Acerca del bronce fosforado: resistencia, propiedades y usos
El bronce ha recorrido un largo camino desde ser una aleación de cobre y estaño; ahora es una clase mucho más amplia de aleaciones de cobre que todavía encuentran nuevos usos en la actualidad. Sin embargo, la diversidad de bronces puede dificultar la selección del material, por lo que este artículo ayudará a aliviar parte de la confusión al explorar un tipo de bronce, el bronce fósforo. Al examinar las propiedades físicas, químicas y mecánicas del bronce fosforoso, este artículo tiene como objetivo ayudar a los diseñadores interesados a determinar si esta aleación de cobre es una buena opción para su proyecto. Primero examinaremos la composición del bronce fosforoso, luego discutiremos sus ventajas, desventajas, propiedades mecánicas y finalmente discutiremos las aplicaciones comunes de este útil metal.
Propiedades físicas del bronce fosforado
Puede resultar útil revisar nuestro artículo sobre tipos de bronces para comprender los puntos en común entre las aleaciones de cobre y sus aplicaciones populares.
A continuación, en la Figura 1, se muestra un cuadro cualitativo que describe la composición del bronce fósforo:
Representación gráfica circular de la composición material del bronce fosforado.
Figura 1: Desglose cualitativo del bronce fosforado.
Tenga en cuenta que los porcentajes de zinc, hierro, plomo y fósforo incluidos son infinitesimales.
Al observar la Figura 1, puede resultar difícil entender por qué el bronce fosforado recibe ese nombre cuando está compuesto principalmente de cobre y estaño como aleación. Esto se debe a que solo se necesita una pequeña cantidad de fósforo, aproximadamente 0.03-0.035% en peso, para darle a estas aleaciones sus propiedades únicas, como flujo mejorado, resistencia al desgaste y rigidez. También se les conoce como bronces de estaño, pero siempre hay una cierta cantidad de fósforo presente para que realmente se los considere bronces de fósforo. Con una densidad de aproximadamente 8,8 g/cm3, la mayoría de las formas de estas aleaciones responden al trabajo en caliente, al trabajo en frío y al tratamiento térmico. Son extremadamente elásticos, resistentes a la fatiga y la corrosión y se pueden moldear, verter y soldar fácilmente. La adición de plomo hace que los bronces de fósforo sean más fuertes y fáciles de mecanizar, pero los bronces de fósforo sin plomo también son fuertes y resistentes por sí solos. Se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones resistentes a la corrosión, así como en otras aplicaciones que requieren un material resistente pero duradero.
Resistencias y debilidades
La mayoría de las aleaciones de bronce fosforado resisten la decoloración y la corrosión, lo que las hace útiles en conductos eléctricos y otros entornos corrosivos. También son resistentes a la fatiga, lo que significa que mantienen su resistencia durante muchos ciclos de carga. La adición de estaño aumentará esta resistencia así como su solidez, mientras que la adición de plomo producirá bronce fosforado, conocido coloquialmente como "amigo del maquinista" (aleación COLPHOS 90/C54400) porque es prácticamente indistinguible de las aleaciones de latón de fácil mecanización. La mayoría de las aleaciones desarrollan una pátina atractiva en presencia de oxígeno, por lo que también se pueden utilizar en aplicaciones decorativas. Las principales desventajas del bronce fosforoso son probablemente su menor conductividad eléctrica, ya que el fósforo reduce la capacidad del metal para conducir corriente eléctrica, y su precio. El polvo y los vapores de bronce fosforado también son tóxicos cuando se inhalan, así que tenga cuidado con su billetera y sus pulmones.
Propiedades mecánicas
La Tabla 1 a continuación muestra algunas de las propiedades mecánicas que son relevantes para los usos y la resistencia del bronce fosforado. Esta sección explicará brevemente cada propiedad y mostrará cómo hacen que esta aleación de cobre sea única.
Resistencia a la tracción
380-450 MPa
55100-65260 psi
Módulo de elasticidad
110 GPa
16000 ksi
Conductividad eléctrica (en relación con el cobre puro)
15%
Dureza (Rockwell B)
75-85
maquinabilidad
20-100%
Tabla 1: Resumen de las propiedades mecánicas del bronce fosforado. Tenga en cuenta que esta tabla es un resumen general y no una lista de las propiedades reales de todos los bronces fosforados.
El límite elástico a la tracción es un valor de tensión que determina el punto en el que un material se deforma plásticamente. Es una medida común del límite elástico de un material, ya que las tensiones por debajo de este punto no doblarán ni estirarán la aleación (aunque siempre hay excepciones). Es una medida útil para los fabricantes durante el mecanizado y en aplicaciones donde el material debe mantener su forma sin comprometer la integridad estructural. El bronce fosforado tiene un límite elástico impresionante que rivaliza con algunas aleaciones de aluminio e incluso supera a otros bronces, gracias a su alta proporción de estaño y fósforo. Cuando se combina con sus buenas propiedades elásticas, esto crea una aleación que es fuerte y se mantiene firme.
El módulo de elasticidad, o módulo de Young, describe la capacidad de un material para deformarse elásticamente, es decir, la rigidez del material. Contrariamente a la intuición, un módulo de Young más alto indica un material más elástico, pero esto no es una medida de "elasticidad"; es una medida de la resistencia del material interno y de la probabilidad de que vuelva a su forma original bajo una fuerza mayor. Por lo tanto, un módulo de Young alto significa que el material es generalmente fuerte porque no se deforma plásticamente bajo condiciones de carga elevadas. El bronce fosforado tiene un módulo de elasticidad bastante alto (casi la mitad que el de la mayoría de los aceros), lo que indica que no es tan fuerte como otras aleaciones, pero puede resistir en condiciones moderadas. Esto da como resultado que el bronce de fósforo sea útil para las operaciones de conformado y más difícil de mecanizar, pero hablaremos de eso más adelante.
El bronce fosforado tiene una conductividad eléctrica de aproximadamente el 15% de la del cobre puro; entonces, ¿por qué usarlo en aplicaciones eléctricas cuando el cobre puede transportar electricidad mucho mejor? La respuesta está en el buen equilibrio del bronce fosforado entre resistencia a la fatiga, resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica. Si bien no es una aleación destacada en ninguna de las categorías anteriores, su capacidad para ser duradera, resistente y conductora significa que los componentes eléctricos fabricados con bronce fosforoso durarán más que sus análogos de cobre. Como resultado, el bronce fosforoso se ha utilizado durante mucho tiempo como material para interruptores, sujetadores, conectores, etc. eléctricos, porque puede soportar cargas mecánicas y eléctricas mejor que su homólogo de cobre típico.
La dureza del material siempre es relativa a algún durómetro estándar, y las distintas escalas de dureza proporcionan una lista comparativa de materiales dentro de la misma categoría/material general. La Tabla 1 muestra los valores de dureza en la escala Rockwell B, que se usa comúnmente para describir la dureza de las aleaciones de cobre y otros metales. Los materiales con valores de dureza más bajos son generalmente más blandos, lo que significa que se rayan, abollan y deforman localmente más fácilmente en la superficie, mientras que los números más altos indican materiales que son difíciles de rayar (piense en vidrio de borosilicato, cerámica, etc.). Como referencia, el cobre tiene una dureza Rockwell B de aproximadamente 50, por lo que en la Tabla 1 se desprende claramente que el bronce fosforoso es más resistente a los rayones que su forma pura. Tampoco es tan fuerte como otras aleaciones más endurecibles como el acero, que pueden ser mejores o peores según la aplicación. Por ejemplo, si el grabado y la incrustación son parte de la aplicación, el bronce fosforoso puede ser un buen equilibrio entre resistencia y maquinabilidad, pero esto depende del tipo de aleación específico y del procedimiento de fortalecimiento.
Al igual que la dureza, la maquinabilidad es una medida comparativa de la capacidad de un material para ser mecanizado y siempre se hace referencia a algún material de mecanizado estándar (para bronces, este material es UNS C36000 – Latón de libre corte). Este material estándar tiene una puntuación de maquinabilidad del 100%, lo que significa que es fácil de mecanizar y plantea pocos problemas en un taller. Las aleaciones con puntuaciones inferiores al 100 % son más difíciles de mecanizar en comparación con esta referencia, y este suele ser el caso del bronce fosforado; sin embargo, el bronce fosforado se puede fabricar especialmente para abordar estos problemas (así como la mayoría de las otras aleaciones, según su fuente). El bronce fosforado se puede adquirir con un mayor contenido de plomo, lo que eliminará su dificultad de mecanizado al volverse más autolubricante. Entonces, si bien la mayoría de las aleaciones de bronce fósforo son algo difíciles de fresar, este problema se puede solucionar eligiendo la aleación adecuada.
Aplicaciones del bronce fosforado
El bronce fosforado se ha utilizado en componentes eléctricos durante muchos años, pero todavía se están encontrando nuevos usos debido a los avances tecnológicos y la necesidad de materiales más especializados. A continuación se muestra una lista de aplicaciones del bronce fósforo, pero sepa que tiene muchos usos fuera de esta lista y que aún se están desarrollando nuevas aplicaciones.
Algunas aplicaciones comunes incluyen:
muelles
Casquillos, casquillos y cojinetes
Varillas para soldar
Joyas
Cuerdas de guitarra
Puentes dentales
