Бронза содержит. Бронза – состав и его влияние на свойства сплава. Марки и сферы их применения

Незаменимость и великолепные качества меди во многих областях деятельности человека еще с древних времен оценили люди. А в ювелирном художественном искусстве этот металл оказался самым востребованным. По своим изумительным свойствам: игре окрасок, очарованию блеска, изящности линий, бронза стала одним из наиболее благородных и пластичных материалов, изготовленных на основе меди.

Что такое бронза?

Это сплав меди чаще всего с оловом, который является основным элементом для легирования. Бронзой называют и другие сплавы - меди с алюминием, кремнием, свинцом, бериллием и другими металлами. Не используют для добавок только два металла: никель и цинк. В зависимости от основного легирующего компонента, бронза так и называется: оловянная (19% олова), бериллиевая (2% бериллия). Кроме того, в бронзе, имеющей любой состав, всегда присутствует незначительное количество фосфора, цинка, свинца. Бронза, изобретенная в третьем тысячелетии до н. э., много и долго использовалась.

Цвет и фактура изделий из бронзы придается с помощью золочения, полировки, чеканки, ковки. Из нее изготовляли все, начиная от оружия и до украшений, а древние китайцы научились полировать бронзовые зеркала.

Даже появление железа не сказалось на ее применении. Вплоть до XIX века для производства пушек использовали пушечную бронзу. Этот сплав очень прочный, поэтому долговечный. Он обладает высокой тягучестью, имеет отличные литейные свойства. А упругость, вязкость и пластичность незаменимы при создании объемных композиций.

Век бронзы: исторические факты

Это исторический период человечества с конца IV до н. э. и до начала I тысячелетия н. э., когда медь являлась важнейшим материалом, который служил для всех производственных нужд. Занятия скотоводством позволяли древним людям улучшить уровень жизни. Все взрослые мужчины становились воинами. Оружие, приспособленное для охоты, становилось боевым.

Во времена, когда появилась медь, из нее стали изготовлять в основном оружие. Первые медные изделия - ножи и наконечники копий. Они были небольших размеров и по форме напоминали каменные вещи. Лезвия ножей изготовляли из тонких металлических пластин, которые гнулись, тупились и быстро ломались.

Иногда попадалась медная руда с содержанием олова, расплавляя ее в печи, получали твердый металл, который впоследствии назвали бронзой. Со временем человек к меди стал добавлять и другие металлы. Сплавы шли на изготовление оружия, предметов обихода, а в дальнейшем их стали использовать для украшений. Орудия из металла и применение технологий для получения сплавов фундаментально отразилось на развитии человечества и является важным признаком эпохи бронзы.

Коротко о свойствах меди

Чистая медь имеет высокую пластичность и коррозийную стойкость, небольшой удельный вес и высокую теплопроводность. Она отлично поддается обработке давлением и чуть хуже режется. Чистую медь используют для электрических проводов. Высокая ее теплопроводность применяется в разных устройствах для отведения тепла, а также в теплообменниках, в том числе и радиаторах охлаждения, отопительных системах. С помощью медных труб транспортируют газы и жидкости, применяют их и в холодильных установках.

Медные сплавы: латунь и бронза

На вопрос о том, что такое бронза, можно ответить так: это сплав меди с оловом, где никель и цинк не основные легирующие компоненты. Медные сплавы по химическому составу делятся на группы:

1. Оловянные, в которых главным элементом состава является олово.
2. Безоловянные - олово неосновной металл в составе.

Оловянные сплавы называют бронзой. В качестве элементов, которые могут быть добавлены к меди с оловом, используют: магний, цирконий, хром, свинец, алюминий, никель, железо и другие. Все сплавы, кроме алюминиевых, хорошо паяются и свариваются.

Цвет бронзы меняется от коричневого до красного оттенка. Он зависит от входящих в состав компонентов. Безоловянные сплавы называют латунью. Они состоят из меди с цинком и небольшими добавками марганца, никеля, алюминия, кремния, свинца и многих других металлов. Латуни легко механически обрабатываются как в холодном, так и горячем виде, исключение составляют свинецсодержащие материалы.

Различия между латунью и бронзой

Бронза - это сплав меди с оловом, латунь - меди с цинком. Следующие свойства отличают бронзу от латуни:

• наделена большей прочностью;
• обладает крупной зернистостью;
• цвет бронзы темно-коричневый;
• контактирует с морской водой.

Все сплавы с медью имеют хорошие антифрикционные и антикоррозийные свойства.

Литейные и деформируемые виды бронзы

Используя технологический признак, все медные сплавы можно разделить на:

1. Литейные. Основное их предназначение - это фасонные отливки.
2. Деформируемые. Они отлично обрабатываются давлением.

Литейные оловянные виды бронзы используют для выпуска деталей машин, которые работают в морской и пресной воде. Из них изготовляют антифрикционные детали (вкладыши и подшипники скольжения).

Основное достоинство литейной оловянной бронзы - низкая усадка и самая лучшая жидкотекучесть по сравнению со всеми медными сплавами. Деформируемая оловянная бронза имеет высокую пластичность и упругость. Ее используют для изготовления труб и лент. Антифрикционные детали, мембраны, плоские и круглые пружины, обладающие большой износоустойчивостью, производят из этих сортов бронзы.

Бронза и ее применение

Эксперименты с пропорциями элементов, входящих в состав сплавов, проводили еще наши далекие предки. Модификация составляющих бронзы приводит к изменению ее химических свойств. Для увеличения ковкости применяют олово. И чем его больше, тем сплав становится тверже. Одним из самых твердых материалов принято считать бериллиевую бронзу, у которой при закаливании появляется пластичность, используемая для изготовления деталей, наделенных свойством упругости.

В XX веке начали изготавливать заменители оловянной бронзы, которые не содержат дефицитного олова и часто превосходят их по многим свойствам. Наиболее распространены алюминиевые типы бронзы. Как раз из нее делают металлические ленты и трубы, которые легко режутся и не поддаются коррозии в морской воде. Благодаря хорошей сопротивляемости ударным воздействиям и отличным антифрикционным качествам, свинцовая бронза широко используется для изготовления подшипников.

Оловянные бронзы и их свойства

Что такое бронза оловянная - это сплав меди с оловом, который одним из первых освоил человек. Добавление олова в медь придает ей твердости, значительной прочности и легкоплавкости. Любые марки оловянной бронзы состоят:

• из меди, занимающей первое место в сплаве по количественному составу и свойствам;
• олова, которое всегда стоит на втором месте по количеству и является основным, из всех легирующих компонентов;
• на третьем месте находятся дополнительные добавки: цинк, свинец, железо и другие компоненты, без которых можно и обойтись.

Оловянные бронзы имеют высокую коррозийную стойкость, хорошие литейные и значительные антифрикционные качества, прекрасно обрабатываются резанием. Для того чтобы повысить механические характеристики, придать особые свойства, бронзу подвергают легированию фосфором, никелем, железом, титаном. Например, при добавлении марганца повышается коррозийная стойкость, никеля - пластичность, цинка - литейные свойства, железа - прочность, свинца - обрабатываемость.

Кремниевая бронза

В этом случае в состав бронзы обычно добавляют марганец или никель. Такие сплавы являются упругими, имеют антифрикционные свойства, пластичны даже при низкой температуре. Кремниевая бронза отлично поддается обработке давлением как при маленькой, так и высокой температуре, ее легко паять. Она не намагничивается и не искрится при ударах. Находят применение при изготовлении деталей для морского судостроения, разных решеток и сеток, для изделий, имеющих малый коэффициент трения. Из нее делают пружины, подшипники, направляющие втулки, испарители.

Бериллиевая бронза

Это дисперсионно-твердеющие сплавы, обладающие высокой упругостью. Имеют высокую коррозийную стойкость, жаропрочность и циклическую прочность. Они прекрасно переносят низкие температуры, не магнитятся. Незначительные добавки в бронзу металлов - кобальта, никеля или железа - замедляют во время термической обработки скорость перехода вещества из одного фазового состояния в другое.

Это способствует значительному облегчению технологии, в результате которой проводится закалка и старение. Кроме этого, никель содействует повышению температуры рекристаллизации, с помощью марганца удается в некоторой степени заменить дорогостоящий бериллий. Пружины, пружинящие детали, мембраны - все это изготовляют из бериллиевых бронз. Особенно много такой продукции использует часовая промышленность.

Процесс получения бронзы

Для плавки бронзы используют любые печи, которые применяют для получения медных сплавов. Технологический процесс производства бронзы состоит из следующих операций:

• расплавить медь под древесным углем или флюсом при температуре 1100 градусов по Цельсию;
• добавить олово и другие компоненты;
• фосфористую медь прибавить в сплав для раскисления (ее количество не должно быть выше 10% по отношению к исходной массе);
• прогреть сплав до 1200 градусов по Цельсию, чтобы получить однородную структуру;
• удалить вредные примеси из состава сплава путем окисления, основного составляющего;
• провести модификацию для улучшения механических свойств сплава;
• разлить металл по формам.

Декоративные сферы применения бронзы

Используя такие свойства бронзы, как пластичность, стойкость к внешним условиям, ковкость, обширную цветовую гамму, ее охотно используют для изготовления предметов обихода и создания интерьера в помещениях. Оригинально смотрятся литые и кованые украшения для лестниц и перил из бронзы, дверные ручки и карнизы.

Для ванной комнаты отлично подойдет настенный водяной, сделанный из бронзы полотенцесушитель. Его можно подобрать по цвету смесителя и другой сантехники, а много места он не займет. Хорошо впишутся в интерьер напольные, настенные и настольные светильники. Различные бронзовые подсвечники, письменные приборы и рамы для картин будут изумительно смотреться в рабочем кабинете. В прихожей крючки для вешалок, зеркальные рамы и декоративные подставки для обуви придадут изысканность интерьеру.

Использование бронзы для изготовления скульптур

Что такое бронза в искусстве? Это сплав, в составе которого медь и олово. Он обладает повышенной устойчивостью к любым механическим действиям и атмосферному влиянию. Из нее можно изготовить совсем крошечные статуэтки и солидные скульптуры. Известный английский скульптор Майкл Джеймс Талбот, используя бронзовые листы, творит из них чудеса.

Он создает изящные, реалистичные фигуры женщин. Все линии и плавные контуры наполнены энергией и грациозностью. Оказывается, с помощью бронзы можно передать все тонкости человеческого тела и даже выразить эмоции, делая скульптуру невесомой и пластичной. Причем высота некоторых из них достигает почти двух метров.

Особенности бронзы

Бронза (фото ниже) всегда была и остается дорогим металлом, но спрос на нее постоянно растет. Основательный и импозантный внешний вид изделий из бронзы, обладающих высокими техническими характеристиками: долговечностью, износостойкостью, пластичностью, антикоррозийностью, привлекает внимание к этому благородному металлу.

Благодаря развитию науки меняются и совершенствуются технологии изготовления бронзы. Год от года на рынке для потребителя появляются новые варианты сплавов, имеющие более высокие свойства для максимального их использования в жизни.

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

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

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

Способы изготовления и характеристики

Физические данные

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

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

Как изготовить бронзу

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

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

При использовании медного лома процедура изготовления бронзы такая же.

Разновидности

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

Оловянная бронза

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

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

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

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

Безоловянная

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

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

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

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

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

Маркировка

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

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

Многим нравится, как выглядит бронза, состав же ее интересует кого-то редко. А ведь благодаря его вариациям существует большое количество видов этого сплава с различными качествами, из-за чего применение бронзы практически не имеет границ.

1 Маркировка, химсостав и цвет бронзы

Бронзой называется сплав меди с оловом (а не с серебром, как считают некоторые). Это самый основной вид. Помимо главных ингредиентов, из которых состоит материал, бывают еще цинковые, свинцовые, марганцевые, алюминиевые добавки. Но какими бы ни были эти соединения, присутствие меди всегда остается неизменным. Есть две группы, на которые делятся бронзы по своему химическому составу: оловянные (легирующий, т. е. преобладающий элемент среди добавок – олово) и безоловянные (этот легкоплавкий металл присутствует, но не в большом количестве). Помимо химического различия сплавы еще могут классифицироваться по способу обработки. Имеются деформируемые типы, которые производятся для деталей, изготавливаемых давлением (штамповкой), и , приспособленные для создания отливок.

Бронзовый сплав

Если начать перечислять сплавы, в которых присутствуют дополнительные металлы, то весь перечень займет не один лист. Говорят, опытный специалист может определять разные бронзы по цвету и даже безошибочно назвать, какие примеси есть в изделии. Вполне возможно, но вот как при необходимости простой человек, никогда не имевший отношения ни к металлургии, ни к слесарному делу, сможет определить, какие именно сплавы ему необходимы? На помощь приходят условные обозначения, принятые государственными стандартами. Существуют таблицы с буквенными кодами, благодаря которым любой желающий может узнать, подходит бронзовое изделие для его нужд или нет. Пользоваться этими индексами чрезвычайно просто.

Для примера давайте рассмотрим маркировку одного из самых распространенных видов с кодом БрАЖ 9–4. Итак, "Бр" означает, что сплав имеет в основе традиционную бронзу. Буквы А и Ж говорят о том, что в состав помимо меди и олова входят алюминий и железо. Если вместо этого вы увидите другой буквенный знак, то легко можете определить, какой металл еще присутствует внутри того или иного бронзового изделия:

• А – алюминий;
• Б – бериллий;
• Ж – железо;
• К – кремний;
• Мц – марганец;
• Н – никель;
• О – олово;
• С – свинец;
• Ц – цинк;
• Ф – фосфор.

Теперь о том, что обозначают цифры. Как правило, процент содержания меди в химическом составе бронзы не указывается, а высчитывается по разности. В нашем примере мы видим, что сплав имеет 9% алюминия, 4% железа, а, значит, и 87% меди. Процентное содержание меди влияет на то, каким будет цвет у того или иного изделия. Обычным считается случай, когда Cu составляет в сплаве 85%. На выходе сплав по цвету будет напоминать золото. А если пропорция красного металла будет составлять 50%, а другую половину заполнят светлые добавки, он сможет выглядеть даже как серебро.

При желании сплав можно довести и до такого состояния, когда поверхность станет черная, скажем, уже серой она становится, если содержание меди в составе бронзы уменьшить до 35%.

Где нужен совсем темный материал? Обычный человек чаще видит такой сплав в музее, изделия кажутся просто покрашенными, но глубоко черная поверхность как раз естественная. Правда, металловеды сходятся во мнении, что по-настоящему правильную бронзу такого цвета (с добавлением большого числа редкоземельных металлов) получить в древности не могли. Скорее всего, музейные экспонаты сделаны из более традиционного сплава, но претерпели пожары, где и сплавились с расположенными рядом металлическими изделиями, давшими в результате такой цвет.

2 Виды сплава и их применение

Эксперименты с пропорциями были проведены еще нашими далекими предками. Однако не все так просто. Как было обнаружено, при изменении химического состава становятся другими и свойства сплава. На ковкость бронзы влияет количество в ней олова. Чем больше этого металла, тем тверже она становится. А самым твердым материалом считается . Во время закаливания у нее появляется определенная пластичность, и она весьма подходит для производства деталей, обладающих упругостью: пружин, рессор, мембран.

Для получения прочных металлических лент и труб, которые было бы легко резать, но в то же время они не поддавались воздействию коррозии (в том числе и от морской воды), применяется алюминиевая бронза. То есть сплав, в котором основным легирующим элементом выступает широко применяемый и известный всем металл. Свинцовистая бронза нашла применение при изготовлении подшипников. И все это благодаря отличному противостоянию ударным нагрузкам и антифрикционным свойствам. Для изготовления деталей достаточно сложных форм, у которых отсутствует такое свойство, как образование искр, используется кремнецинковая бронза. В расплавленном состоянии она, кстати, обладает отличной текучестью, что позволяет ее разливать в любые формы.

Немного особняком от традиционных сплавов стоит алюмоникелевая бронза (морская), потому что по сути это совершенно другой состав, по свойствам далекий от классического . Единственное, что роднит его с рассматриваемым материалом – наличие меди как одного из элементов. Открыт этот сплав не так давно, благодаря развитию литейного производства и созданию определенных условий, невозможных при кустарном хозяйстве.

Потребность в этом материале возникла после того, как человечество стало осваивать добычу нефти с помощью платформ, расположенных в морях и океанах. А именно, нужны были пожарные насосы, которые могли бы использовать соленую воду. Дело в том, что металлические части этих устройств изготавливались из сплавов, невыдерживающих воздействия специфичной среды. И во время экспериментальных поисков было найдено такое соотношение, которое с успехом прошло испытание.

3 Как получают бронзу – техпроцесс в двух словах

Всю историю оборудование для получения бронзы изменялось. По большому счету, принцип действия остался тем же: сырье – шихта с металлом или отходы производства, а в качестве флюса используется древесный уголь. Сам процесс происходит в определенном порядке. Вначале идет разогрев индукционной электрической печи до необходимой степени, после чего в нее засыпается слой флюса, на который затем поступает медь. Металл должен расплавиться и хорошо прогреться (температура также постоянно контролируется). Когда нужный параметр достигнут, в металлический расплав вводят фосфористую медь, которая благодаря своим свойствам воздействует на состав как кислотный катализатор.

После того как медь переходит в жидкое состояние, туда начинают поступать другие составные (легирующие) и связующие (лигатуры) элементы. Затем приступают к размешиванию сплава, пока компоненты в нем полностью не растворятся. Температурный режим также строго выдерживается. Когда до окончания плавки остается определенный технологией период, вновь вступает в дело фосфористая медь, позволяющая избавиться от нежелательных окислений. После финальной обработки бронзовый расплав уже готов к применению по назначению.

В чем секрет популярности бронзы? Почему на протяжении тысячелетий сплав продолжает пользоваться повышенным вниманием, а технологии его усовершенствования расширяют свои границы? Прежде всего – антикоррозийные и антифрикционные свойства. Материал не боится воздействий окружающей среды, ему не страшны перепады температур, повышенная или пониженная влажность, воздействие кислотных факторов.

Бронза легко поддается сварке, а добавки разных металлов придают ей свойства, необходимые в той или иной области. К примеру, бериллий и кремний дают возможность использовать бронзовые детали при значительном повышении температуры, свинец и цинк понижают коэффициент трения и позволяют использовать изделия из этого материала там, где трущиеся части механизмов ведут к сильному износу самого агрегата.

4 Патина и ее виды – что это значит для сплава?

Говоря о бронзе, невозможно обойти стороной и такое явление, как патина. Его видел каждый из нас при осмотре памятников, старых артиллерийских орудий, предметов интерьера. Некоторые считают, что она сродни ржавчине, но это совсем не так. Зеленый налет на бронзовых изделиях не что иное, как пленка, образуемая во время воздействия внешних факторов (воздуха, воды, выхлопов бензина) на медь в сплаве.

В зависимости от того, какие вещества принимали участие в образовании такого явления, и что за компоненты использовались в сплаве изделия, патина бывает оксидного и карбонатного происхождения. В отличие от ржавчины, эта естественно созданная пленка не разъедает поверхность, а наоборот, служит защитным слоем для изделия. Особо ценен слой (куприт), который образовывается на протяжении многих десятилетий и располагается в самом низу, непосредственно покрывая памятник, статуэтку или другое старинное изделие.

Следует различать два вида патины: благородную и дикую. Первая обладает теми свойствами, о которых говорилось выше. Вторая возникает из-за активного воздействия влаги и неправильно примененных веществ (краски, моющих и абразивных средств), и ведет к коррозии и образованию каверз. Опасность подобного явления состоит в том, что удаление неблагоприятного налета ведет к снятию верхнего слоя самой бронзы, а это портит вещь, обладающую исторической и культурной ценностью. При реставрационных работах антикварных вещей из этого сплава применяются специальные технологии, восстанавливающие слой на их поверхности, а также искусственное патинирование с помощью нанесения препарата, содержащего серу, и легкого нагрева самого изделия.

Бронза — это сплав меди с легирующим составом практически из любого металла. Исключение составляют только цинк и никель. Изначально этот сплав состоял из меди и олова, но по некоторым сведениям ещё раньше люди научились производить сплав из меди и мышьяка. Поэтому следует различать оловянные и безоловянные бронзы (алюминиевые, бериллиевые, и другие). Значительными отличиями по механическим свойствам также обладают литейные сплавы от сплавов обрабатываемые давлением. можно на нашем сайте.

Свойства бронзы

За счёт добавления легирующих элементов в сплав бронзы, кристаллическая решётка меди укрепляется. По этой причине бронза прочнее меди в чистом виде, обладает большей коррозионной стойкостью и наименьшей усадкой. Путём добавления разных металлов в сплав, возможно также увеличить и улучшить антифрикционные свойства изделий, вязкость, износостойкость, упругость, а также свариваемость.

Бронзы обладают устойчивостью к коррозии в воздушной среде, даже при морском климате, в парах влаги и в серной кислоте. В морской воде и в соляной кислоте применяется алюминиевая бронза. В щелочной среде и в среде твёрдых газов наиболее хорошо проявляет себя кремнистая бронза. Благодаря разнообразию качеств сплавов меди с различными легирующими составами, бронза обрела широкое применение во многих областях.

Ниже в таблице приведены основные механические показатели, характерные для бронз, не прошедших процедуру закалки и старения.

Следует также отметить, что сплавы, подвергнутые закалке и старению, могут обладать ещё большей прочностью, что однако влечёт за собой увеличение хрупкости. К примеру бериллиевая бронза после закалки в воде при температуре 780°C, а также двухчасового старения при температуре 320°C, имеет предел прочности на растяжение около 1300 МПа, а твёрдость 3500 МПа по Бринеллю.

Бронза - История

Но давайте обратимся к истории, прежде чем говорить о бронзовой промышленности в наши дни. Бронзу открыли примерно в 5-4 тысячелетии до нашей эры. По некоторым источникам её возможно начали применять на территории современного Таиланда, ведь на территории Юго-Восточной Азии находятся одни из крупнейших месторождений олова. Но по подтверждённым сведениям, самые древние находки из бронзы датируются приблизительно 4 тысячелетием до нашей эры, были обнаружены на территории прилегающей к реке Кубань и принадлежат к Майкопской культуре. По подтверждённым сведениям безоловянная бронза из сплава с мышьяком была произведена раньше оловянной. Примерно в это время учёные и начинают отсчёт начала бронзового века, который продлился около двух тысяч лет, до распада сложившихся отношений в обществе и в частности Циркумпонтийской провинции (центра металлургической промышленности того времени).

С пришествием конца бронзового века, этот метал не утратил своего значения. Ярким примером тому служит изображение (XV в до н.э.), найденное в египетской гробнице, принадлежавшей одному чиновнику. На представленном здесь изображении представлен процесс отливки дверей для некого храма. По иероглифам удалось установить, что металл, из которых выполнены ворота — бронза, доставленная из Сирии.

Добыча и производство олова

Оловянная бронза в прошлом обладала наибольшей коррозионной стойкостью, прочностью и легко поддавалась полировке, за что ценилась наравне с золотом и серебром. Stannum (Sn, прочный, олово) — редкий и ценный легкоплавкий, ковкий, пластичный металл, известный человечеству примерно с 4 тысячелетия до нашей эры.

В земной коре содержится 2*10 -4 -2*10 -3 % Sn от общей массы. Основное сырье для получения Sn — это касситерит (SnO 2). Месторождения касситерита находятся, в основном, в Юго-Восточной Азии, а также Австралии и Южной Америке.

Касситерит был обнаружен людьми случайно, в виду сродства по массе с золотом. Когда люди намывали золото, вместе с ним получали кристаллы касситерита, и стали изучать его свойства ещё в неолитическую эру. Также касситерит обладает сродством глубоким залежам медесодержащих полиметаллическим соединениям халькопирита, в связи с чем он и нашёл широкое применение.

Сейчас олово производится в основном из касситерита по пирометаллургической схеме, подобно тому как получают медь. Мы не будем углубляться в тонкости получения олова и меди, так как это не укладывается в рамки данной статьи, а лишь вкратце очертим этапы получения олова.

• Сырьё дробят на мелкие кусочки размером до 10 мм.
• На вибрационных столах оловосодержащие частицы отсеиваются под действием гравитации и в виду большей массы от примесей.
• Во флотационных машинах содержание олова в концентрате поднимается до 70 % и более.
• С помощью обжига в воздушной среде удаляется сера и мышьяк.
• В результате плавки, концентрат очищается и Sn восстанавливается древесным углём до свободного состояния.
• После рафинирования олово приобретает допустимую чистоту для промышленных целей и отправляется на изготовления заготовок.

В настоящий момент значение оловянной бронзы не столь велико, потому как из сплава меди с алюминием, например, можно получать изделия с высокой стойкостью к коррозии и значительно снизить при этом цену на металлопрокат. В прошлом же получать алюминий в промышленных масштабах было невозможно в виду того, что люди не знали о нём до XIX века, и долгое время этот метод получения алюминия был весьма дорогостоящим.

Получение бронзы с различными легирующими составами

Получение меди рассматривалось нами в статье касающейся медной промышленности, также мы освещали вопросы получения алюминия, получение чистого олова мы рассмотрели в этой статье. Получение же бронзы происходит путём сплавления меди и легирующих металлов. Плавка оловянных бронз производится в индукционных электропечах, а также в тигельных горнах. Сплавы с алюминием также производятся в индукционных или дуговых электропечах, либо в коксовых, нефтяных печах, тиглях из графита или горнах.

Шихта (сырьё для сплава в необходимых пропорциях) бывает самой разной, в зависимости от необходимого состава сплава.

Основу оловянных сплавов составляет:

• Олово, по ГОСТ 860 (О3 и выше);
• Цинк по ГОСТ 3640 (Ц1-Ц4);
• Свинец ГОСТ 3778 (С1, С2);
• Фосфористая медь по ГОСТ 4515;
• Никель по ГОСТ 849 (Ни1, Ни2);
• Оловянная бронза в чушках по ГОСТ 614 и другие.

Шихта и её состав

ОЦСНЗ-7-5-1

Для получения алюминиевых бронз применяют:

• Медь ГОСТ 859 (М0, М01) или М1, М2 (после огневого рафинирования);
• Марганец ГОСТ 6008;
• по ГОСТ 11069 и ГОСТ 11070 (А1, А2, А3);
• Железо, и другие...

Для кремнистой бронзы используются в шихте:

• Медь М2-М4 по ГОСТ 859;
• Кремний в кристаллах по ГОСТ 2169;
• Паспортная кремнистая латунь по ГОСТ 1020;
• Ц2-Ц4 цинк по ГОСТ 3640;
• Переплавленные стружки ЛК80-3Л, и так далее.

Все ингредиенты добавляются в печь в установленной последовательности. Печь и сырьё предварительно подготавливается. Для получения каждого вида сплава характерны свои технологические особенности.

Применение

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

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

История

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

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

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

Состав бронзы

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

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

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

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

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

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

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

Такими причинами являются следующие:

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

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

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

Таким образом, существуют следующие виды:

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

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

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

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

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

Области применения и маркировка

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

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

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

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

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

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

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

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

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