Mi a bronz olvadási pontja？

1. Bevezetés

A bronz olvadási pontja kulcsfontosságú koncepció a kohászatban, gyártás, és a tervezés.

A tiszta fémekkel ellentétben, A bronz egy ötvözet - elsősorban réz és ón, Bár sok modern bronz tartalmaz alumíniumot, szilícium, nikkel, vagy foszfor.

Ennek eredményeként, A bronz egy hőmérsékleten nem olvad élesen, hanem inkább áthalad a Mushy zóna a Solidus között (Az olvadás kezdete) és folyékony (teljesen olvadt).

Ez a megkülönböztetés kritikus az öntödei mérnökök számára, hegesztők, és az anyagtervezők, akik a pontos hőmérséklet -szabályozásra támaszkodnak a hang biztosítása érdekében, hibamentes alkatrészek.

2. Mi a bronz?

Bronz a réz alapú ötvözet amelyben réz (CU) a fő alkotóelem és ón (SN) hagyományosan az elsődleges ötvöző elem.

A tiszta fémekkel ellentétben, A bronz egy tervezett anyag- Mechanikus, termikus, és a kémiai tulajdonságok az összetétel és a feldolgozás beállításával testreszabhatók.

A modern bronzok alumíniumot is tartalmazhatnak, szilícium, foszfor, nikkel, cink, vagy a konkrét teljesítményjellemzők eléréséhez vezet.

Történelmi perspektíva

A bronz az egyik legkorábbi ötvözet, amelyet az emberek fejlesztettek ki, A Bronzkor (körülbelül 3300 BCE).

Az ón bevezetése a rézbe nehezebben teremtett, tartósabb anyag, mint a tiszta réz, Az előrelépések lehetővé tétele eszközöket, fegyverek, művészet, és építészet.

Ma, A bronz továbbra is nélkülözhetetlen mindkét hagyományos művészeti alkalmazásban (szobor, harang) és a fejlett műszaki (űrrepülés, tengeri, és energiarendszerek).

Bronzötvözetek osztályozása

A bronz nem egyetlen ötvözet, hanem a rézötvözetek családja másodlagos elemeikkel kategorizálva:

• Ónbronzok - Cu - SN ötvözetek (Általában 5–20% SN), Erőért értékelték, kopásállóság, és csapágytulajdonságok.
• Foszfor -bronzok - ón bronzok kis foszfor hozzáadásával (0.01–0,5%), A fáradtság -ellenállás és a korrózióállóság javítása.
• Alumínium bronzok - Cu - Al ötvözetek (5–12% AL, Gyakran Fe vagy Ni -vel), Kiváló erőt és tengeri korrózióállóságot kínál.
• Szilikon bronzok - Ötvözetekkel (2–4% és), A korrózióállóság és a jó önthetőség és a hegesztés kombinálása.
• Ólom bronzok - Cu - Sn - PB ötvözetek, Ahol az ólom javítja a megmunkálhatóságot és a csapágy tulajdonságait.
• Nikkel-alumínium bronzok - Cu - Al - NI ötvözetek kiváló tengervíz -ellenállással, gyakran a hajógyártásban használják.

A bronz legfontosabb tulajdonságai

• Mechanikai: Nagyobb erő és keménység, mint a réz, Jó kopásállósággal.
• Termikus: Nagy hővezető képesség, de az ötvözés miatt a tiszta réznél alacsonyabb.
• Kémiai: Kiváló korrózióállóság, Különösen a tengervíz ellen, A bronz nélkülözhetetlenné teszi a tengeri és vegyiparban.
• Akusztikus: Megkülönböztetett rezonancia tulajdonságok, A hangszerekben használják, harang, És a gongok.

3. Az ötvözetek olvadási viselkedése - Solidus és Liquidus

Ötvözetek számára, Az olvadás az a hőmérsékleti intervallum:

• Solidus hőmérséklete: A legalacsonyabb hőmérséklet, amelyen az olvadás kezdődik.
• Folyadékhőmérséklet: Az a hőmérséklet, amelyen az ötvözet teljesen folyékony lesz.
• Fagyasztási tartomány (Pép zóna): A Solidus és a folyadék közötti intervallum, ahol mind a szilárd, mind a folyékony létezik.

4. A bronzcsalád tipikus olvadási tartományai

Mert a bronz nem egyetlen ötvözet, hanem egy család réz alapú ötvözetek, Olvadási viselkedése az ötvöző elemektől és azok arányától függően nagyon eltérő.

Éles olvadási pont helyett (Mint a tiszta fémekben látható), A bronz kiállítja a olvadási tartomány, A Solidus (Ahol kezdődik az olvadás) És a folyékony (Ahol teljesen olvadtsá válik).

Az alábbi táblázat összefoglalja a nagy bronzcsaládok tipikus olvadási tartományait:

5. Hogyan befolyásolják a kompozíció és az ötvöző elemek az olvadási tartományt

A bronz olvadási tartományát alapvetően annak ellenőrzi kémiai összetétel.

A tiszta réz olvad 1,085 ° C (1,985 ° F), De amikor ötvözi azokat az elemeket, mint például az ón, alumínium, szilícium, foszfor, nikkel, vagy az ólom bevezetésre kerül, Az olvadási viselkedés jelentősen eltolódik.

Ezek az elemek is alacsonyabb vagy emelni A Solidus és a folyadék hőmérséklete a rézrel való kölcsönhatásuktól függően.

A fő ötvöző elemek hatása

Ötvöző interakciók és mikroszerkezeti hatások

• Eutektikus képződés (Cu-SN, Cu -pb): Jelentősen csökkenti az olvadási pontot, ami szélesebb olvadási tartományokat eredményez.
• Intermetall vegyületek (-, Vele): Növelje az olvadási hőmérsékletet és erősebbé váljon, stabilabb ötvözetek.
• Szilárd oldat megerősítése (-Andel, Vele): Megtartja a viszonylag magas olvadási tartományt, miközben javítja a rugalmasságot és a korrózióállóságot.

6. Mikroszerkezeti és feldolgozási hatások

Míg a kémiai összetétel a domináns tényező a bronz olvadási viselkedésének meghatározásában, mikroszerkezeti állapot és feldolgozási előzmények Finom, mégis fontos szerepet is játszik.

Ezek a tényezők befolyásolják, hogy az ötvözet mennyire egyenletesen átalakul a szilárd anyagból, és több tíz fokkal eltolhatja a hatékony Solidus vagy folyadék pontokat.

Mikroszerkezeti állapot: Gabonaméret és fázis eloszlás

• Szemcseméret: Finomszemcsés bronz (szemátmérő <10 μm) Általában Solidus hőmérséklete ~ 5–10 ° C-nál alacsonyabb, mint a durva szemcsés bronz (>50 μm).
  Ennek oka az, hogy a finom szemcsék több gabonahatárot vezetnek be, Ahol az atomi diffúzió felgyorsítja a helyi olvadást.
• Fázis szegregáció: Többfázisú ötvözetekben (PÉLDÁUL., A+B bronz, például C61400), A nem egyenletes fáziseloszlás lokalizált olvadási viselkedést hoz létre.
  A β-fázisú régiók ~ 1050 ° C-on megolvadhatnak, míg az α-fázisú régiók ~ 1,130 ° C-ig fennmaradnak. Ez kiszélesíti a tényleges olvadási tartományt 10–20 ° C -kal.
• Gyakorlati példa: Hidegen megmunkált foszfor-bronz (C52100) Általában finomabb szemcséket alakít ki, mint az As-Cast társa.
  A lágyítás alatt, A hidegen dolgozott C52100 a Solidus közelében mutat 930 ° C, Összehasonlítva az öntött anyag ~ 950 ° C -val - szigorúbb hőmérséklet -szabályozást igényel a kezdeti olvadás elkerülése érdekében.

Feldolgozási előzmények: Termikus ciklusok és ötvözött lebomlás

• Ón párologtatás (Hegesztés/casting): A ~ 1100 ° C feletti elhúzódó expozíció fokozatosan párologtathatja az ónt, annak ellenére, hogy magas forráspontja (2,270 ° C).
  Például, fűtés C92200 bronz (10% SN) -kor 1,200 ° C egy órán át az SN tartalmat 1-2% -kal csökkentheti, A folyadék felfelé történő áthelyezése ~ 1,020 ° C -ról ~ 1,030 ° C -ra.
• Hőkezelés (Lágyítás/homogenizáció): Bronz izzító 600–800 ° C -on (Solidus alatt) elősegíti a diffúziót és csökkenti a mikroszegációt.
  Ez az olvadási intervallumot 5–15 ° C -ra szűkíti. Például, C92700 (15% SN) lágyított 700 ° C 880–1,030 ° C olvadási tartományt mutat, összehasonlítva a 880–1,050 ° C-val az AS-Cast állapotban.
• Öntési ráta: Gyors megszilárdulás (PÉLDÁUL., hidegöntés) Finomabb dendriteket és egységesebb fáziseloszlást eredményez, A korai helyi olvadás valószínűségének csökkentése.
  A lassú hűtés fokozza a szegregációt, Az olvadási intervallum kiszélesítése.

7. Ipari gyártási következményei a bronz olvadási pontjának

A bronz olvadási tartományának pontos ellenőrzése az nem tárgyalható A gyártásban.

Még a 10 ° C eltérés A célfeldolgozási hőmérsékleten a hozam felére csökkentheti a hozamot, Vagy a hiányos penész kitöltés révén, ötvöző elemek párologtatása, vagy mikroszerkezeti károk.

A három legérzékenyebb művelet -öntvény, hegesztés, és hőkezelés—A Solidus - Liquidus ablak pontos ismereteinek nagymértékben..

Öntvény: A folyékonyság és az ötvözött integritás kiegyensúlyozása

Castingban, A bronzot a folyadék fölé kell melegíteni 50–100 ° C Annak érdekében, hogy elegendő folyékonyságot érjen el a penész kitöltéséhez, Miközben elkerüli a túlzott túlmelegedést, amely felgyorsítja az oxidációt (rontás kialakulása) vagy az illékony ötvöző elemek, például ólom és ón párologtatása.

Kritikus ellenőrzés: Az ólomos bronz C90700 -hoz, öntés alatt 950 ° C eredményeket eredményez elrontás (kitöltött üregek), miközben fent 1,050 ° C ólom párologtatás meghaladja 1%, Domradáló megmunkálhatóság és a gázporozitás előállítása.

Hegesztés: Az olvadás és az ötvözet lebomlásának elkerülése

A bronz hegesztéshez a folyadék alatti hőmérsékletet igényelnek, hogy megakadályozzák a bázisfém olvadását, Az alapötvözetnél alacsonyabb olvadási tartományokkal rendelkező töltőfémek használata.

• TIG hegesztés (Tengeri hajtókerek): Használja a C92200 Base Metal -t (10% SN, 920–1020 ° C olvadási tartomány) C93200 töltőanyaggal (5% SN, 880–980 ° C olvadási tartomány).
  Melegítse elő 200–300 ° C -ra és tartsa fenn a hegesztési medence hőmérsékletét 900–950 ° C -on (A töltőanyag folyadék és a Solidus alap között) A fúziós hibák elkerülése érdekében.
• Rapárolás (Elektromos csatlakozók): Használjon réz-foszfor töltőanyagot (5% p, Olvadás 714–800 ° C -on) C51000 foszfor -bronzgal (970–1070 ° C olvadási tartomány).
  Hő 750–800 ° C -ra - az töltöttség megolvad, míg a bázisfém szilárd marad, A torzítás megakadályozása.

Meghibásodási mód: A C92200 túlmelegedése a TIG hegesztés során (hőmérséklet >1020° C) ón párologtatást okoz (2% SN veszteség), A szakítószilárdság csökkentése az által 25% és növekvő korrózió -érzékenység a tengervízben.

Hőkezelés: Erősítés olvadás nélkül

A hőkezelési hőmérsékletek szigorúan korlátozódnak A Solidus alatt A részleges olvadás és a mikroszerkezeti károk elkerülése érdekében:

• Oldat -lágyítás (Alumínium bronz): C63000 (15% Al, 1080–1200 ° C olvadási tartomány) lágyítják 800–900 ° C-on a β-fázis α-fázisba oldására, A rugalmasság javítása (A megnyúlás növekszik 10% hogy 30%).
• Öregedés (Foszfor bronz): C52100 (0.3% P) 400–500 ° C -on érlelődik (jóval a 930 ° C -os szolidus alatt) Cu₃p kicsapására, növekvő szakítószilárdság 450 MPA 550 MPA.

8. A bronz olvadási tartományának tesztelési módszerei

A bronz olvadási tartományának pontos mérése szükséges a precízióhoz és a minta méretéhez igazított laboratóriumi vagy ipari technikákhoz.

Differenciális szkennelő kalorimetria (DSC)

• Alapelv: Az 5–10 mg -os bronzmintába/onnan be/ki a hőáramlást 10 ° C/perc sebességgel melegítik.
  A solidus az endotermikus hőelnyelés kezdeteként kerül kimutatásra; A folyadék a vége az endotermának.
• Pontosság: ± 1-2 ° 100 szilárd / folyadék esetén; Ideális az új bronzötvözetek jellemzésére (PÉLDÁUL., Alacsony vezetékes osztályok az ivóvíz berendezésekhez) Az ASTM B505 betartásának igazolásához.
• Példa: A C61400 DSC elemzése (10% Al) megerősíti a 1050 ° C -os szoliduszt és az 1130 ° C folyadékot - kritikus a szerszám -öntési hőmérsékletek meghatározására.

Magas hőmérsékletű olvadó készülék

• Alapelv: Az 1–5 g -os bronzmintát egy grafit tégelyben melegítjük, közvetlenül a mintába beillesztett hőelemmel.
  A Solidus az a hőmérséklet, amikor az első folyadék képződik; A folyadék akkor van, amikor a minta teljesen olvadt.
• Pontosság: ± 5–10 ° C; alkalmas ipari minőség -ellenőrzésre (PÉLDÁUL., Az ólom bronz kötegelt következetességének ellenőrzése a csapágyakhoz).
• Előny: Szimulálja a valódi öntési feltételeket, A szennyeződés hatásainak elszámolása, amelyek hiányozhatnak a DSC -nek.

Termikus gravimetrikus elemzés (TGA)

• Alapelv: A bronzminta tömegveszteségét melegítés során méri.
  Az ón- vagy ólom párologtatás tömegvesztést okoz a forráspontjaik felett, Az olvadás kezdetét azonban finom tömegváltozás jelzi (a felületi oxidáció miatt) egybeesik a Solidus -szal.
• Pontosság: ± 3–5 ° C a Solidus esetében; gyakran a DSC-vel használják az olvadási tartomány adatainak keresztirányú validálására.
• Alkalmazás: Ón párologtatás tanulmányozása magas tinta bronzban (C92700) A casting tartási idő optimalizálása érdekében (Minimalizálja az SN veszteséget <0.5%).

9. A bronz olvadási pontjáról szóló általános tévhit

Annak ipari jelentősége ellenére, A bronz olvadási viselkedését gyakran félreértik. Az alábbiakban bemutatjuk a kulcsfontosságú pontosításokat:

"A bronznak rögzített olvadáspontja van, mint a tiszta réz."

Hamis: A tiszta réz 1083 ° C -on olvad (rögzített), de bronz - ötvözet - olvadási tartomány.

Például, C92200 ón bronz 920 ° C és 1020 ° C között olvad, nem egyetlen hőmérsékleten.

"A további ón hozzáadása mindig csökkenti a bronz olvadási tartományát."

Részben igaz: Ón tartalma 15% csökkenti az olvadási tartományt (1083 ° C -tól tiszta Cu -tól 880–1050 ° C -ig 15% SN), de fent 15% SN, törékeny δ-fázis (Cu₃sn) formák, Az olvadási tartomány kiszélesítése és a folyadék kissé megemelése.

"Az ólom mindig előnyös a bronz olvadási tartományának csökkentésére."

Hamis: Az ólom csökkenti az olvadási tartományt, de forró rövidítést okoz (a nagy hőmérsékleten a törékenység) ha >5% PB.

Nagy ólom bronz (C90700, 5% PB) Nem használható nagy hőmérsékleten (PÉLDÁUL., kemence alkatrészek) A repedési kockázat miatt.

"Minden bronz hegeszthető, ha az olvadási tartományba melegítik."

Hamis: A bronz hegesztése a folyadék fölött az alapfém -olvadást és az ötvözet elemvesztést okozza (ón párologtatás).

A fúziós hibák elkerülése érdekében a bronzhoz alacsonyabb olvadási tartományú töltőfémek szükségesek, mint az alapötvözet, mint az alapötvözet.

10. Minőség, Hibák, és enyhítés

A A bronz olvadási viselkedése a termékminőség kritikus meghatározója.

Még a meghatározott Solidus - Liquidus ablaktól való kis eltérések is kiválthatják a mechanikai teljesítményt veszélyeztető fémkohászati ​​hibákat, korrózióállóság, és a mérési stabilitás.

Az olvadási tartományhoz kapcsolódó általános hibák

Szegregáció és mikroszerkezeti inhomogenitás

• Ok: Lassú hűtési vagy széles olvadási tartományok (PÉLDÁUL., magas-SN bronzok) az ón vagy az ólom szegregációjához vezet a gabonahatárokon.
• Hatás: Csökkentett keménység, granuláris korrózió érzékenysége.
• Példa: C92700 -ban (15% SN), A túlzott β-fázisú szegregáció ~ 30% -kal csökkenti az ütésállóságot.

Gáz porozitás és zsugorodási üregek

• Ok: A fenti ajánlott túlhevítés (> folyékony + 100 ° C) Növeli az oxidációt és a gáz felszívódását.
• Hatás: A porozitás a fáradtsággal csökkenti a fáradtságot 40%.
• Példa: Az ólomban lévő bronz C90700 üregeket alakít ki, ha öntik >1,080 ° C Az ólom párologtatása miatt.

Forró repedés (Megszilárdulási repedés)

• Ok: Keskeny megszilárdulási tartomány néhány ötvözetben (PÉLDÁUL., With - Bronzes) Hűtés közben hajlamossá teszik őket a termikus feszültségekre.
• Hatás: Repedések kezdeményeznek a gabonahatárokon, A szerkezeti integritás veszélyeztetése.

Túlmelegedés és ötvöző elemvesztés

• Ok: Kiterjesztett expozíció >1,100 ° C ón párologtatást okoz (~ 1–2% óránként) és ólomveszteség az ólom bronzokban.
• Hatás: Alacsonyabb szilárdság, gyenge megmunkálhatóság, és megnövekedett törékenység.

Kulcs elvitel:

A bronzgyártásban a legtöbb minőségi hiba nem az ötvözet kiválasztásából származik, hanem a Nem megfelelő hőmérséklet -szabályozás az olvadás és öntés során.

Kombinációval szigorú hőkezelés, ötvözött optimalizálás, és fejlett ellenőrzési technikák, A hibamarát több mint 70%.

11. A jövőbeli trendek: Alacsony vezetékes és adalékanyag-gyártás

A bronztechnika fejlődik a környezetvédelmi előírások és a fejlett gyártási igények kielégítésére, Olvadási tartomány megfontolásokkal az élen jár:

Alacsony vezetékes és ólommentes bronz

• Sofőr: Környezetvédelmi előírások (PÉLDÁUL., Kalifornia javaslat 65, Én Rohs) Az ólom korlátozása az ivóvíz berendezéseiben és az élelmiszer-kontaktus felületekben.
• Olvadási tartomány kihívás: Az ólom cseréje a bizmutra (Kettős) vagy szilícium (És) megköveteli az olvadási tartományok újbóli optimalizálását - a Bismuth a folyadékot ~ 10 ° C -ra csökkenti 1% Kettős, de a túlzott BI a törékenységet okozza.
• Megoldás: C90800 (10% SN-2% BI) 920–1000 ° C olvadási tartománya van, Megfelelő az ólomos bronz önthetőségének megfelelése, miközben megfelel az ólommentes előírásoknak.

Additív gyártás (3D Nyomtatás)

• Sofőr: Összetett geometriák (PÉLDÁUL., egyedi csapágyak) hogy a hagyományos casting nem érheti el.
• Olvadási tartomány kihívás: Porágy -fúzió (PBF) megköveteli a lézerhőmérséklet pontos szabályozását (A folyadék felett a teljes olvadáshoz, Az alábbiakban a szintereléshez).
• Megoldás: C52100 foszfor bronz PBF -hez, Használjon 1050–1100 ° C lézerhőmérsékletet (folyékony + 20–70 ° C) A rétegkötés biztosítása érdekében ón párologtatás nélkül.

12. Következtetés

A olvadáspont bronz a legjobban a A Solidus és a folyadék hőmérséklete által meghatározott olvadási tartomány.

Ezt a tartományt az ötvözet kompozíciója befolyásolja, mikroszerkezet, és szennyeződések, és közvetlenül irányítja, hogy a bronz milyen öntvény, hegesztett, és hőkezelt.

Az olvadás és az öntési hőmérséklet gondos ellenőrzése biztosítja a hibamentes alkatrészeket, Bővíti az élettartamot, és csökkenti a költségeket.

A fázisdiagram ismereteinek integrálásával a gyakorlati öntödei tapasztalatokkal, A mérnökök és a gyártók teljes mértékben kihasználhatják a bronz sokoldalúságát, miközben minimalizálják a termelés kockázatait.

GYIK

Mi az olvadási tartomány a tengeri hajtóanyagokban használt bronztartományban?

A tengeri hajtókerek általában C92200 haditengerészeti ón bronzot használnak (10% SN) vagy C61400 közepes alumínium bronz (10% Al).

C92200 olvad 920–1020 ° C -on, míg a C61400 1050–1130 ° C -on olvad. Az alumínium bronz a nagyobb hajtócsomagok számára előnyös, mivel magasabb a magas hőmérsékleten.

Hogyan befolyásolja az ólomtartalom a bronz olvadási tartományát?

Az ólom olvadási pontként működik - mindegyik 1% Az ólom növekedése csökkenti a folyadékot ~ 15 ° C -on.

Például, C90300 (2% PB) folyékony folyadékkal rendelkezik 100, Míg C90700 (5% PB) Folyadéka 980 ° 100.

Viszont, ólom >5% Forró rövidítést okoz, A bronz törékenyé tétele magas hőmérsékleten.

Hegeszthetek bronzot ugyanolyan hőmérsékleten, mint az acél, mint az acél?

Nem. Acél (PÉLDÁUL., A36) olvad 1425–1538 ° C -on, sokkal magasabb, mint a bronz.

A C92200 ón bronz hegesztése maximális hőmérsékletet igényel 950 ° C (Az 1020 ° 100 állapota alatt) Az ón párologtatásának és az alapfém olvadásának elkerülése érdekében.

Acél hegesztési hőmérsékletek használata elpusztítaná a bronzot.

Hogyan mérhetem meg a bronz olvadási tartományát egy öntödében?

Használjon magas hőmérsékletű olvadó készüléket grafit tégely és K-típusú hőelemmel.

Melegítse a 5 G bronzminta 5 ° C/perc sebességgel, A hőmérséklet rögzítése, amikor az első folyadék képződik (Solidus) És amikor a minta teljesen olvadt (folyékony).

Ennek a módszernek ± 5–10 ° C pontossága van, elegendő a tétel minőség -ellenőrzéséhez.

Miért van az alumínium bronz olvadási tartománya, mint az ón bronz??

Az alumínium magas olvadású intermetall vegyületeket képez (PÉLDÁUL., Cu₃al, Olvadás 1037 ° C -on) rézzel, amelyek emelik a Solidust és a folyadékot.

Ón, ezzel szemben, egységesebb szilárd oldatot képez rézzel, Az atomkötések megzavarása és az olvadási tartomány csökkentése. Például, 10% Al bronzban ~ 100 ° C -os vs -rel emeli a folyadékot. 10% SN.