Večina ljudi pomisli na "bakrovo zlitino" in si takoj zamisli medenino ali bron. Kar, pošteno - to so veliki. Obstaja pa približno 400+ različnih sestav bakrovih zlitin, registriranih pri Copper Development Association. Nihče ne uporablja vseh. Večina industrije deluje na morda 30-40 običajnih zlitinah. Ostalo so posebne stvari ali stare zlitine, ki jih nihče več ne izdeluje, vendar so še vedno tehnično "registrirane".
Zakaj sploh legirani baker?
Čisti baker -, čemur pravimo "komercialno čisti baker", ki je dejansko 99,9 %+ bakra -, je mehak. Res mehak. Lahko ga udrnete z nohtom, če dovolj močno pritisnete. Velika električna prevodnost (druga za srebrom), odlična toplotna prevodnost, odlična odpornost proti koroziji. Toda mehanske lastnosti so šibke. Natezna trdnost je le približno 200-250 MPa za žarjeni baker.
Za primerjavo, konstrukcijsko jeklo je 400-550 MPa. Aluminijeve zlitine lahko dosežejo 500-600 MPa. Čisti baker torej ni dovolj močan za strukturne aplikacije ali karkoli, kar mora prenašati obremenitve.
Tudi čisti baker-se strdi kot nor, ko ga poskušate oblikovati. Hladna obdelava poveča trdnost, vendar postane krhka. Nato ga morate žariti (toplotno obdelati, da se zmehča), preden ga lahko dodatno obdelujete. To je bolečina.
Tako dodamo legirne elemente:
Povečajte moč brez žrtvovanja prevelike prevodnosti
Izboljšajte odpornost proti obrabi
Izboljšajte obdelovalnost
Spremenite barvo (včasih so pomembni estetski razlogi)
Zmanjšajte stroške (cink je veliko cenejši od bakra)
Kompromis-je vedno prevodnost. Dodajte več legirnih elementov, prevodnost se zmanjša. Brezplačnega kosila ni.
Glavne družine (to se hitro zaplete)
Medenine - baker + cink:
To je verjetno tisto, kar večina ljudi misli kot "bakrovo zlitino". Barva je tisti rumenkasto-zlat ton. Vsebnost cinka se giblje od približno 5 % do 40 %+.
Medenine z nizko- vsebnostjo cinka (pod 20 % cinka) se imenujejo »rdeča medenina« ali »pozlačena kovina«. Še vedno precej bakrenega videza. Uporablja se za tulce za strelivo, arhitekturne obloge, take stvari.
Srednje-cinkove medenine (20-36 % cinka) so običajne. Medenina za kartuše je 70 % bakra, 30 % cinka – to je verjetno najpogostejša zlitina medenine. Dobra sposobnost oblikovanja, dostojna trdnost, stroji v redu.
Medenine z-visoko vsebnostjo cinka (več kot 36 % cinka) so močnejše, a manj duktilne. Muntzova kovina je 60/40 baker-cink. Nekoč so ga uporabljali za oblaganje čolnov, ker je cenejši od čistega bakra, vendar je še vedno precej dobro odporen proti koroziji v morski vodi.
Obstajajo tudi osvinčene medenine, kjer dodajo 1-3 % svinca za izboljšanje obdelovalnosti. Svinec tvori drobne delce, ki med obdelavo delujejo kot lomilci odrezkov. Poskrbi, da se ostružki čisto odlomijo, namesto da tvorijo dolge nitaste kodre, ki se ovijejo okoli vašega rezalnega orodja.
Toda osvinčene medenine se postopoma opuščajo zaradi okoljskih predpisov. Svinec v napravah za pitno vodo je zdaj na večini krajev prepovedan. Zato vsi prehajajo na alternative brez{2}}svinca z bizmutom ali silicijem. Obdelovalnost ni tako dobra, a ne glede na to, predpisi so predpisi.
Bron - baker + kositer:
V zgodovini je bil bron bakrova zlitina. Bronasta doba in vse to. Kositer naredi baker veliko trši in močnejši. Starodavni kovači so to ugotovili že pred 5000 leti.
Sodobni kositrni bronasti izdelki imajo običajno 4-12 % kositra. Več kot to in postane preveč krhka. Fosforni bron doda malo fosforja (0,1-0,5%), ki deoksidira talino in izboljša lastnosti.
Fosforjev bron ima odlične vzmetne lastnosti. Uporablja se za električne kontakte, stikala, ležaje, puše. Kar nekaj sem delal s fosfornim bronom C510 - je 5 % kositra, 0,2 % fosforja, ostalo baker. Dobra stvar za spomladanske aplikacije.
Toda »bron« je postal nekako zmeden izraz, ker zdaj veliko bakrovih zlitin brez kositra imenujemo »bron«. Aluminijev bron nima kositra - je baker + aluminij. Silicijeva bronasta je baker + silicij. Manganov bron je pravzaprav medenina-visoke trdnosti (večinoma baker-cink z nekaj železa in mangana). Terminologija je zmešnjava.
Aluminijeve bronaste barve:
Te so zanimive. Baker + aluminij, običajno 5-11% aluminija. Imajo odlično odpornost proti koroziji - boljšo od nerjavečega jekla pri uporabi v morski vodi. Tudi dobra trdnost, dostojna odpornost proti obrabi.
Težava je v tem, da jih je težko uliti in obdelati. Aluminij zlahka oksidira, tako da v mikrostrukturi dobite trde delce aluminijevega oksida. Ti delci hitro obrabijo rezalna orodja. Prežgal sem karbidne ploščice pri obdelavi aluminijevega brona. Ni zabavno.
Aluminijev bron se veliko uporablja v pomorskih aplikacijah - propelerji, rotorji črpalk, telesa ventilov. Kjerkoli potrebujete odpornost proti koroziji z morsko vodo. Uporabljata ga tudi naftna in plinska industrija.
Bakrov-nikelj (kunifer):
To so zlitine bakra-niklja, običajno 10 % ali 30 % niklja. Odlična odpornost proti koroziji z morsko vodo. 90-10 kupronikel (90 % bakra, 10 % niklja) se uporablja za cevi za morsko vodo na ladjah in ploščadih na morju.
Kupronikel 70-30 je bil uporabljen za kovanje ameriških kovancev od leta 1965 do danes (četrt, dimes, pol dolarjev). Srebro je postalo predrago, zato so prešli na bakronikelj, obložen z bakrenim jedrom. Kovanci so videti srebrni, vendar so v resnici večinoma bakra in niklja.
Zanimivo dejstvo: bakrov nikelj v kovancih-otrdi zaradi vseh rokovanj in udarcev. Stari kovanci so trši od novih. Izmerite ga lahko z merilnikom trdote.
Berilijev baker:
To je tisto čudno. Baker + 1.5-2 % berilij. Sliši se kot nič prav? Narobe.
Berilijev baker je mogoče utrditi-s staranjem (obarjevalno utrjevanje), da doseže trdnost 1200-1400 MPa. To je močnejše od mnogih jekel. Poleg tega ohranja dobro električno prevodnost - ne tako dobro kot čisti baker, vendar veliko boljšo od jekla.
Tako se uporablja za električne kontakte, vzmeti, orodja za eksplozivna okolja (berilijev baker se ne-iskri), vesoljske konektorje, vse vrste visoko{1}}zmogljivih stvari.
Slaba stran: berilij je strupen. Res strupeno. Vdihavanje prahu ali hlapov berilija lahko povzroči beriliozo, kronično pljučno bolezen. Zato morate biti zelo previdni pri obdelavi ali varjenju berilijevega bakra. Potrebujemo dobro prezračevanje, zaščito dihal, vse skupaj.
Tudi berilij je drag. Kot res drago. Berilijev baker stane 10-20x več kot standardna medenina ali bron. Uporabljate ga le, ko lastnosti nujno potrebujete.
Nekajkrat sem delal z berilijevim bakrom. Lepo se obdeluje - podobno kot medenina. Ampak ti si ves čas paranoičen glede ustvarjanja prahu. Vsak čip se zbere in ustrezno odstrani. Bolečina v riti, a potrebna.
Kako legiranje dejansko deluje (čas metalurgije)
Ko bakru dodate elemente, ti:
Raztopite v trdno raztopino- se atomi samo pomešajo v kristalno mrežo bakra. To se zgodi s cinkom v medenini do približno 35-36 % cinka. Atomi cinka nadomeščajo atome bakra v kristalni strukturi. To poveča trdnost (okrepitev trdne raztopine), vendar zmanjša prevodnost, ker atomi cinka sipajo elektrone.
Oblikujte druge faze- nad določenimi koncentracijami nastanejo nove kristalne strukture. V medenini nad 36 % cinka dobite beta fazo, ki je trša in bolj krhka od alfa faze. Mikrostruktura postane dvo-fazna (alfa + beta) in lastnosti se bistveno spremenijo.
Izloči se kot delci- v zlitinah,-kaljivih s staranjem, kot je bakrov berilij, tvori berilij drobne delce oborine, ko ga toplotno obdelate. Ti delci blokirajo gibanje dislokacij, kar močno poveča moč. To je precipitacijsko utrjevanje in tako dobite noro visoke trdnosti.
Natančna mikrostruktura je odvisna od sestave in obdelave. Hladna obdelava, temperatura žarjenja, hitrost ohlajanja, vse to je pomembno.
Leta 2007 sem obiskoval tečaj metalurgije? 2008? Eno tistih let. Profesor nas je prisilil, da pripravimo in jedkamo metalografske vzorce različnih bakrovih zlitin ter jih pogledamo pod mikroskopom. Medenina je bila enostavna - lepa zrnata struktura. Aluminijev bron je bil zmešnjava - vse te čudne faze in trdi delci. To vprašanje na izpitu pravzaprav ni uspelo. Še vedno jezen zaradi tega.
Lastnosti in kompromisi-
Električna prevodnost:Čisti baker je 100 % IACS (mednarodni standard za žarjeni baker). To je referenčna točka.
Medenine padejo na 25-40 % IACS, odvisno od vsebnosti cinka. Aluminijeve brone imajo približno 7-15 % IACS. Berilijev baker po staranju je okoli 20-25 % IACS.
Torej, če potrebujete visoko prevodnost, se držite čistega bakra ali morda bakrove-srebrove zlitine. Če lahko prenašate nižjo prevodnost, lahko izberete zlitino z boljšimi mehanskimi lastnostmi.
Toplotna prevodnost:Podoben kompromis-. Čisti baker je približno 390-400 W/m·K. Medenina je približno 100-150 W/m·K. Aluminijev bron je 60-80 W/m·K.
Hladilniki in lonci za kuhanje uporabljajo čisti baker ali visoko{0}}bakrove zlitine. Strukturne stvari lahko uporabljajo zlitine z nižjo prevodnostjo.
Odpornost proti koroziji:Bakrove zlitine so na splošno dobro odporne proti atmosferski koroziji. Tvorijo zaščitno patino (tisto zeleno oksidacijo, ki jo vidite na starih bakrenih strehah), ki upočasni nadaljnjo korozijo.
Morska voda je težavnejša. Čisti baker korodira počasi, a vztrajno. Aluminijev bron in bakrov-nikelj sta veliko boljša v morski vodi. Medenine lahko pod določenimi pogoji trpijo zaradi razcinkanja - cink se izpira, za seboj pa ostane porozen baker. Potrebujete inhibirane medeninaste zlitine ali pa se izogibajte medenini v morski vodi.
Obdelovalnost:Osvinčene medenine se lepo obdelujejo. Medenina za-prosto rezanje (C36000 - 61.5% bakra, 35,5% cinka, 3% svinca) je zlati standard. Ocenjen je s 100 % na lestvici obdelovalnosti in vse ostalo se primerja z njim.
Čisti bakreni stroji grozno. Premehko, preveč gumijasto. Na vašem rezalnem orodju imate slabo površinsko obdelavo in-rob.
Aluminijev bron se slabo obdeluje zaradi trdih delcev aluminijevega oksida.
Berilijev baker deluje dobro, vendar se morate spopasti s pomisleki glede strupenosti.
Cena:Osnova je čisti baker. Cink je poceni, zato so medenine dejansko cenejše od čistega bakra na funt, čeprav "redčite" baker.
Kositer je drag, zato je bron dražji. Nikelj je drag, zato bakrov-nikelj stane več. Berilij je noro drag, zato berilijev baker stane veliko več.
Cena bakra v letih 2024–2025 se je gibala okoli 8.000–10.000 USD na metrično tono. Cink je približno 2500-3000 dolarjev na tono. Torej dodajanje cinka prihrani denar. Kositer je 25.000-30.000 $ na tono. Dodajanje kositra poveča stroške.
Stroški materiala poganjajo veliko odločitev o izbiri zlitin v komercialnih izdelkih.
Pogoste aplikacije (kjer dejansko vidite te stvari)
Elektrika in elektronika:
Žice in kabli - večinoma čisti baker, včasih bakrove zlitine za trdnost
Vodilne palice - čisti baker
Tiskana vezja - bakrena folija na steklenih vlaknih
Konektorji in kontakti - fosforjev bron, berilijev baker
Vodilni okvirji za polprevodniške čipe - bakrovih zlitin
Vodovod in HVAC:
Cevi in cevi - čisti baker (C12200 - "DHP baker" - deoksidiran z visoko vsebnostjo fosforja)
Priključki - medenina (C36000 ali enakovredni-brez svinca)
Toplotni izmenjevalniki - medenina ali baker-nikelj
Ventili - medenina, bron, včasih aluminijast bron
Marine:
Propelerji - manganov bron ali aluminijev bron
Cevi za morsko vodo - baker-nikelj (90-10 ali 70-30)
Oplaščenje trupa (zgodovinsko) - Muntz kovina ali baker
Pritrdilni elementi - silikonski bron
Mehansko:
Ležaji in puše - fosforjev bron, aluminijev bron
Zobniki - fosforjev bron, aluminijev bron
Vzmeti - fosforjev bron, berilijev baker
Nasveti za varjenje - krom baker (baker + 0.5-1 % kroma za visoko-temperaturno trdnost)
Arhitekturno:
Strešna kritina in obloga - čisti baker, prepere do zelene patine
Vratno okovje - medenina, bron
Dekorativni elementi - različne bakrove zlitine glede na želeno barvo in zaključek
Avtomobilizem:
Radiatorji - medeninaste cevi (prej, zdaj večinoma aluminijasti)
Električna napeljava - čisti baker
Ležaji - bronasti, bimetalni (jeklo z bronasto podlago)
Zavorne cevi - baker-nikelj
Težave in omejitve
Problem 1: Baker je drag in nestanoviten
Cene bakra divje nihajo glede na svetovno povpraševanje. Med finančno krizo leta 2008 je baker v nekaj mesecih padel z 8.000 $/tono na 3.000 $/tono. Potem se je vrnilo. Med zmešnjavo v dobavni verigi zaradi COVID-19 v letih 2021–2022 je cena bakra poskočila na 10 USD000+/tono.
Če izdelujete izdelke iz bakrovih zlitin, vam ta nihanja cen znižajo marže. Zavarovati se morate na blagovnih trgih (zapleteno in tvegano) ali prenesti stroške na stranke (ki ne marajo sprememb cen).
Nekatere industrije so se zaradi tega oddaljile od bakra. Aluminij je zamenjal medenino v radiatorjih. Plastika je zamenjala baker v nekaterih vodovodnih napeljavah (cevi PEX). Ne vedno na bolje - Ne zaupam PEX-u dolgoročno--, vendar stroški poganjajo odločitve.
Problem 2: Teža
Baker je težak. Gostota je 8,96 g/cm³. Primerjajte z aluminijem pri 2,70 g/cm³ ali titanom pri 4,5 g/cm³.
Za vesoljsko ali avtomobilsko uporabo, kjer je teža pomembna, so bakrove zlitine v slabšem položaju. Razen če nujno potrebujete električno ali toplotno prevodnost, boste izbrali lažji material.
Električna vozila potrebujejo na tone bakra za motorje in ožičenje. To dodaja težo. Inženirji poskušajo zmanjšati uporabo bakra, hkrati pa ohraniti zmogljivost. Kompromis-povsod.
Problem 3: Okoljski predpisi se nenehno spreminjajo
Svinec v medenini je bil včasih standard. Zdaj je prepovedano ali omejeno v večini vodovodnih aplikacij. Vodovodna industrija je morala vse preoblikovati.
Potekajo tudi razprave o drugih elementih. Berilij je zaradi strupenosti strogo reguliran. Nekateri ljudje želijo omejiti uporabo niklja v potrošniških izdelkih zaradi alergij na nikelj.
Vsakič, ko se predpisi spremenijo, morajo proizvajalci ponovno kvalificirati materiale in potencialno preoblikovati izdelke. Drago in zamudno-.
Problem 4: Galvanska korozija
Ko povežete bakrove zlitine z drugimi kovinami v prisotnosti elektrolita (kot je morska voda ali celo vlaga), lahko pride do galvanske korozije. Manj plemenita kovina hitreje korodira.
Baker je precej plemenit (visoko v galvanskem nizu), zato običajno povzroča korozijo drugih kovin. Če bakrovo zlitino privijete na aluminij ali cink v morskem okolju, bosta aluminij ali cink hitro zarjavela.
Da bi se temu izognili, potrebujete izolacijske podložke, premaze ali skrbno izbiro materiala. To je pogosta napaka pri oblikovanju. Videl sem, da so aluminijasti nosilci v mesecih korodirali, ker jih je neki inženir brez izolacije pritrdil na bronasto komponento.
Problem 5: razpoke zaradi napetostne korozije (SCC)
Nekatere bakrove zlitine so v določenih okoljih dovzetne za pokanje zaradi napetostne korozije. Medenina lahko poči v okolju amoniaka. To se imenuje "sezonsko pokanje", ker so ga prvič opazili v medeninastih tulcih kartuš, shranjenih v tropskih okoljih (amoniak iz razpadajoče organske snovi).
Zavedati se morate servisnega okolja in ustrezno izbrati zlitine. Ali pa razbremenite-dele po oblikovanju, da zmanjšate preostale napetosti. Ali pa uporabite inhibirane zlitine z dodatki, kot sta arzen ali kositer, ki zmanjšajo občutljivost za SCC.
Problem 6: Pridruževanje izzivom
Varjenje bakrovih zlitin je lahko težavno. Visoka toplotna prevodnost pomeni, da se toplota hitro razprši - za varjenje potrebujete veliko vhodno moč. Aluminijev bron je še posebej težko variti zaradi tvorbe aluminijevega oksida.
Trdo spajkanje je pogosto lažje kot varjenje bakrovih zlitin. Toda trdo spajkanje zahteva posebne dodajne kovine in talila. In vse morate predhodno temeljito očistiti, sicer bo spajkalni spoj šibak.
Spajkalni spoji so mi odpovedali, ker nekdo ni pravilno očistil delov. Umazanija z maščobo ali oljem preprečuje zmočenje trdega trda. Spoj je videti v redu, vendar nima trdnosti. Bolečina za odpravo težav.
Zakaj kljub težavam še vedno uporabljamo bakrove zlitine
Ker delajo. Bakrove zlitine imajo dokazane rezultate že tisoče let nazaj. Razumemo njihovo obnašanje, vzpostavili smo proizvodne procese, obstaja infrastruktura za recikliranje.
Električno prevodnost je težko premagati - samo srebro je boljše in srebro je veliko dražje. Za električne aplikacije je baker zdaj v bistvu nenadomestljiv.
Odpornost proti koroziji v morskih okoljih je odlična, zlasti za baker-nikelj in aluminijev bron. Boljši od jekla, boljši od aluminija. Če potrebujete odpornost na morsko vodo, so običajno odgovor bakrove zlitine.
Prav tako jih je enostavno reciklirati. Baker in bakrove zlitine je mogoče pretaliti in ponovno uporabiti za nedoločen čas brez degradacije. Vrednost odpadkov je dovolj visoka, da ekonomika zbiranja in recikliranja deluje. V nasprotju s plastiko, kjer recikliranje pogosto ni ekonomsko upravičeno.
Približno 50 % bakra, ki se uporablja po vsem svetu, prihaja iz recikliranih virov. To je precej višje od večine drugih materialov.
Alternative in smeri
Aluminij v nekaterih aplikacijah nadomešča baker.Električni prenosni vodi za dolge razdalje uporabljajo aluminij namesto bakra, ker je teža pomembnejša od prevodnosti. Radiatorji prešli na aluminijaste. Manjša toplotna prevodnost, vendar lažji in cenejši.
Toda aluminij nikoli ne bo v celoti nadomestil bakra v elektroniki ali proizvodnji električne energije, ker je razlika v prevodnosti prevelika.
Ogljikovi materiali (grafen, ogljikove nanocevke) bi lahko sčasoma konkuriraliv posebnih aplikacijah. Ti imajo lahko izjemno visoko električno in toplotno prevodnost. Vendar še nismo v komercialnem obsegu in verjetno ne bomo še naslednje desetletje ali več.
Razvijajo se napredne zlitine.Baker-krom-cirkonij ima visoko trdnost in dobro prevodnost. Nekatere zlitine bakra-železa-fosforja ponujajo zanimive kombinacije lastnosti. Veliko raziskav o optimizaciji kemije zlitin za specifične aplikacije.
Ampak iskreno? Glavne bakrove zlitine, ki jih uporabljamo danes - medenina, bron, baker-nikelj -, obstajajo že 50-100+ let. Delujejo. Industrija je konzervativna. Če ni tehtnega razloga za zamenjavo, se držimo preizkušenega.
Nove zlitine večinoma zapolnjujejo nišne aplikacije, kjer standardne zlitine ne delujejo povsem. Tako kot berilij je baker zapolnil tržno nišo za visoko-orodja, ki ne{1}}iskrijo. Toda velike količine uporabljajo tradicionalne zlitine.
Kaj je pravzaprav pomembno
Če načrtujete nekaj z bakrovimi zlitinami, je pomembno naslednje:
Katere lastnosti dejansko potrebujete?Ne navedite preveč-. Če potrebujete odpornost proti koroziji, ne pa tudi visoke trdnosti, ne izberite drage zlitine visoke-trdnosti. Izberite najcenejšo zlitino, ki izpolnjuje zahteve.
Ali lahko prenašate nižjo prevodnost?Če je odgovor pritrdilen, imate veliko več možnosti za zlitine in lahko optimizirate stroške ali mehanske lastnosti.
Kakšno je storitveno okolje?Jedko? Visoka temperatura? Nosite? To spodbuja izbiro zlitin bolj kot kar koli drugega.
Način izdelave?Nekatere zlitine se dobro ulivajo, strojno pa slabo. Nekateri so odlični za žigosanje, vendar jih ni mogoče ponarediti. Uskladite zlitino s svojim postopkom.
Kakšna je glasnost?Pri velikem obsegu je pomembna optimizacija stroškov materiala. Za majhno količino uporabite vse, kar je na voljo, tudi če to ni absolutno najcenejša možnost.
Način pridružitve?Če morate variti, to odpravlja nekatere zlitine ali zahteva posebne postopke.
Pri večini inženiringa gre za kompromise-in kompromise. Bakrove zlitine niso nič drugačne. Redko obstaja "najboljša" zlitina - samo tista, ki najbolje ustreza vašim posebnim zahtevam in omejitvam.
To se je končalo dlje, kot sem načrtoval. Spet.
Kratka različica: bakrove zlitine so baker in druge stvari, ki jih naredijo močnejše/trše/cenejše/boljše za posebne namene. Obstaja na stotine zlitin, vendar večina aplikacij uporablja nekaj ducatov običajnih. Kompromis-med prevodnostjo in mehanskimi lastnostmi. Dobro deluje za električne, pomorske, vodovodne in mehanske aplikacije. Drago, vendar ga je mogoče reciklirati. Kljub alternativam ne bo kmalu odšel.
Napisano med pitjem kave iz bakrenega moskovskega vrčka. Kar je verjetno medenina z bakreno prevleko. Ali morda le pobakreno-jeklo. Res bi moral preveriti.
Oh, in če obdelujete tiste močne bakrove zlitine, ki sem jih omenil, - zlasti berilijev baker ali aluminijev bron - preveritegrezilo EDM. Precej čistejši od običajne strojne obdelave, ko imate opravka s trdimi materiali. Brez prahu, brez izrabljenih-karbidnih vložkov. Samo povem.