Bronzun erime noktası nedir？

1. giriiş

Bronzun erime noktası metalurjide önemli bir kavramdır, üretme, ve tasarım.

Saf metallerin aksine, Bronz bir alaşım - öncelikle bakır ve teneke, birçok modern bronz alüminyum içerir, silikon, nikel, veya fosfor.

Sonuç olarak, Bronz bir sıcaklıkta keskin bir şekilde erir, bunun yerine bir Solidus arasındaki duygusal bölge (eritme başlangıcı) ve sıvı (tamamen erimiş).

Bu ayrım Foundry mühendisleri için kritik öneme sahiptir, kaynak, ve sesi sağlamak için hassas sıcaklık kontrolüne güvenen malzeme tasarımcıları, Kusursuz bileşenler.

2. Bronz nedir?

Bronz bir bakır bazlı alaşım hangi bakır (Cu) temel bileşen ve teneke (Sn) geleneksel olarak birincil alaşım elemanıdır.

Saf metallerin aksine, Bronz bir tasarlanmış malzeme- mekanik, termal, ve kimyasal özellikler, kompozisyon ve işleme ayarlanarak uyarlanabilir.

Modern bronzlar da alüminyum içerebilir, silikon, fosfor, nikel, çinko, veya belirli performans özelliklerine ulaşmaya yol açın.

Tarihsel bakış açısı

Bronz, insanlar tarafından geliştirilen en eski alaşımlardan biridir, geri dönen Bronz Çağı (yakın 3300 BCE).

Tin'in bakırın girişi daha zor yarattı, saf bakırdan daha dayanıklı malzeme, ilerlemeleri etkinleştirmek aletler, silah, sanat, ve mimarlık.

Bugün, Her iki geleneksel sanatsal uygulamada bronz gerekli kalır (heykel, çan) ve gelişmiş mühendislik (havacılık, deniz, ve enerji sistemleri).

Bronz Alaşımların Sınıflandırılması

Bronz tek bir alaşım değil, bakır alaşım ailesi ikincil unsurları tarafından kategorize edildi:

• Teneke bronzlar - CU - SN Alaşımları (Tipik olarak% 5-20 SN), Güç için Değer, Direnç Giymek, ve yatak özellikleri.
• Fosfor bronzları - Küçük fosfor ilaveleri ile teneke bronzlar (0.01–0.5), Yorgunluk direncinin ve korozyon direncinin iyileştirilmesi.
• Alüminyum bronzlar - Cu - Al alaşımları (5–12 AL, genellikle fe veya ni ile), Mükemmel güç ve deniz korozyon direnci sunar.
• Silikon bronzları - alaşımlarla (2% 4 ve), korozyon direncini iyi dökülebilirlik ve kaynaklanabilirlik ile birleştirmek.
• Kurşun bronzlar - CU - SN - PB Alaşımları, Kurşun işlenebilirliği ve yatak özelliklerini geliştirir.
• Nikel-alüminyum bronzlar - Üst deniz suyu direncine sahip Cu - Al - Ni alaşımları, genellikle gemi yapımında kullanılır.

Bronzun temel özellikleri

• Mekanik: Bakırdan daha yüksek güç ve sertlik, İyi aşınma direnci ile.
• Termal: Yüksek termal iletkenlik, ancak alaşım nedeniyle saf bakırdan daha düşük.
• Kimyasal: Mükemmel korozyon direnci, özellikle deniz suyuna karşı, Deniz ve kimyasal endüstrilerde bronzdan vazgeçilmez hale getirmek.
• Akustik: Farklı rezonans özellikleri, müzik aletlerinde kullanılır, çan, ve gonglar.

3. Alaşımların Erime Davranışı - Solidus ve Liquidus

Alaşımlar için, erime bir sıcaklık aralığı:

• Solidus sıcaklığı: Eritmenin başladığı en düşük sıcaklık.
• Sıvı sıcaklığı: Alaşımın tamamen sıvı hale geldiği sıcaklık.
• Donma aralığı (Duygusal bölge): Hem katı hem de sıvının bir arada bulunduğu solidus ve sıvı arasındaki aralık.

4. Bronz ailenin tipik eritme aralıkları

Çünkü bronz tek bir alaşım değil, bir aile bakır bazlı alaşımlar, Erime davranışı, alaşım elemanlarına ve oranlarına bağlı olarak büyük ölçüde değişir..

Keskin bir erime noktası yerine (saf metallerde görüldüğü gibi), Bronz sergiler eritme aralığı, tarafından tanımlanan katı (Eritme nerede başlar) ve sıvı (tamamen erimiş olduğu yer).

Aşağıdaki tablo, büyük bronz aileler için tipik erime aralıklarını özetlemektedir.:

5. Kompozisyon ve alaşım elemanları erime aralığını nasıl etkiler?

Bronz erime aralığı, temelde onun tarafından kontrol edilir. kimyasal bileşim.

Saf bakır erir 1,085 ° C (1,985 ° f), Ama teneke gibi alaşım elemanları, alüminyum, silikon, fosfor, nikel, veya kurşun tanıtıldı, Erime davranışı önemli ölçüde değişir.

Bu unsurlar da Alt veya yükselt bakır ile etkileşimlerine bağlı olarak Solidus ve Liquidus sıcaklıkları.

Büyük alaşım elemanlarının etkisi

Alaşım etkileşimleri ve mikroyapı etkileri

• Eutektik oluşum (Cu-SN, Cu -pb): Erime noktasını önemli ölçüde azaltır, daha geniş erime aralıkları ile sonuçlanır.
• Metaller arası bileşikler (İle -, Onunla): Erime sıcaklıklarını artırın ve daha güçlü yaratın, Daha kararlı alaşımlar.
• Katı Çözelti Güçlendirme (-Ve, Onunla): Sünekliği ve korozyon direncini iyileştirirken nispeten yüksek erime aralığını korur.

6. Mikroyapı ve işleme efektleri

Kimyasal bileşim, bronzun erime davranışını belirlemede baskın faktördür, mikroyapı durumu Ve İşleme Geçmişi ayrıca ince ama önemli bir rol oynayın.

Bu faktörler, alaşımın katıdan sıvıya ne kadar eşit olarak geçtiğini ve etkili katı veya sıvı noktalarını onlarca dereceye kaydırabileceğini etkiler..

Mikroyapı durumu: Tahıl büyüklüğü ve faz dağılımı

• Tahıl boyutu: İnce taneli bronz (tahıl çapı <10 μm) Genellikle bir katı sıcaklığı sergiler ~ 5-10 ° C, kaba taneli bronzdan daha düşük (>50 μm).
  Bunun nedeni, ince tahılların daha fazla tane sınır alanı getirmesidir, Atomik difüzyonun yerel eritmeyi hızlandırdığı yer.
• Aşama ayrımı: Çok fazlı alaşımlarda (Örn., C61400 gibi A+B bronz), Tek tip olmayan faz dağılımı lokalize erime davranışı yaratır.
  β-faz bölgeleri ~ 1.050 ° C'de eritmeye başlayabilir, α-faz bölgeleri ~ 1.130 ° C'ye kadar devam ederken. Bu, etkili erime aralığını 10-20 ° C kadar genişletir.
• Pratik örnek: Soğuk işlenmiş fosfor bronz (C52100) Tipik olarak döküm muadilinden daha ince taneler geliştirir.
  Tavlama sırasında, Soğuk çalışan C52100 930 ° C, Döküm malzemesi için ~ 950 ° C ile karşılaştırıldığında - yeni başlayan eritmeyi önlemek için daha sıkı sıcaklık kontrolünü gerektiriyor.

İşleme Geçmişi: Termal döngüler ve alaşım bozulması

• Teneke buharlaşma (Kaynak/döküm): ~ 1.100 ° C'nin üzerinde uzun süreli maruz kalma, teneke kademeli olarak buharlaştırabilir, Yüksek kaynama noktasına rağmen (2,270 ° C).
  Örneğin, Isıtma C92200 Bronz (10% Sn) -den 1,200 ° C bir saat boyunca SN içeriğini% 1-2 azaltabilir, likitini ~ 1.020 ° C'den ~ 1.030 ° C'ye kaydırıyor.
• Isıl işlem (Tavlama/homojenleştirme): 600-800 ° C'de tavlama bronz (Solidus'un altında) difüzyonu teşvik eder ve mikrosegregasyonu azaltır.
  Bu erime aralığını 5-15 ° C daraltır. Örneğin, C92700 (15% Sn) tavlanmış 700 ° C, 880-1.030 ° C'lik bir eritme aralığını gösterir, AS-Cast durumunda 880–1,050 ° C ile karşılaştırıldığında.
• Dökme oranı: Hızlı katılaşma (Örn., chill döküm) daha ince dendritler ve daha düzgün faz dağılımı üretir, erken yerel erime olasılığını azaltmak.
  Yavaş soğutma ayrımı arttırır, erime aralığının genişletilmesi.

7. Bronz erime noktasının endüstriyel üretim sonuçları

Bronz’un eritme aralığının kesin kontrolü pazarlık edilemez üretimde.

Hatta bir 10 ° C sapma Hedef işleme sıcaklığından verimi yarıya indirebilir, Ya eksik kalıp dolgusu yoluyla, Alaşım elemanlarının buharlaştırılması, veya mikroyapısal hasar.

En hassas üç operasyon -döküm, kaynak, ve ısı işlemi- Solidus -Liquidus penceresinin doğru bilgisinde büyük ölçüde.

Döküm: Akışkanlık ve alaşım bütünlüğünü dengelemek

Dökümde, Bronz, sıvısının üstünde ısıtılmalıdır. 50–100 ° C Kalıp doldurma için yeterli akışkanlık elde etmek için, oksidasyonu hızlandıran aşırı aşırı ısınmadan kaçınırken (CROSTICTION) veya kurşun ve kalay gibi uçucu alaşım elemanlarının buharlaştırılması.

Kritik Kontrol: Kurşun Bronz C90700 için, Aşağıya dökülüyor 950 ° C, yanlış (doldurulmamış boşluklar), yukarıda 1,050 ° C kurşun buharlaşma aşıyor 1%, İşlenebilirliği bozan ve gaz gözenekliliği üreten.

Kaynak: Erime ve alaşım bozulmasından kaçınmak

Bronz Kaynak, taban metal erimesini önlemek için sıvının altındaki sıcaklıklar gerektirir, Taban alaşımından daha düşük erime aralıklarına sahip dolgu metalleri kullanma.

• Tig kaynağı (Deniz pervaneleri): C92200 ana metal kullanın (10% Sn, 920–1020 ° C eritme aralığı) C93200 dolgu ile (5% Sn, 880–980 ° C eritme aralığı).
  200-300 ° C'ye kadar önceden ısıtın ve 900-950 ° C'de kaynak havuzu sıcaklığını koruyun (Dolgu Liquidus ve Base Solidus arasında) füzyon kusurlarından kaçınmak için.
• Lehimleme (Elektrik konnektörleri): Bakır-Phosfor Dolgu kullanın (% 5 p ile, 714-800 ° C'de eritme) C51000 fosfor bronz (970–1070 ° C eritme aralığı).
  750-800 ° C'ye ısıtın - Base metal sağlam kalırken dolgu erir, bozulmayı önlemek.

Başarısızlık modu: TIG kaynağı sırasında aşırı ısınma C92200 (sıcaklık >1020° C) teneke buharlaşmaya neden olur (2% SN kaybı), gerilme mukavemetini azaltmak 25% ve deniz suyunda korozyon duyarlılığının artması.

Isıl işlem: Eriymeden güçlendirme

Isıl işlem sıcaklıkları kesinlikle sınırlıdır. Solidus'un altında kısmi erime ve mikroyapısal hasarı önlemek için:

• Çözüm tavlama (Alüminyum bronz): C63000 (15% Al, 1080–1200 ° C eritme aralığı) β-fazı α fazına çözülmesi için 800-900 ° C'de tavlanır, Sünekliği iyileştirmek (uzama artar 10% ile 30%).
• Yaşlanma (Fosfor bronz): C52100 (0.3% P) 400-500 ° C yaşlarında (930 ° C Solidus'un çok altında) Cu₃p'yi çökeltmek için, gerilme mukavemetinin artması 450 MPA 550 MPa.

8. Bronz’un eritme aralığı için test yöntemleri

Bronzun eritme aralığının doğru ölçümü, hassasiyet ve örneklem büyüklüğüne göre uyarlanmış laboratuvar veya endüstriyel teknikler gerektirir.

Diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC)

• İlke: 10 ° C/dakikada ısıtıldığı için 5-10 mg bronz numunenin içine/dışına ısı akışını ölçer.
  Solidus, endotermik ısı emiliminin başlangıcı olarak tespit edilir; Liquidus endotermin sonudur.
• Kesinlik: Katı / sıvı için ± 1-2 ° 100; Yeni bronz alaşımları karakterize etmek için ideal (Örn., İçme suyu armatürleri için düşük lider notlar) ASTM B505'e uygunluğu doğrulamak için.
• Örnek: C61400'ün DSC analizi (10% Al) 1050 ° C'lik bir Solidus ve 1130 ° C'lik Liquidus'u teyit eder - kalıp döküm sıcaklıklarını ayarlamak için kritik.

Yüksek sıcaklık erime aparatı

• İlke: 1-5 g bronz bir numune, doğrudan numuneye yerleştirilmiş bir termokupl ile grafit bir pota ile ısıtılır.
  Solidus, ilk sıvı oluştuğunda sıcaklıktır; Sıvı, numune tamamen erimiş olduğunda.
• Kesinlik: ± 5-10 ° C; Endüstriyel kalite kontrolü için uygun (Örn., Rulmanlar için kurşun bronzun parti tutarlılığını doğrulama).
• Avantaj: Gerçek döküm koşullarını simüle eder, DSC'nin kaçırabileceği safsızlık etkilerinin muhasebeleştirilmesi.

Termal gravimetrik analiz (TGA)

• İlke: Isıtma sırasında bronz numunenin kütle kaybını ölçer.
  Teneke veya kurşun buharlaşma, kaynama noktalarının üzerinde kütle kaybına neden olur, Ancak erimenin başlangıcı, ince bir kütle değişikliği ile gösterilir (Yüzey oksidasyonu nedeniyle) Solidus ile çakışıyor.
• Kesinlik: Solidus için ± 3-5 ° C; Erime aralığı verilerini çapraz doğrulamak için genellikle DSC ile kullanılır.
• Başvuru: Yüksek tinli bronzda teneke buharlaşmayı incelemek (C92700) Döküm Tutma Sürelerini Optimize Etmek İçin (SN kaybını en aza indirmek <0.5%).

9. Bronz’un erime noktası hakkında yaygın yanılgılar

Endüstriyel önemine rağmen, Bronz’un erime davranışı genellikle yanlış anlaşılır. Aşağıda temel açıklamalar var:

“Bronz'un saf bakır gibi sabit bir erime noktası var.”

YANLIŞ: Saf bakır 1083 ° C'de erir (sabit), Ama bronz - bir alaşım - eritme aralığına sahip.

Örneğin, C92200 Teneke bronz, 920 ° C ile 1020 ° C arasında erir, tek bir sıcaklıkta değil.

“Daha fazla kalay eklemek her zaman Bronz’un eritme aralığını azaltır.”

Kısmen doğru: Teneke içeriği 15% erime aralığını düşürür (Saf Cu için 1083 ° C'den 880-1050 ° C'ye 15% Sn), ama yukarıda 15% Sn, kırılgan δ fazı (Cu₃sn) formlar, erime aralığını genişletmek ve sıvıyı hafifçe yükseltmek.

“Kurşun Bronz’un eritme aralığını azaltmak için her zaman faydalıdır.”

YANLIŞ: Kurşun eritme aralığını düşürür, ancak sıcak kısaca neden olur (yüksek sıcaklıklarda kırılganlık) eğer >5% Pb.

Yüksek lüks bronz (C90700, 5% Pb) Yüksek ısı uygulamalarında kullanılamaz (Örn., Fırın Parçaları) Çatlama riski nedeniyle.

“Eritme aralığına ısıtılırsa tüm bronzlar kaynaklanabilir.”

YANLIŞ: Liquidus'un üzerinde kaynak bronzu, temel metal erime ve alaşım elemanı kaybına neden olur (teneke buharlaşma).

Bronz, füzyon kusurlarından kaçınmak için taban alaşımından daha düşük erime aralıklarına sahip dolgu metalleri gerektirir.

10. Kalite, Kusur, ve hafifletme

. Bronzun eritme davranışı ürün kalitesinin kritik bir belirleyicisidir.

Tanımlanan Solidus -Liquidus penceresinden küçük sapmalar bile mekanik performansı tehlikeye atan metalurjik kusurları tetikleyebilir, korozyon direnci, ve boyutsal istikrar.

Eritme aralığı ile ilgili yaygın kusurlar

Ayrılma ve mikroyapı homojenliği

• Neden: Yavaş soğutma veya geniş erime aralıkları (Örn., yüksek sn bronzlar) Teneke sınırlarda kalay veya kurşun ayrılmasına yol açar.
• Darbe: Azaltılmış tokluk, büyük korozyon duyarlılığı.
• Örnek: C92700'de (15% Sn), Aşırı β-faz ayrımı darbe direncini ~% 30 azaltır.

Gaz gözenekliliği ve büzülme boşlukları

• Neden: Önerilen süper ısınma üzerine dökülme (> sıvı + 100 ° C) oksidasyon ve gaz emilimini arttırır.
• Darbe: Gözeneklilik, yorgunluk ömrünü kadar azaltır 40%.
• Örnek: Kurşun Bronz C90700 dökülürse boşluklar geliştirir >1,080 Kurşun buharlaşma nedeniyle ° C.

Sıcak Çatlama (Katılaşma çatlaması)

• Neden: Bazı alaşımlarda dar katılaşma aralıkları (Örn., İle - bronzlar) Soğutma sırasında onları termal streslere eğilimli hale getirin.
• Darbe: Çatlaklar tahıl sınırlarında başlar, yapısal bütünlükten ödün vermek.

Aşırı ısınma ve alaşım eleman kaybı

• Neden: Uzatılmış pozlama >1,100 ° C, kalay buharlaşmaya neden olur (Saatte ~% 1-2) ve kurşun bronzlarda kurşun kaybı.
• Darbe: Daha düşük mukavemet, zayıf işlenebilirlik, ve artan kırılganlık.

Anahtar paket:

Bronz üretimdeki çoğu kalite arızası, alaşım seçiminden değil, Erime ve dökme sırasında uygunsuz sıcaklık kontrolü.

Birleştirerek katı termal yönetim, alaşım optimizasyonu, Ve gelişmiş denetim teknikleri, Kusur oranları daha fazla azaltılabilir 70%.

11. Gelecek Eğilimler: Düşük lider ve katkı üretimi

Bronz teknolojisi, çevre düzenlemelerini ve ileri üretim ihtiyaçlarını karşılamak için gelişiyor, eritme aralığı düşünceleri ön planda:

Düşük lider ve kurşunsuz bronz

• Sürücü: Çevre Düzenlemeleri (Örn., Kaliforniya Önerisi 65, Ben rohs) İçme suyu armatürlerinde ve gıda temaslı yüzeylerde kurşun sınırlama.
• Erime Menzil Mücadelesi: Kurşunun Bismuth ile Değiştirilmesi (Bi) veya silikon (Ve) Erime aralıklarının yeniden optimize edilmesini gerektirir - Bismut, sıvıyı ~ 10 ° C azaltır 1% Bi, Ancak fazla BI kırılganlığa neden olur.
• Çözüm: C90800 (% 10 ile% SN-2 BI ile) 920-1000 ° C eritme aralığına sahiptir, Kurşunsuz Standartları karşılarken kurşunlu Bronz’un Dökülebilirliği ile eşleşiyor.

Katkı maddesi üretimi (3D Yazdırma)

• Sürücü: Karmaşık geometriler (Örn., özel rulmanlar) Geleneksel döküm başaramaz.
• Erime Menzil Mücadelesi: Toz yatak füzyonu (PBF) Lazer sıcaklığının hassas kontrolünü gerektirir (tam erime için sıvının üstünde, Sinterleme için aşağıda).
• Çözüm: C52100 Fosfor Bronz PBF için, 1050-1100 ° C lazer sıcaklığı kullanın (sıvı + 20–70 ° C) Teneke buharlaşma olmadan katman bağını sağlamak için.

12. Çözüm

. erime noktası bronz en iyi şekilde anlaşılır Solidus ve Liquidus sıcaklıkları ile tanımlanan eritme aralığı.

Bu aralık alaşım kompozisyonundan etkilenir, mikroyapı, ve safsızlıklar, ve doğrudan bronzun ne kadar olduğunu yönetir döküm, kaynaklı, ve ısı ile muamele edilmiş.

Erime ve dökme sıcaklıklarının dikkatli kontrolü, kusursuz bileşenleri sağlar, Hizmet ömrünü uzatır, ve maliyetleri azaltır.

Faz diyagramı bilgisini pratik döküm deneyimi ile entegre ederek, Mühendisler ve üreticiler, üretimde riskleri en aza indirirken bronzun çok yönlülüğünden tamamen yararlanabilirler.

SSS

Deniz pervanelerinde kullanılan erime bronz aralığı nedir?

Deniz pervaneleri tipik olarak C92200 Deniz Tin Bronz (10% Sn) veya C61400 orta alüminyum bronz (10% Al).

C92200 920-1020 ° C'de erir, C61400 1050-1130 ° C'de erir. Yüksek sıcaklıklarda daha yüksek mukavemeti nedeniyle daha büyük pervaneler için alüminyum bronz tercih edilir.

Kurşun içeriği bronz erime aralığını nasıl etkiler??

Kurşun bir erime noktası depresif görevi görür - her 1% Kurşundaki artış likitleri ~ 15 ° C azaltır.

Örneğin, C90300 (2% Pb) Sıvı 100 var 100, C90700 (5% Pb) 980 ° 100 sıvı var.

Fakat, yol göstermek >5% Sıcak kısaca neden olur, Bronzu yüksek sıcaklıklarda kırılgan hale getirmek.

Çelikle aynı sıcaklıkta bronz kaynak yapabilir miyim?

HAYIR. Çelik (Örn., A36) 1425-1538 ° C'de erir, bronzdan çok daha yüksek.

Kaynak C92200 Tin Bronz, maksimum 950 ° C sıcaklık gerektirir (1020 ° 100 durumunun altında) Teneke buharlaşmayı ve ana metal eritmeyi önlemek için.

Çelik kaynak sıcaklıkları kullanmak bronzu yok eder.

Bir dökümhanedeki eritme bronz aralığını nasıl ölçerim?

Bir grafit pota ve k-tipi termokupl ile yüksek sıcaklıkta eritme aparatı kullanın.

Isı a 5 g bronz numune 5 ° C/dakikada, İlk sıvı oluştuğunda sıcaklığı kaydetmek (katı) ve numune tamamen erimiş olduğunda (sıvı).

Bu yöntem ± 5-10 ° C hassasiyete sahiptir, toplu kalite kontrolü için yeterli.

Alüminyum bronz neden teneke bronzdan daha yüksek bir erime aralığına sahiptir??

Alüminyum, yüksek eriten intermetalik bileşikler oluşturur (Örn., Cu₃al, 1037 ° C'de eritme) bakır ile, Solidus ve Liquidus'u yükseltti.

Kalay, aksine, Bakır ile daha sünek katı bir çözüm oluşturur, Atom bağlarını bozma ve erime aralığını düşürme. Örneğin, 10% bronzda Al, sıvıyı ~ 100 ° C vs yükseltir. 10% Sn.