Серебро и золото. Их сплавы

Серебро и золото являются драгоценными металлами. Это химические элементы подгруппы меди, а именно I группы побочной подгруппы, d-элементы. Химические знаки - Ag и Au, порядковые номера 47 и 79. Латинские названия: серебра «аргентум» происходит от санскритского «арганта» - светлый, белый; золота «аурум» связано с сиянием восходящего Солнца, по латыни «аурора» означает - утренняя заря.

Массовые доли серебра и золота в земной коре составляют соответственно 1·10^-5 и 5·10^-7 % масс. Оба металла встречаются в природе, как в свободном, так и в связанном виде. Металлы состоят из следующих стабильных изотопов: серебро - ¹⁰⁷Ag (51,35 %), ¹⁰⁹Ag (48,65 %); золото - ¹⁹⁷Аu (100,0 %).

Серебро и золото представляют собой металлы (соответственно белого и жёлтого цвета) с гранецентрированной кубической решеткой. Они являются тяжелыми и высокоплавкими веществами. Золото и серебро легко поддаются механической обработке, прокатываются в тончайшую фольгу и нити, легко сплавляются с другими металлами. Серебро настолько пластично, что из него можно изготовить прозрачный листик толщиной всего 0,00003 сантиметра, а серебряная крупица, которая весит 1 грамм, может быть превращена в проволоку длиной около 2 километров. Ни один металл не может сравниться с серебром по «умению» проводить тепло и электрический ток. Чистое золото - очень мягкий и пластичный металл. Кусочек его величиной со спичечную головку можно вытянуть в проволоку длиной более трех километров или расплющить в прозрачный голубовато-зеленый лист площадью 50 квадратных метров (табл. 1.7).

Таблица 1.7 - Физические и физико-химические характеристики серебра и золота

Если царапнуть ногтем по чистому золоту, то на нем останется след. В тех случаях, когда обрабатывают золото в чистом виде, довольно большие количества его превращаются в пыль.

Химическая активность металлов невелика и убывает с возрастанием порядкового номера элемента. С галогенами и серой непосредственно взаимодействует только серебро, и то при повышенной температуре. С водородом и кислородом они не реагируют как при нормальной, так и при высокой температуре.

В ряду напряжений серебро и золото располагаются после водорода. Поэтому практически ни одна из имеющихся в химии кислот в разбавленном состоянии на них не действует. Отсутствие растворения серебра в соляной кислоте связано с образованием на нем пленки труднорастворимого хлорида. Серебро взаимодействует только с азотной (НNО₃) кислотой любой концентрации и концентрированной серной (H₂SO₄) кислотой. Золото реагирует лишь с горячей концентрированной селеновой (Н₂SеO₄) кислотой, концентрированным раствором хлористого водорода, насыщенного хлором, а также «царской водкой» - смесью концентрированных азотной и соляной кислот - НNО₃ + 3HCl. В двух последних случаях реакция происходит за счет окисления золота атомарным хлором. Оба металла растворяются в тиосульфатных и цианидных растворах. Золото реагирует также с тиомочевиной. Под действием серы и сероводорода серебро тускнеет. Вода и щелочи на данные металлы не действуют. Золото обладает коррозионной стойкостью к образованию сернистых пленок при комнатной температуре и нагревании, однако оно склонно к дугообразованию, и даже при малых токах на золотых контактах в результате эрозии образуются иглы и наросты.

В чистом виде они используются в микроколичествах в электронике и электротехнике. Их применяют в основном в качестве легирующих элементов, для нанесения защитных антикоррозионных покрытий. Так серебро употребляют для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Из серебра также делают проволоку для точнейших физических приборов, изготовляют наиболее ответственные клеммы разнообразных реле, серебряными припоями паяют важные детали радиоаппаратуры. Золото служит материалом для транзисторов и диодов. В технике слабых токов чистое золото употребляется для изготовления контактов, электродов фотоэлементов. Золото применяется для изготовления прецизионных контактов, работающих при малом сдавливающем усилии и низком напряжении. Серебро и золото используются в производстве предохранителей особо ответственных приборов. Наибольшее применение они находят в виде сплавов друг с другом, с редкоземельными элементами, с платиной и медью, или тройных с этими же металлами. Для прецизионных измерительных и автоматических управляемых приборов употребляют потенциометры с обмоткой из таких благородных сплавов, состоящих из платины и серебра (30,0 - 40,0 %). В качестве электрических контактов различных ответственных аппаратов используют сплавы палладия с серебром и серебра с медью. Однако последние имеют недостаток, в малонагруженных контактах они корродируют. Легирование серебра медью повышает твердость и стойкость к электрической эрозии, однако в условиях образования дуги богатые медью сплавы непригодны вследствие окисления. Системы серебро - кадмий отличаются высокой эрозионной стойкостью вследствие высокой скорости гашения дуги между контактами за счет паров кадмия и кислорода, однако контакты из этих сплавов требуют больших контактных нажатий. Такой материал, содержащий от 2 до 12 % массы окиси кадмия, получают при нагревании бинарного сплава серебро - кадмий в окислительной среде. Сплавы серебро - магний - никель с добавками золота и циркония Zr удачно сочетают в себе свойства упругого и контактного материалов. Они обладают переходным электрическим сопротивлением таким же, как у серебра. Все это позволяет успешно использовать их как единые детали «контакт-пружина», что весьма ценно в малогабаритных и миниатюрных устройствах. Слаботочные размыкающие контакты из серебра и его сплавов используют в устройствах электронной техники, работающих в бездуговом режиме, в приборах автоматики, в аппаратуре авиационного и морского оборудования. Оксиды серебра электропроводны, однако в атмосфере сероводорода и влаги на контактах образуются непроводящие пленки сульфида серебра. Композиция серебра с окисью кадмия не образует непроводящих окислов и поэтому не требует высоких контактных давлений. Контакты на ее основе наиболее широко используются в низковольтных аппаратах. Они надежны в работе при постоянных высоких токовых нагрузках (300 А, 500 В), обладают повышенной износостойкостью. В процессе эксплуатации такие контакты нельзя зачищать наждачной бумагой. Системы Ag - Ni хорошо поддаются механической обработке, обладают высокой коррозионной устойчивостью, стойкостью к электрическому износу, низким и стабильным переходным сопротивлением также используются. Они применяются при изготовлении контактов для низковольтных аппаратов переменного и постоянного тока. Контакты из композиций серебро - графит стойки к свариванию и механическому износу, отличаются низким и стабильным переходным сопротивлением, но характеризуются повышенным электрическим износом и ограниченной твердостью. Тройные системы серебро - никель - графит применяются в контактах низковольтных аппаратов со значительными токовыми нагрузками и перегрузками. Надежность изделия повышается, если матрицу композиции выполнять с мелкодисперсной структурой. Следует отметить, что контакты из сплавов серебро - никель - графит и серебро - графит употребляются в паре с подобными изделиями на основе систем серебро - никель, так как они имеют повышенную износостойкость.

Распространены контактные сплавы золота с серебром, никелем, платиной и цирконием, которые имеют повышенную твердость, хорошую коррозионную и эрозионную стойкость. Из сплавов золота с платиной делают детали оборудования для получения синтетического волокна, которые по условиям производства должны обладать исключительной стойкостью к воздействию химических веществ. Изделия из систем серебро - вольфрам отличаются более высокой износостойкостью, стойкостью к свариванию и оплавлению. Чаще всего они применяются в качестве контактов высоковольтных масляных выключателей.

Серебро, золото и их сплавы также служат материалами для изготовления твердых припоев. В данном качестве применяются в основном серебро и сплавы на основе серебра, меди и цинка. Последние используют при пайке, когда электропроводность спая не должна уменьшаться по сравнению с таковой основного металла. Припои, содержащие серебро, обладают повышенной тепло- и электропроводностью, высокой пластичностью, прочностью, коррозионной стойкостью и технологичностью, позволяют проводить нагрев различными способами во всевозможных средах. Они хорошо смачивают большинство металлических поверхностей и качественно заполняют зазор. Данные припои подразделяют на легко- и среднеплавкие. Основой серебряных припоев обычно является система серебро - медь. Для изменения температуры плавления, физико-механических и технологических свойств в них добавляют никель (1,0 - 15,0 %), кадмий (4,0 - 15,0 %), олово (2,0 - 36,0 %), марганец (1,0 - 15,0 %) и другие. Особенно широкое применение получили припои ПСр72 - сплав эвтектического состава (71,5 - 72,5 % серебра; 29,5 - 28,5 % меди; при 779 °С) и ПСр40 (39,0 - 41,0 % серебра; 16,0 - 17,4 % меди; 16,2 - 17,8 % цинка; 28,7 - 23,3 % кадмия; 0,1 - 0,5 % никеля), обладающие высокой техничностью и широко применяющиеся при пайке многих металлов и сплавов. Введение в серебряные припои лития (0,2 - 3,0 %) улучшает смачиваемость паяемой поверхности и придает им свойства самофлюсования. Наиболее широко применяется для пайки в печах с вакуумом и защитной атмосферой тонкостенных конструкций припой ПСр92 (91,0 - 93,0 % серебра; 7,6 - 7,8 % меди и 0,20 - 0,42 % фосфора), который, смачивая сталь, не проникает по границе зерен и не снижает механические свойства термически обработанных высокопрочных коррозионностойких сталей (s_в > 980·10⁶ Па). Так как в составе данного припоя содержится большое количество серебра, он является очень дорогим, поэтому его заменяют припоем с меньшей концентрацией драгоценного металла (24,0 - 25,0 %) - ПСр25Ф. Серебряные припои с медью, оловом, палладием (4,0 - 33,0 %) и индием (3,0 - 30,0 %) обладают сравнительно низким давлением пара, вследствие чего их применяют для пайки вакуумных приборов, изготовляемых из меди и стали. Введение большого количества олова (до 36,0 %) уменьшает температуру начала плавления припоя, позволяет паять неоднородные материалы, имеющие различные тепловые коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) без образования трещин и больших остаточных напряжений. Кадмий (10,0 - 40,0 %) и цинк (10,0 - 40,0 %) сильно снижают температуру плавления, повышают жидкотекучесть и пластичность припоев. Палладий и золото, вводимые в сплавы серебра в качестве компонентов, значительно увеличивают их коррозионную стойкость, пластичность, электро- и теплопроводность, а также способствуют растеканию их по паяемой поверхности. Припоями этой группы можно паять никелевые, углеродистые стали, вольфрам и молибден. Олово, сурьму (10,0 - 40,0 %) и висмут (0,03 - 0,25 %) добавляют для снижения температуры плавления и увеличения коррозионной стойкости. Сплавы, содержащие сурьму, имеют температуру полного расплавления 425 -660 °С. Их используют при пайке слабонагруженных медных изделий.

Припои, содержащие медь, никель и цинк, обладают повышенной жаростойкостью и механической прочностью паяных соединений. При наличии марганца они становятся кислотостойкими. Незначительная добавка лития и индия в серебряные припои делает их самофлюсующимися и позволяет вести пайку изделий из титановых и коррозионно-стойких сталей в защитной среде без флюса.

При пайке чугуна и спеченного карбида вольфрама серебряные припои с медью, цинком и кадмием плохо смачивают их поверхность, и полученные соединения обладают незначительной прочностью. Добавка в такие припои никеля и марганца значительно увеличивает прочность соединения на срез.

Легирование серебряных припоев на медной основе фосфором (от 5,0 до 8,0 %) делает их более легкоплавкими и повышает вязкость паяного соединения. Эти припои пригодны для пайки закрытых соединений, где удаление остатков флюса невозможно. Припои этой группы применяют для пайки аппаратуры, работающей в условиях колебания температур, но они совершенно непригодны для получения соединений, подвергающихся после пайки деформации.

Чистoe золото и его сплавы с серебром (от 2,0 до 40,0 %) и медью (от 7,0 до 33,0 %) широко применяют в электронной промышленности, в ювелирном деле, при пайке изделий из молибдена, соединений графита с металлом, пайке вакуумной аппаратуры. Золотые припои обладают пластичностью, коррозионной стойкостью, теплопроводностью и рядом других положительные свойств, однако из-за высокой их стоимости используются только там, где это оправдано (пайка вакуумных приборов, электроконтакты и т. д.). Для снижения температуры плавления и создания определенных технологических и других свойств в меднозолотые и медносеребряные припои добавляют кадмий (2,0 - 10,0 %), цинк (2,0 - 10,0 %), палладий (5,0 - 10,0 %), сурьму (до 1,0 %), никель (0,2 - 22,0 %) и индий (до 20,0 %). Припои с индием отличаются хорошей смачиваемостью стекла и применяются для соединения стекла с металлом. Смеси порошков золота и серебра с галлием служат припоем для диффузионной пайки металлов и сплавов. В процессе паяния при высокой температуре в вакууме, в печах с защитной средой используют золотые припои с палладием. Припои этой группы применяют при изготовлении тяжело нагруженных изделий, работающих в вакууме. Сплавы золота при содержании 12,0 % германия и 6,0 % кремния пластичны и плавятся соответственно при температурах 360 и 370 °С. Для пайки золотых изделий применяют припой следующего состава: 46,0 % золота; 32,0 % сурьмы; 18,0 % цинка; 3,0 % кремния и 1,0 % никеля. Он имеет сравнительно низкую температуру плавления (590 °С), хорошо растекается и не разъедает паяемый металл. Припой с более высокой температурой плавления (740 °С) ЗЛСрМ-583-80 содержит 58,0 % золота; 13,0 - 14,0 % серебра; 10,0 % кадмия; 5,0 - 6,0 % цинка; 13,0 - 14,0 % меди. В отдельных случаях для монтажной пайки высокопрочных, коррозионно-стойких сталей применяют золотые припои с никелем. Минимальная температура плавления этих сплавов (при 17,5 % Ni) составляет 950 °С. Сплавы золота с никелем и хромом получили широкое применение в ракетостроении для пайки изделий, работающих при повышенных температурах там, где от паяных соединений требуются высокие механические и жаропрочные свойства.

Вопросы для самопроверки

1. К каким по классификации цветных металлов относятся серебро и золото? Почему их так называют? С какого времени человек знаком с ними?

2. В составе каких минеральных руд встречаются эти металлы? Опишите какими способами их получают?

3. Охарактеризуйте физико-механические и химические свойства серебра и золота?

4. Где применяются чистые металлы?

5. Перечислите известные и важнейшие сплавы серебра и золота? Приведите их химический состав, структуру и свойства. Отметьте сферы их использования?

6. Что является основой серебряных припоев? Приведите их химический состав? Какими технологическими параметрами они обладают?

7. Как на физико-механические характеристики серебряных припоев влияют такие легирующие добавки, как цинк, кадмий, никель, литий и другие элементы периодической системы Д. И. Менделеева?

8. Припои на основе золота и его сплавов? Опишите их состав, структуру, свойства и применение?