Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Ухудшение состояния оловянных предметов при низких температурах
Deterioration of tin objects at low temperature
Оловянная чума – это автокаталитическое, аллотропное превращение олова, вызывающее разрушение оловянных предметов при низких температурах. Оловянная чума также известна как оловянная болезнь, оловянная коррозия или оловянная проказа (lèpre d'étain). В средневековой Европе было замечено, что трубы органов подвержены этому явлению в прохладном климате. Как только олово начинало разрушаться, процесс ускорялся. С принятием в Европе Директивы об ограничении использования опасных веществ (RoHS) и аналогичных нормативных актов в других странах, традиционные сплавы свинца и олова в электронных устройствах были заменены почти чистым оловом, что привело к возникновению оловянной чумы и связанных с ней проблем, таких как оловянные усы.
Tin pest is an autocatalytic, allotropic transformation of the element tin, which causes deterioration of tin objects at low temperatures. Tin pest has also been called tin disease, tin blight or tin leprosy (lèpre d'étain). It was observed in medieval Europe that the pipes of pipe organs were affected in cool climates. As soon as the tin began decomposing, the process accelerated. With the adoption of the Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS) regulations in Europe, and similar regulations elsewhere, traditional lead/tin solder alloys in electronic devices have been replaced by nearly pure tin, introducing tin pest and related problems such as tin whiskers.
Аллотропная трансформация
При и ниже определенных температур чистое олово преобразуется из серебристого, пластичного металлического аллотропа β-олова (белого олова) в хрупкий, неметаллический α-аллотроп (серое олово) с алмазной кубической структурой. Трансформация инициируется медленно из-за высокой энергии активации, но присутствие германия (или кристаллических структур схожей формы и размера) или очень низкие температуры, приблизительно −30 °C, способствуют ее началу. С изменением фазы в неметаллический низкотемпературный аллотроп также наблюдается значительное увеличение объема, около 27%. Это часто приводит к тому, что изделия из олова (например, пуговицы) разрушаются в порошок в процессе трансформации, отсюда и название "оловянная чума". Разложение самокатализируется, поэтому реакция ускоряется после начала. Само присутствие оловянной чумы способствует ее дальнейшему распространению. Изделия из олова при низких температурах попросту рассыпаются.
At and below, pure tin transforms from the silvery, ductile metallic allotrope of β form white tin to the brittle, nonmetallic, α form grey tin with a diamond cubic structure. The transformation is slow to initiate due to a high activation energy but the presence of germanium (or crystal structures of similar form and size) or very low temperatures of roughly −30 °C aids the initiation. There is also a large volume increase of about 27% associated with the phase change to the nonmetallic low temperature allotrope. This frequently makes tin objects (like buttons) decompose into powder during the transformation, hence the name tin pest. The decomposition will catalyze itself, which is why the reaction accelerates once it starts. The mere presence of tin pest leads to more tin pest. Tin objects at low temperatures will simply disintegrate.
Экспедиция Скотта в Антарктиду
В 1910 году британский полярник Роберт Скотт надеялся первым достичь Южного полюса, но его опередил норвежский исследователь Руальд Амундсен. Экспедиция пешком преодолевала замерзшие пустыни Антарктики, направляясь к складам с продовольствием и керосином, заготовленным заранее. В начале 1912 года, на первом складе, керосина не оказалось; канистры, запаянные оловом, были пустыми. Причиной этого могло стать «оловянная чума». Униформа того времени обычно имела пуговицы из кости для рядовых и из латуни для офицеров. Критики этой теории указывают на то, что использованное олово, вероятно, было недостаточно чистым и, следовательно, более устойчивым к низким температурам. Лабораторные исследования показали, что для развития значительных повреждений от «оловянной чумы» у чистого олова при пониженных температурах требуется около 18 месяцев, что более чем вдвое превышает продолжительность экспедиции. Тем не менее, некоторые полки, участвовавшие в кампании, действительно использовали пуговицы из олова, а температура опускалась до достаточно низких значений (ниже −40 °C). И отчаянное положение армии Наполеона, превратившее солдат в оборванцев.
In 1910 British polar explorer Robert Scott hoped to be the first to reach the South Pole, but was beaten by Norwegian explorer Roald Amundsen. On foot, the expedition trudged through the frozen deserts of the Antarctic, marching for caches of food and kerosene deposited on the way. In early 1912, at the first cache, there was no kerosene; the cans – soldered with tin – were empty. The cause of the empty tins could have been related to tin pest. Uniform buttons of that era were generally bone for enlisted, and brass for officers. Critics of the theory point out that any tin that might have been used would have been quite impure, and thus more tolerant of low temperatures. Laboratory tests of the time required for unalloyed tin to develop significant tin pest damage at lowered temperatures is about 18 months, which is more than twice the length of the invasion. Nevertheless, some of the regiments in the campaign did have tin buttons and the temperature reached sufficiently low values (below −40 °C or °F). and the desperate state of Napoleon's army, having turned soldiers into ragged beggars.
Современный оловянный вредитель после принятия RoHS
С принятием в 2006 году директивы об ограничении использования опасных веществ (RoHS) в Европейском союзе, запрета на большинство применений свинца в Калифорнии и введения аналогичных норм в других регионах, проблема «оловянного чумного» вновь возникла, поскольку некоторые производители, ранее использовавшие сплавы олова и свинца, теперь применяют преимущественно сплавы на основе олова. Например, выводы некоторых электрических и электронных компонентов покрываются чистым оловом. В холодной среде олово может переходить в α-модификацию – серый олово, который не проводит электричество и осыпается с выводов. При нагревании оно вновь превращается в β-модификацию – белое олово, обладающее электропроводностью. Этот цикл может вызывать электрические короткие замыкания и выход оборудования из строя. Такие проблемы могут проявляться периодически, поскольку порошкообразные частицы олова перемещаются. Предотвратить «оловянное чумное» можно, легируя олово небольшим количеством электроположительных металлов или полуметаллов, растворимых в твердой фазе олова, например, сурьмы или висмута, которые препятствуют изменению фазы.
With the 2006 adoption of the Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS) regulations in the European Union, California banning most uses of lead, and similar regulations elsewhere, the problem of tin pest has returned, since some manufacturers which previously used tin/lead alloys now use predominately tin based alloys. For example, the leads of some electrical and electronic components are plated with pure tin. In cold environments, this can change to α modification grey tin, which is not electrically conductive, and falls off the leads. After reheating, it changes back to β modification white tin, which is electrically conductive. This cycle can cause electrical short circuits and failure of equipment. Such problems can be intermittent as the powdered particles of tin move around. Tin pest can be avoided by alloying with small amounts of electropositive metals or semimetals soluble in tin's solid phase, e. g. antimony or bismuth, which prevent the phase change.