Что такое фосфорная бронза？
Фосфорная бронза претерпела значительные изменения, превратившись из простого сплава меди и олова в более широкий класс медных сплавов, которые продолжают находить новые применения и по сей день. Разнообразие бронзы может затруднять выбор материала, поэтому эта статья поможет развеять некоторые сомнения, исследуя один вид бронзы — фосфорную бронзу. Рассмотрев физические, химические и механические свойства фосфорной бронзы, статья призвана помочь заинтересованным конструкторам определить, применим ли этот медный сплав для их проектов. Сначала мы изучим состав фосфорной бронзы, затем обсудим её достоинства, недостатки, механические свойства и, наконец, распространённые области применения этого полезного металла.
Физические свойства фосфорной бронзы
Полезно будет ознакомиться с нашей статьёй о типах бронз, чтобы понять общие черты медных сплавов и их популярные применения.
Ниже, на рисунке 1, приведена качественная диаграмма, показывающая состав фосфорной бронзы:
Круговая диаграмма, отображающая состав материала фосфорной бронзы.
Рисунок 1: Качественный разбор состава фосфорной бронзы.
Обратите внимание, что включения цинка, железа, свинца и фосфора присутствуют в ничтожных количествах.
Изучая рисунок 1, может быть сложно понять, почему фосфорная бронза так называется, если это в основном сплав меди и олова. Это связано с тем, что для придания этим сплавам уникальных свойств, таких как улучшенная текучесть, износостойкость и жёсткость, достаточно небольшого количества фосфора — около 0,03-0,0351% по весу. Их также называют оловянными бронзами, но для того, чтобы их действительно считали фосфорной бронзой, в составе всегда должно присутствовать некоторое количество фосфора. Плотность таких сплавов около 8,8 г/см3, и большинство форм этих сплавов поддаются горячей и холодной обработке, а также термообработке. Они обладают исключительной упругостью, устойчивы к усталости и коррозии, легко формуются, отливаются и паяются. Добавление свинца делает фосфорные бронзы прочнее и лучше обрабатываемыми, но и без свинца они остаются прочными и устойчивыми. Чаще всего их используют в коррозионно-стойких условиях, а также в других областях, где требуется упругий и долговечный материал.
Устойчивость и слабые стороны
Большинство сплавов фосфорной бронзы устойчивы к потускнению и коррозии, что делает их полезными для электрических трубопроводов и других агрессивных сред. Они также устойчивы к усталости, то есть сохраняют прочность при многократных циклах нагрузки. Добавление олова повышает эту устойчивость и прочность, а добавление свинца создаёт фосфорную бронзу, известную как «друг токаря» (сплав COLPHOS 90/C54400), поскольку она почти неотличима от легкообрабатываемых латунных сплавов. Большинство сплавов образуют привлекательную патину при контакте с кислородом, что делает их также полезными для декоративных целей. Основными недостатками фосфорной бронзы являются более низкая электрическая проводимость, так как фосфор снижает способность металла проводить ток, и высокая цена. Пыль и пары фосфорной бронзы токсичны при вдыхании, поэтому следует беречь как кошелёк, так и лёгкие.
Механические свойства фосфорной бронзы
В таблице 1 ниже приведены некоторые механические свойства, важные для применения и прочности фосфорной бронзы. В этом разделе кратко объясняется каждое свойство и показано, чем этот медный сплав уникален.
Таблица 1: Сводка механических свойств фосфорной бронзы — обратите внимание, что эта таблица является лишь общим обзором и не представляет собой исчерпывающий список свойств всех фосфорных бронз.
Примечание: Эта таблица является лишь общим обзором и не представляет собой исчерпывающий список свойств всех фосфорных бронз.
Механические свойства
Метрическая система
Английский
Предел текучести на растяжение
380-450 МПа
55100-65260 psi
Модуль упругости
110 ГПа
16000 ksi
Электропроводность (относительно чистой меди)
15%
Твердость (Роквелл B)
75-85
Обрабатываемость
20-100%
Предел текучести на растяжение — это значение напряжения, которое определяет точку, после которой материал будет пластически деформироваться. Это распространенная мера несущей способности материала без пластической деформации, поскольку напряжение ниже этого уровня не вызывает изгиба или растяжения сплава (хотя всегда есть исключения). Это полезная характеристика для изготовителей при обработке, а также в случаях, когда материал должен сохранять свою форму без угрозы целостности конструкции. Фосфорная бронза обладает впечатляющей прочностью на растяжение, сравнимой с некоторыми алюминиевыми сплавами и превосходящей даже другие бронзы, благодаря высокому содержанию олова и фосфора. В сочетании с хорошими пружинными свойствами это создает сплав, который прочен и останется таковым.
Модуль упругости, или модуль Юнга, описывает способность материала к эластичной деформации — то есть, насколько он жесткий. Наоборот, более высокий модуль Юнга предполагает более эластичный материал, но это не мера «растяжимости»; это показатель внутренней прочности материала и его способности возвращаться к исходной форме при увеличивающейся нагрузке. Следовательно, высокий модуль Юнга означает в целом прочный материал, который не будет пластически деформироваться при увеличении нагрузки. Фосфорная бронза имеет достаточно высокий модуль упругости (почти вдвое меньше, чем у большинства сталей), что говорит о том, что она не так прочна, как другие сплавы, но способна выдерживать умеренные нагрузки. Это делает фосфорную бронзу полезной для формовочных операций и более сложной в обработке, но об этом чуть позже.
Электропроводность фосфорной бронзы составляет примерно 151% от проводимости чистой меди — так зачем использовать ее в электротехнических приложениях, когда медь лучше проводит электричество? Ответ кроется в хорошем балансе фосфорной бронзы между усталостной прочностью, коррозионной стойкостью и электропроводностью. Хотя она не выделяется в этих категориях, способность быть одновременно устойчивой, прочной и проводящей означает, что электрические компоненты из фосфорной бронзы прослужат дольше, чем аналоги из меди. Поэтому фосфорная бронза долгое время использовалась в электрических выключателях, крепежных элементах, соединителях и других изделиях, так как она лучше выдерживает механические и электрические нагрузки по сравнению с обычной медью.
Твердость материала всегда относительна к определенной стандартной шкале твердости, и различные шкалы предоставляют сравнительный список материалов в рамках одной категории/материала. Таблица 1 показывает значения твердости по шкале Роквелл B, которая часто используется для описания твердости медных сплавов и других металлов. Материалы с меньшими значениями твердости обычно мягче, их легче поцарапать, вмять или локально деформировать на поверхности, тогда как более высокие значения указывают на материал, трудно царапаемый (например, боросиликатное стекло, керамика и т.д.). Для справки, твердость по шкале Роквелл B меди составляет около 50, поэтому из таблицы видно, что фосфорная бронза более устойчива к царапинам, чем ее чистая форма. Она также не так прочна, как более закаливаемые сплавы, такие как сталь, что может быть как плюсом, так и минусом в зависимости от применения. Например, если в вашем проекте важны гравировка и инкрустация, фосфорная бронза может быть хорошим балансом между прочностью и обрабатываемостью, но это зависит от конкретного типа сплава и методов упрочнения.
Как и твердость, обрабатываемость — это сравнительная характеристика способности материала подвергаться механической обработке и всегда относится к определенному стандартному материалу для обработки (для бронз — это UNS C36000 — свинцовая латунь с свободным резанием). Этот стандартный материал имеет показатель обрабатываемости 100, что означает легкую обработку и минимальные проблемы в производстве. Сплавы, сравниваемые с этим образцом и имеющие показатель ниже 100, труднее обрабатывать, и это обычно относится к фосфорной бронзе; однако, фосфорная бронза может быть специально изготовлена с повышенным содержанием свинца, что уменьшает ее сложность при обработке, так как она становится более самосмазывающейся. Таким образом, хотя большинство сплавов фосфорной бронзы несколько трудно обрабатывать, это можно решить правильным выбором сплава.
Применение фосфорной бронзы
Фосфорная бронза используется в электротехнических компонентах уже много лет, но благодаря технологическим достижениям и спросу на более специализированные материалы она продолжает находить новые области применения. Ниже приведен список применений фосфорной бронзы, однако стоит учитывать, что у нее много других применений за пределами этого списка, и новые области все еще разрабатываются.
Некоторые распространенные применения включают:
Пружины
Втулки и подшипники
Сварочные электроды
Ювелирные изделия
Струны для гитары
Дентальные мосты
и многое другое.
Фосфорные бронзы соответствуют многим дизайнерским требованиям и являются проверенным инженерным материалом. Если это звучит привлекательно для вашего применения, обязательно свяжитесь с вашим поставщиком, так как у них будут доступны новейшие сплавы.
XTJ — ведущий OEM-производитель, который занимается предоставлением комплексных решений от прототипа до производства. Мы гордимся тем, что являемся сертифицированной системой управления качеством ISO 9001, и стремимся создавать ценность в каждом клиентском взаимодействии. Мы достигаем этого через сотрудничество, инновации, улучшение процессов и исключительное мастерство.
