Mọi người ơi,
Thật đáng thương cho Ötzi, Người băng , khoảng năm 3500 trước Công nguyên. Người ta tin rằng ông đã tham gia vào quá trình nấu chảy đồng vì cả các hạt đồng và asen, một nguyên tố vi lượng trong một số quặng đồng, đều được tìm thấy trong tóc của ông. Ông không chỉ bị đầu độc từ từ bởi asen mà để nấu chảy đồng, ông phải đạt được nhiệt độ đốt gỗ khoảng 1085ºC (1985ºF), như đã thảo luận trong bài đăng trước của tôi . Asen trong đồng có một lợi ích, vì nó giúp đồng cứng hơn một chút so với khi đồng nguyên chất.
Ngay sau thời của Otzi, những người thợ kim loại đã phát hiện ra rằng thêm 10% thiếc vào đồng sẽ tạo ra đồng thau. Đồng thau không chỉ cứng hơn đồng rất nhiều mà còn nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn đồng nguyên chất gần 100ºC, giúp việc gia công kim loại dễ dàng hơn nhiều. Thời đại đồ đồng đã bắt đầu. Giai đoạn này trùng với thời điểm mà các học giả coi là sự khởi đầu của các nền văn minh hiện đại, chẳng hạn như ở Ai Cập và Hy Lạp.
Vì đồng nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn, nên đồng cũng lấp đầy khuôn tốt hơn. Việc lấp đầy khuôn được cải thiện này thể hiện rõ trong Hình 1. Bức ảnh này cho thấy một chiếc rìu đồng và đồng thau mà tôi đã làm. Chiếc rìu đồng bên trái cho thấy bằng chứng về việc lấp đầy khuôn kém.
Hình 1. Đồng, bên trái, và rìu đồng được làm cho khóa học ENGS 3 của Tiến sĩ Ron tại Cao đẳng Dartmouth : Vật liệu: Bản chất của nền văn minh. Lưu ý rằng rìu đồng cho thấy khả năng lấp đầy khuôn kém do nhiệt độ nóng chảy cao hơn của đồng.
Theo tôi, gần như chắc chắn rằng Thời đại đồ đồng có liên quan đến sự phát triển của hàn. Bằng chứng đầu tiên về hàn là vào khoảng năm 3000ºBC, có thể nói là nền văn minh đầu tiên, người Sumer đã lắp ráp kiếm của họ bằng chất hàn nhiệt độ cao. Vì kim loại cơ bản cho hầu hết quá trình hàn đồng với đồng là thiếc, nên những người thợ kim loại đầu tiên gần như chắc chắn đã biết rằng thiếc có thể được sử dụng để ghép các mảnh đồng hoặc đồng thau lại với nhau ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nấu chảy.
Cho đến khi Liên minh châu Âu hạn chế chì trong chất hàn vào năm 2006, hầu hết chất hàn điện tử đều là eutectic thiếc-chì. Eutectic là một từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “dễ nóng chảy”. Hình 2 cho thấy sơ đồ pha thiếc-chì. Lưu ý rằng điểm nóng chảy của thiếc là 232ºC và của chì là 327ºC, nhưng ở nồng độ eutectic là 63% thiếc/37% chì, nhiệt độ nóng chảy giảm xuống còn 183ºC. Nồng độ và nhiệt độ này được gọi là điểm eutectic.
Hình 2. Biểu đồ pha thiếc-chì . Lưu ý điểm eutectic ở 183ºC.
Sau khi lệnh hạn chế chì của EU có hiệu lực, hầu hết các chất hàn điện tử đều dựa trên hợp kim thiếc-bạc-đồng nóng chảy ở nhiệt độ 217-225ºC. Hợp kim phổ biến nhất trong số này là SAC305 (Sn 96,5 Ag 3,0 Cu 0,5 , trong đó các con số là phần trăm trọng lượng.)
Mặc dù điểm eutectic là một hiện tượng thú vị và thường có lợi do điểm nóng chảy thấp hơn, nhưng phép màu thực sự của hàn là hai miếng đồng nóng chảy ở 1085ºC có thể được liên kết với nhau bằng chất hàn gốc thiếc ở nhiệt độ dưới 232ºC. Giá trị của lợi ích này không thể được cường điệu hóa. Thiên nhiên đã cho phép chúng ta liên kết cơ học và điện hai miếng đồng với nhau ở nhiệt độ đủ thấp để chúng ta có thể thực hiện liên kết này khi có vật liệu polyme cách điện. Nếu không có đặc điểm này của chất hàn, chúng ta sẽ không có ngành công nghiệp điện tử! Một lợi ích bổ sung là liên kết có thể làm lại được, do đó nếu một thành phần bị hỏng, nó có thể được thay thế mà không cần phải loại bỏ toàn bộ bảng mạch in điện tử.
Thật tự nhiên khi hỏi về cách liên kết này diễn ra. Thiếc trong chất hàn tạo thành liên kim với đồng. Thông thường Cu 6 Sn 5 hình thành gần thiếc và Cu 3 Sn hình thành gần đồng . Xem Hình 3.
Hình 3. Kim loại liên hợp đồng thiếc từ Roubaud và cộng sự, "Tác động của sự phát triển IM đến sức mạnh cơ học của các cụm lắp ráp không chứa chì", APEX 2001.
Vì vậy, lần tới khi bạn sử dụng điện thoại thông minh, máy tính xách tay, máy tính bảng hoặc thiết bị điện tử khác, đừng quên rằng nếu không có phép màu hàn thì chúng sẽ không tồn tại.
Chúc mừng,
Tiến sĩ Ron
