Soldadura 101: II: El milagro de la soldadura
Amigos,
Pity Ötzi, EL Hombre de hielo, aproximadamente 3500AC. Se cree que estuvo involucrado en la fundición de cobre, ya que tanto partículas de cobre como de arsénico, un elemento traza en algunos minerales de cobre, se encontraron en su cabello. No solo fue envenenado lentamente por el arsénico, sino que para fundir el cobre tuvo que alcanzar una temperatura de fuego de leña de alrededor de 1085ºC (1985ºF), como mencioné en mi última publicación. El arsénico en el cobre sí tenía un beneficio, ya que le daba al cobre un poco más de resistencia que si fuera puro.
Poco después de la época de Otzi, los trabajadores del metal descubrieron que añadir un 10% de estaño al cobre producía bronce. El bronce no solo es notablemente más duro que el cobre, sino que se funde a casi 100ºC menos que el cobre puro, lo que hace que el trabajo del metal sea mucho más fácil. La Edad de Bronce había comenzado. Este período coincidió con lo que los estudiosos reconocerían como el comienzo de las civilizaciones modernas, como las de Egipto y Grecia.
Como se derrite a una temperatura más baja, el bronce también llena mejor los moldes. Esta mejora en el relleno del molde es evidente en la Figura 1. Esta foto muestra un hacha de cobre y bronce que yo había hecho. El hacha de cobre a la izquierda muestra evidencia de mal llenado del molde.
Figura 1. Las de cobre, a la izquierda, y las hachas de bronce que se hicieron en el curso de Dartmouth College del Dr. Ron ENGS3: Materiales: La sustancia de la civilización. Tenga en cuenta que el hacha de cobre muestra un mal llenado del molde debido a la mayor temperatura de fusión del cobre.
En mi opinión, es casi seguro que la Edad del Bronce está relacionada con el desarrollo de la soldadura. La primera evidencia de soldadura ocurrió alrededor de 3000BC cuando, posiblemente la primera civilización, los sumerios armaron sus espadas con soldaduras de alta temperatura. Dado que el metal base para la mayoría de las soldaduras de cobre a cobre es el estaño, los primeros trabajadores del metal casi con certeza descubrieron que el estaño se podía usar para unir piezas de cobre o bronce juntas a temperaturas mucho más bajas que la fundición.
Hasta las restricciones de la Unión Europea sobre el plomo en las soldaduras en 2006, la mayoría de las soldaduras de electrónica eran eutécticas de estaño y plomo. Eutéctico es una palabra griega que se traduce como "fusión fácil". La Figura 2 muestra el diagrama de fase de estaño-plomo. Tenga en cuenta que el punto de fusión del estaño es de 232ºC y el del plomo de 327ºC, pero a la concentración eutéctica de 63% de estaño / 37% de plomo, la temperatura de fusión cae a 183ºC. Esta condición de concentración y temperatura se conoce como punto eutéctico.
Figura 2. Diagrama de fase de estaño-plomo. Tenga en cuenta el punto eutéctico a 183ºC.
Después de que la restricción de plomo de la UE entró en vigor, la mayoría de las soldadoras electrónicas se basan en una aleación de estaño, plata y cobre que se funde en el rango de 217-225ºC. La más común de estas aleaciones es SAC305 (Sn96.5Ag3.0Cu0.5, donde los números son porcentajes en peso).
Aunque el punto eutéctico es un fenómeno interesante y generalmente beneficioso debido a su punto de fusión más bajo, el verdadero milagro de la soldadura es que dos piezas de cobre que se funden a 1085ºC se pueden unir con una soldadura a base de estaño a menos de 232ºC. Es imposible sobrestimar el valor de este beneficio. La naturaleza nos ha permitido unir mecánicamente y eléctricamente dos piezas de cobre a una temperatura lo suficientemente baja para que podamos hacer esta unión en presencia de materiales poliméricos eléctricamente aislantes. Sin esta característica de soldadura, ¡no tendríamos la industria de la electrónica! Un beneficio adicional consiste en que la unión es reutilizable, por lo que si un componente falla, se puede reemplazar sin desechar toda la placa electrónica de circuito impreso.
Es natural preguntar cómo se produce esta unión. El estaño en la soldadura forma intermetálicos con el cobre. Normalmente, Cu6Sn5 se forma cerca del estaño y Cu3Sn se forma cerca del cobre. Consulte la Figura 3.
Figura 3. Intermetálicos de estaño de cobre de Roubaud et al, "Impacto del crecimiento de IM sobre la resistencia mecánica de ensambles libres de plomo", APEX 2001.
Así que la próxima vez que use su teléfono inteligente, computadora portátil, tableta u otro dispositivo electrónico, no olvide que sin el milagro de la soldadura esos dispositivos no existirían.
Saludos
Dr. Ron
Connect with Indium.
Read our latest posts!