Om fosforbronze - styrke, egenskaber og anvendelser
Bronze er kommet langt fra at være en legering af kobber og tin, det er nu en meget bredere klasse af kobberlegeringer, der stadig finder nye anvendelser i dag. Imidlertid kan mangfoldigheden af bronzer gøre materialevalg vanskeligt, så denne artikel vil hjælpe med at lindre noget af forvirringen ved at udforske én type bronze, fosforbronze. Ved at undersøge de fysiske, kemiske og mekaniske egenskaber af fosforbronze har denne artikel til formål at hjælpe interesserede designere med at afgøre, om denne kobberlegering er et godt valg til deres projekt. Vi vil først undersøge sammensætningen af fosforbronze, derefter diskutere dens fordele, ulemper, mekaniske egenskaber og til sidst diskutere almindelige anvendelser for dette nyttige metal.
Fosforbronzes fysiske egenskaber
Det kan være nyttigt at gennemgå vores artikel om typer af bronze for at forstå fællestrækket mellem kobberlegeringer og deres populære anvendelser.
Nedenfor, i figur 1, er et kvalitativt diagram, der beskriver sammensætningen af fosforbronze:
Cirkeldiagramrepræsentation af materialesammensætningen af fosforbronze.
Figur 1: Kvalitativ nedbrydning af fosforbronze.
Bemærk, at de inkluderede procenter af zink, jern, bly og fosfor er uendeligt små.
Ved at se på figur 1 kan det være svært at forstå, hvorfor fosforbronze hedder sådan, når den primært er sammensat af kobber og tin som en legering. Det skyldes, at kun en lille mængde fosfor, ca. 0.03-0.035 vægtprocent, er nødvendig for at give disse legeringer deres unikke egenskaber, såsom forbedret flow, slidstyrke og stivhed. De er også kendt som tinbronzer, men en vis mængde fosfor er altid til stede for virkelig at blive betragtet som fosforbronzer. Med en densitet på omkring 8,8 g/cm3 reagerer de fleste former for disse legeringer på varmbearbejdning, koldbearbejdning og varmebehandling. De er ekstremt modstandsdygtige, modstandsdygtige over for træthed og korrosion og kan let formes, hældes og svejses. Tilsætning af bly gør fosforbronzer stærkere og nemmere at bearbejde, men blyfri fosforbronzer er også stærke og modstandsdygtige alene. De bruges oftest i korrosionsbestandige applikationer, såvel som andre applikationer, der kræver et elastisk, men holdbart materiale.
Modstand og svagheder
De fleste fosforbronzelegeringer modstår misfarvning og korrosion, hvilket gør dem nyttige i elektriske ledninger og andre korrosive miljøer. De er også træthedsbestandige, hvilket betyder, at de bevarer deres styrke over mange belastningscyklusser. Tilsætning af tin vil øge denne modstand såvel som dens styrke, mens tilsætning af bly vil gøre fosforbronze, i daglig tale kendt som "maskinistens ven" (legering COLPHOS 90 / C54400), fordi det stort set ikke kan skelnes fra fritskærende messinglegeringer. De fleste legeringer udvikler en attraktiv patina i nærvær af ilt, så det kan også bruges i dekorative applikationer. De største ulemper ved fosforbronze er sandsynligvis dens lavere elektriske ledningsevne, da fosfor reducerer metallets evne til at lede elektrisk strøm og dets prisskilt. Fosforbronzestøv og dampe er også giftige ved indånding, så vær forsigtig med din pung og dine lunger.
Mekaniske egenskaber
Tabel 1 nedenfor viser nogle af de mekaniske egenskaber, der er relevante for anvendelsen og styrken af fosforbronze. Dette afsnit vil kort forklare hver egenskab og vise, hvordan de gør denne kobberlegering unik.
Træk udbyttestyrke
380-450 MPa
55100-65260 psi
Elasticitetsmodul
110 GPa
16000 KSI
Elektrisk ledningsevne (i forhold til rent kobber)
15%
Hårdhed (Rockwell B)
75-85
Bearbejdelighed
20-100%
Tabel 1: Oversigt over mekaniske egenskaber for fosforbronze - Bemærk venligst, at denne tabel er en generel oversigt og ikke en liste over de faktiske egenskaber af alle fosforbronzer.
Trækflydespænding er en spændingsværdi, der bestemmer det punkt, hvor et materiale deformeres plastisk. Det er et almindeligt mål for et materiales ikke-flydespænding, da spændinger under dette punkt ikke vil bøje eller strække legeringen (selvom der altid er undtagelser). Det er en nyttig foranstaltning for producenter ved bearbejdning og i applikationer, hvor materialet skal holde sin form uden at gå på kompromis med den strukturelle integritet. Fosforbronze har en imponerende flydespænding, der konkurrerer med nogle aluminiumslegeringer og endda overgår andre bronzer, takket være dens høje andel af tin og fosfor. Kombineret med dens gode fjederegenskaber skaber dette en legering, der er stærk og holder sig.
Elasticitetsmodulet, eller Youngs modul, beskriver et materiales evne til at deformere elastisk, dvs. materialets stivhed. Modintuitivt indikerer et højere Youngs modul et mere elastisk materiale, men dette er ikke et mål for "elasticitet"; det er et mål for det indre materiales styrke, og hvor sandsynligt det er, at det vender tilbage til sin oprindelige form under øget kraft. Derfor betyder et højt Youngs modul, at materialet generelt er stærkt, fordi det ikke deformeres plastisk under øgede belastningsforhold. Fosforbronze har et ret højt elasticitetsmodul (næsten det halve af de fleste stål), hvilket indikerer, at det ikke er så stærkt som andre legeringer, men kan holde sig under moderate forhold. Dette resulterer i, at fosforbronze både er nyttig til formningsoperationer og sværere at bearbejde, men mere om det senere.
Fosforbronze har en elektrisk ledningsevne på omkring 15 % af rent kobber - så hvorfor bruge det i elektriske applikationer, når kobber kan bære elektricitet meget bedre? Svaret ligger i fosforbronzes gode balance mellem udmattelsesstyrke, korrosionsbestandighed og elektrisk ledningsevne. Selvom det ikke er en fremtrædende legering i nogen af ovenstående kategorier, betyder dens evne til at være holdbar, stærk og ledende, at elektriske komponenter fremstillet af fosforbronze vil holde længere end deres kobberanaloger. Som følge heraf har fosforbronze længe været brugt som materiale til elektriske kontakter, fastgørelseselementer, stik osv., fordi det kan modstå mekaniske og elektriske belastninger bedre end dets typiske kobbermodstykke.
Materialehårdhed er altid i forhold til en eller anden standard durometer, og de forskellige hårdhedsskalaer giver en sammenlignende liste over materialer inden for samme generelle kategori/materiale. Tabel 1 viser hårdhedsværdier på Rockwell B-skalaen, som almindeligvis bruges til at beskrive hårdheden af kobberlegeringer og andre metaller. Materialer med lavere hårdhedsværdier er generelt blødere, hvilket betyder, at de lettere bliver ridset, bulet og lokalt deformeret på overfladen, mens højere tal angiver materialer, der er svære at ridse (tænk borosilikatglas, keramik osv.). Til reference har kobber en Rockwell B-hårdhed på omkring 50, så det fremgår tydeligt af tabel 1, at fosforbronze er mere ridsefast end sin rene form. Det er heller ikke så stærkt som andre, mere hærdelige legeringer som stål, som kan være bedre eller dårligere afhængigt af anvendelsen. For eksempel, hvis ætsning og indlægning er en del af applikationen, kan fosforbronze være en god balance mellem styrke og bearbejdelighed, men dette afhænger af den specifikke legeringstype og forstærkningsprocedure.
Ligesom hårdhed er bearbejdelighed et sammenlignende mål for et materiales evne til at blive bearbejdet og refereres altid til et eller andet standardbearbejdningsmateriale (for bronzer er dette materiale UNS C36000 – Free Cutting Brass). Dette standardmateriale har en bearbejdelighedsscore på 100 %, hvilket betyder, at det er nemt at bearbejde og giver få problemer i en butik. Legeringer med score under 100 % er sværere at bearbejde sammenlignet med denne reference, og det er ofte tilfældet med fosforbronze; fosforbronze kan dog fremstilles specielt til at løse disse problemer (såvel som de fleste andre legeringer, afhængigt af din kilde). Fosforbronze kan købes med et højere blyindhold, hvilket vil eliminere dets bearbejdningsbesvær, da det bliver mere selvsmørende. Så selvom de fleste fosforbronzelegeringer er noget svære at fræse, kan dette problem løses ved at vælge den rigtige legering.
Anvendelser af fosforbronze
Fosforbronze har været brugt i elektriske komponenter i mange år, men det finder stadig nye anvendelser på grund af teknologiske fremskridt og behovet for mere specialiserede materialer. Nedenfor er en liste over fosforbronze applikationer, men ved, at det har mange anvendelser uden for denne liste, og nye applikationer er stadig under udvikling.
Nogle almindelige applikationer omfatter:
Fjedre
Bøsninger, bøsninger og lejer
Svejsestænger
Smykker
Guitarstrenge
Tandbroer
