A Phosphor Bronze - Erősség, Tulajdonságok és Felhasználás
A bronz hosszú utat tett meg attól, hogy a réz és ón ötvözete legyen, ma már a rézötvözetek sokkal szélesebb osztálya, amely még ma is új felhasználásra talál. A bronzok sokfélesége azonban megnehezítheti az anyagválasztást, ezért ez a cikk a bronz egyik típusának, a foszforbronznak a feltárásával segít enyhíteni a zavart. A foszforbronz fizikai, kémiai és mechanikai tulajdonságainak vizsgálatával ez a cikk célja, hogy segítsen az érdeklődő tervezőknek eldönteni, hogy ez a rézötvözet jó választás-e projektjük számára. Először megvizsgáljuk a foszforbronz összetételét, majd megvitatjuk előnyeit, hátrányait, mechanikai tulajdonságait, végül pedig ennek a hasznos fémnek a közös alkalmazásait.
A foszforbronz fizikai tulajdonságai
Hasznos lehet a bronztípusokról szóló cikkünk áttekintése, hogy megértsük a rézötvözetek és népszerű alkalmazásaik közötti közös vonásokat.
Alább, az 1. ábrán látható egy minőségi diagram, amely leírja a foszforbronz összetételét:
A foszforbronz anyagösszetételének kördiagramos ábrázolása.
1. ábra: A foszforbronz minőségi lebontása.
Vegye figyelembe, hogy a benne lévő cink, vas, ólom és foszfor százalékos aránya végtelenül kicsi.
Az 1. ábrát tekintve nehéz lehet megérteni, hogy miért nevezik így a foszforbronzt, amikor ötvözetként elsősorban rézből és ónból áll. Ennek az az oka, hogy csak kis mennyiségű foszfor, körülbelül 0.03-0,035 tömegszázalék szükséges ahhoz, hogy ezek az ötvözetek egyedi tulajdonságaikat, például jobb folyást, kopásállóságot és merevséget biztosítsanak. Ónbronznak is nevezik őket, de bizonyos mennyiségű foszfor mindig jelen van, hogy valóban foszforbronznak tekintsük. Körülbelül 8,8 g/cm3 sűrűséggel ezeknek az ötvözeteknek a legtöbb formája jól reagál a meleg-, hideg- és hőkezelésre. Rendkívül rugalmasak, ellenállnak a fáradásnak és a korróziónak, könnyen alakíthatók, önthetők és hegeszthetők. Az ólom hozzáadása erősebbé és könnyebben megmunkálhatóbbá teszi a foszforbronzokat, de az ólommentes foszforbronzok önmagukban is erősek és ellenállóak. Leggyakrabban korrózióálló alkalmazásokban, valamint más olyan alkalmazásokban használják, amelyek rugalmas, de tartós anyagot igényelnek.
Ellenállás és gyengeségek
A legtöbb foszforbronz ötvözet ellenáll az elszíneződésnek és a korróziónak, így hasznosak elektromos vezetékekben és más korrozív környezetben. Fáradásállóak is, vagyis sok terhelési cikluson keresztül megőrzik erejüket. Az ón hozzáadása növeli ezt az ellenállást és szilárdságát, míg az ólom hozzáadásával a foszforbronz válik a köznyelvben "gépész barátjaként" (COLPHOS 90 / C54400 ötvözet), mivel gyakorlatilag megkülönböztethetetlen a szabadon vágható sárgarézötvözetektől. A legtöbb ötvözet vonzó patinát hoz létre oxigén jelenlétében, így dekorációs célokra is használható. A foszforbronz fő hátránya valószínűleg az alacsonyabb elektromos vezetőképessége, mivel a foszfor csökkenti a fém elektromos áramvezetési képességét és az árcédulát. A foszforbronz por és gőzök is mérgezőek belélegezve, ezért legyen óvatos a pénztárcájával és a tüdejével.
Mechanikai tulajdonságok
Az alábbi 1. táblázat bemutat néhány mechanikai tulajdonságot, amelyek relevánsak a foszforbronz felhasználása és szilárdsága szempontjából. Ez a rész röviden ismerteti az egyes tulajdonságokat, és bemutatja, hogyan teszik egyedivé ezt a rézötvözetet.
Szakítószilárdság
380-450 MPa
55100-65260 psi
Rugalmassági modulusz
110 GPa
16000 ksi
Elektromos vezetőképesség (tiszta rézhez viszonyítva)
15%
Keménység (Rockwell B)
75-85
Megmunkálhatóság
20-100%
1. táblázat: A foszforbronz mechanikai tulajdonságainak összefoglalása - Kérjük, vegye figyelembe, hogy ez a táblázat egy általános összefoglalás, nem pedig az összes foszforbronz tényleges tulajdonságainak felsorolása.
A szakítószilárdság egy olyan feszültségérték, amely meghatározza azt a pontot, ahol az anyag plasztikusan deformálódik. Ez az anyag folyásmentességének általános mértéke, mivel az e pont alatti feszültségek nem hajlítják meg vagy feszítik meg az ötvözetet (bár mindig vannak kivételek). Hasznos intézkedés a gyártók számára megmunkáláskor és olyan alkalmazásokban, ahol az anyagnak meg kell tartania alakját a szerkezeti integritás veszélyeztetése nélkül. A foszforbronz lenyűgöző folyáshatárral rendelkezik, amely egyes alumíniumötvözetekkel vetekszik, sőt, a magas ón- és foszforaránynak köszönhetően meghaladja a többi bronzot. Jó rugós tulajdonságaival kombinálva ez egy olyan ötvözetet hoz létre, amely erős és megállja a helyét.
A rugalmassági modulus, vagy a Young-modulus az anyag rugalmas deformálódási képességét írja le, azaz az anyag merevségét. Ellenkezőleg, a magasabb Young-modulus rugalmasabb anyagot jelez, de ez nem a "rugalmasság" mértéke; ez a belső anyag szilárdságának mértéke, és annak a valószínűsége, hogy megnövekedett erő hatására visszanyeri eredeti alakját. Ezért a nagy Young-modulus azt jelenti, hogy az anyag általában erős, mert nem deformálódik plasztikusan megnövekedett terhelés mellett. A foszforbronznak meglehetősen magas rugalmassági modulusa van (majdnem fele a legtöbb acélénak), ami azt jelzi, hogy nem olyan erős, mint más ötvözetek, de mérsékelt körülmények között is megállja a helyét. Ez azt eredményezi, hogy a foszforbronz hasznos lehet alakítási műveletekhez és nehezebb megmunkálni, de erről később.
A foszforbronz elektromos vezetőképessége körülbelül 15%-a a tiszta réznek – akkor miért használjuk elektromos alkalmazásokban, amikor a réz sokkal jobban képes áramot szállítani? A válasz a foszforbronz kifáradási szilárdsága, korrózióállósága és elektromos vezetőképessége közötti jó egyensúlyban rejlik. Bár a fenti kategóriák egyikében sem kiemelkedő ötvözet, tartós, erős és vezetőképessége azt jelenti, hogy a foszforbronzból készült elektromos alkatrészek tovább tartanak, mint a réz analógjaik. Ennek eredményeként a foszforbronzot régóta használják elektromos kapcsolók, kötőelemek, csatlakozók stb. anyagaként, mert jobban bírja a mechanikai és elektromos terheléseket, mint tipikus réz társa.
Az anyagkeménység mindig valamilyen szabványos durométerhez viszonyítva van, és a különböző keménységi skálák összehasonlító listát adnak az azonos általános kategóriába/anyagba tartozó anyagokról. Az 1. táblázat a Rockwell B skála keménységi értékeit mutatja, amelyet általában a rézötvözetek és más fémek keménységének leírására használnak. Az alacsonyabb keménységű anyagok általában puhábbak, vagyis könnyebben karcolódnak, horpadnak és lokálisan deformálódnak a felületükön, míg a magasabb számok a nehezen karcolható anyagokat jelölik (gondoljunk a boroszilikát üvegre, kerámiára stb.). Referenciaként a réz Rockwell B keménysége körülbelül 50, így az 1. táblázatból egyértelműen kiderül, hogy a foszforbronz karcállóbb, mint tiszta formája. Nem olyan erős, mint más, jobban edzhető ötvözetek, például az acél, amelyek az alkalmazástól függően jobbak vagy rosszabbak lehetnek. Például, ha a maratás és a berakás az alkalmazás részét képezi, a foszforbronz jó egyensúlyt jelenthet a szilárdság és a megmunkálhatóság között, de ez az adott ötvözet típusától és az erősítési eljárástól függ.
A keménységhez hasonlóan a megmunkálhatóság az anyag megmunkálhatóságának összehasonlító mértéke, és mindig valamilyen szabványos megmunkálási anyagra vonatkozik (bronzoknál ez az anyag az UNS C36000 – Free Cutting Brass). Ennek a szabványos anyagnak a megmunkálhatósági pontszáma 100%, ami azt jelenti, hogy könnyen megmunkálható, és kevés problémát okoz a műhelyben. A 100% alatti pontszámmal rendelkező ötvözetek megmunkálása nehezebb, mint ehhez a referenciahoz, és ez gyakran előfordul a foszforbronz esetében; a foszforbronz azonban speciálisan előállítható ezeknek a problémáknak a megoldására (valamint a legtöbb más ötvözet is, a forrástól függően). A foszforbronz magasabb ólomtartalommal vásárolható meg, ami kiküszöböli a megmunkálási nehézségeket, mivel önkenőbbé válik. Tehát bár a legtöbb foszforbronz ötvözetet kissé nehéz megmarni, ez a probléma megoldható a megfelelő ötvözet kiválasztásával.
A Phosphor Bronze alkalmazásai
A foszforbronzot évek óta használják elektromos alkatrészekben, de a technológiai fejlődés és a speciálisabb anyagok iránti igény miatt még mindig talál új felhasználási területet. Az alábbiakban a foszforbronz alkalmazások listája található, de tudnia kell, hogy ezen a listán kívül számos felhasználási területe van, és az új alkalmazások fejlesztése még folyamatban van.
Néhány gyakori alkalmazás:
Springs
Perselyek, perselyek és csapágyak
Hegesztőrudak
Ékszerek
Gitárhúrok
Fogászati hidak
És több.
