Thiếc: lon hộp, hợp kim đồng thiếc và bệnh thiếc ở trời lạnh

Thiếc là kim loại trắng bạc, mềm, nóng chảy ở khoảng 232 °C, nổi tiếng với ba vai trò: lớp tráng mỏng trên thép làm lon đồ hộp (sắt tây), thành phần của đồng thiếc từ thời cổ đại, và chất hàn trong mọi bảng mạch điện tử. Thiếc còn có một tính chất lạ: dưới khoảng 13 °C, thiếc trắng có thể chậm rãi chuyển thành thiếc xám giòn, vỡ vụn thành bột, gọi là "bệnh thiếc".

Thiếc có những tính chất gì đặc biệt?

Thiếc mềm, dễ dát mỏng, không gỉ trong không khí và trong nhiều loại nước, ít độc ở dạng kim loại. Khối lượng riêng khoảng 7,3 g/cm³, gần bằng thép. Những con số đáng nhớ:

Một chuyện nhỏ mà thú vị: uốn một thanh thiếc nguyên chất gần tai sẽ nghe tiếng lách tách khẽ, gọi là "tiếng kêu của thiếc". Âm thanh đến từ các vùng tinh thể bị lật hướng đột ngột (song tinh hoá) khi kim loại biến dạng.

Sắt tây là gì, vì sao lon đồ hộp phải tráng thiếc?

Sắt tây là thép lá mỏng được phủ một lớp thiếc rất mỏng, ngày nay chủ yếu bằng mạ điện. Lớp thiếc trên mỗi mặt chỉ cỡ dưới một micromet đến khoảng một vài micromet, nhưng đủ để giữ thép sáng, không gỉ, dễ hàn mép và an toàn khi tiếp xúc thực phẩm. Chữ "tây" trong tên gọi gợi lại thời những chiếc lon, hộp kim loại sáng bóng theo hàng hoá phương Tây vào Việt Nam; nhiều thế hệ người Việt từng tận dụng vỏ lon để gò đèn dầu, ống đong gạo, phễu.

Bên trong nhiều lon đồ hộp còn có thêm một lớp sơn phủ thực phẩm (thường màu vàng nhạt hoặc trắng). Lý do: đồ hộp chua như trái cây, cà chua có thể hoà tan dần thiếc và làm đổi màu, đổi vị thực phẩm. Lớp sơn ngăn kim loại và thức ăn gặp nhau trực tiếp.

Thiếc và kẽm bảo vệ thép theo hai kiểu ngược nhau

Ngoài không khí, thiếc kém hoạt động hơn sắt. Lớp thiếc còn nguyên thì che chở tốt, nhưng khi bị trầy để lộ thép, cặp pin thiếc – sắt hình thành và sắt bị ăn mòn nhanh hơn cả khi không có thiếc. Đó là lý do một lon bị móp, xước ngoài trời chỉ ít ngày đã có vệt gỉ ở chỗ xước. Kẽm thì ngược lại: kẽm hoạt động hơn sắt nên hy sinh thay cho thép.

Điều thú vị là trong lon kín đựng trái cây, nơi thiếu ôxy và có axit hữu cơ nhẹ, chiều phản ứng lại có thể đảo: thiếc trở nên dễ tan hơn sắt và bảo vệ thép bên trong. Kim loại "hiền" hay "dữ" còn tuỳ môi trường cụ thể, không cố định như bảng dãy hoạt động trong sách.

Lời khuyên thực tế từ đó: lon phồng, lon gỉ thủng, lon móp sâu ở mép ghép không nên dùng; đồ hộp mở rồi nên đổ sang hộp thuỷ tinh hoặc nhựa thực phẩm để cất tủ lạnh, không để nguyên trong lon đã mở.

"Bệnh thiếc" là gì, có thật làm hỏng đồ vật không?

Thiếc kim loại quen thuộc là thiếc trắng (thiếc beta), mạng tinh thể tứ phương, dẻo, dẫn điện. Dưới khoảng 13 °C, dạng bền hơn về mặt nhiệt động lại là thiếc xám (thiếc alpha), có mạng tinh thể giống kim cương, giòn và gần như không còn tính kim loại. Khi chuyển dạng, thể tích tăng khoảng 27%, kim loại nứt thành bột xám.

Trên thực tế, sự chuyển dạng này diễn ra rất chậm. Nó cần trời lạnh sâu (nhanh nhất ở khoảng âm 30 đến âm 40 °C), cần thời gian dài, và thường cần một "mầm" thiếc xám để bắt đầu. Khi đã bắt đầu, vùng xám loang dần như vết bệnh, nên mới có tên "bệnh thiếc". Một lượng nhỏ antimon, bitmut hoặc chì pha vào thiếc làm chậm hẳn quá trình này.

Có hai câu chuyện hay được kể: cúc áo thiếc của quân Napoléon vỡ vụn trong mùa đông nước Nga năm 1812, và các thùng dầu hàn thiếc của đoàn thám hiểm Nam Cực năm 1912 bị rò. Cả hai đều chưa được chứng minh là do bệnh thiếc; giới sử học và vật liệu vẫn coi chúng là giai thoại hấp dẫn hơn là sự kiện đã kiểm chứng. Bệnh thiếc có thật trong phòng thí nghiệm và ở đồ thiếc nguyên chất cất nơi rất lạnh, như ống đàn ống cũ trong nhà thờ châu Âu không sưởi.

Ở Việt Nam, khí hậu nóng ẩm gần như không đủ lạnh cho bệnh thiếc. Nhưng với thiết bị điện tử dùng ở vùng cực, trên vệ tinh hoặc trong kho lạnh, các kỹ sư phải tính tới nó khi chọn chất hàn không chì có hàm lượng thiếc rất cao.

Đồng thiếc và hợp kim thiếc dùng vào đâu?

Đồng thiếc (còn gọi là đồng thanh) là hợp kim đầu tiên quan trọng của loài người. Pha khoảng 10–12% thiếc vào đồng cho ra vật liệu cứng hơn đồng nguyên chất nhiều, chảy thấp hơn và điền khuôn tốt hơn. Thời đại đồ đồng được bàn ở danh mục Lịch sử luyện kim. Ngày nay đồng thiếc phốt pho được dùng cho lò xo tiếp điểm, bạc lót trục, bánh răng vít chịu mài mòn.

Ngoài ra còn có:

• Thiếc pha (pewter hiện đại): thiếc là chính, thêm antimon và đồng, không chì, dùng làm cốc, khay, đồ trang trí.
• Hợp kim babit: thiếc hoặc chì làm nền, có các hạt cứng của antimon và đồng, dùng làm lớp lót bạc trượt của máy lớn; nền mềm ôm lấy trục, hạt cứng chịu tải.
• Kính nổi: tấm kính cửa sổ phẳng hiện đại được làm bằng cách cho thuỷ tinh lỏng nổi và trải phẳng trên một bể thiếc nóng chảy; thiếc không bay hơi, không trộn với thuỷ tinh và có mặt phẳng hoàn hảo.
• Ôxít thiếc pha inđi: lớp dẫn điện trong suốt trên màn hình cảm ứng.

Chất hàn thiếc thay đổi ra sao khi bỏ chì?

Suốt nhiều thập kỷ, chất hàn điện tử phổ biến nhất là thiếc – chì tỷ lệ khoảng 63/37, chảy gọn ở 183 °C. Từ năm 2006, Liên minh châu Âu áp dụng chỉ thị hạn chế chất nguy hại trong thiết bị điện tử, kéo theo phần lớn ngành điện tử thế giới chuyển sang chất hàn không chì, chủ yếu là thiếc pha một ít bạc và đồng.

Đổi chất hàn kéo theo nhiều chuyện kỹ thuật: nhiệt độ hàn cao hơn khoảng 30–40 °C, mối hàn kém bóng hơn, và hiện tượng "râu thiếc" (những sợi tinh thể thiếc mảnh như tóc mọc dần từ bề mặt mạ thiếc) có thể gây chập mạch trong thiết bị cần độ tin cậy cao. Kỹ thuật làm mối hàn đẹp được bàn trong danh mục Hàn, cắt & nhiệt luyện.

Thiếc đến từ đâu?

Quặng thiếc chính là caxiterit (SnO₂), một khoáng vật nặng, cứng, màu nâu đen. Vì nặng và bền, caxiterit thường tích tụ thành sa khoáng trong lòng suối, thung lũng, nơi dòng nước đã cuốn trôi đất đá nhẹ hơn. Quặng được tuyển bằng trọng lực rồi luyện với cacbon trong lò để thu thiếc thô, sau đó tinh luyện. Những vùng sản xuất thiếc lớn của thế giới hiện nay nằm ở Đông Nam Á, Trung Quốc và Nam Mỹ. Việt Nam có mỏ thiếc Tĩnh Túc ở Cao Bằng, được kể chi tiết trong danh mục Mỏ & luyện kim Việt Nam.

Góc nhìn hôm nay: thiếc an toàn đến đâu?

Thiếc kim loại và lớp tráng thiếc trên đồ hộp được xem là ít độc; lượng thiếc nhiễm vào thực phẩm đóng hộp được các cơ quan an toàn thực phẩm đặt giới hạn. Khác hẳn là các hợp chất thiếc hữu cơ, từng dùng trong sơn chống hà vỏ tàu, rất độc với sinh vật biển nên đã bị cấm theo công ước quốc tế từ năm 2008. Với người làm điện tử, mối nguy chính lúc hàn là khói nhựa thông và chì (nếu còn dùng hàn chì), nên luôn cần thông gió và rửa tay sau khi làm.