Свинец (Pb) в электротехнике: свойства, марки, сплавы и применение

Свинец (лат. Plumbum, Pb) — химический элемент с атомным номером 82, 14-я группа, 6-й период таблицы Менделеева. Проводник из него никудышный: удельное сопротивление 0,208 мкОм·м — в 12 раз хуже меди и в 7,4 раза хуже алюминия, поэтому ток по свинцу не передают. Его берут там, где нужны плотность 11,34 г/см³, пластичность, стойкость к серной кислоте и электрохимия оксида: кабельные оболочки, аккумуляторные пластины, оловянно-свинцовые припои, радиационная защита.

Сравнить свинец с другими проводниковыми и конструкционными металлами можно по таблицам электропроводности металлов; родственные справочники серии — медь, алюминий и цинк.

Физические и химические свойства свинца

По удельному сопротивлению справочники расходятся: 0,208 мкОм·м приводят таблицы электропроводности, металловедческие марочники — 0,218 Ом·мм²/м. Разница в пределах влияния примесей и температуры измерения, на инженерные выводы она не влияет: свинец в любом случае вне класса проводниковых металлов.

Механически свинец крайне мягок — режется ножом, царапается ногтем. При комнатной температуре он ползёт под собственным весом, поэтому свинцовую оболочку кабеля всегда несёт броня или подушка, а вертикальные участки трассы рассчитывают отдельно.

Химически свинец пассивируется на воздухе тонкой оксидной плёнкой и потому устойчив к атмосферной коррозии. В разбавленной серной кислоте он покрывается нерастворимым PbSO₄ и практически не разрушается — на этом стоит вся свинцово-кислотная аккумуляторная техника. Концентрированная серная и азотная кислоты, наоборот, свинец растворяют.

Марки свинца по ГОСТ 3778-98

Форма поставки — чушки массой 30–40 кг, блоки по 1, 2 и 3 т (допуск ±10 %), слитки по согласованию сторон. Листовой и рулонный свинец толщиной 0,5–10 мм нормирует ГОСТ 9559-89, трубы — ГОСТ 167-69.

Учтите разночтение в датах: ГОСТ 24641-81 ссылается на редакцию ГОСТ 3778-77, действует же ГОСТ 3778-98 (введён 01.07.2001). Обозначения марок С2 и С3 при этом не изменились, поэтому старая ссылка читается напрямую.

Свинец в кабельной промышленности

Свинцовая оболочка защищает гигроскопичную бумажную пропитанную изоляцию от влаги и газа. Алюминиевая оболочка решает ту же задачу дешевле и легче, но её нельзя применять там, где на кабель действуют пары щёлочи и концентрированные щелочные растворы, — свинец в этих средах стоек. Второе поле, где свинец не заменён, — среды с углеводородами и высоким давлением: нефтепогружные кабели, подводные и маслонаполненные линии.

Типовая конструкция кабеля марки СБ на 10 кВ послойно: медная секторная жила → фазная бумажная изоляция с пропиточным составом → заполнение из пропитанных бумажных жгутов → поясная бумажная изоляция → экран → свинцовая оболочка → подушка из битума, плёнки и крепированной бумаги → броня из двух стальных лент → наружный покров из битума и пряжи.

Сплавы для свинцовых кабельных оболочек (ГОСТ 1292-81)

По ГОСТ 24641-81 свинцовые оболочки силовых кабелей делают из свинца марок С2 и С3 либо из свинцово-сурьмянистых сплавов. Присадки в оболочке силового кабеля: сурьма — до 0,8 %, олово — до 0,45 %, теллур — до 0,05 %, медь — до 0,05 %. Оболочки кабелей связи — только из свинцово-сурьмянистых сплавов; для трасс с повышенной вибрационной нагрузкой берут ССуМ2 (сурьма 0,6–0,8 %) и ССуМТ, и тогда в маркировку кабеля перед типом защитного покрова добавляют буквы «уп».

Здесь тоже есть след устаревшей ссылки: ГОСТ 24641-81 перечисляет марки ССу, ССуМ, ССуМ2, ССуМО и ССуМТ по ГОСТ 1292-74, а в действующей редакции ГОСТ 1292-81 из «кабельных» марок остались ССуМ и ССуМТ. При заказе оболочки марку сплава оговаривают в технических условиях на конкретный кабель.

Толщина свинцовой оболочки силовых кабелей (ГОСТ 24641-81, табл. 2)

Размеры в миллиметрах.

Для кабелей связи ГОСТ 24641-81 даёт отдельную таблицу — там толщина оболочки нормирована от диаметра под оболочкой и типа защитного покрова (с ленточной бронёй, с бронёй из круглых проволок, без покровов) и лежит в диапазоне 0,95–2,90 мм. Максимальная толщина оболочки стандартом не нормируется.

Требования к готовой оболочке

• Растяжение. Оболочка из сплавов ССу, ССуМ, ССуМ2, ССуМТ, ССуМО не должна разрываться при растяжении до 1,3-кратного первоначального внутреннего диаметра; оболочка из чистого свинца С2 и С3 — до 1,5-кратного. Чистый свинец пластичнее сплава и держит большее раздутие.
• Герметичность. Кабель признают герметичным, если после подачи сухого газа или воздуха под давлением 0,3–0,5 МПа давление на конце не меняется в течение 3 часов.
• Ремонт дефектов. Пайка допускается на дефектах не более 30 мм в продольном и 3 мм в поперечном направлении, не более чем в трёх местах на строительной длине. Место пайки должно быть ровным и гладким.
• Изгиб. Испытательный цилиндр для кабеля связи в свинцовой оболочке — 25D, для силового одножильного — 25(D + d), для многожильного — 15(D + d), где D — наружный диаметр оболочки, d — диаметр жилы.

Марки силовых кабелей со свинцовой оболочкой (ГОСТ 18410-73)

Расшифровка элементов обозначения:

Кабели с отдельными свинцовыми оболочками на каждой жиле (ОСБ, ОСБГ, ОСК) — это исполнение на 20 и 35 кВ; на 1–10 кВ применяют общую оболочку. Свинцовая оболочка кабеля без защитных покровов по п. 2.2.14 ГОСТ 18410-73 изготавливается из сплавов ССуМ и ССуМТ. Срок службы кабелей — не менее 30 лет, климатическое исполнение УХЛ и Т категорий размещения 1 и 5, рабочий диапазон от −50 до +50 °C.

Общий принцип чтения буквенных обозначений брони и покровов разобран в справочнике «Кабельные муфты: виды, назначение, устройство и выбор» — там же приведена старая система обозначений муфт, где буква «С» означала свинцовый корпус.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

На аккумуляторные батареи приходится около 86 % мирового потребления металлического свинца (данные 2018 года) — это главный рынок металла и главный источник его вторичного сырья.

Токообразующие реакции при разряде:

• положительный электрод: PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O
• отрицательный электрод: Pb + SO₄²⁻ − 2e⁻ → PbSO₄

При заряде реакции идут в обратную сторону. Оба электрода — свинцовая решётка с запрессованной активной массой: диоксид свинца на положительном, губчатый свинец на отрицательном.

Решётки электродов различаются по сплаву, и от него зависит режим обслуживания:

• Свинцово-сурьмянистые (ССу3, ССу8 по ГОСТ 1292-81) — механически прочные, хорошо переносят глубокий разряд, но повышают саморазряд и расход воды: такая батарея требует долива дистиллята.
• Свинцово-кальциевые и Pb-Ca-Sn — низкий саморазряд и малое газовыделение, отсюда необслуживаемое исполнение; хуже переносят глубокий разряд.

Требования к стационарным батареям задают ГОСТ 26881-86 и ГОСТ Р МЭК 60896-11-2015, к электролиту — ГОСТ Р МЭК 62877-1-2019. Практический выбор между AGM, GEL и литий-железо-фосфатом для автономного электроснабжения разобран в справочнике «Аккумуляторы для солнечных батарей: гелевые, AGM и LiFePO4».

Оловянно-свинцовые припои ПОС

Химический состав припоев нормирует ГОСТ 21930-76 (чушки), сортамент проволоки, лент, прутков, трубок с флюсом и порошка — ГОСТ 21931-76 (изделия). В обозначении число после «ПОС» — массовая доля олова, число после «Су» — доля сурьмы; остальное, за вычетом примесей, свинец.

Значения солидуса, ликвидуса и удельного сопротивления — из справочного приложения 1 к ГОСТ 21930-76.

Практический смысл двух температур: у эвтектики ПОС 63 солидус и ликвидус совпадают (183 °C), припой затвердевает мгновенно и не даёт «зернистого» шва при подвижке детали. У ПОС 40 интервал 183–238 °C — 55 градусов пастообразного состояния, которые нужны при пайке вразбежку, но которые же портят монтажный шов при малейшем сдвиге.

Отдельно стоит ПОССу 35-0,5 — единственная марка, которую стандарт прямо адресует свинцовым кабельным оболочкам: лужение и пайка оболочек электротехнических изделий неответственного назначения. Свинец паяют свинцовым же припоем, с близкой температурой плавления.

Ограничение свинца: ТР ЕАЭС 037/2016

Технический регламент «Об ограничении применения опасных веществ в изделиях электротехники и радиоэлектроники» принят решением Совета ЕЭК от 18.10.2016 № 113 и вступил в силу 1 марта 2018 года. Предельные концентрации нормируются не по изделию, а по однородному материалу — то есть по каждому слою, покрытию и капле припоя в отдельности.

Регламент охватывает бытовые электроприборы, вычислительную технику, средства телекоммуникации, электроинструмент, световое оборудование, кабели и провода на напряжение до 500 В, устройства защиты и извещатели. Из области применения выведены:

• изделия на напряжение свыше 1000 В переменного и 1500 В постоянного тока;
• батареи и аккумуляторы, в том числе в составе изделий;
• солнечные батареи, космические объекты, транспортное оборудование;
• средства измерений, медицинские изделия, электрические игрушки;
• изделия, бывшие в употреблении.

Для кабельщика и энергетика это означает, что свинцовая оболочка кабеля 6–35 кВ и свинцовая пластина аккумулятора под ограничение не подпадают, а припой на плате бытового прибора — подпадает. Форма подтверждения соответствия — декларирование или сертификация по схемам на выбор заявителя, маркировка — единым знаком обращения ЕАС.

Бессвинцовая замена ПОС 61 и ПОС 63 — сплавы системы олово–серебро–медь: SAC305 (Sn 96,5 %, Ag 3,0 %, Cu 0,5 %) плавится при 217–220 °C, SnCu0,7 — около 227 °C, висмутовый SnBi — около 138 °C. Плата за отказ от свинца — на 30–40 градусов более горячий профиль пайки, худшая смачиваемость и риск роста оловянных усов. Поэтому в аэрокосмической, военной и медицинской технике свинцовые припои сохраняются: там надёжность соединения перевешивает экологический аргумент.

Другие применения свинца в электротехнике и электронике

Радиационная защита. Гамма- и рентгеновское излучение поглощается тем сильнее, чем больше атомный номер вещества, а у свинца он равен 82. Защитную способность материала нормируют не толщиной вообще, а свинцовым эквивалентом — толщиной свинца в миллиметрах, дающей ту же защиту при заданном анодном напряжении и заданной кратности ослабления. Чтобы ослабить рентгеновское излучение в 1000 раз, нужно 1,5 мм свинца при 100 кВ, 1,8 мм при 150 кВ, 2,6 мм при 200 кВ и 4,7 мм при 250 кВ; 1 мм свинца при 100 кВ заменяют примерно 6 мм стали или 85 мм бетона. Отсюда свинцовые листы в обшивке рентгеновских кабинетов, контейнеры для источников, просвинцованное стекло смотровых окон. Против нейтронов свинец почти бесполезен — они эффективно теряют энергию на лёгких ядрах, и вода или полиэтилен той же толщины защищают лучше.

Пьезокерамика ЦТС. Цирконат-титанат свинца Pb(Zr,Ti)O₃ — базовый пьезоэлектрик промышленной электроники: ультразвуковые излучатели и приёмники, датчики давления и вибрации, актюаторы, пьезозажигалки, гидроакустика, сегнетоэлектрическая память FRAM. Температура Кюри в зависимости от соотношения циркония и титана — от 230 до 500 °C, относительная диэлектрическая проницаемость — от 300 до 20 000. Свинец здесь входит в кристаллическую решётку, и бессвинцовые пьезокерамики пока не догоняют ЦТС по пьезомодулю.

Свинцовый сурик Pb₃O₄. Красно-оранжевый оксид, работающий в грунтовке как окислитель: он пассивирует стальную поверхность, и покрытые суриком конструкции не ржавеют даже в морской воде. Отсюда его историческая роль в защите металлоконструкций и опор. Тот же сурик идёт в аккумуляторные пасты и в стекловарение — оптическое и защитное стекло. Производство красок на его основе в большинстве стран сильно ограничено из-за токсичности.

Пломбирование приборов учёта. Свинцовая пломба на счётчике и вводном автомате — классический индикатор вмешательства: мягкий металл принимает оттиск клейма и не восстанавливается после вскрытия. Какие последствия наступают при повреждении пломб, разобрано в справочнике «Безучётное потребление электроэнергии».

Сверхпроводимость. Свинец переходит в сверхпроводящее состояние при 7,26 К и был одним из первых материалов, на которых этот эффект наблюдали и применяли в криогенных приборах.

Производство, вторичный свинец и цены

Мировое производство свинца — около 11,5 млн т в год, из них первичного 4,6 млн т. Доля вторичного металла выросла с 55 % в 2005 году до 63 % в 2018-м, а по отдельным регионам она ещё выше: 89 % в Америке и 79 % в Европе. Крупнейший производитель — Китай (4825 тыс. т, 42 % мирового выпуска), далее США (1160 тыс. т), Южная Корея (802 тыс. т) и Индия (624 тыс. т).

Первичный свинец добывают преимущественно попутно с цинковыми и серебряными рудами. Галенитовый концентрат содержит 40–70 % свинца; после плавки получают веркблей (более 90 % Pb), который рафинируют зейгерованием, щелочной очисткой и удалением висмута кальцием и магнием.

В России основной ресурс — Горевское свинцово-цинковое месторождение в Мотыгинском районе Красноярского края: до 40 % известных запасов страны, 4,9 млн т свинца и 1,6 млн т цинка по данным на 2019 год, добыча 2,5 млн т руды в год. Сибирские разрабатываемые запасы оцениваются примерно в 8 млн т, известны также Холоднинское месторождение в Забайкалье и Дальнегорское в Приморье.

Ценовой ориентир задаёт Лондонская биржа металлов: торгуется рафинированный свинец чистотой не менее 99,97 % лотами по 25 тонн, и от этой котировки считают стоимость чушкового металла и аккумуляторного лома. Текущие значения — на странице «График цены на свинец (LME.Lead)».

Безопасность: токсичность и ПДК

Свинец и его неорганические соединения отнесены к 1-му классу опасности — чрезвычайно опасные вещества. Гигиенические нормативы для воздуха рабочей зоны:

Строка про свинцово-кадмиевый припой — это как раз ПОСК 50-18 из таблицы выше: сплав с кадмием нормируется отдельной, более жёсткой строкой, поскольку к свинцовому риску добавляется кадмиевый.

Основной путь поступления свинца в организм — вдыхание аэрозоля и пыли, а также занос через руки. При пайке ПОС на 250–300 °C испарение самого свинца незначительно: температура кипения металла 1749 °C, и в воздухе оказываются прежде всего продукты разложения флюса. Реальный аэрозольный риск даёт другая работа — плавка, зачистка окисленных свинцовых поверхностей, механическая обработка оболочек и пластин. Отсюда стандартный набор мер: местная вытяжная вентиляция на посту пайки и в плавильном отделении, влажная уборка вместо сметания, отдельная спецодежда, мытьё рук до еды, периодические медосмотры.

Нормативная база

• ГОСТ 24641-81 (СТ СЭВ 1101-78). Оболочки кабельные свинцовые и алюминиевые. Технические условия
• ГОСТ 18410-73. Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией. Технические условия
• ГОСТ 21930-76. Припои оловянно-свинцовые в чушках. Технические условия
• ГОСТ 21931-76. Припои оловянно-свинцовые в изделиях. Технические условия
• ГОСТ 26881-86. Аккумуляторы свинцовые стационарные. Общие технические условия
• ГОСТ Р МЭК 60896-11-2015. Батареи свинцово-кислотные стационарные. Открытые типы
• ГОСТ Р МЭК 62877-1-2019. Электролиты и вода для вентилируемых свинцово-кислотных аккумуляторов. Часть 1
• ГОСТ 3778-98. Свинец. Технические условия
• ГОСТ 1292-81. Сплавы свинцово-сурьмянистые. Технические условия
• ГОСТ 9559-89. Листы свинцовые. Технические условия
• ТР ЕАЭС 037/2016. Об ограничении применения опасных веществ в изделиях электротехники и радиоэлектроники

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

❓ Что такое свинец и почему его называют плюмбумом?

Свинец — химический элемент с атомным номером 82, тяжёлый мягкий металл плотностью 11,34 г/см³. «Плюмбум» — это латинское название элемента (Plumbum), от которого происходит и его символ Pb. На свежем срезе свинец блестящий синевато-серый, но на воздухе за минуты покрывается оксидной плёнкой и становится матово-серым — именно такой цвет у него в реальных изделиях.

❓ При какой температуре плавится свинец?

Свинец плавится при 327,46 °C и кипит при 1749 °C. Это один из самых легкоплавких конструкционных металлов: расплавить его можно на обычной газовой горелке. Удельная теплота плавления — около 23 кДж/кг. Но плавка в бытовых условиях опасна: над расплавом образуется аэрозоль оксидов свинца, а ПДК в воздухе рабочей зоны составляет всего 0,05 мг/м³ при 1-м классе опасности.

❓ Почему свинец не пропускает радиацию?

Гамма- и рентгеновские кванты поглощаются тем сильнее, чем выше атомный номер вещества, а у свинца он равен 82 — максимум среди доступных дешёвых металлов. В сочетании с плотностью 11,34 г/см³ это даёт очень компактную защиту: при анодном напряжении 100 кВ 1 мм свинца эквивалентен 6 мм стали или 85 мм бетона, а 2 мм свинца — 12 мм стали или 160 мм бетона. Абсолютной непроницаемости, впрочем, не бывает: защиту считают под конкретную энергию излучения и нужную кратность ослабления — например, чтобы ослабить излучение в 1000 раз, при 100 кВ нужно 1,5 мм свинца, а при 250 кВ уже 4,7 мм. От нейтронов свинец защищает плохо — они теряют энергию на лёгких ядрах, и вода или полиэтилен эффективнее.

❓ Чем опасен свинец и какая у него ПДК?

Свинец и его неорганические соединения относятся к 1-му классу опасности. ПДК среднесменная в воздухе рабочей зоны — 0,05 мг/м³ (аэрозоль), для тетраэтилсвинца — 0,005 мг/м³ по парам. Металл кумулятивен: он накапливается в костной ткани, поражает кроветворение и нервную систему. Основной путь поступления — вдыхание аэрозоля и пыли при плавке и зачистке, а также занос через руки. При пайке припоями ПОС на 250–300 °C сам свинец практически не испаряется (температура кипения 1749 °C), но местная вытяжка на посту пайки нужна из-за продуктов разложения флюса.

❓ Где свинец используется в электротехнике?

Четыре основных направления: свинцово-кислотные аккумуляторы (около 86 % мирового потребления металла), свинцовые оболочки силовых и связных кабелей с бумажной пропитанной изоляцией (марки СБ, ЦСБ, ОСБ и другие), оловянно-свинцовые припои ПОС для монтажа и лужения, радиационная защита. Дополнительно — пьезокерамика ЦТС, свинцовый сурик в антикоррозионных грунтовках и свинцовые пломбы на приборах учёта. Проводником свинец не служит: его удельное сопротивление 0,208 мкОм·м, в 12 раз выше, чем у меди.

❓ Что тяжелее — свинец или олово?

Свинец существенно тяжелее: 11,34 г/см³ против примерно 7,3 г/см³ у олова, то есть в полтора с лишним раза. Отличаются и температуры плавления — 327,46 °C у свинца против 232 °C у олова. На этом различии построена вся система оловянно-свинцовых припоев: чем больше в марке олова, тем ниже температура и выше цена, а эвтектика Sn63Pb37 (припой ПОС 63) плавится при 183 °C — ниже обоих чистых металлов.