La lega Pb-Sn

Scritto il 20 giugno 2014 da Carlo Strino

La lega Pb-Sn

Per molto tempo le leghe Pb-Sn sono state le uniche utilizzate per la saldatura a stagno, chiamata anche “brasatura”.

Questo è dovuto a diverse motivazioni, tra cui il costo relativamente basso della lega, la disponibilità delle materie prime e le buone caratteristiche di queste leghe tra cyu come l’ottima bagnabilità e resistenza.

Sia il Pb che lo Sn sono conosciuti da migliaia di anni, lo stagno viene ricavato dalla cassiterite, o ossido di stagno, SnO2.

Lo stagno esiste in due forme allotropiche:

– A (una polvere grigia con proprietà di semiconduttore) alle basse temperature, e 

– B (bianca argentea, lucente, malleabile, duttile).

La trasformazione di stagno B in A ne provoca la disgregazione (detta peste dello stagno). La temperatura di questa trasformazione è stata stabilita a 13.2°C.

Nelle leghe per brasatura, questa trasformazione dello stagno è considerata un potenziale pericolo, in particolare perché essa risulta “contagiosa”.

In altri termini, nuclei di stagno a accelerano la trasformazione nello stagno ancora non trasformato. L’aggiunta di elementi in lega riduce il rischio di avere la trasformazione in stagno a.

Lo stagno puro (quindi SENZA PIOMBO) fonde a 232°C ed ha una tensione superficiale di 550mN/m alla temperatura di fusione.

Il piombo si ricava da minerali come la galena, PbS, che è il minerale più comune, ma può essere ricavato anche da minerali di carbonato di Pb, la cerussite, e solfato di Pb, l’anglesite.

Il Pb puro ha una temperatura di fusione di 327.5°C, ha un’alta densità ed è un metallo molto duttile. La presenza di Pb come elemento in lega allo stagno fornisce diversi vantaggi: riduce la tensione superficiale dello Sn puro facilitando la bagnabilità, impedisce la trasformazione dello stagno B in stagno A, facilita la diffusione degli altri metalli nello stato fuso permettendo una veloce formazione di legami intermetallici.

Il piombo forma un eutettico con lo stagno alla temperatura di 183°C (lega stagno piombo) e ad una composizione del 63% in peso di Sn e 37%di Pb.

Alcune fonti in letteratura riportano la composizione eutettica al 61.9% di Sn, ma le pubblicazioni che trattano di brasatura indicano come composizione eutettica 63Sn-37Pb.

Il diagramma di stato del sistema Pb-Sn è rappresentato in fig. 3.1.

diagramma di stato lega PbSn

Fig. 1: Diagramma di stato Pb-Sn


Le leghe utilizzate in elettronica sono la lega eutettica (63Sn-37Pb) e la lega quasi eutettica (60Sn-40Pb). E’ interessante esaminare la microstruttura di queste leghe in funzione della loro composizione.

Raffreddando un liquido con composizione eutettica si ottiene una microstruttura come quella illustrata in fig. 2, in cui particelle scure di fase ricca di piombo sono disperse in una matrice chiara ricca di stagno.

Raffreddando un liquido con composizione quasi eutettica 60Sn-40Pb si ha prima la nucleazione di cristalli di fase ricca di Pb che inizia ad una temperatura di circa 189°C, mentre il liquido attorno tende ad arricchirsi di stagno.

Raffreddando ulteriormente, quando si raggiunge la temperatura eutettica la fase ancora liquida solidifica con una microstruttura pari a quella della lega eutettica. Il risultato è una microstruttura eutettica in cui sono dispersi cristalli di fase ricca di Pb (fig.3).

Il comportamento è lo stesso per la lega 50Sn-50Pb, con la differenza che si forma una maggiore quantità di fase ricca di Pb pro-eutettica (fig.4).

lega 60Sn-40Pb

Fig. 2: Microstruttura della lega Pb-Sn eutettica (63Sn-37Pb)

 

Microstruttura della lega 60Sn-40Pb.

Fig. 3: Microstruttura della lega 60Sn-40Pb.

 

Microstruttura 50-50

Fig. 4: Microstruttura della lega 50Sn-50Pb

 

 

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