За фосфорен бронз - сила, свойства и приложения
Бронзът е изминал дълъг път от това да бъде сплав от мед и калай, сега е много по-широк клас медни сплави, които все още намират нови приложения днес. Разнообразието от бронз обаче може да затрудни избора на материал, така че тази статия ще помогне за облекчаване на объркването, като изследва един вид бронз, фосфорен бронз. Чрез изследване на физичните, химичните и механичните свойства на фосфорния бронз, тази статия има за цел да помогне на заинтересованите дизайнери да определят дали тази медна сплав е добър избор за техния проект. Първо ще разгледаме състава на фосфорния бронз, след това ще обсъдим неговите предимства, недостатъци, механични свойства и накрая ще обсъдим общите приложения на този полезен метал.
Физични свойства на фосфорния бронз
Може да е полезно да прегледате нашата статия за видовете бронз, за да разберете общите черти между медните сплави и техните популярни приложения.
По-долу, на фигура 1, е качествена диаграма, която описва състава на фосфорния бронз:
Кръгова диаграма, представяща състава на материала от фосфорен бронз.
Фигура 1: Качествена разбивка на фосфорен бронз.
Обърнете внимание, че включените проценти на цинк, желязо, олово и фосфор са безкрайно малки.
Като разгледаме Фигура 1, може да е трудно да разберем защо фосфорният бронз е наречен така, когато е съставен основно от мед и калай като сплав. Това е така, защото е необходимо само малко количество фосфор, около 0.03-0.035% от теглото, за да се придадат на тези сплави техните уникални свойства, като подобрена течливост, устойчивост на износване и твърдост. Те също са известни като калаени бронзи, но определено количество фосфор винаги присъства, за да се считат наистина за фосфорни бронзи. С плътност от около 8,8 g/cm3, повечето форми на тези сплави реагират на гореща обработка, студена обработка и термична обработка. Те са изключително еластични, устойчиви на умора и корозия и могат лесно да се формоват, изливат и заваряват. Добавянето на олово прави фосфорните бронзи по-здрави и по-лесни за обработка, но безоловните фосфорни бронзи също са здрави и устойчиви сами по себе си. Най-често се използват в устойчиви на корозия приложения, както и други приложения, които изискват еластичен, но издръжлив материал.
Съпротива и слабости
Повечето фосфорни бронзови сплави са устойчиви на обезцветяване и корозия, което ги прави полезни в електрически тръбопроводи и други корозивни среди. Те също така са устойчиви на умора, което означава, че запазват здравината си при много цикли на натоварване. Добавянето на калай ще увеличи това съпротивление, както и неговата здравина, докато добавянето на олово ще направи фосфорен бронз, разговорно известен като „приятел на машиниста“ (сплав COLPHOS 90 / C54400), тъй като е практически неразличим от месинговите сплави със свободно рязане. Повечето сплави развиват привлекателна патина в присъствието на кислород, така че могат да се използват и в декоративни приложения. Основните недостатъци на фосфорния бронз вероятно са неговата по-ниска електрическа проводимост, тъй като фосфорът намалява способността на метала да провежда електрически ток, и неговата цена. Прахът и изпаренията от фосфорен бронз също са токсични при вдишване, така че внимавайте с портфейла и белите си дробове.
Механични свойства
Таблица 1 по-долу показва някои от механичните свойства, които са от значение за употребата и здравината на фосфорния бронз. Този раздел ще обясни накратко всяко свойство и ще покаже как те правят тази медна сплав уникална.
Якост на провлачване на опън
%7б%7б0%7д%7д МРа
55100-65260 psi
Модул на еластичност
110 ГПа
16000 кси
Електрическа проводимост (спрямо чиста мед)
15%
Твърдост (Рокуел B)
75-85
Обработваемост
20-100%
Таблица 1: Резюме на механичните свойства на фосфорния бронз - Моля, обърнете внимание, че тази таблица е общо обобщение, а не списък на действителните свойства на всички фосфорни бронзи.
Граница на провлачване при опън е стойност на напрежението, която определя точката, в която даден материал се деформира пластично. Това е обичайна мярка за границата на провлачване на материала, тъй като напреженията под тази точка няма да огънат или разтегнат сплавта (въпреки че винаги има изключения). Това е полезна мярка за производителите при машинна обработка и в приложения, при които материалът трябва да запази формата си, без да нарушава структурната цялост. Фосфорният бронз има впечатляваща граница на провлачване, която съперничи на някои алуминиеви сплави и дори надвишава други бронзи, благодарение на високия си дял на калай и фосфор. Когато се съчетае с добрите си пружинни свойства, това създава сплав, която е здрава и се държи.
Модулът на еластичност, или модулът на Йънг, описва способността на материала да се деформира еластично, т.е. твърдостта на материала. Противно на интуицията, по-високият модул на Юнг показва по-еластичен материал, но това не е мярка за "еластичност"; това е мярка за силата на вътрешния материал и колко вероятно е той да се върне в първоначалната си форма при повишена сила. Следователно, висок модул на Юнг означава, че материалът като цяло е здрав, тъй като не се деформира пластично при повишени условия на натоварване. Фосфорният бронз има доста висок модул на еластичност (почти половината от този на повечето стомани), което показва, че той не е толкова силен, колкото другите сплави, но може да се задържи при умерени условия. Това води до факта, че фосфорният бронз е едновременно полезен за формоване и по-труден за обработка, но повече за това по-късно.
Фосфорният бронз има електрическа проводимост от около 15% от тази на чистата мед - така че защо да го използвате в електрически приложения, когато медта може да пренася електричество много по-добре? Отговорът се крие в добрия баланс на якост на умора, устойчивост на корозия и електрическа проводимост на фосфорния бронз. Въпреки че не е открояваща се сплав в нито една от горните категории, нейната способност да бъде издръжлива, здрава и проводяща означава, че електрическите компоненти, направени от фосфорен бронз, ще издържат по-дълго от техните медни аналози. В резултат на това фосфорният бронз отдавна се използва като материал за електрически превключватели, крепежни елементи, съединители и т.н., тъй като може да издържа на механични и електрически натоварвания по-добре от типичния си меден аналог.
Твърдостта на материала винаги е относителна към някакъв стандартен твърдометър, а различните скали за твърдост предоставят сравнителен списък на материали в рамките на една и съща обща категория/материал. Таблица 1 показва стойности на твърдост по скалата на Rockwell B, която обикновено се използва за описание на твърдостта на медни сплави и други метали. Материалите с по-ниски стойности на твърдост обикновено са по-меки, което означава, че те са по-лесно надраскани, вдлъбнати и локално деформирани на повърхността, докато по-високите числа показват материали, които са трудни за надраскване (мислете за боросиликатно стъкло, керамика и др.). За справка, медта има твърдост по Рокуел B от около 50, така че от таблица 1 става ясно, че фосфорният бронз е по-устойчив на надраскване от чистата си форма. Освен това не е толкова силен, колкото други, по-закалени сплави като стомана, която може да бъде по-добра или по-лоша в зависимост от приложението. Например, ако ецването и инкрустирането са част от приложението, фосфорният бронз може да бъде добър баланс между якост и обработваемост, но това зависи от конкретния тип сплав и процедурата за укрепване.
Подобно на твърдостта, обработваемостта е сравнителна мярка за способността на даден материал да бъде обработван и винаги се отнася до някакъв стандартен материал за машинна обработка (за бронз този материал е UNS C36000 – свободно рязан месинг). Този стандартен материал има резултат за обработваемост от 100%, което означава, че е лесен за обработка и създава малко проблеми в магазин. Сплави с резултати под 100% са по-трудни за обработка в сравнение с тази референтна и това често се случва с фосфорния бронз; фосфорният бронз обаче може да бъде специално произведен за справяне с тези проблеми (както и повечето други сплави, в зависимост от вашия източник). Фосфорният бронз може да бъде закупен с по-високо съдържание на олово, което ще елиминира трудността му при машинна обработка, тъй като става по-самосмазващ се. Така че докато повечето фосфорни бронзови сплави са малко трудни за фрезоване, този проблем може да бъде решен чрез избора на правилната сплав.
Приложения на фосфорен бронз
Фосфорният бронз се използва в електрически компоненти от много години, но все още намира нови приложения поради технологичния напредък и необходимостта от по-специализирани материали. По-долу е даден списък с приложения за фосфорен бронз, но имайте предвид, че има много приложения извън този списък и все още се разработват нови приложения.
Някои често срещани приложения включват:
пружини
Втулки, втулки и лагери
Заваръчни пръти
Бижута
Струни за китара
Зъбни мостове
И още.
