De fleste tenker "kobberlegering" og bilder umiddelbart messing eller bronse. Som, rettferdig, - det er de store. Men det er som 400+ forskjellige kobberlegeringssammensetninger registrert hos Copper Development Association. Ingen bruker alle. Det meste av industrien kjører på kanskje 30-40 vanlige legeringer. Resten er spesialsaker eller eldre legeringer som ingen lager lenger, men som fortsatt er teknisk "registrert".
Hvorfor legert kobber i utgangspunktet?
Rent kobber - det vi kaller "kommersielt rent kobber", som faktisk er 99,9 %+ kobber -, er mykt. Virkelig myk. Du kan bulke den med neglen hvis du trykker hardt nok. Stor elektrisk ledningsevne (nest etter sølv), god termisk ledningsevne, utmerket korrosjonsbestandighet. Men de mekaniske egenskapene er svake. Strekkstyrken er bare som 200-250 MPa for glødet kobber.
Til sammenligning er konstruksjonsstål 400-550 MPa. Aluminiumslegeringer kan treffe 500-600 MPa. Så rent kobber er ikke sterkt nok for strukturelle applikasjoner eller noe som trenger å håndtere belastninger.
Også rent kobberarbeid-herder som en gal når du prøver å forme den. Kaldarbeid øker styrken, men gjør den sprø. Deretter må du gløde den (varmebehandle for å myke den) før du kan bearbeide den mer. Det er en smerte.
Så vi legger til legeringselementer til:
Øk styrken uten å ofre for mye ledningsevne
Forbedre slitestyrken
Forbedre bearbeidbarheten
Endre farge (noen ganger betyr estetiske årsaker)
Reduser kostnadene (sink er mye billigere enn kobber)
Avveiningen-er alltid ledningsevne. Legg til flere legeringselementer, ledningsevnen går ned. Det er ingen gratis lunsj.
Hovedfamiliene (dette blir fort komplisert)
Messing - kobber + sink:
Dette er sannsynligvis hva folk flest tenker på som "kobberlegering." Fargen er den gulaktige-gulltonen. Sinkinnhold varierer fra 5 % til 40 %+.
Lav-sinkmessing (under 20 % sink) kalles «rød messing» eller «forgyllende metall». Ser fortsatt ganske kobberaktig ut. Brukes til ammunisjonshylser, arkitektonisk trim, den slags.
Medium-sinkmessing (20-36 % sink) er de vanlige. Patronmessing er 70 % kobber, 30 % sink - dette er sannsynligvis den vanligste messinglegeringen. God formbarhet, grei styrke, maskiner ok.
Høy-sinkmessing (over 36 % sink) er sterkere, men mindre duktil. Muntz-metall er 60/40 kobber-sink. Brukt til båtkappe i sin tid fordi det er billigere enn rent kobber, men fortsatt motstår sjøvannskorrosjon ganske godt.
Det er også blyholdig messing der de tilsetter 1-3 % bly for å forbedre bearbeidbarheten. Blyet danner bittesmå partikler som fungerer som sponknekkere når du bearbeider. Får flisene til å bryte rent av i stedet for å danne lange trevlete krøller som vikler seg rundt skjæreverktøyet.
Men blyholdig messing fases ut på grunn av miljøforskrifter. Bly i drikkevannsarmaturer er nå forbudt de fleste steder. Så alle bytter til bly-frie alternativer med vismut eller silisium i stedet. Bearbeidbarheten er ikke fullt så god, men uansett, forskrifter er forskrifter.
Bronse - kobber + tinn:
Historisk sett var bronse DEN kobberlegeringen. Bronsealder og alt det der. Tinn gjør kobber mye hardere og sterkere. Gamle smeder fant ut dette for 5000 år siden.
Moderne tinnbronser har typisk 4-12 % tinn. Mer enn det, og det blir for sprøtt. Fosforbronse tilfører litt fosfor (0,1-0,5%) som deoksiderer smelten og forbedrer egenskapene.
Fosforbronse har utmerkede fjæregenskaper. Brukes til elektriske kontakter, brytere, lagre, foringer. Jeg har jobbet med C510 fosforbronse ganske mye - det er 5 % tinn, 0,2 % fosfor, resten kobber. Gode ting for vårapplikasjoner.
Men «bronse» har blitt et litt forvirrende begrep fordi vi nå kaller mange ikke-tinnkobberlegeringer «bronse». Aluminiumsbronse har ikke noe tinn - det er kobber + aluminium. Silisiumbronse er kobber + silisium. Manganbronse er faktisk en høy-messing (for det meste kobber-sink med litt jern og mangan). Terminologien er et rot.
Aluminium bronse:
Disse er interessante. Kobber + aluminium, typisk 5-11 % aluminium. De har utmerket korrosjonsbestandighet - bedre enn rustfritt stål i sjøvannsapplikasjoner. Også god styrke, anstendig slitestyrke.
Problemet er at de er vanskelige å støpe og bearbeide. Aluminium oksiderer lett slik at du får harde aluminiumoksidpartikler i mikrostrukturen. Disse partiklene slites raskt ut skjæreverktøy. Jeg har brent gjennom karbidinnsatser som bearbeider aluminiumsbronse. Ikke gøy.
Aluminiumsbronse brukes mye i marine applikasjoner - propeller, pumpehjul, ventilhus. Hvor som helst du trenger sjøvannskorrosjonsbestandighet. Olje- og gassindustrien bruker det også.
Kobber-nikkel (kunifer):
Dette er kobber-nikkellegeringer, vanligvis 10 % eller 30 % nikkel. Utmerket sjøvannskorrosjonsbestandighet. 90-10 cupronickel (90 % kobber, 10 % nikkel) brukes til sjøvannsrør på skip og offshoreplattformer.
70-30 cupronickel ble brukt til amerikansk mynt fra 1965 og fram til i dag (kvartaler, dimes, halve dollar). Sølvet ble for dyrt så de gikk over til cupronickel kledd på en kobberkjerne. Myntene ser sølvaktige ut, men er faktisk for det meste kobber og nikkel.
Morsomt faktum: cupronickelen i mynter-herdes av all håndtering og støt. Gamle mynter er vanskeligere enn nye. Du kan måle den med en hardhetstester.
Beryllium kobber:
Dette er den rare. Kobber + 1.5-2% beryllium. Høres ut som ingenting? Feil.
Berylliumkobber kan alders-herdes (nedbørsherding) for å nå styrker på 1200-1400 MPa. Det er sterkere enn mange stål. Pluss at den beholder god elektrisk ledningsevne - ikke så god som rent kobber, men mye bedre enn stål.
Så den brukes til elektriske kontakter, fjærer, verktøy for eksplosive miljøer (berylliumkobber er ikke-gnister), flykontakter, alle slags-høyytelsesting.
Ulempen: beryllium er giftig. Virkelig giftig. Innånding av berylliumstøv eller -damp kan forårsake berylliose, en kronisk lungesykdom. Så du må være veldig nøye med maskinering eller sveising av berylliumkobber. Trenger god ventilasjon, åndedrettsvern, hele greia.
Også beryllium er dyrt. Liker veldig dyrt. Beryllium kobber koster 10-20 ganger mer enn standard messing eller bronse. Du bruker det bare når du absolutt trenger egenskapene.
Jeg har jobbet med beryllium kobber noen ganger. Den fungerer fint - som messing. Men du er paranoid hele tiden når det gjelder å lage støv. Hver brikke blir samlet og kastet på riktig måte. Smerter i rumpa men nødvendig.
Hvordan legeringen faktisk fungerer (metallurgitid)
Når du legger til elementer til kobber, gjør de enten:
Løs opp i fast løsning- atomene blandes bare inn i kobberkrystallgitteret. Dette er hva som skjer med sink i messing opp til ca 35-36% sink. Sinkatomene erstatter kobberatomer i krystallstrukturen. Dette øker styrken (fast løsningsstyrking), men reduserer ledningsevnen fordi sinkatomene sprer elektroner.
Form andre faser- over visse konsentrasjoner dannes nye krystallstrukturer. I messing over 36% sink får du betafase som er hardere og sprøere enn alfafase. Mikrostrukturen blir to-fase (alfa + beta) og egenskapene endres betydelig.
Felles ut som partikler- i alder-herdbare legeringer som berylliumkobber, berylliumet danner bittesmå bunnfallspartikler når du varmebehandler det. Disse partiklene blokkerer dislokasjonsbevegelser som øker styrken dramatisk. Dette er nedbørsherding og det er slik du får de vanvittige høye styrkene.
Den nøyaktige mikrostrukturen avhenger av sammensetning og prosessering. Kaldbearbeiding, glødetemperatur, kjølehastighet, alt betyr noe.
Jeg tok en metallurgitime tilbake i ... 2007? 2008? Et av de årene. Professoren fikk oss til å forberede og etse metallografiske prøver av forskjellige kobberlegeringer og se på dem under et mikroskop. Messing var lett - fin kornstruktur. Aluminiumsbronse var et rot - alle disse rare fasene og harde partiklene. Ikke klarte det eksamensspørsmålet faktisk. Fortsatt irritert over det.
Egenskaper og avveininger-
Elektrisk ledningsevne:Rent kobber er 100 % IACS (International Annealed Copper Standard). Det er referansepunktet.
Messing faller til 25-40 % IACS avhengig av sinkinnhold. Aluminiumsbronse er som 7-15% IACS. Beryllium kobber etter alder herding er rundt 20-25% IACS.
Så hvis du trenger høy ledningsevne, holder du deg til rent kobber eller kanskje en kobber-sølvlegering. Hvis du tåler lavere ledningsevne, kan du velge en legering med bedre mekaniske egenskaper.
Termisk ledningsevne:Lignende avveining-. Rent kobber er ca 390-400 W/m·K. Messing er mer som 100-150 W/m·K. Aluminiumsbronse er 60-80 W/m·K.
Varmeavledere og kokekar bruker rent kobber eller høy-kobberlegeringer. Strukturelle ting kan bruke legeringer med lavere ledningsevne.
Korrosjonsbestandighet:Kobberlegeringer motstår generelt atmosfærisk korrosjon godt. De danner en beskyttende patina (den grønne oksidasjonen du ser på gamle kobbertak) som bremser ytterligere korrosjon.
Sjøvann er vanskeligere. Rent kobber korroderer sakte men jevnt. Aluminiumsbronse og kobber-nikkel er mye bedre i sjøvann. Messing kan lide av avzinking under visse forhold - sinken lekker ut og etterlater porøst kobber. Du trenger hemmet messinglegeringer eller bare unngå messing i sjøvann.
Bearbeidbarhet:Blyholdig messingmaskin vakkert. Fri-messing (C36000 - 61.5% kobber, 35,5% sink, 3% bly) er gullstandarden. Den er vurdert til 100 % på maskinbarhetsskalaen, og alt annet sammenlignes med den.
Rene kobbermaskiner fryktelig. For myk, for gummiaktig. Du får dårlig overflatefinish og oppbygd-kant på skjæreverktøyet.
Aluminium bronse maskiner dårlig på grunn av de harde aluminium oksid partikler.
Beryllium kobber maskiner godt, men du må håndtere toksisitet bekymringer.
Koste:Rent kobber er grunnlinjen. Sink er billig, så messing er faktisk billigere enn rent kobber per pund selv om du "fortynner" kobberet.
Tinn er dyrt, så bronse koster mer. Nikkel er dyrt, så kobber-nikkel koster mer. Beryllium er vanvittig dyrt, så beryllium kobber koster mye mer.
Kobberprisen for 2024-2025 har hoppet rundt 8 000-10 000 dollar per tonn. Sink er som $2500-3000 per tonn. Så å tilsette sink sparer penger. Tinn er $25.000-30.000 per tonn. Å legge til tinn øker kostnadene.
Materialkostnader styrer mange valg av legeringer i kommersielle produkter.
Vanlige applikasjoner (hvor du faktisk ser disse tingene)
Elektrisk og elektronikk:
Tråd og kabel - for det meste rent kobber, noen ganger kobberlegeringer for styrke
Bussskinner - rent kobber
Trykte kretskort - kobberfolie på glassfiber
Koblinger og kontakter - fosforbronse, berylliumkobber
Leadframes for halvlederbrikker - kobberlegeringer
VVS og VVS:
Rør og rør - rent kobber (C12200 - "DHP-kobber" - deoksidert høyt fosfor)
Fittings - messing (C36000 eller bly-ekvivalenter)
Varmevekslere - messing eller kobber-nikkel
Ventiler - messing, bronse, noen ganger aluminiumsbronse
Marine:
Propeller - mangan bronse eller aluminium bronse
Sjøvannsrør - kobber-nikkel (90-10 eller 70-30)
Skrogbeklædning (historisk) - Muntz-metall eller kobber
Festemidler - silisiumbronse
Mekanisk:
Lagre og foringer - fosforbronse, aluminiumsbronse
Gears - fosforbronse, aluminiumsbronse
Fjærer - fosforbronse, berylliumkobber
Sveisespisser - krom kobber (kobber + 0.5-1 % krom for høy-temperaturstyrke)
Arkitektonisk:
Taktekking og kledning - rent kobber, forvitrer til grønn patina
Dørbeslag - messing, bronse
Dekorative elementer - ulike kobberlegeringer avhengig av ønsket farge og finish
Bil:
Radiatorer - messingrør (pleide å være, nå for det meste aluminium)
Elektriske ledninger - rent kobber
Lagre - bronse, bimetall (stålstøttet med bronse)
Bremseledninger - kobber-nikkel
Problemer og begrensninger
Oppgave 1: Kobber er dyrt og flyktig
Kobberprisene svinger vilt basert på global etterspørsel. Under finanskrisen i 2008 falt kobber fra $8000/tonn til $3000/tonn på noen få måneder. Så kom det tilbake. Under covid-forsyningskjeden i 2021–2022 steg kobberet til $10,000+/tonn.
Hvis du produserer produkter med kobberlegeringer, dreper disse prissvingningene marginene dine. Du må enten sikre deg på råvaremarkedene (komplisert og risikabelt) eller overføre kostnadene til kunder (som ikke liker prisendringer).
Noen bransjer har gått bort fra kobber på grunn av dette. Aluminium erstattet messing i radiatorer. Plast erstattet kobber i noe rørleggerarbeid (PEX-rør). Ikke alltid til det bedre - Jeg stoler ikke på PEX på lang-sikt -, men kostnadene styrer beslutninger.
Oppgave 2: Vekt
Kobber er tungt. Tettheten er 8,96 g/cm³. Sammenlign med aluminium ved 2,70 g/cm³ eller titan ved 4,5 g/cm³.
For romfarts- eller bilapplikasjoner der vekt er viktig, er kobberlegeringer en ulempe. Med mindre du absolutt trenger den elektriske eller termiske ledningsevnen, velger du et lettere materiale.
Elektriske kjøretøy trenger tonnevis med kobber til motorer og ledninger. Dette tilfører vekt. Ingeniører prøver å minimere kobberbruk samtidig som ytelsen opprettholdes. Avveininger-over alt.
Problem 3: Miljøbestemmelsene endres stadig
Bly i messing var tidligere standard. Nå er det forbudt eller begrenset i de fleste rørleggerapplikasjoner. Rørleggerbransjen måtte omformulere alt.
Det er pågående diskusjoner om andre elementer også. Beryllium er strengt regulert på grunn av toksisitet. Noen ønsker å begrense nikkel i forbrukerprodukter på grunn av nikkelallergi.
Hver gang regelverket endres, må produsentene kvalifisere materialer og potensielt redesigne produkter. Dyrt og tidkrevende-.
Oppgave 4: Galvanisk korrosjon
Når du kobler kobberlegeringer til andre metaller i nærvær av en elektrolytt (som sjøvann eller til og med fuktighet), kan du få galvanisk korrosjon. Det mindre edle metallet korroderer raskere.
Kobber er ganske edelt (høyt på den galvaniske serien), så det får vanligvis andre metaller til å korrodere. Hvis du bolter kobberlegering til aluminium eller sink i et marint miljø, vil aluminiumet eller sinken korrodere raskt.
Du trenger isolerende skiver, belegg eller nøye materialvalg for å unngå dette. Det er en vanlig feil i design. Jeg har sett aluminiumsbraketter korrodere bort på måneder fordi en ingeniør boltet dem til en bronsekomponent uten isolasjon.
Oppgave 5: Spenningskorrosjonssprekker (SCC)
Noen kobberlegeringer er utsatt for spenningskorrosjonssprekker i visse miljøer. Messing kan sprekke i ammoniakkmiljøer. Dette kalles "season cracking" fordi det først ble observert i messingpatronhylser lagret i tropiske miljøer (ammoniakk fra nedbrytende organisk materiale).
Du må være klar over servicemiljøet og velge legeringer på riktig måte. Eller stress-avlaste deler etter forming for å redusere gjenværende spenninger. Eller bruk hemmede legeringer med tilsetninger som arsen eller tinn som reduserer SCC-følsomheten.
Oppgave 6: Bli med på utfordringer
Sveising av kobberlegeringer kan være vanskelig. Høy varmeledningsevne betyr at varmen forsvinner raskt - du trenger høy effekt for å lage en sveis. Aluminiumbronse er spesielt vanskelig å sveise på grunn av dannelsen av aluminiumoksid.
Lodding er ofte enklere enn sveising for kobberlegeringer. Men lodding krever spesifikke fyllmetaller og flussmidler. Og du må rengjøre alt grundig på forhånd, ellers blir loddefugen svak.
Jeg har hatt loddefuger fordi noen ikke har renset delene ordentlig. Fett- eller oljeforurensning hindrer loddetinn i å bli fuktig. Skjøten ser fin ut, men har ingen styrke. Smerter å feilsøke.
Hvorfor vi fortsatt bruker kobberlegeringer til tross for problemene
Fordi de jobber. Kobberlegeringer har en bevist merittliste som går tilbake tusenvis av år. Vi forstår deres oppførsel, vi har etablert produksjonsprosesser, gjenvinningsinfrastruktur finnes.
Elektrisk ledningsevne er vanskelig å slå - bare sølv er bedre og sølv er mye dyrere. For elektriske applikasjoner er kobber i utgangspunktet uerstattelig akkurat nå.
Korrosjonsbestandighet i marine miljøer er utmerket, spesielt for kobber-nikkel og aluminiumbronse. Bedre enn stål, bedre enn aluminium. Hvis du trenger sjøvannsmotstand, er kobberlegeringer vanligvis svaret.
De er også enkle å resirkulere. Kobber og kobberlegeringer kan omsmeltes og gjenbrukes i det uendelige uten nedbrytning. Skrapverdien er høy nok til at innsamlings- og gjenvinningsøkonomi fungerer. I motsetning til plast hvor resirkulering ofte ikke er økonomisk forsvarlig.
Omtrent 50 % av kobber som brukes over hele verden kommer fra resirkulerte kilder. Det er mye høyere enn de fleste andre materialer.
Alternativer og veibeskrivelser
Aluminium erstatter kobber i noen applikasjoner.Elektriske overføringslinjer bruker aluminium i stedet for kobber for lange avstander fordi vekt betyr mer enn ledningsevne. Radiatorer byttet til aluminium. Mindre varmeledningsevne, men lettere og billigere.
Men aluminium vil aldri helt erstatte kobber i elektronikk eller kraftproduksjon fordi konduktivitetsforskjellen er for stor.
Karbonmaterialer (grafen, karbon-nanorør) kan til slutt konkurrerei spesialapplikasjoner. Disse kan ha ekstremt høy elektrisk og termisk ledningsevne. Men vi er ikke i kommersiell skala ennå og kommer sannsynligvis ikke til å være det før om et tiår eller mer.
Avanserte legeringer er under utvikling.Kobber-krom-zirkonium har høy styrke pluss god ledningsevne. Noen kobber-jern-fosforlegeringer tilbyr interessante egenskapskombinasjoner. Mye forskning på å optimalisere legeringskjemi for spesifikke bruksområder.
Men ærlig talt? De viktigste kobberlegeringene vi bruker i dag - messing, bronse, kobber-nikkel - har eksistert i 50-100+ år. De jobber. Industrien er konservativ. Med mindre det er en tvingende grunn til å bytte, holder vi oss til det som er bevist.
Nye legeringer fyller for det meste nisjeapplikasjoner der standardlegeringene ikke helt fungerer. Som berylliumkobber fylte nisjen for ikke-gnistende høy-verktøy. Men de store volumapplikasjonene bruker de tradisjonelle legeringene.
Hva er egentlig viktig
Hvis du designer noe med kobberlegeringer, er dette det som betyr noe:
Hvilke egenskaper trenger du egentlig?Ikke over-spesifiser. Hvis du trenger korrosjonsbestandighet, men ikke høy styrke, bør du ikke velge en dyr legering med høy-styrke. Velg den billigste legeringen som oppfyller kravene.
Tåler du lavere ledningsevne?Hvis ja, har du langt flere legeringsalternativer og kan optimalisere for kostnader eller mekaniske egenskaper.
Hva er tjenestemiljøet?Etsende? Høy temperatur? slitasje? Dette driver valg av legeringer mer enn noe annet.
Fremstillingsmetode?Noen legeringer støpes godt, men maskinelt dårlig. Noen er ypperlige for stempling, men kan ikke forfalskes. Match legeringen til prosessen din.
Hva er volumet?For høyt volum er det viktig å optimalisere materialkostnadene. For lavt volum, bruk det som er lett tilgjengelig selv om det ikke er det absolutt billigste alternativet.
Sammenføyningsmetode?Hvis du trenger å sveise, eliminerer det noen legeringer eller krever spesielle prosedyrer.
Det meste av ingeniørarbeid handler om avveininger-og kompromisser. Kobberlegeringer er ikke annerledes. Det er sjelden en "beste" legering - bare den som best passer dine spesifikke krav og begrensninger.
Det ble lengre enn jeg hadde planlagt. Igjen.
Den korte versjonen: kobberlegeringer er kobber pluss andre ting for å gjøre det sterkere/hardere/billigere/bedre for spesifikke bruksområder. Det finnes hundrevis av legeringer, men de fleste applikasjoner bruker noen få dusin vanlige. Avveininger- mellom konduktivitet og mekaniske egenskaper. Fungerer godt for elektriske, marine, rørleggerarbeid, mekaniske applikasjoner. Dyrt, men resirkulerbart. Går ikke bort med det første til tross for alternativer.
Skrevet mens du drakk kaffe fra et moskva-mulekrus av kobber. Som sannsynligvis er messing med kobberbelegg. Eller kanskje bare kobber-belagt stål. Jeg burde virkelig sjekket.
Åh, og hvis du bearbeider de tøffe kobberlegeringene jeg nevnte - spesielt berylliumkobber eller aluminiumbronse - sjekk utsøkke EDM. Mye renere enn konvensjonell maskinering når du har å gjøre med harde materialer. Ingen støv, ingen utslitte-karbidinnsatser. Bare sier.