O brązie fosforowym - siła, właściwości i zastosowania
Brąz przeszedł długą drogę od stopu miedzi i cyny, obecnie jest znacznie szerszą klasą stopów miedzi, które wciąż znajdują nowe zastosowania. Jednakże różnorodność brązów może utrudnić wybór materiału, dlatego ten artykuł pomoże rozwiać pewne zamieszanie poprzez zbadanie jednego rodzaju brązu, brązu fosforowego. Badając właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne brązu fosforowego, artykuł ten ma na celu pomóc zainteresowanym projektantom w określeniu, czy ten stop miedzi jest dobrym wyborem dla ich projektu. Najpierw zbadamy skład brązu fosforowego, następnie omówimy jego zalety, wady, właściwości mechaniczne, a na koniec omówimy typowe zastosowania tego przydatnego metalu.
Właściwości fizyczne brązu fosforowego
Pomocne może być zapoznanie się z naszym artykułem na temat rodzajów brązów, aby zrozumieć podobieństwa między stopami miedzi a ich popularnymi zastosowaniami.
Poniżej na ryc. 1 znajduje się wykres jakościowy opisujący skład brązu fosforowego:
Wykres kołowy przedstawiający skład materiału brązu fosforowego.
Rysunek 1: Jakościowy rozkład brązu fosforowego.
Należy pamiętać, że zawartość procentowa cynku, żelaza, ołowiu i fosforu jest nieskończenie mała.
Patrząc na rysunek 1, może być trudno zrozumieć, dlaczego brąz fosforowy ma taką nazwę, skoro składa się głównie z miedzi i cyny jako stopu. Dzieje się tak dlatego, że do nadania tym stopom ich unikalnych właściwości, takich jak lepsza płynność, odporność na zużycie i sztywność, potrzebna jest tylko niewielka ilość fosforu, około 0,03-0,035% wagowo. Są one również znane jako brązy cynowe, ale zawsze obecna jest pewna ilość fosforu, aby naprawdę można je było uznać za brązy fosforowe. Większość form tych stopów, o gęstości około 8,8 g/cm3, poddaje się obróbce na gorąco, na zimno i obróbce cieplnej. Są wyjątkowo sprężyste, odporne na zmęczenie i korozję, można je łatwo formować, zalewać i spawać. Dodatek ołowiu sprawia, że brązy fosforowe są mocniejsze i łatwiejsze w obróbce, ale brązy fosforowe bezołowiowe są również mocne i odporne same w sobie. Najczęściej stosuje się je w zastosowaniach odpornych na korozję, a także w innych zastosowaniach wymagających sprężystego, ale trwałego materiału.
Opór i słabości
Większość stopów brązu fosforowego jest odporna na odbarwienia i korozję, dzięki czemu są przydatne w przewodach elektrycznych i innych środowiskach korozyjnych. Są również odporne na zmęczenie, co oznacza, że zachowują swoją wytrzymałość przez wiele cykli obciążenia. Dodatek cyny zwiększy tę odporność i jej wytrzymałość, natomiast dodatek ołowiu pozwoli uzyskać brąz fosforowy, potocznie nazywany „przyjacielem mechanika” (stop COLPHOS 90 / C54400), ponieważ jest praktycznie nie do odróżnienia od stopów mosiądzu automatowego. Większość stopów tworzy atrakcyjną patynę w obecności tlenu, dlatego można je również stosować w zastosowaniach dekoracyjnych. Główną wadą brązu fosforowego jest prawdopodobnie jego niższa przewodność elektryczna, ponieważ fosfor zmniejsza zdolność metalu do przewodzenia prądu elektrycznego, a także jego cena. Pył i opary brązu fosforowego są również toksyczne w przypadku wdychania, dlatego należy uważać na portfel i płuca.
Właściwości mechaniczne
Tabela 1 poniżej przedstawia niektóre właściwości mechaniczne istotne dla zastosowań i wytrzymałości brązu fosforowego. W tej sekcji krótko wyjaśnimy każdą właściwość i pokażemy, w jaki sposób czynią one ten stop miedzi wyjątkowym.
Wytrzymałość na rozciąganie
380-450 MPa
55100-65260 psi
Moduł sprężystości
110 GPa
16000 ksi
Przewodność elektryczna (w odniesieniu do czystej miedzi)
15%
Twardość (Rockwella B)
75-85
Skrawalność
20-100%
Tabela 1: Podsumowanie właściwości mechanicznych brązu fosforowego — należy pamiętać, że ta tabela stanowi ogólne podsumowanie, a nie listę rzeczywistych właściwości wszystkich brązów fosforowych.
Granica plastyczności przy rozciąganiu to wartość naprężenia, która określa punkt, w którym materiał odkształca się plastycznie. Jest to powszechna miara granicy plastyczności materiału, ponieważ naprężenia poniżej tego punktu nie powodują zginania ani rozciągania stopu (chociaż zawsze są wyjątki). Jest to przydatny środek dla producentów podczas obróbki skrawaniem oraz w zastosowaniach, w których materiał musi zachować swój kształt bez naruszania integralności strukturalnej. Brąz fosforowy ma imponującą granicę plastyczności, która konkuruje z niektórymi stopami aluminium, a nawet przewyższa inne brązy, dzięki dużej zawartości cyny i fosforu. W połączeniu z dobrymi właściwościami sprężystymi tworzy to stop, który jest mocny i wytrzymały.
Moduł sprężystości, czyli moduł Younga, opisuje zdolność materiału do odkształcenia sprężystego, tj. sztywność materiału. Wbrew intuicji wyższy moduł Younga wskazuje na bardziej elastyczny materiał, ale nie jest to miara „elastyczności”; jest to miara wytrzymałości materiału wewnętrznego i prawdopodobieństwa powrotu do pierwotnego kształtu pod wpływem zwiększonej siły. Dlatego wysoki moduł Younga oznacza, że materiał jest ogólnie mocny, ponieważ nie odkształca się plastycznie w warunkach zwiększonego obciążenia. Brąz fosforowy ma dość wysoki moduł sprężystości (prawie połowę mniejszy niż większość stali), co wskazuje, że nie jest tak mocny jak inne stopy, ale może wytrzymać w umiarkowanych warunkach. Powoduje to, że brąz fosforowy jest zarówno przydatny w operacjach formowania, jak i trudniejszy w obróbce, ale o tym później.
Brąz fosforowy ma przewodność elektryczną rzędu 15% w porównaniu z czystą miedzią – po co więc stosować go w zastosowaniach elektrycznych, skoro miedź znacznie lepiej przenosi prąd? Odpowiedź leży w dobrej równowadze brązu fosforowego pod względem wytrzymałości zmęczeniowej, odporności na korozję i przewodności elektrycznej. Chociaż nie jest to stop wyróżniający się w żadnej z powyższych kategorii, jego trwałość, wytrzymałość i przewodzenie oznacza, że komponenty elektryczne wykonane z brązu fosforowego wytrzymają dłużej niż ich miedziane odpowiedniki. W rezultacie brąz fosforowy jest od dawna stosowany jako materiał na przełączniki elektryczne, elementy złączne, złącza itp., ponieważ wytrzymuje obciążenia mechaniczne i elektryczne lepiej niż jego typowy miedziany odpowiednik.
Twardość materiału zawsze odnosi się do pewnego standardowego twardościomierza, a różne skale twardości zapewniają porównawczą listę materiałów w ramach tej samej ogólnej kategorii/materiału. W tabeli 1 przedstawiono wartości twardości w skali Rockwella B, która jest powszechnie stosowana do opisu twardości stopów miedzi i innych metali. Materiały o niższych wartościach twardości są na ogół bardziej miękkie, co oznacza, że łatwiej je zarysować, wgniecić i lokalnie odkształcić na powierzchni, natomiast wyższe liczby wskazują na materiały, które są trudne do zarysowania (np. szkło borokrzemowe, ceramika itp.). Dla porównania, miedź ma twardość Rockwella B wynoszącą około 50, więc z tabeli 1 jasno wynika, że brąz fosforowy jest bardziej odporny na zarysowania niż jego czysta postać. Nie jest też tak mocny jak inne, bardziej utwardzalne stopy, takie jak stal, które mogą być lepsze lub gorsze w zależności od zastosowania. Na przykład, jeśli częścią zastosowania jest trawienie i inkrustowanie, brąz fosforowy może stanowić dobrą równowagę między wytrzymałością a obrabialnością, ale zależy to od konkretnego rodzaju stopu i procedury wzmacniania.
Podobnie jak twardość, obrabialność jest miarą porównawczą podatności materiału na obróbkę skrawaniem i zawsze odnosi się do jakiegoś standardowego materiału do obróbki (w przypadku brązów tym materiałem jest UNS C36000 – mosiądz automatowy). Ten standardowy materiał ma 100% skrawalność, co oznacza, że jest łatwy w obróbce i stwarza niewiele problemów w warsztacie. Stopy z wynikami poniżej 100% są trudniejsze w obróbce w porównaniu do tego odniesienia i często ma to miejsce w przypadku brązu fosforowego; jednakże brąz fosforowy może być produkowany specjalnie w celu rozwiązania tych problemów (podobnie jak większość innych stopów, w zależności od źródła). Brąz fosforowy można kupić z wyższą zawartością ołowiu, co wyeliminuje trudności w obróbce, ponieważ stanie się bardziej samosmarujący. Chociaż większość stopów brązu fosforowego jest dość trudna do frezowania, problem ten można rozwiązać, wybierając odpowiedni stop.
Zastosowania brązu fosforowego
Brąz fosforowy jest stosowany w elementach elektrycznych od wielu lat, jednak wciąż znajduje nowe zastosowania ze względu na postęp technologiczny i zapotrzebowanie na bardziej specjalistyczne materiały. Poniżej znajduje się lista zastosowań brązu fosforowego, ale należy pamiętać, że ma on wiele zastosowań poza tą listą, a nowe zastosowania są wciąż opracowywane.
Niektóre typowe zastosowania obejmują:
Sprężyny
Tuleje, tuleje i łożyska
Druty do spawania
Biżuteria
Struny do gitary
Mosty dentystyczne
