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焊接的奇迹

乡亲们

公元前 3000 年铜器时代 的冶炼者真可怜。他必须把柴火烧到 1085°C 才能冶炼或熔化,有时甚至无法达到那么高的温度。即使成功冶炼,铜的流动性也不好,而且很软。

但就在那时,风云突变,的消息不胫而走。当锡与大约 90% 的铜混合时, 青铜的熔化温度会降到 850°C,这个超过 200°C 的温度降幅非常大。温度降低不仅使青铜更容易熔化,而且使青铜在模具中的流动性更好。此外,青铜的强度和硬度是铜的好几倍。从上图可以看出,在铜中加入10%的锡,青铜的屈服强度是铜的3倍。青铜时代开始了。你能想象早期金属铁匠从铜过渡到青铜时的喜悦吗?青铜不仅更坚硬、更结实,而且更容易加工,熔炉中需要的珍贵木材也更少。但不利的一面是,锡在当时和现在都比铜稀有,因此青铜的成本比单纯的铜要高。穷人的青铜是黄铜(铜和锌)。由于锌比铜便宜,因此黄铜的成本较低,但从图表(左)中可以看出,黄铜的材料性能通常比青铜弱。

由于青铜具有更高的强度和硬度,因此是一种重要的战争材料。如果你的战斗力与敌人相当,而敌人的青铜剑和盾牌与你的铜制武器相比,你必败无疑。因此,青铜冶炼和制造很可能是早期的军事秘密。

锡还有一个同样重要的优点,那就是当锡与铅制成合金后,一种熔点很低的材料就诞生了,它可以与青铜和其他金属粘合在一起。这就是焊接的发明。我们这些每天都在使用焊料的人往往没有意识到焊接的神奇之处。当我们将电子元件焊接到印刷线路板上时,我们基本上是在不到 250°C 的温度下将铜与铜(熔点为 1085°C)粘合在一起。我们是在热敏塑料的作用下进行这种冶金焊接的。因此,没有焊料,就没有今天的电子工业。

锡在焊接中承担了所有的 "工作"。锡与铜形成 金属间化合物 Cu6Sn5Cu3Sn。其他焊料合金元素(如铅、银和铜)在润湿、铺展和最终焊接强度方面起着重要作用,但只有锡与铜发生冶金作用。

因此,当你今天拿起手机、在电脑上打字或看电视时,请记住--如果没有 "焊接奇迹",你将无法做到这一点!

干杯

罗恩博士

图片来自 Askeland 的 材料科学与工程.