آلیاژ فسفر برنز چیست و چه خواصی دارد؟

آلیاژ فسفر برنز فلزی است که از ترکیب مس با مقدار کمی قلع و فسفر ساخته می‌شود تا محکم‌تر، بادوام‌تر و مقاوم‌تر در برابر سایش و خوردگی باشد. جالب است بدانید فسفر برنز در نسل‌های اولیه نوارهای ضبط صوت به‌عنوان لایه‌ی رسانای فلزی به کار می‌رفت؛ چون در آن دوران تنها آلیاژی بود که هم مقاومت بالایی در برابر خستگی داشت و هم در برابر خوردگی پایدار می‌ماند.

در این مقاله ضمن پاسخ به این سوال که آلیاژ فسفر برنز چیست، ترکیب شیمیایی و ساختار این آلیاژ را بررسی می‌کنیم. همچنین علاوه‌بر بررسی خواص فیزیکی برنز فسفردار، کاربردهای آن را معرفی می‌کنیم و به واکاوی تفاوت آلیاژهای برنز و فسفر برنز می‌پردازیم. در ادامه این بلاگ از مجله آلورفولاد همراه ما باشید.

آلیاژ فسفر برنز چیست؟

آلیاژ فسفر برنز (به‌انگلیسی: Phosphor Bronze) نوعی فلز ترکیبی است که بیشتر از مس تشکیل شده‌است و مقدار کمی قلع و فسفر به آن اضافه می‌شود. قلع باعث می‌شود آلیاژ محکم‌تر شود و دیرتر دچار خوردگی شود. فسفر نیز استحکام، سختی و مقاومت در برابر سایش را بالا می‌برد. نتیجه این ترکیب، فلزی بادوام و قابل‌اعتماد است که هم انعطاف‌پذیری خوبی دارد و هم برای کارهای دقیق مناسب است. 

به‌خاطر همین خصوصیات مکانیکی پایدار، فسفر‌برنز در جاهایی که لرزش، بارگذاری تکراری یا تماس لغزشی وجود دارد، عملکرد بسیار مطمئنی ارائه می‌دهد. از این رو، در برخی سازه‌ها و تجهیزات تحت فشار، قطعات برنزیِ مقاوم به سایش در کنار ورق‌های فولادی مانند ورق a516 به‌کار می‌روند تا هم طول عمر مجموعه افزایش یابد و هم عملکرد سیستم در شرایط دمایی و تنشی مختلف حفظ شود.

ترکیب شیمیایی و ساختار فسفر برنز

آلیاژ فسفر برنز (Phosphor Bronze) ترکیبی از مس (Cu)، قلع (Sn) و فسفر (P) است. فسفر در این آلیاژ اغلب بین ۰٫۰۱ تا حدودا ۰٫۵ درصد است، در حالی که قلع می‌تواند از حدود ۳٫۵ درصد تا بیش از ۱۰ درصد باشد (بسته به گرید). باقی‌مانده سهم آلیاژ تقریبا مس است.

از نظر عملکرد، فسفر در آلیاژ فسفر برنز نقش کلیدی دارد: علاوه‌بر افزایش مقاومت به سایش و سختی، به‌عنوان عامل «اکسیژن‌گیر» (deoxidizer) هنگام ذوب عمل می‌کند؛ یعنی فسفر با اکسیژن ترکیب می‌شود و از تشکیل اکسیدهای ضعیف جلوگیری می‌کند که می‌توانند ساختار آلیاژ را ترد و شکننده کنند.

در ریزساختار فسفر برنز، فسفر می‌تواند باعث تشکیل ذرات فسفید مس (مثل Cu₃P) شود؛ این ذرات، مدول الاستیسیته (سختی کلی) را بالا می‌برند و بهبود خستگی آلیاژ را ممکن می‌سازند، به‌خصوص در کاربردهایی که آلیاژ به‌صورت فنری یا در برابر بارگذاری متناوب استفاده می‌شود. 

در ادامه، جدول ترکیب شیمیایی گریدهای رایج آلیاژ فسفر برنز را مشاهده می‌کنید:

گرید آلیاژ	Cu (مس)	Sn (قلع)	P (فسفر)	سایر عناصر (حداکثر)
C51000	باقیمانده (~94–97٪)	~4.2–5.8٪	~0.03–0.35٪	Fe ≤ 0.10٪، Zn ≤ 0.30٪
C54400	باقیمانده	~3.5–4.5٪	~0.01–0.50٪	Pb ~3.0–4.0٪، Zn تا ~4.5٪، Fe تا 0.10٪
PB1 (CuSn10P)	باقیمانده (~87–89٪ بسته به منبع)	~10–13٪	~0.05–0.40٪	Fe ≤ 0.10٪، Al ≤ 0.01٪، Ni ≤ 0.10٪، Pb حدود 0.25٪

خواص فیزیکی و مکانیکی آلیاژ فسفر برنز

آلیاژ فسفر برنز با ترکیب دقیق مس، قلع و میزان کنترل‌شده فسفر، مجموعه‌ای از ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی برجسته را به‌وجود می‌آورد که آن را برای کاربردهای صنعتی، الکتریکی و قطعات حساس مکانیکی بسیار مناسب می‌سازد. وجود فسفر در این آلیاژ ضمن افزایش مقاومت سایشی، موجب بهبود کارپذیری، استحکام و دوام آن در برابر خستگی می‌شود. 

همین ویژگی‌ها باعث شده‌است فسفر برنز در صنایعی مانند الکترونیک، فنرسازی، ابزار دقیق، اتصالات الکتریکی و حتی صنایع موسیقی جایگاه مهمی داشته باشد.

در جدول زیر مهم‌ترین خواص فیزیکی و مکانیکی فسفر برنز گردآوری شده‌است:

خاصیت	مقدار تقریبی
چگالی	حدود 8.80–8.87 g/cm³
مدول الاستیسیته	حدود 110 GPa
مقاومت کششی	324-965 MPa برای C51000
حد تناسب (Yield strength)	131-552 MPa بسته به عملیات
رسانایی الکتریکی	حدود 10-17 % IACS
ضریب انبساط حرارتی	حدود 17.8 µm/m-°C در 20-300 °C

در همین رابطه، وب‌سایت Xometry می‌نویسد:

“Phosphor bronze wire is a type of wire known for its excellent combination of properties, including: high tensile strength, good electrical conductivity, corrosion resistance, and fatigue resistance.”
«سیم فسفر برنز به‌خاطر ترکیب چشمگیر خواص خود از جمله مقاومت کششی بالا، رسانایی الکتریکی مناسب، مقاومت عالی در برابر خوردگی و مقاومت قابل‌توجه در برابر خستگی شناخته می‌شود.»

مقاومت در برابر خوردگی، سایش و خستگی

در میان آلیاژهای پایه‌مس، فسفر‌ برنز به‌واسطه ترکیب دقیق عناصر و ریزساختار مهندسی‌شده‌اش عملکردی متمایز ارائه می‌دهد. آلیاژ فسفر‌برنز با ترکیب اصلی مس، قلع و مقدار کمی فسفر، یکی از گزینه‌های بسیار مقاوم در برابر خوردگی، سایش و خستگی است. قلع در آن باعث افزایش مقاومت به خوردگی و استحکام می‌شود، در حالی که فسفر ساختار دانه‌ای ریزتری ایجاد می‌کند و سختی و مقاومت به سایش را بالا می‌برد. 

این خواص ترکیبی، به‌ویژه استحکام کششی و مدول الاستیسیته بالا، موجب می‌شود که فسفر‌ برنز در کاربردهایی با بارهای تکراری یا دینامیک (مثل فنرها، یاتاقان‌ها و اتصالات الکتریکی) دچار خستگی نشود و عمر طولانی داشته باشد.

افزون بر این، پایداری حرارتی خوب آلیاژ مانع افت خواص مکانیکی در محیط‌های گرم می‌شود و امکان استفاده در سامانه‌های با ارتعاش بالا را فراهم می‌کند. همچنین لایه اکسیدی پایدار تشکیل‌شده روی سطح آن، دوام در برابر رطوبت و مواد خورنده را افزایش می‌دهد و نیاز به نگهداری را به‌حداقل می‌رساند.

ویژگی	نقش / اثر	نتیجه عملکردی
حضور قلع	افزایش مقاومت به خوردگی و استحکام	دوام بیشتر در محیط‌های خورنده
حضور فسفر	ریزدانه‌کردن ساختار، افزایش سختی و مقاومت سایشی	مقاومت بالا در برابر سایش و بارهای تکراری
استحکام کششی و مدول بالا	تحمل تنش‌های دینامیکی	کاهش خستگی و افزایش عمر کاری
پایداری حرارتی	جلوگیری از افت خواص در دماهای بالا	کارکرد پایدار در شرایط گرم و پرفشار
لایه اکسیدی پایدار	محافظت در برابر رطوبت و مواد خورنده	کاهش نیاز به نگهداری و افزایش طول عمر سطح

تفاوت آلیاژهای برنز و فسفر برنز چیست؟

در مقایسه آلیاژ برنز و فسفر به سه تفاوت عمده برمی‌خوریم:

1. برنز به‌طور معمول آلیاژی از مس با قلع (یا عناصر دیگر) است که درصد قلع آن اغلب حدود ۱۰-۱۲٪ می‌باشد و برای کاربردهای عمومی مانند مجسمه‌سازی یا تولید قطعات تزئینی به‌کار می‌رود.
2. فسفر برنز، نوعی خاص از برنز است که علاوه‌بر مس و قلع، مقدار کمی فسفر نیز دارد؛ این فسفر باعث افزایش مقاومت به سایش، مقاومت به خستگی و بهبود ریخت‌پذیری می‌شود.
3. نتیجه این است که فسفر برنز نسبت به برنز معمولی دارای استحکام بیشتر، دوام کاری بهتر و اغلب قیمت بالاتر است و بیشتر در قطعاتی کاربرد دارد که نیاز به عملکرد طولانی مدت و شرایط سخت دارند.

نکته: انتخاب میان برنز و فسفر برنز کاملا وابسته به کاربرد آن است؛ اگر مقاومت، عمر کاری و پایداری در برابر خستگی اولویت باشد، فسفر برنز مناسب‌تر است، اما برای ساختارهای تزئینی یا قطعاتی با فشار کمتر، آلیاژ برنز معمولی کارایی کافی ارائه می‌دهد و مقرون‌به‌صرفه است.

کاربردهای صنعتی و تخصصی فسفر‌برنز

در این بخش با مهم‌ترین حوزه‌های کاربرد فسفر‌برنز آشنا می‌شوید؛ مواردی که نشان می‌دهند چرا این آلیاژ در صنایع مختلف یک ماده مهم و قابل اتکاست:

• فنرهای صنعتی دقیق: به‌دلیل الاستیسیته بالا، پایداری در بارهای تکراری و مقاومت خستگی، برای فنرهای حساس ابزارآلات، تجهیزات کنترلی و سامانه‌های ارتعاشی استفاده می‌شود.
• بوش‌ها و یاتاقان‌های لغزشی: اصطکاک کم، مقاومت سایشی بالا و پایداری ابعادی باعث می‌شود بوش‌ها و یاتاقان‌های فسفر‌برنزی در پمپ‌ها، گیربکس‌ها و ماشین‌آلات سنگین عملکرد طولانی مدت داشته باشند.
• کنتاکت‌ها و قطعات الکتریکی: رسانایی مطلوب همراه با فنریت مناسب موجب شده‌است تا این آلیاژ برای سوئیچ‌ها، رله‌ها، کنتاکت‌های فنری و پین‌های اتصال کاملا استاندارد باشد.
• قطعات سامانه‌های حرارتی: به‌خاطر مقاومت به خوردگی و انتقال حرارت خوب، در لوله‌ها، فین‌ها و مبدل‌های حرارتی به‌خصوص در محیط‌های خورنده استفاده می‌شود.
• کاربردهای دریایی: پایداری در آب شور موجب کاربرد در پروانه‌ها، قطعات کنترلی و اجزای سازه‌ای شناورها می‌شود.
• ابزارهای دقیق و تجهیزات پزشکی: به‌علت پایداری مکانیکی، زیست‌سازگاری و مقاومت به محیط‌های خورنده، در قطعات دندان‌پزشکی، ابزارهای ظریف و تجهیزات حساس کاربرد دارد.
• آلات موسیقی: به‌دلیل خواص آکوستیکی پایدار در سازهایی مانند بلز و برخی قطعات بادی استفاده می‌شود.

فسفر‌برنز به‌لطف دوام بالا، مقاومت سایشی و پایداری حرارتی، به‌طور معمول در کنار ورق‌های آلیاژی که در تجهیزات تحت فشار، بویلرها و سازه‌های صنعتی استفاده می‌شوند، قرار می‌گیرد. این ورق‌ها، مانند ورق‌های مقاوم به حرارت، ورق‌های مخزنی و ورق‌های قابل‌جوشکاری بالا، در بسیاری از سیستم‌ها نیازمند قطعاتی‌اند که بتوانند در برابر بارهای دینامیکی و محیط‌های خورنده عملکرد پایدار داشته باشند؛ جایی که فسفر‌برنز نقش یک مکمل مقاوم و قابل‌اعتماد را ایفا می‌کند.

مجموعه آلور فولاد انواع ورق‌های آلیاژی و مخزنی را به‌صورت تخصصی به سراسر کشور عرضه می‌کند و امکان استعلام مستقیم و دقیق قیمت را برای شما فراهم کرده‌است. بنابراین اگر قصد دارید انتخاب مواد پروژه را با تحلیل فنی–اقتصادی کامل انجام دهید، می‌توانید قیمت انواع ورق آلیاژی پرکاربرد از جمله قیمت ورق a283 را از آلور فولاد استعلام بگیرید و به‌آسانی اقدام به خرید کنید.

تولید، ریخته‌گری و فرایندهای حرارتی/شکل‌پذیری فسفر‌برنز

فسفر‌ برنز را اغلب با ذوب کنترل‌شده مس، قلع و فسفر ساخته و سپس ریخته‌گری می‌کنند؛ روش‌هایی مثل ریخته‌گری ماسه‌ای، ریخته‌گری گریز از مرکز یا قالب دائمی برای آن به‌کار می‌رود. در فرایند حرارتی، آنیل‌کردن در دمای حدود ۵۵۰–۷۰۰ درجه‌سانتی‌گراد باعث کاهش تنش‌ داخل ساختار و افزایش شکل‌پذیری می‌شود.

اگر نیاز به سختی بالاتر باشد، می‌توانیم عملیات‌هایی مثل تزاروی محلول (Solution treatment) و پیرسازی (Aging) را روی فسفر‌ برنز انجام دهیم تا مقاومت آن افزایش یابد. از نظر شکل‌پذیری نیز این آلیاژ به‌خوبی به کار سرد مثل نورد یا کشش واکنش نشان می‌دهد و پس از آنیل، قابلیت تغییر شکل بیشتری پیدا می‌کند. 

فسفر برنز؛ آلیاژی همه‌کاره با دوام و عملکرد پایدار

فسفر برنز ترکیبی از مس، قلع و فسفر است که با ریزساختاری مقاوم و استحکام بالا، عمر طولانی و عملکرد پایدار در محیط‌های سخت ارائه می‌دهد. این آلیاژ، انعطاف‌پذیری فنری و مقاومت سایشی را با رسانایی مناسب و پایداری حرارتی ترکیب می‌کند. 

به‌عبارت دیگر، فسفر برنز مثل یک «ابزار چندکاره صنعتی» است که هم می‌سازد، هم محافظت می‌کند و هم دوام می‌آورد. با این ویژگی‌ها، فسفر برنز به‌عنوان انتخابی مطمئن و همه‌جانبه در صنایع مختلف شناخته می‌شود.

سوالات متداول

۱. آلیاژ فسفر برنز چیست؟
آلیاژ فسفر برنز ترکیبی از مس، قلع و مقدار کمی فسفر است که مقاومت به خوردگی، سختی و دوام بالایی دارد و برای کاربردهای دینامیک و دقیق مناسب است.

۲. فسفر در آلیاژ فسفر برنز چه نقشی دارد؟
فسفر ساختار دانه‌ای ریز ایجاد می‌کند، مقاومت سایشی را بالا می‌برد و به‌عنوان اکسیژن‌گیر، هنگام ذوب از ترد شدن آلیاژ جلوگیری می‌کند.

۳. تفاوت فسفر برنز با برنز معمولی چیست؟
فسفر برنز علاوه‌بر مس و قلع، مقدار کمی فسفر دارد که باعث افزایش دوام، مقاومت به خستگی و سختی بیشتر نسبت به برنز معمولی می‌شود.

۴. مهم‌ترین کاربردهای فسفر برنز کدامند؟
فنرهای دقیق، بوش‌ها و یاتاقان‌های لغزشی، قطعات و کنتاکت‌های الکتریکی، قطعات دریایی، تجهیزات پزشکی و برخی آلات موسیقی.

۵. آیا فسفر برنز در محیط‌های گرم هم پایدار است؟
بله، پایداری حرارتی این آلیاژ مانع افت خواص مکانیکی در دماهای بالا می‌شود و عملکرد پایدار در سامانه‌های ارتعاشی و تحت فشار را تضمین می‌کند.

۶. روش‌های تولید و شکل‌دهی فسفر برنز چیست؟
ریخته‌گری کنترل‌شده و سپس عملیات حرارتی مثل آنیل، پیرسازی یا تزاروی محلول؛ همچنین این آلیاژ به‌خوبی تحت کار سرد مثل نورد یا کشش قرار می‌گیرد.

۷. مقاومت فسفر برنز در برابر خوردگی و سایش چگونه است؟
به‌واسطه ترکیب مس، قلع و فسفر و لایه اکسیدی پایدار سطحی، فسفر برنز در برابر خوردگی و سایش بسیار مقاوم است و نیاز به نگهداری کم دارد.