Већина људи помисли на "легуру бакра" и одмах замишља месинг или бронзу. Који, поштено - то су они велики. Али постоји отприлике 400+ различитих састава легура бакра регистрованих код Удружења за развој бакра. Нико их не користи све. Већина индустрије ради на можда 30-40 уобичајених легура. Остало су специјалне ствари или легуре које више нико не прави, али су још увек технички „регистроване“.
Зашто уопште легирати бакар?
Чисти бакар - оно што називамо „комерцијално чисти бакар“ који је заправо 99,9%+ бакра - је мекан. Заиста мека. Можете га удубити ноктом ако притиснете довољно снажно. Велика електрична проводљивост (друга после сребра), велика топлотна проводљивост, одлична отпорност на корозију. Али механичка својства су слаба. Затезна чврстоћа је само 200-250 МПа за жарени бакар.
За поређење, конструкцијски челик је 400-550 МПа. Легуре алуминијума могу достићи 500-600 МПа. Дакле, чисти бакар није довољно јак за структуралне примене или било шта што треба да издржи оптерећења.
Такође, рад од чистог бакра{0}}очврсне као луд када покушате да га формирате. Хладни рад повећава снагу, али га чини крхким. Затим морате да је жарите (термичка обрада да бисте је омекшали) пре него што можете више да радите. То је бол.
Тако да додамо легирне елементе у:
Повећајте снагу без жртвовања превише проводљивости
Побољшајте отпорност на хабање
Побољшајте обрадивост
Промените боју (понекад су важни естетски разлози)
Смањите трошкове (цинк је много јефтинији од бакра)
Замена је{0}}увек проводљивост. Додајте више легирајућих елемената, проводљивост се смањује. Нема бесплатног ручка.
Главне породице (ово се брзо компликује)
Месинг - бакар + цинк:
Ово је вероватно оно што већина људи мисли као "легура бакра". Боја је онај жућкасто-златни тон. Садржај цинка се креће од 5% до 40%+.
Месинг са мало{0}}цинка (испод 20% цинка) се назива „црвени месинг“ или „метал за позлату“. Још увек прилично бакреног изгледа. Користи се за чауре за муницију, архитектонске украсе, такве ствари.
Средњи{0}}цинк месинг (20-36% цинка) су уобичајени. Месинг за кертриџ је 70% бакра, 30% цинка - ово је вероватно најчешћа легура месинга. Добра формабилност, пристојна снага, машине у реду.
Високо{0}}цинк месинг (преко 36% цинка) је јачи, али мање дуктилни. Мунтз метал је 60/40 бакра{5}}цинка. Некада се користио за облагање чамаца јер је јефтинији од чистог бакра, али је и даље прилично добро отпоран на корозију морске воде.
Ту су и оловни месинг где додају 1-3% олова за побољшање обрадивости. Олово формира сићушне честице које делују као разбијачи струготине када обрађујете. Чини да се струготине чисте одвајају уместо да формирају дугачке жилаве коврче које се омотавају око вашег алата за сечење.
Али оловни месинг се постепено укидају због еколошких прописа. Олово у уређајима за воду за пиће је сада забрањено на већини места. Зато сви прелазе на алтернативе-без олова са бизмутом или силицијумом. Обрадивост није баш тако добра, али како год, прописи су прописи.
Бронзе - бакар + калај:
Историјски гледано, бронза је била легура бакра. Бронзано доба и све то. Калај чини бакар тврђим и јачим. Древни ковачи су то схватили пре 5000 година.
Модерне лимене бронзе обично имају 4-12% калаја. Више од тога и постаје превише крт. Фосфорна бронза додаје мало фосфора (0,1-0,5%) који деоксидише растоп и побољшава својства.
Фосфорна бронза има одличне опружне особине. Користи се за електричне контакте, прекидаче, лежајеве, чауре. Прилично сам радио са Ц510 фосфорном бронзом - то је 5% калаја, 0,2% фосфора, остатак бакра. Добра ствар за пролећне апликације.
Али „бронза“ је постала помало збуњујући термин јер сада многе легуре бакра које нису -калајне називамо „бронзом“. Алуминијумска бронза нема калај - већ је бакар + алуминијум. Силицијумска бронза је бакар + силицијум. Манганова бронза је заправо месинг високе{7}}врсте (углавном бакар-цинк са нешто гвожђа и мангана). Терминологија је збрка.
Алуминијумске бронзе:
Ово су интересантне. Бакар + алуминијум, обично 5-11% алуминијума. Имају одличну отпорност на корозију - бољу од нерђајућег челика у апликацијама са морском водом. Такође добра чврстоћа, пристојна отпорност на хабање.
Проблем је у томе што их је тешко залити и обрађивати. Алуминијум лако оксидира тако да у микроструктури добијате чврсте честице алуминијум оксида. Ове честице брзо троше алате за сечење. Изгорео сам карбидне уметке машинском обрадом алуминијумске бронзе. Није забавно.
Алуминијумска бронза се много користи у поморским апликацијама - пропелерима, импелерима пумпи, телима вентила. Где год вам је потребна отпорност на корозију морске воде. Користи га и индустрија нафте и гаса.
Бакар{0}}никл (кунифер):
То су легуре бакра{0}}никла, обично 10% или 30% никла. Одлична отпорност на корозију у морској води. 90-10 бакроникл (90% бакра, 10% никла) се користи за цевоводе за морску воду на бродовима и приобалним платформама.
Од 1965. до данас коришћено је 70-30 бакроникла за ковање новца САД (четвртине, димес, пола долара). Сребро је постало прескупо па су прешли на бакроникл обложен бакарним језгром. Новчићи изгледају сребрно, али су заправо углавном бакар и никл.
Забавна чињеница: бакроникл у кованицама ради-очвршћава од свих руковања и удараца. Стари новчићи су тежи од нових. Можете га мерити тестером тврдоће.
Берилијум бакар:
Ово је чудно. Бакар + 1.5-2% берилијума. Звучи као да ништа није у реду? Погрешно.
Берилијум бакар може да се -очврсти (отврдњавање падавинама) да би достигао јачину од 1200-1400 МПа. То је јаче од многих челика. Осим тога, задржава добру електричну проводљивост - не тако добру као чисти бакар, али много бољу од челика.
Дакле, користи се за електричне контакте, опруге, алате за експлозивна окружења (берилијум бакар не-варниче), конекторе за ваздухопловство, све врсте ствари високих{1}}перформанси.
Лоша страна: берилијум је токсичан. Заиста токсично. Удисање берилијумске прашине или испарења може изазвати берилиозу, хроничну болест плућа. Дакле, морате бити веома пажљиви у машинској обради или заваривању берилијум бакра. Потребна је добра вентилација, заштита за дисање, цео посао.
Берилијум је такође скуп. Као стварно скупо. Берилијум бакар кошта 10-20 пута више од стандардног месинга или бронзе. Користите га само када су вам својства апсолутно потребна.
Радио сам са берилијум бакром неколико пута. Лепо се обрађује - као месинг. Али ви сте све време параноични због стварања прашине. Сваки чип се сакупља и правилно одлаже. Бол у гузици, али неопходно.
Како легирање заправо функционише (време металургије)
Када додате елементе бакру, они:
Растворити у чврсти раствор- атоми се само мешају у кристалну решетку бакра. Ово се дешава са цинком у месингу до око 35-36% цинка. Атоми цинка замењују атоме бакра у кристалној структури. Ово повећава снагу (јачање чврстог раствора), али смањује проводљивост јер атоми цинка расипају електроне.
Формирајте друге фазе- изнад одређених концентрација, формирају се нове кристалне структуре. У месингу изнад 36% цинка добијате бета фазу која је тврђа и крхка од алфа фазе. Микроструктура постаје двофазна-(алфа + бета) и својства се значајно мењају.
Преципитирати као честице- у легурама које се могу очврснути- као што је берилијум бакар, берилиј формира ситне честице талога када га термички обрађујете. Ове честице блокирају кретање дислокације што драматично повећава снагу. Ово је стврдњавање падавинама и тако добијате лудо високе чврстоће.
Тачна микроструктура зависи од састава и обраде. Хладни рад, температура жарења, брзина хлађења, све је то битно.
Похађао сам курс металургије у… 2007? 2008? Једна од тих година. Професор нас је натерао да припремимо и нагриземо металографске узорке различитих легура бакра и погледамо их под микроскопом. Месинг је био лак - лепа зрнаста структура. Алуминијумска бронза је била неред - све ове чудне фазе и тврде честице. Пао сам на том испитном питању. Још увек љут због тога.
Својства и{0}}уступци
Електрична проводљивост:Чисти бакар је 100% ИАЦС (Интернатионал Аннеалед Цоппер Стандард). То је референтна тачка.
Месинги опадају на 25-40% ИАЦС у зависности од садржаја цинка. Алуминијумске бронзе су као 7-15% ИАЦС. Берилијум бакра после очвршћавања је око 20-25% ИАЦС.
Дакле, ако вам је потребна висока проводљивост, држите се чистог бакра или можда легуре бакра{0}}сребра. Ако можете толерисати нижу проводљивост, можете одабрати легуру са бољим механичким својствима.
Топлотна проводљивост:Слична замена- Чисти бакар је око 390-400 В/м·К. Месинг је више као 100-150 В/м·К. Алуминијумска бронза је 60-80 В/м·К.
Хладњаци и лонци за кување користе чист бакар или високе{0}}легуре бакра. Структурне ствари могу користити легуре ниже проводљивости.
Отпорност на корозију:Легуре бакра су углавном добро отпорне на атмосферску корозију. Они формирају заштитну патину (та зелена оксидација коју видите на старим бакарним крововима) која успорава даљу корозију.
Морска вода је сложенија. Чисти бакар кородира полако али постојано. Алуминијумска бронза и бакар{2}}никл су много бољи у морској води. Месинг може да пати од дезинцификације у одређеним условима - цинк испире остављајући за собом порозни бакар. Потребне су вам инхибиране легуре месинга или једноставно избегавајте месинг у морској води.
Обрадивост:Прелепа машина за оловне месинге. Месинг за слободно-сечење (Ц36000 - 61.5% бакра, 35,5% цинка, 3% олова) је златни стандард. Оцењен је 100% на скали обрадивости и све остало се пореди са њим.
Машине од чистог бакра страшно. Превише мекано, превише гумено. Добијате лошу завршну обраду површине и изграђену-ивицу на алату за сечење.
Алуминијум бронзане машине лоше раде због чврстих честица алуминијум оксида.
Берилијум бакар добро обрађује машине, али морате да се носите са проблемима токсичности.
Цена:Чисти бакар је основна линија. Цинк је јефтин, тако да су месинги заправо јефтинији од чистог бакра по фунти иако "разблажујете" бакар.
Калај је скуп па бронза кошта више. Никл је скуп па бакарни-никл кошта више. Берилијум је сулудо скуп тако да берилијум бакар кошта много више.
Цена бакра 2024-2025 скаче око 8.000-10.000 долара по метричкој тони. Цинк је око 2.500-3.000 долара по тони. Дакле, додавање цинка штеди новац. Калај је 25.000-30.000 долара по тони. Додавање калаја повећава трошкове.
Цена материјала утиче на многе одлуке о избору легуре у комерцијалним производима.
Уобичајене апликације (где заправо видите ове ствари)
Електрична и електроника:
Жице и каблови - углавном чисти бакар, понекад легуре бакра за јачину
Сабирнице - чисти бакар
Штампане плоче - бакарна фолија на фибергласу
Конектори и контакти - фосфорна бронза, берилијум бакар
Оквири за полупроводничке чипове - легуре бакра
Водовод и ХВАЦ:
Цеви и цеви - чисти бакар (Ц12200 - „ДХП бакар“ - деоксидисани високи фосфор)
Фитинги - месинг (Ц36000 или еквиваленти{2}без олова)
Измењивачи топлоте - месинг или бакар-никл
Вентили - месинг, бронза, понекад алуминијум бронза
маринац:
Пропелери - од манганске бронзе или алуминијумске бронзе
Цеви за морску воду - бакар-никл (90-10 или 70-30)
Облога трупа (историјска) - Мунц метал или бакар
Причвршћивачи - силиконска бронза
механички:
Лежајеви и чауре - фосфорна бронза, алуминијум бронза
Зупчаници - фосфорна бронза, алуминијумска бронза
Опруге - фосфорна бронза, берилијум бакар
Савети за заваривање - хром бакар (бакар + 0.5-1% хрома за високу- чврстоћу)
Архитектонски:
Кров и облагање - чисти бакар, временске прилике до зелене патине
Оков за врата - месинг, бронза
Декоративни елементи - разне легуре бакра у зависности од жељене боје и завршне обраде
Аутомобили:
Радијатори - месингане цеви (некада су биле, сада углавном алуминијумске)
Електрично ожичење - чисти бакар
Лежајеви - бронза, биметални (челик са бронзом)
Кочни водови - бакар-никл
Проблеми и ограничења
Проблем 1: Бакар је скуп и несталан
Цене бакра се дивље колебају на основу глобалне потражње. Током финансијске кризе 2008, бакар је пао са 8.000 долара по тони на 3.000 долара по тони за неколико месеци. Онда се вратило. Током нереда у ланцу снабдевања ЦОВИД-а у периоду 2021-2022, бакар је скочио на 10 УСД,000+/тони.
Ако производите производе од легура бакра, ове промене цена убијају вашу маржу. Морате или да се заштитите од тржишта роба (компликовано и ризично) или да пренесете трошкове на купце (који не воле промене цена).
Неке индустрије су због тога прешле са бакра. Алуминијум је заменио месинг у радијаторима. Пластика је заменила бакар у неким водоводима (ПЕКС цеви). Не увек на боље - Не верујем ПЕКС-у дугорочно--, али цене утичу на одлуке.
Проблем 2: Тежина
Бакар је тежак. Густина је 8,96 г/цм³. Упоредите са алуминијумом од 2,70 г/цм³ или титанијумом са 4,5 г/цм³.
За апликације у ваздухопловству или аутомобилској индустрији где је тежина важна, легуре бакра су у неповољном положају. Осим ако вам апсолутно није потребна електрична или топлотна проводљивост, изабраћете лакши материјал.
Електричним возилима су потребне тоне бакра за моторе и ожичење. Ово додаје тежину. Инжењери покушавају да минимизирају употребу бакра уз одржавање перформанси. Промена{3}} свуда.
Проблем 3: Прописи о животној средини се стално мењају
Олово у месингу је некада било стандардно. Сада је забрањено или ограничено у већини водоводних апликација. Водоинсталатерска индустрија је морала све да преформулише.
У току је дискусија и о другим елементима. Берилијум је строго регулисан због токсичности. Неки људи желе да ограниче никл у потрошачким производима због алергија на никл.
Сваки пут када се прописи промене, произвођачи морају да преквалификовају материјале и потенцијално редизајнирају производе. Скупо и{1}}треба времена.
Проблем 4: Галванска корозија
Када повежете легуре бакра са другим металима у присуству електролита (попут морске воде или чак влаге), можете добити галванску корозију. Мање племенити метал брже кородира.
Бакар је прилично племенит (високо у галванској серији) тако да обично узрокује кородију других метала. Ако причврстите легуру бакра за алуминијум или цинк у морском окружењу, алуминијум или цинк ће брзо кородирати.
Потребне су вам изолационе подлошке, премази или пажљив избор материјала да бисте то избегли. То је уобичајена грешка у дизајну. Видео сам како алуминијумски носачи кородирају месецима јер их је неки инжењер причврстио за бронзану компоненту без изолације.
Проблем 5: Пуцање од корозије под напоном (СЦЦ)
Неке легуре бакра су подложне пуцању од корозије под напоном у одређеним окружењима. Месинг може да пукне у окружењу амонијака. Ово се назива „пуцање у сезони“ јер је први пут примећено у месинганим чаурама ускладиштеним у тропским срединама (амонијак из распадајуће органске материје).
Морате бити свесни сервисног окружења и правилно одабрати легуре. Или-олакшајте делове након формирања да бисте смањили заостала напрезања. Или користите инхибиране легуре са додацима попут арсена или калаја који смањују осетљивост на СЦЦ.
Проблем 6: Придруживање изазовима
Заваривање легура бакра може бити тешко. Висока топлотна проводљивост значи да се топлота брзо расипа - потребна вам је велика улазна снага да бисте направили завар. Алуминијумска бронза је посебно тешка за заваривање због формирања алуминијум оксида.
Лемљење је често лакше од заваривања легура бакра. Али лемљење захтева специфичне метале за пуњење и флуксове. И претходно морате све добро очистити или ће спој за лемљење бити слаб.
Имао сам квар на лемљеним спојевима јер неко није добро очистио делове. Контаминација масти или уља спречава влажење лемљења. Зглоб изгледа добро, али нема снагу. Бол за решавање проблема.
Зашто и даље користимо легуре бакра упркос проблемима
Зато што раде. Легуре бакра имају доказано искуство уназад хиљадама година. Разумемо њихово понашање, успоставили смо производне процесе, инфраструктура за рециклажу постоји.
Електричну проводљивост је тешко надмашити - само је сребро боље, а сребро је много скупље. За електричне примене, бакар је тренутно незаменљив.
Отпорност на корозију у морском окружењу је одлична, посебно за бакар{0}}никл и алуминијум бронзу. Боље од челика, боље од алуминијума. Ако вам је потребна отпорност на морску воду, легуре бакра су обично одговор.
Такође их је лако рециклирати. Бакар и легуре бакра могу се претопити и поново користити неограничено без деградације. Вредност отпада је довољно висока да економија сакупљања и рециклирања функционише. За разлику од пластике где рециклирање често није економски исплативо.
Око 50% бакра који се користи широм света долази из рециклираних извора. То је много више од већине других материјала.
Алтернативе и правци
Алуминијум у неким применама замењује бакар.Електрични далеководи користе алуминијум уместо бакра за велике удаљености јер је тежина важнија од проводљивости. Радијатори пребачени на алуминијум. Мања топлотна проводљивост, али лакша и јефтинија.
Али алуминијум никада неће у потпуности заменити бакар у електроници или производњи електричне енергије јер је разлика у проводљивости превелика.
Угљенични материјали (графен, угљеничне наноцеви) би се на крају могли такмичитиу специјалним апликацијама. Они могу имати изузетно високу електричну и топлотну проводљивост. Али још нисмо у комерцијалном обиму и вероватно нећемо бити још деценију или више.
Развијају се напредне легуре.Бакар-хром-цирконијум има велику чврстоћу и добру проводљивост. Неке легуре бакра-гвожђа-фосфора нуде занимљиве комбинације својстава. Много истраживања о оптимизацији хемије легуре за специфичне примене.
Али искрено? Главне легуре бакра које данас користимо - месинг, бронза, бакар-никл - постоје већ 50-100+ година. Они раде. Индустрија је конзервативна. Осим ако не постоји убедљив разлог за замену, остајемо при ономе што је доказано.
Нове легуре углавном испуњавају нишне апликације у којима стандардне легуре не раде баш. Као што је берилијум бакар испунио нишу за-алатке велике чврстоће без варничења{2}}. Али апликације велике запремине користе традиционалне легуре.
Шта је заправо важно
Ако дизајнирате нешто са легурама бакра, ево шта је важно:
Које некретнине су вам заправо потребне?Немојте пре{0}}навести. Ако вам је потребна отпорност на корозију, али не и висока чврстоћа, немојте да бирате скупу легуру велике{2}}врсте. Изаберите најјефтинију легуру која испуњава захтеве.
Можете ли толерисати нижу проводљивост?Ако јесте, имате много више опција за легуре и можете оптимизовати за цену или механичка својства.
Какво је окружење услуге?Корозивно? Висока температура? Носите? Ово покреће избор легуре више од свега.
Начин производње?Неке легуре ливеју добро, али се лоше обрађују. Неки су одлични за штанцање, али се не могу кривотворити. Ускладите легуру са вашим процесом.
Колики је волумен?За велике количине, важна је оптимизација трошкова материјала. За малу јачину звука, користите све што је лако доступно чак и ако није апсолутно најјефтинија опција.
Метод придруживања?Ако треба да заварите, то елиминише неке легуре или захтева посебне процедуре.
Већина инжењеринга се односи на{0}} компромисе и компромисе. Легуре бакра се не разликују. Ретко постоји „најбоља“ легура - само она која најбоље одговара вашим специфичним захтевима и ограничењима.
То се завршило дуже него што сам планирао. Опет.
Кратка верзија: легуре бакра су бакар плус друге ствари које га чине јачим/тврђим/јефтинијим/бољим за специфичне намене. Постоје стотине легура, али већина апликација користи неколико десетина уобичајених. Компромис{2}}између проводљивости и механичких својстава. Добро ради за електричне, поморске, водоводне, механичке апликације. Скупо, али се може рециклирати. Не одлази ускоро упркос алтернативама.
Написано док се испија кафа из бакарне шоље московске мазге. Што је вероватно месинг са бакарном платном. Или можда само бакарни{2}}челик. Стварно бих требао провјерити.
Ох, и ако обрађујете те чврсте легуре бакра које сам поменуо - посебно берилијум бакар или алуминијум бронза - погледајтесинкер ЕДМ. Много чистије од конвенционалне машинске обраде када имате посла са тврдим материјалима. Без прашине, без истрошених-уметка од карбида. Само кажем.