Что такое бронза: виды сплава, состав и свойства. Классификация, марки, характеристики бронзовых составов Бронза характеристики и применение

В основе которого лежит медь. Вспомогательными металлами могут быть никель, цинк, олово, алюминий и другие. В этой статье мы рассмотрим виды, технологические признаки, хим. состав бронзы, а также способы ее изготовления.

Классификация

1. По химическому составу этот металл принято делить на две группы. Первая - это оловянные бронзы. В них олово является главным легирующим элементом. Вторая - безоловянные. Ниже мы поговорим об этом более подробно.

2. По технологическим признакам бронзы принято делить на деформируемые и литейные. Первые хорошо обрабатываются под давлением. Вторые используются при фасонных отливках.

Этот металл по сравнению с латунью обладает гораздо лучшими антифрикционными, механическими свойствами, а также коррозийной стойкостью. По сути, бронза - сплав меди и олова (как основного вспомогательного элемента). Никель и цинк здесь не являются главными легирующими элементами, для этого используют такие компоненты, как алюминий, олово, марганец, кремний, свинец, железо, бериллий, хром, фосфор, магний, цирконий и другие.

Оловянные бронзы: литейные

Давайте разберемся, что представляет собой такой металл. Оловянная бронза (фото, приведенное ниже, демонстрирует литые детали) - это сплав, у которого жидкотекучесть ниже, чем у других видов. Однако она имеет несущественную объемную усадку, что позволяет получать фасонные бронзовые отливки. Указанные свойства обуславливают активное применение бронзы при литье антифрикционных деталей. Также рассматриваемый сплав применяют при изготовлении арматуры, предназначенной для эксплуатации в водной среде (в том числе в морской воде) или в водяном паре, в маслах и под высоким давлением. Существуют и так называемые нестандартные литейные бронзы ответственного назначения. Они используются в производстве подшипников, шестерен, втулок, частей насосов, малоуплотнительных колец. Такие детали предназначены для работы в условиях высокого давления, при больших скоростях и малых нагрузках.

Свинцовые бронзы

Этот подвид литейных оловянных сплавов применяется в изготовлении подшипников, сальников и фасонных отливок. Характеризуются такие бронзы невысокими механическими свойствами, вследствие чего в процессе изготовления подшипников и втулок их просто наносят на стальную основу в виде весьма тонкого слоя. Сплавы же с повышенным содержанием олова имеют более высокие механические свойства. Поэтому они могут использоваться без стальной основы.

Оловянные бронзы: деформируемые

Сплавы, обрабатываемые давлением, принято делить на следующие группы: оловянно-фосфористые, оловянно-цинковые и оловянно-цинково-свинцовые. Они нашли свое применение в целлюлозно-бумажной промышленности (из них делают сетки) и машиностроении (производство пружин, подшипников и деталей машин). Кроме того, эти материалы применяются при изготовлении биметаллических изделий, прутков, лент, полос, зубчатых колес, шестерен, втулок и прокладок высоконагруженных машин, трубок контрольно-измерительных приборов, манометрических пружин. В электротехнике широкое применение бронзы (деформируемой) объясняется отличными механическими свойствами (наряду с высокими электрическими характеристиками). Она используется при изготовлении токоведущих пружин, контактов. В химической промышленности из оловянных бронз производят пружинную проволоку, в точной механике - арматуру, в бумажной промышленности - шаберы, в автомобильной и автотракторной - втулки и подшипники.

Эти сплавы могут поставляться в особо твердом, твердом, полутвердом и мягком (отожженном) состоянии. Оловянные бронзы обычно обрабатываются холодными (методом прокатки или волочением). Горячий металл подвергается только прессованию. Под давлением бронза прекрасно обрабатывается как в холодном, так и в горячем виде.

Бериллиевая бронза

Это сплав, относящийся к группе дисперсионно-твердеющих металлов. Он обладает высокими механическими, физическими и упругими свойствами. Бериллиевая бронза отличается высоким уровнем жаропрочности, коррозионной стойкости и циклической прочности. Она устойчива к низкой температуре, не магнитится и не дает искрений при ударах. Закалка бериллиевых бронз осуществляется при температурах 750-790 градусов по Цельсию. Добавка кобальта, железа и никеля способствует при замедлению скорости фазовых превращений, это существенно облегчает технологию старения и закалки. Кроме того, добавление никеля способствует повышению температуры рекристаллизации, а марганец может заменить, пусть и не в полной мере, дорогостоящий бериллий. Указанные выше характеристики бронзы позволяют использовать этот сплав при изготовлении пружин, пружинящих деталей, а также мембран в часовой промышленности.

Сплав меди с марганцем

Такая бронза отличается особыми высокими механическими качествами. Она обрабатывается давлением, как в холодном, таки в горячем состоянии. Данный металл характеризуется повышенной жаропрочностью, а также коррозионной стойкостью. Сплав меди с добавлением марганца нашел широкое применение в топочной арматуре.

Кремниевая бронза

Это сплав, в состав которого входит никель, реже - марганец. Такой металл отличается сверхвысокими механическими, антифрикционными и упругими свойствами. При этом кремниевая бронза не теряет своей пластичности в условиях низкой температуры. Сплав хорошо паяется, обрабатывается давлением и при высоких, и при низких температурах. Рассматриваемый металл не магнитится, не искрит при ударах. Этим объясняется широкое применение бронзы (кремниевой) в морском судостроении при изготовлении антифрикционных деталей, подшипников, пружин, решеток, испарителей, сеток и направляющих втулок.

Литейные безоловянные сплавы

Данный вид бронз характеризуется хорошими коррозионными, антифрикционными свойствами, а также высокой прочностью. Они используются для изготовления деталей, которые эксплуатируются в особо тяжелых условиях. Это, например, клапаны, втулки, шестерни для мощных турбин и кранов, червяки, которые работают в спарке с упрочненными стальными деталями, подшипники, работающие в условиях высокого давления и при ударных нагрузках.

Как сделать бронзу?

Изготовление этого металла необходимо проводить в специальных печах, применяемых для выплавки медных сплавов. Шихту для бронзы можно составить из свежих металлов или же с добавлением вторичных отходов. Процесс плавки обычно осуществляют под слоем флюса или древесного угля.

Процесс с использованием шихты из свежих металлов происходит в определенной последовательности. Сначала в сильно разогретую печь загружается необходимое количество флюса или древесного угля. Затем туда помещают медь. Дождавшись ее расплавления, повышают температуру нагрева до 1170 градусов. После этого расплав необходимо раскислить, для чего добавляют фосфористую медь. Этот процесс можно проводить в два приема: непосредственно в печи, а затем в ковше. В таком случае добавка вводится в равных пропорциях. Далее в расплав добавляют подогретые до 120 градусов необходимые легирующие элементы. Тугоплавкие компоненты следует вводить в виде лигатур. Далее расплавленная бронза (фото, приведенное ниже, демонстрирует процесс выплавки) перемешивается до полного растворения всех добавленных веществ и нагревается до заданной температуры. При выдаче полученного сплава из печи, перед разливкой, его необходимо окончательно раскислить остатком (50%) фосфористой меди. Это делается для высвобождения бронзы от окислов и повышения жидкотекучести расплава.

Выплавка на основе оборотных материалов

Для того чтобы изготовить бронзу с использованием вторичных металлов и отходов, плавку следует производить в следующем порядке. Сначала расплавляют медь и раскисляют ее фосфористыми добавками. Затем добавляют в расплав оборотные материалы. После этого дожидаются полного расплавления металлов и вводят легирующие элементы в соответствующей последовательности. В том случае, если шихта состоит из малого количества чистой меди, следует сначала расплавлять оборотные металлы, а затем добавлять медь и легирующие элементы. Плавка проводится под слоем флюса или древесного угля.

После расплавления шихты и нагрева ее до требуемой температуры проводится окончательное раскисление смеси фосфористой медью. Далее расплав накрывают сверху прокаленным углем либо просушенным флюсом. Расход последнего составляет 2-3 процента от массы металла. Нагретый расплав выдерживается 20-30 минут, периодически помешивается, а затем с его поверхности удаляется выделенный шлак. Все, бронза готова для литья. Для лучшего снятия шлака в ковш можно добавить который сгущает его. Чтобы определить, готова ли бронза для разливки в формы, проводится специальная технологическая проба. Излом такого образца должен быть однородным и чистым.

Алюминиевая бронза

Это сплав меди и алюминия в качестве легирующего элемента. Процесс плавки данного металла существенно отличается от приведенных выше, что объясняется химическими особенностями вспомогательного компонента. Рассмотрим, как сделать бронзу с использованием алюминиевых легирующих компонентов. При изготовлении этого вида сплава с использованием оборотных материалов в шихте операцию по раскислению фосфористыми компонентами не применяют. Это объясняется тем, что фосфор характеризуется меньшим сродством к молекулам кислорода, чем алюминий. Также следует знать, что данный вид бронзы весьма чувствителен к перегревам, поэтому температура не должна превышать 1200 градусов. В перегретом же состоянии алюминий окисляется, и бронзовый сплав насыщается газами. Кроме того, окись, образованная при плавке такого вида бронзы, не восстанавливается путем добавления раскислителей, и ее весьма трудно удалить из расплава. Окисная пленка имеет очень высокую температуру плавления, что существенно снижает жидкотекучесть бронзы и вызывает брак. Плавка проводится очень интенсивно, на верхних пределах температур нагрева. Кроме того, не следует задерживать готовый расплав в печи. При плавке алюминиевой бронзы в качестве покрывающего слоя рекомендуется использовать флюс, который состоит на 50% из и на 50% из криолита.

Готовый расплав перед разливкой по формам рафинируют путем введения в него хлористого марганца либо хлористого цинка (0,2-0,4% от общей массы шихты). После этой процедуры сплав следует выдержать пять минут до полного прекращения газовыделения. После чего смесь доводят до требуемой температуры и разливают в формы.

С целью предупреждения ликвации в расплав бронзы с высоким содержанием свинцовых примесей (50-60%) рекомендуется добавлять 2-2,3% никеля в виде медноникелевых лигатур. Или же в качестве флюсов необходимо использовать сернокислую соль щелочных металлов. Никель, серебро, марганец, если они входят в состав бронзы, следует вводить в расплав до процедуры присадки олова. Кроме того, для улучшения качества получаемого сплава ее иногда модифицируют незначительными добавками на основе тугоплавких металлов.

С незапамятных времён человечество добывало бронзу. Множество археологических раскопок, в которых были найдены древнейшие артефакты - изделия из бронзы, подтверждают распространение этого сплава в далёком прошлом.

Её использовали как в военных целях - для изготовления холодного оружия, пушек и ядер для них, так и для создания прекрасных произведений искусства - ювелирных украшений и скульптур.

История

Одно из наиболее известных мест, где были найдены бронзовые изделия, располагалось в районе реки Кубань. В этом месте археологом Николаем Веселовским в 1897 году была раскопана так называемая Майкопская культура, существовавшая во второй половине IV тысячелетия до нашей эры.

Бронзовые артефакты, найденные в майкопских курганах, были изготовлены в основном из сплава меди и мышьяка, поэтому считается, что исторически первыми были именно такие сплавы, называемые мышьяковистыми бронзами .

Она ничем не уступала по своим свойствам сплавам меди с оловом или свинцом, и даже превосходила их по ряду характеристик . Она широко применялась в различных областях человеческой деятельности тех времён, начиная от изготовления ответственных деталей и заканчивая ювелирными изделиями.

Состав бронзы

Бронза - это сплав меди с такими металлами, как олово, алюминий, свинец, бериллий, и неметаллами - мышьяк, кремний и фосфор. Кроме того, такие сплавы могут дополнительно легироваться фосфором, цинком, марганцем, железом и никелем.

Состав бронзы зависит от марки сплава и указывается в её обозначении. Например, в состав сплава, имеющего маркировку БрАМц7−1, входят 7% алюминия, 1% марганца и 92% меди .

Таким образом, основным компонентом этого металла является медь (от 35% до 90% и выше). Вторым же компонентом может являться либо мышьяк, либо олово или бериллий, свинец, алюминий, кремний и другие компоненты. Для придания особых свойств в сплав могут добавляться дополнительные компоненты - цинк, железо, никель, марганец, фосфор и другие.

Основные свойства всех бронзовых сплавов - это пластичность и твёрдость. В зависимости от соотношения основных и дополнительных компонентов, можно получать большое разнообразие новых свойств. Кроме того, количество меди в сплаве определяет его цвет.

Так, золотистая бронза получится, если в составе сплава будет около 85% меди, а при уменьшении её количества до 50% получится сплав, имеющий серебристый цвет. Уменьшение же количества меди до 35% и ниже приведёт к получению на выходе серой и даже чёрной бронзы, а увеличение количества меди до 90% и выше приведёт к образованию красной бронзы.

Одной из старых марок бронзовых сплавов является колокольная бронза , применяемая и поныне для литья колоколов. Она содержит 20% олова и 80% меди. Её недостаток - повышенная хрупкость из-за наличия в сплаве большого содержания олова.

Как уже было упомянуто выше, наиболее используемыми являются сплавы меди и олова с добавлением небольшого количества других компонентов. Широкое применение таких сплавов обусловлено, прежде всего, исторически сложившимися причинами, которые привели к вытеснению мышьяковой бронзы из производства.

Такими причинами являются следующие:

выработка за многие века месторождений теннантита и других блёклых руд, богатых медью и мышьяком. Такие руды были наиболее удобны для выделки мышьяковой бронзы, так как залегали не очень глубоко, что делало процесс производства более дешёвым по сравнению с другими источниками меди и мышьяка;
высокая токсичность производства такой бронзы, вызванная наличием в месторождениях мышьяка, что с неизбежностью приводило к потере здоровья и дальнейшей способности трудиться у опытных металлургов и кузнецов;
непригодность металлургического брака и сломанных изделий из мышьяковой бронзы для дальнейшей переплавки на сортовой металл. В лучшем случае такие изделия шли на изготовление бижутерии или неответственных деталей.

Пришедшие на смену мышьяковым бронзам сплавы меди и олова хоть и отличались большей дороговизной производства, но были экономически предпочтительны , так как развитие гужевого транспорта и налаживание вследствие этого торговых связей между городами и странами приводило к увеличению импорта немышьяковой бронзы.

Развитие же крупного промышленного производства вообще привело к тому, что оловянные бронзы стали чуть ли не самым массовым видом бронз. И лишь в последние сто лет этот вид стали вытеснять сплавы меди с заменителями олова, такие как алюминиевые, кремниевые и, особенно, бериллиевые бронзы.

Таким образом, существуют следующие виды:

безоловянная. К ней относят бронзу, в которой вторыми компонентами являются алюминий, кремний, бериллий и другие металлы и неметаллы. Каждый из этих компонентов придаёт ей особые свойства. Например, алюминий наделяет сплав повышенными антифрикционными свойствами и высокой коррозионной устойчивостью, бериллий повышает прочность и твёрдость, а кремний и цинк улучшают её текучесть и устойчивость к истиранию;
оловянная. Медно-оловянный сплав, в котором медь преобладает. Является одним из первых, освоенных человеком. Обладает высокой, по сравнению с чистой медью, твёрдостью и прочностью, а также более легкоплавка. В таких сплавах олово всегда является вторым по количеству после меди и основным легирующим компонентом.

Третьими же по количеству являются такие дополнительные компоненты, как мышьяк, цинк и свинец . Этот металл из-за очень низкой усадки в основном предназначается для литья, так как с трудом поддаётся обработке давлением, резанию и заточке. Даже склонность к ликвации и низкая текучесть не мешают использовать этот сплав для изготовления конфигурационно-сложных отливок, в том числе и в художественном литье.

Бронза с добавлением цинка носит название «адмиралтейской » и используется для изготовления деталей, имеющих частый или постоянный контакт с морской водой (судостроение). Такая особенность связана с тем, что цинк придаёт сплаву повышенную коррозионную стойкость в указанной среде.

Однако, для придания бронзе коррозионной стойкости в солёной морской воде её всё чаще обогащают алюминием и никелем . Такие сплавы, часто называемые «морскими», идут на изготовление элементов нефтяных платформ, работающих на морских и океанских шельфах.

Чтобы придать бронзе дополнительные характеристики, в неё легируют небольшие количества фосфора, серебра, цинка, мышьяка, марганца и других компонентов. Так, внесение небольшого количества серебра повышает электропроводность бронзы и делает её сравнимой с электропроводностью меди.

Области применения и маркировка

Существуют специальные таблицы, в которых приводятся маркировки и описания всех бронзовых сплавов, выпускаемых промышленностью. Однако, даже не обращаясь к подобным таблицам, можно определить тип и химический состав, если знать, как расшифровывается её маркировка.

По простой маркировке можно узнать их состав. Характерным её признаком в обозначении являются буквы «Бр», что означает «Бронза ».

Далее за ними следуют буквы, обозначающие, помимо меди, наличие соответствующих компонентов. Эти буквенные обозначения, установленные нормативными документами, следующие: А - алюминий, Б - бериллий, К - кремний, Ж - железо, Н - никель, Мц - марганец, Мг - магний, С - свинец, О - олово, Т - титан, Ф - фосфор, Ц - цинк.

После буквенных обозначений через дефисы идут числа, обозначающие процентное содержание каждого компонента (после меди). А также применяются обозначения, в которых после каждой буквы указывается процентное содержание того или иного компонента. Чтобы узнать содержание меди, нужно из 100% вычесть процентное содержание всех компонентов.

Вот примеры маркировок и их расшифровок: БрО5Ц6С5 - бронзовый сплав, в котором содержание олова составляет 5%, цинка - 6%, свинца - 5%, меди - 84%; БрО3Ц8С4Н1 - содержание олова - 3%, цинка - 8%, свинца - 4%, никеля - 1%, меди - 84%; БрО10Ф1 - содержание олова - 10%, фосфора - 1%, меди - 89%; БрБ2 - содержание бериллия - 2%, меди - 98%; БрАЖМц10−3−1,5 - содержание алюминия - 10%, железа - 3%, марганца - 1,5%, меди - 85,5%; БрАЖН10−4−4 - содержание алюминия - 10%, железа - 4%, никеля - 4%, меди - 82%.

Благодаря своим разнообразным свойствам этот металл находит самое широкое применение в различных сферах. Из него изготавливают следующие изделия:

элементы декора (светильники, статуэтки, подсвечники, пепельницы, решётки, украшения перил и прочие);
различную фурнитуру (замки, ручки, накладные петли, краны, смесители и прочую сантехнику);
детали машин и механизмов (втулки, уплотнители, шестерни, подшипники, части аппаратуры, работающие под водой);
детали для высокоточной техники, навигационных приборов, схем автомобилей;
многочисленные фитинги (отводы, углы, переходники, муфты, тройники и прочее);
в незначительном количестве ювелирные украшения.

Бронза широко применяется в ракетной технике и машиностроении, авиации и судостроении . Из неё делают предметы высокохудожественного искусства для театров, залов и дворцов, отливают памятники и скульптуры.

Благодаря развитию металлургии, этот металл приобретает всё новые и необычные свойства , недоступные кузнецам и металлургам прошлого. Изобретённый древними, сплав продолжает исправно служить человечеству и прогрессу на протяжении многих и многих веков.

Стремительное развитие металлургии требует от нас изучения характеристик разных металлов и их сплавов, и в этой статье будут подробно рассмотрены свойства бронзы и ее применение. Кроме того, скажем пару слов об ее видах и, конечно же, особенностях каждого из них.

1

У этого сплава длинная и интересная история, ведь в честь него даже назвали один из веков – бронзовый, и свою популярность он не утратил вплоть до наших времен. Бытует мнение, что само слово произошло от итальянского созвучного "bronzo", а последнее имеет персидские корни. Итак, это сплав меди с иными металлами, в основном оловом, причем их весовое соотношение может быть различным. В зависимости от процентного содержания того либо иного элемента получается различный цвет бронзы – начиная от красного (при большом содержании меди) и заканчивая стальным серым (в этом случае в сплаве не более 35% Cu).

Однако сочетание не всех металлов с медью называется бронзой. Так, например, если легирующим элементом выступает цинк, то полученный сплав желто-золотистого цвета будет носить название латунь. А вот если сплавлять Ni и Cu, образуется мельхиор, из которого чеканят монеты. Этот материал красивого серебристого цвета, который сохраняет внешний вид очень долго. Но в этом разделе остановимся на видах именно бронзы. Как уже было сказано в основном это сочетание меди с оловом, такие варианты называются оловянными. Это один из первых видов, который был освоен человеком.

Самое большое содержание олова достигает 33%, тогда материал имеет красивый белый, немного серебристый цвет. Далее же содержание этого элемента снижается. Меняется, конечно, и цвет, палитра тут довольно разнообразная – от красного до желтого. Твердость такой бронзы превышает показатель для чистой меди, кроме того, она имеет лучшие прочностные характеристики, при этом являясь более легкоплавким материалом. В этом случае олово выступает первым легирующим элементом, кроме него в сплаве могут присутствовать еще и мышьяк, свинец, цинк, но это вовсе не обязательно.

Также существует и еще ряд сплавов меди с иными металлами (алюминием, железом, кремнием, свинцом и т. д.), но уже без участия Sn. Они также имеют ряд достоинств, причем по некоторым параметрам им даже уступают оловянные бронзы, еще большим разнообразием характеризуется их палитра. Поэтому работа по созданию цветных сплавов сродни творчеству. Рассмотрим в следующем пункте более подробно свойства различных материалов, которые мы можем получить из меди с применение добавок.

2

Итак, не только цвет меняется из-за добавок. В случае с оловянными бронзами технические характеристики напрямую зависят от весового содержания главного и дополнительных легирующих элементов. Так, например, при 5% Sn пластичность сплава начинает падать, а если количество олова достигнет 20%, то резко ухудшаются и механические свойства материала, и он становится более хрупким, снижается твердость. Вообще, бронзы, в состав которых входит более 6 весовых процентов Sn, используются в литейном производстве, для ковочных же и прокатных работ они непригодны.

Если же добавить в сплав до 10% по весу цинка, то он практически не произведет никакого влияния на механические свойства оловянной бронзы, только лишь несколько удешевит ее. Чтобы улучшить обрабатываемость материала в него вводят до 5% свинца, благодаря включениям которого облегчается стружколомание. Ну а фосфор выступает в качестве раскислителя, и если в сплаве содержится более одного процента этого элемента, то такие бронзы часто называют фосфористыми.

Сравнивая оловосодержащие бронзы со сплавами, в состав которых не входит Sn, то первые значительно выигрывают по величине усадки, она у них минимальная, зато вторые имеют иные преимущества . Так, механические свойства алюминиевой бронзы значительно превосходят характеристики оловянной, кроме того, она имеет еще и большую химическую стойкость. Кремнецинковая же более жидкотекучая, а бериллиевая наделена высокими показателями упругости, на таком же уровне находится и ее твердость.

Для сфер, где применяются бронзы, особенно важна теплопроводность. Мы привыкли, что этот показатель для металлов довольно высокий. Но особенность всех сплавов в том, что, как правило, теплопроводность при введении добавок падает. Не стала исключением и обсуждаемая нами разновидность сплавов. Всем хорошо известно, насколько высока теплопроводность чистой меди, часто это даже становится причиной ограничений в ее использовании. А вот для бронз все совсем по-другому, это качество проявляет себя значительно меньше. Даже по сравнению с похожим теплопроводность бронзы в большинстве случаев заметно ниже. Исключением являются лишь низколегированные сплавы меди, естественно, они приближаются по этому показателю к чистому металлу.

Низкая теплопроводность становится причиной затрудненного отвода тепла, поэтому бронзы не используются в узлах трения, в качестве электродов для сварки или других механизмах, где устранять перегрев нужно максимально быстро.

3

Бронза широко используется в разных промышленных областях, причем и применение ее весьма различно. Так, например, литые оловосодержащие сплавы с высокой стойкостью против истирания являются прекрасным антифрикционным составом, и их используют в качестве подшипниковых материалов. Благодаря же великолепной стойкости бронзы вполне целесообразно делать арматуру и , твердость и механические показатели которых будут довольно высокие.

Также стоит отметить бериллиевые бронзы, отличающиеся прекрасной свариваемостью, химической стойкостью, поддающиеся обработке режущим инструментом. Все эти свойства делают данный материал пригодным для изготовления ответственных элементов, таких, как мембраны, пружины, пружинящие контакты и т. д. Так как теплопроводность большинства бронз невелика, то детали, сделанные из такого материала, легко свариваются.

Чтобы определить состав сплава, достаточно посмотреть на его маркировку, которая состоит из набора цифр и букв. Так, первым в обозначении всегда идет сочетание букв "Бр". Далее следуют обозначения веса легирующих добавок в процентном содержании, причем сначала буквенные символы, а за ними уже численные значения, разделенные дефисом в соответствующем порядке. Стоит отметить, что в бронзах не указывается количество меди.

Маркировка необходима не только чтобы узнать состав сплава и его характеристики (твердость, теплопроводность и другие), с ее помощью определяют и удельный вес любого вида бронзы. Для этого придется воспользоваться специализированными справочниками, если же марка сплава неизвестна, тогда следует сделать химический анализ. К слову, удельный вес этого сплава используется еще и при подготовке каких-либо работ. Если углубиться в формулу, то видно, что это отношение массы заготовки к ее объему. Следовательно, узнав из таблицы удельный вес любого типа этого "цветастого" сплава, мы можем оценить, какой объем будет иметь деталь определенной массы, или, наоборот, сколько будет весить брусок заданного объема.

Бронза – это металл, полученный путём смешивания расплавов меди и некоторых других металлов и неметаллов. Как правило, количество присадочных к меди компонентов не превышает трёх процентов, но существуют и исключения из этого правила – в больших количествах могут присаживаться цинк и никель. Такие сплавы называют латунью и купроникелем (мельхиором) соответственно. В других сплавах цинк тоже может присутствовать, но с ограничением: его количество не должно превышать суммы остальных присаживаемых металлов. Если это произойдёт, сплав окажется латунью.

Этот металл-сплав появился около пяти с половиной тысяч лет назад . Именно тогда начался бронзовый век. А до этого времени плавили только медь – этот металл был основой всех орудий труда. Когда же случилось соединить расплавы меди и олова, получился другой металл, который был назван бронза – это сплав меди с оловом, более твёрдый, чем исходные металлы. Он сразу нашёл себе широкое применение во всех сферах жизни человека: из него делали холодное оружие и кухонную утварь, зеркала и украшения, монеты и творения скульпторов.

Средневековые мастеровые из бронзы отливали колокола для нужд церкви и пушки для армии. На отливку пушек шла специально изготовленная бронза. Эта технология существовала до девятнадцатого века. Ниже приводятся интересные факты о бронзе.

Способы изготовления и характеристики

Физические данные

Характеристики сплава определяются его химическим составом и могут изменяться в некоторых пределах. Бронза менее подвержена коррозии и обеспечивает лучшее скольжение металла по металлу, чем латунь. У неё выше прочность и она менее подвержена атмосферным воздействиям (вода и воздух) и лучше сопротивляется солям и органическим кислотам. Легко поддаётся механической обработке, её можно паять и скреплять сварочными работами. Некоторые физические характеристики бронзы:

удельный вес от 7,8 до 8,7 тонны/куб. метр;
температура плавления бронзы – плавится при нагревании от 930 до 1140 градусов;
изменения цвета от красного – цвета меди, до белого – цвета олова;
стойкость к износу и хорошее скольжение по металлу предопределяет сферу применения в качестве подшипников скольжения, они хорошо работают в любых температурных условиях;
отмечается высокая электропроводимость и передача тепла, стойкость к паровому воздействию, что способствует изготовлению деталей для техники, работающей в экстремальных ситуациях.

Как изготовить бронзу

Плавление и смешивание расплавов меди и присадок разных металлов, позволяющих придать сплаву те или иные требуемые характеристики, приводит к получению такого металла-сплава, как бронза. В технологическом процессе изготовления задействованы электрические печи индукционного типа и тигельные горны, с их помощью можно изготовить любые сплавы с медью.

Плавление производится с флюсовыми добавками, при этом исходным сырьём для плавки может быть как медная руда, так и лом меди. Как правило, медный лом добавляется в расплав вмести с присаживаемым металлом в процессе плавки. При плавке только из медной руды выполняются следующие операции:

При использовании медного лома процедура изготовления бронзы такая же.

Разновидности

По соотношению содержания основных компонентов бронзы – меди и олова известны два основных вида: оловянный, когда основным присадочным материалом является олово, и безоловянный, если олово присутствует в совсем малом количестве.

Оловянная бронза

Классическая или оловянная бронза – универсальный материал не только в промышленности, но и в других сферах жизнедеятельности человека. В этом сплаве на 80 частей меди приходится 20 частей олова, он хорошо плавится, имеет высокую прочность, довольно твёрдый, не подвержен коррозии, износостоек и способствует снижению трения металлов.

Эти достоинства оловянной бронзы приводят к сложностям в некоторых других отношениях: сплав сложно ковать и резать, затачивать острые кромки и штамповать, зато просто делать из него отливки. Осадка при охлаждении заливки не превышает одного процента, что позволяет применять материал в художественных изделиях особой точности.

Для придания сплаву дополнительных свойств, в его состав могут включаться присадки других металлов и неметаллов:

цинк в количестве до 10% улучшает антикоррозийные свойства, детали из такого сплава применяют в кораблестроении, где агрессивной средой является солёная вода;
свинец и фосфор способствуют лучшему скольжению бронзовых изделий по другим металлам, такой сплав легче режется и штампуется.

Безоловянная

– иногда использование в сплаве олова не допускается, а требуемые характеристики получают присадками других металлов. Современные технологии позволяют подобрать присадки таким образом, что изделия из бронзы без олова вполне заменяют изделия из классической бронзы.

Свинцовистая бронза – отлично скользящий по металлу сплав, выдерживает большое давление, очень прочен и плавится с трудом. Сфера его применения – подшипники, работающие под большим давлением.

Кремниевая – на 97% это медь, немного олова и пять сотых процента кремния, он добавлен для увеличения электрической проводимости и применяется такая бронза в качестве жил телефонных кабелей. Она не магнитная, хорошо паяется, упругая и устойчива к низким температурам. Дополнительно может содержать марганец.

Бериллиевая – самая твёрдая. Очень устойчив этот сплав к коррозии и экстремальным температурам как плюсовым, так и отрицательным. Это немагнитный металл и при соударениях от него не бывает искр. Дополнительно в него можно присаживать никель или кобальт. Изготавливают из сплава упругие изделия – пружины, мембраны, пластины.

Алюминиевая – состав простой, алюминия пять процентов, остальное – медь. Цвет бронзы блестящий золотистый, она устойчива к действию химических веществ – кислот. Она прочная по твёрдости и жаропрочная, сохраняет свои свойства и при крайне низких температурах. Коррозии противодействует слабо и при отливке даёт значительную усадку. За красивый цвет используется в ювелирном производстве, изготовлении монет и медалей. Физические свойства предопределяют использование сплава в деталях изделий автомобильной промышленности, пороховом и пиротехническом производстве.

Маркировка

Какие металлы входят в состав бронзы? Узнать основной состав бронзы позволяет её маркировка, разработанная на основе государственных стандартов. Пример: БрОФ 7. Первые две буквы, это бронза; состав сплава: О – это олово; Ф – это фосфор; 7 – содержание присадки, в этом случае олова, поскольку содержание второго присадочного вещества в маркировке не указано. Обозначения других присадочных веществ: А – алюминий, К – кремний. Мц – это марганец, Ж – железо и так далее, по первым буквам присадки.

Процент содержания меди в маркировке указывать не принято, его вычисляют расчётом как остаток от разности. В примере – это 93%. От химического состава бронзы зависит её цвет. Содержание меди в сплаве определяет его цвет – чем оно выше, тем краснее будет бронза, и наоборот. Если меди будет только 50%, а всё остальное – светлые присадки, то сплав по цвету будет напоминать серебро.

Как сделать бронзу? Этот вопрос стоит перед многими мастерами, желающими проявить себя в художественном литье, или людьми, решившими повысить свой уровень образованности в работе с различными металлическими сплавами. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо для начала разобраться что такое бронза, из чего она состоит и только потом подробно рассмотреть весь процесс плавки этого материала.

1 Что такое бронза?

Бронза (итал. “bronzo”) – это сплав в определенных пропорциях меди и олова, где медь всегда является первичным или основным компонентом, а олово вторичным или необязательным. Вместо него в сплав могут быть введены кремний, свинец, алюминий, бериллий и другие металлы, кроме никеля и цинка, хотя иногда и они вводятся в небольших пропорциях.

Бронзовый сплав имеет свои достоинства и недостатки. К положительным техническим характеристикам можно отнести:

большую твердость и прочность по сравнению с медью;
легкоплавкость;
обладает всеми достоинствами для литья;
имеет высокие антикоррозийные свойства;
обладает хорошей устойчивостью к износу при длительном трении.

Недостатками бронзы считаются:

плохо поддается ковке, штамповке и прокатке, то есть всем процессам, происходящим под давлением;
туго режется;
плохо затачивается.

По названию добавляющегося металла происходит название полученного бронзового сплава. При добавлении олова получают оловянную бронзу, алюминия – алюминиевую бронзу, бериллия – бериллиевую и т. д.

Классической (колокольной) или основной считается оловянная бронза, в которой медь берется из расчета 80 % ± 3 %, а олово – 20 % ± 3 % от всего сплава. При изготовлении бронзы могут легироваться другие металлы, например, никель, свинец, фосфор и мышьяк. Это делают для придания металлу дополнительных технических свойств. Бронза может быть однокомпонентной, при которой медь сплавляется с одним добавочным металлом, или многокомпонентной, где при сплавлении участвует несколько материалов. Многокомпонентные бронзы считаются более сложными и имеют улучшенные технические характеристики.

Также процесс изготовления бронзы предусматривает получение первичного или вторичного материала. Чтобы получить первичный классический сплав, необходимо сплавить медь и олово, вторичный – при выплавке применить в качестве дополнительного компонента саму бронзу.

Открытие бронзового сплава сыграло большую роль в развитии человеческой эпохи. Конец 4 тысячелетия до н. э. считается временем первого изготовления бронзы и началом длительного пути человека в освоении сплавов различных металлов. Открытие было настолько значимым в истории, что ознаменовало собой начало целой исторической эпохи – Бронзового века. Изготовить бронзу в древние времена было невероятно сложно, что подтверждают попытки получения металла в настоящее время в домашних условиях.

2 Классическая технология изготовления бронзы

Изготовить бронзу можно путем плавки основного компонента меди и дополнительного, например, олова, в стальной или чугунной вращающейся втулке с помощью электрической дуги.

При плавлении оловянных бронз образуются оксиды при непосредственном взаимодействии меди и олова, что снижает технические свойства полученного сплава. Во избежании потери эксплуатационных свойств бронзы перед добавлением олова в расплавленную медь ее раскисляют фосфором, то есть в добавляют фосфористую медь, где количество фосфора не превышает 10 %.

Химическая реакция с образованием паров фосфорного ангидрида позволяет провести процесс удаления неметаллических включений в меди. Фосфор – это недорогой раскислитель, значительно снижающий хорошее свойство меди электропроводность. Поэтому иногда для избежания этого эффекта используются более дорогие компоненты в качестве раскислителя. К ним можно отнести кальций, литий и калий.

Процесс плавления, чтобы получить бронзу, делают под слоем древесного угля или его смеси с содой – флюса, и он проходит в несколько общих этапов:

при температуре около 1100 °C под слоем флюса или угля.
Ввод фосфористой меди (около 10 %) для раскисления.
Добавление дополнительных компонентов для получения однокомпонентного сплава – олова, многокомпонентного – всех дополнительных составляющих, вторичного бронзового сплава – бронзы.
Прогревание полученного сплава до температуры 1200 °C.
Рафинирование – удаление вредных неметаллических примесей висмута, марганца, серы и сурьмы, а также иногда алюминия, железа, кремния и растворенных газов водорода и кислорода из сплава путем окисления основного компонента.
Модифицирование для повышения механических свойств сплава.
Разлив по формам при температуре до 1300 °C.

Оловянные бронзы более просты в процессе выплавки и менее склонны к перегреву, чем алюминиевые. Для алюминиевой бронзы очень важен температурный режим, поэтому температура плавления выше 1200 °C не допускается.

3 Изготовление неоловянных бронз

Чтобы изготовить алюминиевую бронзу, необходимо не только следить за температурой, но и хорошо размешать сплав перед заливкой в формы. Это делается из-за большой разницы в плотности сплавляемых компонентов, ведь медь и алюминий могут расслоиться. Поэтому сам процесс немного видоизменяется:

Медь расплавляется под флюсом и раскисляется.
Вводятся дополнительные компоненты в чистом виде или в виде смеси с медью.
Производится вторичное раскисление.
Вводится алюминий.
Засыпается поверхность сплава флюсом.
Сплав рафинируется хлористым марганцем, модифицируется ванадием, бором или вольфрамом и заливается в формы.

Бериллиевая бронза выплавляется по общим этапам в индукционных печах. В процессе применяют графитовые тигли. Высокая токсичность получаемой пыли и паров при изготовлении этого вида бронзы требует проведения выплавки в отдельных изолированных помещениях с мощной системой вентиляции.

Кремнистые бронзы получают в электрических индукционных печах с применением древесного угля. Как и для алюминиевых, для кремниевых сплавов важен контроль за температурой плавления.

Конечный продукт сплава представляет собой металлическую чушку, причем вес ее обычно не более 42 кг. Все чушки, получившиеся в результате разовой плавки, относят к одной партии, вес партии не ограничивается.
Как и любая продукция, бронзовые чушки имеют документ о качестве, отражающий основную информацию: товарный знак производителя, марку выплавленной бронзы, массу и номер партии, количество чушек в партии и их химический анализ.

Необходимость изготовления бронзы обусловлена широкой сферой применения. Арматура, все детали, работающие в непосредственном контакте с паром и маслами, вкладыши подшипников, фасонные элементы трубопровода – вот небольшой список использования бронзы.