Aký je bod topenia bronzu？

1. Zavedenie

Bod topenia bronzu je kľúčovým konceptom v metalurgii, výroba, a dizajn.

Na rozdiel od čistých kovov, Bronz je zliať - predovšetkým medi a cín, Aj keď mnoho moderných bronzov zahŕňa hliník, kremík, nikel, alebo fosfor.

V dôsledku, Bronz sa pri jednej teplote prudko neroztopí, ale namiesto toho prechádza a šupinatá zóna medzi Solidusom (Začiatok topenia) a tekutina (úplne roztavený).

Toto rozlíšenie je rozhodujúce pre zlievárni, zvárač, a návrhári materiálov, ktorí sa spoliehajú na presnú reguláciu teploty, aby zabezpečili zvuk, komponenty bez defektov.

2. Čo je bronz?

Bronz je a zliatina V ktorej meď (Cu) je hlavná zložka a cín (Sn) je tradične primárnym legingovým prvkom.

Na rozdiel od čistých kovov, Bronz je inžiniersky materiál- jeho mechanické, tepelný, a chemické vlastnosti môžu byť prispôsobené úpravám zloženia a spracovania.

Moderné bronzy môžu obsahovať aj hliník, kremík, fosfor, nikel, zinok, alebo viesť k dosiahnutiu konkrétnych výkonnostných charakteristík.

Historická perspektíva

Bronz je jednou z najstarších zliatin vyvinutých ľuďmi, siaha až do Bronzová doba (približne 3300 BCE).

Zavedenie cínu do medi sa vytvorilo ťažšie, odolnejší materiál ako čistá meď, umožnenie pokroku v náradie, zbrane, umenia, a architektúra.

Dnes, Bronz zostáva nevyhnutný v oboch tradičných umeleckých aplikáciách (sochárstvo, zvončeky) a pokročilé inžinierstvo (kozmonautika, námorný, a energetické systémy).

Klasifikácia bronzových zliatin

Bronz nie je jediná zliatina, ale a rodina medených zliatin kategorizované podľa ich sekundárnych prvkov:

• Cínový bronz - zliatiny Cu - SN (zvyčajne 5–20% Sn), Cena pre silu, odpor, a ložiskové vlastnosti.
• Fosforový bronz - plechové bronzy s malými prírastkami fosforu (0.01–0,5%), zlepšenie únavovej odolnosti a odolnosti proti korózii.
• Hliníkové bronzy - zliatiny Cu - al (5–12% Al, často s Fe alebo Ni), Ponúka vynikajúcu odolnosť.
• Kremík - so zliatinami (2–4% a), Kombinácia odolnosti proti korózii s dobrou odliezovateľnosťou a zvárateľnosťou.
• Olovené bronzy - zliatiny Cu - SN - PB, kde olovo zlepšuje machinabilitu a vlastnosti ložiska.
• Nikel-hliníkový bronz - zliatiny Cu - Al - Ni s vynikajúcou odolnosťou voči morskej vode, často sa používajú pri stavbe lodí.

Kľúčové vlastnosti bronzu

• Mechanický: Vyššia pevnosť a tvrdosť ako meď, s dobrým odporom opotrebenia.
• Tepelný: Vysoká tepelná vodivosť, ale nižšie ako čistá meď v dôsledku legovania.
• Chemický: Vynikajúca odolnosť proti korózii, najmä proti morskej vode, Vytváranie bronzu nevyhnutne v morskom a chemickom priemysle.
• Akustický: Zreteľné rezonančné vlastnosti, Používa sa v hudobných nástrojoch, zvončeky, a gongy.

3. Správanie tavenia zliatin - Solidus a Liquidus

Pre zliatiny, Topenie sa vyskytuje naprieč a interval teploty:

• Teplota: Najnižšia teplota, pri ktorej sa začína topenie.
• Tekutina: Teplota, pri ktorej sa zliatiny stáva úplne kvapalnou.
• Mrazivý rozsah (Šupinatá zóna): Interval medzi solidus a likvidusom, kde koexistujú tuhé aj kvapaliny.

4. Typické rozsahy topenia bronzovej rodiny

Pretože bronz nie je jediná zliatina, ale rodina zliatiny, Jeho správanie topenia sa veľmi líši v závislosti od legúnok a ich rozmerov.

Namiesto ostrého bodu topenia (Ako je vidieť v čistých kovoch), bronzové exponáty a roztavenie, definovaný SOLDUSU (kde začína topenie) a tekutý (kde sa úplne roztavuje).

Nasledujúca tabuľka sumarizuje typické roztavenia pre hlavné bronzové rodiny:

5. Ako zloženie a zliatinové prvky ovplyvňujú rozsah topenia

Sortiment bronzu je zásadne kontrolovaný jeho chemické zloženie.

Čistá medená topí 1,085 ° C (1,985 ° F), Ale keď legalizujúce prvky ako cínu, hliník, kremík, fosfor, nikel, alebo sú zavedené olovo, Správanie topenia sa výrazne posúva.

Tieto prvky znížiť Teploty Solidus a Liquidus v závislosti od ich interakcie s meďou.

Účinok hlavných legínových prvkov

Legingingové interakcie a mikroštrukturálne účinky

• Eutektická formácia (Cu-SN, Cu -pb): Body topenia výrazne znižuje, Výsledkom širšieho roztavenia.
• Intermetalické zlúčeniny (S -, S tým): Zvýšiť teplotu topenia a vytvárať silnejšie, stabilnejšie zliatiny.
• Posilnenie pevného roztoku (S, S tým): Zachováva relatívne vysoký rozsah topenia a zároveň zlepšuje ťažnosť a odolnosť proti korózii.

6. Mikroštruktúra a spracovateľské účinky

Zatiaľ čo chemické zloženie je dominantným faktorom pri určovaní bronzového topenia, mikroštrukturálny štát a spracovanie histórie tiež zohrávajú jemnú, ale dôležitú úlohu.

Tieto faktory ovplyvňujú to, ako rovnomerne zliatiny prechodov z pevnej na kvapalinu a môžu posunúť účinné body solidus alebo likvidus o desiatky stupňov.

Mikroštrukturálny štát: Veľkosť zŕn a distribúcia fázy

• Veľkosť zrna: Bronz (priemer zrna <10 μm) Všeobecne vykazuje teplotu solidus ~ 5–10 ° C nižšia ako bronzový zrnitý (>50 μm).
  Dôvodom je, že jemné zrná zavádzajú viac okrajovej oblasti zŕn, kde atómová difúzia urýchľuje miestne topenie.
• Segregácia fázy: Vo viacfázových zliatinách (Napr., A+B bronz, ako napríklad C61400), Nejednotná fázová distribúcia vytvára lokalizované správanie v oblasti topenia.
  Oblasti β-fázy sa môžu začať topiť pri ~ 1 050 ° C, zatiaľ čo a-fázové oblasti pretrvávajú do ~ 1 130 ° C. To rozširuje efektívny rozsah topenia o 10–20 ° C.
• Praktický príklad: Bronz s fosforom s chladom (C52100) zvyčajne vyvíja jemnejšie zrná ako jeho náprotivok.
  Počas žíhania, C52100 za studena ukazuje Solidus blízko 930 ° C, V porovnaní s ~ 950 ° C pre odliatok.

Spracovanie histórie: Tepelné cykly a degradácia zliatiny

• Odparovanie (Zváranie/odlievanie): Predĺžená expozícia nad ~ 1 100 ° C sa môže postupne odparovať cínu, Napriek svojmu vysokému bodu varu (2,270 ° C).
  Napríklad, vykurovanie C92200 bronz (10% Sn) na 1,200 ° C na jednu hodinu môže znížiť obsah SN o 1–2%, Posunutie likvidy nahor z ~ 1 020 ° C na ~ 1 030 ° C.
• Tepelné spracovanie (Žíhanie/homogenizácia): Žíhajúci bronz pri 600 - 800 ° C (pod Solidus) podporuje difúziu a znižuje mikrosegregáciu.
  To zužuje interval topenia o 5–15 ° C. Napríklad, C92700 (15% Sn) žíhaný 700 ° C vykazuje topiaci sa rozsah 880–1 030 ° C, V porovnaní s 880–1 050 ° C v stave AS Cast.
• Miera obsadenia: Rýchla tuhosť (Napr., chladenie) produkuje jemnejšie dendrity a rovnomernejšie rozdelenie fázy, Zníženie pravdepodobnosti predčasného miestneho topenia.
  Pomalé chladenie zvyšuje segregáciu, Rozšírenie intervalu topenia.

7. Dôsledky priemyselnej výroby bodu topenia bronzu

Presná kontrola bronzovej topenia je nedostupný vo výrobe.

Dokonca a 10 ° C odchýlka z cieľovej teploty spracovania môže znížiť výťažok o polovicu, buď cez neúplnú plnenie plesní, odparovanie prvkov z legúnok, alebo mikroštrukturálne poškodenie.

Tri najcitlivejšie operácie -odlievanie, zváranie, a tepelné spracovanie—Valy silno na presných znalostiach okna Solidus -liquidus.

Odlievanie: Vyrovnávanie plynulosti a integrity zliatiny

Odlievanie, bronz musí byť zahrievaný nad jeho likvidom 50–100 ° C na dosiahnutie dostatočnej plynulosti na vyplnenie plesní, a zároveň sa vyhnúť nadmernému prehriatiu, ktorý urýchľuje oxidáciu (formácia) alebo odparovanie prchavých prvkov na legovanie, ako sú olovo a cín.

Kritická kontrola: Pre olovené bronzové C90700, naliať nižšie 950 ° C vedie k nesprávne (neobsadené dutiny), zatiaľ čo vyššie 1,050 ° C odparovanie olova presahuje 1%, Degradujúca machinabilita a výroba pórovitosti plynu.

Zváranie: Vyhýbanie sa taveniam a degradácii zliatiny

Bronzové zváranie vyžaduje teploty pod likvidom, aby sa zabránilo topánke základného kovu, Používanie kovov výplne s nižšími rozsahmi topenia ako základná zliatina.

• Zváranie (Morské vrtule): Použite základný kov C92200 (10% Sn, 920–1020 ° C rozsah topenia) s výplňou C93200 (5% Sn, 880–980 ° C rozsah topenia).
  Predhrievajte na 200–300 ° C a udržiavajte teplotu zvaru pri 900 - 950 ° C (Medzi plnivo likvidusom a základnou tuhosťou) Aby sa predišlo defektom fúzie.
• Spájkovanie (Elektrické konektory): Použite výplň medi-fosforu (S 5% P, topenie pri 714 - 800 ° C) s bronzom C51000 (970–1070 ° C rozsah topenia).
  Zahrievajte na 750 - 800 ° C - Plnenie sa topí, zatiaľ čo základný kov zostáva tuhý, predchádzanie skresleniu.

Režim: Prehrievanie C92200 počas zvárania TIG (teplota >1020° C) spôsobuje odparovanie cínu (2% Strata), zníženie pevnosti v ťahu 25% a zvyšovanie citlivosti na koróziu v morskej vode.

Tepelné spracovanie: Posilnenie bez topenia

Teploty tepelného spracovania sú prísne obmedzené na pod Solidus Aby sa zabránilo čiastočnému topeniu a mikroštrukturálnemu poškodeniu:

• Žíhanie riešenia (Hliníkový bronz): C63000 (15% Al, 1080–1200 ° C rozsah topenia) je žíhaný pri 800-900 ° C, aby sa rozpustila β-fáza do a-fázy, Zlepšenie ťažnosti (predĺženie sa zvyšuje od 10% do 30%).
• Starnutie (Bronzový fosfor): C52100 (0.3% P) je vo veku pri 400 - 500 ° C (hlboko pod jeho 930 ° C solidus) na zrážanie cu₃p, zvyšujúca sa pevnosť v ťahu z 450 MPA do 550 MPA.

8. Testovacie metódy pre bronzový topenie rozsahu

Presné meranie rozsahu topenia bronzu vyžaduje laboratórne alebo priemyselné techniky prispôsobené presnosti a veľkosti vzorky.

Diferenciálna skenovacia kalorimetria (Dsc)

• Zásada: Meria tepelný tok do/z 5–10 mg bronzovej vzorky, pretože sa zahrieva pri 10 ° C/min..
  Solidus sa deteguje ako začiatok endotermickej absorpcie tepla; Liquidus je koniec endotermu.
• Presnosť: ± 1-2 ° 100 pre pevnú / kvapalinu; Ideálne na charakterizáciu nových bronzových zliatin (Napr., Zničky s nízkym počtom príslušenstiev pitnej vody) overiť súlad s ASTM B505.
• Príklad: Analýza DSC C61400 (10% Al) potvrdzuje solidus 1050 ° C a likvidus 1130 ° C - kritický na stanovenie teploty odlievania.

Aparát s vysokou teplotou

• Zásada: Vzorka 1–5 g bronzovej sa zahrieva v grafitovom tégliku s termočlánkom vloženým priamo do vzorky.
  Solidus je teplota, keď sa vytvorí prvá kvapalina; likva je, keď je vzorka úplne roztavená.
• Presnosť: ± 5–10 ° C; Vhodné pre kontrolu priemyselnej kvality (Napr., Overenie dávkovej konzistencie oloveného bronzu pre ložiská).
• Výhoda: Simuluje skutočné podmienky odlievania, Účtovné účinky nečistôt, ktoré môže DSC chýbať.

Tepelná gravimetrická analýza (Tga)

• Zásada: Meria hromadnú stratu bronzovej vzorky počas zahrievania.
  Tin alebo odparovanie olovo spôsobuje stratu hmotnosti nad ich bodmi varu, Ale začiatok topenia je označený jemnou zmenou hmotnosti (V dôsledku oxidácie povrchu) zhoduje sa s Solidusom.
• Presnosť: ± 3–5 ° C pre Solidus; Často sa používajú s DSC na krížové overovanie údajov o topení.
• Aplikácia: Štúdium vyparovania cínu vo vysokom bronze (C92700) Optimalizovať časy zadržiavania obsadenia (Minimalizácia straty SN na <0.5%).

9. Bežné mylné predstavy o bronzovom topiacich sa bodoch

Napriek svojmu priemyselnému významu, Bronzovo topiace sa správanie je často nepochopené. Nižšie sú uvedené kľúčové objasnenie:

"Bronz má pevný bod topenia ako čistá meď."

Nepravdivý: Čistý meď sa topí pri 1083 ° C (stanovený), Ale bronz - zliatina - má topenie.

Napríklad, C92200 Tin Bronz sa topí medzi 920 ° C a 1020 ° C, nie pri jednej teplote.

"Pridanie ďalšieho cínu vždy znižuje bronzový topenie."

Čiastočne pravdivý: Cínový obsah až do 15% znižuje rozsah topenia (od 1083 ° C pre čistú Cu do 880 - 1050 ° C pre 15% Sn), ale vyššie 15% Sn, krehká fáza (Cu₃sn) formuláre, Rozšírenie rozsahu topenia a mierne zvýšenie likvidy.

"Olovo je vždy prospešné pre zníženie rozsahu topenia bronzu."

Nepravdivý: Olovo znižuje rozsah topenia, ale spôsobuje horúcu krátkosť (krehkosť pri vysokých tempoch) či >5% Pb.

Bronzový (C90700, 5% Pb) nemožno použiť vo vysokohodných aplikáciách (Napr., diel) Z dôvodu rizika praskania.

"Všetky bronzy sú zvárané, ak sú zahrievané na ich topenie."

Nepravdivý: Zváracia bronzová nad jeho likvidom spôsobuje topenie kovu a stratu z legúnneho prvku (odparovanie).

Bronz vyžaduje výplňové kovy s nižšími rozsahmi topenia ako základná zliatina, aby sa predišlo defektom fúzie.

10. Kvalita, Defekty, a zmiernenie

Ten Tavenie bronzu je kritickým determinantom kvality produktu.

Dokonca aj malé odchýlky od jeho definovaného okna Solidus -Liquidus môžu spustiť metalurgické defekty, ktoré ohrozujú mechanický výkon, odpor, a rozmerová stabilita.

Bežné defekty súvisiace s rozsahom topenia

Segregácia a mikroštrukturálna nehomogenita

• Spôsob: Pomalé chladenie alebo široké topenie rozsahov (Napr., bronz s vysokým obsahom) viesť k segregácii cínu alebo olova na hraniciach zrna.
• Dopad: Znížená húževnatosť, intergranulárna korózia náchylnosť.
• Príklad: V C92700 (15% Sn), Nadmerná segregácia β-fázy znižuje rezistenciu vplyvu o ~ 30%.

Plynové pórovitosť a zmršťovanie dutín

• Spôsob: Nalievanie nad odporúčaným prehriatím (> tekutý + 100 ° C) Zvyšuje oxidáciu a absorpciu plynu.
• Dopad: Pórovitosť znižuje únavu 40%.
• Príklad: Olovený bronz C90700 vyvíja medzery, ak sa nalieva >1,080 ° C v dôsledku odparovania olova.

Horúce praskanie (Praskanie tuhnutia)

• Spôsob: Úzke rozsahy tuhnutia v niektorých zliatinách (Napr., S bronzmi) Počas chladenia ich nechajte náchylné na tepelné namáhanie.
• Dopad: Praskliny iniciujú na hraniciach zrna, ohrozenie štrukturálnej integrity.

Prehrievanie a strata legovania prvkov

• Spôsob: Predĺžená expozícia >1,100 ° C spôsobuje odparovanie cínu (~ 1–2% za hodinu) a strata olova v olovených bronzoch.
• Dopad: Nižšia sila, slabosť, a zvýšená krehkosť.

Kľúčový:

Väčšina zlyhaní kvality vo výrobe bronzu nevychádza nie z výberu zliatiny, ale z Nesprávna kontrola teploty počas topenia a nalievania.

Kombináciou prísne tepelné riadenie, optimalizácia zliatiny, a pokročilé inšpekčné techniky, Miera defektov je možné znížiť o viac ako o viac ako o viac ako o 70%.

11. Budúce trendy: Nízka a doplnková výroba

Bronzová technológia sa vyvíja, aby vyhovovala environmentálnym predpisom a pokročilým výrobným potrebám, s úvahami o topenia v popredí:

Bronz s nízkym počtom a bez olova

• Vodič: Environmentálne predpisy (Napr., Kalifornský návrh 65, I rohs) Obmedzenie olova v príslušenstve pitnej vody a povrchov s potravinami.
• Výzva na topenie: Výmena olova za bizmut (Bitka) alebo kremík (A) Vyžaduje sa reoptimalizácia rozsahov topenia - Bizmut znižuje likvidu 1% Bitka, Ale prebytok bi spôsobuje krehkosť.
• Riešenie: C90800 (S-10% SN-2% BI) má rozsah topenia 920 - 1 000 ° C, Zodpovedajúci olovený bronzova odlievateľnosť pri splnení štandardov bez olova.

Aditívna výroba (3D Tlač)

• Vodič: Zložité geometrie (Napr., vlastné ložiská) že tradičné obsadenie nemôže dosiahnuť.
• Výzva na topenie: Fúzia práškovej postele (Pbf) vyžaduje presnú kontrolu laserovej teploty (nad likvidom na úplné topenie, nižšie pre spekanie).
• Riešenie: Pre C52100 fosforový bronz PBF, Použite laserovú teplotu 1050 - 1100 ° C (tekutý + 20–70 ° C) na zabezpečenie väzby vrstvy bez odparovania cínu.

12. Záver

Ten miesto topenia bronz najlepšie sa chápe ako a Rozmanitý rozsah definovaný teplotami Solidus a Liquidus.

Tento rozsah je ovplyvnený zložením zliatiny, mikroštruktúra, a nečistoty, a priamo riadi, aký je bronz vrhnúť, zváraný, a tepelne ošetrené.

Starostlivá kontrola teploty topenia a nalievania zaisťuje komponenty bez defektov, Rozširuje životnosť, a znižuje náklady.

Integráciou znalostí fázového diagramu s praktickými zlievavými skúsenosťami, Inžinieri a výrobcovia môžu plne využívať univerzálnosť bronzu a zároveň minimalizovať riziká vo výrobe.

Časté otázky

Aký je topiaci rozsah bronzu používaného v morských vrtule?

Morské vrtule zvyčajne používajú námorný plechový bronz C92200 (10% Sn) alebo C61400 Stredne-hliníkový bronz (10% Al).

C92200 topí sa pri 920 - 1020 ° C, zatiaľ čo C61400 sa topí pri 1050 - 1130 ° C. Hliníkový bronz je preferovaný pre väčšie vrtule kvôli svojej vyššej pevnosti pri vysokých teplotách.

Ako obsahuje obsah olova do rozsahu topenia bronzu?

Olovo pôsobí ako depresívny bod topenia - a -al 1% Zvýšenie olova znižuje likvidáciu o ~ 15 ° C.

Napríklad, C90300 (2% Pb) má kvapalinu 100, zatiaľ čo C90700 (5% Pb) Má kvapalinu 980 ° 100.

Avšak, vedenie >5% spôsobuje horúcu krátku, Bronzová krehká pri vysokých teplotách.

Môžem zvárať bronz s rovnakou teplotou ako oceľ?

Nie. Oceľ (Napr., A36) topí sa pri 1425–1538 ° C, omnoho vyššie ako bronz.

Zváranie C92200 Tin bronz vyžaduje maximálnu teplotu 950 ° C (Pod svojím stavom 1020 ° 100) Aby sa predišlo odparovaniu cínu a topenia základného kovu.

Použitie teplôt zvárania ocele by zničilo bronz.

Ako zmerám rozsah topenia bronzu v zlievárni?

Použite vysokoteplotný taviaci prístroj s grafitovým téglikom a termočlánku typu K.

Zahrievanie a 5 g bronzová vzorka pri 5 ° C/min, zaznamenanie teploty, keď sa vytvorí prvá kvapalina (SOLDUSU) a keď je vzorka úplne roztavená (tekutý).

Táto metóda má presnosť ± 5–10 ° C, dostatočné na kontrolu kvality dávky.

Prečo má hliníkový bronz vyšší rozsah topenia ako cínový bronz?

Hliník tvorí intermetalické zlúčeniny s vysokým trhom (Napr., Cu₃al, topenie pri 1037 ° C) s meďou, ktoré zvyšujú Solidus a Liquidus.

Konzervovať, naopak, tvorí viac ťažký tuhý roztok s meďou, narušenie atómových väzieb a zníženie rozsahu topenia. Napríklad, 10% Al v bronze zdvihne likvidus ~ 100 ° C vs. 10% Sn.