Was ist Phosphorbronze？
Phosphor Bronze Hat einen langen Weg hinter sich, von nur einer Legierung aus Kupfer und Zinn; heute ist es eine breitere Klasse von Kupferlegierungen, die noch immer neue Anwendungen finden. Die Diversifizierung von Bronze kann die Materialauswahl erschweren, daher wird dieser Artikel helfen, einige Verwirrungen zu lindern, indem er eine Art von Bronze, die Phosphorbronze, untersucht. Durch die Betrachtung der physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften von Phosphorbronze soll dieser Artikel interessierten Designern helfen, zu bestimmen, ob diese Kupferlegierung für ihre Projekte geeignet ist. Wir werden zunächst die Zusammensetzung von Phosphorbronze untersuchen und dann ihre Stärken, Schwächen, mechanischen Eigenschaften und schließlich gängige Anwendungen dieses nützlichen Metalls diskutieren.
Physikalische Eigenschaften von Phosphorbronze
Es könnte hilfreich sein, unseren Artikel über die Arten von Bronzen zu lesen, um die Gemeinsamkeiten zwischen Kupferlegierungen und deren beliebten Anwendungen zu verstehen.
Unten, in Abbildung 1, befindet sich ein qualitativer Chart, der die Zusammensetzung von Phosphorbronze zeigt:
Tortendiagramm-Darstellung der Materialzusammensetzung von Phosphorbronze.
Abbildung 1: Qualitative Aufschlüsselung von Phosphorbronze.
Beachten Sie, wie die enthaltenen Anteile an Zink, Eisen, Blei und Phosphor infinitesimal sind.
Aus der Betrachtung von Abbildung 1 könnte es schwierig sein zu verstehen, warum Phosphorbronze so genannt wird, obwohl sie hauptsächlich eine Legierung aus Kupfer und Zinn ist. Dies liegt daran, dass nur ein kleiner Prozentsatz an Phosphor, etwa 0,03-0,035% nach Gewicht, diesen Legierungen einzigartige Eigenschaften verleiht, wie verbesserten Fließfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Steifigkeit. Sie sind auch als Zinnbronze bekannt, enthalten aber immer eine gewisse Menge an Phosphor, um wirklich als Phosphorbronze zu gelten. Ihre Dichte liegt bei etwa 8,8 g/cm3, und die meisten Formen dieser Legierungen reagieren auf Warmumformung, Kaltumformung und Wärmebehandlung. Sie sind äußerst elastisch, widerstandsfähig gegen Ermüdung und Korrosion und lassen sich leicht formen, gießen und löten. Die Zugabe von Blei macht Phosphorbronze stärker und bearbeitbarer, aber bleifreie Phosphorbronze sind ebenfalls stark und widerstandsfähig. Sie werden am häufigsten für korrosionsbeständige Anwendungen sowie in anderen Anwendungen verwendet, die ein federndes, aber langlebiges Material benötigen.
Widerstände und Schwächen
Die meisten Phosphorbronzelegierungen sind gegen Anlaufen und Korrosion resistent, was sie in elektrischen Leitungen und anderen aggressiven Umgebungen nützlich macht. Sie sind auch widerstandsfähig gegen Ermüdung, was bedeutet, dass sie ihre Festigkeit über viele Ladezyklen hinweg behalten. Die Zugabe von Zinn erhöht diesen Widerstand sowie die Festigkeit, und die Zugabe von Blei macht eine Phosphorbronze, die umgangssprachlich als „Schraubenzieherfreund“ (Legierung COLPHOS 90/C54400) bekannt ist, da sie kaum von freischneidender Messinglegierung zu unterscheiden ist. Die meisten Legierungen bilden bei Kontakt mit Sauerstoff eine attraktive Patina und sind daher auch für dekorative Anwendungen geeignet. Die Hauptnachteile von Phosphorbronze können ihre geringere elektrische Leitfähigkeit sein, da Phosphor die Fähigkeit des Metalls, Strom zu leiten, verringert, sowie der Preis. Der Staub und die Dämpfe von Phosphorbronze sind beim Einatmen giftig, also seien Sie sowohl bei Ihrem Geldbeutel als auch bei Ihren Lungen vorsichtig.
Mechanische Eigenschaften von Phosphorbronze
Tabelle 1 zeigt einige mechanische Eigenschaften, die für die Verwendung und Stärke von Phosphorbronze relevant sind. Dieser Abschnitt erklärt kurz jede Eigenschaft und zeigt, wie sie dieses Kupferlegierung einzigartig machen.
Tabelle 1: Zusammenfassung der mechanischen Eigenschaften von Phosphorbronze – beachten Sie, dass diese Tabelle nur eine allgemeine Zusammenfassung ist und kein de-facto-Liste aller Eigenschaften von Phosphorbronzen darstellt.
Hinweis: Diese Tabelle ist nur eine allgemeine Zusammenfassung und kein de-facto-Liste aller Eigenschaften von Phosphorbronzen.
Mechanische Eigenschaften
Metrisch
Englisch
Zugfestigkeit
380-450 MPa
55100-65260 psi
Elastizitätsmodul
110 GPa
16000 ksi
Elektrische Leitfähigkeit (im Vergleich zu reinem Kupfer)
15%
Härte (Rockwell B)
75-85
Bearbeitbarkeit
20-100%
Streckgrenze ist ein Spannungswert, der den Punkt bestimmt, nach dem das Material plastisch verformt wird. Es ist ein gängiges Maß für die nicht-helfende Festigkeit eines Materials, da Spannungen unter diesem Punkt das Legierung nicht biegen oder dehnen lassen (obwohl es immer Ausnahmen gibt). Es ist eine nützliche Messgröße für Fertiger beim Bearbeiten sowie in Anwendungen, bei denen das Material seine Form behalten muss, ohne die Integrität der Struktur zu gefährden. Phosphorbronze hat eine beeindruckende Streckgrenze, die mit einigen Aluminiumlegierungen vergleichbar ist und sogar andere Bronzen übertrifft, was an seinem hohen Anteil an Zinn und Phosphor liegt. Zusammen mit seinen guten Federcharakteristika ergibt sich eine Legierung, die stark ist und auch bleibt.
Elastizitätsmodul, auch Youngscher Modul genannt, beschreibt die Fähigkeit eines Materials, elastisch zu deformieren – also, wie steif ein Material ist. Gegen den intuitiven Eindruck deutet ein höherer Youngscher Modul auf ein elastischeres Material hin, aber dies ist kein Maß für „Dehnbarkeit“; es ist ein Maß für die innere Materialfestigkeit und wie wahrscheinlich es ist, dass das Material in Anwesenheit zunehmender Kraft in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Ein hoher Youngscher Modul bedeutet daher ein im Allgemeinen starkes Material, da es sich unter zunehmender Belastung nicht plastisch verformt. Phosphorbronze hat einen ziemlich hohen Elastizitätsmodul (fast die Hälfte der meisten Stähle), was darauf hindeutet, dass es nicht so stark ist wie andere Legierungen, aber unter moderaten Bedingungen standhalten kann. Dies macht Phosphorbronze sowohl für Formgebungsarbeiten nützlich als auch schwieriger zu bearbeiten, aber dazu später mehr.
Die elektrische Leitfähigkeit von Phosphorbronze beträgt etwa 15% im Vergleich zu reinem Kupfer – warum also in elektrischen Anwendungen verwenden, wenn Kupfer besser Strom leiten kann? Die Antwort liegt im guten Gleichgewicht von Ermüdungsfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und elektrischer Leitfähigkeit von Phosphorbronze. Obwohl es in keinem dieser Bereiche herausragend ist, ermöglicht seine Fähigkeit, sowohl widerstandsfähig, stark als auch leitfähig zu sein, dass elektrische Komponenten aus Phosphorbronze länger halten als ihre Kupfer-Äquivalente. Daher wird Phosphorbronze seit langem als Material in elektrischen Schaltern, Befestigungen, Steckverbindern und mehr verwendet, da es mechanische und elektrische Lasten besser tragen kann als typische Kupfergegenstücke.
Materialhärte ist immer relativ zu einer Standard-Härtemessmaschine, und die verschiedenen Härteskalen bieten eine vergleichende Liste von Materialien innerhalb derselben allgemeinen Klasse/Material. Tabelle 1 zeigt Härtewerte nach der Rockwell B-Skala, die häufig zur Beschreibung der Härte von Kupferlegierungen und anderen Metallen verwendet wird. Materialien mit niedrigeren Härtewerten sind im Allgemeinen weicher, was bedeutet, dass sie leichter zerkratzt, eingedellt und lokal deformiert werden können, während höhere Werte auf ein Material hindeuten, das schwer zu zerkratzen ist (denken Sie an Borsilikatglas, Keramik usw.). Zur Orientierung liegt die Rockwell B-Härte von Kupfer bei etwa 50, sodass aus Tabelle 1 ersichtlich ist, dass Phosphorbronze kratzfester ist als seine reine Form. Es ist auch nicht so stark wie andere, härter machbare Legierungen wie Stahl, was je nach Anwendung gut oder schlecht sein kann. Wenn Ätzen und Einlegen Teil Ihrer Anwendung sind, könnte Phosphorbronze eine gute Balance zwischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit sein, abhängig vom spezifischen Legierungstyp und den Verstärkungsverfahren.
Wie Härte, ist die Bearbeitbarkeit ein vergleichendes Maß für die Fähigkeit eines Materials, bearbeitet zu werden, und bezieht sich immer auf ein Standard-Bearbeitungsmaterial (bei Bronzen ist dies UNS C36000 – freischneidendes Messing). Dieses Standardmaterial erhält eine Bearbeitbarkeitsbewertung von 100%, was bedeutet, dass es leicht zu bearbeiten ist und im Betrieb kaum Probleme verursacht. Legierungen im Vergleich zu diesem Referenzmaterial mit einem Wert unter 100% sind schwerer zu bearbeiten, und dies ist im Allgemeinen bei Phosphorbronzen der Fall; jedoch kann Phosphorbronze speziell hergestellt werden, um diese Probleme zu beheben (je nach Quelle auch bei den meisten anderen Legierungen). Phosphorbronze kann mit erhöhten Bleigehalten gekauft werden, die seine Bearbeitungsfähigkeit verbessern, da es selbstschmierend wird. Während die meisten Phosphorbronzen somewhat schwierig zu fräsen sind, kann dieses Problem durch die richtige Legierungswahl gelöst werden.
Anwendungen von Phosphorbronze
Phosphorbronze wird seit vielen Jahren in elektrischen Komponenten verwendet, findet aber dank technologischer Fortschritte und der Nachfrage nach spezielleren Materialien weiterhin neue Einsatzmöglichkeiten. Nachfolgend eine Liste von Anwendungen für Phosphorbronze, aber wissen Sie, dass es viele weitere Verwendungen außerhalb dieser Liste gibt und ständig neue Anwendungen entwickelt werden.
Einige gängige Anwendungen sind:
Federn
Hülsen & Lager
Schweißelektroden
Schmuck
Gitarrensaiten
Zahnbrücken
und mehr.
Phosphorbronze erfüllt viele Design-Spezifikationen und ist ein bewährtes Konstruktionsmaterial. Wenn es für Ihre Anwendung attraktiv klingt, wenden Sie sich an Ihren Lieferanten, da dieser die neuesten Legierungen vorrätig hat.
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