O fosfornoj bronci - snaga, svojstva i upotreba
Bronza je prešla dug put od legure bakra i kalaja, sada je to mnogo šira klasa legura bakra koje i danas pronalaze novu upotrebu. Međutim, raznolikost bronze može otežati odabir materijala, pa će ovaj članak pomoći u ublažavanju zabune istražujući jednu vrstu bronce, fosfornu broncu. Ispitujući fizička, hemijska i mehanička svojstva fosforne bronce, ovaj članak ima za cilj da pomogne zainteresovanim dizajnerima da odrede da li je ova legura bakra dobar izbor za njihov projekat. Prvo ćemo ispitati sastav fosforne bronce, zatim ćemo razmotriti njene prednosti, nedostatke, mehanička svojstva i na kraju razmotriti uobičajene primjene ovog korisnog metala.
Fizička svojstva fosforne bronze
Možda bi bilo od pomoći pregledati naš članak o vrstama bronze kako bismo razumjeli zajedničko između legura bakra i njihove popularne primjene.
Ispod, na slici 1, nalazi se kvalitativna tabela koja opisuje sastav fosforne bronce:
Kružni grafikon predstavlja materijalni sastav fosforne bronce.
Slika 1: Kvalitativna razgradnja fosforne bronze.
Imajte na umu da su procenti uključenih cinka, gvožđa, olova i fosfora beskonačno mali.
Gledajući sliku 1, može biti teško razumjeti zašto je fosforna bronza tako nazvana kada se prvenstveno sastoji od bakra i kalaja kao legure. To je zato što je potrebna samo mala količina fosfora, oko 0.03-0.035% po težini, da se ovim legurama daju njihova jedinstvena svojstva, kao što su poboljšana tečnost, otpornost na habanje i krutost. Poznate su i kao kalajne bronze, ali je uvijek prisutna određena količina fosfora da bi se zaista smatrali fosfornim bronzama. Sa gustinom od oko 8,8 g/cm3, većina oblika ovih legura reaguje na vruću obradu, hladnu obradu i termičku obradu. Izuzetno su otporni, otporni na zamor i koroziju, te se lako formiraju, lijevaju i zavaruju. Dodatak olova čini fosforne bronce jačim i lakšim za obradu, ali fosforne bronce bez olova su takođe jake i otporne same po sebi. Najčešće se koriste u aplikacijama otpornim na koroziju, kao i drugim aplikacijama koje zahtijevaju elastičan ali izdržljiv materijal.
Otpor i slabosti
Većina legura fosforne bronce otporna je na promjenu boje i koroziju, što ih čini korisnim u električnim vodovima i drugim korozivnim okruženjima. Takođe su otporni na zamor, što znači da održavaju svoju snagu tokom mnogih ciklusa opterećenja. Dodatak kalaja će povećati ovu otpornost kao i njegovu čvrstoću, dok će dodavanje olova napraviti fosfornu bronzu, kolokvijalno poznatu kao "prijatelj strojara" (legura COLPHOS 90 / C54400) jer se praktično ne razlikuje od legura mesinga koji se slobodno seče. Većina legura razvija atraktivnu patinu u prisustvu kisika, tako da se može koristiti i u dekorativnim aplikacijama. Glavni nedostaci fosforne bronze su vjerovatno njena niža električna provodljivost, jer fosfor smanjuje sposobnost metala da provodi električnu struju i njegova cijena. Prašina i isparenja fosforne bronze su takođe toksični kada se udišu, pa budite oprezni sa svojim novčanikom i plućima.
Mehanička svojstva
Tabela 1 u nastavku prikazuje neka od mehaničkih svojstava koja su relevantna za upotrebu i čvrstoću fosforne bronce. Ovaj odjeljak će ukratko objasniti svako svojstvo i pokazati kako čine ovu leguru bakra jedinstvenom.
Zatezna čvrstoća tečenja
380-450 MPa
55100-65260 psi
Modul elastičnosti
110 GPa
16000 ksi
Električna vodljivost (u odnosu na čisti bakar)
15%
Tvrdoća (Rockwell B)
75-85
Obradivost
20-100%
Tabela 1: Sažetak mehaničkih svojstava fosforne bronze - Imajte na umu da je ova tabela opšti sažetak, a ne lista stvarnih svojstava svih fosfornih bronza.
Vlačna čvrstoća tečenja je vrijednost naprezanja koja određuje točku u kojoj se materijal plastično deformira. To je uobičajena mjera za otpornost materijala, jer naprezanja ispod ove tačke neće savijati ili rastezati leguru (iako uvijek postoje izuzeci). To je korisna mjera za proizvođače prilikom strojne obrade i u aplikacijama gdje materijal mora zadržati svoj oblik bez ugrožavanja strukturalnog integriteta. Fosforna bronza ima impresivnu granicu tečenja koja se može takmičiti sa nekim legurama aluminijuma, pa čak i premašuje druge bronce, zahvaljujući visokom udjelu kalaja i fosfora. U kombinaciji sa svojim dobrim opružnim svojstvima, ovo stvara leguru koja je jaka i drži svoje.
Modul elastičnosti, ili Youngov modul, opisuje sposobnost materijala da se elastično deformira, tj. krutost materijala. Kontraintuitivno, viši Youngov modul ukazuje na elastičniji materijal, ali to nije mjera "elastičnosti"; to je mjera unutrašnje snage materijala i vjerovatnoće da će se pod povećanom silom vratiti u prvobitni oblik. Stoga, visok Youngov modul znači da je materijal općenito jak jer se ne deformira plastično pod uvjetima povećanog opterećenja. Fosforna bronca ima prilično visok modul elastičnosti (gotovo upola manji od većine čelika), što ukazuje da nije tako jaka kao druge legure, ali da se može održati u umjerenim uvjetima. Ovo dovodi do toga da je fosforna bronca korisna za operacije oblikovanja i teža za obradu, ali o tome kasnije.
Fosforna bronca ima električnu provodljivost od oko 15% od čistog bakra - pa zašto je koristiti u električnim aplikacijama kada bakar može mnogo bolje prenositi električnu energiju? Odgovor leži u dobrom balansu fosforne bronze između čvrstoće na zamor, otpornosti na koroziju i električne provodljivosti. Iako nije istaknuta legura ni u jednoj od gore navedenih kategorija, njena sposobnost da bude izdržljiva, jaka i provodljiva znači da će električne komponente napravljene od fosforne bronce trajati duže od njihovih bakarnih analoga. Kao rezultat toga, fosforna bronza se dugo koristila kao materijal za električne prekidače, pričvršćivače, konektore, itd., jer može izdržati mehanička i električna opterećenja bolje od svog tipičnog bakra.
Tvrdoća materijala je uvijek relativna u odnosu na neki standardni durometar, a različite skale tvrdoće pružaju uporednu listu materijala unutar iste opće kategorije/materijala. U tabeli 1 prikazane su vrijednosti tvrdoće na Rockwell B skali, koja se obično koristi za opisivanje tvrdoće legura bakra i drugih metala. Materijali s nižim vrijednostima tvrdoće općenito su mekši, što znači da se lakše ogrebaju, udubljuju i lokalno deformiraju na površini, dok veći brojevi označavaju materijale koje je teško izgrebati (mislimo na borosilikatno staklo, keramiku, itd.). Za referencu, bakar ima tvrdoću po Rockwellu B od oko 50, tako da je jasno iz tabele 1 da je fosforna bronza otpornija na ogrebotine od svog čistog oblika. Također nije tako jaka kao druge legure koje se više očvršćavaju poput čelika, koje mogu biti bolje ili lošije ovisno o primjeni. Na primjer, ako su jetkanje i umetanje dio primjene, fosforna bronca može biti dobar balans između čvrstoće i obradivosti, ali to ovisi o specifičnoj vrsti legure i postupku ojačanja.
Kao i tvrdoća, obradivost je komparativna mjera sposobnosti materijala da se obrađuje i uvijek se odnosi na neki standardni materijal za obradu (za bronze, ovaj materijal je UNS C36000 – Free Cutting Brass). Ovaj standardni materijal ima ocjenu obradivosti od 100%, što znači da se lako obrađuje i predstavlja malo problema u radnji. Legure sa rezultatom ispod 100% teže se obrađuju u poređenju sa ovom referencom, a to je često slučaj sa fosfornom bronzom; međutim, fosforna bronca se može posebno proizvesti za rješavanje ovih problema (kao i većina drugih legura, ovisno o vašem izvoru). Fosforna bronza se može kupiti sa većim sadržajem olova, što će eliminisati poteškoće u mašinskoj obradi jer postaje više samopodmazujuća. Dakle, dok je većinu legura fosforne bronce donekle teško mljeti, ovaj problem se može riješiti odabirom prave legure.
Primjena fosforne bronze
Fosforna bronca se koristi u električnim komponentama već dugi niz godina, ali još uvijek pronalazi nove namjene zbog tehnološkog napretka i potrebe za specijaliziranijim materijalima. Ispod je lista aplikacija za fosfornu broncu, ali znajte da ima mnogo namjena izvan ove liste, a nove aplikacije se još uvijek razvijaju.
Neke uobičajene aplikacije uključuju:
Springs
Čaure, čahure i ležajevi
Šipke za zavarivanje
Nakit
Žice za gitaru
Zubni mostovi
