O fosfornoj bronci - čvrstoća, svojstva i uporaba
Bronca je prešla dug put od legure bakra i kositra, sada je mnogo šira klasa bakrenih legura koje i danas pronalaze nove namjene. Međutim, raznolikost bronce može otežati odabir materijala, tako da će ovaj članak pomoći ublažiti dio zabune istraživanjem jedne vrste bronce, fosforne bronce. Ispitujući fizikalna, kemijska i mehanička svojstva fosforne bronce, ovaj članak ima za cilj pomoći zainteresiranim dizajnerima da odrede je li ova legura bakra dobar izbor za njihov projekt. Najprije ćemo ispitati sastav fosforne bronce, zatim raspraviti o njenim prednostima, nedostacima, mehaničkim svojstvima i na kraju raspraviti o uobičajenim primjenama ovog korisnog metala.
Fizička svojstva fosforne bronce
Možda bi bilo korisno pregledati naš članak o vrstama bronce kako biste razumjeli sličnosti između legura bakra i njihove popularne primjene.
Ispod, na slici 1, nalazi se kvalitativni grafikon koji opisuje sastav fosforne bronce:
Tortni grafikon predstavlja materijalni sastav fosforne bronce.
Slika 1: Kvalitativna razgradnja fosforne bronce.
Imajte na umu da su uključeni postoci cinka, željeza, olova i fosfora beskrajno mali.
Gledajući sliku 1, možda će biti teško razumjeti zašto je fosforna bronca tako nazvana kada se primarno sastoji od legure bakra i kositra. To je zato što je potrebna samo mala količina fosfora, oko 0.03-0.035% po težini, kako bi se ovim legurama dala njihova jedinstvena svojstva, kao što je poboljšana tečnost, otpornost na trošenje i krutost. Također su poznate kao kositrene bronce, ali uvijek je prisutna određena količina fosfora da bi se doista smatrale fosfornim broncama. Uz gustoću od oko 8,8 g/cm3, većina oblika ovih legura reagira na vruću obradu, hladnu obradu i toplinsku obradu. Izuzetno su elastični, otporni na zamor i koroziju i mogu se lako oblikovati, lijevati i zavarivati. Dodatak olova čini fosfornu broncu jačom i lakšom za strojnu obradu, ali fosforna bronca bez olova također je sama po sebi jaka i otporna. Najčešće se koriste u primjenama otpornim na koroziju, kao i u drugim primjenama koje zahtijevaju otporan, ali izdržljiv materijal.
Otpor i slabosti
Većina legura fosforne bronce otporne su na promjenu boje i koroziju, što ih čini korisnim u električnim cjevovodima i drugim korozivnim okruženjima. Također su otporni na umor, što znači da zadržavaju svoju čvrstoću tijekom mnogih ciklusa opterećenja. Dodatak kositra će povećati tu otpornost kao i njegovu čvrstoću, dok će dodavanjem olova fosforna bronca, kolokvijalno poznata kao "prijatelj strojara" (legura COLPHOS 90 / C54400) jer se praktički ne razlikuje od legura mjedi za slobodno rezanje. Većina legura razvija atraktivnu patinu u prisutnosti kisika, tako da se također može koristiti u dekorativnim primjenama. Glavni nedostaci fosforne bronce vjerojatno su njena manja električna vodljivost, budući da fosfor smanjuje sposobnost metala da provodi električnu struju, i njena cijena. Prašina i pare od fosforne bronce također su otrovni kada se udahnu, pa budite oprezni sa svojim novčanikom i plućima.
Mehanička svojstva
Tablica 1 u nastavku prikazuje neka mehanička svojstva koja su relevantna za upotrebu i čvrstoću fosforne bronce. Ovaj odjeljak će ukratko objasniti svako svojstvo i pokazati kako oni ovu leguru bakra čine jedinstvenom.
Vlačna 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%
Tablica 1: Sažetak mehaničkih svojstava fosforne bronce - Imajte na umu da je ova tablica opći sažetak, a ne popis stvarnih svojstava svih fosfornih brončanih zrna.
Vlačna granica tečenja je vrijednost naprezanja koja određuje točku u kojoj se materijal plastično deformira. To je uobičajena mjera otpornosti na tečenje materijala, jer naprezanja ispod ove točke neće saviti ili rastegnuti leguru (iako uvijek postoje iznimke). To je korisna mjera za proizvođače pri strojnoj obradi i primjenama gdje materijal mora zadržati svoj oblik bez ugrožavanja strukturalnog integriteta. Fosforna bronca ima impresivnu granicu tečenja koja se može mjeriti s nekim aluminijskim legurama, pa čak i premašuje druge bronce, zahvaljujući visokom udjelu kositra i fosfora. U kombinaciji s dobrim opružnim svojstvima, to 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 unutarnje čvrstoće materijala i koliko je vjerojatno da će se vratiti u svoj izvorni oblik pod povećanom silom. Stoga visok Youngov modul znači da je materijal općenito čvrst jer se ne deformira plastično u uvjetima povećanog opterećenja. Fosforna bronca ima prilično visok modul elastičnosti (gotovo upola manji od većine čelika), što ukazuje na to da nije tako jaka kao druge legure, ali može izdržati u umjerenim uvjetima. To rezultira time da je fosforna bronca i korisna za operacije oblikovanja i teža za strojnu obradu, ali više o tome kasnije.
Fosforna bronca ima električnu vodljivost od oko 15% od čistog bakra - pa zašto je koristiti u električnim primjenama kada bakar može puno bolje prenositi struju? Odgovor leži u dobroj ravnoteži zamorne čvrstoće, otpornosti na koroziju i električne vodljivosti fosforne bronce. Iako nije legura koja se ističe ni u jednoj od navedenih kategorija, njezina sposobnost da bude izdržljiva, jaka i vodljiva znači da će električne komponente izrađene od fosforne bronce trajati dulje od svojih bakrenih analoga. Kao rezultat toga, fosforna bronca se već dugo koristi kao materijal za električne prekidače, pričvršćivače, konektore itd., jer može izdržati mehanička i električna opterećenja bolje od svog tipičnog bakrenog dvojnika.
Tvrdoća materijala uvijek je u odnosu na neki standardni durometar, a različite ljestvice tvrdoće daju usporedni popis materijala unutar iste opće kategorije/materijala. Tablica 1 prikazuje vrijednosti tvrdoće na Rockwell B ljestvici, koja se obično koristi za opisivanje tvrdoće legura bakra i drugih metala. Materijali s nižim vrijednostima tvrdoće općenito su mekši, što znači da ih je lakše izgrebati, ulubiti i lokalno deformirati na površini, dok veći brojevi označavaju materijale koje je teško ogrebati (mislimo na borosilikatno staklo, keramiku itd.). Za referencu, bakar ima Rockwell B tvrdoću od oko 50, tako da je iz tablice 1 jasno da je fosforna bronca otpornija na ogrebotine od svog čistog oblika. Također nije tako jaka kao druge, lakše kaljive legure poput čelika, koji može biti bolji ili lošiji ovisno o primjeni. Na primjer, ako su jetkanje i umetanje dio primjene, fosforna bronca može biti dobra ravnoteža između čvrstoće i obradivosti, ali to ovisi o specifičnoj vrsti legure i postupku ojačavanja.
Poput tvrdoće, obradivost je usporedna mjera sposobnosti materijala za strojnu obradu i uvijek se odnosi na neki standardni materijal za strojnu obradu (za bronce, ovaj materijal je UNS C36000 – mjed za slobodno rezanje). Ovaj standardni materijal ima ocjenu obradivosti od 100%, što znači da se lako obrađuje i ne predstavlja probleme u radionici. Legure s rezultatima ispod 100% teže se obrađuju u usporedbi s ovom referencom, a to je često slučaj s fosfornom broncom; međutim, fosforna bronca može se posebno proizvesti za rješavanje ovih problema (kao i većina drugih legura, ovisno o vašem izvoru). Fosforna bronca se može kupiti s većim udjelom olova, što će eliminirati poteškoće u strojnoj obradi jer postaje više samopodmazujuća. Iako je većinu legura fosforne bronce donekle teško mljeti, ovaj se problem može riješiti odabirom prave legure.
Primjena fosforne bronce
Fosforna bronca se godinama koristi u električnim komponentama, ali još uvijek pronalazi nove namjene zbog tehnološkog napretka i potrebe za specijaliziranijim materijalima. Dolje je popis aplikacija za fosfornu broncu, ali imajte na umu da ima mnogo namjena izvan ovog popisa, a nove aplikacije se još uvijek razvijaju.
Neke uobičajene primjene uključuju:
Opruge
Čahure, čahure i ležajevi
Šipke za zavarivanje
Nakit
Žice za gitaru
Zubni mostovi
I više.
