درباره فسفر برنز - استحکام، خواص و موارد استفاده

درباره فسفر برنز - استحکام، خواص و موارد استفاده

برنز از آلیاژ مس و قلع راه درازی را پیموده است، اکنون کلاس بسیار گسترده‌تری از آلیاژهای مس است که امروزه هنوز کاربردهای جدیدی پیدا می‌کند. با این حال، تنوع برنزها می تواند انتخاب مواد را دشوار کند، بنابراین این مقاله با کاوش در یک نوع برنز، برنز فسفر، تا حدودی سردرگمی را کاهش می دهد. با بررسی خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی برنز فسفر، این مقاله قصد دارد به طراحان علاقه مند کمک کند تا مشخص کنند که آیا این آلیاژ مس برای پروژه آنها انتخاب خوبی است یا خیر. ابتدا ترکیبات برنز فسفر را بررسی می کنیم، سپس به مزایا، معایب، خواص مکانیکی آن می پردازیم و در نهایت به کاربردهای رایج این فلز مفید می پردازیم.

خواص فیزیکی فسفر برنز

مرور مقاله ما در مورد انواع برنزها برای درک مشترکات بین آلیاژهای مس و کاربردهای رایج آنها ممکن است مفید باشد.

در شکل 1، نمودار کیفی که ترکیب برنز فسفر را شرح می دهد، در زیر آمده است:

نمودار دایره ای ترکیب مواد برنز فسفر را نشان می دهد.

شکل 1: تجزیه کیفی برنز فسفر.

توجه داشته باشید که درصد روی، آهن، سرب و فسفر موجود در آن بی نهایت کوچک است.

با نگاه کردن به شکل 1، ممکن است درک این که چرا برنز فسفر به این نام نامگذاری شده است، زمانی که عمدتاً از مس و قلع به عنوان آلیاژ تشکیل شده است، دشوار باشد. دلیل آن این است که فقط مقدار کمی فسفر، حدود 0.03-0.035٪ وزنی، مورد نیاز است تا این آلیاژها خواص منحصر به فرد خود را مانند جریان بهبود یافته، مقاومت در برابر سایش و سفتی داشته باشند. آنها همچنین به عنوان برنزهای قلع شناخته می شوند، اما مقدار مشخصی فسفر همیشه وجود دارد تا واقعاً برنزهای فسفری در نظر گرفته شوند. با چگالی حدود 8.8 گرم بر سانتی متر مکعب، اکثر اشکال این آلیاژها به کار گرم، سرد و عملیات حرارتی پاسخ می دهند. آنها فوق العاده انعطاف پذیر هستند، در برابر خستگی و خوردگی مقاوم هستند و به راحتی می توان آنها را شکل داد، ریخت و جوش داد. افزودن سرب برنزهای فسفری را قوی‌تر و ماشین‌کاری آسان‌تر می‌کند، اما برنزهای فسفر بدون سرب نیز به تنهایی قوی و مقاوم هستند. آنها اغلب در کاربردهای مقاوم در برابر خوردگی و همچنین سایر کاربردهایی که نیاز به یک ماده ارتجاعی اما بادوام دارند استفاده می شوند.

مقاومت و ضعف

اکثر آلیاژهای برنز فسفر در برابر تغییر رنگ و خوردگی مقاومت می کنند و در مجرای برق و سایر محیط های خورنده مفید هستند. آنها همچنین در برابر خستگی مقاوم هستند، به این معنی که قدرت خود را در بسیاری از چرخه های بار حفظ می کنند. افزودن قلع این مقاومت و همچنین استحکام آن را افزایش می‌دهد، در حالی که افزودن سرب باعث ایجاد برنز فسفر می‌شود که در عامیانه به عنوان «دوست ماشین‌کار» (آلیاژ COLPHOS 90 / C54400) شناخته می‌شود، زیرا عملاً از آلیاژهای برنج برش آزاد قابل تشخیص نیست. بیشتر آلیاژها در حضور اکسیژن یک پتینه جذاب ایجاد می کنند، بنابراین می توان از آن در کاربردهای تزئینی نیز استفاده کرد. معایب اصلی برنز فسفر احتمالاً رسانایی الکتریکی پایین آن است، زیرا فسفر توانایی فلز برای هدایت جریان الکتریکی و قیمت آن را کاهش می دهد. گرد و غبار و بخارات برنز فسفر نیز هنگام استنشاق سمی هستند، بنابراین مراقب کیف پول و ریه های خود باشید.

ویژگی های مکانیکی

جدول 1 زیر برخی از خواص مکانیکی مربوط به کاربردها و استحکام برنز فسفر را نشان می دهد. این بخش به طور مختصر هر ویژگی را توضیح می دهد و نشان می دهد که چگونه آنها این آلیاژ مس را منحصر به فرد می کنند.

استحکام تسلیم کششی

380-450 مگاپاسکال

٪7b٪7b0٪7d٪7d psi

مدول الاستیسیته

110 گیگا پاسکال

16000 ksi

رسانایی الکتریکی (نسبت به مس خالص)

15%

سختی (راکول B)

75-85

ماشین کاری

20-100%

جدول 1: خلاصه خواص مکانیکی فسفر برنز - لطفاً توجه داشته باشید که این جدول یک خلاصه کلی است و فهرستی از خواص واقعی همه برنزهای فسفر نیست.

استحکام تسلیم کششی مقدار تنشی است که نقطه تغییر شکل یک ماده را به صورت پلاستیکی تعیین می کند. این یک معیار رایج برای استحکام عدم تسلیم یک ماده است، زیرا تنش های زیر این نقطه باعث خم شدن یا کشش آلیاژ نمی شود (اگرچه همیشه استثناهایی وجود دارد). این یک معیار مفید برای تولید کنندگان در هنگام ماشینکاری و در کاربردهایی است که مواد باید شکل خود را بدون به خطر انداختن یکپارچگی ساختاری حفظ کنند. برنز فسفر دارای قدرت تسلیم قابل توجهی است که به دلیل نسبت بالای قلع و فسفر، با برخی از آلیاژهای آلومینیوم رقابت می کند و حتی از سایر برنزها نیز فراتر می رود. هنگامی که با خواص فنر خوب ترکیب می شود، آلیاژی ایجاد می کند که قوی است و خود را حفظ می کند.

مدول الاستیسیته یا مدول یانگ، توانایی یک ماده برای تغییر شکل کشسانی، یعنی سفتی ماده را توصیف می کند. به طور متناقض، مدول یانگ بالاتر نشان دهنده یک ماده الاستیک تر است، اما این معیاری برای "الاستیسیته" نیست. این معیاری برای استحکام ماده داخلی است و اینکه چقدر احتمال دارد تحت نیروی افزایش یافته به شکل اولیه خود بازگردد. بنابراین، مدول یانگ بالا به این معنی است که ماده به طور کلی قوی است زیرا تحت شرایط بارگذاری افزایش یافته تغییر شکل پلاستیکی نمی دهد. برنز فسفر دارای مدول الاستیسیته نسبتاً بالایی است (تقریباً نصف بیشتر فولادها)، که نشان می دهد به اندازه سایر آلیاژها قوی نیست، اما می تواند در شرایط متوسط ​​خود را حفظ کند. این باعث می‌شود که برنز فسفر هم برای عملیات‌های شکل‌دهی مفید باشد و هم ماشین‌کاری آن دشوارتر باشد، اما بعداً بیشتر در مورد آن صحبت خواهیم کرد.

برنز فسفر دارای رسانایی الکتریکی حدود 15 درصد مس خالص است - پس چرا از آن در کاربردهای الکتریکی استفاده کنیم، در حالی که مس می تواند برق را بسیار بهتر حمل کند؟ پاسخ در تعادل خوب برنز فسفر از استحکام خستگی، مقاومت در برابر خوردگی و هدایت الکتریکی نهفته است. در حالی که آلیاژ برجسته ای در هیچ یک از دسته های بالا نیست، توانایی آن برای بادوام، قوی و رسانا بودن به این معنی است که اجزای الکتریکی ساخته شده از برنز فسفر بیشتر از آنالوگ های مسی خود دوام می آورند. در نتیجه، برنز فسفر از دیرباز به عنوان ماده ای برای کلیدهای برق، بست ها، کانکتورها و غیره استفاده می شود، زیرا می تواند بارهای مکانیکی و الکتریکی را بهتر از نمونه مسی معمول خود تحمل کند.

سختی مواد همیشه نسبت به برخی از طول سنج های استاندارد است و مقیاس های سختی مختلف لیستی مقایسه ای از مواد در همان دسته/مواد کلی ارائه می دهند. جدول 1 مقادیر سختی را در مقیاس Rockwell B نشان می دهد که معمولاً برای توصیف سختی آلیاژهای مس و سایر فلزات استفاده می شود. موادی که سختی کمتری دارند عموماً نرم‌تر هستند، به این معنی که راحت‌تر خراشیده می‌شوند و به صورت موضعی تغییر شکل می‌دهند، در حالی که اعداد بالاتر نشان‌دهنده موادی است که به سختی خراشیده می‌شوند (شیشه بوروسیلیکات، سرامیک و غیره). برای مرجع، مس دارای سختی Rockwell B حدود 50 است، بنابراین از جدول 1 مشخص است که برنز فسفر نسبت به شکل خالص آن در برابر خراش مقاوم‌تر است. همچنین به اندازه سایر آلیاژهای سخت‌شدنی‌تر مانند فولاد قوی نیست، که بسته به کاربرد می‌تواند بهتر یا بدتر باشد. به عنوان مثال، اگر اچ و خاتم بخشی از کاربرد باشد، برنز فسفر ممکن است تعادل خوبی بین استحکام و ماشین کاری باشد، اما این بستگی به نوع آلیاژ خاص و روش استحکام بخشی دارد.

مانند سختی، ماشین‌کاری معیاری مقایسه‌ای از توانایی یک ماده برای ماشین‌کاری است و همیشه به برخی از مواد ماشینکاری استاندارد اشاره می‌شود (برای برنزها، این ماده UNS C36000 – برنج برش آزاد است). این ماده استاندارد دارای امتیاز ماشینکاری 100٪ است، به این معنی که ماشینکاری آن آسان است و مشکلات کمی در یک مغازه ایجاد می کند. ماشینکاری آلیاژهایی با امتیاز کمتر از 100% در مقایسه با این مرجع دشوارتر است و این اغلب در مورد برنز فسفر صدق می کند. با این حال، برنز فسفر را می توان به طور ویژه برای رفع این مسائل (و همچنین اکثر آلیاژهای دیگر، بسته به منبع شما) تولید کرد. برنز فسفر را می توان با محتوای سرب بالاتر خریداری کرد که با روانکاری بیشتر، مشکل ماشینکاری آن را از بین می برد. بنابراین در حالی که آسیاب اکثر آلیاژهای برنز فسفر تا حدودی دشوار است، این موضوع را می توان با انتخاب آلیاژ مناسب برطرف کرد.

کاربردهای فسفر برنز

فسفر برنز سال‌هاست که در قطعات الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما با توجه به پیشرفت‌های تکنولوژیکی و نیاز به مواد تخصصی‌تر، همچنان کاربردهای جدیدی پیدا می‌کند. در زیر لیستی از کاربردهای برنز فسفر آمده است، اما بدانید که خارج از این لیست کاربردهای زیادی دارد و برنامه های جدید هنوز در حال توسعه هستند.

برخی از کاربردهای رایج عبارتند از:

فنر

بوش، بوش و یاتاقان

میله های جوش

جواهر سازی

تار های گیتار

بریج های دندانی