Par fosfora bronzu – stiprums, īpašības un pielietojums
Bronza ir nogājusi garu ceļu no vara un alvas sakausējuma, tagad tā ir daudz plašāka vara sakausējumu klase, kas joprojām atrod jaunus lietojumus. Tomēr bronzas daudzveidība var apgrūtināt materiālu izvēli, tāpēc šis raksts palīdzēs mazināt neskaidrības, izpētot vienu bronzas veidu, fosforbronzu. Izpētot fosfora bronzas fizikālās, ķīmiskās un mehāniskās īpašības, šī raksta mērķis ir palīdzēt ieinteresētajiem dizaineriem noteikt, vai šis vara sakausējums ir laba izvēle viņu projektam. Vispirms mēs pārbaudīsim fosforbronzas sastāvu, pēc tam apspriedīsim tās priekšrocības, trūkumus, mehāniskās īpašības un visbeidzot apspriedīsim šī noderīgā metāla kopīgus pielietojumus.
Fosfora bronzas fizikālās īpašības
Var būt noderīgi pārskatīt mūsu rakstu par bronzas veidiem, lai izprastu kopīgās iezīmes starp vara sakausējumiem un to populārajiem lietojumiem.
Zemāk, 1. attēlā, ir kvalitatīva diagramma, kas apraksta fosfora bronzas sastāvu:
Sektoru diagramma fosforbronzas materiāla sastāva attēlojums.
1. attēls: fosforbronzas kvalitatīvais sadalījums.
Ņemiet vērā, ka iekļautā cinka, dzelzs, svina un fosfora procentuālais daudzums ir bezgalīgi mazs.
Aplūkojot 1. attēlu, var būt grūti saprast, kāpēc fosfora bronza ir tā nosaukta, ja tā galvenokārt sastāv no vara un alvas kā sakausējuma. Tas ir tāpēc, ka ir nepieciešams tikai neliels daudzums fosfora, aptuveni 0.03-0,035% no svara, lai šiem sakausējumiem piešķirtu to unikālās īpašības, piemēram, uzlabotu plūsmu, nodilumizturību un stingrību. Tos sauc arī par alvas bronzām, taču vienmēr ir klāt zināms daudzums fosfora, lai tos patiesi uzskatītu par fosfora bronzu. Ar blīvumu aptuveni 8,8 g/cm3 lielākā daļa šo sakausējumu veidu reaģē uz karsto apstrādi, aukstu apstrādi un termisko apstrādi. Tie ir ārkārtīgi elastīgi, izturīgi pret nogurumu un koroziju, un tos var viegli veidot, izliet un metināt. Svina pievienošana padara fosfora bronzas stiprākas un vieglāk apstrādājamas, bet bezsvina fosfora bronzas ir arī spēcīgas un izturīgas pašas par sevi. Tos visbiežāk izmanto pret koroziju izturīgos lietojumos, kā arī citos lietojumos, kur nepieciešams elastīgs, bet izturīgs materiāls.
Pretestība un vājās puses
Lielākā daļa fosfora bronzas sakausējumu ir izturīgi pret krāsas maiņu un koroziju, padarot tos noderīgus elektriskajos cauruļvados un citās korozīvās vidēs. Tie ir arī izturīgi pret nogurumu, kas nozīmē, ka tie saglabā savu spēku daudzos slodzes ciklos. Alvas pievienošana palielinās šo pretestību, kā arī stiprību, savukārt svina pievienošana padarīs fosforbronzu, ko sarunvalodā dēvē par "mašīnista draugu" (sakausējums COLPHOS 90 / C54400), jo to praktiski nevar atšķirt no brīvi griežamiem misiņa sakausējumiem. Lielākajai daļai sakausējumu skābekļa klātbūtnē veidojas pievilcīga patina, tāpēc to var izmantot arī dekoratīvos lietojumos. Galvenie fosfora bronzas trūkumi, iespējams, ir tās zemākā elektrovadītspēja, jo fosfors samazina metāla spēju vadīt elektrisko strāvu, un tā cena. Fosfora bronzas putekļi un izgarojumi arī ir toksiski ieelpojot, tāpēc esiet uzmanīgi ar savu maku un plaušām.
Mehāniskās īpašības
1. tabulā ir parādītas dažas mehāniskās īpašības, kas attiecas uz fosforbronzas lietojumu un izturību. Šajā sadaļā īsi izskaidrots katrs īpašums un parādīts, kā tie padara šo vara sakausējumu unikālu.
Stiepes izturība
380-450 MPa
55100-65260 psi
Elastības modulis
110 GPa
16000 KSI
Elektriskā vadītspēja (attiecībā pret tīru varu)
15%
Cietība (Rockwell B)
75-85
Apstrādājamība
20-100%
1. tabula. Fosfora bronzas mehānisko īpašību kopsavilkums – ņemiet vērā, ka šī tabula ir vispārīgs kopsavilkums, nevis visu fosfora bronzas faktisko īpašību saraksts.
Stiepes tecēšanas robeža ir sprieguma vērtība, kas nosaka vietu, kurā materiāls plastiski deformējas. Tas ir izplatīts materiāla netecības stiprības mērs, jo spriegumi zem šī punkta nesalieks un neizstieps sakausējumu (lai gan vienmēr ir izņēmumi). Tas ir noderīgs pasākums ražotājiem, veicot apstrādi un lietojumos, kur materiālam jāsaglabā sava forma, neapdraudot konstrukcijas integritāti. Fosfora bronzai ir iespaidīga tecēšanas robeža, kas konkurē ar dažiem alumīnija sakausējumiem un pat pārsniedz citas bronzas, pateicoties lielajam alvas un fosfora īpatsvaram. Apvienojumā ar labajām atsperu īpašībām tas rada sakausējumu, kas ir spēcīgs un noturīgs.
Elastības modulis jeb Janga modulis raksturo materiāla spēju elastīgi deformēties, ti, materiāla stingrību. Pretēji intuitīvi, augstāks Janga modulis norāda uz elastīgāku materiālu, bet tas nav "elastības" mērs; tas ir iekšējā materiāla izturības mērs un to, cik liela ir iespējamība, ka tas atgriezīsies sākotnējā formā, ja tiek palielināts spēks. Tāpēc augsts Janga modulis nozīmē, ka materiāls kopumā ir izturīgs, jo paaugstinātas slodzes apstākļos tas plastiski nedeformējas. Fosforbronzai ir diezgan augsts elastības modulis (gandrīz uz pusi mazāks nekā lielākajai daļai tēraudu), kas norāda, ka tā nav tik izturīga kā citi sakausējumi, bet mērenos apstākļos var noturēties. Tā rezultātā fosfora bronza ir gan noderīga formēšanas operācijām, gan grūtāk apstrādājama, bet par to vēlāk.
Fosfora bronzas elektrovadītspēja ir aptuveni 15% no tīra vara elektrovadītspējas — tad kāpēc to izmantot elektriskajos lietojumos, ja varš var daudz labāk pārvadīt elektrību? Atbilde slēpjas fosforbronzas labā līdzsvarā starp noguruma izturību, izturību pret koroziju un elektrovadītspēju. Lai gan tas nav izcils sakausējums nevienā no iepriekš minētajām kategorijām, tā spēja būt izturīgam, izturīgam un vadītspējīgam nozīmē, ka elektriskie komponenti, kas izgatavoti no fosfora bronzas, kalpos ilgāk nekā to vara analogi. Rezultātā fosfora bronza jau sen ir izmantota kā materiāls elektriskiem slēdžiem, stiprinājumiem, savienotājiem utt., jo tā spēj izturēt mehāniskās un elektriskās slodzes labāk nekā tā tipiskā vara līdzinieks.
Materiāla cietība vienmēr ir saistīta ar kādu standarta durometru, un dažādas cietības skalas nodrošina salīdzinošu materiālu sarakstu tajā pašā vispārējā kategorijā/materiālā. 1. tabulā parādītas cietības vērtības Rokvela B skalā, ko parasti izmanto, lai aprakstītu vara sakausējumu un citu metālu cietību. Materiāli ar zemākām cietības vērtībām parasti ir mīkstāki, kas nozīmē, ka tie ir vieglāk saskrāpējami, iespiedušies un lokāli deformējami uz virsmas, savukārt augstāki skaitļi norāda uz materiāliem, kurus ir grūti saskrāpēt (domājiet par borsilikāta stiklu, keramiku utt.). Uzziņai — vara Rockwell B cietība ir aptuveni 50, tāpēc no 1. tabulas ir skaidrs, ka fosfora bronza ir izturīgāka pret skrāpējumiem nekā tīrā veidā. Tas arī nav tik izturīgs kā citi, vairāk rūdāmi sakausējumi, piemēram, tērauds, kas atkarībā no pielietojuma var būt labāks vai sliktāks. Piemēram, ja kodināšana un inkrustācija ir daļa no pielietojuma, fosfora bronza var būt labs līdzsvars starp izturību un apstrādājamību, taču tas ir atkarīgs no konkrētā sakausējuma veida un stiprināšanas procedūras.
Tāpat kā cietība, apstrādājamība ir salīdzinošs materiāla apstrādājamības rādītājs, un tas vienmēr ir saistīts ar kādu standarta apstrādes materiālu (bronzas gadījumā šis materiāls ir UNS C36000 — Free Cutting Brass). Šim standarta materiālam ir 100% apstrādājamības rādītājs, kas nozīmē, ka to ir viegli apstrādāt un tas rada maz problēmu veikalā. Sakausējumus, kuru vērtējums ir mazāks par 100%, ir grūtāk apstrādāt, salīdzinot ar šo atsauci, un tas bieži notiek ar fosfora bronzu; tomēr fosforbronzu var īpaši ražot, lai risinātu šīs problēmas (kā arī lielāko daļu citu sakausējumu atkarībā no jūsu avota). Fosfora bronzu var iegādāties ar lielāku svina saturu, kas novērsīs tās apstrādes grūtības, jo tā kļūst pašeļļojošāka. Tātad, lai gan lielāko daļu fosfora bronzas sakausējumu ir grūti frēzēt, šo problēmu var atrisināt, izvēloties pareizo sakausējumu.
Fosfora bronzas pielietojumi
Fosfora bronza ir izmantota elektriskajos komponentos jau daudzus gadus, taču tā joprojām atrod jaunus pielietojumus, pateicoties tehnoloģiju attīstībai un nepieciešamībai pēc specializētākiem materiāliem. Zemāk ir saraksts ar fosfora bronzas lietojumiem, taču ņemiet vērā, ka tam ir daudz lietojumu ārpus šī saraksta, un jaunas lietojumprogrammas joprojām tiek izstrādātas.
Dažas izplatītas lietojumprogrammas ietver:
Atsperes
Bukses, bukses un gultņi
Metināšanas stieņi
Rotaslietas
Ģitāras stīgas
Zobu tilti
Un vēl.
