Kalay vebası

Kalay vebası veya "kalay hastalığı" kalay malzemesinin 13.2 °C dereceden düşük sıcaklıklarda bozunmasına neden olan allotropik dönüşüm geçirmesidir.^[1] Allotropi Katı kristal yapıda olan bir elementin sıcaklığa ve basınca bağlı olarak birden fazla kristal yapılarda bulunmasıdır.^[2]

Yüzlerce yıldır bilinen kalay vebası, yüksek saflıktaki kalayın sıcaklık veya basınç ile β fazından α fazına allotropik dönüşümüdür ve az miktarda antimon veya bizmut alaşımıyla bu sorun giderilir.^[3]

Kalay vebası üzerine yapılan çalışmalar, metallerin belirli koşullar altındaki davranışlarına ilişkin bilgiler sağladı. Malzeme bilimi ve metalurjide faz geçişleri ve kristal yapıları anlamamıza katkıda bulundu. İyileştirilmiş üretim süreçleri ve alaşım elementlerinin kullanımı nedeniyle modern kalay uygulamalarında kalay vebası büyük bir endişe kaynağı olmasa da tarihsel ve bilimsel önemi bize malzeme davranışları hakkında bazı bilgiler vermiştir.

Kalayın allotropik dönüşümünde beyaz (β) kalay 13,2 °C'nin altında gri (α) kalaya yüksek aktivasyon enerjisinden dolayı ağır bir hızda dönüşür.^[4] Beyazdan griye dönüşüm sırasında beyaz (β) kalayın kristal yapısı hacim merkezli tetragonal (HMT) yapıdan elmasın kristal yapısıyla aynı olan kübik elmas kristal yapı formuna sahip gri (α) kalaya dönüşür.^[1][5] Bu dönüşümle birlikte malzemenin hacim ve yoğunluğu da değişir ve kalay ufalanarak parçalarına ayrılır, gevrek bir yapıya sahip olup işlevini yerini getiremez hale gelir.^[1][5]

Kalay vebası uzun zamandır karşılaşılan sorun olmuştur: bu zararlı fenomenin ilk ve en iyi bilinen kanıtı, soğuk hava şartlarında Avrupa'daki boru organlarının yapısını değiştirmesiyle keşfedilmiştir. Günümüzde, az miktarda bizmut veya antimon alaşımı ile bu sorun giderilir.^[3][6] Bunu yaparak, kalayın yapısı, sıcaklık düşse bile sünekliğini korur.^[7] Kalay vebasıyla ilgili birçok hikâye vardır bunların çoğu kalayın 13,2 °C altındaki sıcaklıklarda uzun süre tutulmasının yol açtığı felaketlerdir.^[4]

1812 yılında Napolyon'un ordusu Maloyaroslavets Savaşı'nda Rusları ele geçirdi. Bir Fransız zaferi olmasına rağmen, Ruslar Napolyon'un ülkelerinden çekilme yolunu engellemek için hareket ettiklerinde savaşta büyük bir stratejik gerileme oldu. Sonunda, başlangıçtaki yarım milyon Fransız'dan sadece 30.000'i Rusya'dan canlı olarak çıkabildi.^[4][8] Savaşın kaybedilmesinin sebebi olarak kalayın allotropik dönüşüm geçirmesiyle birlikte ordunun kıyafetindeki düğmelerinin parçalanması anlatılır. Kalay düğmeleri toza dönüştüğünde, Fransız birlikleri paltolarını kapalı tutamayacaklardı ve bu nedenle kış aylarında görülen acımasız sıcaklıklara karşı savunmasız kalacaklardı.^[4][8] Ancak bu hikâye bir efsaneden ibarettir bunun nedeni ise beyaz kalayın tamamen gri kalaya dönüşümü o dönemin soğuk şartlarında bile yaklaşık 18 aylık bir süreye tekabül eden bir süreçtir. İkincisi kalayın pahalı bir malzeme olması ve o dönemde daha çok ahşaptan veya kemikten düğmelerin yaygın olarak kullanılması. Kalayın o dönem bu dönüşümü gerçekleştirebilecek saflıkta kullanılmaması gibi nedenler de vardır. Bu efsanenin 1860 yıllarında bir ordu deposunda Rus kalay düğmelerinin parçalanması vakasının ve Napolyon'un ordusunun askerleri perişan dilencilere dönüştüren umutsuz durumunun bir birleşimi olduğu da öne sürülmüştür.^[4][8]

1910'da İngiliz kutup kâşifi Robert Scott, Güney Kutbu'na ulaşan ilk kişi olmayı umuyordu 18 Ocak 1912'de yola çıkan Robert Scott ve grubu Güney Kutbu'na ulaştılar ancak Orada gördükleri tek şey Norveçli kâşif Roald Amundsen tarafından bir ay önce oraya bırakılan bir işaretti. Roald Amundsen liderliğindeki Norveçli araştırma grubu kendilerinden 34 gün önce Güney Kutbuna ulaşmışlardı. Cesaretleri kırılan adamlar, bir kar fırtınasının karşısında dönüş yolculuğuna başladılar. Yorgun adamlar yiyecek ve yakıta vardıklarında kalay teneke toza dönmüştü. Gazyağı dikişlerden sızdı. Çaresiz adamlar bir sonraki zulaya koştu. Oradaki tenekeler de boştu. Scott'ın tüm takımı kutuptan dönüş yolculuğunda öldü. Bedenleri, dergileri ve fotoğraflarının bir kısmı sekiz ay sonra bir arama ekibi tarafından bulundu. Scott ekibinin tamamı, kısmen kalayın soğuk sıcaklıklarda kırılgan hale geldiğine dair çok az bilinen bir gerçek nedeniyle, donmuş vahşi doğada yok oldu.^[6][9]

RoHS (Restriction of Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment) Tehlikeli Maddelerin Kısıtlanması Direktifi 2006 yılında Avrupa Birliğinde yürürlüğe giren bu direktif elektronik malzemelerde çevreye ve insan sağlığına zararlı olan kurşun, cıva ve kadmiyum gibi malzemelerin kullanılmasını kısıtlamıştır.^[10] Kurşunun elektronik malzemelerde kısıtlanması, üreticilerin elektronik malzemelerde kalayın yüksek saflıkta kullanılmasına yol açmış ve bundan dolayı kalay vebasına elektronik malzemelerin düşük sıcaklıklarda kullanıldığı yerlerde daha sık rastlanmıştır.^[1][10][11] Soğuk ortamlarda, bu, elektriksel olarak iletken olmayan ve uçlardan düşen α fazında gri kalaylara dönüşebilir. Yeniden ısıtıldıktan sonra, elektriksel olarak iletken olan β fazında beyaz kalıba geri döner. Bu döngü elektriksel kısa devrelere ve ekipmanın arızalanmasına neden olabilir. Kalay vebası, kalayın katı fazında çözünebilen az miktarda elektropozitif metal veya yarı metallerle, örneğin faz değişimini önleyen antimon veya bizmutla alaşımlayarak bu sorun önlenebilir.