Pessoal,
Piedade Ötzi, O Homem de GeloO homem do gelo foi descoberto na Idade Média, por volta de 3500 AC. Acredita-se que estava envolvido na fundição de cobre, uma vez que foram encontradas no seu cabelo partículas de cobre e arsénico, um oligoelemento presente em alguns minérios de cobre. Não só estava a ser lentamente envenenado pelo arsénico, como também para fundir o cobre tinha de atingir uma temperatura de fogo a lenha de cerca de 1085ºC (1985ºF), como discutido no meu último post. O arsénico no cobre tinha um benefício, pois dava ao cobre um pouco mais de força do que se fosse puro.
Pouco depois da época de Otzi, os metalúrgicos descobriram que a adição de 10% de estanho ao cobre produzia bronze. O bronze não só é nitidamente mais duro do que o cobre, como funde a quase 100ºC menos do que o cobre puro, tornando o trabalho com o metal muito mais fácil. A Idade do Bronze tinha começado. Este período coincidiu com o que os estudiosos viriam a reconhecer como o início das civilizações modernas, como as do Egito e da Grécia.
Uma vez que funde a uma temperatura mais baixa, o bronze também preenche melhor os moldes. Este melhor preenchimento do molde é evidente na Figura 1. Esta fotografia mostra uma machadinha de cobre e bronze que eu tinha feito. O machado de cobre à esquerda mostra evidências de um mau preenchimento do molde.
Figura 1. Machadinhas de cobre, à esquerda, e de bronze que foram feitas para o projeto do Dr. Ron Dartmouth College do Dr. Ron ENGS 3: Materiais: A Substância da Civilização. Note-se que o machado de cobre apresenta um enchimento deficiente do molde devido à temperatura de fusão mais elevada do cobre.
Na minha opinião, é quase certo que a Idade do Bronze está relacionada com o desenvolvimento da soldadura. Os primeiros evidências de soldadura foi por volta de 3000ºBC onde, sem dúvida, a primeira civilização, os Sumérios montaram as suas espadas com soldas de alta temperatura. Uma vez que o metal de base para a maioria das soldaduras de cobre com cobre é o estanho, os primeiros trabalhadores do metal aprenderam quase de certeza que o estanho podia ser utilizado para unir peças de cobre ou bronze a temperaturas muito mais baixas do que a fundição.
Até às restrições impostas pela União Europeia ao chumbo nas soldas, em 2006, a maioria das soldas electrónicas eram de estanho-chumbo eutéctico. Eutéctico é uma palavra grega que se traduz aproximadamente em "fusão fácil". A Figura 2 mostra o diagrama de fases estanho-chumbo. Note-se que o ponto de fusão do estanho é 232ºC e o do chumbo é 327ºC, mas na concentração eutéctica de 63% de estanho/37% de chumbo, a temperatura de fusão desce para 183ºC. Esta concentração e temperatura é conhecida como o ponto eutéctico.
Figura 2. O diagrama de fase diagrama de fases estanho-chumbo. Note-se o ponto eutéctico a 183ºC.
Após a entrada em vigor da restrição ao chumbo na UE, a maioria das soldas electrónicas baseia-se numa liga de estanho-prata-cobre que funde entre 217-225ºC. A mais comum destas ligas é a SAC305 (Sn96.5Ag3.0Cu0.5, em que os números são percentagens de peso).
Embora o ponto eutéctico seja um fenómeno interessante e geralmente benéfico devido ao seu ponto de fusão mais baixo, o verdadeiro milagre da soldadura é que duas peças de cobre que fundem a 1085ºC podem ser unidas com uma solda à base de estanho a menos de 232ºC. O valor deste benefício não pode ser exagerado. A natureza permitiu-nos unir mecânica e eletricamente duas peças de cobre a uma temperatura suficientemente baixa para podermos fazer esta ligação na presença de materiais poliméricos eletricamente isolantes. Sem esta caraterística da solda, não teríamos a indústria eletrónica! Uma vantagem adicional é o facto de a ligação ser retrabalhável, pelo que, se um componente falhar, pode ser substituído sem ter de se desfazer de toda a placa de circuito impresso da eletrónica.
É natural que se pergunte como é que esta ligação ocorre. O estanho na solda forma intermetálicos com o cobre. Tipicamente Cu6Sn5 forma-se perto do estanho e Cu3Snforma-se perto do cobre. Ver Figura 3.
Figura 3.Intermetálicos de cobre e estanho de Roubaud et al, "Impact of IM Growth on the Mech. Strength of Pb-Free Assemblies", APEX 2001.
Por isso, da próxima vez que utilizar o seu smartphone, computador portátil, tablet ou outro dispositivo eletrónico, não se esqueça de que sem o milagre da soldadura ele não existiria.
Saúde,
Dr. Ron
