Despre bronzul fosfor - rezistență, proprietăți și utilizări
Bronzul a parcurs un drum lung de a fi un aliaj de cupru și staniu, acum este o clasă mult mai largă de aliaje de cupru care își găsesc încă noi utilizări astăzi. Cu toate acestea, diversitatea bronzurilor poate face dificilă selecția materialului, așa că acest articol va ajuta la atenuarea unei confuzii prin explorarea unui tip de bronz, bronzul fosfor. Examinând proprietățile fizice, chimice și mecanice ale bronzului fosforic, acest articol își propune să ajute designerii interesați să determine dacă acest aliaj de cupru este o alegere bună pentru proiectul lor. Vom examina mai întâi compoziția bronzului fosforic, apoi vom discuta avantajele, dezavantajele, proprietățile mecanice ale acestuia și, în final, vom discuta despre aplicațiile comune pentru acest metal util.
Proprietățile fizice ale bronzului fosforic
Poate fi util să revizuiți articolul nostru despre tipurile de bronz pentru a înțelege aspectele comune dintre aliajele de cupru și aplicațiile lor populare.
Mai jos, în Figura 1, este o diagramă calitativă care descrie compoziția bronzului fosforic:
Reprezentare grafică a compoziției materialelor bronzului fosforic.
Figura 1: Defalcarea calitativă a bronzului fosfor.
Rețineți că procentele de zinc, fier, plumb și fosfor incluse sunt infinitezimale.
Privind figura 1, poate fi dificil de înțeles de ce bronzul fosforat este numit așa atunci când este compus în principal din cupru și staniu ca aliaj. Acest lucru se datorează faptului că doar o cantitate mică de fosfor, aproximativ 0.03-0.035% din greutate, este necesară pentru a conferi acestor aliaje proprietățile lor unice, cum ar fi curgerea îmbunătățită, rezistența la uzură și rigiditatea. Sunt cunoscute și sub numele de bronz de staniu, dar o anumită cantitate de fosfor este întotdeauna prezentă pentru a fi considerate cu adevărat bronzuri fosforice. Cu o densitate de aproximativ 8,8 g/cm3, cele mai multe forme ale acestor aliaje răspund la prelucrarea la cald, prelucrarea la rece și tratamentul termic. Sunt extrem de rezistente, rezistente la oboseală și coroziune și pot fi ușor formate, turnate și sudate. Adăugarea de plumb face bronzurile fosforice mai puternice și mai ușor de prelucrat, dar bronzurile fosforice fără plumb sunt, de asemenea, puternice și rezistente pe cont propriu. Sunt utilizate cel mai adesea în aplicații rezistente la coroziune, precum și în alte aplicații care necesită un material rezistent, dar durabil.
Rezistență și slăbiciuni
Majoritatea aliajelor de bronz fosforat rezistă la decolorare și la coroziune, făcându-le utile în conductele electrice și în alte medii corozive. De asemenea, sunt rezistente la oboseală, ceea ce înseamnă că își mențin rezistența pe parcursul multor cicluri de încărcare. Adăugarea de staniu va crește această rezistență, precum și rezistența ei, în timp ce adăugarea de plumb va face bronzul fosforat, cunoscut în mod colocvial drept „prietenul mașinistului” (aliaj COLPHOS 90 / C54400), deoarece este practic imposibil de distins de aliajele de alamă cu tăiere liberă. Majoritatea aliajelor dezvolta o patina atractiva in prezenta oxigenului, astfel incat poate fi folosit si in aplicatii decorative. Principalele dezavantaje ale bronzului fosfor sunt probabil conductivitatea electrică mai mică, deoarece fosforul reduce capacitatea metalului de a conduce curentul electric și eticheta de preț. Praful și fumurile de bronz fosfor sunt, de asemenea, toxice atunci când sunt inhalate, așa că aveți grijă cu portofelul și plămânii.
Proprietăți mecanice
Tabelul 1 de mai jos prezintă unele dintre proprietățile mecanice care sunt relevante pentru utilizările și rezistența bronzului fosforic. Această secțiune va explica pe scurt fiecare proprietate și va arăta cum fac acest aliaj de cupru unic.
Rezistenta la curgere la tractiune
380-450 MPa
55100-65260 psi
Modul de elasticitate
110 GPa
16000 ksi
Conductivitate electrică (față de cuprul pur)
15%
Duritate (Rockwell B)
75-85
Prelucrabilitate
20-100%
Tabelul 1: Rezumatul proprietăților mecanice ale bronzului fosforic - Vă rugăm să rețineți că acest tabel este un rezumat general și nu o listă a proprietăților reale ale tuturor bronzurilor fosforice.
Limita de curgere la tracțiune este o valoare a tensiunii care determină punctul în care un material se deformează plastic. Este o măsură comună a limitei de curgere a unui material, deoarece tensiunile sub acest punct nu vor îndoi sau întinde aliajul (deși există întotdeauna excepții). Este o măsură utilă pentru producători la prelucrare și în aplicații în care materialul trebuie să-și mențină forma fără a compromite integritatea structurală. Bronzul cu fosfor are o limită de curgere impresionantă, care rivalizează cu unele aliaje de aluminiu și chiar depășește alte bronzuri, datorită proporției sale mari de staniu și fosfor. Atunci când este combinat cu proprietățile sale bune de arc, acest lucru creează un aliaj care este puternic și se menține pe cont propriu.
Modulul de elasticitate, sau modulul Young, descrie capacitatea unui material de a se deforma elastic, adică rigiditatea materialului. În mod contraintuitiv, un modul Young mai mare indică un material mai elastic, dar aceasta nu este o măsură a „elasticității”; este o măsură a rezistenței materialului intern și cât de probabil este să revină la forma sa originală sub o forță crescută. Prin urmare, un modul Young ridicat înseamnă că materialul este în general puternic, deoarece nu se deformează plastic în condiții de încărcare crescută. Bronzul fosforat are un modul de elasticitate destul de mare (aproape jumătate din cel al majorității oțelurilor), ceea ce indică faptul că nu este la fel de puternic ca alte aliaje, dar se poate menține în condiții moderate. Acest lucru are ca rezultat faptul că bronzul fosforat este atât util pentru operațiunile de formare, cât și mai dificil de prelucrat, dar mai multe despre asta mai târziu.
Bronzul fosforat are o conductivitate electrică de aproximativ 15% față de cuprul pur - așa că de ce să-l folosești în aplicații electrice când cuprul poate transporta electricitate mult mai bine? Răspunsul constă în echilibrul bun al bronzului fosforic între rezistența la oboseală, rezistența la coroziune și conductivitatea electrică. Deși nu este un aliaj remarcabil în niciuna dintre categoriile de mai sus, capacitatea sa de a fi durabil, puternic și conductiv înseamnă că componentele electrice fabricate din bronz fosforic vor dura mai mult decât analogii lor de cupru. Drept urmare, bronzul fosforat a fost folosit mult timp ca material pentru întrerupătoare electrice, elemente de fixare, conectori etc., deoarece poate rezista la sarcini mecanice și electrice mai bine decât omologul său tipic din cupru.
Duritatea materialului este întotdeauna relativă la un durometru standard, iar diferitele scale de duritate oferă o listă comparativă a materialelor din aceeași categorie generală/material. Tabelul 1 prezintă valorile durității pe scara Rockwell B, care este folosită în mod obișnuit pentru a descrie duritatea aliajelor de cupru și a altor metale. Materialele cu valori mai mici de duritate sunt în general mai moi, ceea ce înseamnă că sunt mai ușor zgâriate, înțepate și deformate local la suprafață, în timp ce numerele mai mari indică materiale greu de zgâriat (gândiți-vă la sticlă borosilicată, ceramică etc.). Pentru referință, cuprul are o duritate Rockwell B de aproximativ 50, așa că reiese clar din Tabelul 1 că bronzul fosforat este mai rezistent la zgârieturi decât forma sa pură. De asemenea, nu este la fel de puternic ca alte aliaje, mai întăribile, cum ar fi oțelul, care poate fi mai bun sau mai rău în funcție de aplicație. De exemplu, dacă gravarea și incrustația fac parte din aplicare, bronzul fosforat poate fi un echilibru bun între rezistență și prelucrabilitate, dar acest lucru depinde de tipul de aliaj specific și de procedura de întărire.
La fel ca duritatea, prelucrabilitatea este o măsură comparativă a capacității unui material de a fi prelucrat și este întotdeauna referită la un material standard de prelucrare (pentru bronzuri, acest material este UNS C36000 – Alama de tăiere liberă). Acest material standard are un scor de prelucrabilitate de 100%, ceea ce înseamnă că este ușor de prelucrat și pune puține probleme într-un magazin. Aliajele cu scoruri sub 100% sunt mai greu de prelucrat în comparație cu această referință, iar acesta este adesea cazul cu bronzul fosfor; cu toate acestea, bronzul fosforat poate fi fabricat special pentru a rezolva aceste probleme (precum și majoritatea celorlalte aliaje, în funcție de sursa dvs.). Bronzul fosforic poate fi achiziționat cu un conținut mai mare de plumb, ceea ce va elimina dificultatea de prelucrare pe măsură ce devine mai auto-lubrifiant. Deci, deși majoritatea aliajelor de bronz fosforat sunt oarecum dificil de frezat, această problemă poate fi rezolvată prin alegerea aliajului potrivit.
Aplicații ale bronzului fosfor
Bronzul fosforic este folosit de mulți ani în componentele electrice, dar încă își găsește noi utilizări datorită progreselor tehnologice și a necesității unor materiale mai specializate. Mai jos este o listă de aplicații ale bronzului fosforic, dar să știți că are multe utilizări în afara acestei liste, iar noi aplicații sunt încă în curs de dezvoltare.
Unele aplicații comune includ:
Izvoare
Bucșe, bucșe și rulmenți
Tije de sudură
Bijuterii
Corzi de chitară
Punți dentare
Și altele.
