Из чего делают бронзу

В современной промышленности существует большое количество различных сплавов черных и цветных металлов. Одним из самых древних и известных является бронза — сплав, в котором главным компонентом является медь. По историческим фактам известна целая эпоха, так называемый бронзовый век, в котором изготовление соответствующего медного сплава было основой металлургической промышленности. Этот период начинался приблизительно с конца IV тысячелетия до н. э., когда значительно улучшилась обработка меди и олова, и продолжался до XII века до н. э.

Основные свойства бронзовых сплавов

Физические свойства могут сильно меняться в зависимости от легирующих компонентов, но тем не менее можно выделить основные общие свойства материала:

• Плотность бронзы составляет от 7800−8700 кг/м3.
• Хорошая износостойкость, низкий коэффициент трения, сопротивление хрупкому разрушению при очень низких температурах (до 250 °С).
• Температура плавления 940−1140 °С.
• Легко поддается пайке и сварке.

Количество чистой меди в составе сплава, помимо физико-химических свойств, влияет на цвет. Так,

золотистый цвет имеют изделия с процентным содержанием меди около 85%. При уменьшении процента меди до 50% может получиться белый цвет, очень похожий на серебро, а при понижении до 35% и менее — черный.

Изготовление бронзы происходит посредством выплавки: исходное сырье помещается в горн или индукционную печь, где оно расплавляется с дальнейшим его перемешиванием и разливкой в требуемые формы.

Виды бронзы и их применение

С развитием металлургии и открытием разных видов металлов, появилось большое количество бронз, но основным металлом в формуле является медь. В зависимости от того, какие компоненты входят в состав, изменяются и свойства материала.

Знание этих особенностей позволяет применять бронзовые сплавы в различных видах промышленности в зависимости от предъявляемых к материалу требований. Бронзу часто выпускают в виде прокатных труб, проволоки и листов. Используется металл в производстве подшипников, втулок, рессор и прочих деталей, подверженных воздействию высокого давления и износа. Высокие антикоррозийные свойства позволяют применять данный материал также в условиях агрессивной внешней среды и при работе с различной химией. Помимо этого, применение бронзы распространено в художественных ковке и литье, из нее делают различные скульптуры, памятники и украшения.

Оловянная

Сплав меди и олова называется оловянным. Эти бронзы применялись в бронзовом веке, дошли до наших дней и являются наиболее применяемыми в промышленности. Из этого вида сплава часто отливались различные колокола, в связи с чем данный материал иногда называется колокольной бронзой.

Оловянистый материал почти не поддается механической обработке, поэтому изделия из него создаются исключительно литьем; имеет высокую твердость и прочность, а также антикоррозийные свойства. Стандартный сплав меди и олова характеризуется количественным соотношением 80:20, но может дополняться некоторыми металлами для изменения свойств:

• Добавление цинка (менее 10%) позволяет повысить антикоррозийную стойкость. Используется для создания деталей, которым нужно часто контактировать с водой и другими окислителями.
• Свинец и фосфор повышают антифрикционные свойства. Кроме того, сплав с добавлением этих металлов проще подвергается обработке.

Иногда наличие олова в изделии недопустимо и его заменяют другими металлами, позволяющими достичь требуемых характеристик, например, свинец, кремний, цинк, бериллий или алюминий. Такая бронза называется безоловянной, или специальной.

Свинцовая

Основной легирующий компонент — свинец, содержание которого может достигать 30%. Материал имеет хорошие антифрикционные свойства и высокую теплопроводность, может выдерживать давление до 30 мПа, поэтому применяется для изготовления подшипников, подвергающихся высокому давлению.

Кремниецинковая

Данный сплав состоит из 97% меди, 1.1% олова, 0.05% кремния и цинка. Является довольно пластичным и текучим, что позволяет применять его как материал в изделиях сложной формы. Имеет хорошее сопротивление при сжатии, обладает антифрикционными свойствами и упругостью. Не искрит при обработке, хорошо сопротивляется низким температурам, зачастую содержит добавки никеля и марганца.

Бериллиевая

Бериллиевый сплав является самым твердым из всех существующих видов бронз. Обладает высокими антикоррозийными свойствами, не искрит при обработке, не магнитится. В процессе закалки приобретает хорошую деформируемость и упругость.

Алюминиевая

Состав бронзы в процентах выглядит как 95% меди и 5% алюминия. Сплав очень хорошо сопротивляется агрессивным средам, жаропрочный, но имеет низкие антикоррозийные свойства и дает сильную усадку.

Сплав меди с цинком называется красной бронзой — латунью, а с никелем — мельхиором. Эти соединения являются отдельными материалами, их малое количество может присутствовать в любом сплаве, но должно быть ниже суммы всех остальных компонентов.

Маркировка сплавов

Для того чтобы определить состав бронзы и ее свойства, нужно знать принцип формирования его маркировки. Маркировка составляется в соответствии с ГОСТом, согласно которому принимаются следующие обозначения:

• Сначала ставятся буквы Бр, что означает Бронза;
• Затем в ряд идет перечисление легирующих компонентов: А — алюминий, О — олово, Н — никель, Ц — цинк, Мц — марганец и так далее;
• После каждой буквы указана цифра, которая показывают процент содержания примеси в сплаве;
• Количество меди в сплаве не прописывается, а высчитать его можно по указанному составу бронзы как разность в процентах между 100% от всего состава и суммой всех добавок.

Например, марка БрО3Ц7С5Н1 говорит о том, что это бронза, в составе которой 3% олова, 7% цинка, 5% свинца и 1% никеля. Остальные 84% состава приходятся на медь.

Знание принципов маркировки сплава позволит определять его состав и свойства, что поможет не ошибиться с выбором нужного материала.

Бро́нза — сплав меди, обычно с оловом в качестве основного компонента, но к бронзам также относят медные сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка (это латунь) и никеля (это мельхиор). Как правило, в любой бронзе в незначительных количествах присутствуют добавки: цинк, свинец, фосфор и другие.

Традиционную оловянную бронзу человек научился выплавлять ещё в начале Бронзового века, и очень длительное время она широко использовалась. Даже с приходом века железа бронза не утрачивала своей важности.

Плотность бронзы в зависимости от марки (и включения примесей) составляет 7800-8700 кг/м³; температура плавления 930—1140 °C.

Содержание

Этимология [ править | править код ]

Современные лингвисты выдвигают следующие гипотезы происхождения слова «бронза»:

• Романскую, согласно которой слово пришло в романские языки, либо от персидского «berenj», означающего «медь», либо от названия города Бриндизи, из которого этот материал доставлялся в Рим; [1]
• Протославянскую, согласно которой слово имеет протославянское происхождение, и буквально означает «бранный металл» (общеславянские корень «bron», особенно характерный для южнославянских языков, и суффикс «za», который по всей вероятности обозначал либо непосредственно литой сплав, либо технологический процесс его отливки и остывания; как в случае с общеславянским же словом «железо» — «zelé(želě)-zo»), что так или иначе сохранилось практически во всех славянских языках, [2] а в словенском языке слово «bron» (без каких-либо постфиксов) до сих пор означает бронзу;

История [ править | править код ]

Самые древние бронзовые изделия, датируемые 5-м тысячелетием до н. э., были обнаружены на Иранском нагорье и у деревни Плочник в Сербии. В России наиболее древние бронзовые артефакты были обнаружены русским археологом Николаем Веселовским в 1897 году в районе реки Кубани (так называемая Майкопская культура, вторая половина 4-го тысячелетия до н. э.). Бронза майкопских курганов в основном представлена сплавом меди с мышьяком. Постепенно знания о прочном и пластичном металле распространились на Ближний Восток и Египет. Здесь, после перехода к оловянно-медному сплаву, бронза обрела положение одного из важнейших декоративных материалов.

Исторически первой бронзой был сплав меди с мышьяком — так называемая мышьяковистая бронза. По своим технофизическим свойствам мышьяковая бронза не уступала оловянной, а по разнообразию сортов, пригодных для тех или иных видов хозяйственной деятельности — от ответственных деталей до ювелирных изделий — даже превосходила её. Как явствует из археологических данных, в начале и даже в середине бронзового века мышьяковая бронза почти безраздельно господствовала на всём евразийском пространстве, за исключением, быть может, нескольких регионов, богатых «оловянным камнем» (современные Англия, Притяньшанье) или одновременно медными и свинцовыми рудами (Этрурия на северо-западе современной Италии).

Повсеместное вытеснение к концу бронзового века мышьяковой бронзы более дорогими сортами, в том числе оловянной, по-видимому, было связано сразу с несколькими причинами, в зависимости от региона действовавшими совместно или порознь. Среди них:

• высокая токсичность производства мышьяковой бронзы, с неизбежностью приводившая к инвалидизации металлургов и кузнецов со стажем (этот факт отразился в античном образе бога металлургии Гефеста, а также в древнерусском образе «старого хрыча», то есть старого кузнеца);
• непригодность мышьяковой бронзы для металлургического передела: металлургический брак из такой бронзы, равно как и сломанные изделия из неё, переплавке на сортовой металл не подлежали, так как при переплавке часть мышьяка просто испарялась или выделялась в виде шлака, и бронза становилась очень хрупкой, и в лучшем случае могли быть использованы для изготовления бижутерии или неответственных деталей;
• выработка за многие века поверхностно залегающих, богатых медью и мышьяком месторождений теннантита и других блеклых руд, наиболее удобных для выделки мышьяковой бронзы (использование других источников мышьяка и меди значительно усложняло процесс и делало его более дорогостоящим);
• мышьяк встречался реже, чем олово или некоторые другие металлы, использующиеся для создания бронзы, поэтому изготовление бронзы при помощи мышьяка было дороже.

Поэтому с развитием гужевого транспорта, а вместе с ними и международных экономических связей, во многих регионах стало рентабельнее импортировать немышьяковые сорта бронзы, чем производить собственную мышьяковую. А с развитием крупного промышленного производства самым массовым видом бронзы стала оловянная, которую лишь в последнее столетие стали теснить конкуренты на основе ранее недоступных заменителей олова. По некоторым свойствам такие (безоловянные) бронзы превосходят оловянные. Например, алюминиевые, кремниевые и особенно бериллиевые бронзы — по механическим свойствам, алюминиевые — по коррозионной стойкости, кремнецинковые — по текучести. Алюминиевая бронза благодаря красивому золотисто-жёлтому цвету и высокой коррозионной стойкости иногда также применяется как заменитель золота для изготовления бижутерии и монет. Прочность алюминиевой и бериллиевой бронз может быть дополнительно увеличена при помощи специальной термической обработки.

Классической маркой бронзы, применяемой издревле и до сих пор для литья колоколов, является колокольная бронза: 80 % меди и 20 % олова с разбросом соотношения 3 %. Его недостатком является повышенная хрупкость, которой способствует большое содержание олова.

Оловянная бронза [ править | править код ]

Оловянная бронза — сплав меди с оловом (медь преобладает), один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает значительно большей, по сравнению с чистой медью (освоенной ранее бронзы), твёрдостью, достаточной прочностью и более легкоплавка. Открытие бронзы сыграло огромную роль в освоении металлов человеком. Олово в любых марках оловянистой бронзы всегда является вторым по количеству и основным легирующим компонентом сплава (тогда как медь — первым); третье место отводится дополнительным добавкам: свинцу, цинку, мышьяку.

Оловянная бронза (кроме марок с низким содержанием олова — т. н. деформируемой бронзы) с трудом поддаётся обработке давлением (ковка, штамповка, прокатка и пр.), резанию и заточке. Благодаря этому бронза в целом — литейный металл, и по литейным качествам не уступает любому другому металлу. Она обладает очень малой усадкой — 1 %, тогда как усадка латуней и чугуна составляет около 1,5 %, а стали — более 2 %. Поэтому, несмотря на склонность к ликвации и сравнительно невысокую текучесть, бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё.

Бронзы обладают высокой антикоррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Этим обусловливается применение бронз в химической промышленности для изготовления литой арматуры, а также в качестве антифрикционного материала в других отраслях.

Оловянные бронзы могут быть дополнительно легированы цинком, никелем, фосфором, свинцом, мышьяком и другими металлами. Цинка добавляют не более 10 % (в этом количестве он почти не изменяет свойств бронз, но делает их дешевле); бронза с добавлением цинка называется «адмиралтейской бронзой» и обладает повышенной коррозионной стойкостью в морской воде. Свинец и фосфор улучшают антифрикционные свойства бронзы и её обрабатываемость резанием и давлением.

Безоловянные бронзы [ править | править код ]

Бронзами также могут называть некоторые другие подобные традиционной бронзе сплавы меди, в которых олово отсутствует. Самые известные из них — латунь (сплав Cu-Zn) и константан (Cu-Ni), бронзой не называемые, и алюминиевая бронза. В прошлом (Древний Рим, к примеру) латунь и константан носили собирательное название шпиатр и считались подделкой.

Существуют также многокомпонентные бронзы — сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами.

Также необходимо упомянуть сплавы меди и фосфора. Они не могут служить машиностроительным материалом, поэтому их нельзя отнести к бронзам. Однако они являются товаром на мировом рынке и предназначаются в качестве лигатуры при изготовлении многих марок фосфористых бронз, а также и для раскисления сплавов на медной основе.

Использование [ править | править код ]

Бронза используется в современном машиностроении, ракетной технике, авиации, судостроении и других отраслях промышленности. Благодаря устойчивости к механическому истиранию и высокой коррозионной стойкости бронзовая продукция применяется для изготовления деталей машин и приборов, участвующих в подвижных узлах в процессе трения. Детали из бронзы требуют периодической замены, то есть являются расходными. Из безоловянных бронзовых сплавов изготавливают прокат для составляющих химических приборов, регулирующей арматуры отопительных систем и трубопроводов другого назначения.

Бронзу используют для литья скульптур и памятников, так как материал долговечен, не подвергается атмосферным влияниям и устойчив против механических повреждений. Изделия высокохудожественных форм в театрах, дворцах, залах (люстры, торшеры, канделябры) также изготавливаются из бронзы.

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:

• печь разогревают, закладывают в неё медную руду с флюсовыми добавками, и плавят при температуре около 1200 градусов;
• добавляют химический окислитель – фосфористую медь, половина могла быть загружена в составе флюса, а остаток дополнительно загружается ковшом;
• при плавлении в раскисленный расплав меди добавляют присадочные металлы, предварительно подогретые до ста градусов;
• после получасового отстаивания расплава, с его поверхности снимают всплывший шлак, и полученный сплав распределяют по формам.

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

Бронза без олова – 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.