Om fosforbrons - styrka, egenskaper och användningsområden
Brons har kommit långt ifrån att vara en legering av koppar och tenn, det är nu en mycket bredare klass av kopparlegeringar som fortfarande hittar nya användningsområden idag. Men mångfalden av brons kan göra materialval svårt, så den här artikeln kommer att hjälpa till att lindra en del av förvirringen genom att utforska en typ av brons, fosforbrons. Genom att undersöka de fysikaliska, kemiska och mekaniska egenskaperna hos fosforbrons syftar den här artikeln till att hjälpa intresserade designers att avgöra om denna kopparlegering är ett bra val för deras projekt. Vi kommer först att undersöka sammansättningen av fosforbrons, sedan diskutera dess fördelar, nackdelar, mekaniska egenskaper och slutligen diskutera vanliga tillämpningar för denna användbara metall.
Fysiska egenskaper hos fosforbrons
Det kan vara bra att läsa vår artikel om typer av brons för att förstå likheterna mellan kopparlegeringar och deras populära tillämpningar.
Nedan, i figur 1, är ett kvalitativt diagram som beskriver sammansättningen av fosforbrons:
Cirkeldiagram representation av materialsammansättningen av fosforbrons.
Figur 1: Kvalitativ nedbrytning av fosforbrons.
Observera att andelen zink, järn, bly och fosfor som ingår är oändligt liten.
Genom att titta på figur 1 kan det vara svårt att förstå varför fosforbrons heter så när den huvudsakligen består av koppar och tenn som en legering. Det beror på att endast en liten mängd fosfor, cirka 0.03-0.035 viktprocent, behövs för att ge dessa legeringar deras unika egenskaper, såsom förbättrat flöde, slitstyrka och styvhet. De är också kända som tennbronser, men en viss mängd fosfor är alltid närvarande för att verkligen betraktas som fosforbrons. Med en densitet på cirka 8,8 g/cm3 svarar de flesta former av dessa legeringar på varmbearbetning, kallbearbetning och värmebehandling. De är extremt tåliga, motståndskraftiga mot utmattning och korrosion och kan lätt formas, gjutas och svetsas. Tillsatsen av bly gör fosforbronsar starkare och lättare att bearbeta, men blyfria fosforbronser är också starka och resistenta på egen hand. De används oftast i korrosionsbeständiga applikationer, såväl som andra applikationer som kräver ett motståndskraftigt men hållbart material.
Motstånd och svagheter
De flesta fosforbronslegeringar motstår missfärgning och korrosion, vilket gör dem användbara i elektriska ledningar och andra korrosiva miljöer. De är också utmattningsbeständiga, vilket innebär att de bibehåller sin styrka under många belastningscykler. Tillsatsen av tenn kommer att öka denna motståndskraft såväl som dess styrka, medan tillsatsen av bly kommer att göra fosforbrons, i dagligt tal känd som "maskinistens vän" (legering COLPHOS 90 / C54400) eftersom det är praktiskt taget omöjligt att skilja från friskärande mässingslegeringar. De flesta legeringar utvecklar en attraktiv patina i närvaro av syre, så den kan också användas i dekorativa applikationer. De största nackdelarna med fosforbrons är förmodligen dess lägre elektriska ledningsförmåga, eftersom fosfor minskar metallens förmåga att leda elektrisk ström, och dess prislapp. Fosforbronsdamm och ångor är också giftiga vid inandning, så var försiktig med din plånbok och dina lungor.
Mekaniska egenskaper
Tabell 1 nedan visar några av de mekaniska egenskaper som är relevanta för användningen och styrkan av fosforbrons. Detta avsnitt kommer kortfattat att förklara varje egenskap och visa hur de gör denna kopparlegering unik.
Dragstyrka
380-450 MPa
55100-65260 psi
Elasticitetsmodul
110 GPa
16 000 ksi
Elektrisk ledningsförmåga (relativt till ren koppar)
15%
Hårdhet (Rockwell B)
75-85
Bearbetningsbarhet
20-100%
Tabell 1: Sammanfattning av mekaniska egenskaper för fosforbrons - Observera att denna tabell är en allmän sammanfattning och inte en lista över de faktiska egenskaperna hos alla fosforbronser.
Draghållfasthet är ett spänningsvärde som bestämmer vid vilken punkt ett material deformeras plastiskt. Det är ett vanligt mått på ett materials sträckgräns, eftersom spänningar under denna punkt inte kommer att böja eller sträcka legeringen (även om det alltid finns undantag). Det är en användbar åtgärd för tillverkare vid bearbetning och i applikationer där materialet måste hålla sin form utan att kompromissa med den strukturella integriteten. Fosforbrons har en imponerande sträckgräns som konkurrerar med vissa aluminiumlegeringar och till och med överträffar andra bronser, tack vare sin höga andel av tenn och fosfor. I kombination med dess goda fjäderegenskaper skapar detta en legering som är stark och håller sig.
Elasticitetsmodulen, eller Youngs modul, beskriver ett materials förmåga att deformeras elastiskt, dvs materialets styvhet. Kontraintuitivt indikerar en högre Youngs modul ett mer elastiskt material, men detta är inte ett mått på "elasticitet"; det är ett mått på det inre materialets styrka och hur troligt det är att återgå till sin ursprungliga form under ökad kraft. Därför innebär en hög Youngs modul att materialet i allmänhet är starkt eftersom det inte deformeras plastiskt under ökade belastningsförhållanden. Fosforbrons har en ganska hög elasticitetsmodul (nästan hälften av de flesta stål), vilket tyder på att den inte är lika stark som andra legeringar, men kan hålla sig under måttliga förhållanden. Detta resulterar i att fosforbrons är både användbart för formningsoperationer och svårare att bearbeta, men mer om det senare.
Fosforbrons har en elektrisk ledningsförmåga på cirka 15 % av ren koppar - så varför använda den i elektriska applikationer när koppar kan bära elektricitet mycket bättre? Svaret ligger i fosforbrons goda balans mellan utmattningshållfasthet, korrosionsbeständighet och elektrisk ledningsförmåga. Även om den inte är en framstående legering i någon av ovanstående kategorier, innebär dess förmåga att vara hållbar, stark och ledande att elektriska komponenter gjorda av fosforbrons kommer att hålla längre än deras kopparanaloger. Som ett resultat av detta har fosforbrons länge använts som material för elektriska strömbrytare, fästelement, kontakter, etc., eftersom det tål mekaniska och elektriska belastningar bättre än sin typiska kopparmotsvarighet.
Materialhårdhet är alltid relativt till någon standard durometer, och de olika hårdhetsskalorna ger en jämförande lista över material inom samma allmänna kategori/material. Tabell 1 visar hårdhetsvärden på Rockwell B-skalan, som vanligtvis används för att beskriva hårdheten hos kopparlegeringar och andra metaller. Material med lägre hårdhetsvärden är i allmänhet mjukare, vilket innebär att de lättare repas, bucklas och lokalt deformeras på ytan, medan högre siffror indikerar material som är svåra att repa (tänk borosilikatglas, keramik, etc.). Som referens har koppar en Rockwell B-hårdhet på cirka 50, så det framgår av tabell 1 att fosforbrons är mer reptålig än sin rena form. Det är inte heller lika starkt som andra, mer härdbara legeringar som stål, vilket kan vara bättre eller sämre beroende på applikation. Om till exempel etsning och inläggning är en del av applikationen kan fosforbrons vara en bra balans mellan styrka och bearbetbarhet, men detta beror på den specifika legeringstypen och förstärkningsförfarandet.
Precis som hårdhet är bearbetningsbarhet ett jämförande mått på ett materials förmåga att bearbetas och refereras alltid till något standardbearbetningsmaterial (för brons är detta material UNS C36000 – Free Cutting Brass). Detta standardmaterial har en bearbetbarhetspoäng på 100 %, vilket innebär att det är lätt att bearbeta och ställer till få problem i en butik. Legeringar med poäng under 100 % är svårare att bearbeta jämfört med denna referens, och detta är ofta fallet med fosforbrons; fosforbrons kan dock tillverkas speciellt för att lösa dessa problem (liksom de flesta andra legeringar, beroende på din källa). Fosforbrons kan köpas med en högre blyhalt, vilket kommer att eliminera dess bearbetningssvårigheter eftersom det blir mer självsmörjande. Så även om de flesta fosforbronslegeringar är något svåra att fräsa, kan detta problem lösas genom att välja rätt legering.
Tillämpningar av fosforbrons
Fosforbrons har använts i elektriska komponenter i många år, men det hittar fortfarande nya användningsområden på grund av tekniska framsteg och behovet av mer specialiserade material. Nedan finns en lista över fosforbronsapplikationer, men vet att den har många användningsområden utanför denna lista, och nya applikationer utvecklas fortfarande.
Några vanliga applikationer inkluderar:
Fjädrar
Bussningar, bussningar och lager
Svetsstänger
Smycken
Gitarrsträngar
Tandbroar
Och mer.
