem białym, błyszczącym o lekko niebieskawym odcieniu. Pręt cynowy przy zginaniu wydaje charakterystyczny chrzęst, gęstość wynosi 7,3g/cm³, temperatura topnienia to 231,9^oC. Bardzo dobrze przewodzi prąd elektryczny, dzięki czemu powszechnie jest wykorzystywana w elektronice.

Właściwości chemiczne

Cyna jest pierwiastkiem dwu- i czterowartościowym. Występuje na stopniach utlenienia +2, +4 i -4 (bardzo rzadko). Na powietrzu cyna jest trwała, nieco tylko matowieje. Po silnym ogrzaniu utlenia się z wytworzeniem tlenku cynowego SnO₂. Znany jest również tlenek cynawy SnO. Cyna rozpuszcza się w kwasie solnym (1:1), wypierając wodór; tworzą się przy tym rozpuszczalne kompleksy chlorkowe cyny (II): Sn + 2HCI = SnCI₂ + H₂. Kwas azotowy utlenia cynę do trudno rozpuszczalnego kwasu metacynowego: 3Sn + 4HNO₃ + H₂O = 3H₂SnO₃ + 4NO, a kwas siarkowy przeprowadzają w siarczan cynowy: Sn + 4H₂SO₄ = Sn(SO₄)₂ + 2SO₂ + 4H₂O. Cyna rozpuszcza się również w stężonych, gorących roztworach wodorotlenków litowców, z utworzeniem hydroksocynianów (IV): Sn + 4H₂O + 2KOH = K₂[Sn(OH)₆] + 2H₂. Z wodorem cyna tworzy cynowodór SnH₄.

Otrzymywanie.

W laboratorium można otrzymać cynę przez redukcję kamienia cynowego (SnO₂) węglem. W ten sam sposób uzyskuje się cynę na skalę przemysłową.

Stopy cyny:

Cyna jest pierwiastkiem szeroko stosowanym w tworzeniu stopów głównie ze względu na bardzo niską temperaturę topnienia oraz powszechność występowania. W stopach cyny najczęściej wykorzystuje się takie pierwiastki jak: miedź, ołów, cynk, fosfor, antymon.

Brąz cynowy

Podstawowym składnikiem brązu cynowego jest miedź (80% do 90%) oraz cyna (1 do 9%), może również zawierać inne dodatki stopowe takie jak cynk (2,7% do 5%), ołów (1,5% do 4,5%) oraz domieszki fosforu (0,1% do 0,3%) z zanieczyszczeniami nieprzekraczającymi 0,3%. Znany był już w starożytności z powodu występowania w tych samych miejscach rud miedzi i cyny. Jest twardszy niż poszczególne pierwiastki wchodzące w skład brązu. Jest odporny na wysoką temperaturę, ścieranie i korozję. Brązy cynowe używane są na elementy sprężyste, trudno ścieralne, aparaturę chemiczną oraz do odlewów artystycznych. Przy większej zawartości ołowiu na tuleje i panwie łożyskowe, monety, elementy pracujące w wodzie morskiej, armaturę.

Spiż

To stop miedzi z cyną, cynkiem i ołowiem, czasem zaliczany do brązów. Zawiera więcej cyny (11%) niż brąz cynowy. Zawartości cynku i ołowiu są odpowiednio w granicach 2-7% i 2-6%. Jest odporny na korozję i ścieranie. Spiż podobnie jak brąz znany był już w starożytności. Stosowany był do wyrobu broni siecznej, podobnie jak inne stopy miedzi, z uwagi na to, że jest twardszy niż żelazo. W średniowieczu odlewano z niego dzwony (stąd nazwa dzwon spiżowy) zaś w czasach późniejszych armaty. To wspólne zastosowanie stopu stało się w przeszłości przyczyną zniszczenia wielu dzwonów, przetopionych na broń. W dzisiejszych czasach stosowany głównie w rzeźbiarstwie i do wyrobu elementów ozdobnych.

Stopy łożyskowe

Stopy używane na panewki łożysk ślizgowych. Od stopów łożyskowych wymaga się bardzo specyficznych właściwości, takich jak:

• odpowiednie własności wytrzymałościowe, by były w stanie przenosić obciążenia wałów

• możliwości pracy w podwyższonych temperaturach

• odpowiednie własności powierzchniowe, w tym niewielki współczynnik tarcia, odporność na ścieranie, skłonność dostosowania się do powierzchni czopa oraz zdolność pochłaniania obcych cząsteczek

• odporność na korozję

Rozróżnia się dwa typy stopów łożyskowych:

Stopy cynowe - zawierające 80-90% cyny, 4-13% antymonu i 3-6% miedzi. Struktura stopu składa się z twardej osnowy tworzonej przez igłowate kryształy stopu CuSn, z miękkimi wtrąceniami stopu SnSb. Polska Norma PN-xx/H-871111 specyfikuje dwa stopy tego typu, L89 (SnSb8Cu3) i L83 (SnSb11Cu6). Używane są na łożyska do dużych silników wysokoprężnych.

Stopy cynowo-ołowiowe - zawierające orientacyjnie 5-20% cyny, 60-85% ołowiu, 5-17% antymonu i do 3% miedzi oraz domieszki niklu, arsenu i kadmu. Polska Norma specyfikuje L16 (PbSn16Sb16Cu2), L10As (PbSn10Sb14Cu3As) i L6 (PbSn6Sb6). Stopy te są tańsze od cynowych, lecz posiadają gorsze własności wytrzymałościowe i cieplne. Stosowane są na łożyska słabiej obciążone i mniej odpowiedzialne.

Galinstan

To stop eutektyczny (niskotopliwy) galu (68,5%), indu (21,5%) i cyny (10%) płynny w temperaturze pokojowej, zestala się w temperaturze około -20°C, a wrze w temperaturze 1300°C. Dzięki temu, że jest nietoksyczny, znajduje zastosowanie zamiast rtęci lub stopu sodowo-potasowego (NaK). Nazwa pochodzi z sylab łacińskich nazw metali składowych: galium, indium, stannum. Galinstan w przeciwieństwie do rtęci zwilża skórę i szkło i jest od niej lżejszy. Stosowany jest w termometrach, lustrach teleskopów astronomicznych oraz jako chłodziwo w układach chłodzenia cieczą w komputerach.

Fosforobrąz

To stop miedzi, cyny oraz czerwonego fosforu. Jest bardzo odporny na ścieranie i zgniatanie. Wykorzystywany jest do produkcji panewek. W zasadzie (niezależnie od stosowanych nazw potocznych) jest to brąz cynowo-fosforowy o składzie stopowym CuSn10P, czyli: miedź + 10% cyny + 1% fosforu. W Polsce oznaczany jako B101. Najszersze zastosowanie - na wysokoobciążone, szybkoobrotowe, źle smarowane i narażone na korozję łożyska ślizgowe. Produkowany w postaci prętów i tulei, metodą odlewu ciągłego, w prętach o długości 2000 mm i średnicach od 15 mm do 200 mm.

Luty miękkie

Jest to stop cynowo-ołowiowy służący do lutowania. Topi się w zakresie 170 - 325°C. Spoiwo lutownicze może być dystrybuowane w formie lasek (te o większych średnicach są zwykle o przekroju trójkątnym), drutu pełnego lub drutu wydrążonego z kanałem (lub kilkoma kanałami) wypełnionymi topnikiem. Najpopularniejsze zastosowania lutów to elektronika i jubilerstwo.

Bibliografia

1. Leszek A. Dobrzański, Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,

2. Krzemień Eugeniusz: Materiałoznawstwo. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej 2001.

3. Wikipedia.pl

Tadeusz Turkiewicz, ZiIP 1.2, Zabrze

---