Bagaimana Matriks-Seng Tembaga Menanggapi Penambahan
Kuningan adalah paduan tembaga-seng, dan rasio keduanya menentukan apakah strukturnya berupa-fase alfa tunggal, alfa dupleks plus beta, atau beta dengan jumlah fase gamma yang semakin meningkat. Setiap unsur tambahan larut dalam salah satu fase tersebut, membentuk senyawanya sendiri, atau terpisah hingga batas butir, dan konsekuensinya sangat bergantung pada perubahan kelarutan terhadap suhu. Beberapa unsur hampir tidak larut dalam tembaga padat, beberapa hanya sedikit larut, dan lainnya larut dalam perbandingan berapapun. Karena kelarutan turun tajam pada pendinginan, suatu unsur yang tidak berbahaya dalam pengecoran dapat menjadi lapisan film yang rapuh atau jaringan partikel setelah penggulungan atau anil. Catatan di bawah membahas setiap elemen secara bergantian dan memberikan batasan yang penting dalam produksi.
Besi
Besi memiliki kelarutan yang sangat rendah dalam tembaga padat. Tampaknya sebagai partikel kaya besi-yang didistribusikan melalui matriks alfa, dan partikel tersebut bertindak sebagai pemurni butiran yang efektif dengan menetapkan batas butiran selama pengecoran dan pengerjaan panas. Pada kuningan tembaga 60 persen, penambahan dalam kisaran 0,3 hingga 0,6 persen menghasilkan efek pemurnian yang kuat, yang meningkatkan keuletan panas dan memberikan struktur yang lebih seragam melalui-penampang. Ada dua peringatan yang berlaku. Pertama, sisa besi yang diambil dari besi tua atau perkakas baja tidak mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap sifat mekanik kuningan biasa, jadi sedikit kontaminasi tidak menimbulkan masalah kualitas. Kedua, jika bahan tersebut harus lunak secara magnetis, seperti pada beberapa aplikasi instrumen dan pelindung, kandungan besi harus dijaga di bawah sekitar 0,3 persen, karena partikel kaya besi bersifat feromagnetik dan meningkatkan permeabilitas dan koersivitas.
Timbal dan Bismut
Timbal dan bismut adalah pengotor klasik yang berbahaya dalam kuningan, dan bismut adalah pengotor yang paling berbahaya di antara keduanya. Timbal pada dasarnya tidak dapat larut dan terkumpul sebagai partikel dalam eutektik titik leleh rendah pada batas butir. Pada kuningan alfa, kandungan timbal di atas sekitar 0,03 persen sudah cukup untuk menyebabkan kerapuhan panas, meskipun kinerja pengerjaan dingin sebagian besar tidak terpengaruh, dan pada kuningan dupleks, timbal tidak berpengaruh signifikan terhadap pengerjaan panas sehingga tingkat yang diizinkan bisa lebih tinggi. Perilaku itulah yang menyebabkan timbal sengaja ditambahkan ke-kuningan pemesinan bebas: partikel pembatas bertindak sebagai pemecah serpihan dan memungkinkan kecepatan pemotongan tinggi dengan penyelesaian permukaan yang baik. Bismut membentuk lapisan rapuh yang berkesinambungan di sepanjang batas butir, bukan partikel terpisah, sehingga membuat kuningan menjadi rapuh baik dalam pengerjaan panas maupun dingin, dan hal ini harus dikontrol jauh lebih ketat daripada timbal.
Bahaya lebih lanjut muncul setelah pengecoran. Jika kuningan canai dingin-yang mengandung timbal atau bismut di atas batas yang diizinkan dipanaskan terlalu cepat selama anil, fase batas leleh-rendah tidak dapat terdistribusi tepat waktu dan material retak secara tiba-tiba, suatu cacat yang dikenal dalam perdagangan sebagai keretakan api. Dalam praktiknya, ada dua solusi yang digunakan: pemanasan perlahan dan terkontrol hingga rentang kritis, atau penambahan sejumlah kecil zirkonium, yang mengikat unsur-unsur berbahaya menjadi senyawa-titik leleh-tinggi yang tidak lagi membasahi batasnya.
Fosfor dan Antimon
Fosfor hanya larut sedikit dalam tembaga alfa. Dalam jumlah kecil ia memurnikan butiran dan meningkatkan sifat mekanik kuningan, dan juga merupakan deoksidasi yang digunakan pada kadar tembaga di mana sisa fosfor dapat diterima. Namun, ketika kandungan fosfor melewati sekitar 0,05 persen, senyawa rapuh Cu3P mulai terbentuk dan kinerja pemrosesan menurun tajam, dengan retakan tepi dan kualitas permukaan yang buruk selama menggambar. Fosfor juga meningkatkan suhu rekristalisasi secara nyata dan menghasilkan ukuran butir rekristalisasi yang sangat tidak merata, yang merupakan masalah untuk deep drawing dan jadwal bright annealing.
Antimon berperilaku serupa tetapi karena alasan yang berbeda: kelarutannya dalam tembaga turun drastis seiring turunnya suhu, sehingga saat didinginkan, antimon terpaksa keluar hingga batas butir. Di bawah sekitar 0,1 persen ia membentuk Cu2Sb dalam jaringan kontinu, yang sangat menurunkan kinerja pengerjaan dingin, dan antimon juga menyebabkan kerapuhan panas. Dua tindakan penanggulangan telah dilakukan dengan baik. Menambahkan sedikit litium akan menghasilkan-senyawa Li3Sb dengan titik leleh tinggi, yang mengendap sebagai partikel halus di dalam butiran, bukan sebagai lapisan tipis batas, sehingga menghilangkan sebagian besar bahaya. Alternatifnya, karena antimon memiliki kelarutan tinggi dalam tembaga pada suhu tinggi, perlakuan larutan padat yang diikuti dengan pendinginan dapat meningkatkan kinerja kerja dingin kuningan yang mengandung antimon-dengan menjaga elemen tetap dalam larutan.
Timah, Mangan dan Aluminium
Timah larut dalam jumlah terbatas dalam kuningan alfa dan kuningan dupleks plus beta. Nilai praktisnya adalah pengendalian korosi: timah menghambat dezincifikasi, meningkatkan ketahanan terhadap air laut dan media yang sedikit asam, serta meningkatkan ketahanan aus, itulah sebabnya kuningan yang mengandung timah digunakan untuk perangkat keras kelautan, komponen pompa, dan komponen katup. Kelemahannya adalah timah mendorong segregasi terbalik pada ingot, sehingga praktik pengecoran dan waktu perendaman harus disesuaikan untuk menghindari gradien komposisi.
Mangan memiliki kelarutan yang tinggi dalam kuningan dan digunakan terutama sebagai penguat, meningkatkan kekuatan dan kekerasan sekaligus mempertahankan keuletan yang berguna. Kuningan yang mengandung mangan-juga dapat diquench dan dituakan, yang akan meningkatkan kekuatan dan kekerasan lebih lanjut serta membuatnya cocok untuk suku cadang aus, roda gigi, dan sangkar bantalan-tugas berat. Aluminium berperilaku berbeda karena ia mengontraksikan medan fase alfa dengan kuat. Ketika kandungan aluminium meningkat, fase gamma muncul; kekerasan meningkat, tetapi plastisitas turun dengan cepat, sehingga rentang kerja harus diperhatikan. Sisi positifnya, aluminium secara nyata meningkatkan fluiditas, yang berguna untuk coran berdinding tipis, dan aluminium kuningan banyak digunakan untuk tabung kondensor dan penukar panas karena lapisan permukaan yang dibentuknya menolak aliran air laut.
Menetapkan Batasan Komposisi dalam Praktek
Angka-angka di atas tidak berdiri sendiri. Penghalusan besi hanya membantu jika bahannya tetap panas-dapat dikerjakan, yang bergantung pada timbal dan bismut yang berada di bawah batas kemampuannya. Penambahan timah untuk ketahanan terhadap korosi harus seimbang terhadap segregasi pengecoran, dan penambahan aluminium terhadap hilangnya keuletan. Oleh karena itu, spesifikasi praktis menyatakan kisaran tembaga dan seng, batas atas untuk setiap residu berbahaya, dan penambahan minimum untuk setiap elemen paduan yang disengaja, bersama dengan struktur mikro dan ukuran butir yang diperlukan.
| Elemen | Tingkat tipikal | Efek utama | Mode kegagalan jika berlebihan |
|---|---|---|---|
| Fe | 0,3 hingga 0,6 persen disengaja | Kehalusan butiran, keuletan panas | Permeabilitas magnetik di atas sekitar 0,3 persen |
| hal | Di bawah 0,03 persen pada kuningan alfa | Kemampuan mesin bila ditambahkan dengan sengaja | Kerapuhan panas, retak api pada pemanasan cepat |
| Dua | Residu yang sangat terbatas | Alternatif pemesinan-bebas timah bila dikontrol | Film batas rapuh terus menerus, kerapuhan panas dan dingin |
| P | Di bawah 0,05 persen | Deoksidasi, pemurnian butiran pada tingkat rendah | Pembentukan Cu3P, pengerjaan dingin yang buruk |
| Sb | Di bawah 0,1 persen | Tidak ada yang bermanfaat sebagai sisa | Jaringan batas Cu2Sb, kerapuhan panas |
| sn | Sekitar 1 persen pada timah kuningan | Ketahanan dezincifikasi, ketahanan aus | Segregasi terbalik ingot |
| M N | Hingga beberapa persen | Kekuatan dan kekerasan, pengerasan usia | Mengurangi konduktivitas dan kinerja termal |
| Al | Sekitar 2 persen pada aluminium kuningan | Fluiditas, stabilitas lapisan air laut | Fase gamma, hilangnya plastisitas |
Latihan lelehan sama pentingnya dengan analisis. Penyortiran sisa mengontrol besi, timbal, bismut, dan antimon dalam satu langkah, dan fluks penutup serta bahan muatan bersih membatasi pengambilan yang tidak dapat diperbaiki oleh spesifikasi apa pun setelahnya. Verifikasi harus menggabungkan analisis spektrokimia panas, pemeriksaan struktur mikro untuk film batas dan keseimbangan fasa, dan pengujian mekanis pada suhu yang benar-benar akan digunakan oleh pelanggan.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
T: Mengapa penambahan timah dalam jumlah kecil membuat kuningan lebih mudah dikerjakan?
Timbal praktis tidak larut dalam tembaga, sehingga membentuk partikel lunak pada batas butir dan pada eutektik. Partikel-partikel tersebut mengganggu chip dan melumasi antarmuka pemotongan, memungkinkan kecepatan lebih tinggi dan penyelesaian permukaan lebih baik. Fase batas yang sama adalah alasan mengapa batas timbal menjadi ketat pada paduan yang harus dikerjakan dengan panas.
T: Apakah bismut dapat menggantikan timbal dalam kuningan{0}}yang dikerjakan secara bebas?
Itu bisa digunakan, tapi batasannya jauh lebih ketat. Bismut membentuk lapisan tipis yang terus-menerus rapuh dibandingkan partikel-partikel yang terpisah, sehingga keuletan panas dan dingin akan berkurang lebih awal. Nilai yang mengandung bismut-membutuhkan kontrol yang cermat terhadap komposisi dan laju pemanasan.
T: Apa yang dimaksud dengan keretakan api dan bagaimana cara mencegahnya?
Ini adalah keretakan tiba-tiba pada kuningan canai dingin-selama anil ketika fase batas bantalan timbal atau bismut tidak dapat didistribusikan kembali karena laju pemanasan terlalu cepat. Cegah hal ini dengan pemanasan yang terkontrol secara perlahan, dengan menjaga elemen berbahaya tetap berada di dalam spesifikasi, atau dengan menambahkan zirkonium untuk membentuk senyawa-yang memiliki titik leleh tinggi.
T: Bagaimana timah meningkatkan ketahanan terhadap korosi?
Timah dalam larutan padat menghambat hilangnya seng secara selektif yang dikenal sebagai dezincifikasi, sehingga paduan tersebut mempertahankan kekuatannya dan tidak mengembangkan lapisan tembaga berpori. Timah juga meningkatkan ketahanan aus, dengan mengorbankan kecenderungan segregasi yang lebih besar pada ingot.
T: Apakah besi selalu merugikan kuningan?
Tidak. Penambahan yang disengaja sekitar 0,3 hingga 0,6 persen pada 60 persen tembaga kuningan akan menghaluskan butiran dan meningkatkan keuletan panas, dan sisa besi memiliki pengaruh yang kecil terhadap sifat mekanik biasa. Ini hanya menjadi masalah jika bahannya harus lunak secara magnetis.
T: Mengapa fosfor dibatasi secara ketat?
Di atas sekitar 0,05 persen ia membentuk fase rapuh Cu3P, yang mengurangi kinerja pengerjaan dingin, dan juga meningkatkan suhu rekristalisasi dan menghasilkan pertumbuhan butiran yang tidak merata selama anil.
