Apa titik leleh dari perunggu？

1. Perkenalan

Titik pencairan perunggu adalah konsep kunci dalam metalurgi, manufaktur, dan desain.

Tidak seperti logam murni, Perunggu adalah An paduan - Terutama dari tembaga dan timah, Meskipun banyak perunggu modern termasuk aluminium, silikon, nikel, atau fosfor.

Sebagai akibat, perunggu tidak meleleh dengan tajam pada satu suhu tetapi malah melewati a zona lembek antara solidus (Mulai pencairan) dan cair (benar -benar cair).

Perbedaan ini sangat penting untuk insinyur pengecoran, tukang las, dan perancang bahan yang mengandalkan kontrol suhu yang tepat untuk memastikan suara, komponen bebas cacat.

2. Apa itu perunggu?

Perunggu adalah a Paduan berbasis tembaga di mana tembaga (Cu) adalah komponen utama dan timah (Sn) secara tradisional adalah elemen paduan utama.

Tidak seperti logam murni, Perunggu adalah An bahan rekayasa—Ini mekanis, panas, dan sifat kimia dapat disesuaikan dengan menyesuaikan komposisi dan pemrosesan.

Perunggu modern juga dapat mengandung aluminium, silikon, fosfor, nikel, seng, atau mengarah untuk mencapai karakteristik kinerja tertentu.

Perspektif Historis

Perunggu adalah salah satu paduan paling awal yang dikembangkan oleh manusia, Berasal kembali ke Zaman Perunggu (sekitar 3300 SM).

Pengenalan timah ke dalam tembaga menciptakan lebih keras, bahan yang lebih tahan lama dari tembaga murni, memungkinkan kemajuan di peralatan, senjata, seni, dan arsitektur.

Hari ini, Perunggu tetap penting dalam kedua aplikasi artistik tradisional (patung, lonceng) dan rekayasa lanjutan (Aerospace, laut, dan sistem energi).

Klasifikasi paduan perunggu

Perunggu bukanlah paduan tunggal tetapi a Keluarga Paduan Tembaga dikategorikan oleh elemen sekunder mereka:

• Perunggu timah - Paduan Cu - Sn (biasanya 5-20% SN), dihargai untuk kekuatan, Pakai ketahanan, dan properti bantalan.
• Perunggu fosfor - Perunggu timah dengan penambahan kecil fosfor (0.01–0,5%), Meningkatkan resistensi kelelahan dan resistensi korosi.
• Perunggu aluminium - Paduan Cu - Al (5–12% al, sering dengan fe atau ni), Menawarkan kekuatan yang sangat baik dan resistensi korosi kelautan.
• Perunggu Silikon - dengan paduan (2–4% dan), Menggabungkan resistensi korosi dengan castability dan weldability yang baik.
• Perunggu berakibat - Paduan Cu -Sn -Pb, di mana timbal meningkatkan kemampuan mesin dan bantalan.
• Perunggu nikel-aluminium - Paduan Cu - Al -Ni dengan Perlawanan Air Laut yang Superior, sering digunakan dalam pembuatan kapal.

Sifat utama perunggu

• Mekanis: Kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi daripada tembaga, dengan ketahanan aus yang baik.
• Panas: Konduktivitas termal yang tinggi, tetapi lebih rendah dari tembaga murni karena paduan.
• Kimia: Resistensi korosi yang sangat baik, terutama melawan air laut, Membuat perunggu sangat diperlukan di industri kelautan dan kimia.
• Akustik: Sifat resonansi yang berbeda, digunakan dalam alat musik, lonceng, dan gong.

3. Perilaku mencairkan paduan - Solidus dan Liquidus

Untuk paduan, pencairan terjadi di a interval suhu:

• Suhu solidus: Suhu terendah di mana leleh dimulai.
• Suhu cairan: Suhu di mana paduan menjadi sepenuhnya cair.
• Jangkauan pembekuan (Zona lembek): Interval antara solidus dan liquidus di mana solid dan cair hidup berdampingan.

4. Rentang leleh yang khas oleh keluarga perunggu

Karena perunggu bukanlah satu paduan tetapi keluarga paduan berbasis tembaga, Perilaku pencairannya sangat bervariasi tergantung pada elemen paduan dan proporsinya.

Bukan titik leleh yang tajam (seperti yang terlihat dalam logam murni), Pameran perunggu a rentang leleh, ditentukan oleh solidus (dimana leleh dimulai) dan cairan (di mana itu menjadi sepenuhnya cair).

Tabel di bawah ini merangkum rentang leleh yang khas untuk keluarga perunggu besar:

5. Bagaimana komposisi dan elemen paduan mempengaruhi jangkauan peleburan

Rangkaian perunggu yang meleleh secara fundamental dikendalikan olehnya Komposisi Kimia.

Tembaga murni meleleh di 1,085 ° C. (1,985 ° f), Tapi saat elemen paduan seperti timah, aluminium, silikon, fosfor, nikel, atau timbal diperkenalkan, Perilaku pencairan bergeser secara signifikan.

Elemen -elemen ini juga lebih rendah atau naikkan suhu solidus dan cairus tergantung pada interaksinya dengan tembaga.

Efek elemen paduan utama

Interaksi paduan dan efek mikrostruktural

• Pembentukan eutektik (Cu-sn, Cu -pb): Menurunkan titik leleh secara signifikan, menghasilkan rentang leleh yang lebih luas.
• Senyawa intermetalik (Dengan -, Dengan itu): Tingkatkan suhu leleh dan ciptakan lebih kuat, Paduan yang lebih stabil.
• Penguatan solusi solid (Dengan -dan, Dengan itu): Mempertahankan rentang leleh yang relatif tinggi sambil meningkatkan daktilitas dan resistensi korosi.

6. Efek mikro dan efek pemrosesan

Sementara komposisi kimia adalah faktor dominan dalam menentukan perilaku leleh perunggu, Negara Mikrostruktur Dan Sejarah Pemrosesan juga memainkan peran yang halus namun penting.

Faktor -faktor ini mempengaruhi seberapa seragam transisi paduan dari padatan ke cairan dan dapat mengubah titik solidus atau cairus yang efektif dengan puluhan derajat.

Negara Mikrostruktur: Ukuran biji dan distribusi fase

• Ukuran biji -bijian: Perunggu berbutir halus (diameter gandum <10 μm) Umumnya menunjukkan suhu solidus ~ 5–10 ° C lebih rendah dari perunggu berbutir kasar (>50 μm).
  Ini karena biji -bijian halus memperkenalkan lebih banyak area batas butir, dimana difusi atom mempercepat pencairan lokal.
• Pemisahan fase: Dalam paduan multiphase (MISALNYA., A+B Bronze seperti C61400), Distribusi fase yang tidak seragam menciptakan perilaku leleh lokal.
  Daerah β-fase dapat mulai meleleh pada ~ 1.050 ° C, sedangkan daerah fase α bertahan sampai ~ 1.130 ° C. Ini memperluas rentang leleh yang efektif dengan 10-20 ° C.
• Contoh praktis: Perunggu fosfor yang dikerjakan dingin (C52100) biasanya mengembangkan biji-bijian yang lebih halus dari rekannya yang as-cast.
  Selama Annealing, C52100 yang dikerjakan dingin menunjukkan solidus dekat 930 ° C., Dibandingkan dengan ~ 950 ° C untuk bahan cor - Permintaan suhu yang lebih ketat untuk menghindari peleburan yang baru jadi.

Sejarah Pemrosesan: Siklus termal dan degradasi paduan

• Penguapan timah (Pengelasan/casting): Paparan yang berkepanjangan di atas ~ 1.100 ° C dapat secara bertahap menguapkan timah, Meskipun titik didihnya tinggi (2,270 ° C.).
  Misalnya, Pemanasan C92200 Perunggu (10% Sn) pada 1,200 ° C selama satu jam dapat mengurangi kandungan SN sebesar 1-2%, menggeser cairus ke atas dari ~ 1.020 ° C ke ~ 1.030 ° C.
• Perlakuan panas (Anil/homogenisasi): Perunggu anil pada 600–800 ° C (di bawah solidus) mempromosikan difusi dan mengurangi mikrosegasi.
  Ini mempersempit interval leleh dengan 5–15 ° C. Misalnya, C92700 (15% Sn) anil di 700 ° C menunjukkan kisaran leleh 880–1.030 ° C, dibandingkan dengan 880–1.050 ° C dalam keadaan as-cast.
• Tingkat casting: Solidifikasi yang cepat (MISALNYA., Casting dingin) menghasilkan dendrit yang lebih baik dan distribusi fase yang lebih seragam, Mengurangi kemungkinan pencairan lokal prematur.
  Pendinginan lambat meningkatkan pemisahan, memperluas interval leleh.

7. Implikasi manufaktur industri dari titik peleburan perunggu

Kontrol yang tepat atas rentang leleh perunggu adalah tidak dapat dinegosiasikan di manufaktur.

Bahkan a 10 Deviasi ° C. dari suhu pemrosesan target dapat mengurangi hasil hingga setengahnya, baik melalui pengisian cetakan yang tidak lengkap, penguapan elemen paduan, atau kerusakan mikrostruktur.

Tiga operasi paling sensitif—pengecoran, pengelasan, dan perlakuan panas—Beli sangat banyak tentang pengetahuan yang akurat tentang Solidus -Liquidus Window.

Pengecoran: Menyeimbangkan fluiditas dan integritas paduan

Dalam casting, perunggu harus dipanaskan di atas liquidus olehnya 50–100 ° C. untuk mencapai fluiditas yang cukup untuk pengisian jamur, Sambil menghindari overheating berlebihan yang mempercepat oksidasi (Formasi sampah) atau penguapan elemen paduan volatil seperti timbal dan timah.

Kontrol kritis: Untuk C90700 perunggu timah, menuangkan di bawah 950 ° C menghasilkan Misruns (rongga yang tidak terisi), sementara di atas 1,050 ° C Penguapan timbal melebihi 1%, Machinabilitas yang merendahkan dan menghasilkan porositas gas.

Pengelasan: Menghindari degradasi peleburan dan paduan

Pengelasan perunggu membutuhkan suhu di bawah cairus untuk mencegah peleburan logam dasar, Menggunakan logam pengisi dengan rentang leleh yang lebih rendah dari paduan dasar.

• Pengelasan tig (Baling Marinir): Gunakan logam dasar C92200 (10% Sn, 920–1020 ° C rentang leleh) dengan pengisi C93200 (5% Sn, 880–980 ° C rentang leleh).
  Panaskan lebih dulu 200–300 ° C dan pertahankan suhu kolam las pada 900–950 ° C (Antara pengisi cairus dan basa solidus) untuk menghindari cacat fusi.
• Brazing (Konektor Listrik): Gunakan pengisi tembaga-fosfor (Dengan-5% p, Melting pada 714–800 ° C.) dengan perunggu fosfor C51000 (970–1070 ° C rentang leleh).
  Panaskan hingga 750–800 ° C - Filler meleleh sementara logam dasar tetap padat, mencegah distorsi.

Mode Kegagalan: Terlalu panas C92200 selama pengelasan TIG (suhu >1020° C.) menyebabkan penguapan timah (2% Kehilangan SN), mengurangi kekuatan tarik 25% dan meningkatkan kerentanan korosi di air laut.

Perlakuan panas: Memperkuat tanpa meleleh

Suhu perlakuan panas sangat terbatas di bawah solidus untuk menghindari peleburan sebagian dan kerusakan mikrostruktur:

• Solusi anil (Perunggu Aluminium): C63000 (15% Al, 1080–1200 ° C rentang leleh) dianil pada 800-900 ° C untuk melarutkan fase β ke dalam fase α, meningkatkan daktilitas (Perpanjangan meningkat dari 10% ke 30%).
• Penuaan (Perunggu fosfor): C52100 (0.3% P) berusia 400-500 ° C (Jauh di bawah solidus 930 ° C) untuk mengendapkan Cu₃p, meningkatkan kekuatan tarik dari 450 MPa ke 550 MPa.

8. Metode pengujian untuk rentang peleburan perunggu

Pengukuran akurat rentang leleh perunggu membutuhkan teknik laboratorium atau industri yang disesuaikan dengan ukuran dan ukuran sampel.

Kalorimetri pemindaian diferensial (DSC)

• Prinsip: Mengukur aliran panas ke/keluar dari sampel perunggu 5-10 mg karena dipanaskan pada 10 ° C/menit.
  Solidus terdeteksi sebagai awal penyerapan panas endotermik; Liquidus adalah akhir dari endoterm.
• Presisi: ± 1-2 ° 100 untuk padat / cairan; Ideal untuk mengkarakterisasi paduan perunggu baru (MISALNYA., Nilai rendah-lead untuk perlengkapan air minum) Untuk memverifikasi kepatuhan dengan ASTM B505.
• Contoh: Analisis DSC C61400 (10% Al) mengkonfirmasi solidus 1050 ° C dan Liquidus 1130 ° C - Kritis untuk mengatur suhu casting die.

Peralatan peleburan suhu tinggi

• Prinsip: Sampel perunggu 1-5 g dipanaskan dalam wadah grafit dengan termokopel yang dimasukkan langsung ke dalam sampel.
  Solidus adalah suhu saat cairan pertama terbentuk; Liquidus saat sampel sepenuhnya cair.
• Presisi: ± 5–10 ° C.; Cocok untuk kontrol kualitas industri (MISALNYA., memverifikasi konsistensi batch dari perunggu timah untuk bantalan).
• Keuntungan: Mensimulasikan kondisi casting nyata, Akuntansi untuk efek pengotor yang mungkin dilewatkan DSC.

Analisis Gravimetri Termal (TGA)

• Prinsip: Mengukur kehilangan massa sampel perunggu selama pemanasan.
  Timah atau penguapan timbal menyebabkan kehilangan massa di atas titik didihnya, tetapi timbulnya peleburan ditunjukkan oleh perubahan massa yang halus (Karena oksidasi permukaan) bertepatan dengan solidus.
• Presisi: ± 3–5 ° C untuk solidus; sering digunakan dengan DSC untuk memvalidasi data rentang peleburan silang.
• Aplikasi: Mempelajari penguapan timah dalam perunggu tinggi (C92700) untuk mengoptimalkan waktu penahanan casting (meminimalkan kerugian SN <0.5%).

9. Kesalahpahaman umum tentang titik peleburan perunggu

Terlepas dari kepentingan industrinya, Perilaku pencairan perunggu sering disalahpahami. Di bawah ini adalah klarifikasi utama:

"Perunggu memiliki titik leleh tetap seperti tembaga murni."

PALSU: Tembaga murni meleleh pada 1083 ° C (tetap), Tapi perunggu - paduan - memiliki jangkauan peleburan.

Misalnya, C92200 Timah Perunggu meleleh antara 920 ° C dan 1020 ° C, tidak dalam satu suhu.

"Menambahkan lebih banyak timah selalu menurunkan rentang leleh perunggu."

Sebagian benar: Konten timah hingga 15% menurunkan rentang leleh (Dari 1083 ° C untuk Cu murni hingga 880-1050 ° C untuk 15% Sn), Namun di atas 15% Sn, rapuh Δ-fase (Cu₃sn) bentuk, melebarkan rentang leleh dan sedikit menaikkan cairus.

"Timbal selalu bermanfaat untuk menurunkan jangkauan peleburan perunggu."

PALSU: Timbal menurunkan jangkauan leleh tetapi menyebabkan kependekan yang panas (Kerapuhan di Temps Tinggi) jika >5% Pb.

Perunggu terkemuka (C90700, 5% Pb) tidak dapat digunakan dalam aplikasi panas tinggi (MISALNYA., bagian tungku) Karena risiko retak.

"Semua perunggu dapat dilas jika dipanaskan ke kisaran lelehnya."

PALSU: Pengelasan perunggu di atas liquidus menyebabkan logam dasar yang meleleh dan kehilangan elemen paduan (Penguapan timah).

Perunggu membutuhkan logam pengisi dengan rentang leleh yang lebih rendah daripada paduan dasar untuk menghindari cacat fusi.

10. Kualitas, Cacat, dan mitigasi

Itu perilaku pencairan perunggu adalah penentu kritis kualitas produk.

Bahkan penyimpangan kecil dari jendela solidus -ciquidus yang didefinisikan dapat memicu cacat metalurgi yang membahayakan kinerja mekanik, resistensi korosi, dan stabilitas dimensi.

Cacat umum terkait dengan rentang leleh

Pemisahan dan ketidakhomogenan mikrostruktur

• Menyebabkan: Pendinginan lambat atau rentang leleh yang lebar (MISALNYA., perunggu tinggi-sn) mengarah pada pemisahan timah atau timbal pada batas gandum.
• Dampak: Berkurangnya ketangguhan, Kerentanan korosi intergranular.
• Contoh: Di C92700 (15% Sn), Segregasi fase β yang berlebihan menurunkan resistensi dampak sebesar ~ 30%.

Porositas gas dan rongga penyusutan

• Menyebabkan: Menuangkan super panas yang direkomendasikan di atas (> cairan + 100 ° C.) meningkatkan oksidasi dan penyerapan gas.
• Dampak: Porositas mengurangi kehidupan kelelahan hingga 40%.
• Contoh: C90700 perunggu timah mengembangkan kekosongan jika dituangkan >1,080 ° C Karena penguapan timbal.

Retak panas (Solidifikasi retak)

• Menyebabkan: Rentang pemadatan sempit dalam beberapa paduan (MISALNYA., Dengan - perunggu) Buat mereka rentan terhadap tekanan termal selama pendinginan.
• Dampak: Retak dimulai pada batas gandum, mengompromikan integritas struktural.

Kehilangan elemen overheating dan paduan

• Menyebabkan: Eksposur diperpanjang >1,100 ° C menyebabkan penguapan timah (~ 1–2% per jam) dan kehilangan timah dalam perunggu timah.
• Dampak: Kekuatan yang lebih rendah, kemampuan mesin yang buruk, dan peningkatan kerapuhan.

Key Takeaway:

Kebanyakan kegagalan kualitas dalam manufaktur perunggu muncul bukan dari pemilihan paduan tetapi dari kontrol suhu yang tidak tepat selama meleleh dan menuangkan.

Dengan menggabungkan manajemen termal yang ketat, optimasi paduan, Dan teknik inspeksi canggih, Tingkat cacat dapat dikurangi lebih dari 70%.

11. Tren masa depan: Manufaktur rendah dan aditif

Teknologi perunggu sedang berkembang untuk memenuhi peraturan lingkungan dan kebutuhan manufaktur lanjutan, dengan pertimbangan rentang leleh di garis depan:

Perunggu rendah dan bebas timbal

• Pengemudi: Peraturan lingkungan (MISALNYA., Proposisi California 65, Saya Rohs) membatasi timbal dalam perlengkapan air minum dan permukaan kontak makanan.
• Tantangan rentang peleburan: Mengganti timah dengan bismut (Dua) atau silikon (Dan) Membutuhkan pengoptimalan kembali rentang leleh - Bismuth menurunkan cairus dengan ~ 10 ° C per 1% Dua, tapi kelebihan bi menyebabkan kerapuhan.
• Larutan: C90800 (Dengan-10% SN-2% BI) memiliki rentang leleh 920–1000 ° C, pencocokan castability Bronze yang cocok saat memenuhi standar bebas timbal.

Pembuatan aditif (3D Pencetakan)

• Pengemudi: Geometri kompleks (MISALNYA., Bantalan khusus) Casting tradisional itu tidak dapat dicapai.
• Tantangan rentang peleburan: Fusi bedeng bubuk (PBF) membutuhkan kontrol suhu laser yang tepat (di atas cairus untuk pencairan penuh, di bawah untuk sintering).
• Larutan: Untuk C52100 fosfor perunggu PBF, Gunakan suhu laser 1050–1100 ° C (cairan + 20–70 ° C.) untuk memastikan ikatan lapisan tanpa penguapan timah.

12. Kesimpulan

Itu titik lebur dari perunggu paling baik dipahami sebagai a rentang leleh yang ditentukan oleh suhu solidus dan likuidus.

Kisaran ini dipengaruhi oleh komposisi paduan, struktur mikro, dan kotoran, dan secara langsung mengatur seberapa perunggu pemeran, lasan, dan perawatan panas.

Kontrol yang cermat atas peleburan dan tuang suhu memastikan komponen bebas cacat, memperpanjang masa pakai, dan mengurangi biaya.

Dengan mengintegrasikan pengetahuan diagram fase dengan pengalaman pengecoran praktis, Insinyur dan produsen dapat sepenuhnya mengeksploitasi keserbagunaan perunggu sambil meminimalkan risiko dalam produksi.

FAQ

Apa jajaran leleh perunggu yang digunakan dalam baling -baling laut?

Baling laut biasanya menggunakan C92200 Naval Tin Bronze (10% Sn) atau C61400 perunggu aluminium sedang (10% Al).

C92200 meleleh pada 920–1020 ° C, sedangkan C61400 meleleh pada 1050–1130 ° C. Perunggu aluminium lebih disukai untuk baling -baling yang lebih besar karena kekuatannya yang lebih tinggi pada suhu tinggi.

Bagaimana konten timah mempengaruhi rentang leleh dari perunggu?

Timbal bertindak sebagai depresi titik leleh - masing -masing 1% Peningkatan timbal menurunkan cairus dengan ~ 15 ° C.

Misalnya, C90300 (2% Pb) memiliki cairan cairan 100, sedangkan C90700 (5% Pb) Memiliki cairan 980 ° 100.

Namun, memimpin >5% menyebabkan pendek yang panas, membuat perunggu rapuh pada suhu tinggi.

Dapatkah saya mengelas perunggu dengan suhu yang sama dengan baja?

TIDAK. Baja (MISALNYA., A36) meleleh pada 1425–1538 ° C., Jauh lebih tinggi dari perunggu.

Pengelasan C92200 Tin Bronze membutuhkan suhu maksimum 950 ° C (Di bawah kondisi 1020 ° 100) untuk menghindari penguapan timah dan pencairan logam dasar.

Menggunakan suhu pengelasan baja akan menghancurkan perunggu.

Bagaimana cara mengukur jangkauan leleh perunggu di pengecoran?

Gunakan alat peleburan suhu tinggi dengan wadah grafit dan termokopel tipe K.

Panas a 5 Sampel per perunggu pada 5 ° C/menit, merekam suhu saat cairan pertama terbentuk (solidus) dan saat sampel sepenuhnya cair (cairan).

Metode ini memiliki presisi ± 5-10 ° C, cukup untuk kontrol kualitas batch.

Mengapa perunggu aluminium memiliki kisaran leleh yang lebih tinggi dari perunggu timah?

Aluminium membentuk senyawa intermetalik yang meleling tinggi (MISALNYA., Cu₃al, Melting pada 1037 ° C.) dengan tembaga, yang menaikkan solidus dan likuidus.

Timah, sebaliknya, membentuk solusi padat yang lebih ulet dengan tembaga, mengganggu ikatan atom dan menurunkan rentang leleh. Misalnya, 10% Al dalam perunggu meningkatkan likuidus dengan ~ 100 ° C vs. 10% Sn.