Über Phosphorbronze – Stärke, Eigenschaften und Verwendung
Bronze hat sich seit seiner Gründung als Legierung aus Kupfer und Zinn weit entwickelt und ist heute eine viel breitere Klasse von Kupferlegierungen, die auch heute noch neue Verwendungsmöglichkeiten finden. Die Vielfalt der Bronzen kann jedoch die Materialauswahl erschweren. Dieser Artikel soll daher dazu beitragen, die Verwirrung zu lindern, indem er eine Bronzeart untersucht: Phosphorbronze. Durch die Untersuchung der physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften von Phosphorbronze soll dieser Artikel interessierten Designern dabei helfen, festzustellen, ob diese Kupferlegierung eine gute Wahl für ihr Projekt ist. Wir werden zunächst die Zusammensetzung von Phosphorbronze untersuchen, dann ihre Vorteile, Nachteile und mechanischen Eigenschaften besprechen und schließlich die üblichen Anwendungen dieses nützlichen Metalls diskutieren.
Physikalische Eigenschaften von Phosphorbronze
Es kann hilfreich sein, unseren Artikel zu Bronzearten durchzulesen, um die Gemeinsamkeiten zwischen Kupferlegierungen und ihren gängigen Anwendungen zu verstehen.
Unten in Abbildung 1 sehen Sie ein qualitatives Diagramm, das die Zusammensetzung von Phosphorbronze beschreibt:
Kreisdiagrammdarstellung der Materialzusammensetzung von Phosphorbronze.
Abbildung 1: Qualitative Aufschlüsselung von Phosphorbronze.
Beachten Sie, dass die Prozentsätze von Zink, Eisen, Blei und Phosphor verschwindend gering sind.
Wenn man sich Abbildung 1 ansieht, ist es vielleicht schwer zu verstehen, warum Phosphorbronze so genannt wird, wenn sie doch hauptsächlich aus Kupfer und Zinn als Legierung besteht. Das liegt daran, dass nur eine kleine Menge Phosphor, etwa 0.03-0.035 Gewichtsprozent, erforderlich ist, um diesen Legierungen ihre einzigartigen Eigenschaften zu verleihen, wie z. B. verbesserte Fließfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Steifheit. Sie sind auch als Zinnbronzen bekannt, aber eine bestimmte Menge Phosphor ist immer vorhanden, um wirklich als Phosphorbronzen zu gelten. Mit einer Dichte von etwa 8,8 g/cm3 reagieren die meisten Formen dieser Legierungen auf Warmbearbeitung, Kaltbearbeitung und Wärmebehandlung. Sie sind extrem widerstandsfähig, ermüdungs- und korrosionsbeständig und lassen sich leicht formen, gießen und schweißen. Die Zugabe von Blei macht Phosphorbronzen stärker und leichter zu bearbeiten, aber bleifreie Phosphorbronzen sind auch allein stark und widerstandsfähig. Sie werden am häufigsten in korrosionsbeständigen Anwendungen sowie in anderen Anwendungen verwendet, die ein widerstandsfähiges, aber langlebiges Material erfordern.
Widerstände und Schwächen
Die meisten Phosphorbronzelegierungen sind beständig gegen Verfärbungen und Korrosion, was sie für elektrische Leitungen und andere korrosive Umgebungen nützlich macht. Sie sind außerdem ermüdungsbeständig, was bedeutet, dass sie ihre Festigkeit über viele Belastungszyklen hinweg beibehalten. Die Zugabe von Zinn erhöht diese Beständigkeit sowie die Festigkeit, während die Zugabe von Blei Phosphorbronze, umgangssprachlich als „Freund des Maschinisten“ bekannt (Legierung COLPHOS 90 / C54400), macht, da sie praktisch nicht von Automatenmessinglegierungen zu unterscheiden ist. Die meisten Legierungen entwickeln in Gegenwart von Sauerstoff eine attraktive Patina, sodass sie auch für dekorative Zwecke verwendet werden können. Die Hauptnachteile von Phosphorbronze sind wahrscheinlich ihre geringere elektrische Leitfähigkeit, da Phosphor die Fähigkeit des Metalls, elektrischen Strom zu leiten, verringert, und ihr Preis. Phosphorbronzestaub und -dämpfe sind außerdem giftig, wenn sie eingeatmet werden. Seien Sie also vorsichtig mit Ihrem Geldbeutel und Ihren Lungen.
Mechanische Eigenschaften
In der folgenden Tabelle 1 sind einige der mechanischen Eigenschaften aufgeführt, die für die Verwendung und Festigkeit von Phosphorbronze relevant sind. In diesem Abschnitt werden die einzelnen Eigenschaften kurz erläutert und gezeigt, wie sie diese Kupferlegierung einzigartig machen.
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%
Tabelle 1: Zusammenfassung der mechanischen Eigenschaften von Phosphorbronze – Bitte beachten Sie, dass diese Tabelle eine allgemeine Zusammenfassung und keine Auflistung der tatsächlichen Eigenschaften aller Phosphorbronzen ist.
Die Streckgrenze ist ein Spannungswert, der den Punkt bestimmt, an dem sich ein Material plastisch verformt. Sie ist ein gängiges Maß für die Nichtstreckgrenze eines Materials, da Spannungen unterhalb dieses Punktes die Legierung nicht verbiegen oder dehnen (obwohl es immer Ausnahmen gibt). Sie ist ein nützliches Maß für Hersteller bei der Bearbeitung und bei Anwendungen, bei denen das Material seine Form behalten muss, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Phosphorbronze hat eine beeindruckende Streckgrenze, die mit einigen Aluminiumlegierungen mithalten kann und dank ihres hohen Zinn- und Phosphoranteils sogar andere Bronzen übertrifft. In Kombination mit ihren guten Federeigenschaften ergibt dies eine Legierung, die stark und widerstandsfähig ist.
Der Elastizitätsmodul oder Young-Modul beschreibt die Fähigkeit eines Materials, sich elastisch zu verformen, also die Steifheit des Materials. Ein höherer Young-Modul deutet widersprüchlicherweise auf ein elastischeres Material hin, aber dies ist kein Maß für „Elastizität“, sondern ein Maß für die innere Festigkeit des Materials und wie wahrscheinlich es ist, dass es unter erhöhter Krafteinwirkung seine ursprüngliche Form wieder annimmt. Ein hoher Young-Modul bedeutet daher, dass das Material im Allgemeinen fest ist, da es sich unter erhöhten Belastungsbedingungen nicht plastisch verformt. Phosphorbronze hat einen ziemlich hohen Elastizitätsmodul (fast halb so hoch wie die meisten Stähle), was bedeutet, dass sie nicht so fest ist wie andere Legierungen, sich aber unter mäßigen Bedingungen behaupten kann. Dies führt dazu, dass Phosphorbronze sowohl für Umformungsvorgänge geeignet als auch schwieriger zu bearbeiten ist, aber dazu später mehr.
Phosphorbronze hat eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 15 % der von reinem Kupfer. Warum also sollte man sie in elektrischen Anwendungen verwenden, wenn Kupfer Strom viel besser leiten kann? Die Antwort liegt in der guten Balance von Dauerfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und elektrischer Leitfähigkeit von Phosphorbronze. Obwohl es sich in keiner der oben genannten Kategorien um eine herausragende Legierung handelt, bedeutet seine Fähigkeit, langlebig, stark und leitfähig zu sein, dass elektrische Komponenten aus Phosphorbronze länger halten als ihre Kupferanaloga. Daher wird Phosphorbronze schon seit langem als Material für elektrische Schalter, Befestigungselemente, Steckverbinder usw. verwendet, da es mechanischen und elektrischen Belastungen besser standhält als sein typisches Kupfergegenstück.
Die Härte eines Materials ist immer relativ zu einem Standard-Durometer, und die verschiedenen Härteskalen bieten eine vergleichende Liste von Materialien innerhalb derselben allgemeinen Kategorie/des gleichen Materials. Tabelle 1 zeigt Härtewerte auf 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, verbeult und lokal an der Oberfläche verformt werden, während höhere Zahlen auf Materialien hinweisen, die schwer zu zerkratzen sind (denken Sie an Borosilikatglas, Keramik usw.). Als Referenz: Kupfer hat eine Rockwell-B-Härte von etwa 50, sodass aus Tabelle 1 klar hervorgeht, dass Phosphorbronze kratzfester ist als ihre reine Form. Sie ist auch nicht so stark wie andere, härtbarere Legierungen wie Stahl, was je nach Anwendung besser oder schlechter sein kann. Wenn beispielsweise Ätzen und Einlegen Teil der Anwendung sind, kann Phosphorbronze ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit sein, dies hängt jedoch vom spezifischen Legierungstyp und dem Verstärkungsverfahren ab.
Ebenso wie die Härte ist die Bearbeitbarkeit ein Vergleichsmaß für die Bearbeitbarkeit eines Materials und wird immer auf ein Standardbearbeitungsmaterial bezogen (bei Bronze ist dies UNS C36000 – Automatenmessing). Dieses Standardmaterial hat einen Bearbeitbarkeitswert von 100 %, was bedeutet, dass es leicht zu bearbeiten ist und in einer Werkstatt kaum Probleme bereitet. Legierungen mit Werten unter 100 % sind im Vergleich zu dieser Referenz schwieriger zu bearbeiten, und dies ist häufig bei Phosphorbronze der Fall; Phosphorbronze kann jedoch speziell hergestellt werden, um diese Probleme zu beheben (ebenso wie die meisten anderen Legierungen, je nach Quelle). Phosphorbronze kann mit einem höheren Bleigehalt erworben werden, wodurch die Bearbeitungsschwierigkeiten behoben werden, da sie selbstschmierender wird. Obwohl die meisten Phosphorbronzelegierungen also etwas schwer zu fräsen sind, kann dieses Problem durch die Wahl der richtigen Legierung behoben werden.
Anwendungen von Phosphorbronze
Phosphorbronze wird seit vielen Jahren in elektrischen Komponenten verwendet, findet aber aufgrund des technologischen Fortschritts und des Bedarfs an spezielleren Materialien immer wieder neue Verwendungsmöglichkeiten. Nachfolgend finden Sie eine Liste der Anwendungen von Phosphorbronze. Beachten Sie jedoch, dass es auch außerhalb dieser Liste viele weitere Verwendungsmöglichkeiten gibt und immer noch neue Anwendungen entwickelt werden.
Einige häufige Anwendungen sind:
Federn
Buchsen, Buchsen und Lager
Schweißstäbe
Schmuck
Gitarrensaiten
Zahnbrücken
