حول الفوسفور البرونزي - القوة والخصائص والاستخدامات
لقد قطع البرونز شوطا طويلا من كونه سبيكة من النحاس والقصدير، فهو الآن فئة أوسع بكثير من سبائك النحاس التي لا تزال تجد استخدامات جديدة اليوم. ومع ذلك، فإن تنوع البرونز يمكن أن يجعل اختيار المواد أمرًا صعبًا، لذلك ستساعد هذه المقالة في تخفيف بعض الالتباس من خلال استكشاف نوع واحد من البرونز، وهو البرونز الفوسفوري. من خلال فحص الخصائص الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية لبرونز الفوسفور، تهدف هذه المقالة إلى مساعدة المصممين المهتمين على تحديد ما إذا كانت سبيكة النحاس هذه خيارًا جيدًا لمشروعهم. سندرس أولاً تركيبة برونز الفوسفور، ثم نناقش مزاياه وعيوبه وخواصه الميكانيكية، وأخيرًا نناقش التطبيقات الشائعة لهذا المعدن المفيد.
الخصائص الفيزيائية للبرونز الفوسفور
قد يكون من المفيد مراجعة مقالتنا عن أنواع البرونز لفهم القواسم المشتركة بين سبائك النحاس وتطبيقاتها الشائعة.
يوجد أدناه، في الشكل 1، مخطط نوعي يصف تكوين برونز الفوسفور:
رسم بياني دائري يوضح تركيب مادة برونز الفوسفور.
الشكل 1: الانهيار النوعي لبرونز الفوسفور.
لاحظ أن النسب المئوية للزنك والحديد والرصاص والفوسفور المتضمنة ضئيلة للغاية.
من خلال النظر إلى الشكل 1، قد يكون من الصعب فهم سبب تسمية برونز الفوسفور بهذا الاسم عندما يتكون أساسًا من النحاس والقصدير كسبيكة. وذلك لأنه لا يلزم سوى كمية صغيرة من الفوسفور، حوالي 0.03-0.035% بالوزن، لمنح هذه السبائك خصائصها الفريدة، مثل تحسين التدفق ومقاومة التآكل والصلابة. تُعرف أيضًا باسم برونز القصدير، ولكن توجد دائمًا كمية معينة من الفوسفور ليتم اعتبارها برونزيات فوسفورية. بكثافة حوالي 8.8 جم/سم3، فإن معظم أشكال هذه السبائك تستجيب للعمل الساخن، والعمل البارد، والمعالجة الحرارية. فهي مرنة للغاية، ومقاومة للتعب والتآكل، ويمكن تشكيلها وسكبها ولحامها بسهولة. إن إضافة الرصاص تجعل برونز الفوسفور أقوى وأسهل في الماكينة، ولكن برونز الفوسفور الخالي من الرصاص قوي أيضًا ومقاوم بمفرده. يتم استخدامها غالبًا في التطبيقات المقاومة للتآكل، بالإضافة إلى التطبيقات الأخرى التي تتطلب مادة مرنة ولكنها متينة.
المقاومة والضعف
معظم سبائك البرونز الفوسفوري تقاوم تغير اللون والتآكل، مما يجعلها مفيدة في القناة الكهربائية وغيرها من البيئات المسببة للتآكل. كما أنها مقاومة للتعب، مما يعني أنها تحافظ على قوتها على مدار العديد من دورات التحميل. ستؤدي إضافة القصدير إلى زيادة هذه المقاومة بالإضافة إلى قوتها، في حين أن إضافة الرصاص ستؤدي إلى إنتاج برونز الفوسفور، المعروف بالعامية باسم "صديق الميكانيكي" (سبائك COLPHOS 90 / C54400) لأنه لا يمكن تمييزه فعليًا عن سبائك النحاس الحرة القطع. تكتسب معظم السبائك مظهرًا جذابًا في وجود الأكسجين، لذلك يمكن استخدامها أيضًا في التطبيقات التزيينية. من المحتمل أن تكون العيوب الرئيسية لبرونز الفوسفور هي انخفاض توصيله الكهربائي، حيث يقلل الفوسفور من قدرة المعدن على توصيل التيار الكهربائي، كما يقلل من سعره. الغبار والأبخرة البرونزية الفوسفورية سامة أيضًا عند استنشاقها، لذا كن حذرًا بشأن محفظتك ورئتيك.
الخواص الميكانيكية
يوضح الجدول 1 أدناه بعض الخواص الميكانيكية ذات الصلة باستخدامات وقوة برونز الفوسفور. سيشرح هذا القسم بإيجاز كل خاصية ويوضح كيف تجعل سبيكة النحاس هذه فريدة من نوعها.
قوة الشد العائد
380-450 ميجا باسكال
55100-65260 رطل لكل بوصة مربعة
معامل المرونة
110 جيجا
16000 كيلو
الموصلية الكهربائية (بالنسبة للنحاس النقي)
15%
الصلابة (روكويل ب)
75-85
القدرة على التصنيع
20-100%
الجدول 1: ملخص الخواص الميكانيكية لبرونز الفوسفور - يرجى ملاحظة أن هذا الجدول عبارة عن ملخص عام وليس قائمة بالخصائص الفعلية لجميع أنواع برونز الفوسفور.
قوة خضوع الشد هي قيمة الإجهاد التي تحدد النقطة التي تتشوه فيها المادة من الناحية اللدنة. وهو مقياس شائع لقوة عدم خضوع المادة، حيث أن الضغوط الموجودة أسفل هذه النقطة لن تؤدي إلى ثني أو تمدد السبيكة (على الرغم من وجود استثناءات دائمًا). إنه إجراء مفيد للمصنعين عند التصنيع وفي التطبيقات التي يجب أن تحافظ فيها المادة على شكلها دون المساس بالسلامة الهيكلية. يتمتع برونز الفوسفور بقوة إنتاجية مثيرة للإعجاب تنافس بعض سبائك الألومنيوم وتتفوق حتى على أنواع البرونز الأخرى، وذلك بفضل النسبة العالية من القصدير والفوسفور. عندما يتم دمجها مع خصائص الزنبرك الجيدة، فإن هذا يخلق سبيكة قوية وتتمتع بخاصية خاصة بها.
يصف معامل المرونة، أو معامل يونج، قدرة المادة على التشوه بشكل مرن، أي صلابة المادة. على عكس ما هو متوقع، يشير معامل يونغ الأعلى إلى مادة أكثر مرونة، ولكن هذا ليس مقياسًا "للمرونة". إنه مقياس لقوة المادة الداخلية، ومدى احتمال عودتها إلى شكلها الأصلي تحت قوة متزايدة. ولذلك، فإن معامل يونج المرتفع يعني أن المادة قوية بشكل عام لأنها لا تتشوه من الناحية اللدنية في ظل ظروف التحميل المتزايدة. يتمتع برونز الفوسفور بمعامل مرونة مرتفع إلى حد ما (ما يقرب من نصف معامل المرونة في معظم أنواع الفولاذ)، مما يشير إلى أنه ليس قويًا مثل السبائك الأخرى، ولكنه يمكن أن يحافظ على قوته في ظل ظروف معتدلة. يؤدي هذا إلى كون برونز الفوسفور مفيدًا في عمليات التشكيل وأكثر صعوبة في الماكينة، ولكن المزيد عن ذلك لاحقًا.
يمتلك برونز الفوسفور موصلية كهربائية تبلغ حوالي 15% من النحاس النقي - فلماذا استخدامه في التطبيقات الكهربائية عندما يكون النحاس قادرًا على حمل الكهرباء بشكل أفضل؟ تكمن الإجابة في التوازن الجيد لبرونز الفوسفور بين قوة الكلال ومقاومة التآكل والتوصيل الكهربائي. على الرغم من أنها ليست سبيكة مميزة في أي من الفئات المذكورة أعلاه، إلا أن قدرتها على أن تكون متينة وقوية وموصلة تعني أن المكونات الكهربائية المصنوعة من برونز الفوسفور ستدوم لفترة أطول من نظائرها النحاسية. ونتيجة لذلك، تم استخدام برونز الفوسفور منذ فترة طويلة كمادة للمفاتيح الكهربائية، والمثبتات، والموصلات، وما إلى ذلك، لأنه يمكن أن يتحمل الأحمال الميكانيكية والكهربائية بشكل أفضل من نظيره النحاسي النموذجي.
ترتبط صلابة المواد دائمًا ببعض أجهزة قياس التحمل القياسية، وتوفر مقاييس الصلابة المختلفة قائمة مقارنة للمواد ضمن نفس الفئة/المادة العامة. ويبين الجدول 1 قيم الصلابة على مقياس روكويل B، والذي يستخدم عادة لوصف صلابة سبائك النحاس والمعادن الأخرى. المواد ذات قيم الصلابة الأقل تكون بشكل عام أكثر ليونة، مما يعني أنها أكثر سهولة في الخدش والانبعاج والتشوه محليًا على السطح، بينما تشير الأرقام الأعلى إلى المواد التي يصعب خدشها (مثل زجاج البورسليكات والسيراميك وما إلى ذلك). كمرجع، يتمتع النحاس بصلابة Rockwell B تبلغ حوالي 50، لذلك يتضح من الجدول 1 أن برونز الفوسفور أكثر مقاومة للخدش من شكله النقي. كما أنها ليست بنفس قوة السبائك الأخرى الأكثر قابلية للتصلب مثل الفولاذ، والتي يمكن أن تكون أفضل أو أسوأ اعتمادًا على التطبيق. على سبيل المثال، إذا كان النقش والتطعيم جزءًا من التطبيق، فقد يكون برونز الفوسفور بمثابة توازن جيد بين القوة وقابلية التشغيل الآلي، ولكن هذا يعتمد على نوع السبيكة المحدد وإجراءات التقوية.
مثل الصلابة، تعد قابلية التصنيع مقياسًا مقارنًا لقدرة المادة على التصنيع، ويتم الرجوع إليها دائمًا إلى بعض مواد التصنيع القياسية (بالنسبة للبرونز، هذه المادة هي UNS C36000 - نحاس قطع مجاني). تتمتع هذه المادة القياسية بدرجة قابلية تصنيع تبلغ 100%، مما يعني أنها سهلة التصنيع ولا تسبب سوى القليل من المشكلات في المتجر. تعتبر السبائك ذات الدرجات الأقل من 100% أكثر صعوبة في التصنيع مقارنة بهذا المرجع، وهذا هو الحال غالبًا مع البرونز الفوسفوري؛ ومع ذلك، يمكن تصنيع برونز الفوسفور خصيصًا لمعالجة هذه المشكلات (وكذلك معظم السبائك الأخرى، اعتمادًا على المصدر). يمكن شراء برونز الفوسفور بمحتوى أعلى من الرصاص، مما سيزيل صعوبة تصنيعه لأنه يصبح أكثر تشحيمًا ذاتيًا. لذلك، في حين أن معظم سبائك البرونز الفوسفوري يصعب طحنها إلى حد ما، إلا أنه يمكن معالجة هذه المشكلة عن طريق اختيار السبيكة المناسبة.
تطبيقات الفوسفور البرونزي
تم استخدام برونز الفوسفور في المكونات الكهربائية لسنوات عديدة، لكنه لا يزال يجد استخدامات جديدة بسبب التقدم التكنولوجي والحاجة إلى مواد أكثر تخصصًا. فيما يلي قائمة بتطبيقات برونز الفوسفور، ولكن اعلم أن له العديد من الاستخدامات خارج هذه القائمة، ولا تزال التطبيقات الجديدة قيد التطوير.
تتضمن بعض التطبيقات الشائعة ما يلي:
الينابيع
البطانات والبطانات والمحامل
قضبان اللحام
مجوهرات
اوتار الجيتار
جسور الأسنان
و اكثر.
