Содержание меди в бронзе

Состав бронзы

Бронза – это двойной или многокомпонентный сплав, состоящий из меди и других элементов, улучшающих основные свойства металла, кроме цинка. Такие элементы называются легирующими. В составе бронзы их более 2,5% по массе. В качестве легирующих компонентов применяются марганец, олово, бериллий, свинец, кремний, хром, фосфор, железо, алюминий и другие элементы. Маркируют сплавы сочетанием «Бр», буквами, которые обозначают основные легирующие компоненты и цифрами, указывающими их содержание. Например: БрО5 – оловянная бронза, БрА5 – алюминиевая бронза. Химический состав бронзовых сплавов и их марки определены соответствующими ГОСТ. Купить бронзу вы можете на нашем сайте.

Бронза на основе меди и олова – это один из наидревнейших сплавов, полученных человеком. В III тысячелетии до нашей эры в Месопотамии и Южном Иране появились изделия из бронзы. Все, необходимое для быта человека, в древности изготавливалось из этого сплава. Археологи обнаружили оружие (кинжалы, топоры, наконечники стрел, мечи), мебель и предметы интерьера (зеркала), а также посуду (кувшины, вазы, тарелки). Кроме того, из бронзы изготавливали монеты и всевозможные украшения. Около V-IV веков до нашей эры античные скульпторы Греции научились отливать крупные бронзовые статуи, кстати, эта технология актуальна и сегодня. В средние века бронза использовалась для производства пушек и артиллерийских снарядов. Издавна из этого сплава отливали колокола. Изменяя состав и размер отливки, мастера создавали колокола с удивительным звучанием.

Видео — изготовление бронзового колокола

Классификация бронзы

По химическому составу различают:

Оловянные бронзы – это сплавы с основным легирующим компонентом оловом. Кроме олова, в качестве дополнительных компонентов могут присутствовать свинец, фосфор и цинк. С добавкой олова медь приобретает большую легкоплавкость, упругость, твёрдость. Следовательно, сплав лучше поддаётся полировке. Дополнительные компоненты улучшают механические, литейные, а также антифрикционные свойства.

Безоловянные (специальные) бронзы – это сплавы, не содержащие, в качестве легирующего элемента, олова. Они не уступают по свойствам оловянным бронзам, а по некоторым даже превосходят их.

По технологическому признаку бронзы делятся на:

• Деформируемые – хорошо поддающиеся механической обработке: штамповке, рифлению, ковке. Содержание олова в них не более 6%, что обеспечивает необходимую пластичность. Из деформируемых оловянных бронз изготавливают листы, бронзовую проволоку, бронзовый пруток, бронзовую ленту.

• Литейные – предназначенные для фасонных отливок. Из литейных оловянных бронз делают различные детали для машин, работающих в соленой морской воде, вкладыши подшипников, шестерёнки.

Свойства бронзы

Если провести сравнение с латунью, то бронза характеризуется более высокой коррозионной стойкостью, прочностью и антифрикционными свойствами. Она довольно стойкая на воздухе, в соленой воде, углекислых растворах и растворах многих органических кислот. Большинство видов бронзы поддаётся сварке и пайке твёрдыми и мягкими припоями.

В зависимости от количества добавок цвет бронзы может быть от красного до белого. Рассмотрим, как легирующие элементы влияют на свойства бронзы. Олово, никель, кремний и алюминий увеличивают прочность, стойкость к коррозии, а также упругие свойства бронз. В сочетании со свинцом, цинком и фосфором повышаются и антифрикционные свойства. Никель и железо значительно измельчают зерно и увеличивают температуру рекристаллизации. Кремний и марганец увеличивают жаростойкость. Хром, цирконий и бериллий повышают жаропрочность сплавов и немного снижают электропроводность.

Давайте вкратце ознакомимся с наиболее часто используемыми видами бронзы.

• Бериллиевая бронза является лидером по показателю твёрдости среди других сплавов меди. В закалённом состоянии обладает хорошей пластичностью, технологичностью, а в состаренном состоянии – высокими механическими свойствами. Дополнительно повысить уровень механических свойств можно при помощи пластической деформации перед старением. Из бериллиевой бронзы изготавливают пружины, мембраны и инструменты.
• Алюминиевая бронза характеризуется высокой плотностью, устойчивостью к агрессивным факторам окружающей среды и химическим элементам, хорошей стойкостью к морской воде. Такой вид бронзы поддаётся обработке режущими инструментами. Из неё изготавливают ленты и полосы труб.
• Кремнецинковая бронза позволяет изготавливать изделия сложных форм, за счёт повышенной текучести в расплавленном состоянии. Такая бронза обладает высокой степенью сопротивления сжатия и не искрит при механических воздействиях.
• Свинцовистая бронза обладает отличными антифрикционными свойствами, хорошо противостоит ударным нагрузкам, а также отличается высокой прочностью и тугоплавкостью. Применяется она для сильно нагруженных подшипников.
• Оловянная бронза обладает всеми указанными выше свойствами и является наиболее широко применяемой в современной промышленности.

Получение

Бронзу получают путём сплавления меди и легирующих компонентов. Процесс происходит в электрических индукционных печах или в тигельных горнах. Шихта для плавки может состоять из свежих металлов, а также из отходов производства и вторичных металлов. Плавка проводится под слоем флюса или древесного угля.

В разогретую печь помещают необходимое количество угля или флюса, а затем загружают медь. После расплавления и нагрева меди до соответствующей температуры, расплав раскисляют фосфористой медью. Далее в расплав вводят подогретые легирующие элементы. В виде лигатур вводятся тугоплавкие легирующие элементы. Расплав перемешивают до растворения компонентов и нагревают до необходимой температуры. Перед разливкой расплав снова раскисляют фосфористой медью для устранения её окислов.

Бронза хорошо плавится и равномерно заполняет формы для слитков. Сплавы выпускают в виде слитков плоской и круглой формы. Слитки обрабатывают прокаткой или прессованием.

В результате получается широкий ассортимент металлопроката:

Применение бронзы

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.

Видео — как делают бронзовые статуэтки

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 представляет собой сплав меди и специальных добавок, которые необходимы для придания металлу определенных технологических свойств. Бронза может содержать следующие компоненты: Sn (олово), Mn (марганец), Be (бериллий), Pb (свинец), Si (кремний), Cr (хром), P (фосфор), Fe (железо) и прочие элементы.

Бронзовый сплав имеет устойчивость к истиранию, коррозии, агрессивным средам, вроде морской воды. Эти свойства достигаются за счет добавления легирующих компонентов в определенных пропорциях. Соотношение компонентов регламентируется нормативными документами: ГОСТ, отраслевые стандарты, методики, стандарты предприятий.

Классификация сплава

В соответствии с наличием в составе легирующих компонентов принято выделять следующие виды бронз:

• оловянные – основной легирующий компонент в них олово;
• не содержащие олова вообще, то есть, безоловянные.

Помимо состава бронзы, есть еще один критерий их классификации – технологические параметры. Выделяются бронзы:

• деформируемые, предназначенные для обработки давлением;
• литейные для изготовления отливок.

Основные легирующие компоненты

Основной компонент, который определяет большую часть технических характеристик бронз – медь. Для придания сплаву необходимых параметров применяют специальные добавки – легирующие компоненты. Одним из распространенных легирующих компонентов, содержащихся в бронзе, является олово. Именно из оловянных бронз производили отливку колоколов и называли «колокольной» бронзой.

Также в качестве легирующего элемента могут быть использованы:

• Be – бериллий. Повышает прочность бронзы.
• Si – кремний и Zn, цинк для повышения устойчивости поверхности к истиранию. Эти же элементы увеличивают текучесть бронз, что положительно сказывается на качестве литья.
• Pb – свинец. Повышает антикоррозионные свойства металла.
• Al – алюминий. Повышает устойчивость к коррозии, устойчивость к окислению при высоких температурах и уменьшает реакцию металла с соединениями серы и продуктами выхлопа двигателей.

Марки бронз

Бронзы маркируются аббревиатурой «Бр», а также добавлением буквы или нескольких букв, которые обозначают легирующие добавки. Объем легирующих добавок определяется ГОСТами.

Различные марки бронз имеют свои индивидуальные особенности: химический состав, технические характеристики, область применения. По маркировке бронз можно узнать, какие в них входят компоненты, и по специальным таблицам определить назначение данного сплава и его технологические параметры.

Маркировка сплавов на примере оловянных бронз

Некоторые марки оловянных бронз показаны в приведенной ниже таблице. Здесь же можно найти важные технологические параметры сплава, а также область применения каждой конкретной марки бронз.

В данной таблице указан также способ литья бронз. «К» в соответствующем столбце означает, что литье производилось в кокиль, «П» – литье производилось в песчаную форму.

В столбце «марка» приведены наименования сплавов. «Бр» в названии марки обозначает бронзу, далее указываются присутствующие в сплаве легирующие компоненты.

Исходя из маркировок, видно, что в приведенных в таблице марках металла содержится олово. Некоторые помимо олова содержат цинк, свинец и фосфор.

Процентное соотношение компонентов бронз

Процентное соотношение элементов, также как и химический состав, закладывается в аббревиатуру марки сплава. В ней не указывается процентное содержание основного элемента – меди, но указывается содержание всех легирующих элементов в процентном соотношении.

К примеру, в марке БрО3Ц12С5 содержание компонентов такое:

остальные 80% приходятся на медь.

Количество процентов меди в сплаве оказывает влияние на его цвет. Чем больше меди, тем более яркий золотистый цвет имеет бронза. При содержании меди 50% цвет сплава станет белым, близким к цвету серебра. В соответствии с поставленными задачами можно получить различный цвет металла путем варьирования процентного соотношения легирующих элементов и меди.

Некоторые разновидности бронзовых сплавов

Наиболее часто требуется использование оловянных, бериллиевых, кремниевых и алюминиевых бронз.

Оловянная бронза

Оловянная бронза содержит олово в качестве основного легирующего компонента. Также могут содержаться фосфор, цинк, свинец, никель и пр.

В таблице приведены предельные содержания элементов в некоторых марках:

Как видно из таблицы, сплавы содержат не менее 80% меди. При увеличении объема олова в сплаве изменяются и его свойства:

• твердость и прочность металла возрастает;
• снижается пластичность;
• снижается ударная вязкость;
• увеличивается усталостная прочность.

Одним из легирующих компонентов является P (фосфор). Легирующим данный элемент называют в случае его содержания более 0,1%.

Фосфор при попадании в медный сплав раскисляет медь. Помимо этого, именно фосфор в качестве легирующей добавки увеличивает износостойкость металла. У данного состава есть и обратная сторона. Фосфор при превышении его содержания снижает пластичность получаемого металла. Поэтому при добавлении фосфора в качестве легирующего компонента в деформируемую оловянную бронзу крайне важно строго придерживаться ГОСТа и прочих регламентирующих документов.

Еще один легирующий компонент – Zn (цинк). Он добавляется в бронзу, которая не содержит фосфор. Цинк вводится в количестве, которое может раствориться. Часто вместе с цинком может быть введен свинец. Свинец слаборастворим, получаемые сплавы БрОЦС4-4-2,5 и БрОЦС4-4-4 представляют собой кристаллы твердого раствора и нерастворенные включения свинца. Добавление свинца повышает антифрикционные свойства металла и возможность его резки. Однако, свинец в качестве легирующего элемента снижает некоторые прочие механические свойства получаемого металла.

Также может добавляться Ni (никель). Элемент повышает прочность, пластичность и способность к деформации.

Бериллиевая бронза

К данному типу относятся безоловянные дисперсионно упрочняемые сплавы меди и бериллия. Это означает, что растворимость легирующего элемента напрямую зависит от температуры. Закалка производится из однофазной области, то есть сразу из расплава. Очень важно правильно подобрать используемую температуру процесса. Именно эта величина определяет, насколько хорошо расплав перейдет в твердый раствор и насколько он будет гомогенным, что важно для придания металлу конкретных свойств. Оптимальная температура закалки 760-800 °С. При увеличении температуры более указанного диапазона есть вероятность увеличения зернистости металла и как результат снижения технологических параметров. Температура ниже указанного диапазона не позволяет твердому раствору насытиться бериллием в нужной степени.

Скорость охлаждения раствора должна быть не менее 30-60 градусов в секунду. Это необходимо для того, чтобы в твердом растворе не начался распад компонентов. Иногда в качестве дополнительной легирующей добавки для снижения предела скорости охлаждения могут быть введены Ni (никель) и Co (кобальт). Эти добавки повышают устойчивость твердого раствора в случае его переохлаждения. Для этих же целей может быть использован магний.

Наиболее часто применяются в промышленности и на производстве следующие сплавы:

• БрБ2 – с содержанием бериллия 2%;
• МНБ – сплав меди-никеля-бериллия, содержание бериллия не превышает 0,8%
• МКБ – соотношение меди-кобальта-бериллия с таким же содержанием бериллия, что и в МНБ.

И БрБ2, и МНБ и МКБ имеют высокую пластичность и прочность, легко подвергаются гибке и вытяжке, а также прочим видам пластических деформаций.

Содержание компонентов в некоторых бериллиевых бронзах отражено в таблице:

Кремниевая бронза

Данный безоловянный сплав имеет в своем составе Cu (медь) в размере 80%, Zn (цинк) 20 % и Si (кремний) около 3% и 1% марганца (БрКМц-3-1), проявляет устойчивость к деформации сжатия и растяжения. Высокие механические и антифрикционные свойства, пластичность при низких температурах позволяет применять этот сплав для антифрикционных деталей, пружин, подшипников и пр.

У кремний содержащих сплавов есть еще одно полезное свойство – текучесть. Они широко применяются при литье сложных деталей. Также благодаря составу бронза не дает искру при ударе.

Алюминиевая бронза

Алюминиевая бронза в качестве легирующего компонента содержит алюминий. Содержание алюминия может достигать 12%. В зависимости от содержания алюминия меняются и свойства получаемого металла.

Например, однофазная бронза, в которой алюминия до 9,4% легко подвергается деформации давлением при любой температуре. Это связано с ее высокой пластичностью. Примером такой марки является БрА7.

Добавление алюминия в качестве легирующего компонента существенно повышает прочность металла и его устойчивость к коррозии в сложных условиях: соленая вода, повышенная влажность и пр. Данный тип металла применяется для нефтяных платформ, расположенных в море.

Al также оказывает существенное влияние на теплопроводность металла. При увеличении содержания алюминия падает теплопроводность получаемого металла, если сравнивать этот параметр с медью в чистом виде. Добавление даже 10% Al снижает теплопроводность меди в 390-401 Вт/(м*К) до 75 Вт/(м*К). Добавление дополнительных легирующих компонентов еще больше снижает теплопроводность.

Таким образом, можно сделать следующие выводы: технологические параметры бронз зависят от того, какие легирующие компоненты и в каком соотношении были введены при изготовлении металла. Основным компонентом является медь, процентное соотношение легирующих добавок регламентируется ГОСТами и прочими нормативными документами.