Tietoja Phosphor Bronzesta - lujuus, ominaisuudet ja käyttötarkoitukset
Pronssi on edennyt pitkän matkan kuparin ja tinan lejeeringistä, ja se on nyt paljon laajempi kuparilejeerinkien luokka, joille löydetään yhä uusia käyttötarkoituksia. Pronssien monimuotoisuus voi kuitenkin vaikeuttaa materiaalin valintaa, joten tämä artikkeli auttaa lievittämään hämmennystä tutkimalla yhtä pronssityyppiä, fosforipronssia. Tutkimalla fosforipronssin fysikaalisia, kemiallisia ja mekaanisia ominaisuuksia tämän artikkelin tarkoituksena on auttaa kiinnostuneita suunnittelijoita päättämään, onko tämä kupariseos hyvä valinta heidän projektiinsa. Tutkimme ensin fosforipronssin koostumusta, keskustelemme sitten sen eduista, haitoista, mekaanisista ominaisuuksista ja lopuksi keskustelemme tämän hyödyllisen metallin yleisistä sovelluksista.
Fosforipronssin fyysiset ominaisuudet
Voi olla hyödyllistä tarkastella pronssityyppejä käsittelevää artikkeliamme ymmärtääksesi kupariseosten ja niiden suosittujen sovellusten väliset yhteiset piirteet.
Alla, kuvassa 1, on laadullinen kaavio, joka kuvaa fosforipronssin koostumusta:
Ympyräkaavioesitys fosforipronssin materiaalikoostumuksesta.
Kuva 1: Fosforipronssin laadullinen hajoaminen.
Huomaa, että sinkin, raudan, lyijyn ja fosforin prosenttiosuudet ovat äärettömän pieniä.
Katsomalla kuvaa 1 voi olla vaikea ymmärtää, miksi fosforipronssi on niin nimetty, kun se koostuu pääasiassa kuparista ja tinasta seoksena. Tämä johtuu siitä, että vain pieni määrä fosforia, noin 0.03-0,035 painoprosenttia, tarvitaan antamaan näille seoksille niiden ainutlaatuiset ominaisuudet, kuten paremman virtauksen, kulutuskestävyyden ja jäykkyyden. Ne tunnetaan myös tinapronsseina, mutta tietty määrä fosforia on aina läsnä, jotta niitä voidaan todella pitää fosforipronsseina. Noin 8,8 g/cm3 tiheydellä useimmat näiden seosten muodot reagoivat kuumamuokkaukseen, kylmämuokkaukseen ja lämpökäsittelyyn. Ne ovat erittäin joustavia, kestävät väsymistä ja korroosiota, ja ne voidaan helposti muodostaa, kaataa ja hitsata. Lyijyn lisäys tekee fosforipronsseista vahvempia ja helpommin koneistettavia, mutta lyijyttömät fosforipronssit ovat myös vahvoja ja kestäviä sellaisenaan. Niitä käytetään useimmiten korroosionkestävissä sovelluksissa sekä muissa sovelluksissa, jotka vaativat joustavaa mutta kestävää materiaalia.
Vastustuskyky ja heikkoudet
Useimmat fosforipronssilejeeringit kestävät värimuutoksia ja korroosiota, mikä tekee niistä hyödyllisiä sähköjohdoissa ja muissa syövyttävissä ympäristöissä. Ne ovat myös väsymystä kestäviä, mikä tarkoittaa, että ne säilyttävät vahvuutensa useiden kuormitusjaksojen ajan. Tinan lisääminen lisää tätä kestävyyttä ja lujuutta, kun taas lyijyn lisääminen tekee fosforipronssista, joka tunnetaan puhekielessä "koneistimen ystävänä" (seos COLPHOS 90 / C54400), koska sitä ei käytännössä voi erottaa vapaasti leikkaavista messingiseoksista. Useimmat metalliseokset muodostavat houkuttelevan patinan hapen läsnä ollessa, joten sitä voidaan käyttää myös koristeellisissa sovelluksissa. Fosforipronssin suurimmat haitat ovat luultavasti sen alhaisempi sähkönjohtavuus, koska fosfori vähentää metallin kykyä johtaa sähkövirtaa, ja sen hintalappu. Fosforipronssipöly ja -höyryt ovat myös myrkyllisiä hengitettynä, joten ole varovainen lompakkosi ja keuhkojesi kanssa.
Mekaaniset ominaisuudet
Alla olevassa taulukossa 1 on esitetty joitakin mekaanisia ominaisuuksia, jotka liittyvät fosforipronssin käyttöön ja lujuuteen. Tässä osiossa selitetään lyhyesti jokainen ominaisuus ja näytetään, kuinka ne tekevät tästä kupariseoksesta ainutlaatuisen.
Vetolujuus
380-450 MPa
55100-65260 psi
Elastisuusmoduuli
110 GPa
16000 ksi
Sähkönjohtavuus (suhteessa puhtaaseen kupariin)
15%
Kovuus (Rockwell B)
75-85
Koneistettavuus
20-100%
Taulukko 1: Yhteenveto fosforipronssin mekaanisista ominaisuuksista - Huomaa, että tämä taulukko on yleinen yhteenveto eikä luettelo kaikkien fosforipronssien todellisista ominaisuuksista.
Vetolujuus on jännitysarvo, joka määrittää pisteen, jossa materiaali muuttaa plastisesti muotoaan. Se on yleinen materiaalin myötölujuuden mitta, koska tämän pisteen alapuolella olevat jännitykset eivät taivuta tai venytä metalliseosta (vaikka aina on poikkeuksia). Se on hyödyllinen toimenpide valmistajille koneistuksessa ja sovelluksissa, joissa materiaalin on säilytettävä muotonsa rakenteellista eheyttä tinkimättä. Fosforipronssilla on vaikuttava myötöraja, joka kilpailee joidenkin alumiiniseosten kanssa ja jopa ylittää muut pronssit sen suuren tinan ja fosforin osuuden ansiosta. Yhdistettynä hyviin jousiominaisuuksiin tämä muodostaa metalliseoksen, joka on vahva ja pysyy omillaan.
Kimmomoduuli eli Youngin moduuli kuvaa materiaalin kykyä muuttaa muotoaan elastisesti eli materiaalin jäykkyyttä. Vastakohtaisesti korkeampi Youngin moduuli osoittaa joustavampaa materiaalia, mutta tämä ei ole "elastisuuden" mitta; Se on mitta sisäisen materiaalin lujuudesta ja siitä, kuinka todennäköisesti se palaa alkuperäiseen muotoonsa lisääntyneen voiman vaikutuksesta. Siksi korkea Youngin moduuli tarkoittaa, että materiaali on yleensä vahvaa, koska se ei deformoidu plastisesti lisääntyneissä kuormitusolosuhteissa. Fosforipronssilla on melko korkea kimmokerroin (melkein puolet useimpien terästen arvosta), mikä osoittaa, että se ei ole yhtä vahva kuin muut seokset, mutta kestää kohtalaisissa olosuhteissa. Tämä johtaa siihen, että fosforipronssi on sekä hyödyllinen muovausoperaatioissa että vaikeampi työstää, mutta siitä lisää myöhemmin.
Fosforipronssin sähkönjohtavuus on noin 15 % puhtaan kuparin sähkönjohtavuudesta - joten miksi käyttää sitä sähkösovelluksissa, kun kupari pystyy kuljettamaan sähköä paljon paremmin? Vastaus piilee fosforipronssin hyvässä tasapainossa väsymislujuuden, korroosionkestävyyden ja sähkönjohtavuuden välillä. Vaikka se ei ole erottuva metalliseos missään yllä olevista luokista, sen kyky olla kestävä, vahva ja johtava tarkoittaa, että fosforipronssista valmistetut sähkökomponentit kestävät pidempään kuin niiden kuparianalogit. Tämän seurauksena fosforipronssia on pitkään käytetty materiaalina sähkökytkimissä, kiinnikkeissä, liittimissä jne., koska se kestää mekaanisia ja sähköisiä kuormituksia paremmin kuin tyypillinen kuparivastine.
Materiaalin kovuus on aina suhteessa johonkin vakiodurometriin, ja erilaiset kovuusasteikot tarjoavat vertailevan luettelon saman yleisen kategorian/materiaalin materiaaleista. Taulukossa 1 on esitetty kovuusarvot Rockwell B -asteikolla, jota käytetään yleisesti kuvaamaan kupariseosten ja muiden metallien kovuutta. Materiaalit, joiden kovuusarvot ovat alhaisemmat, ovat yleensä pehmeämpiä, mikä tarkoittaa, että ne naarmuuntuvat, lommottuvat ja paikallisesti muotoutuvat helpommin pinnalla, kun taas suuremmat luvut osoittavat materiaaleja, joita on vaikea naarmuttaa (ajatellen borosilikaattilasia, keramiikkaa jne.). Vertailun vuoksi kuparin Rockwell B -kovuus on noin 50, joten taulukosta 1 käy selvästi ilmi, että fosforipronssi on naarmuuntumatonta puhtaampaa kuin sen puhdas muoto. Se ei myöskään ole yhtä vahva kuin muut karkaisevammat seokset, kuten teräs, joka voi olla parempi tai huonompi sovelluksesta riippuen. Esimerkiksi, jos etsaus ja upotus ovat osa sovellusta, fosforipronssi voi olla hyvä tasapaino lujuuden ja työstettävyyden välillä, mutta tämä riippuu tietystä metalliseoksen tyypistä ja vahvistusmenettelystä.
Koneistettavuus on kovuuden tapaan vertaileva mitta materiaalin työstettävyydestä, ja siihen viitataan aina johonkin standardikoneistusmateriaaliin (pronssien osalta tämä materiaali on UNS C36000 – Free Cutting Brass). Tämän vakiomateriaalin työstettävyysarvo on 100 %, mikä tarkoittaa, että se on helppo työstää ja aiheuttaa vain vähän ongelmia liikkeessä. Seoksia, joiden pisteet ovat alle 100 %, on vaikeampi koneistaa verrattuna tähän viitejulkaisuun, ja näin on usein fosforipronssin kohdalla; fosforipronssia voidaan kuitenkin valmistaa erityisesti näiden ongelmien ratkaisemiseksi (samoin kuin useimmat muut seokset lähteestä riippuen). Fosforipronssia voi ostaa korkeammalla lyijypitoisuudella, mikä eliminoi sen työstövaikeuden, kun se muuttuu itsevoitelevammaksi. Joten vaikka useimpia fosforipronssiseoksia on jonkin verran vaikea jauhaa, tämä ongelma voidaan ratkaista valitsemalla oikea seos.
Fosforipronssin sovellukset
Fosforipronssia on käytetty sähkökomponenteissa jo vuosia, mutta se löytää edelleen uusia käyttökohteita tekniikan kehityksen ja erikoistuneiden materiaalien tarpeen vuoksi. Alla on luettelo fosforipronssisovelluksista, mutta tiedä, että sillä on monia käyttötarkoituksia tämän luettelon ulkopuolella, ja uusia sovelluksia kehitetään edelleen.
Joitakin yleisiä sovelluksia ovat:
Jouset
Holkit, holkit ja laakerit
Hitsaustangot
Korut
Kitaran kielet
Hammasillat
Ja enemmän.
