Koks yra bronzos lydymosi taškas？

1. Įvadas

Bronzos lydymosi temperatūra yra pagrindinė metalurgijos sąvoka, Gamyba, ir dizainas.

Skirtingai nuo grynųjų metalų, bronza yra an lydinys — daugiausia iš vario ir alavo, nors daugelyje šiuolaikinių bronzų yra aliuminio, Silicis, Nikelis, arba fosforo.

Dėl to, bronza vienoje temperatūroje stipriai neištirpsta, o praeina per a miglota zona tarp solidus (lydymosi pradžia) ir skystis (visiškai išlydytas).

Šis skirtumas yra labai svarbus liejyklų inžinieriams, suvirintojai, ir medžiagų dizaineriai, kurie pasitiki tikslia temperatūros kontrole, kad užtikrintų garsą, Komponentai be defektų.

2. Kas yra bronza?

Bronza yra a vario pagrindo lydinys kuriame vario (Cu) yra pagrindinis komponentas ir alavas (Sn) tradiciškai yra pirminis legiravimo elementas.

Skirtingai nuo grynųjų metalų, bronza yra an sukonstruota medžiaga– jos mechaninis, šiluminis, ir chemines savybes galima pritaikyti koreguojant sudėtį ir apdorojimą.

Šiuolaikinėse bronzose taip pat gali būti aliuminio, Silicis, fosforas, Nikelis, cinkas, arba paskatinti pasiekti konkrečias veiklos charakteristikas.

Istorinė perspektyva

Bronza yra vienas iš ankstyviausių lydinių, kuriuos sukūrė žmonės, datuojama Bronzos amžius (Circa 3300 BCE).

Skardos įvedimas į varis sukūrė sunkiau, patvaresnė medžiaga nei gryno vario, įgalinant pažangą įrankiai, ginklai, menas, ir architektūra.

Šiandien, Bronza išlieka esminė abiejose tradicinėse meninėse programose (Skulptūra, varpai) ir pažengusi inžinerija (kosmoso, jūrų, ir energijos sistemos).

Bronzinių lydinių klasifikacija

Bronza yra ne vienas lydinys, o a vario lydinių šeima priskiriami jų antriniams elementams:

• Skardos bronzos - Cu - SN lydiniai (Paprastai 5–20% Sn), vertinamas už jėgą, atsparumas nusidėvėjimui, ir guolio savybės.
• Fosforo bronzos - skardos bronzos su nedideliais fosforo pridėjimais (0.01–0,5%), gerinantis atsparumo nuovargį ir atsparumą korozijai.
• Aliuminio bronzos - Cu - Al lydiniai (5–12% Al, Dažnai su Fe ar Ni), Siūlo puikų stiprumą ir jūrinę atsparumą korozijai.
• Silicio bronzos – Cu–Si lydiniai (2-4% Taip), derinant atsparumą korozijai su geru liejamumu ir suvirinamumu.
• Švino bronzos – Cu–Sn–Pb lydiniai, kur švinas pagerina apdirbamumą ir guolių savybes.
• Nikelio-aliuminio bronzos – Cu-Al-Ni lydiniai, pasižymintys puikiu atsparumu jūros vandeniui, dažnai naudojamas laivų statyboje.

Pagrindinės bronzos savybės

• Mechaninis: Didesnis stiprumas ir kietumas nei varis, su geru atsparumu dilimui.
• Šiluminis: Didelis šilumos laidumas, bet mažesnis už gryną varį dėl legiravimo.
• Cheminė: Puikus atsparumas korozijai, ypač prieš jūros vandenį, todėl bronza yra nepakeičiama jūrų ir chemijos pramonėje.
• Akustinis: Išskirtinės rezonanso savybės, naudojamas muzikos instrumentuose, varpai, ir gongai.

3. Lydinių lydymosi elgsena - Solidus ir Liquidus

Dėl lydinių, lydymas vyksta visoje a temperatūros intervalas:

• Solidus temperatūra: Žemiausia temperatūra, nuo kurios prasideda tirpimas.
• Skysčio temperatūra: Temperatūra, kurioje lydinys tampa visiškai skystas.
• Užšalimo diapazonas (Mushy zona): Intervalas tarp solidus ir likvidus, kai kartu egzistuoja ir kieta, ir skysta.

4. Tipiški bronzos šeimos tirpimo diapazonai

Kadangi bronza yra ne vienas lydinys, o šeima Vario pagrindu pagaminti lydiniai, jo lydymosi elgsena labai skiriasi priklausomai nuo legiravimo elementų ir jų proporcijų.

Vietoj aštrios lydymosi temperatūros (kaip matyti grynuose metaluose), bronzos eksponatai a lydymosi diapazonas, apibrėžtas Solidus (Kur prasideda tirpimas) ir Skystis (kur jis visiškai išsilydo).

Žemiau esančioje lentelėje apibendrinami tipiški pagrindinių bronzos šeimų lydymosi intervalai:

5. Kaip kompozicija ir legiruoti elementai daro įtaką lydymosi diapazonui

Ištirpęs bronzos diapazonas iš esmės kontroliuojamas jo Cheminė sudėtis.

Grynas vario tirpsta 1,085 ° C. (1,985 ° F.), bet kai legiruoti elementai, tokie kaip alavas, aliuminis, Silicis, fosforas, Nikelis, arba pristatomi švino, Lydymosi elgsena žymiai keičiasi.

Šie elementai žemiau arba pakelkite Solidus ir skysčio temperatūra, priklausomai nuo jų sąveikos su vario.

Pagrindinių lydinių elementų poveikis

Lydimo sąveika ir mikrostruktūrinis poveikis

• Eutektinis formavimasis (Cu-SN, Cu -pb): Žymiai mažina lydymosi tašką, todėl susidaro platesni lydymosi diapazonai.
• Tarpmetaliniai junginiai (Su, Su juo): Padidinkite lydymosi temperatūrą ir sukurkite stipresnę, Stabilesni lydiniai.
• Kietas tirpalo stiprinimas (Su -ir, Su juo): Išlaiko santykinai aukštą lydymosi diapazoną, tuo pačiu pagerindamas lankstumą ir atsparumą korozijai.

6. Mikrostruktūros ir apdorojimo efektai

Nors cheminė sudėtis yra dominuojantis veiksnys nustatant bronzos lydymosi elgseną, Mikrostruktūrinė būsena ir Apdorojimo istorija taip pat vaidink subtilų, bet svarbų vaidmenį.

Šie veiksniai daro įtaką tam, kaip vienodai lydinio perėjimas iš kieto į skystį ir gali perkelti efektyvius solidus ar skysčio taškus dešimtys laipsnių.

Mikrostruktūrinė būsena: Grūdų dydis ir fazių pasiskirstymas

• Grūdų dydis: Smulkiagrūdė bronza (grūdų skersmuo <10 μm) paprastai pasižymi kietumo temperatūra ~5–10 °C žemesne nei stambiagrūdė bronza (>50 μm).
  Taip yra todėl, kad smulkūs grūdeliai sudaro daugiau grūdų ribos, kur atominė difuzija pagreitina vietinį tirpimą.
• Fazės segregacija: Daugiafaziuose lydiniuose (Pvz., a+b bronza, pvz., C61400), netolygus fazių pasiskirstymas sukuria lokalizuotą lydymosi elgesį.
  β-fazės regionai gali pradėti tirpti esant ~1050 °C, o α fazės sritys išlieka iki ~ 1 130 ° C. Tai padidina efektyvų lydymosi diapazoną 10–20 °C.
• Praktinis pavyzdys: Šaltai apdorota fosforinė bronza (C52100) paprastai išauga smulkesni grūdeliai nei išlieti jo atitikmenys.
  Atkaitinimo metu, šaltai apdorotas C52100 rodo solidus šalia 930 ° C., lyginant su ~ 950 °C liejamoje medžiagoje – reikia griežčiau kontroliuoti temperatūrą, kad būtų išvengta prasidedančio lydymosi.

Apdorojimo istorija: Šilumos ciklai ir lydinio skaidymas

• Alavo garinimas (Suvirinimas/liejimas): Ilgai veikiant virš ~1100 °C, alavas gali palaipsniui išgaruoti, nepaisant aukštos virimo temperatūros (2,270 ° C.).
  Pavyzdžiui, šildymas C92200 bronzos (10% Sn) at 1,200 °C per valandą gali sumažinti Sn kiekį 1–2 %, perkeldamas savo skystį aukštyn nuo ~1020 °C iki ~1030 °C.
• Terminis apdorojimas (Atkaitinimas/homogenizavimas): Atkaitinama bronza 600–800 °C temperatūroje (žemiau solidus) skatina difuziją ir mažina mikrosegregaciją.
  Tai susiaurina lydymosi intervalą 5–15 °C. Pavyzdžiui, C92700 (15% Sn) atkaitintas at 700 °C rodo lydymosi diapazoną 880–1030 °C, lyginant su 880–1050 °C liejimo būsenoje.
• Liejimo greitis: Greitas kietėjimas (Pvz., šaltas liejimas) gamina smulkesnius dendritus ir tolygesnį fazių pasiskirstymą, sumažina priešlaikinio vietinio lydymosi tikimybę.
  Lėtas aušinimas padidina segregaciją, praplečiant lydymosi intervalą.

7. Pramoninės bronzos lydymosi taško gamybos padariniai

Tikslus bronzos lydymosi diapazono valdymas neginčijamas gamyboje.

Net a 10 ° C nuokrypis nuo tikslinės apdorojimo temperatūros gali sumažinti derlių per pusę, Arba per nepilną pelėsių užpildymą, Lydinių elementų garinimas, arba mikrostruktūrinė žala.

Trys jautriausios operacijos -liejimas, suvirinimas, ir terminis apdorojimas—Tai labai gerai žinant apie „Solidus - Liquidus“ langą.

Liejimas: Subalansuojantis sklandumą ir lydinio vientisumą

Liejant, Bronza turi būti kaitinama virš jo skysčio 50–100 ° C. Norėdami pasiekti pakankamą sklandumą pelėsių užpildymui, Vengiant per didelio perkaitimo, kuris pagreitina oksidaciją (Trozos formavimasis) arba lakiųjų legiančių elementų, tokių kaip švinas ir skarda, garinimas.

Kritinė kontrolė: Už švino bronzą C90700, Pilavimas žemiau 950 ° C rezultatai klaidingai (neužpildytos ertmės), tuo tarpu aukščiau 1,050 ° C švino garinimas viršija 1%, pablogėjęs apdirbamumas ir dujų poringumas.

Suvirinimas: Vengiant tirpimo ir lydinio skaidymo

Bronzinei suvirinimui reikia temperatūros žemiau skysčio, Naudojant užpildų metalus su mažesniais lydymosi diapazonais, nei bazinis lydinys.

• TIG suvirinimas (Jūrų sraigtai): Naudokite „C92200“ netauriąjį metalą (10% Sn, 920–1020 ° C lydymosi diapazonas) Su C93200 užpildu (5% Sn, 880–980 ° C lydymosi diapazonas).
  Įkaitinkite iki 200–300 ° C ir palaikykite suvirinimo baseino temperatūrą esant 900–950 ° C (tarp užpildo skysčio ir bazinio solidu) Norėdami išvengti sintezės defektų.
• Brazavimas (Elektros jungtys): Naudokite vario fosforo užpildą (Su 5% p, Lydymas esant 714–800 ° C.) Su C51000 fosforo bronza (970–1070 ° C lydymosi diapazonas).
  Šiluma iki 750–800 ° C - užpildymas tirpsta, o netauriųjų metalų lieka kietas, užkirsti kelią iškraipymui.

Gedimo režimas: Perkaitimas C92200 TIG suvirinimo metu (temperatūra >1020° C.) sukelia alavo garinimą (2% Sn praradimas), mažinant tempimo stiprumą 25% ir didėjantis jautrumas korozijai jūros vandenyje.

Terminis apdorojimas: Stiprinimas be tirpimo

Šilumos apdorojimo temperatūra yra griežtai ribojama Žemiau solidus kad būtų išvengta dalinio lydymosi ir mikrostruktūrų pažeidimo:

• Sprendimo atkaitinimas (Aliuminio bronza): C63000 (15% Al, 1080–1200°C lydymosi diapazonas) atkaitinamas 800–900 °C temperatūroje, kad β fazė ištirptų į α fazę, lankstumo gerinimas (Pailgėjimas padidėja nuo 10% į 30%).
• Senėjimas (Fosforo bronza): C52100 (0.3% P) brandinamas 400–500°C temperatūroje (gerokai žemiau 930°C kietojo kūno temperatūros) nusodinti Cu3P, didėjantis tempiamasis stiprumas nuo 450 MPA TO 550 MPA.

8. Bronzos lydymosi diapazono bandymo metodai

Norint tiksliai išmatuoti bronzos lydymosi diapazoną, reikalingi laboratoriniai arba pramoniniai metodai, pritaikyti tikslumui ir mėginio dydžiui.

Diferencinė skenavimo kalorimetrija (DSC)

• Principas: Matuoja šilumos srautą į/iš 5–10 mg bronzos mėginio, kai jis kaitinamas 10°C/min..
  Kietasis sluoksnis aptinkamas kaip endoterminės šilumos absorbcijos pradžia; likvidus yra endotermos pabaiga.
• Tikslumas: ±1–2°C kietai/skystai medžiagai; idealiai tinka naujiems bronzos lydiniams apibūdinti (Pvz., mažos švino klasės geriamojo vandens įtaisams) patikrinti atitiktį ASTM B505.
• Pavyzdys: C61400 DSC analizė (10% Al) patvirtina 1050°C kietumą ir 1130°C likvidumą – tai būtina norint nustatyti liejimo temperatūrą.

Aukštos temperatūros lydymosi aparatas

• Principas: 1–5 g bronzos mėginys kaitinamas grafito tiglyje su termopora, įkišta tiesiai į mėginį.
  Solidus yra temperatūra, kai susidaro pirmasis skystis; skystis yra tada, kai mėginys yra visiškai išsilydęs.
• Tikslumas: ±5–10°C; tinka pramoninei kokybės kontrolei (Pvz., tikrinama guolių bronzos su švinu partijos konsistencija).
• Pranašumas: Imituoja tikras liejimo sąlygas, atsižvelgiant į priemaišų poveikį, kurio DSC gali nepastebėti.

Šiluminė gravimetrinė analizė (TGA)

• Principas: Matuoja bronzinio mėginio masės praradimą kaitinant.
  Dėl alavo arba švino išgaravimo masė prarandama virš jų virimo temperatūros, bet tirpimo pradžią rodo subtilus masės pokytis (dėl paviršiaus oksidacijos) sutampa su solidu.
• Tikslumas: ±3–5°C kietiesiems kūnams; dažnai naudojamas su DSC kryžminiam lydymosi diapazono duomenų patvirtinimui.
• Paraiška: Alavo garinimo daug alavo bronzoje tyrimas (C92700) optimizuoti liejimo sulaikymo laiką (sumažinti Sn nuostolius iki <0.5%).

9. Įprastos klaidingos nuomonės apie bronzos lydymosi tašką

Nepaisant pramonės svarbos, bronzos lydymosi elgsena dažnai nesuprantama. Žemiau yra pagrindiniai paaiškinimai:

„Bronza turi fiksuotą lydymosi temperatūrą kaip grynas varis“.

Melaginga: Grynas vario tirpsta 1083 ° C temperatūroje (fiksuota), bet bronzos – lydinio – lydymosi diapazonas.

Pavyzdžiui, C92200 alavo bronza lydosi 920–1020 °C temperatūroje, Ne vienoje temperatūroje.

„Įdėjus daugiau alavo, bronzos lydymosi diapazonas visada sumažėja.

Iš dalies tiesa: Skardos kiekis iki 15% mažina lydymosi diapazoną (nuo 1083 °C gryno Cu iki 880–1050 °C 15% Sn), bet aukščiau 15% Sn, trapi δ fazė (Cu₃Sn) formos, praplečiant lydymosi diapazoną ir šiek tiek pakeliant skystį.

"Švinas visada naudingas sumažinant bronzos lydymosi diapazoną."

Melaginga: Švinas sumažina lydymosi diapazoną, bet sukelia karštį (trapumas esant aukštai temperatūrai) jeigu >5% Pb.

Aukšto švino bronza (C90700, 5% Pb) negali būti naudojamas esant dideliam karščiui (Pvz., krosnies dalys) dėl įtrūkimo rizikos.

"Visos bronzos yra suvirinamos, jei kaitinamos iki jų lydymosi diapazono."

Melaginga: Suvirinant bronzą virš jos skysčio, lydosi netauriųjų metalų ir netenka legiravimo elementų (alavo garinimas).

Bronzai reikalingi užpildai, kurių lydymosi diapazonas yra mažesnis nei pagrindinio lydinio, kad būtų išvengta lydymosi defektų.

10. Kokybė, Defektai, ir švelninimas

The bronzos lydymosi elgsena yra esminis produkto kokybės veiksnys.

Net nedideli nukrypimai nuo apibrėžto solidus-liquidus lango gali sukelti metalurginius defektus, kurie kenkia mechaninėms savybėms, atsparumas korozijai, ir matmenų stabilumas.

Dažni defektai, susiję su lydymosi diapazonu

Segregacija ir mikrostruktūrinis nehomogeniškumas

• Priežastis: Lėtas aušinimas arba platus lydymosi diapazonas (Pvz., didelio Sn bronzos) sukelti alavo arba švino atsiskyrimą grūdų ribose.
• Poveikis: Sumažintas kietumas, jautrumas tarpkristalinei korozijai.
• Pavyzdys: C92700 (15% Sn), per didelis β-fazių atskyrimas sumažina atsparumą smūgiams ~30%.

Dujų poringumas ir susitraukimo ertmės

• Priežastis: Išpylimas virš rekomenduojamo perkaitinimo (> Skystis + 100 ° C.) padidina oksidaciją ir dujų absorbciją.
• Poveikis: Poringumas sumažina nuovargio tarnavimo laiką iki 40%.
• Pavyzdys: Švino bronzos C90700 pilant susidaro tuštumos >1,080 °C dėl švino garavimo.

Karštas įtrūkimas (Kietėjimo įtrūkimas)

• Priežastis: Siauras kai kurių lydinių kietėjimo diapazonas (Pvz., Cu-Al bronzos) kad jie būtų linkę į šiluminį įtempimą aušinimo metu.
• Poveikis: Įtrūkimai prasideda grūdų ribose, pažeidžiantis konstrukcijos vientisumą.

Perkaitimas ir legiravimo elementų praradimas

• Priežastis: Išplėstinė ekspozicija >1,100 °C sukelia alavo garavimą (~1–2% per valandą) ir švino bronzos pralaimėjimas.
• Poveikis: Mažesnis stiprumas, Prastas apdirbamumas, ir padidėjęs trapumas.

Pagrindiniai išsinešimai:

Dauguma bronzos gamybos kokybės gedimų kyla ne dėl lydinio pasirinkimo, o dėl netinkama temperatūros kontrolė lydymosi ir liejimo metu.

Derinant griežtas šilumos valdymas, lydinio optimizavimas, ir pažangūs tikrinimo būdai, defektų rodikliai gali būti sumažinti daugiau nei 70%.

11. Ateities tendencijos: Mažai švino ir priedų gamyba

Bronzos technologija tobulėja, kad atitiktų aplinkosaugos reikalavimus ir pažangius gamybos poreikius, su lydymosi diapazono sumetimais priešakyje:

Mažai švino ir bešvinė bronza

• Vairuotojas: Aplinkosaugos taisyklės (Pvz., Kalifornijos pasiūlymas 65, ES RoHS) apriboti švino kiekį geriamojo vandens įrenginiuose ir su maistu besiliečiančiuose paviršiuose.
• Lydymosi diapazono iššūkis: Švino pakeitimas bismutu (Bi) arba silicis (Ir) reikia iš naujo optimizuoti lydymosi diapazonus – bismutas sumažina skysčio kiekį ~10°C per 1% Bi, bet Bi perteklius sukelia trapumą.
• Sprendimas: C90800 (Cu-10% Sn-2% Bi) turi 920–1000°C lydymosi diapazoną, atitinkantis švininės bronzos liejamumą ir bešvinius standartus.

Priedinė gamyba (3D spausdinimas)

• Vairuotojas: Sudėtingos geometrijos (Pvz., pagal užsakymą pagaminti guoliai) kurių tradicinis liejimas negali pasiekti.
• Lydymosi diapazono iššūkis: Miltelių sluoksnio suliejimas (PBF) reikia tiksliai kontroliuoti lazerio temperatūrą (virš skysto, kad visiškai ištirptų, žemiau sukepinimo).
• Sprendimas: C52100 fosforinės bronzos PBF, naudoti lazerio temperatūrą 1050–1100°C (Skystis + 20–70°C) užtikrinti sluoksnio sukibimą be alavo išgaravimo.

12. Išvada

The lydymosi taškas iš bronzos geriausiai suprantamas kaip a lydymosi diapazonas, apibrėžiamas kietojo ir skysčio temperatūros.

Šiam diapazonui įtakos turi lydinio sudėtis, Mikrostruktūra, ir priemaišų, ir tiesiogiai valdo, kaip yra bronza aktoriai, suvirintas, ir termiškai apdorotas.

Kruopšti lydymosi ir pylimo temperatūrų kontrolė užtikrina komponentus be defektų, prailgina tarnavimo laiką, ir sumažina išlaidas.

Integruojant fazių diagramų žinias su praktine liejimo patirtimi, inžinieriai ir gamintojai gali visapusiškai išnaudoti bronzos universalumą, sumažindami gamybos riziką.

DUK

Koks yra bronzos, naudojamos jūrų sraigtuose, lydymosi diapazonas?

Jūrų sraigtuose paprastai naudojama C92200 karinio jūrų laivyno alavo bronza (10% Sn) arba C61400 vidutinio aliuminio bronzos (10% Al).

C92200 lydosi 920–1020°C temperatūroje, o C61400 lydosi 1050–1130°C temperatūroje. Aliuminio bronza yra pageidaujama didesniems propeleriams dėl didesnio stiprumo aukštoje temperatūroje.

Kaip švino kiekis veikia bronzos lydymosi diapazoną?

Švinas veikia kaip lydymosi temperatūrą mažinantis agentas – kiekvienas 1% padidinus švino, skystis sumažėja ~15°C.

Pavyzdžiui, C90300 (2% Pb) turi 1030°C skysčio, o C90700 (5% Pb) turi 980°C skysčio.

Tačiau, švinas >5% sukelia karštį, bronza tampa trapi aukštoje temperatūroje.

Ar galiu suvirinti bronzą tokia pačia temperatūra kaip ir plieną?

Nr. Plienas (Pvz., A36) lydosi 1425–1538°C temperatūroje, kur kas aukštesnė už bronzą.

Suvirinant C92200 skardinę bronzą reikalinga maksimali 950°C temperatūra (žemiau 1020°C skysčio) kad būtų išvengta alavo išgaravimo ir netauriųjų metalų lydymosi.

Naudojant plieno suvirinimo temperatūrą, bronza būtų sunaikinta.

Kaip išmatuoti bronzos lydymosi diapazoną liejykloje?

Naudokite aukštos temperatūros lydymo aparatą su grafito tigliu ir K tipo termopora.

Šildykite a 5 g bronzos mėginio esant 5°C/min, fiksuoja temperatūrą, kai susidaro pirmasis skystis (Solidus) o kai mėginys visiškai išsilydo (Skystis).

Šio metodo tikslumas yra ±5–10°C, pakanka partijos kokybės kontrolei.

Kodėl aliuminio bronzos lydymosi diapazonas yra didesnis nei alavo bronzos?

Aliuminis sudaro aukšto lydymosi intermetalinius junginius (Pvz., Cu3Al, lydosi 1037°C temperatūroje) su variu, kurie kelia solidus ir likvidus.

Alavas, priešingai, su variu sudaro plastiškesnį kietą tirpalą, nutraukia atominius ryšius ir sumažina lydymosi diapazoną. Pavyzdžiui, 10% al bronzos pakelia Liquidus ~100°C lyginant su. 10% Sn.