Kāds ir bronzas kušanas punkts？

1. Ievads

Bronzas kausēšanas punkts ir galvenais jēdziens metalurģijā, ražošana, un dizains.

Atšķirībā no tīriem metāliem, bronza ir sakausējums - galvenokārt no vara un alvas, Lai gan daudzās mūsdienu bronzēs ir alumīnijs, silīcijs, niķelis, vai fosfors.

Rezultātā, Bronza vienā temperatūrā strauji neizkūst, bet tā vietā iet caur a mīkstā zona starp solidusu (Kušanas sākums) un šķidrs (pilnīgi izkusis).

Šī atšķirība ir kritiska lietuvju inženieriem, metinātāji, un materiālu dizaineri, kuri paļaujas uz precīzu temperatūras kontroli, lai nodrošinātu skaņu, komponenti bez defektiem.

2. Kas ir bronza?

Bronza ir a vara sakausējums kurā vara (Cu) ir galvenā sastāvdaļa un alva (Sn) tradicionāli ir galvenais leģējošais elements.

Atšķirībā no tīriem metāliem, bronza ir inženierijas materiāls- tas mehānisks, termisks, un ķīmiskās īpašības var pielāgot, pielāgojot kompozīciju un apstrādi.

Mūsdienu bronzas var saturēt arī alumīniju, silīcijs, fosfors, niķelis, cinks, vai noved pie īpašām veiktspējas īpašībām.

Vēsturiskā perspektīva

Bronza ir viens no agrākajiem sakausējumiem, ko izstrādājuši cilvēki, datēts ar Bronzas laikmets (ap aptuveni 3300 BCE).

Alvas ieviešana varā radīja grūtāku, izturīgāks materiāls nekā tīrs varš, Iespējot sasniegumus instrumenti, ieroči, amats, un arhitektūra.

Šodien, Bronza joprojām ir būtiska abās tradicionālajās mākslinieciskajās lietojumprogrammās (skulptūra, zvani) un uzlabota inženierija (avi kosmosa, jūras, un enerģijas sistēmas).

Bronzas sakausējumu klasifikācija

Bronza nav viens sakausējums, bet a Vara sakausējumu ģimene klasificēts pēc viņu sekundārajiem elementiem:

• Alvas bronzas - Cu - Sn sakausējumi (parasti 5–20% SN), novērtēts pēc spēka, nodilums pretestība, un nesošās īpašības.
• Fosfora bronzas - Alvas bronzas ar nelielu fosfora papildinājumu (0.01–0,5%), Noguruma pretestības uzlabošana un izturība pret koroziju.
• Alumīnija bronzas - Cu - Al sakausējumi (5–12% al, bieži ar Fe vai Ni), Piedāvājot izcilu izturību un jūras izturību pret koroziju.
• Silīcija bronzas - ar sakausējumiem (2–4% un), Korozijas pretestības apvienošana ar labu atveidojamību un metināmību.
• Svina bronzas - Cu - Sn - Pb sakausējumi, kur svins uzlabo mašīnām un gultņu īpašības.
• Niķeļa-alumīnija bronzas - Cu - Al - Ni sakausējumi ar augstāku jūras ūdens pretestību, bieži izmanto kuģu būvē.

Bronzas galvenās īpašības

• Mehānisks: Augstāka izturība un cietība nekā varš, ar labu nodiluma pretestību.
• Termisks: Augsta siltuma vadītspēja, bet leģēšanas dēļ zemāks par tīru vara dēļ.
• Ķīmisks: Lieliska izturība pret koroziju, Īpaši pret jūras ūdeni, Padarot bronzu neaizstājamu jūras un ķīmiskajā rūpniecībā.
• Akustisks: Atšķirīgas rezonanses īpašības, Izmanto mūzikas instrumentos, zvani, un gongi.

3. Sakausējumu kūstoša izturēšanās - solidus un liquidus

Sakausējumiem, Kūstot notiek visā a temperatūras intervāls:

• Solidus temperatūra: Zemākā temperatūra, kurā sākas kušana.
• Šķidruma temperatūra: Temperatūra, kurā sakausējums kļūst pilnībā šķidrs.
• Sasalšanas diapazons (Mīkstā zona): Intervāls starp solidusu un liquidus, kur vienlaikus ir gan ciets, gan šķidrums.

4. Tipiski kušanas diapazoni ar bronzas ģimeni

Jo bronza nav viens sakausējums, bet gan ģimene vara sakausējumi, tā kušanas izturēšanās ir ļoti atšķirīga atkarībā no leģējošajiem elementiem un to proporcijām.

Asas kausēšanas punkta vietā (kā redzams tīros metālos), bronzas eksponāti a kušanas diapazons, definēts solis (kur sākas kausēšana) un šķidrs (kur tas kļūst pilnībā izkausēts).

Zemāk esošajā tabulā ir apkopoti tipiski kušanas diapazoni lielākajām bronzas ģimenēm:

5. Kā kompozīcija un leģējošie elementi ietekmē kušanas diapazonu

Bronzas kausēšanas diapazonu principā kontrolē tā ķīmiskais sastāvs.

Tīrs vara kūst plkst 1,085 ° C (1,985 ° F), Bet, kad leģēti tādi elementi kā alva, alumīnijs, silīcijs, fosfors, niķelis, vai svins tiek ieviests, Kūstošā uzvedība ievērojami mainās.

Šie elementi vai nu zemāk vai paaugstināt Solidus un šķidruma temperatūra atkarībā no to mijiedarbības ar varu.

Galveno leģējošo elementu ietekme

Leģēšanas mijiedarbība un mikrostrukturālā ietekme

• Eutektiska veidošanās (Cu-Sn, Cu -pb): Ievērojami pazemina kausēšanas punktu, kā rezultātā rodas plašāki kūstošie diapazoni.
• Starpmetāla savienojumi (Ar -, Ar to): Palielināt kausēšanas temperatūru un radīt stiprāku, stabilāki sakausējumi.
• Cieta šķīduma stiprināšana (Ar -un, Ar to): Saglabā salīdzinoši augstu kušanas diapazonu, vienlaikus uzlabojot elastību un izturību pret koroziju.

6. Mikrostruktūras un apstrādes ietekme

Kamēr ķīmiskais sastāvs ir dominējošais faktors, nosakot bronzas kušanas izturēšanos, mikrostruktūras stāvoklis un apstrādes vēsture spēlē arī smalku, bet svarīgu lomu.

Šie faktori ietekmē to, cik vienveidīgi sakausējums pāriet no cietas uz šķidrumu un var mainīt efektīvus solidus vai šķidruma punktus par desmitiem grādu.

Mikrostruktūras stāvoklis: Graudu lielums un fāzes sadalījums

• Graudu izmērs: Smalkgraudains bronza (graudu diametrs <10 μm) parasti uzrāda solidus temperatūru ~ 5–10 ° C zemāka nekā rupji graudainas bronzas (>50 μm).
  Tas notiek tāpēc, ka smalki graudi ievieš vairāk graudu robežas zonu, kur atomu difūzija paātrina vietējo kausēšanu.
• Fāzes segregācija: Daudzfāzu sakausējumos (Piem., A+B bronza, piemēram, C61400), Nevienveida fāžu sadalījums rada lokalizētu kušanas izturēšanos.
  β-fāžu reģioni var sākt izkausēt pie ~ 1 050 ° C, savukārt α-fāzes reģioni saglabājas līdz ~ 1,130 ° C. Tas paplašina efektīvo kušanas diapazonu par 10–20 ° C.
• Praktisks piemērs: Auksti apstrādāta fosfora bronza (C52100) parasti attīsta smalkākus graudus nekā līdzīgi kā kolēģi.
  Atskrūšanas laikā, Auksti apstrādāts C52100 parāda solidusu tuvu 930 ° C, salīdzinājumā ar ~ 950 ° C liešanas materiālam - prasa stingrāku temperatūras kontroli, lai izvairītos no sākuma kausēšanas.

Apstrādes vēsture: Termiskie cikli un sakausējuma degradācija

• Skārda iztvaikošana (Metināšana/liešana): Ilgstoša iedarbība virs ~ 1100 ° C var pakāpeniski iztvaikot alvu, Neskatoties uz augsto viršanas punktu (2,270 ° C).
  Piemēram, Sildīšana C92200 bronza (10% Sn) pie 1,200 ° C vienu stundu var samazināt SN saturu par 1–2%, mainot tā šķidrumu uz augšu no ~ 1 020 ° C līdz ~ 1,030 ° C.
• Termiskā apstrāde (ATKLĀŠANA/HOMOGENIZĒŠANA): Bronzas atkvēlināšana pie 600–800 ° C (zem solidus) veicina difūziju un samazina mikrosregāciju.
  Tas sašaurina kušanas intervālu par 5–15 ° C. Piemēram, C92700 (15% Sn) atkvēlināts plkst 700 ° C parāda kušanas diapazonu 880–1,030 ° C, salīdzinot ar 880–1 050 ° C.
• Liešanas ātrums: Ātra sacietēšana (Piem., Atdzesējošā liešana) ražo smalkākus dendrītus un vienveidīgāku fāžu sadalījumu, samazinot priekšlaicīgas vietējās kausēšanas iespējamību.
  Lēna dzesēšana uzlabo segregāciju, Kušanas intervāla paplašināšana.

7. Bronzas kušanas temperatūras ietekme uz rūpniecisko ražošanu

Precīza bronzas kušanas diapazona kontrole ir neapšaubāms ražošanā.

Pat a 10 ° C novirze no mērķa apstrādes temperatūra var samazināt ražu par pusi, vai nu caur nepilnīgu pelējuma pildījumu, leģējošu elementu iztvaikošana, vai mikrostruktūras bojājumi.

Trīs jutīgākās operācijas -liešana, metināšana, un termiskā apstrāde—Rely the Cieti par precīzām zināšanām par Solidus - Liquidus logu.

Liešana: Plūstamības un sakausējuma integritātes līdzsvarošana

Liešanā, bronza jāuzsilda virs tās šķidruma 50–100 ° C Lai sasniegtu pietiekamu plūsmu pelējuma pildīšanai, vienlaikus izvairoties no pārmērīgas pārkaršanas, kas paātrina oksidāciju (izspiests) vai nepastāvīgu leģējošu elementu, piemēram, svina un alvas, iztvaikošana.

Kritiskā kontrole: Par svina bronzas C90700, ielejot zemāk 950 ° C rada nepareizi (Neaizpildīts dobumi), kamēr virs 1,050 ° C svina iztvaikošana pārsniedz 1%, degradējoša mehāniska spēja un gāzes porainības ražošana.

Metināšana: Izvairoties no kausēšanas un sakausējuma degradācijas

Bronzas metināšanai nepieciešama temperatūra zem šķidruma, lai novērstu parasto metālu kausēšanu, Izmantojot pildvielu metālus ar zemākiem kušanas diapazoniem nekā pamatnes sakausējuma.

• TIG metināšana (Jūras dzenskrūves): Izmantojiet C92200 parasto metālu (10% Sn, 920–1020 ° C kušanas diapazons) ar C93200 pildvielu (5% Sn, 880–980 ° C kušanas diapazons).
  Uzkarsē līdz 200–300 ° C un uztur metināto baseina temperatūru 900–950 ° C (starp pildvielu šķidrumu un bāzes solidusu) Lai izvairītos no saplūšanas defektiem.
• Cietsirdība (Elektriskie savienotāji): Izmantojiet vara-fosfora pildvielu (Ar 5% p, Kūstot pie 714–800 ° C) ar C51000 fosfora bronzu (970–1070 ° C kušanas diapazons).
  Siltums līdz 750–800 ° C - pildījums kūst, kamēr parastais metāls paliek ciets, izkropļojumu novēršana.

Kļūmes režīms: C92200 pārkaršana TIG metināšanas laikā (temperatūra >1020° C) izraisa skārda iztvaikošanu (2% SN zaudējums), samazinot stiepes izturību ar 25% un palielināta jutība pret koroziju jūras ūdenī.

Termiskā apstrāde: Stiprināšana bez kūstēšanas

Siltumizstrādes temperatūra ir stingri ierobežota ar zem solidus Lai izvairītos no daļējas kausēšanas un mikrostruktūras bojājumiem:

• Risinājumu rūdīšana (Alumīnija bronza): C63000 (15% Al, 1080–1200 ° C kušanas diapazons) tiek atkvēlināts 800–900 ° C temperatūrā, lai izšķīdinātu β-fāzi α fāzē, Pilnveidojamības uzlabošana (pagarinājums palielinās no 10% līdz 30%).
• Novecošanās (Fosfora bronza): C52100 (0.3% Pūtīt) ir vecumā no 400–500 ° C (krietni zem tā 930 ° C Solidus) lai izgulsnētu cu₃p, palielinot stiepes izturību no 450 MPA uz 550 MPA.

8. Pārbaudes metodes bronzas kušanas diapazonā

Precīzai bronzas kušanas diapazona mērīšanai ir nepieciešami laboratorijas vai rūpniecības paņēmieni, kas pielāgoti precizitātei un parauga lielumam.

Diferenciālā skenēšanas kalorimetrija (DSC)

• Princips: Mēra siltuma plūsmu 5–10 mg bronzas paraugā/iziet no tā, kā to karsē 10 ° C/min.
  Solidus tiek atklāts kā endotermiskās siltuma absorbcijas sākums; Liquidus ir endotermas gals.
• Precizitāte: ± 1-2 ° 100 cietai / šķidrumam; Ideāli piemērots jaunu bronzas sakausējumu raksturošanai (Piem., zemas svina atzīmes dzeramā ūdens armatūrai) Lai pārbaudītu atbilstību ASTM B505.
• Piemērs: C61400 DSC analīze (10% Al) Apstiprina solidusu 1050 ° C un šķidrumu 1130 ° C - kritiski, lai noteiktu liešanas temperatūru.

Augstas temperatūras kausēšanas aparāts

• Princips: 1–5 g bronzas paraugu karsē grafīta tīģelī ar termopāru, kas ievietots tieši paraugā.
  Solidus ir temperatūra, kad formas pirmās šķidruma; šķidrums ir tad, kad paraugs ir pilnībā izkausēts.
• Precizitāte: ± 5–10 ° C; Piemērots rūpnieciskās kvalitātes kontrolei (Piem., Pārbaudot svina bronzas partijas konsistenci gultņiem).
• Priekšrocība: Imitē reālus liešanas apstākļus, piemaisījumu efektu uzskaite, kuru DSC var nokavēt.

Termiskā gravimetriskā analīze (Tga)

• Princips: Mēra bronzas parauga masas zudumu sildīšanas laikā.
  Alvas vai svina iztvaikošana izraisa masas zudumu virs to viršanas punktiem, bet kušanas sākumu norāda smalkas masas izmaiņas (Virsmas oksidācijas dēļ) sakrīt ar solidusu.
• Precizitāte: ± 3–5 ° C solidusam; bieži lieto kopā ar DSC, lai savstarpēji vērtētu kušanas diapazona datus.
• Pieteikums: Pētot alvas iztvaikošanu ar augstu grimu bronzu (C92700) Lai optimizētu liešanas laiku (samazinot SN zaudējumu līdz <0.5%).

9. Bieži sastopami nepareizi priekšstati par bronzas kausēšanas punktu

Neskatoties uz rūpniecisko nozīmi, Bronzas kušanas izturēšanās bieži tiek pārprasta. Zemāk ir galvenie skaidrojumi:

"Bronzai ir fiksēts kausēšanas punkts, piemēram, tīrs varš."

Nepatiess: Tīrs vara kūst 1083 ° C (fiksēts), Bet bronza - sakausējums - ir kušanas diapazons.

Piemēram, C92200 skārda bronzas kūst starp 920 ° C līdz 1020 ° C, nav vienā temperatūrā.

"Pievienojot vairāk alvas, vienmēr pazemina bronzas kušanas diapazonu."

Daļēji patiess: Alvas saturs līdz 15% pazemina kušanas diapazonu (no 1083 ° C tīram Cu līdz 880–1050 ° C 15% Sn), bet virs 15% Sn, trausla δ-fāze (Cu₃sn) formas, paplašinot kušanas diapazonu un nedaudz paaugstinot šķidrumu.

"Svins vienmēr ir izdevīgs, lai pazeminātu bronzas kušanas diapazonu."

Nepatiess: Svins pazemina kušanas diapazonu, bet izraisa karstu īsumu (trauslums augstā tempā) ja >5% Pbe.

Bronza ar augstu svinu (C90700, 5% Pbe) Nevar izmantot augstas karstuma lietojumos (Piem., krāsns daļas) plaisāšanas riska dēļ.

"Visas bronzas ir metināmas, ja tās tiek uzkarsētas līdz to kušanas diapazonam."

Nepatiess: Metināšanas bronza virs tās šķidruma izraisa parasto metālu kausēšanu un leģēšanas elementu zudumu (skārda iztvaikošana).

Bronzai nepieciešami pildvielu metāli ar zemākiem kušanas diapazoniem nekā pamatnes sakausējumam, lai izvairītos no saplūšanas defektiem.

10. Kvalitāte, Defekti, un mazināšana

Līdz bronzas kušanas izturēšanās ir kritisks produkta kvalitātes noteicējs.

Pat nelielas novirzes no noteiktā solidus - likvīdus loga var izraisīt metalurģiskus defektus, kas kompromitē mehānisko veiktspēju, izturība pret koroziju, un dimensiju stabilitāte.

Parastie defekti, kas saistīti ar kušanas diapazonu

Segregācija un mikrostrukturālā neviendabīgums

• Izraisīt: Lēna dzesēšana vai plati kušanas diapazoni (Piem., bronzas ar augstu snu) novadīt alvas vai svina segregāciju pie graudu robežām.
• Trieciens: Samazināta izturība, Starpgranulārā korozijas jutība.
• Piemērs: C92700 (15% Sn), Pārmērīga β-fāžu segregācija samazina trieciena rezistenci par ~ 30%.

Gāzes porainība un saraušanās dobumi

• Izraisīt: Ieteicams virs ieteicamā pārkarsuma (> šķidrs + 100 ° C) palielina oksidāciju un gāzes absorbciju.
• Trieciens: Porainība samazina noguruma dzīvi līdz pat 40%.
• Piemērs: Svina bronzas C90700 attīstās tukšumi, ja tos ielej >1,080 ° C svina iztvaikošanas dēļ.

Karsta plaisāšana (Sacietēšanas plaisāšana)

• Izraisīt: Šaurās sacietēšanas diapazoni dažos sakausējumos (Piem., Ar - bronzām) Padariet tos ar termiskiem spriegumiem dzesēšanas laikā.
• Trieciens: Plaisas sākas pie graudu robežām, kompromitējoša strukturālā integritāte.

Pārkaršana un leģējoša elementa zaudēšana

• Izraisīt: Pagarināta ekspozīcija >1,100 ° C izraisa alvas iztvaikošanu (~ 1–2% stundā) un svina zaudēšana svina bronzā.
• Trieciens: Zemāka izturība, Slikta mašīnība, un palielināta trauslums.

Galvenais līdzņemšana:

Lielākā daļa kvalitatīvo neveiksmju bronzas ražošanā rodas nevis no sakausējuma izvēles, bet no Nepareiza temperatūras kontrole kušanas laikā un ielejot.

Apvienojot Stingra termiskā pārvaldība, sakausējuma optimizācija, un Uzlabotas pārbaudes paņēmieni, defektu likmes var samazināt vairāk nekā 70%.

11. Nākotnes tendences: Zemas un piedevu ražošana

Bronzas tehnoloģija attīstās, lai apmierinātu vides noteikumus un uzlabotas ražošanas vajadzības, ar kausēšanas diapazona apsvērumiem priekšplānā:

Zema svina un bez svina bronza

• Vadītājs: Vides noteikumi (Piem., Kalifornijas priekšlikums 65, I ROHS) Svina ierobežošana dzeramā ūdens armatūrā un pārtikas kontakta virsmās.
• Kušanas diapazona izaicinājums: Aizstājot svinu ar Bismutu (Biplekāts) vai silīcijs (Un) Nepieciešami atkārtoti optimizējošie kušanas diapazoni - bismuts pazemina šķidrumu par ~ 10 ° C uz vienu 1% Biplekāts, Bet pārpalikums BI izraisa trauslumu.
• Šķīdums: C90800 (Ar 10% SN-2% Bi) ir 920–1000 ° C kušanas diapazons, Atbilstoši svina bronzas atlasību, vienlaikus atbilstoši standartiem bez svina.

Piedevu ražošana (3D Drukāšana)

• Vadītājs: Sarežģīta ģeometrija (Piem., pielāgoti gultņi) ka tradicionālā liešana nevar sasniegt.
• Kušanas diapazona izaicinājums: Pulvera gultnes saplūšana (PBF) Nepieciešama precīza lāzera temperatūras kontrole (virs Liquidus pilnīgai kausēšanai, Zemāk par saķepināšanu).
• Šķīdums: C52100 fosfora bronzas PBF, Izmantojiet lāzera temperatūru 1050–1100 ° C (šķidrs + 20–70 ° C) Lai nodrošinātu slāņa savienošanu bez skārda iztvaikošanas.

12. Secinājums

Līdz kušanas punkts no bronzas vislabāk saprot kā a Kušanas diapazons, ko nosaka solidus un šķidruma temperatūra.

Šo diapazonu ietekmē sakausējuma sastāvs, mikrostruktūra, un piemaisījumi, un tieši nosaka, cik bronza ir atlaist, metināts, un termiski apstrādāts.

Rūpīga kušanas un ieliešanas temperatūras kontrole nodrošina komponentus bez defektiem, Paplašina kalpošanas laiku, un samazina izmaksas.

Integrējot fāzes diagrammas zināšanas ar praktisko lietuvju pieredzi, Inženieri un ražotāji var pilnībā izmantot bronzas daudzpusību, vienlaikus samazinot risku ražošanā.

FAQ

Kāds ir jūras dzenskrūves bronzas kušanas diapazons?

Jūras dzenskrūves parasti izmanto C92200 Jūras spēku alvas bronzu (10% Sn) vai C61400 vidēja alumīnija bronza (10% Al).

C92200 kūst 920–1020 ° C, kamēr C61400 kūst 1050–1130 ° C. Priekšroka tiek dota alumīnija bronzai lielākiem dzenskrūvēm, jo ​​tās augstāka izturība augstā temperatūrā.

Kā svina saturs ietekmē bronzas kušanas diapazonu?

Svins darbojas kā kušanas temperatūra - katrs 1% Svina pieaugums pazemina šķidrumu par ~ 15 ° C.

Piemēram, C90300 (2% Pbe) ir šķidrs šķidrums 100, Kamēr C90700 (5% Pbe) Ir šķidrums 980 ° 100.

Tomēr, svins >5% izraisa karstu īsumu, Padarot bronzu trauslu augstā temperatūrā.

Vai es varu metināt bronzu ar tādu pašu temperatūru kā tēraudam?

Ne. Tērauds (Piem., A36) kūst pie 1425–1538 ° C, daudz augstāks par bronzu.

Metināšanas C92200 skārda bronzas maksimālā temperatūra ir 950 ° C (Zem tā 1020 ° 100 stāvokļa) Lai izvairītos no tinas iztvaikošanas un parastā metāla kausēšanas.

Izmantojot tērauda metināšanas temperatūru, bronza iznīcinātu.

Kā izmērīt bronzas kušanas diapazonu lietuvē?

Izmantojiet augstas temperatūras kausēšanas aparātu ar grafīta tīģeli un K tipa termopāru.

Sildīt a 5 G bronzas paraugs 5 ° C/min, Temperatūras reģistrēšana, kad veidojas pirmais šķidrums (solis) un kad paraugs ir pilnībā izkausēts (šķidrs).

Šai metodei ir ± 5–10 ° C precizitāte, Pietiek ar partijas kvalitātes kontroli.

Kāpēc alumīnija bronzai ir lielāks kušanas diapazons nekā alvas bronzai?

Alumīnijs veido augstas krāsas starpmetāliskus savienojumus (Piem., Cu₃al, Kūst 1037 ° C) ar vara, kas paaugstina solidusu un šķidrumu.

Alvas, turpretī, veido kaļamāku cietu šķīdumu ar varu, traucēt atomu saites un samazināt kušanas diapazonu. Piemēram, 10% Al bronzā paaugstina šķidrumu par ~ 100 ° C pret. 10% Sn.