Amigos,
Piedad Ötzi, El Hombre de HieloEl hombre de hielo, circa 3500 a.C. Se cree que se dedicaba a la fundición de cobre, ya que en su pelo se encontraron partículas de cobre y arsénico, un oligoelemento presente en algunos minerales de cobre. No sólo se envenenaba lentamente con el arsénico, sino que para fundir el cobre tenía que alcanzar una temperatura del fuego de leña de unos 1085ºC (1985ºF), como comenté en mi último post. El arsénico en el cobre tenía un beneficio, ya que le daba al cobre un poco más de fuerza que si fuera puro.
Poco después de la época de Otzi, los metalúrgicos descubrieron que añadiendo un 10% de estaño al cobre se obtenía bronce. El bronce no sólo es notablemente más duro que el cobre, sino que funde a casi 100ºC menos que el cobre puro, lo que facilita enormemente el trabajo del metal. La Edad del Bronce había comenzado. Este periodo coincidió con lo que los estudiosos reconocerían como el inicio de las civilizaciones modernas, como las de Egipto y Grecia.
Como funde a una temperatura más baja, el bronce también llena mejor los moldes. Este mejor llenado de los moldes es evidente en la figura 1. Esta foto muestra un hacha de cobre y bronce que yo había hecho. El hacha de cobre de la izquierda muestra un mal llenado del molde.
Figura 1. Hachas de cobre, a la izquierda, y de bronce que se fabricaron para el Dr. Ron Dartmouth College curso ENGS 3: Materiales: La sustancia de la civilización. Obsérvese que el hacha de cobre presenta un mal llenado del molde debido a la mayor temperatura de fusión del cobre.
En mi opinión, es casi seguro que la Edad de Bronce está relacionada con el desarrollo de la soldadura. Las primeras evidencia de soldadura fue alrededor de 3000º AC donde, podría decirse que la primera civilización, los Sumerios ensamblaba sus espadas con soldaduras de alta temperatura. Dado que el metal base de la mayoría de las soldaduras de cobre con cobre es el estaño, es casi seguro que los primeros trabajadores del metal aprendieron que el estaño podía utilizarse para unir piezas de cobre o bronce a temperaturas mucho más bajas que la fundición.
Hasta las restricciones impuestas por la Unión Europea al plomo en las soldaduras en 2006, la mayoría de las soldaduras electrónicas eran eutécticas estaño-plomo. eutécticas. Eutéctico es una palabra griega que se traduce aproximadamente como "fácil de fundir". La figura 2 muestra el diagrama de fases estaño-plomo. Obsérvese que el punto de fusión del estaño es de 232ºC y el del plomo de 327ºC, pero en la concentración eutéctica de 63% de estaño/37% de plomo, la temperatura de fusión desciende a 183ºC. Esta concentración y temperatura se conoce como punto eutéctico.
Figura 2. El diagrama de fase diagrama de fases estaño-plomo. Obsérvese el punto eutéctico a 183ºC.
Tras la entrada en vigor de la restricción del plomo en la UE, la mayoría de las soldaduras electrónicas se basan en una aleación de estaño-plata-cobre que funde entre 217 y 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 normalmente beneficioso debido a su menor punto de fusión, el verdadero milagro de la soldadura es que dos piezas de cobre que se funden a 1085ºC pueden unirse con una soldadura a base de estaño a menos de 232ºC. No se puede exagerar el valor de esta ventaja. La naturaleza nos ha permitido unir mecánica y eléctricamente dos piezas de cobre a una temperatura lo suficientemente baja como para poder hacerlo en presencia de materiales poliméricos eléctricamente aislantes. Sin esta característica de la soldadura, no existiría la industria electrónica. Una ventaja añadida es que la unión es reutilizable, de modo que si falla un componente, puede sustituirse sin tener que desechar todo el circuito impreso electrónico.
Es natural preguntarse cómo se produce esta unión. El estaño de la soldadura forma intermetálicos con el cobre. Normalmente Cu6Sn5 cerca del estaño y Cu3Sncerca del cobre.. Véase la figura 3.
Figura 3.Intermetálicos de cobre y estaño de Roubaud et al, "Impact of IM Growth on the Mech. Strength of Pb-Free Assemblies", APEX 2001.
Así que la próxima vez que utilices tu smartphone, portátil, tableta u otro dispositivo electrónico, no olvides que sin el milagro de la soldadura no existiría.
Salud,
Dr. Ron
