Классификация, марки, характеристики бронзовых составов. Бронза металл. Описание, особенности и применение бронзы Бронза ее виды

Как известно, после золотого века настал серебряный, после него бронзовый, а затем железный. По поводу первых двух исторических периодов мнения историков сильно расходятся. Материальные доказательства бронзового века настолько солидны и многочисленны, что сомневаться в этом этапе развития человечества, возможности нет.

Ну а названо это время в честь главного ее материала – бронзы. И данная статья посвятит вас в химический состав бронзы, магнитные, технологические, физические и механические свойства сплава .

В общем виде бронза – это . Вторым компонентом могут выступать различные металлы за исключением – такой сплав называют , и – он носит название мельхиор. В соответствии с характером второго ингредиента бронзы делятся на оловянные, то есть, содержащие , и безоловянные – все остальные, где вторым компонентом выступает другой металл. Состав мелких примесей при этом не учитывается.

Про состав черной, белой, синей, зеленой, оловянной, алюминиевой и других бронз, пропорции меди и олова в них, а также о том, чем отличается бронза от , читайте ниже.

Состав и структура металла бронза рассмотрены в видео ниже:

Оловяные металлы

Состоят из олова и меди. Как показывают исследования, медь может растворить до 15,8% олова, что автоматически указывает на возможность появления разных фаз твердых растворов. Так оно и есть: до достижения доли олова в 6–8% устойчивой является α-фаза, обеспечивающая хорошую ковкость и пластичность сплава. При увеличении доли олова появляются такие качества, как хрупкость и твердость, что не мешает использовать бронзы с до 65%, поскольку тогда в сплаве имеются и другие интересные качества.

Свойства и даже цвет сплава зависят от олова. Так, при доле в 90–99%, цвет бронзы ближе красному. Цвет сплава, содержащего 85% меди, желтый, содержащего более 50% – белый, а при доле меди в 35% сплав становится серо-стальным.

Соответствующим образом меняются и свойства.

• При малом содержании олова – до 2%, бронзу можно ковать на холоде, а не только при нормальной температуре.
• При содержании олова более 5%, ковать сплав можно лишь при температуре красного каления, из-за чего бронза считается не совсем подходящим сплавом для ковки.
• Если же твердый раствор включает более 15% олова, такое качество как ковкость сплав теряет, приобретая взамен высокую твердость.
• При очень большом содержании олова сплав вновь становится мягким.

Разновидности

Из-за резкого отличия свойств оловянные бронзы разделяют на 2 группы:

• деформируемые – с низким содержанием олова. Такие сплавы можно ковать и прокатывать, а также резать и затачивать. Они отличаются упругостью и высоким сопротивлением усталости, поэтому часто используются при изготовлении пружин;
• литейные – с более высоким содержанием олова. Изделия из нее получают литьем. Несмотря на не слишком высокую текучесть, бронзу используют для получения отливок самой сложной конфигурации, поскольку она дает очень малую усадку – менее 1%, в то время как у чугуна усадка составляет 1,5%, а у стали – 2%.

Превосходные бронзовые изделия – статуэтки, посуду, украшения на перилах и так далее, получают именно литьевым методом.

Примеси

Бронза может включать разнообразные случайные примеси в очень малом количестве. В то же время в состав вводят специальные добавки с тем, чтобы получить дополнительные свойства.

• – может составлять до 10–15% по массе. Он растворяется в α-растворе и улучшает механические свойства: увеличивает текучесть, плотность отливки и прочее. При этом металл заметно понижает стоимость изделия, поскольку намного дешевле олова. Такая бронза носит название адмиралтейской и более устойчива к морской воде.
• для придания сплаву и возможности обрабатывать изделия резанием.
• Фосфор увеличивает жидкотекучесть и износостойкость.

Безоловянные металлы

Представляют собой сплав меди с другими металлами, за исключением цинка и никеля. Такие бронзы называются в соответствии с легирующим элементом, доля которого в сплаве самая большая – алюминиевая бронза, например, бериллиевая и так далее. Маркируется она точно таким же образом. Так, Бр.АМц-7-1 означает, что в сплаве содержится 7% алюминия, 1% марганца и, соответственно, 92% меди.

Другие металлы в сплаве с медью создают иные свойства. Хотя, справедливости ради, большинство из них разработано в попытке удешевить бронзу, исключив из нее дорогое олово.

• Алюминиевые бронзы – отличаются более высокими антикоррозийными и механическими свойствами, к тому же сплав с алюминием дешевле. Однако, несмотря на то, что алюминиевая бронза более жидкотекучая, она дает большую усадку, поэтому редко используется для . Алюминий с медью образует твердый раствор, состав которого зависит как от доли алюминия, так и от условий получения, в частности, от скорости охлаждения. В результате такие его качества, как пластичность или прочность заметно меняются. Однофазные алюминиевые бронзы отличаются прекрасным сочетанием прочности и пластичности (максимальная нагрузка составляет 400–450 МПа, а пластичность равна 60%). Двухфазные более прочны и тверды, но требуют разной обработки в зависимости от своей структуры. К тому же дают куда большую усадку.
• Кремнистые бронзы могут включать до 3% кремния и отличаются антифрикционными свойствами и упругостью. Структура однофазная, что обеспечивает хорошую пластичность и относительную легкость обработки. Для отливок применяется редко. Если доля кремния превышает 3%, появляется хрупкая γ-фаза, поэтому состав сплава меняется редко.
• Бериллиевые бронзы отличаются высокой коррозионной стойкостью, износоустойчивостью, повышенным сопротивлением усталости, а также очень высоким пределом упругости. Сплав является теплостойким материалом – «работает» до температуры в 340 С, обладает хорошей теплопроводностью и электропроводностью. Бериллиевые бронзы можно подвергать закалке и старению, что очень положительно сказывается на их механических качествах.
• Марганцовая бронза содержит марганец, и, как правило, а порой и олово. Свойства сплавов заметно отличаются и .
• Довольно известна мышьяковая бронза , но уже лишь как исторический материал. По своим качествам она превосходила оловянную, причем образовывала большое количество сортов для разных целей. Однако исчерпание поверхностных залежей мышьяка, токсичность производства и невозможность переплавки, в конце концов, привели к ее исчезновению.

Характеристики и особые свойства свинцовых, бериллиевых, алюминиевой и других бронз рассмотрены ниже.

Хотите отливать солдатиков у себя дома? Тогда смотрите следующее видео и запаситесь бронзой:

Свойства и характеристики

О свойствах столь разнообразного сплава говорить сложно, поскольку качества бронзы очень сильно зависят от характера и количества легирующей добавки. Но так как именно оловянная остается наиболее известной и чаще всего используемой, ее технические характеристики с учетом фазового состава и будут приводиться в качестве примера.

Плотность и масса

Бронза – сплав достаточно тяжелый. Но и масса изделия из него, и плотность зависят от доли входящих компонентов.

• В целом плотность оловянной бронзы колеблется от 8,6 до 9,1 г/куб см при изменении доли олова от 8 до 4%.
• Бронзы алюминиевые, например, литейные, плотность имеют меньшую – от 7,5 до 8,2 г/куб. см;
• Бериллиевые бронзы имеют меньший диапазон плотности 8,2–8,4 г/куб. см.

Температуры

Эти характеристики тоже определяются качественным и количественным составом сплава. Промышленное значение имеет температура начала плавания, температура горячей обработки, если речь идет о деформируемых бронзах, и температура отжига – термической обработки с целью упрочнения вещества.

Теплоемкость и теплопроводность

Теплопроводность металлов всегда выше, чем неметаллов. Однако для определенных целей нужны очень разные показатели. Медь прекрасно проводит тепло, как и электричество, но ее сплав в значительной мере эту способность утрачивает. Поэтому вещество не используют для изготовления сварочных электродов или узлов трения, поскольку оно не может быстро отдать или отвести тепло.

• В зависимости от доли олова теплопроводность изменяется от 0,098 до 0,2 кал/(см*с*С).
• Средняя теплоемкость сплава меди с оловом составляет 0,385 кДж / (кг*К), что практически соответствует меди. Даже железо способно хранить тепло в большей степени.

Коррозийные свойства

Оловянные бронзы отличаются высокой коррозионной стойкостью. Скорость коррозии на воздухе не превышает 0,002 мм/год при содержании олова в сплаве 5–8%.

В морской воде оловянная бронза даже более устойчива, чем сама медь, а также латунь. В зависимости от содержания олова этот показатель повышается: так, сплав с долей олова 6% корродирует на 0,04 мм в год, а с долей металла 10% – на 0,016 мм в год.

Сплавы неустойчивы к действию аммиака, минеральных кислот, особенно соляной и азотной. Однако в присутствии ингибиторов скорость коррозии уменьшается в 10–15 раз.

Электропроводность

Этот показатель у большинства бронз намного ниже, чем у меди, что коррелирует с низкой теплопроводностью. В зависимости от состава, а здесь важны и доля олова, и характер второго легирующего компонента, если он есть, удельное электросопротивление изменяется от 0,087 до 0,176 мкОм*м.

Серебряная бронза – с добавкой серебра 0,25%, имеет такое же удельное сопротивление, как у меди, но, к сожалению, этот состав имеет высокую температуру рекристаллизации.

Токсичность

Сплав меди и олова никому вреда никогда не причинял. И его изготовление, и применение совершенно безопасны для здоровья человека и для окружающей среды.

• Угрозу могут представлять собой вводимые легирующие добавки. Так, получение мышьяковой бронзы в старину несло ощутимую опасность, поскольку при этом использовался мышьяк, а последний является ядом.
• Такую же опасность представляет изготовление бериллиевой бронзы, поскольку сам бериллий является токсичным веществом. Готовый сплав совершенно безопасен.

Поскольку бронза – сплав с медью, то есть, является весьма дорогостоящим ломом цветных металлов, то вопросов с ее утилизацией не возникает. Бронза с легкостью переплавляется и может использоваться чуть ли не до бесконечности.

Бронзы – целый ряд самых разнообразных сплавов с самыми разнообразными свойствами. Бронза известна с самых давних времен, но не исчерпала своих возможностей.

У вас завалялась пара бронзовых монет, требующих чистки? Тогда этот видеоролик поможет справиться с такой задачей:

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:

1. при температуре около 1100 °C под слоем флюса или угля.
2. Ввод фосфористой меди (около 10 %) для раскисления.
3. Добавление дополнительных компонентов для получения однокомпонентного сплава – олова, многокомпонентного – всех дополнительных составляющих, вторичного бронзового сплава – бронзы.
4. Прогревание полученного сплава до температуры 1200 °C.
5. 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.
6. Модифицирование для повышения механических свойств сплава.
7. 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:

1. Медь расплавляется под флюсом и раскисляется.
2. Вводятся дополнительные компоненты в чистом виде или в виде смеси с медью.
3. Производится вторичное раскисление.
4. Вводится алюминий.
5. Засыпается поверхность сплава флюсом.
6. 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.

Классификацию бронзы стали изучать еще в средневековые времена. Сплавы использовали для изготовления различных предметов для быта (период был назван бронзовым веком). Об этом свидетельствуют археологические находки: посуда (сосуды для питья, чашки, блюда), оружие (мечи, наконечники для пик), предметы обихода (статуэтки), а также украшения (кольца, цепи и монеты).

В средневековье шёл активный захват земель, происходили постоянные войны, и для нужд армий в качестве оружия отливали пушки и пушечные ядра из бронзы. Наиболее распространённой являлась колокольная бронза с добавлением олова.

Сырье для изготовления

Бронза – это сплав на основе меди с добавлением легирующих компонентов с разным процентным соотношением. Наиболее распространённые в качестве добавок – хром, никель, алюминий, олово, свинец и другие. Механические и физические свойства бронз отличаются в зависимости от того, какие компоненты будут введены в сплав. На оттенок будет влиять объём содержащихся в нём легирующих веществ. Красный цвет свидетельствует о повышенном содержании меди, а серо-стальной цвет – о наличии в бронзе не более 30% меди.

Классификация бронзовых сплавов

Существует несколько классификаций, одна из них – по химическому составу.

Это сплавы, в состав которых обязательно в качестве легирующего элемента входит олово. Оно придаёт большую твёрдость и одновременно легкоплавкость. Дополнительно вводятся цинк, фосфор и свинец. Эти добавки придают сплаву устойчивость к коррозии и делают его более подходящим для процесса литья. Фосфор выступает раскислителем сплава, если его процентное содержание составляет более единицы.

Цинк способствует удешевлению материала, не влияет на качественные характеристики сплава олова с медью. Поэтому практикуется вводить в сплав до 10% цинка – это не вызовет изменений механических свойств, но уменьшится себестоимость изделий.

Наибольшее содержание олова может быть в пределах 30%, тогда бронза приобретает светло-серебристый цвет. В зависимости от процентной доли этого вещества, изменяется оттенок сплава от красного до жёлтого.

Изделия из оловянистых бронз лучше подвергаются обработке – токарной и фрезерной, а также полировке. В качестве добавочных элементов в сплав вводят:

• цинк;
• фосфор;
• свинец.

Эти компоненты положительно влияют на механические, литейные и антифрикционные свойства (сопротивление износу) бронзы.

Сплав с содержанием олова до 20% имеет двухфазную структуру и применяется только в литом виде. Оловянистые бронзы полностью заполняют форму для литья, обладают небольшой усадкой, это делает возможным получать отливки сложной конфигурации. Применяются для получения фасонных изделий и для художественного литья, а также из них изготавливают механизмы и детали агрегатов, эксплуатируемых в морской солёной воде.

Безоловянные бронзы (специальные) – которые не содержат в своём составе химического элемента олова.

Классификация безоловянных бронз составлена с учётом того, какой основной легирующий элемент присутствует в составе.

Алюминий – основной компонент легирования, содержится в составе от 6 до 12%. В индустрии применяются двух- и многокомпонентные сплавы. Более востребованы многокомпонентные алюминиевые бронзы с добавлением никеля, железа и марганца.

Al в составе оказывает значимое влияние на физические свойства бронз. По плотности алюминиевые бронзы ниже, чем в чистом виде. Этот фактор позволяет применять их в судостроении и в авиакосмическом секторе. А также из алюминиевой бронзы производят детали и соединения, подвергающихся большим нагрузкам и трению (для дорожных машин, станков, для теплового оборудования).

Кремнистые сплавы

В промышленной области применяют бронзы, содержащие 4–5% Mn. Отличаются повышенной прочностью, высокой пластичностью и стойкостью к коррозии. Предназначены для производства деталей для центробежных насосов, рабочих колёс.

Структура такого сплава даёт возможность получать высокие антифрикционные свойства. Данная бронза идёт на изготовление вкладышей подшипников скольжения, функционирующих под высоким давлением при большой скорости.

Бериллиевые сплавы

Сплавы обладают повышенными прочностными характеристиками, а также высоким пределом текучести, упругости, отличаются высокой электропроводностью и теплопроводностью, высоким сопротивлением ползучести и коррозии. Из них изготавливают пружины и детали ответственного назначения. Основным сектором применения является электротехника – производят оптоволоконные кабеля и интегральные схемы. Бериллиевый сплав позволяет производить детали малых размеров для электронных устройств (мобильных телефонов, планшетов и т. д.).

Маркировка

Все марки сплавов бронз выпускаются заводами со строгим соблюдением требований нормативной документации (ГОСТов).

Маркировка бронзы начинается с аббревиатуры Бр, после следует буква основного легирующего компонента, затем остальных, а цифры обозначают процентный состав легирующих добавок. Например, марка БрАЖН 10-4-4 – это алюминиевая бронза, содержащая алюминий –10%, железо – 4%, никель – 4%, остальное – медь.

При маркировке бронз приняты следующие обозначения легирующих элементов:

Маркировка нужна как для определения свойств и состава бронзы, так и для определения удельного веса. Для этого составлены таблицы в технических справочниках. Если марка сплава неизвестна, тогда делается химический анализ. Эти данные нужны для определения объёма заготовки (формула представлена соотношением массы к объёму). Имея значения удельного веса сплава, можно высчитать объём детали с заданной массой, и наоборот: можно узнать вес бруска с определёнными параметрами.

Виды легирующих добавок

Разные химические элементы вводят в бронзовый сплав с определённой целью, чтобы он обладал необходимыми механическими свойствами. Содержание олова в бронзе влияет на характеристики пластичности. Чем больше содержится этого элемента, тем большей твёрдостью и, значит, хрупкостью характеризуется сплав.

Бериллий значительно влияет на прочность и твёрдость. Если бериллиевой бронзе провести закалку, то она вместе с прочностью приобретёт высокую упругость, поэтому из данной бронзы изготавливают пружинистые детали (рессоры, мембраны) и сами пружины.

Алюминий и никель придают бронзовому сплаву высокое упрочнение и коррозионную устойчивость. Из бронз, в составе которых присутствуют указанные химические элементы, изготавливают детали и механизмы, предназначенные для работы в критических условиях (морская вода, щёлочи). Например, части нефтяных платформ на океанских прибрежьях.

Свинец добавляют в бронзовый сплав для получения отличных антифрикционных и противоударных свойств. Изделия из свинцовых бронз могут подвергаться значительным длительным нагрузкам (например, подшипники в механизмах).

Бронзы, легированные кремнием и цинком, обладают повышенными свойствами текучести в жидком (расплавленном) виде, поэтому из них изготавливают детали сложной формы методом литья.

Особенности производства

Процесс выплавки происходит следующим образом:

• печь выводят на требуемый температурный режим, затем в неё помещают тигель с сырьём (медью);
• во избежание раскисления металла после расплавления, в него добавляют плавень (древесный уголь);
• когда металл в полном объёме расплавится и прогреется, в него вводят фосфористую медь, которая является кислотным катализатором;
• далее в расплавленный металл вводят легирующие элементы и связующие (лигатуры), после этого полученный состав тщательно перемешивается;
• окончательной операцией является разливка металла, но перед её совершением в расплав ещё раз добавляют фосфористую медь для предотвращения возникновения окислов.

На всех этапах выплавки бронзы особенно тщательно необходимо следить за соблюдением температуры плавления. Следует также правильно дозировать количество легирующих веществ и лигатуры, добавляемых в сплав.

Сфера применения

Бронза легко плавится и с равномерностью заполняет форму для слитка. Получаются слитки круглой и плоской конфигурации. Далее их подвергают ковке, прокатке, прессованию. Широк сортамент бронзового проката:

• лента и проволока;
• трубы;
• втулки;
• прутки.

Классификация бронзы помогает определить, какие изделия для какой отрасли нужно изготовить.

Используют бронзовые сплавы в машиностроительной и судостроительной отрасли, авиационной технике и при изготовлении ракет.

Устойчивость к механическим и динамическим нагрузкам и высокая стойкость к коррозии, позволяет применять детали из бронзы в механизмах машин и приборов в подвижных узлах, подверженных усиленному трению. Из безоловянных бронз с содержанием алюминия производят изделия для приборов, используемых в химической отрасли, а также регулирующей и запорной арматуры в системах отопления и трубопроводах.

Бронзовый сплав устойчив к механическим повреждениям и неблагоприятным внешним метеоусловиям, поэтому его применяют для отливки скульптур, статуй и барельефов. Бронза обладает хорошими текучими свойствами, аккуратно и точно заполняет формы для заливки, поэтому из неё получаются изделия сложных конфигураций (художественное литьё – люстры, торшеры, статуэтки, картины-миниатюры и др.).

Великолепно смотрятся бронзовые балюстрады, декоративные элементы лестниц и карнизов. Предметы интерьера – подсвечники, вешалки, рамы для зеркал и картин. Бронзовые детали мебели придают некоторую винтажность и роскошь помещению.

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.

Бронза, которая так издавна известна людям, представляет собой ценнейший сплав с уникальными характеристиками. В статье будет подробно рассмотрен состав бронзы, ее виды и особые свойства каждого из них. Также интересно будет узнать о современной сфере применения этого сплава.

Что такое бронза?

Бронза является многокомпонентным сплавом, состоящим из двух и более элементов, основной из которых медь. Остальные элементы называются легирующими и используются для усовершенствований показателей металла. Доля легирующих составных в бронзе может быть от 2,5% . Применяют в этом качестве марганец, олово, свинец, хром, фосфор, железо и другие элементы, кроме цинка. Сочетание меди и цинка, носит наименование латуни.

В зависимости от количественного содержания в сплаве меди добавок, бронза будет иметь различный цветовой оттенок. Огненно красные оттенки говорят о высоком проценте меди, а вот холодный стальной цвет – о наличие в бронзе не более 35% меди.

История бронзового сплава

Бронза, как известно еще со школьных учебников, применялась с очень давних времен. Самыми древними сплавами, сделанные людьми, были сплавы меди и олова. Находки в районе Месопотамии и Южного Ирана свидетельствуют о том, что первые бронзовые изделия датируются III тысячелетием до н.э . Из меди изготавливалось все: посуда (тарелки, кувшины и горшочки) оружие (мечи, наконечники стрел и топоры), зеркала, деньги в виде монет и, конечно, самые разнообразные украшения. Античные греческие скульпторы (V-IV век до н.э.) также оценили качества бронзы при отливке крупногабаритных статуй. Подобная технология используется и в наше время.

В средневековье, такое обильное на войны, из сплава меди и олова отливали пушки и снаряды для артиллерии. Наиболее известное воплощение бронзы – колокол, варьируя состав, размер и толщину стенок, мастера добивались самых приятных звучаний бронзового колокола, которое разливалось по округе.

Служа людям своими уникальными свойствами, она не теряет своей популярности. Происхождение слова связывают с персидским словом, обозначающим медь – berenj. В дальнейшем оно было трансформировано в итальянское слово bronzo.

Маркировка бронзы

Чтобы обозначить тот или иной сплав его маркируют следующим образом:

• Вначале стоит буквенное сочетание «Бр» - бронза;
• Далее, буквы, указывающие на основные легирующие элементы;
• В конце цифры, определяющие содержание легирующих элементов в материале.

Так, примером может служить маркировка БрО5 – содержание в сплаве 5% олова, БрА5 - 5% алюминия.

Маркировка необходима не только для определения состава и свойств бронзы, но и ее удельного веса. Чтобы это сделать, достаточно воспользоваться таблицей из справочника. Но если марка неизвестна, тогда поможет химический анализ. Это необходимо для вычисления объема заготовки, так как ее формула отражает отношение массы к объему. Зная удельный вес отдельно взятого сплава можно вычислить объем детали с определенной массой и наоборот, какой будет вес у бруска заданной величины.

Свойства бронзы

Как уже было отмечено, свойства бронзы напрямую зависят от наличия в ней одной или нескольких легирующих элементов, а также от их процентного содержания.

Бронза обладает:

Состав бронзы

Далеко не всякое сочетание в сплаве меди и другого элемента является бронзой. Медь и цинк, как уже было сказано, образуют желтовато-золотистый сплав под названием латунь. А вот медь с никелем воплощаются в мельхиор, использовавшийся некогда для дивно звучащих ложек, а в большей степени для монет. Он ценится за то, что долго не теряет свой серебристый оттенок и сияние.

Оловянная бронза

Основной легирующий компонент такой бронзы олово. Дополнительно в сплав вводится свинец, фосфор, мышьяк и цинк. Олово наделяет медь особыми качествами – лучшей легкоплавкостью, твердостью и упругостью. Такое сочетание свойств идеально подходит для полировки. Другие легирующие элементы делают сплав стойким к коррозии и более удобным для литья.

При введении олова до отметки 5% от общей массы, начинает снижаться пластичность сплава, а при 20% олова материал становится хрупким. По этой причине сплавы, где доля олова превышает 6-ти % барьер, пригодны в основном для литья, но для проката или ковки не годятся. Для того чтобы бронзовый сплав был более пригоден для механической обработки в него вводят о 5% свинца, который обеспечивает облегченное стружколомание. Фосфор раскисляет сплав, который называют фосфористым, если процент этого элемента более единицы.

Применение цинка помогает значительно удешевить материал , практически не оказывая какого-либо влияния на качество сплава олова с медью. Таким образом, в состав вводиться до 10% цинка без изменения механических свойств, снижая себестоимость продукции.

Наибольшая доля олова может составлять 33%, при которой бронза обретает приятный серебристо-белый цвет. В зависимости от изменения доли этого элемента, достигается цвет материала от красного до желтого.

Специальная бронза (без олова)

Сплавы с медью, не содержащие олова в качестве легирующего компонента, называют специальной или безоловяной бронзой. Такие сплавы меди с алюминием, железом, свинцом, кремнием и т.д. бывают самого разного предназначения. Они могут значительно превосходить по качествам сплавы с оловом, а их цветовая гамма еще более богата разнообразием.

Алюминиевая бронза выигрывает по механическим качествам в сравнении с оловянной. Вместе с тем алюминиевые сплавы химически устойчивы . Сплав меди с кремнием и цинком показывает отличную текучесть в жидком состоянии.

Бериллиевая бронза превосходит все остальные по упругости, обладая при этом высокую твердость. Кроме того, отмечается высокая свариваемость, химическая устойчивость бериллиево-медного сплава. Он отлично работает с режущим инструментом, подаваясь его обработке. По этой причине этот сплав подходит для изготовления таких деталей и элементов, как мембраны, пружины, контакты с пружинящими свойствами. Они легко и надежно свариваются и являются долговечными.

Характеристики бронзы

Технологические характеристики

По своим технологическим свойствам бронзы могут быть:

• Деформируемые или легко поддающиеся механическому воздействию. Такими свойствами обладают сплавы, содержащие не более 6% олова. Их пластичность позволяет производить штамповку, ковку и изготавливать рифленые бронзовые материалы. Именно из деформируемых сплавов делают бронзовую проволоку, ленту и листы и т.п.;
• Литейные – рассчитанные на фасонное литье. Из таких литейных бронз на основе меди и олова изготавливают машинные детали, которые могут работать в морской воде, а также шестеренки и вкладыши для подшипников.

Теплопроводность бронзовых сплавов

Если говорить о теплопроводности, то она падает с введением легирующих добавок. Несмотря на то, что медь очень хорошо проводит тепло, ее сплавы с другими компонентами теряют больший процент этого показателя. Невысокая теплопроводность делает бронзу непригодной для узлов трения, сварочных электродов и прочих элементов, где требуется быстра отдача и отвод тепла. Однако, низколегированные бронзовые сплавы близки по теплопроводности к меди.

Процесс получения этого металла происходит в электроиндукционных печах или тигельных горнах, где медь сплавляется с легирующими добавками. Плавка проходит под пластом флюса или древесного угля. Смесь исходного материала для плавления может быть приготовлена как из свежих металлов, так и из вторсырья.

Процесс производства бронзы:

Сферы применения

Благодаря своим разнообразным свойствам бронзу применяют в машиностроении, ракето- и авиастроении, судостроении и многих других отраслях. Качество антикоррозионной устойчивости, износостойкости и низкий коэффициент трения сделало ее незаменимым материалом для машин и агрегатов, которые вовлечены в подвижные узлы с высоким трением. С другой стороны, бронзовые детали нуждаются в периодическом обновлении. Благодаря химической устойчивости безоловянные сплавы бронзы применяется для проката элементов химпрриборов, изготовления регулирующей арматуры для различных трубопроводов .

Несменная популярность применения бронзы в изготовлении скульптур обусловлена ее пригодностью для литья, а также атмосферной устойчивостью, долговечностью и прочностью. Немаловажен фактор внешней привлекательности бронзовой скульптуры – цвет и блеск, притягивающий взгляд. Кроме того, бронза придает изделию солидности с эффектом старины. По этой причине из бронзовых сплавов изготавливают сложнейшие люстры , канделябры и другие элементы декора в театрах и дворцах.