Яка точка плавлення бронзи？

1. Вступ

Точка плавлення бронзи є ключовою концепцією в металургії, виробництво, і дизайн.

На відміну від чистих металів, Бронза - це сплав - в першу чергу з міді та жерсті, Хоча багато сучасних бронз включають алюміній, кремнію, нікель, або фосфор.

Як результат, Бронза не тане різко при одній температурі, а натомість проходить через Мушантна зона між солідусом (Початок плавлення) і рідина (повністю розплавлений).

Ця відмінність є критичною для ливарних інженерів, зварювальники, та дизайнери матеріалів, які покладаються на точне управління температурою, щоб забезпечити звук, компоненти без дефектів.

2. Що таке бронза?

Бронза є сплав на основі міді в якому мідь (Куточок) є головним компонентом і оловом (Sn) традиційно є первинним елементом -легуванням.

На відміну від чистих металів, Бронза - це інженерний матеріал— Його механічно, термічний, і хімічні властивості можуть бути розроблені шляхом регулювання складу та обробки.

Сучасні бронзи також можуть містити алюміній, кремнію, фосфор, нікель, цинк, або призвести до досягнення конкретних характеристик продуктивності.

Історична перспектива

Бронза - це одне з найдавніших сплавів, розроблених людьми, починаючи з Бронзовий вік (близько 3300 Доп.).

Введення олова в мідь створило важче, Більш міцний матеріал, ніж чистий мідь, що сприяє просуванню в інструменти, зброя, мистецтво, і архітектура.

Сьогодні, Бронза залишається важливим для обох традиційних мистецьких програм (скульптура, дзвони) та вдосконалена інженерія (аерокосмічний, морський, та енергетичні системи).

Класифікація бронзових сплавів

Бронза - це не єдиний сплав, а Сім'я мідних сплавів класифікуються за їх вторинними елементами:

• Бронзи - сплави Cu - Sn (Зазвичай 5–20% SN), цінується за силу, Опір зносу, і підшипники.
• Бронзи фосфору - Бронзи олова з невеликими доповненнями фосфору (0.01–0,5%), Поліпшення стійкості до втоми та резистентності до корозії.
• Алюмінієві бронзи - Cu - Al сплави (5–12% al, Часто з Fe або Ni), пропонуючи відмінну силу та морську резистентність.
• Силіконові бронзи - з сплавами (2–4% і), Поєднання резистентності до корозії з хорошою кастості та зварювальністю.
• Бронзи - сплави Cu - SN - PB, Там, де свин.
• Нікель-алюмінієві бронзи - сплави Cu - Al - Ni з верхньою стійкістю до морської води, часто використовується в суднобудуванні.

Основні властивості бронзи

• Механічний: Більш висока сила і твердість, ніж мідь, з хорошою стійкістю до зносу.
• Термічний: Висока теплопровідність, але нижчий, ніж чиста мідь завдяки сплавку.
• Хімічний: Відмінна резистентність до корозії, особливо проти морської води, Виготовлення бронзи незамінним у морській та хімічній промисловості.
• Акустичний: Чіткі резонансні властивості, використовується в музичних інструментах, дзвони, і гонги.

3. Плавильна поведінка сплавів - солідус та ліквіда

Для сплавів, плавлення відбувається через Температурний інтервал:

• Температура солідуса: Найнижча температура, при якій починається плавлення.
• Температура рідини: Температура, при якій сплав стає повністю рідкою.
• Діапазон заморожування (М'ясоподібна зона): Інтервал між солідом і рідиною, де співіснують і тверді, і рідкі.

4. Типові діапазони плавлення від бронзової родини

Тому що бронза - це не єдиний сплав, а сім'я сплави на основі міді, Її поведінка плавлення сильно змінюється залежно від легованих елементів та їх пропорцій.

Замість різкої точки плавлення (Як видно з чистих металів), Бронзові експонати a Діапазон плавлення, Визначений солідус (З чого починається плавлення) і рідкий (де він стає повністю розплавленим).

У таблиці нижче узагальнено типові діапазони плавлення для основних бронзових сімей:

5. Як композиція та лежачі елементи впливають на діапазон плавлення

Діапазон плавлення бронзи принципово контролюється його хімічний склад.

Чиста мідь тане в 1,085 ° C (1,985 ° F), Але коли лежать елементи, такі як олово, алюміній, кремнію, фосфор, нікель, або вводяться свинець, Поведінка плавлення значно змінюється.

Ці елементи або знизити або підняти Температури солідуса та ліквідів залежно від їх взаємодії з міддю.

Вплив основних легованих елементів

Легані взаємодії та мікроструктурні ефекти

• Евтектичне утворення (Cu-SN, Cu -PB): Значно знижує точку плавлення, в результаті чого ширші діапазони плавлення.
• Інтерметалічні сполуки (З -, З ним): Збільшити температуру плавлення та створити сильніше, Більш стабільні сплави.
• Зміцнення твердого розчину (З -and, З ним): Зберігає відносно високий діапазон плавлення, покращуючи пластичність та резистентність до корозії.

6. Ефекти мікроструктури та обробки

В той час як хімічний склад є домінуючим фактором у визначенні поведінки танення Бронзи, Мікроструктурний стан і Історія обробки також відіграйте тонку, але важливу роль.

Ці фактори впливають на те, наскільки рівномірно сплав переходить від твердого до рідини і може зміщувати ефективні точки солідуса або ліквідів на десятки ступенів.

Мікроструктурний стан: Розподіл зерна та розподіл фаз

• Розмір зерна: Тонкозерниста бронза (діаметр зерна <10 мкм) Як правило, виявляє температуру солідусу на 5–10 ° С нижче, ніж грубозерниста бронза (>50 мкм).
  Це тому, що дрібні зерна вводять більше зони прикордонної зерна, де атомна дифузія прискорює місцеве плавлення.
• Фазова сегрегація: У багатофазних сплавах (Напр., A+B Бронза, наприклад C61400), Неоднорідний розподіл фаз створює локалізовану поведінку плавлення.
  β-фазові області можуть почати плавлення при ~ 1050 ° C, в той час як α-фазові області зберігаються до ~ 130 ° C. Це розширює ефективний діапазон плавлення на 10–20 ° C.
• Практичний приклад: Бронза фосфору з холодною (C52100) Зазвичай розвиває тонкіші зерна, ніж його каскітний аналог.
  Під час відпалу, C52100 C52100 показує солідус поблизу 930 ° C, Порівняно з ~ 950 ° С для литого матеріалу - відбудеться більш жорстке контроль температури, щоб уникнути страви.

Історія обробки: Термічні цикли та деградація сплавів

• Олов'яне випаровування (Зварювання/кастинг): Тривале опромінення вище ~ 1100 ° C може поступово випаровувати олово, Незважаючи на високу температуру кипіння (2,270 ° C).
  Наприклад, Опалювальна бронза C92200 (10% Sn) в 1,200 ° C протягом однієї години може зменшити вміст SN на 1–2%, переміщення рідини вгору від ~ 1,020 ° С до ~ 1,030 ° C.
• Термічна обробка (Відпал/гомогенізація): Відпал бронзи при 600–800 ° C (внизу солідус) сприяє дифузії та зменшує мікросгрегацію.
  Це звужує інтервал плавлення на 5–15 ° C. Наприклад, C92700 (15% Sn) відпалений на 700 ° C показує діапазон плавлення 880–1,030 ° C, Порівняно з 880–1,050 ° C.
• Швидкість лиття: Швидке затвердіння (Напр., холодний кастинг) виробляє більш тонкі дендрити та більш рівномірний розподіл фаз, зменшення ймовірності передчасного плавлення місцевого плавлення.
  Повільне охолодження посилює сегрегацію, розширення інтервалу плавлення.

7. Промислові наслідки виробництва точки плавлення бронзи

Точний контроль діапазону плавлення Бронзи непереможений у виробництві.

Навіть a 10 ° C відхилення від цільової температури обробки може зменшити вихід на половину, або через неповну начинку цвілі, випаровування легувальних елементів, або мікроструктурні пошкодження.

Три найбільш чутливі операції -кастинг, зварювання, і термічна обробка—По -значно на точні знання вікна солідуса - Лікідуса.

Кастинг: Врівноваження плинності та цілісності сплавів

У кастингу, Бронза повинна нагріватися над його ліквідою 50–100 ° C Для досягнення достатньої плинності для наповнення цвілі, уникаючи надмірного перегріву, який прискорює окислення (Формування дроса) або випаровування летючих лепівських елементів, таких як свинцевий і олово.

Критичний контроль: Для свинцевого бронзи C90700, наливання внизу 950 ° С неправильно (незмінні порожнини), Поки вище 1,050 ° C випаровування свинцю перевищує 1%, погіршення обробки та вироблення пористість газу.

Зварювання: Уникнення плавлення та деградації сплавів

Бронзове зварювання вимагає температури нижче рідини, щоб запобігти плавленню основного металу, Використання металів наповнювача з нижчими діапазоном плавлення, ніж основний сплав.

• Зварювання (Морські гвинти): Використовуйте базовий метал C92200 (10% Sn, 920–1020 ° C Діапазон плавлення) з наповнювачем C93200 (5% Sn, 880–980 ° C Діапазон плавлення).
  Попередження до 200–300 ° С і підтримувати температуру швного басейну при 900–950 ° C (Між наповнювачем ліквіда та основою солідус) Щоб уникнути дефектів синтезу.
• Пайка (Електричні роз'єми): Використовуйте наповнювач мідь-фосфор (З 5% p, Плавлення при 714–800 ° C) з бронзою фосфору C51000 (970–1070 ° C Діапазон плавлення).
  Нагрівання до 750–800 ° C - танефлера тане, тоді як основний метал залишається твердим, запобігання спотворенню.

Режим відмови: Перегрівання C92200 під час зварювання TIG (температура >1020° C) викликає випаровування олова (2% Втрата SN), Зниження міцності на розтяг за допомогою 25% та підвищення сприйнятливості до корозії в морській воді.

Термічна обробка: Зміцнення без танення

Температури термічної обробки суворо обмежуються внизу солідуса Щоб уникнути часткового плавлення та мікроструктурного пошкодження:

• Розведення розчину (Алюмінієва бронза): C63000 (15% Al, 1080–1200 ° C Діапазон плавлення) відпалюється при 800–900 ° С для розчинення β-фази в α-фазу, Поліпшення пластичності (подовження збільшується з 10% до 30%).
• Старіння (Бронза фосфору): C52100 (0.3% С) віком при 400–500 ° C (значно нижче його 930 ° С Солідус) для осадження Cu₃p, Збільшення сили на розрив з 450 Mpa до 550 MPA.

8. Методи тестування діапазону плавлення бронзи

Точне вимірювання діапазону плавлення бронзи вимагає лабораторних або промислових методів, пристосованих до точності та розміру вибірки.

Диференціальна сканування калориметрії (DSC)

• Принцип: Вимірює тепловий потік у/виїзду з бронзового зразка 5–10 мг під час нагрівання при 10 ° С/хв.
  Солідус виявляється як початок ендотермічного поглинання тепла; Liquidus - це кінець ендотерми.
• Точність: ± 1-2 ° 100 для твердого / рідини; Ідеально підходить для характеристики нових бронзових сплавів (Напр., Низькі свинці для світильників питної води) Для перевірки відповідності ASTM B505.
• Приклад: DSC -аналіз C61400 (10% Al) підтверджує солідус 1050 ° С та ліквіде 1130 ° C - критично для встановлення температури лиття.

Високотемпературне плавильне апарат

• Принцип: Зразок бронзи на 1–5 г нагрівається в графітному тиглі з термопарою, вставленою безпосередньо в зразок.
  Солідус - це температура, коли утворюється перша рідина; Лікідус - це коли зразок повністю розплавлений.
• Точність: ± 5–10 ° C; підходить для промислового контролю якості (Напр., Перевірка партії консистенції свинцевої бронзи для підшипників).
• Перевага: Імітує реальні умови кастингу, Облік ефектів домішки, які може пропустити DSC.

Тепловий гравіметричний аналіз (TGA)

• Принцип: Вимірює масові втрати бронзового зразка під час опалення.
  Олово або випаровування свинцю спричиняють втрату маси вище їх точок кипіння, Але настання плавлення позначається тонкою зміною маси (Через окислення поверхні) збігається з солідусом.
• Точність: ± 3–5 ° С для соліду; Часто використовується з DSC для даних про перехресне значення плавлення.
• Застосування: Вивчення випаровування олова у бронзі з високою формою (C92700) Для оптимізації часу утримування кастингу (мінімізація втрат SN до <0.5%).

9. Поширені помилки щодо точки плавлення бронзи

Незважаючи на його промислове значення, Поведінка танення бронзи часто неправильно зрозуміла. Нижче наведено ключові роз'яснення:

"Бронза має фіксовану точку плавлення, як чиста мідь".

Неправильний: Чиста мідь тане при 1083 ° C (нерухомий), Але бронза - сплав - має тане діапазон.

Наприклад, Бронза C92200 олова тане між 920 ° С і 1020 ° C, Не при одній температурі.

"Додавання більше олова завжди знижує діапазон плавлення бронзи".

Частково правда: Вміст олова до 15% знижує діапазон плавлення (від 1083 ° С для чистого Cu до 880–1050 ° C 15% Sn), але вище 15% Sn, крихка Δ-фаза (Cu₃sn) форми, розширюючи діапазон плавлення і трохи піднімаючи ліквід.

"Свинець завжди вигідний для зниження діапазону плавлення бронзи".

Неправильний: Свинець знижує діапазон плавлення, але викликає гарячу задню частину (крихкість у високих темпах) якщо >5% PB.

Бронза з високою свинцем (C90700, 5% PB) Не можна використовувати в додатках з високим нагріванням (Напр., деталі печі) Через ризик розтріскування.

"Усі бронзи зварені, якщо нагріваються до їх плавлення".

Неправильний: Зварювання бронзи над його рідиною спричиняє плавлення базового металу та втрату елементів, що лежать (Олов'яне випаровування).

Бронза вимагає металів наповнювача з нижчими діапазоном плавлення, ніж основний сплав, щоб уникнути дефектів синтезу.

10. Якість, Дефекти, і пом'якшення

З Плавила поведінка бронзи є критичним визначальним фактором якості продукції.

Навіть невеликі відхилення від його визначеного вікна Solidus - Liquidus можуть викликати металургійні дефекти, які компрометують механічні показники, Корозійна стійкість, і розмірна стабільність.

Загальні дефекти, пов'язані з діапазоном плавлення

Сегрегація та мікроструктурна неоднорідність

• Спричинити: Повільне охолодження або широкі діапазони плавлення (Напр., бронзи з високим вмістом SN) призвести до сегрегації олова або свинцю на зернах.
• Вплив: Зменшена міцність, міжгранулярна сприйнятливість до корозії.
• Приклад: В C92700 (15% Sn), Надмірна сегрегація β-фази знижує стійкість до удару на ~ 30%.

Газова пористість та порожнини усадки

• Спричинити: Наливання вище рекомендоване перегрівання (> рідкий + 100 ° C) збільшує окислення та поглинання газу.
• Вплив: Пористість зменшує втому життя до 40%.
• Приклад: Бронза C90700 розвиває порожнечі, якщо вилить >1,080 ° C за рахунок випаровування свинцю.

Гаряче тріск (Тріщина затвердіння)

• Спричинити: Вузькі діапазони затвердіння в деяких сплавах (Напр., З - бронзами) Зробіть їх схильні до теплових напружень під час охолодження.
• Вплив: Тріщини ініціюють на межах зерна, компрометування структурної цілісності.

Перегрівання та втрату елементів

• Спричинити: Розширене опромінення >1,100 ° С викликає випаровування олова (~ 1–2% на годину) і втрата свинцю в бронзах.
• Вплив: Нижча сила, Погана обробка, і збільшення крихкості.

Ключовий винос:

Більшість збоїв якості у виробництві бронзи виникають не з вибору сплавів, а від Неправильний контроль температури під час плавлення та наливання.

Поєднуючи Суворе теплове управління, Оптимізація сплавів, і Вдосконалені методи огляду, Швидкість дефектів може бути знижена більш ніж 70%.

11. Майбутні тенденції: Виробництво з низьким вмістом та добавкою

Бронзова технологія розвивається для задоволення екологічних норм та розширених потреб у виробництві, з міркуваннями про плавлення на передньому плані:

Бронза з низьким вмістом і без свинцю

• Водій: Екологічні норми (Напр., Каліфорнійська пропозиція 65, I Rohs) Обмеження свинцю в світильниках питної води та поверхнях контакту з харчовими продуктами.
• Виплавлення виклику: Заміна свинцю на вісмут (Бі) або кремнію (І) вимагає повторного оптимізації діапазонів плавлення - Бісмут знижує ліквід на ~ 10 ° C за 1% Бі, Але надлишок BI викликає крихкість.
• Розчин: C90800 (З 10% Sn-2% bi) має діапазон плавлення 920–1000 ° C, Відповідність бронзованої кастості під час дотримання стандартів без свинцю.

Виробництво добавок (3D друк)

• Водій: Складні геометрії (Напр., Спеціальні підшипники) що традиційне кастинг не може досягти.
• Виплавлення виклику: Порошкове злиття (PBF) вимагає точного контролю лазерної температури (над ліквідом для повного плавлення, внизу для спікання).
• Розчин: Для бронзи фосфору C52100, Використовуйте лазерну температуру 1050–1100 ° C (рідкий + 20–70 ° C) Для забезпечення з'єднання шару без випаровування олова.

12. Висновок

З точка плавлення бронза найкраще розуміти як Діапазон плавлення, визначений температурою солідуса та рідини.

На цей діапазон впливає склад сплаву, мікроструктура, і домішки, і безпосередньо керує, наскільки бронза касто, зварений, і теплопроводиться.

Ретельний контроль температури плавлення та наливання забезпечує беззаконні компоненти, продовжує термін служби, і зменшує витрати.

Інтегруючи знання фази з практичним досвідом ливарного досвіду, Інженери та виробники можуть повністю використовувати універсальність бронзи, мінімізуючи ризики у виробництві.

Поширені запитання

Який діапазон плавлення бронзи, що використовується у морських гвинтів?

Морські гвинти зазвичай використовують бронзу військово -морської олова C92200 (10% Sn) або C61400 середньодумонова бронза (10% Al).

C92200 тане при 920–1020 ° C, в той час як C61400 тане при 1050–1130 ° C. Алюмінієва бронза віддана перевагу для більших гвинтів завдяки більшій міцності при високій температурі.

Як вміст свинцю впливає на діапазон плавлення бронзи?

Свинець діє як депресант плавлення - кожен 1% Збільшення свинцю знижує ліквід на ~ 15 ° C.

Наприклад, C90300 (2% PB) має рідину 100, Поки C90700 (5% PB) Має рідину 980 ° 100.

Однак, провід >5% викликає гарячу задню частину, Здійснення бронзового крихкого при високих температурах.

Чи можу я зварювати бронзу з тією ж температурою, що і сталь?

Ні. Сталь (Напр., A36) Розплавки при 1425–1538 ° C, набагато вище, ніж бронза.

Зварювання бронзи C92200 вимагає максимальної температури 950 ° C (Нижче його 1020 ° 100) Щоб уникнути випаровування олова та плавлення основного металу.

Використання сталевої зварювальної температури знищило б бронзу.

Як я можу виміряти діапазон плавлення бронзи у ливарні?

Використовуйте високотемпературну плавильну апарат з графітною тиглею та термопарою K-типу.

Нагрівати a 5 G бронзового зразка при 5 ° С/хв, Запис температури, коли утворюється перша рідина (солідус) і коли зразок повністю розплавлений (рідкий).

Цей метод має ± 5–10 ° C, достатній для контролю якості партії.

Чому алюмінієва бронза має більший діапазон плавлення, ніж бронза олова?

Алюмінієві форми високопиту інтерметалічні сполуки (Напр., Курорт, плавлення при 1037 ° C) з міддю, які піднімають солідус і ліквід.

Жерстя, навпаки, утворює більш пластичний твердий розчин з міддю, порушення атомних зв’язків і зниження діапазону плавлення. Наприклад, 10% Al в бронзі підвищує Liquidus на ~ 100 ° C. 10% Sn.