قلع: خواص، کاربردها و نقش آن در لحیم‌کاری و صنایع نوین

قلع یکی از قدیمی‌ترین فلزات شناخته‌شده توسط بشر به‌شمار می‌رود. آلیاژ برنز، که از مهم‌ترین آلیاژها در ریخته‌گری و متالورژی محسوب می‌شود، بر پایه عناصر مس و قلع ساخته می‌شود. کشف و استفاده از قلع به هزاران سال پیش بازمی‌گردد. در دوران باستان، تجارت این فلز میان معادن کورنوال (Cornwall) و تمدن‌های حوزه مدیترانه رونق چشم‌گیری داشته است؛ با این حال، شکل خالص قلع تا تقریباً ۶۰۰ سال پیش از میلاد به‌طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته بود.

از لحاظ مقاومت در برابر خوردگی، قلع در دسته فلزات با مقاومت متوسط قرار دارد. اکسیدهای قلع معمولاً به صورت دانه‌های سفید و ریز تشکیل می‌شوند که به آن‌ها «نمک قلع» نیز گفته می‌شود. این فلز نسبت به آب مقاوم بوده و اسیدها و بازهای ضعیف، تأثیر چندانی بر آن ندارند. قلع را می‌توان جلا داد و به عنوان پوششی جهت محافظت سایر فلزات در برابر خوردگی به کار برد.

خواص فیزیکی و شیمیایی قلع

قلع دارای عدد اتمی ۵۰ و نماد شیمیایی Sn است. چگالی قلع خالص حدود ۷/۳۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب است و تا حدودی کمتر از سایر فلزات صنعتی مهم است. قلع برخلاف بسیاری از فلزات، نرم، چکش‌خوار و با انعطاف‌پذیری بالا است اما استحکام آن پایین است. رنگ این فلز بین سفید و نقره‌ای است. این عنصر در میان فلزات گروه ۱۴، دارای نقطه ذوب پایینی است؛ به‌طوری‌که در دمای ۲۳۲ درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود. از دیگر ویژگی‌های برجسته قلع می‌توان به قابلیت آلیاژسازی فراوان، هدایت الکتریکی و حرارتی مناسب و شکل‌پذیری بالا اشاره کرد. قلع در شرایط معمول، فاقد مغناطیس بوده و در برابر برخی عوامل شیمیایی پایدار است.

در شرایط عادی، قلع دارای دو ساختار آلوتروپ است:

• قلع بتا (β): که با نام «قلع سفید» نیز شناخته می‌شود، شکل پایدار قلع در دمای محیط است و عمدتاً در کاربردهای معمول و صنعتی استفاده می‌شود.
• قلع آلفا (α): که به «قلع خاکستری» معروف است، پایداری کمتری دارد و کاربرد آن در مقایسه با قلع β بسیار محدودتر است.

از جمله آلیاژهای مهم قلع می‌توان به برنز، بابیت، پیوتر، مفرغ، آلیاژهای ریخته‌گری تحت فشار، برنز فسفردار، فلز سفید و لحیم نرم اشاره کرد. برنز مهم‌ترین آلیاژ حاوی قلع به‌شمار می‌رود که عمدتاً از ترکیب مس و قلع تشکیل شده است. افزودن قلع به مس موجب کاهش نقطه ذوب و همچنین بهبود ویژگی‌های صوتی و انعکاس صدا هنگام ضربه می‌شود.

آلیاژهای برنز که میزان قلع آنها کمتر از ۵ درصد است، به عنوان «گریدهای ناقوسی» شناخته می‌شوند. در حالی که افزایش مقدار قلع به بیش از ۵ درصد، موجب کاهش قابل توجه مقاومت به ضربه در این آلیاژها می‌گردد. گریدهایی از برنز که در ساخت مجسمه‌ها به‌کار می‌روند معمولاً حاوی ۹ تا ۱۰ درصد قلع هستند. برنز در صنعت کاربرد محدودی دارد و برای بهبود خواص، معمولاً عناصر آلیاژی دیگری همچون سرب (به میزان ۶ درصد در شیرآلات صنعتی) به آن افزوده می‌شود.

علاوه بر آلیاژ برنز، قلع در ساخت آلیاژهای مختلفی با کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، آلیاژ بابیت به‌عنوان یاتاقان ضدسایش، مسوار در ساخت ظروف تزئینی، لحیم نرم در الکترونیک و فلز سفید در پوشش‌دهی سایر فلزات کاربرد دارند. خواص این آلیاژها بسته به درصد قلع و سایر عناصر آلیاژی متفاوت است.

فرآیند استخراج قلع از سنگ معدن به‌طور معمول طی دو مرحله صورت می‌گیرد:

در مرحله نخست، کنسانتره‌ای شامل کانی‌های فلزی از سنگ معدن تهیه و مواد زائد حذف می‌شود که این بخش از فرایند را «تغلیظ» می‌نامند. در ادامه، کنسانتره عمدتاً حاوی ترکیبات اکسیدی در کوره عملیات احیا می‌گردد تا مذاب قلع به‌همراه ناخالصی‌ها به‌دست آید. در نهایت، قلع خام به کمک روش الکترولیز تا درجه خلوص ۹۹٫۶۹ درصد تصفیه می‌شود.

از جمله مهم‌ترین کاربردهای قلع در صنایع می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: صنایع الکترونیک، تولید فولاد، ساخت برنز، صنایع شیمیایی، صنایع شیشه‌سازی و صنعت خودرو. با این حال، بیشترین مصرف قلع مربوط به تولید آلیاژهای لحیم بوده و بخش قابل توجهی از قلع خالص جهت تهیه آلیاژهای قلع-سرب یا آلیاژهای بدون سرب در صنعت لحیم‌کاری قطعات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جایگاه قلع در صنعت لحیم‌کاری و فناوری الکترونیک

قلع نقش کلیدی در تولید لحیم‌های نرم (Solde ring) و آلیاژهای بدون سرب (Lead-free Solder alloys) دارد. افزایش استفاده از قلع در فناوری‌های پیشرفته و رعایت استانداردهای زیست‌محیطی نظیر RoHS، منجر به توسعه بازار جهانی قلع در صنایع الکترونیک شده است.

کاربردها و محدودیت‌های قلع در صنایع پیشرفته

علاوه بر کاربردهای کلاسیک، قلع و آلیاژهای آن در صنایع پیشرفته مانند ساخت باتری‌های لیتیوم-یون، سلول‌های خورشیدی، آلیاژهای ویژه مغناطیسی و پوشش‌های ضدخوردگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، قیمت نسبتاً بالا و منابع محدود از جمله چالش‌های عمده پیش‌روی توسعه مصرف قلع است.

مشکلات احتمالی و پدیده‌های ویژه (مانند آفت قلع)

یکی از پدیده‌های شناخته‌شده مرتبط با قلع، «آفت قلع» یا Tin Pest است که طی آن قلع سفید در دماهای پایین (کمتر از ۱۳.۲ درجه سانتی‌گراد) به قلع خاکستری تبدیل می‌شود و ساختار بلوری آن دچار تغییر می‌گردد. این پدیده می‌تواند موجب تخریب تجهیزات خاص شود، هرچند در شرایط عادی بروز آن نادر است.

بازیافت و پایداری زیست‌محیطی

قلع قابلیت بازیافت بالایی دارد و در بسیاری از صنایع، از ضایعات و قراضه‌های قلع مجدداً استفاده می‌شود. این ویژگی، اهمیت قلع را به عنوان فلزی پایدار و دوستدار محیط زیست در سال‌های اخیر افزایش داده است.

منابع و معادن عمده قلع در جهان و ایران

مهم‌ترین معادن قلع جهان در کشورهای چین، اندونزی، پرو، برزیل و بولیوی واقع شده‌اند و نزدیک به ۸۰ درصد تولید جهانی قلع متعلق به آسیا است. در ایران نیز ذخایر معدنی کوچکی در برخی مناطق مانند استان یزد و خراسان یافت می‌شود، اما تولید صنعتی قلع در کشور محدود است و عمدتاً واردات انجام می‌شود.

جمع‌بندی

قلع یکی از عناصر کلیدی در تاریخ متالورژی و صنایع مدرن به شمار می‌رود. این فلز با داشتن ویژگی‌هایی همچون مقاومت مناسب در برابر خوردگی، قابلیت آلیاژسازی بالا و نقطه ذوب پایین، نقش بسزایی در تولید آلیاژهایی مانند برنز و لحیم‌های الکترونیکی ایفا می‌کند. فرآیند استخراج و خالص‌سازی قلع نسبتاً پیچیده است و عمده مصرف آن در صنایع لحیم‌کاری و الکترونیک می‌باشد.

علاوه بر کاربردهای سنتی، قلع امروزه در صنایع پیشرفته، پوشش‌دهی فلزات و تولید قطعات حساس الکترونیکی جایگاه ویژه‌ای دارد. دغدغه‌های زیست‌محیطی و الزامات استانداردهای جهانی نیز موجب گسترش تحقیق و توسعه در زمینه آلیاژهای نوین قلع شده است.

در مجموع، شناخت دقیق خواص، آلیاژها و کاربردهای قلع می‌تواند به بهره‌وری بالاتر و انتخاب مناسب‌تر این فلز در فرآیندهای صنعتی کمک شایانی نماید.