Većina ljudi pomisli na "slitinu bakra" i odmah zamisli mjed ili broncu. Koji, pošteno - to su oni veliki. Ali postoji otprilike 400+ različitih sastava bakrenih legura registriranih u Udruzi za razvoj bakra. Nitko ih ne koristi sve. Većina industrije radi na možda 30-40 uobičajenih legura. Ostalo su specijalne stvari ili naslijeđene legure koje više nitko ne proizvodi, ali su i dalje tehnički "registrirane".
Zašto uopće legirati bakar?
Čisti bakar - ono što mi zovemo "komercijalno čisti bakar" koji je zapravo 99,9%+ bakra - je mekan. Stvarno mekan. Možete ga ulubiti noktom ako dovoljno snažno pritisnete. Velika električna vodljivost (druga iza srebra), odlična toplinska vodljivost, izvrsna otpornost na koroziju. Ali mehanička svojstva su slaba. Vlačna čvrstoća je samo 200-250 MPa za žareni bakar.
Za usporedbu, konstrukcijski čelik je 400-550 MPa. Aluminijske legure mogu pogoditi 500-600 MPa. Dakle, čisti bakar nije dovoljno jak za strukturalne primjene ili bilo što što treba podnijeti opterećenja.
Također se čisti bakar-stvrdnjava kao lud kada ga pokušate oblikovati. Hladna obrada povećava čvrstoću, ali je čini krtom. Zatim ga morate žariti (toplinski obraditi da omekša) prije nego što ga možete dalje obrađivati. To je bol.
Stoga dodajemo legirajuće elemente u:
Povećajte snagu bez žrtvovanja previše vodljivosti
Poboljšajte otpornost na habanje
Poboljšati obradivost
Promjena boje (ponekad su bitni estetski razlozi)
Smanjite troškove (cink je puno jeftiniji od bakra)
Kompromis-je uvijek vodljivost. Dodajte više legirajućih elemenata, vodljivost se smanjuje. Nema besplatnog ručka.
Glavne obitelji (ovo se brzo komplicira)
Mjed - bakar + cink:
To je vjerojatno ono što većina ljudi misli kao "legura bakra". Boja je taj žućkasto-zlatni ton. Sadržaj cinka kreće se od oko 5% do 40%+.
Mesing s niskim-udjelom cinka (ispod 20% cinka) naziva se "crveni mjed" ili "metal za pozlatu". Još uvijek izgleda bakrenasto. Koristi se za čahure za streljivo, arhitektonske ukrase, takve stvari.
Srednje{0}}cinkovi mesing (20-36% cinka) uobičajeni su. Mjed za patrone sastoji se od 70% bakra, 30% cinka - ovo je vjerojatno najčešća legura mesinga. Dobra sposobnost oblikovanja, pristojna čvrstoća, strojevi u redu.
Mesing s-cinkom (preko 36% cinka) je jači, ali manje rastegljiv. Muntzov metal je 60/40 bakar-cink. Ranije se koristio za oblaganje brodova jer je jeftiniji od čistog bakra, ali se još uvijek prilično dobro odupire koroziji u morskoj vodi.
Tu je i olovni mesing kojem se dodaje 1-3% olova za poboljšanje obradivosti. Olovo stvara sitne čestice koje se ponašaju kao lomci strugotine dok strojno radite. Čini da se strugotine čiste lome umjesto da formiraju dugačke vrpce koje se omotaju oko vašeg alata za rezanje.
No olovna mesing se postupno ukida zbog ekoloških propisa. Olovo u uređajima za pitku vodu sada je zabranjeno na većini mjesta. Stoga svi prelaze na-alternative bez olova s bizmutom ili silicijem. Obradivost nije baš tako dobra, ali što god, propisi su propisi.
Bronce - bakar + kositar:
Povijesno gledano, bronca je bila legura bakra. Brončano doba i sve to. Kositar čini bakar puno tvrđim i jačim. Drevni kovači su to shvatili prije otprilike 5000 godina.
Moderne kositrene bronce obično imaju 4-12% kositra. Više od toga i postaje previše krhko. Fosforna bronca dodaje malo fosfora (0,1-0,5%) koji deoksidira talinu i poboljšava svojstva.
Fosforna bronca ima izvrsna opružna svojstva. Koristi se za električne kontakte, sklopke, ležajeve, čahure. Dosta sam radio s C510 fosfornom broncom - to je 5% kositra, 0,2% fosfora, ostatak bakra. Dobra stvar za proljetne primjene.
Ali "bronca" je postao pomalo zbunjujući izraz jer sada mnoge bakrene legure koje nisu-kositar nazivamo "bronca". Aluminijska bronca nema kositra - to je bakar + aluminij. Silicijska bronca je bakar + silicij. Manganska bronca zapravo je mjed visoke-čvrstoće (uglavnom bakar-cink s malo željeza i mangana). Terminologija je zbrkana.
Aluminijske bronce:
Ovo je zanimljivo. Bakar + aluminij, obično 5-11% aluminija. Imaju izvrsnu otpornost na koroziju - bolju od nehrđajućeg čelika u primjenama s morskom vodom. Također dobra čvrstoća, pristojna otpornost na habanje.
Problem je što ih je teško lijevati i strojno obrađivati. Aluminij lako oksidira tako da u mikrostrukturi dobijete tvrde čestice aluminijevog oksida. Ove čestice brzo troše alate za rezanje. Opekao sam karbidne umetke obrađujući aluminijsku broncu. Nije zabavno.
Aluminijska bronca mnogo se koristi u brodskim primjenama - propeleri, impeleri pumpi, tijela ventila. Svugdje gdje vam je potrebna otpornost na koroziju morske vode. Također ga koristi industrija nafte i plina.
Bakar-nikl (kunifer):
To su legure bakra-nikla, obično 10% ili 30% nikla. Izvrsna otpornost na koroziju morske vode. 90-10 kupronikal (90% bakra, 10% nikla) koristi se za cjevovode morske vode na brodovima i platformama na moru.
70-30 cupronikel korišten je za kovanje američkog novca od 1965. do danas (četvrtine, novčići, pola dolara). Srebro je postalo preskupo pa su se prebacili na kupronikal obložen bakrenom jezgrom. Kovanice izgledaju srebrnasto, ali zapravo su uglavnom bakrene i nikalne.
Zabavna činjenica: kupronikal u kovanicama djeluje-stvrdnjava od svih rukovanja i udaraca. Stari novčići su tvrđi od novih. Možete ga izmjeriti pomoću uređaja za mjerenje tvrdoće.
Berilijev bakar:
Ovo je onaj čudan. Bakar + 1.5-2% berilij. Zvuči kao ništa dobro? krivo
Berilijev bakar može se očvrsnuti-starjenjem (precipitacijsko otvrdnjavanje) kako bi se postigla čvrstoća od 1200-1400 MPa. To je jače od mnogih čelika. Osim toga, zadržava dobru električnu vodljivost - ne tako dobru kao čisti bakar, ali puno bolju od čelika.
Stoga se koristi za električne kontakte, opruge, alate za eksplozivna okruženja (berilij bakar ne-iskri), zrakoplovne konektore, sve vrste stvari visokih-učinkovitosti.
Loša strana: berilij je otrovan. Stvarno otrovno. Udisanje prašine ili para berilija može uzrokovati beriliozu, kroničnu bolest pluća. Stoga morate biti izuzetno oprezni pri obradi ili zavarivanju berilij bakra. Potrebna je dobra ventilacija, zaštita dišnih organa, cijeli posao.
Berilij je također skup. Kao stvarno skupo. Berilijev bakar košta 10-20x više od standardne mjedi ili bronce. Koristite ga samo kada su vam svojstva apsolutno potrebna.
Radio sam s berilij bakrom nekoliko puta. Lijepo se obrađuje - poput mjedi. Ali ti si cijelo vrijeme paranoičan zbog stvaranja prašine. Svaki se čip prikuplja i pravilno zbrinjava. Bol u dupetu, ali neophodan.
Kako zapravo funkcionira legiranje (vrijeme metalurgije)
Kada bakru dodate elemente, oni ili:
Otopiti u čvrstu otopinu- atomi se samo miješaju u kristalnu rešetku bakra. To se događa s cinkom u mesingu do oko 35-36% cinka. Atomi cinka zamjenjuju atome bakra u kristalnoj strukturi. To povećava čvrstoću (jačanje čvrste otopine), ali smanjuje vodljivost jer atomi cinka raspršuju elektrone.
Formirajte druge faze- iznad određenih koncentracija nastaju nove kristalne strukture. U mesingu iznad 36% cinka dobivate beta fazu koja je tvrđa i lomljivija od alfa faze. Mikrostruktura postaje dvo-fazna (alfa + beta) i svojstva se značajno mijenjaju.
Precipitirati kao čestice- u starim-legurama koje se mogu očvrsnuti kao što je berilij bakar, berilij stvara sićušne čestice taloga kada ga toplinski obradite. Ove čestice blokiraju kretanje dislokacija što dramatično povećava snagu. Ovo je precipitacijsko otvrdnjavanje i tako se postižu ludo visoke čvrstoće.
Točna mikrostruktura ovisi o sastavu i obradi. Hladna obrada, temperatura žarenja, brzina hlađenja, sve je to bitno.
Pohađao sam sat metalurgije... 2007.? 2008? Jedna od onih godina. Profesor nas je tjerao da pripremimo i jetkamo metalografske uzorke različitih bakrenih legura te ih promatramo pod mikroskopom. Mjed je bila laka - lijepa zrnata struktura. Aluminijska bronca bila je nered - sve te čudne faze i tvrde čestice. Zapravo sam pao na tom ispitnom pitanju. Još uvijek sam ljut zbog toga.
Svojstva i kompromisi-
Električna vodljivost:Čisti bakar je 100% IACS (International Annealed Copper Standard). To je referentna točka.
Mjed pada na 25-40% IACS ovisno o sadržaju cinka. Aluminijske bronce imaju 7-15% IACS. Berilij bakar nakon starenja je oko 20-25% IACS.
Dakle, ako vam je potrebna visoka vodljivost, držite se čistog bakra ili možda bakrene-srebrne legure. Ako možete tolerirati nižu vodljivost, možete odabrati leguru s boljim mehaničkim svojstvima.
Toplinska vodljivost:Sličan kompromis-. Čisti bakar je oko 390-400 W/m·K. Mjed je više od 100-150 W/m·K. Aluminijska bronca je 60-80 W/m·K.
Hladnjaci i posude za kuhanje koriste čisti bakar ili-legure s visokim udjelom bakra. Strukturne stvari mogu koristiti legure niže vodljivosti.
Otpornost na koroziju:Bakrene legure općenito su dobro otporne na atmosfersku koroziju. Oni stvaraju zaštitnu patinu (onu zelenu oksidaciju koju vidite na starim bakrenim krovovima) koja usporava daljnju koroziju.
Morska voda je nezgodnija. Čisti bakar korodira polako, ali postojano. Aluminijska bronca i bakar-nikl mnogo su bolji u morskoj vodi. U određenim uvjetima mjedi se mogu dezincificirati - cink ispire ostavljajući za sobom porozni bakar. Potrebne su vam inhibirane legure mjedi ili jednostavno izbjegavajte mjed u morskoj vodi.
Obradivost:Mjed s olovom lijepo se obrađuje. Mjed-za slobodno rezanje (C36000 - 61.5% bakra, 35,5% cinka, 3% olova) je zlatni standard. Ocijenjeno je 100% na ljestvici obradivosti i sve ostalo se uspoređuje s njim.
Strojevi od čistog bakra užasno. Premekan, previše gumast. Dobivate lošu površinsku obradu i-izgrađeni rub na alatu za rezanje.
Aluminijska bronca se loše obrađuje zbog tvrdih čestica aluminijevog oksida.
Berilij bakar dobro funkcionira, ali morate se pozabaviti problemom toksičnosti.
Cijena:Osnova je čisti bakar. Cink je jeftin pa su mesingi zapravo jeftiniji od čistog bakra po funti iako "razrjeđujete" bakar.
Kositar je skup pa bronca košta više. Nikal je skup pa bakar-nikl košta više. Berilij je ludo skup pa je berilijev bakar mnogo skuplji.
Cijena bakra 2024.-2025. skakala je oko 8.000-10.000 USD po metričkoj toni. Cink je oko 2500-3000 dolara po toni. Dakle, dodavanje cinka štedi novac. Kositar je 25.000-30.000 dolara po toni. Dodavanje kositra povećava troškove.
Cijena materijala utječe na mnoge odluke o odabiru legure u komercijalnim proizvodima.
Uobičajene aplikacije (gdje zapravo vidite ove stvari)
Elektrika i elektronika:
Žica i kabel - uglavnom čisti bakar, ponekad bakrene legure za čvrstoću
Šipke - čisti bakar
Tiskane ploče - bakrena folija na fiberglasu
Konektori i kontakti - fosforna bronca, berilij bakar
Vodeći okviri za poluvodičke čipove - bakrene legure
Vodovod i HVAC:
Cijevi - čisti bakar (C12200 - "DHP bakar" - deoksidirani visoki fosfor)
Priključci - mesing (C36000 ili ekvivalenti-bez olova)
Izmjenjivači topline - mesing ili bakar-nikal
Ventili - mjed, bronca, ponekad aluminijska bronca
marinac:
Propeleri - manganska bronca ili aluminijska bronca
Cijev za morsku vodu - bakar-nikal (90-10 ili 70-30)
Obloga trupa (povijesna) - Muntz metal ili bakar
Spojnice - silikonska bronca
Mehanički:
Ležajevi i čahure - fosforna bronca, aluminijska bronca
Zupčanici - fosforna bronca, aluminijska bronca
Opruge - fosforna bronca, berilij bakar
Savjeti za zavarivanje - krom bakar (bakar + 0.5-1% krom za čvrstoću na visokim-temperaturama)
Arhitektonski:
Krovište i obloge - čisti bakar, izlaže se zelenoj patini
Okov za vrata - mesing, bronca
Dekorativni elementi - razne legure bakra ovisno o željenoj boji i završnici
Automobili:
Radijatori - mesingane cijevi (nekada su bile, sada uglavnom aluminijske)
Električno ožičenje - čisti bakar
Ležajevi - bronca, bimetalni (čelik s brončanom podlogom)
Kočni vodovi - bakar-nikal
Problemi i ograničenja
Problem 1: Bakar je skup i nepostojan
Cijene bakra drastično variraju na temelju globalne potražnje. Tijekom financijske krize 2008. bakar je u nekoliko mjeseci pao s 8000 USD/toni na 3000 USD/toni. Onda se vratilo. Tijekom zbrke lanca opskrbe izazvane COVID-om 2021.-2022., bakar je skočio na 10 USD000+/toni.
Ako proizvodite proizvode od bakrenih legura, ove promjene cijena ubijaju vaše marže. Morate se ili zaštititi na tržištima roba (komplicirano i rizično) ili prenijeti troškove na kupce (koji ne vole promjene cijena).
Neke industrije su se zbog toga udaljile od bakra. Aluminij je zamijenio mesing u radijatorima. Plastika je zamijenila bakar u nekim vodovodnim instalacijama (PEX cijevi). Ne uvijek na bolje - Ne vjerujem PEX-u dugoročno- -, ali troškovi pokreću odluke.
Problem 2: Težina
Bakar je težak. Gustoća je 8,96 g/cm³. Usporedite s aluminijem od 2,70 g/cm³ ili titanom od 4,5 g/cm³.
Za svemirsku ili automobilsku primjenu gdje je težina bitna, bakrene legure su u nepovoljnom položaju. Osim ako vam nije baš potrebna električna ili toplinska vodljivost, odabrat ćete lakši materijal.
Električna vozila trebaju tone bakra za motore i ožičenje. Ovo dodaje težinu. Inženjeri pokušavaju svesti upotrebu bakra na najmanju moguću mjeru uz zadržavanje performansi. Kompromis-posvuda.
Problem 3: Propisi o zaštiti okoliša stalno se mijenjaju
Olovo u mesingu nekada je bilo standard. Sada je zabranjeno ili ograničeno u većini vodovodnih aplikacija. Industrija vodoinstalatera morala je sve preformulirati.
U tijeku je i rasprava o drugim elementima. Berilij je strogo reguliran zbog toksičnosti. Neki ljudi žele ograničiti nikal u potrošačkim proizvodima zbog alergija na nikal.
Svaki put kad se propisi promijene, proizvođači moraju ponovno kvalificirati materijale i potencijalno redizajnirati proizvode. Skupo i dugotrajno-.
Problem 4: Galvanska korozija
Kada spajate bakrene legure s drugim metalima u prisutnosti elektrolita (poput morske vode ili čak vlage), možete dobiti galvansku koroziju. Manje plemeniti metal brže korodira.
Bakar je prilično plemenit (visoko u galvanskoj seriji) pa obično uzrokuje koroziju drugih metala. Ako spojite bakrenu leguru s aluminijem ili cinkom u morskom okruženju, aluminij ili cink će brzo korodirati.
Potrebne su vam izolacijske podloške, premazi ili pažljiv odabir materijala da biste to izbjegli. To je uobičajena pogreška u dizajnu. Vidio sam kako aluminijski nosači korodiraju mjesecima jer ih je neki inženjer pričvrstio za brončanu komponentu bez izolacije.
Problem 5: Pukotine uzrokovane naponskom korozijom (SCC)
Neke bakrene legure osjetljive su na pucanje uslijed korozije u određenim okruženjima. Mjed može puknuti u okruženju amonijaka. Ovo se naziva "sezonsko pucanje" jer je prvi put primijećeno u mesinganim čahurama pohranjenim u tropskim okruženjima (amonijak iz organske tvari koja se raspada).
Morate biti svjesni radnog okruženja i odabrati legure na odgovarajući način. Ili-oslobodite dijelove nakon oblikovanja kako biste smanjili zaostala naprezanja. Ili upotrijebite inhibirane legure s dodacima poput arsena ili kositra koji smanjuju osjetljivost na SCC.
Problem 6: Pridruživanje izazovima
Zavarivanje bakrenih legura može biti nezgodno. Visoka toplinska vodljivost znači da se toplina brzo raspršuje - potrebna vam je velika ulazna snaga za izradu zavara. Aluminijsku broncu posebno je teško zavarivati zbog stvaranja aluminijevog oksida.
Lemljenje je često lakše od zavarivanja bakrenih legura. Ali tvrdo lemljenje zahtijeva posebne metale za punjenje i talila. I morate prije toga sve temeljito očistiti ili će lemljeni spoj biti slab.
Imao sam lemljene spojeve koji nisu uspjeli jer netko nije pravilno očistio dijelove. Kontaminacija mašću ili uljem sprječava vlaženje tvrdog tvrdog materijala. Spoj izgleda dobro, ali nema snagu. Bol za rješavanje problema.
Zašto još uvijek koristimo legure bakra unatoč problemima
Zato što rade. Bakrene legure imaju dokazane rezultate koji sežu tisućama godina unatrag. Razumijemo njihovo ponašanje, uspostavili smo proizvodne procese, postoji infrastruktura za recikliranje.
Teško je nadmašiti električnu vodljivost - samo je srebro bolje, a srebro je puno skuplje. Za električne primjene, bakar je trenutno nezamjenjiv.
Otpornost na koroziju u morskom okruženju je izvrsna, posebno za bakar-nikl i aluminijsku broncu. Bolji od čelika, bolji od aluminija. Ako vam je potrebna otpornost na morsku vodu, legure bakra obično su odgovor.
Također ih je lako reciklirati. Bakar i bakrene legure mogu se pretopiti i ponovno koristiti neograničeno dugo bez degradacije. Vrijednost otpada dovoljno je visoka da ekonomija prikupljanja i recikliranja funkcionira. Za razliku od plastike gdje recikliranje često nije ekonomski isplativo.
Oko 50% bakra koji se koristi u svijetu dolazi iz recikliranih izvora. To je puno više od većine drugih materijala.
Alternative i pravci
Aluminij zamjenjuje bakar u nekim primjenama.Električni prijenosni vodovi koriste aluminij umjesto bakra za velike udaljenosti jer je težina važnija od vodljivosti. Radijatori prebačeni na aluminijske. Manja toplinska vodljivost, ali lakša i jeftinija.
Ali aluminij nikada neće u potpunosti zamijeniti bakar u elektronici ili proizvodnji električne energije jer je razlika u vodljivosti prevelika.
Ugljikovi materijali (grafen, ugljikove nanocijevi) mogli bi se na kraju natjecatiu posebnim aplikacijama. Oni mogu imati izuzetno visoku električnu i toplinsku vodljivost. Ali još nismo na komercijalnoj razini i vjerojatno nećemo biti još jedno desetljeće ili više.
Razvijaju se napredne legure.Bakar-krom-cirkonij ima visoku čvrstoću i dobru vodljivost. Neke legure bakra-željeza-fosfora nude zanimljive kombinacije svojstava. Puno istraživanja optimizacije kemije legura za specifične primjene.
Ali iskreno? Glavne legure bakra koje danas koristimo - mesing, bronca, bakar-nikal - postoje već 50-100+ godina. Oni rade. Industrija je konzervativna. Osim ako ne postoji uvjerljiv razlog za promjenu, držimo se onoga što je dokazano.
Nove legure uglavnom ispunjavaju niše aplikacija u kojima standardne legure baš i ne rade. Kao što je berilij, bakar je ispunio nišu za-neiskreće-alate visoke čvrstoće. Ali velike primjene koriste tradicionalne legure.
Što je zapravo važno
Ako dizajnirate nešto s bakrenim legurama, evo što je važno:
Koja svojstva zapravo trebate?Nemojte pretjerano-precizirati. Ako vam je potrebna otpornost na koroziju, ali ne i visoka čvrstoća, nemojte odabrati skupu leguru visoke -čvrstoće. Odaberite najjeftiniju leguru koja zadovoljava zahtjeve.
Možete li tolerirati nižu vodljivost?Ako da, imate mnogo više opcija za legure i možete optimizirati cijenu ili mehanička svojstva.
Kakvo je okruženje usluge?Korozivno? Visoka temperatura? Nositi? Ovo više nego išta pokreće odabir legure.
Način proizvodnje?Neke se legure dobro lijevaju, ali se loše obrađuju. Neki su izvrsni za žigosanje, ali se ne mogu krivotvoriti. Uskladite leguru sa svojim procesom.
Koliki je volumen?Za velike količine važna je optimizacija troškova materijala. Za malu količinu, koristite sve što je lako dostupno, čak i ako to nije apsolutno najjeftinija opcija.
Način spajanja?Ako trebate zavarivati, to eliminira neke legure ili zahtijeva posebne postupke.
Većina inženjeringa je oko kompromisa-i kompromisa. Bakrene legure se ne razlikuju. Rijetko postoji "najbolja" legura - samo ona koja najbolje odgovara vašim specifičnim zahtjevima i ograničenjima.
To je završilo duže nego što sam planirao. Opet.
Kratka verzija: bakrene legure su bakar plus druge stvari koje ga čine jačim/tvrđim/jeftinijim/boljim za posebne namjene. Postoje stotine legura, ali većina primjena koristi nekoliko desetaka uobičajenih. Kompromis-između vodljivosti i mehaničkih svojstava. Dobro radi za električne, brodske, vodovodne, mehaničke primjene. Skupo, ali se može reciklirati. Ne odlazi u skorije vrijeme unatoč alternativama.
Napisano dok se pije kava iz bakrene moskovske šalice. Što je vjerojatno mjed s bakrenom prevlakom. Ili možda samo pobakreni-čelik. Stvarno bih trebao provjeriti.
Oh, i ako strojno obrađujete te čvrste legure bakra koje sam spomenuo - posebno berilijev bakar ili aluminijsku broncu - pogledajtesinker EDM. Puno čišći od konvencionalne strojne obrade kada imate posla s tvrdim materijalima. Nema prašine, nema-istrošenih karbidnih umetaka. Samo kažem.