Luty na osnowie cyny

Najbardziej rozpowszechnionymi lutami miękkimi są stopy na osnowie cyny. Czysta cyna nie znajduje obecnie zastosowania jako lut, przede wszystkim ze względu na wysoką jej cenę i niskie własności wytrzymałościowe. Dodatkowym czynnikiem utrudniającym zastosowanie cyny jako lutu jest występująca w temperaturze 13,2°C przemiana alotropowa cyny, połączona ze znacznym wzrostem objętości i pojawieniem się dużych naprężeń wewnętrznych, które powodują rozkład cyny białej w szary proszek. Zjawisko to, zwane zarazą cynową, występuje tylko w czystej cynie albo w cynie zanieczyszczonej aluminium lub cynkiem. W lutach zawierających powyżej 5% ołowiu, 0,5% antymonu lub 0,1% bizmutu zaraza cynowa nie występuje.
Poważne zastosowanie znalazła jednak cyna jako główny składnik lutów miękkich oraz do cynowania. W Polsce poszczególne gatunki cyny są ujęte w PN-74/H-82204.
Wśród lutów na osnowie cyny najliczniejszą grupę stanowią stopy cynowo-ołowiowe.

Tablica. Skład chemiczny i zastosowanie cyny (wg PN-74/H-82204)

Znak gatunku	Zawartość Sn	Dopuszczalna zawartość zanieczyszczeń, %°						Przykłady zastosowania
Znak gatunku	min %	Sb	As	Bi	Cu	Fe	Pb	Przykłady zastosowania
Sn 99,9	99,90	0,02	0,02	0,01	0,01	0,01	0,04	cynowanie blach oraz sprzętu kuchennego i mleczarskiego
Sn 99,85	99,85	0,02	0,04	0,01	0,02	0,01	0,05	cynowanie blach oraz sprzętu kuchennego i kotłów do gotowania artykułów spożywczych; wytwarzanie stopów niskotopliwych oraz stopów łożyskowych wysokocynowych
Sn 99,75	99,75	0,08	0,05	0,08	0,05	0,01	0,08	cynowanie blach; wytwarzanie stopów drukarskich i niskotopliwych, stopów łożyskowych wysokocynowych, brązów cynowych bezołowiowych oraz mosiądzów cynowych
Sn 99	99,00	0,2	0,1	0,2	0,1	0,01	0,5	wytwarzanie stopów drukarskich, stopów łożyskowych niskocynowych oraz brązów odlewniczych cynowo–cynkowo-ołowiowych
Zawartość zanieczyszczeń orientacyjna, W cynie do cynowania sprzętu kuchennego i mleczarskiego zawartość arsenu nie może przekraczać 0,015%.

Układ równowagi cyna-ołów

Jak widać, przy zawartości 38,1% Pb w układzie cyna-ołów tworzy się eutektyka o stałej temperaturze topnienia i krzepnięcia równej 183,3°C. Eutektyka ta jest mieszaniną drobnych kryształów roztworu stałego granicznego α cyny w ołowiu i kryształów roztworu stałego granicznego β ołowiu w cynie. Lut o składzie eutektycznym daje po ochłodzeniu szybkie połączenie jednocześnie we wszystkich miejscach. Luty o zawartości cyny większej od 61,9% składają się z jasnych kryształów roztworu stałego granicznego β ołowiu w cynie i eutektyki, luty o zawartości cyny mniejszej; od 61,9% — z ciemnych kryształów roztworu stałego granicznego a cyny| w ołowiu i eutektyki. Przykładowe mikrostruktury lutów zawierających 30, 40, 50 i 60% Sn podano na rysunku, a ich skład zaznaczono na układzie równowagi cyna-ołów.

Mikrostruktury lutów cynowo-ołowiowych: a) LC30, b) LC40, c) LC50, d) LC60. Widoczne ciemne kryształy roztworu stałego granicznego a cyny w ołowiu na tle jasnej, dwufazowej eutektyki a +/1. Pow. 250x.

Przy zawartości ołowiu od 2,6 do 80,5% wszystkie stopy cyna-ołów zaczynają się topić w tej samej temperaturze równej 183,3°C. Temperatura końca topnienia tych stopów jest różna i rośnie w miarę oddalania się ód składu eutektycznego, a tym samym powiększa się zakres krzepnięcia tych stopów. Przy składzie 60% Sn i 40% Pb (skład bliski eutektycznemu) zakres krystalizacji wynosi około 7°C, przy składzie 40% Sn i 60% Pb zakres krystalizacji powiększa się do prawie 70°C, a przy składzie 20% Sn i 80% Pb — wynosi już ponad 100°C. Dopiero po przekroczeniu zawartości ołowiu 80,5% zakres krzepnięcia maleje dzięki podwyższaniu się temperatury początku topnienia.

Duży zakres krystalizacji jest oczywiście niekorzystny, gdyż może powodować powstawanie porów w lutowinie, a tym samym obniżenie wytrzymałości i pogorszenie szczelności połączenia.

Rozgraniczenie lutów na osnowie cyny zawierających ołów i lutów na osnowie ołowiu z dodatkiem cyny jest dość trudne, dlatego większość norm do lutów cynowo-ołowiowych zalicza również luty zawierające ponad 50% ołowiu. Praktycznie w lutach cynowo-ołowiowych zawartość ołowiu, wprowadzanego głównie dla obniżenia ceny lutów, wynosi od 7 do 97 %, zależnie od ich przeznaczenia. Ponadto luty cynowo-ołowiowe zawierają pewne ilości antymonu, bądź wskutek zanieczyszczenia cyny, bądź dodawanego celowo dla zastąpienia cyny i podwyższenia twardości i wytrzymałości lutu. Dodatek antymonu nie może jednak przekraczać 7%, ponieważ przy większych zawartościach tworzy się w hicie międzymetaliczna faza SnSb, wywołująca jego kruchość, a tym samym nieużyteczność.

Czasem dla polepszenia własności mechanicznych i technologicznych, a także odporności na korozję, do lutów cynowo-ołowiowych wprowadza się niewielkie ilości srebra (1-5%) lub miedzi (do 2%).

Niedopuszczalne są natomiast w tych lutach domieszki aluminium i cynku, ponieważ pierwiastki te nawet w minimalnych ilościach powodować mogą grudkowatość lutu, pęknięcia na gorąco i pogorszenie przyczepności. Grudkowatość lutu wywołują również zanieczyszczenia żelazem ponad 0,1%, krzemem ponad 0,1% i arsenem ponad 0,5%.