О фосфорной бронзе – прочность, свойства и применение
Бронза прошла долгий путь от сплава меди и олова; теперь это гораздо более широкий класс медных сплавов, которые и сегодня находят новые применения. Однако разнообразие бронзы может затруднить выбор материала, поэтому эта статья поможет облегчить путаницу, рассмотрев один тип бронзы — фосфористую бронзу. Изучая физические, химические и механические свойства фосфористой бронзы, эта статья призвана помочь заинтересованным дизайнерам определить, является ли этот медный сплав хорошим выбором для их проекта. Сначала мы рассмотрим состав фосфористой бронзы, затем обсудим ее преимущества, недостатки, механические свойства и, наконец, обсудим общие применения этого полезного металла.
Физические свойства фосфористой бронзы
Возможно, будет полезно просмотреть нашу статью о типах бронз, чтобы понять общие черты между медными сплавами и их популярным применением.
Ниже, на рисунке 1, представлена качественная диаграмма, описывающая состав фосфористой бронзы:
Круговая диаграмма материального состава фосфористой бронзы.
Рисунок 1: Качественный анализ фосфористой бронзы.
Обратите внимание, что процентное содержание цинка, железа, свинца и фосфора бесконечно мало.
Глядя на рисунок 1, может быть трудно понять, почему фосфористая бронза названа так, хотя она в основном состоит из сплава меди и олова. Это связано с тем, что для придания этим сплавам их уникальных свойств, таких как улучшенная текучесть, износостойкость и жесткость, требуется лишь небольшое количество фосфора, около 0.03-0.035% по весу. Они также известны как оловянные бронзы, но в них всегда присутствует определенное количество фосфора, поэтому их можно считать фосфорными бронзами. При плотности около 8,8 г/см3 большинство форм этих сплавов поддаются горячей, холодной и термообработке. Они чрезвычайно эластичны, устойчивы к усталости и коррозии, легко формуются, заливаются и свариваются. Добавление свинца делает фосфорную бронзу прочнее и легче обрабатывается, но бессвинцовая фосфористая бронза сама по себе также прочна и устойчива. Они чаще всего используются в коррозионностойких приложениях, а также в других приложениях, где требуется упругий, но долговечный материал.
Сопротивление и слабости
Большинство сплавов фосфористой бронзы устойчивы к обесцвечиванию и коррозии, что делает их полезными в электропроводках и других агрессивных средах. Они также устойчивы к усталости, то есть сохраняют свою прочность в течение многих циклов нагрузки. Добавление олова увеличит это сопротивление, а также его прочность, а добавление свинца приведет к образованию фосфористой бронзы, в просторечии известной как «друг машиниста» (сплав COLPHOS 90 / C54400), поскольку она практически неотличима от автоматных латунных сплавов. Большинство сплавов образуют привлекательную патину в присутствии кислорода, поэтому их также можно использовать в декоративных целях. Основными недостатками фосфористой бронзы, вероятно, являются ее более низкая электропроводность, поскольку фосфор снижает способность металла проводить электрический ток, а также его цену. Пыль и пары фосфорной бронзы также токсичны при вдыхании, поэтому будьте осторожны с кошельком и легкими.
Механические свойства
В таблице 1 ниже показаны некоторые механические свойства, которые имеют отношение к использованию и прочности фосфористой бронзы. В этом разделе кратко объясняется каждое свойство и показано, как они делают этот медный сплав уникальным.
Предел текучести при растяжении
380-450 МПа
55100-65260 фунтов на квадратный дюйм
Модуль упругости
110 ГПа
16000 фунтов на квадратный дюйм
Электропроводность (относительно чистой меди)
15%
Твердость (по Роквеллу Б)
75-85
Обрабатываемость
20-100%
Таблица 1: Обзор механических свойств фосфористой бронзы. Обратите внимание, что эта таблица представляет собой общую сводку, а не список фактических свойств всех фосфористых бронз.
Предел текучести при растяжении — это величина напряжения, определяющая точку, в которой материал пластически деформируется. Это обычная мера предела текучести материала, поскольку напряжения ниже этой точки не сгибают и не растягивают сплав (хотя всегда есть исключения). Это полезная мера для производителей при механической обработке и в тех случаях, когда материал должен сохранять свою форму без ущерба для структурной целостности. Фосфористая бронза обладает впечатляющим пределом текучести, который конкурирует с некоторыми алюминиевыми сплавами и даже превосходит другие бронзы благодаря высокому содержанию олова и фосфора. В сочетании с хорошими пружинящими свойствами это создает прочный и устойчивый сплав.
Модуль упругости, или модуль Юнга, описывает способность материала упруго деформироваться, т. е. жесткость материала. Как ни странно, более высокий модуль Юнга указывает на более эластичный материал, но это не мера «эластичности»; это мера прочности внутреннего материала и вероятности того, что он вернется к своей первоначальной форме под действием увеличенной силы. Таким образом, высокий модуль Юнга означает, что материал в целом прочный, поскольку он не деформируется пластически в условиях повышенной нагрузки. Фосфористая бронза имеет довольно высокий модуль упругости (почти вдвое меньше, чем у большинства сталей), что указывает на то, что она не так прочна, как другие сплавы, но может сохранять свои свойства в умеренных условиях. В результате фосфористая бронза становится одновременно полезной для операций формовки и более сложной в обработке, но об этом позже.
Фосфорная бронза имеет электропроводность около 15% от чистой меди — так зачем использовать ее в электротехнике, если медь может проводить электричество гораздо лучше? Ответ заключается в хорошем балансе усталостной прочности, коррозионной стойкости и электропроводности фосфористой бронзы. Хотя он и не является выдающимся сплавом ни в одной из вышеперечисленных категорий, его способность быть долговечным, прочным и проводящим означает, что электрические компоненты, изготовленные из фосфористой бронзы, прослужат дольше, чем их медные аналоги. В результате фосфористая бронза уже давно используется в качестве материала для электрических переключателей, крепежа, разъемов и т. д., поскольку она лучше выдерживает механические и электрические нагрузки, чем ее типичный медный аналог.
Твердость материала всегда измеряется относительно какого-либо стандартного твердомера, а различные шкалы твердости предоставляют сравнительный список материалов одной и той же общей категории/материала. В таблице 1 приведены значения твердости по шкале Роквелла Б, которая обычно используется для описания твердости медных сплавов и других металлов. Материалы с более низкими значениями твердости, как правило, более мягкие, то есть их легче царапать, вмятины и локально деформировать на поверхности, тогда как более высокие цифры указывают на материалы, которые трудно поцарапать (например, боросиликатное стекло, керамику и т. д.). Для справки: медь имеет твердость по шкале Роквелла B около 50, поэтому из таблицы 1 видно, что фосфористая бронза более устойчива к царапинам, чем ее чистая форма. Он также не такой прочный, как другие, более закаливаемые сплавы, такие как сталь, которые могут быть лучше или хуже в зависимости от применения. Например, если травление и инкрустация являются частью применения, фосфористая бронза может быть хорошим балансом между прочностью и обрабатываемостью, но это зависит от конкретного типа сплава и процедуры упрочнения.
Как и твердость, обрабатываемость является сравнительной мерой способности материала к механической обработке и всегда относится к некоторому стандартному обрабатывающему материалу (для бронзы этим материалом является UNS C36000 – латунь для свободной резки). Этот стандартный материал имеет показатель обрабатываемости 100 %, что означает, что его легко обрабатывать и он не создает особых проблем в цеху. Сплавы с показателем ниже 100% сложнее обрабатывать по сравнению с этим эталоном, и это часто относится к фосфористой бронзе; однако фосфористую бронзу можно изготовить специально для решения этих проблем (как и большинство других сплавов, в зависимости от источника). Фосфористую бронзу можно приобрести с более высоким содержанием свинца, что устранит трудности ее обработки, поскольку она станет более самосмазывающейся. Таким образом, хотя большинство сплавов фосфористой бронзы довольно сложно фрезеровать, эту проблему можно решить, выбрав правильный сплав.
Применение фосфористой бронзы
Фосфорная бронза уже много лет используется в электрических компонентах, но она все еще находит новые применения из-за технологических достижений и потребности в более специализированных материалах. Ниже приведен список применений фосфористой бронзы, но знайте, что у нее есть много применений за пределами этого списка, и новые области применения все еще разрабатываются.
Некоторые распространенные приложения включают в себя:
Пружины
Втулки, втулки и подшипники
Сварочные электроды
Ювелирные изделия
Гитарные струны
Зубные мосты
