آلیاژ قلع و سرب چیست و چه کاربردی دارد؟
در دنیای فلزات و آلیاژها، ترکیب عناصر مختلف می‌تواند خواصی کاملاً متفاوت و کاربردهایی متنوع ایجاد کند. یکی از این آلیاژهای پرکاربرد، ترکیب سرب و قلع است که در صنایع مختلف از لوله‌سازی و لحیم‌کاری گرفته تا ساخت قطعات صنعتی نقش مهمی ایفا می‌کند. شناخت دقیق این آلیاژ و ویژگی‌های هر کدام از عناصر تشکیل‌دهنده آن، به درک بهتر عملکرد و انتخاب صحیح آن در فرآیندهای صنعتی کمک زیادی می‌کند.
ما امروز در این مطلب از نشریه شیمی داکس قصد داریم به بررسی آلیاژ قلع-سرب بپردازیم و به تمام سوالات شما در مورد این آلیاژ پاسخ دهیم. امیدواریم تا پایان این مطلب مثل همیشه همراه ما باشید. در ابتدا اجازه بدهید هر کدام از این عناصر بصورت جداگانه تعریف کنیم.
سرب چیست؟
سرب (Lead) یک عنصر فلزی سنگین با نماد شیمیایی Pb و عدد اتمی 82 است. این فلز خاکستری‌رنگ و نرم، دارای قابلیت شکل‌پذیری بالا و نقطه ذوب پایین است. سرب از گذشته‌های دور به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خاصش در ساخت لوله‌ها، باتری‌ها و پوشش‌ها استفاده می‌شده است. البته به دلیل سمی بودن آن، استفاده از سرب در برخی موارد محدود یا ممنوع شده است.
| ویژگی | مقدار |
|---|---|
| عدد اتمی | 82 |
| جرم اتمی | 207.2 u |
| نقطه ذوب | 327.5°C |
| چگالی | 11.34 g/cm³ |
| رنگ | خاکستری مایل به آبی |
| ساختار کریستالی | Face-centered cubic |
کاربردهای سرب
- ساخت باتری‌های اسیدی خودرو: سرب به عنوان عنصر اصلی در صفحات باتری‌های سرب-اسید استفاده می‌شود.
- محافظت در برابر پرتوها: به دلیل چگالی بالا، سرب در تجهیزات پزشکی برای حفاظت در برابر اشعه ایکس کاربرد دارد.
- افزودنی در آلیاژها: سرب برای بهبود روان‌کاری و کاهش نقطه ذوب در آلیاژهای صنعتی استفاده می‌شود.
جالبه بدانید که قبل از کشف مضرات آن، برای ساخت لوله‌های آب از سرب استفاده می‌شد.
ما در شیمی داکس قبلا طی یک مقاله ای با عنوان: سرب چیست و در چه وسایلی کاربرد دارد؟ به بررسی جامع و کامل این فلز شیمیایی پرداخته ایم، در صورتی که به کسب اطلاعات بیشتر علاقه مند بودید، توصیه می‌کنیم حتماً نگاهی به این مطلب که بهروز زرقانی نوشته هم بیاندازید.
قلع چیست؟
قلع (Tin) فلزی براق، نقره‌ای و نسبتاً نرم با نماد شیمیایی Sn و عدد اتمی 50 است. این فلز مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد و به همین دلیل از آن برای پوشش‌دهی سایر فلزات استفاده می‌شود. قلع به آسانی با فلزاتی مانند سرب ترکیب شده و آلیاژهایی با نقطه ذوب پایین و کاربردهای گسترده ایجاد می‌کند.
| ویژگی | مقدار |
|---|---|
| عدد اتمی | 50 |
| جرم اتمی | 118.71 u |
| نقطه ذوب | 231.9°C |
| چگالی | 7.31 g/cm³ |
| رنگ | نقره‌ای براق |
| ساختار کریستالی | Tetragonal (در دمای پایین) |
کاربردهای فلز قلع
- لحیم‌کاری الکترونیکی: قلع در آلیاژهای لحیم‌کاری با سرب ترکیب می‌شود و اتصالات الکتریکی را ایجاد می‌کند.
- پوشش‌دهی فلزات: ورق‌های فولادی با پوشش قلع برای ساخت قوطی‌های مواد غذایی استفاده می‌شوند.
- تولید آلیاژهای مقاوم: قلع در ترکیب با مس برای ساخت برنز و با سرب برای ساخت لحیم کاربرد دارد.
- ساخت شیشه‌های شناور: در فرایند تولید شیشه شناور، شیشه مذاب روی قلع مذاب ریخته می‌شود تا سطحی صاف ایجاد شود.
آلیاژ قلع و سرب چیست؟
آلیاژ قلع و سرب یکی از پرکاربردترین ترکیبات فلزی است که معمولاً با درصدهای مختلفی از قلع و سرب ساخته می‌شود. این آلیاژ نقطه ذوب پایین‌تری نسبت به فلزات خالص دارد و همان طور که گفتیم، این ویژگی باعث شده تا در فرآیندهایی مانند لحیم‌کاری، اتصال قطعات و قالب‌ریزی کاربرد زیادی داشته باشند.
قلع به آلیاژ خاصیت ضد خوردگی و نرمی می‌دهد و سرب باعث روان‌تر شدن و پایداری حرارتی آن می‌شود. این ترکیب با توجه به درصد قلع و سرب، می‌تواند خواص فیزیکی مختلفی داشته باشد و در صنایع مختلف بر اساس نیاز، نسبت ترکیب آن تنظیم می‌شود.
نسبت ترکیب آلیاژ قلع – سرب
نسبت ترکیب قلع و سرب در این آلیاژ بسته به کاربرد مورد نظر متفاوت است مثلا هرچه درصد قلع بیشتر باشد، آلیاژ نرم‌تر، مقاوم‌تر در برابر خوردگی و با نقطه ذوب پایین‌تر خواهد بود و هرچه درصد سرب بالاتر برود، روان‌کاری بهتر و پایداری حرارتی بیشتر به‌دست می‌آید. انتخاب نسبت مناسب به نیاز فنی و شرایط استفاده شما بستگی دارد. ما در ادامه سه مورد از زایج ترین نسبت ترکیبات این آلیاژ را به شما عزیزان معرفی می کنیم.
- نسبت 63٪ قلع و 37٪ سرب: این ترکیب نقطه ذوب یوتکتیک (حدود 183 درجه سانتی‌گراد) دارد و یکی از رایج‌ترین آلیاژها در لحیم‌کاری الکترونیکی است.
- نسبت 60٪ قلع و 40٪ سرب: ترکیبی نزدیک به حالت یوتکتیک که کمی نقطه ذوب بالاتری دارد و همچنان برای لحیم‌کاری کاربرد زیادی دارد.
- نسبت 50/50: تعادلی بین خواص قلع و سرب ایجاد می‌کند و برای کاربردهای عمومی‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ویژگی‌های آلیاژ قلع و سرب
بارها در این مطلب اشاره کردیم که، آلیاژ قلع و سرب به دلیل ترکیب خواص دو فلز، دارای ویژگی‌های منحصر‌به‌فردی است. این آلیاژ معمولاً نقطه ذوب پایینی دارد که آن را برای لحیم‌کاری و اتصال قطعات بسیار مناسب می‌کند. همچنین از نظر فیزیکی نرم، شکل‌پذیر و دارای روان‌کاری طبیعی است. مقاومت خوب در برابر اکسیداسیون و خوردگی (به‌ویژه در ترکیب‌های با قلع بالا)، قابلیت پر کردن دقیق فواصل کوچک و همچنین پایداری حرارتی در دماهای مشخص، از دیگر ویژگی‌های مهم این آلیاژ محسوب می‌شوند. علاوه بر این، آلیاژ قلع-سرب به راحتی ذوب و دوباره استفاده می‌شود که آن را برای فرآیندهای صنعتی مقرون‌به‌صرفه می‌سازد.
کاربردهای آلیاژ سرب و قلع
تا اینجای این مطلب تا حدودی با برخی از کاربردهای این ماده شیمیایی آشنا شدید ؛ در ادامه بصورت مفصل با مهمترین کاربردهای این آلیاژ فلزی آشنا خواهید شد.
۱. لحیم‌کاری الکترونیکی
یکی از رایج‌ترین و مهمترین کاربردهای آلیاژ قلع-سرب در لحیم‌کاری قطعات الکترونیکی است. این آلیاژ به دلیل نقطه ذوب پایین، روانی بالا و قابلیت اتصال محکم، برای برقراری ارتباط بین قطعات و بردهای الکترونیکی ایده‌آل است. ترکیب 63/37 (قلع/سرب) به عنوان ترکیب یوتکتیک شناخته می‌شود و به خاطر انجماد سریع و بدون تغییر حالت، کیفیت لحیم را بسیار بالا میبرد.
۲. ساخت آلیاژهای ضد اصطکاک
در ساخت یاتاقان‌ها و قطعاتی که در معرض اصطکاک مداوم هستند، از آلیاژ قلع و سرب به عنوان بخشی از آلیاژهای ضد اصطکاک استفاده می‌شود. این آلیاژها باعث کاهش سایش و افزایش طول عمر قطعات مکانیکی می‌شوند، به‌ویژه در موتورهای قدیمی یا ماشین‌آلات صنعتی سنگین.
۳. قالب‌ریزی دقیق
در صنایع مجسمه‌سازی، جواهرسازی و ساخت قطعات صنعتی کوچک، از آلیاژ قلع-سرب برای قالب‌ریزی دقیق استفاده می‌شود. این آلیاژ به‌خاطر روانی بالا و قابلیت پر کردن جزئیات ریز قالب‌ها، انتخاب بسیار مناسبی برای تولید قطعات پیچیده و ظریف است.
۴. پوشش‌دهی فلزات و اتصالات لوله‌ها
در گذشته از این آلیاژ برای اتصال لوله‌های فلزی و همچنین به‌عنوان یک لایه پوششی در برابر خوردگی استفاده می‌شد. هرچند امروزه به دلیل مسائل زیست‌محیطی و سمی بودن سرب، این کاربردها محدودتر شده‌اند، اما هنوز در برخی صنایع خاص یا تجهیزات قدیمی دیده می‌شوند.
مضرات آلیاژ قلع و سرب
اگرچه آلیاژ سرب-قلع کاربردهای زیادی در صنعت دارد، اما وجود سرب در ترکیب آن، نگرانی‌های زیست‌محیطی و بهداشتی به‌دنبال دارد. سرب عنصری سمی است که می‌تواند از طریق تماس پوستی، بخار ناشی از ذوب یا ورود به آب و خاک، سلامت انسان و محیط زیست را به خطر بیندازد. قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض بخار یا گرد و غبار سرب ممکن است باعث مسمومیت، آسیب به سیستم عصبی، کلیه‌ها و حتی ایجاد مشکلات رشد در کودکان شود.
به همین دلیل، بسیاری از کشورها به‌ویژه در حوزه صنایع الکترونیک، قوانینی مانند RoHS را وضع کرده‌اند که استفاده از سرب را محدود یا ممنوع می‌کند. همچنین بازیافت و دفع نامناسب این آلیاژها می‌تواند منجر به آلودگی گسترده خاک و آب‌های زیرزمینی شود، موضوعی که به‌ویژه در کشورهای با مدیریت ضعیف پسماند صنعتی، یک چالش جدی است.
جایگزین‌های بدون سرب
با گسترش قوانین زیست‌محیطی و نیاز به تولید محصولات ایمن‌تر، آلیاژهای بدون سرب به‌عنوان جایگزین‌های مناسبی برای آلیاژ قلع-سرب معرفی شده‌اند. ترکیباتی مانند قلع-نقره-مس (SAC) از رایج‌ترین جایگزین‌ها هستند که در لحیم‌کاری بردهای الکترونیکی استفاده می‌شوند. این آلیاژها نه‌تنها بدون سرب هستند، بلکه خواصی مشابه یا حتی بهتر از آلیاژ سنتی قلع-سرب ارائه می‌دهند، از جمله استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد مناسب در دماهای کاری.
همچنین در برخی کاربردها از آلیاژهای قلع-نیکل، قلع-روی یا قلع-بیسموت استفاده می‌شود. هر کدام از این ترکیبات بر اساس نوع کاربرد و شرایط محیطی، می‌توانند جایگزین مناسبی برای حفظ ایمنی کاربران و کاهش آسیب‌های محیط زیستی باشند. در ادامه این جدول آماده کردم که به درک بهتر شما کمک می‌کند.
| ویژگی | آلیاژ قلع-سرب | آلیاژهای بدون سرب |
|---|---|---|
| ترکیبات رایج | 63% قلع، 37% سرب | SAC (قلع-نقره-مس)، قلع-نیکل، قلع-بیسموت |
| نقطه ذوب | حدود 183 درجه سانتی‌گراد | بین 217 تا 227 درجه سانتی‌گراد (بسته به ترکیب) |
| میزان سمیت | بالا (به‌دلیل وجود سرب) | کم یا بدون سمیت |
| سازگاری با محیط زیست | پایین | بالا |
| هزینه | کمتر | بیشتر (به‌خصوص آلیاژهای نقره‌دار) |
| قابلیت بازیافت | دارد اما همراه با خطرات زیست‌محیطی | دارد و ایمن‌تر است |
| کاربرد در صنایع | لحیم‌کاری سنتی، اتصالات لوله‌ها، قطعات قدیمی | لحیم‌کاری مدرن، تجهیزات حساس، شیمی سبز |
روش جداسازی فلز قلع و سرب
همان طور که گفتیم قلع و سرب فلزاتی با خواص مشابه‌اند و کاربردهای زیادی در صنعت دارند. با این حال، گاهی جداسازی آن‌ها برای بهینه‌سازی مصرف و افزایش کیفیت محصول ضروری است. این کار هم از هدررفت منابع جلوگیری می‌کند و هم به ارتقای عملکرد نهایی کمک می‌کند. ما سه روش اصلی و رایج یرای جداسازی سرب از قلع داریم.
- فرآیند حرارتی (روش ذوب)
- استفاده از مواد شیمیایی
- روش الکترولیز
در ادامه فرایند حرارتی یا روش ذوب که پرکاربردترین روش جداسازی فلز قلع و سرب می‌باشد را برای شما عزیزان شرح خواهیم داد.
فرایند حرارتی یا روش ذوب
در این روش، از تفاوت نقطه ذوب دو فلز استفاده می‌شود. سرب در حدود 327 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود، در حالی که قلع نقطه ذوبی پایین‌تر، حدود 232 درجه سانتی‌گراد دارد.
در این فرآیند، ابتدا مخلوط آلیاژی را به‌صورت کنترل‌شده حرارت می‌دهند تا به دمایی برسد که قلع ذوب شود اما سرب هنوز به حالت جامد باقی بماند. قلع مذاب را می‌توان به‌آرامی جدا کرد و از طریق فیلتر یا ریختن در ظرفی دیگر، آن را تفکیک نمود. در نهایت، سرب باقی‌مانده نیز می‌تواند در مرحله بعدی ذوب یا استفاده شود.
این روش ساده، کم‌هزینه و مناسب برای جداسازی‌های اولیه در مقیاس‌های آزمایشگاهی یا صنعتی سبک است.
تفاوت فلز قلع و سرب
قلع و سرب از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی تفاوت‌های بارزی دارند. از نظر فیزیکی، قلع نقطه ذوب کمتری نسبت به سرب دارد، به‌طوریکه در دمای پایین‌تری ذوب می‌شود. علاوه بر این، چگالی قلع کمتر از سرب است که باعث می‌شود قلع سبک‌تر باشد. از منظر شیمیایی، قلع واکنش‌پذیری کمتری نسبت به سرب دارد.
جمع بندی
امروز با هم در این مطلب از نشریه شیمی داکس یاد گرفتیم که آلیاژ قلع و سرب کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف، به‌ویژه در لحیم‌کاری و تولید قطعات الکترونیکی دارد. این دو فلز، با خواص مشابه خود، در فرآیندهای صنعتی به‌طور گسترده استفاده می‌شوند، اما جداسازی آن‌ها می‌تواند به بهبود کیفیت محصولات و کاهش هدررفت منابع کمک کند. بعد از آن فهمیدیم که با بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی قلع و سرب، تفاوت‌های آن‌ها و روش‌های جداسازی آن‌ها آشنا شدیم.
در نهایت، با استفاده از روش‌های مختلف مانند فرآیند حرارتی (ذوب)، می‌توان قلع و سرب را از یکدیگر جدا کرد و از این طریق به بهره‌برداری بهینه از این فلزات دست یافت. با درک این نکات، می‌توانیم به‌طور مؤثری از این دو فلز در صنایع مختلف بهره‌برداری کنیم و همزمان از آثار زیست‌محیطی و اقتصادی استفاده بهینه از منابع طبیعی جلوگیری کنیم.
