¿Qué es el Bronce de Fósforo？
Bronce de Fósforo ha recorrido un largo camino desde ser solo una aleación de cobre y estaño; ahora es una categoría más amplia de aleaciones de cobre que aún encuentran nuevos usos hasta el día de hoy. La diversificación del bronce puede dificultar la selección de materiales, por lo que este artículo ayudará a aliviar cierta confusión explorando un tipo de bronce, los bronces de fósforo. Al examinar las propiedades físicas, químicas y mecánicas del bronce de fósforo, este artículo busca ayudar a los diseñadores interesados a determinar si esta aleación de cobre será aplicable a sus proyectos. Primero examinaremos la composición del bronce de fósforo y luego discutiremos sus fortalezas, debilidades, propiedades mecánicas y, finalmente, aplicaciones comunes de un metal tan útil.
Propiedades físicas del bronce de fósforo
Puede ser útil revisar nuestro artículo sobre los tipos de bronces, para entender las similitudes entre las aleaciones de cobre y sus aplicaciones más populares.
A continuación, en la Figura 1, se presenta un gráfico cualitativo que muestra la composición del bronce de fósforo:
Representación en gráfico de pastel de la composición del material del bronce de fósforo.
Figura 1: Desglose cualitativo del bronce de fósforo.
Observe cómo los porcentajes de zinc, hierro, plomo y fósforo incluidos son infinitesimales.
Al examinar la Figura 1, puede ser difícil entender por qué el bronce de fósforo recibe ese nombre cuando es principalmente una aleación de cobre y estaño. Esto se debe a que solo se necesita un pequeño porcentaje de fósforo, alrededor del 0,03-0,035% en peso, para dotar a estas aleaciones de propiedades únicas como mejor fluidez, resistencia al desgaste y rigidez. También se les conoce como bronces de estaño, pero siempre deben tener cierta cantidad de fósforo presente para ser considerados verdaderamente bronces de fósforo. Su densidad es de aproximadamente 8,8 g/cm3, y la mayoría de las formas de estas aleaciones responden al trabajo en caliente, trabajo en frío y tratamiento térmico. Son excepcionalmente elásticos por naturaleza, resistentes a la fatiga y a la corrosión, y son fácilmente formables, fundibles y soldables. La adición de plomo hará que los bronces de fósforo sean más fuertes y más maquinables, pero los bronces de fósforo sin plomo también son fuertes y resistentes por sí mismos. Se usan con mayor frecuencia en aplicaciones resistentes a la corrosión, así como en otras aplicaciones que requieren un material flexible y duradero.
Resistencias y debilidades
La mayoría de las aleaciones de bronce de fósforo son resistentes a la oxidación y a la corrosión, lo que las hace útiles en conductos eléctricos y otros entornos cáusticos. También son resistentes a la fatiga, lo que significa que mantienen su resistencia a lo largo de muchos ciclos de carga. La adición de estaño aumentará esta resistencia junto con su resistencia general, y la adición de plomo hará un bronce de fósforo conocido coloquialmente como “el amigo del maquinista” (aleación COLPHOS 90/C54400), ya que es casi indistinguible de las aleaciones de latón de corte libre. La mayoría de las aleaciones forman una pátina atractiva en presencia de oxígeno y, por lo tanto, también son útiles para aplicaciones decorativas. Las principales desventajas del bronce de fósforo pueden ser su menor conductividad eléctrica, ya que el fósforo reducirá la capacidad del metal para conducir corriente, y su precio. El polvo y los vapores del bronce de fósforo también son tóxicos cuando se inhalan, así que tenga cuidado tanto con su bolsillo como con sus pulmones.
Propiedades mecánicas del bronce de fósforo
La Tabla 1, a continuación, muestra algunas propiedades mecánicas relevantes para los usos y resistencias del bronce de fósforo. Esta sección explicará brevemente cada propiedad y mostrará cómo hacen que esta aleación de cobre sea única.
Tabla 1: Resumen de propiedades mecánicas del bronce de fósforo – tenga en cuenta que esta tabla es solo un resumen general y no una lista definitiva de propiedades para todos los bronces de fósforo.
Nota: Esta tabla es solo un resumen general y no una lista definitiva de propiedades para todos los bronces de fósforo.
Propiedades Mecánicas
Métrico
Inglés
Resistencia a la fluencia en tracción
380-450 MPa
55100-65260 psi
Módulo de elasticidad
110 GPa
16000 ksi
Conductividad eléctrica (relativa al cobre puro)
15%
Dureza (Rockwell B)
75-85
Mecanibilidad
20-100%
La resistencia a la fluencia en tracción es un valor de esfuerzo que determina el punto después del cual el material se deformará plásticamente. Es una medida común de la resistencia no yielding de un material, ya que esfuerzos por debajo de este punto no doblarán ni estirarán la aleación (aunque siempre hay excepciones). Es una medida útil para los fabricantes al mecanizar, así como en aplicaciones donde el material debe mantener su forma sin comprometer la integridad de la estructura. El bronce de fósforo tiene una resistencia a la fluencia impresionante, igualando a algunas aleaciones de aluminio e incluso superando a otros bronces, y esto se debe a su alto porcentaje de estaño y fósforo. Cuando se combina con sus buenas características de resorte, esto crea una aleación que es fuerte y seguirá siendo fuerte.
El módulo de elasticidad, o módulo de Young, describe la capacidad de un material para deformarse elásticamente, es decir, qué tan rígido es un material. Contrariamente a la intuición, un módulo de Young más alto sugiere un material más elástico, pero esto no es una medida de “estiramiento”; es una medida de la resistencia interna del material y de qué tan probable es que vuelva a su forma original en presencia de una fuerza creciente. Un módulo de Young alto, por lo tanto, significa un material generalmente fuerte ya que no se deforma plásticamente bajo condiciones de carga crecientes. El bronce de fósforo tiene un módulo elástico bastante alto (casi la mitad del de la mayoría de los aceros), lo que sugiere que no es tan fuerte como otras aleaciones, pero puede soportar condiciones moderadas. Esto hace que el bronce de fósforo sea útil para operaciones de conformado y más difícil de mecanizar, pero hablaremos más de esto en un momento.
La conductividad eléctrica del bronce de fósforo es aproximadamente 151 veces la de cobre puro, entonces, ¿por qué usarlo en aplicaciones eléctricas cuando el cobre es mejor para conducir electricidad? La respuesta radica en el buen equilibrio del bronce de fósforo entre resistencia a la fatiga, resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica. Aunque no es una aleación destacada en ninguna de estas categorías, su capacidad para ser resistente, fuerte y conductor significa que los componentes eléctricos hechos de bronce de fósforo durarán más que sus homólogos de cobre. Por lo tanto, el bronce de fósforo ha sido utilizado durante mucho tiempo como material en interruptores eléctricos, sujetadores, conectores y más, ya que puede soportar cargas mecánicas y eléctricas mejor que los típicos de cobre.
La dureza del material siempre es relativa a alguna máquina de dureza estándar, y las diferentes escalas de dureza proporcionan una lista comparativa de materiales dentro de la misma clase/material. La Tabla 1 muestra valores de dureza de la escala Rockwell B, que se usa a menudo para describir la dureza de aleaciones de cobre y otros metales. Los materiales con valores de dureza más bajos son generalmente más blandos, lo que significa que son más fáciles de rayar, abollar y deformar localmente en su superficie, mientras que números más altos sugieren un material difícil de rayar (piensa en vidrio de borosilicato, cerámica, etc.). Como referencia, la dureza Rockwell B del cobre es alrededor de 50, por lo que está claro en la Tabla 1 que el bronce de fósforo es más resistente a los arañazos que su forma pura. También no es tan fuerte como otras aleaciones más endurecibles, como el acero, lo cual puede ser bueno o malo dependiendo de la aplicación. Por ejemplo, si el grabado y el incrustado son parte de tu aplicación, el bronce de fósforo puede ser un buen equilibrio entre resistencia y trabajabilidad, pero esto depende del tipo específico de aleación y los procedimientos de endurecimiento.
Al igual que la dureza, la mecanibilidad es una medida comparativa de la capacidad de un material para ser mecanizado y siempre se refiere a algún material de referencia estándar para mecanizado (para los bronces, este material es UNS C36000 – latón de corte libre). Este material estándar recibe una puntuación de mecanibilidad de 100, lo que significa que es fácil de mecanizar y causa pocos problemas en el taller. Las aleaciones comparadas con esta referencia con una puntuación menor a 100, son más difíciles de mecanizar, y esto es generalmente el caso con los bronces de fósforo; sin embargo, el bronce de fósforo puede fabricarse especialmente para abordar estas preocupaciones (junto con la mayoría de las otras aleaciones, dependiendo de tu fuente). El bronce de fósforo puede comprarse con niveles aumentados de plomo que eliminarán su dificultad de mecanizado, ya que se vuelve más autolubricante. Por lo tanto, aunque la mayoría de las aleaciones de bronce de fósforo son algo difíciles de fresar, este problema puede abordarse con la selección adecuada de aleación.
Aplicaciones del Bronce de Fósforo
El bronce de fósforo ha sido utilizado durante muchos años en componentes eléctricos, pero todavía encuentra nuevos usos gracias a los avances tecnológicos y la demanda de materiales más especializados. A continuación, se presenta una lista de aplicaciones del bronce de fósforo, pero tenga en cuenta que tiene muchos usos fuera de esta lista, y todavía se están desarrollando nuevas aplicaciones.
Algunas aplicaciones comunes incluyen:
Resortes
Casquillos y rodamientos de manguito
Electrodos de soldadura
Joyería
Cuerdas de guitarra
Puentes dentales
y más.
El bronce de fósforo cumple con muchas especificaciones de diseñadores y es un material de ingeniería probado. Si le resulta atractivo para su aplicación, asegúrese de contactar a su proveedor, ya que tendrán las aleaciones más nuevas disponibles.
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