О фосфорној бронзи - снага, својства и употреба
Бронза је прешла дуг пут од легуре бакра и калаја, сада је много шира класа легура бакра које и данас проналазе нову употребу. Међутим, разноврсност бронзе може отежати избор материјала, тако да ће овај чланак помоћи да се ублажи део конфузије истраживањем једне врсте бронзе, фосфорне бронзе. Испитујући физичка, хемијска и механичка својства фосфорне бронзе, овај чланак има за циљ да помогне заинтересованим дизајнерима да утврде да ли је ова легура бакра добар избор за њихов пројекат. Прво ћемо испитати састав фосфорне бронзе, затим ћемо размотрити њене предности, недостатке, механичка својства и на крају размотрити уобичајене примене овог корисног метала.
Физичка својства фосфорне бронзе
Можда ће бити од помоћи да прегледате наш чланак о врстама бронзе како бисте разумели заједничке карактеристике између легура бакра и њихове популарне примене.
Испод, на слици 1, је квалитативни графикон који описује састав фосфорне бронзе:
Кружни графикон представља материјални састав фосфорне бронзе.
Слика 1: Квалитативни распад фосфорне бронзе.
Имајте на уму да су укључени проценти цинка, гвожђа, олова и фосфора бесконачно мали.
Гледајући слику 1, може бити тешко разумети зашто је фосфорна бронза тако названа када се првенствено састоји од бакра и калаја као легуре. То је зато што је потребна само мала количина фосфора, око 0.03-0.035% по тежини, да би се овим легурама дала њихова јединствена својства, као што су побољшана течност, отпорност на хабање и крутост. Познате су и као калајне бронзе, али одређена количина фосфора је увек присутна да би се заиста сматрала фосфорним бронзама. Са густином од око 8,8 г/цм3, већина облика ових легура реагује на топлоту, хладну и топлотну обраду. Изузетно су отпорни, отпорни на замор и корозију, лако се формирају, сипају и заварују. Додатак олова чини фосфорне бронзе јачим и лакшим за машинску обраду, али фосфорне бронзе без олова су такође јаке и отпорне саме по себи. Најчешће се користе у апликацијама отпорним на корозију, као и у другим апликацијама које захтевају еластичан али издржљив материјал.
Отпор и слабости
Већина легура фосфорне бронзе отпорна је на промену боје и корозију, што их чини корисним у електричним цевоводима и другим корозивним окружењима. Такође су отпорни на замор, што значи да одржавају снагу током многих циклуса оптерећења. Додатак калаја ће повећати ову отпорност као и његову снагу, док ће додавање олова направити фосфорну бронзу, колоквијално познату као „пријатељ машиниста“ (легура ЦОЛПХОС 90 / Ц54400) јер се практично не разликује од легура месинга који се слободно сече. Већина легура развија атрактивну патину у присуству кисеоника, тако да се може користити иу декоративним апликацијама. Главни недостаци фосфорне бронзе су вероватно њена нижа електрична проводљивост, пошто фосфор смањује способност метала да проводи електричну струју, и његова цена. Прашина и испарења фосфорне бронзе су такође токсични када се удишу, па будите пажљиви са својим новчаником и плућима.
Механичка својства
Табела 1 у наставку приказује неке од механичких својстава која су релевантна за употребу и чврстоћу фосфорне бронзе. Овај одељак ће укратко објаснити свако својство и показати како чине ову легуру бакра јединственом.
Затезна чврстоћа
380-450 МПа
55100-65260 пси
Модул еластичности
110 ГПа
16000 кси
Електрична проводљивост (у односу на чисти бакар)
15%
Тврдоћа (Роцквелл Б)
75-85
Обрадивост
20-100%
Табела 1: Резиме механичких својстава фосфорне бронзе – Имајте на уму да је ова табела општи резиме, а не списак стварних својстава свих фосфорних бронза.
Затезна граница течења је вредност напона која одређује тачку у којој се материјал пластично деформише. То је уобичајена мера отпорности материјала, јер напони испод ове тачке неће савијати или растезати легуру (иако увек постоје изузеци). То је корисна мера за произвођаче приликом машинске обраде и у апликацијама где материјал мора да задржи свој облик без угрожавања структуралног интегритета. Фосфорна бронза има импресивну границу течења која се може такмичити са неким легурама алуминијума и чак премашује друге бронзе, захваљујући високом уделу калаја и фосфора. Када се комбинује са својим добрим опругама, ово ствара легуру која је јака и држи своје.
Модул еластичности, или Јангов модул, описује способност материјала да се еластично деформише, тј. крутост материјала. Контраинтуитивно, већи Јангов модул указује на еластичнији материјал, али то није мера "еластичности"; то је мера унутрашње снаге материјала и колико је вероватно да ће се под повећаном силом вратити у првобитни облик. Због тога, висок Јангов модул значи да је материјал генерално јак јер се не деформише пластично под условима повећаног оптерећења. Фосфорна бронза има прилично висок модул еластичности (скоро упола мањи од већине челика), што указује да није тако јака као друге легуре, али може да се држи под умереним условима. Ово доводи до тога да је фосфорна бронза корисна за операције формирања и тежа за обраду, али о томе касније.
Фосфорна бронза има електричну проводљивост од око 15% од чистог бакра - па зашто је користити у електричним апликацијама када бакар може много боље да преноси електричну енергију? Одговор лежи у добром балансу фосфорне бронзе између чврстоће на замор, отпорности на корозију и електричне проводљивости. Иако није истакнута легура у било којој од горе наведених категорија, њена способност да буде издржљива, јака и проводљива значи да ће електричне компоненте направљене од фосфорне бронзе трајати дуже од њихових аналога бакра. Као резултат тога, фосфорна бронза се дуго користила као материјал за електричне прекидаче, причвршћиваче, конекторе итд., јер може издржати механичка и електрична оптерећења боље од свог типичног бакра.
Тврдоћа материјала је увек релативна у односу на неки стандардни дурометар, а различите скале тврдоће пружају упоредну листу материјала унутар исте опште категорије/материјала. Табела 1 приказује вредности тврдоће на Роцквелл Б скали, која се обично користи за описивање тврдоће легура бакра и других метала. Материјали са нижим вредностима тврдоће су генерално мекши, што значи да се лакше гребу, удубљују и локално деформишу на површини, док већи бројеви означавају материјале које је тешко огребати (мислимо на боросиликатно стакло, керамику итд.). За референцу, бакар има Роцквелл Б тврдоћу од око 50, тако да је јасно из табеле 1 да је фосфорна бронза отпорнија на гребање од свог чистог облика. Такође није тако јака као друге легуре које се више кале као челик, које могу бити боље или лошије у зависности од примене. На пример, ако су гравирање и уметање део примене, фосфорна бронза може бити добар баланс између чврстоће и обрадивости, али то зависи од специфичне врсте легуре и поступка ојачања.
Као и тврдоћа, обрадивост је компаративна мера способности материјала за машинску обраду и увек се позива на неки стандардни материјал за машинску обраду (за бронзе, овај материјал је УНС Ц36000 – Месинг за слободно сечење). Овај стандардни материјал има оцену обрадивости од 100%, што значи да се лако обрађује и да представља мало проблема у радњи. Легуре са резултатом испод 100% теже се обрађују у поређењу са овом референцом, а то је често случај са фосфорном бронзом; међутим, фосфорна бронза се може посебно произвести за решавање ових проблема (као и већина других легура, у зависности од вашег извора). Фосфорна бронза се може купити са већим садржајем олова, што ће елиминисати потешкоће у машинској обради јер постаје више самоподмазујућа. Дакле, док је већину легура фосфорне бронзе донекле тешко глодати, овај проблем се може решити одабиром праве легуре.
Примене фосфорне бронзе
Фосфорна бронза се већ дуги низ година користи у електричним компонентама, али још увек проналази нову употребу због технолошког напретка и потребе за специјализованијим материјалима. Испод је листа апликација за фосфорну бронзу, али знајте да има много употреба ван ове листе, а нове апликације се још увек развијају.
Неке уобичајене апликације укључују:
Спрингс
Чауре, чауре и лежајеви
Шипке за заваривање
Накит
Жице за гитару
Зубни мостови
И још.
