על ברונזה זרחנית - חוזק, תכונות ושימושים

על ברונזה זרחנית - חוזק, תכונות ושימושים

ברונזה עברה כברת דרך מלהיות סגסוגת של נחושת ופח, היא כעת מעמד רחב הרבה יותר של סגסוגות נחושת שעדיין מוצאות שימושים חדשים כיום. עם זאת, המגוון של ברונזה יכול להקשות על בחירת החומר, ולכן מאמר זה יעזור להקל על חלק מהבלבול על ידי חקר סוג אחד של ברונזה, ברונזה זרחנית. על ידי בחינת התכונות הפיזיקליות, הכימיות והמכניות של ברונזה זרחנית, מאמר זה נועד לעזור למעצבים מתעניינים לקבוע אם סגסוגת הנחושת הזו היא בחירה טובה עבור הפרויקט שלהם. תחילה נבחן את ההרכב של ברונזה זרחנית, לאחר מכן נדון ביתרונות, חסרונות, תכונות מכניות, ולבסוף נדון ביישומים נפוצים למתכת שימושית זו.

מאפיינים פיזיים של ברונזה זרחנית

זה עשוי להיות מועיל לעיין במאמר שלנו על סוגי ברונזה כדי להבין את המשותף בין סגסוגות נחושת והיישומים הפופולריים שלהן.

להלן, באיור 1, תרשים איכותי המתאר את ההרכב של ברונזה זרחנית:

ייצוג תרשים עוגה של הרכב החומר של ברונזה זרחנית.

איור 1: פירוק איכותי של ברונזה זרחנית.

שים לב שהאחוזים של אבץ, ברזל, עופרת וזרחן הכלולים הם אינסופיים.

על ידי התבוננות באיור 1, ייתכן שיהיה קשה להבין מדוע ברונזה זרחתית נקראת כך כאשר היא מורכבת בעיקר מנחושת ודיל כסגסוגת. הסיבה לכך היא שרק כמות קטנה של זרחן, בערך 0.03-0.035% לפי משקל, נחוצה כדי להעניק לסגסוגות הללו את התכונות הייחודיות שלהן, כגון שיפור זרימה, עמידות בפני שחיקה וקשיחות. הם ידועים גם בתור ברונזה פח, אבל כמות מסוימת של זרחן תמיד קיימת כדי באמת להיחשב ברונזה זרחנית. עם צפיפות של כ-8.8 גרם/סמ"ק, רוב הצורות של סגסוגות אלו מגיבות לעבודה חמה, עבודה קרה וטיפול בחום. הם עמידים במיוחד, עמידים בפני עייפות וקורוזיה, וניתן ליצור אותם, לשפוך ולרתך אותם בקלות. תוספת העופרת הופכת את הברונזה הזרחנית לחזקה יותר וקל יותר לעיבוד, אך ברונזה זרחנית נטולת עופרת היא גם חזקה ועמידה בפני עצמה. הם משמשים לרוב ביישומים עמידים בפני קורוזיה, כמו גם ביישומים אחרים הדורשים חומר גמיש אך עמיד.

התנגדות וחולשות

רוב סגסוגות הברונזה הזרחתיות מתנגדות לשינוי צבע וקורוזיה, מה שהופך אותן לשימושיות בצינורות חשמל ובסביבות קורוזיביות אחרות. הם גם עמידים בפני עייפות, כלומר הם שומרים על חוזקם לאורך מחזורי עומס רבים. תוספת של פח תגביר את ההתנגדות הזו, כמו גם את חוזקה, בעוד שהוספת עופרת תיצור ברונזה זרחנית, הידועה בכינויה "חבר המכונאי" (סגסוגת COLPHOS 90 / C54400) מכיוון שכמעט ולא ניתן להבחין בה מסגסוגות פליז חיתוך חופשי. רוב הסגסוגות מפתחות פטינה אטרקטיבית בנוכחות חמצן, כך שניתן להשתמש בה גם ביישומים דקורטיביים. החסרונות העיקריים של ברונזה זרחנית הם כנראה המוליכות החשמלית הנמוכה יותר, שכן זרחן מפחית את יכולתה של המתכת להוליך זרם חשמלי, ואת תג המחיר שלה. אבק ואדים של ברונזה זרחן רעילים גם בשאיפה, אז היזהר עם הארנק והריאות שלך.

תכונות מכאניות

טבלה 1 להלן מציגה חלק מהתכונות המכניות הרלוונטיות לשימושים וחוזק של ברונזה זרחתית. חלק זה יסביר בקצרה כל נכס ויראה כיצד הם הופכים את סגסוגת הנחושת הזו לייחודית.

חוזק תפוקת מתיחה

380-450 MPa

55100-65260 פסי

מודול האלסטיות

110 GPa

16000 ksi

מוליכות חשמלית (ביחס לנחושת טהורה)

15%

קשיות (Rockwell B)

75-85

יכולת עיבוד

20-100%

טבלה 1: סיכום מאפיינים מכניים של ברונזה זרחתית - שימו לב שטבלה זו היא סיכום כללי ולא פירוט של המאפיינים בפועל של כל הברונזה הזרחנית.

חוזק תנובה מתיחה הוא ערך מתח שקובע את הנקודה שבה חומר מתעוות מבחינה פלסטית. זהו מדד נפוץ לחוזק חוסר התפוקה של חומר, שכן מתחים מתחת לנקודה זו לא יכופפו או ימתחו את הסגסוגת (אם כי תמיד יש יוצאים מן הכלל). זהו מדד שימושי עבור יצרנים בעת עיבוד שבבי וביישומים שבהם החומר חייב לשמור על צורתו מבלי לפגוע בשלמות המבנית. לברונזה זרחנית יש חוזק תנובה מרשים שמתחרה בחלק מסגסוגות אלומיניום ואף עולה על ברונזות אחרות, הודות לשיעור הגבוה של פח וזרחן. בשילוב עם תכונות הקפיצים הטובות שלו, זה יוצר סגסוגת חזקה ומחזיקה את עצמה.

מודול האלסטיות, או מודול הגמישות של יאנג, מתאר את יכולתו של חומר להתעוות בצורה אלסטית, כלומר, קשיחות החומר. באופן מנוגד לאינטואיציה, מודול יאנג גבוה יותר מצביע על חומר אלסטי יותר, אבל זה לא מדד ל"גמישות"; זהו מדד לחוזק החומר הפנימי, ומה הסיכוי שהוא יחזור לצורתו המקורית בכוח מוגבר. לכן, מודול יאנג גבוה אומר שהחומר בדרך כלל חזק מכיוון שהוא אינו מתעוות פלסטית בתנאי עומס מוגבר. ברונזה זרחתית יש מודול גמישות גבוה למדי (כמעט חצי מזה של רוב הפלדות), מה שמעיד על כך שהיא לא חזקה כמו סגסוגות אחרות, אבל יכולה להחזיק את עצמה בתנאים מתונים. כתוצאה מכך, ברונזה זרחנית שימושית לביצוע פעולות וקשה יותר לעיבוד, אך על כך בהמשך.

לברונזה זרחנית מוליכות חשמלית של כ-15% מזו של נחושת טהורה - אז למה להשתמש בו ביישומי חשמל כאשר נחושת יכולה לשאת חשמל הרבה יותר טוב? התשובה טמונה באיזון הטוב של ברונזה זרחתי של חוזק עייפות, עמידות בפני קורוזיה ומוליכות חשמלית. אמנם לא סגסוגת בולטת באף אחת מהקטגוריות לעיל, אבל היכולת שלה להיות עמידה, חזקה ומוליך פירושה שרכיבים חשמליים העשויים מברונזה זרחנית יחזיקו מעמד זמן רב יותר מאשר אנלוגי הנחושת שלהם. כתוצאה מכך, ברונזה זרחנית שימשה זמן רב כחומר למתגים חשמליים, מחברים, מחברים וכו', מכיוון שהוא יכול לעמוד בעומסים מכניים וחשמליים טוב יותר מאשר מקבילו הנחושת הטיפוסי.

קשיות החומר היא תמיד יחסית לאיזשהו מד עמידה סטנדרטי, וסולמות הקשיות השונים מספקים רשימה השוואתית של חומרים באותה קטגוריה/חומר כלליים. טבלה 1 מציגה ערכי קשיות בסולם Rockwell B, המשמש בדרך כלל לתיאור הקשיות של סגסוגות נחושת ומתכות אחרות. חומרים בעלי ערכי קשיות נמוכים יותר בדרך כלל רכים יותר, כלומר הם נשרטים בקלות רבה יותר, שקעים ומעוותים באופן מקומי על פני השטח, בעוד שמספרים גבוהים יותר מצביעים על חומרים שקשה לשרוט (תחשוב על זכוכית בורוסיליקט, קרמיקה וכו'). לעיון, לנחושת יש קשיות Rockwell B של כ-50, כך שברור מטבלה 1 שברונזה זרחתית עמידה יותר לשריטות מצורתה הטהורה. זה גם לא חזק כמו סגסוגות אחרות, מתקשות יותר כמו פלדה, שיכולות להיות טובות יותר או גרועות יותר בהתאם ליישום. לדוגמה, אם תחריט ושיבוץ הם חלק מהיישום, ברונזה זרחנית עשויה להיות איזון טוב בין חוזק ויכולת עיבוד, אך הדבר תלוי בסוג הסגסוגת הספציפית ובהליך החיזוק.

בדומה לקשיות, יכולת העיבוד היא מדד השוואתי ליכולת העיבוד של החומר, והיא תמיד מתייחסת לחומר עיבוד סטנדרטי כלשהו (עבור ברונזה, חומר זה הוא UNS C36000 – Free Cutting Brass). לחומר סטנדרטי זה יש ציון עיבוד של 100%, כלומר קל לעיבוד ומציב מעט בעיות בחנות. סגסוגות עם ציונים מתחת ל-100% קשות יותר לעיבוד בהשוואה להתייחסות זו, ולעתים קרובות זה המקרה עם ברונזה זרחנית; עם זאת, ניתן לייצר ברונזה זרחנית במיוחד כדי לטפל בבעיות אלו (כמו גם לרוב הסגסוגות האחרות, בהתאם למקור שלך). ניתן לרכוש ברונזה זרחנית עם תכולת עופרת גבוהה יותר, מה שיבטל את קושי העיבוד שלה ככל שהוא הופך לשמן עצמי יותר. אז בעוד שרוב סגסוגות הברונזה הזרחתיות מעט קשות לטחינה, ניתן לטפל בבעיה זו על ידי בחירת הסגסוגת הנכונה.

יישומים של ברונזה זרחנית

ברונזה זרחנית שימשה ברכיבים חשמליים כבר שנים רבות, אך היא עדיין מוצאת שימושים חדשים בשל ההתקדמות הטכנולוגית והצורך בחומרים מיוחדים יותר. להלן רשימה של יישומי ברונזה זרחן, אך דעו כי יש לה שימושים רבים מחוץ לרשימה זו, ואפליקציות חדשות עדיין בפיתוח.

כמה יישומים נפוצים כוללים:

מעיינות

תותבים, תותבים ומסבים

מוטות ריתוך

תכשיט

מיתרי גיטרה

גשרים דנטליים

ועוד.