Из каких сплавов состоит бронза

Бронза состав сплава

Заинтересовавшись металлом под названием бронза, я погрузился в информационные источники, чтобы узнать про неё как можно больше. Первое, что попалось мне на глаза, были исторические факты.

Оказывается, появление бронзы задокументировано ещё в пятом тысячелетии до нашей эры. Изделия из неё нашли в Сербии. В России же, Николай Веселовский, русский археолог, обнаружил древние залежи сплава в виде артефактов (датированного четвёртым тысячелетием до н.э.) около реки Кубань в 1897 году.

С течением времени об этом металле узнали и в Египте, где он стал важнейшим декоративным материалом. А вообще, в человеческой истории существует эпоха под названием бронзовый век. Он датируется с тридцать пятого по одиннадцатый века до нашей эры, хотя, в разных культурах разные даты, и бронза играет в нём ведущую роль.

Состав бронзы

Мне стало интересно, из чего же она состоит? Выяснив, что бронза – это сплав, в основе которого медь, а также другие металлы, я продолжил изучение материалов.

К металлам, входящим в её состав, можно отнести: кремний, свинец, алюминий, бериллий и прочие, кроме цинка, никеля и их смеси. Эти элементы, делают лучше её основные характеристики и их называют легирующими.

Добавки, также присутствуют в сплаве. Это фосфор, цинк, хром, марганец или железо. Изменение его состава меняет и свойства готового продукта. Так, если присутствие меди больше 35%, цвет конечного материала ярко-огненный.

Составы и марки бронзы определены специальными ГОСТ. Обычно их обозначают сочетанием “Бр” и букв (легирующие компоненты) с цифрами (их содержание). Например, БрА7 – алюминиевая бронза, а БрО7 – оловянная бронза.

Классификация бронзы

“Но ведь, наверное, существуют различные виды со своими свойствами?” – не давал мне покоя пытливый ум. Прочитав несколько статей и заглянув в пару книжек, я разобрался и с этим вопросом.

Металл классифицируют по трём признакам:

• содержанию в его составе олова;
• типу главного элемента, который считается легирующим;
• подверженности механической деформации.

Существует две категории её состава:

1. Безоловянная, по некоторым свойствам превосходящая другую категорию и не уступающая ей по физико-механическим показателям.
2. Оловянная, содержащая более 4% олова. Обладает минимальным уровнем усадки при литье, износостойкостью и хорошо ведёт себя при обработке.

С точки зрения технологичных процессов бронзу можно разделить на два вида.

Литейный сплав

Из него изготавливают детали механизмов и машин, которые работают в агрессивных средах, где присутствуют износ и трение.

Деформируемый сплав

Отлично поддаётся обработке, включающей ковку, гибку, перфорирование и штамповку. Содержание олова при этом в нём менее 6%.

Свойства бронзы

Главные компоненты в составе сплава определяют его свойства, но, и без их воздействия, основными считаются следующие:

• высокий антикоррозийный фактор;
• плавление при температуре 950 градусов по Цельсию;
• отличная свариваемость;
• значение плотности 7500-8700 кг/м3;
• стойкость к солёной воде и кислотам.

Если же рассматривать качества, которые добавляют металлу легирующие компоненты, то они будут такими:

• упругость, отсутствие магнитности, отсутствие искр при ударе (кремниевая бронза);
• жаропрочность, хорошая пружинистость, устойчивость к отрицательным температурам (бериллиевая бронза);
• большая сопротивляемость ударным и термическим нагрузкам, коэффициент трения очень низкий (свинцовая бронза);
• хорошая плотность, малый удельный вес, устойчивость к химически активным веществам, хорошее сопротивление воздействию атмосферных явлений (алюминиевая бронза);
• все качества, описанные выше и большая востребованность (оловянная бронза).

Получение бронзы

Следующим разделом, который мне был интересен не менее, чем предыдущие, оказался про создание сплава. Он оказался довольно занимательным, ведь процесс производства определяет качество полученного металла.

Существует несколько видов технологии этого процесса.

Классический

Медь и дополнительные элементы плавят во вращающихся втулках из чугуна или стали. При этом способе, обращают внимание на плавку безоловянных сплавов. Во время неё должны чётко контролироваться температура и однородность расплава, который заливают в форму.

Плавление в электрических индукционных печах

Применяя данный способ, используют древесный уголь. Им создают кремнистые и бериллиевые сплавы. В итоге получают слитки, идущие на дальнейшую переработку.

Если рассмотреть последний способ подробнее, то он выглядит следующим образом:

1. Разогревают печь и засыпают в неё уголь. Если он отсутствует, используют флюс.
2. Заполняют печь медью. Она расплавляется.
3. Далее её раскисляют фосфористой медью.
4. Содержимое печи насыщают легирующими примесями, равномерно увеличивая температуру отжига.
5. Перемешивают получившийся расплав и продолжают его нагрев.
6. Производят повторное раскисление, а затем отливку в формы.
7. Формы проходят пресс-обработку.

Применение бронзы

Я знаю, область применения заинтересовавшего меня металла очень велика, но хотелось конкретики: Где? Для чего? Как?

Свойства сплава являются определяющим фактором для применения. Они, как было написано выше, зависят от легирующего элемента в его составе. Иногда его называют присадкой.

Если таким элементом является свинец, то бронзу называют свинцовой. Её применяют для изготовления подшипников, антифрикционных деталей и сальников.

Сплав, в котором роль присадки играет бериллий, называется бериллиевая бронза. Из неё делают датчики нагрузки, различные пружины, детали, которые сохраняют форму при многократных деформациях. Также, благодаря высокой электропроводимости, её используют в низкоточных контактах.

Кремниевая бронза используется для создания проволоки, гаек, винтов, болтов, стяжек, крепёжных деталей.

Из алюминиевой бронзы изготавливают гребные винты для кораблей, детали для самолётных шасси, бижутерию, монеты, мелкие элементы машиностроения.

Из оловянной бронзы можно делать паровую и водяную арматуру, детали, работающие в едких средах (хлористые соли, кислоты, растворы щёлочи и других), втулки, шестерни, золотники.

Я не пожалел ни времени, ни сил, которые потратил на “знакомство” с бронзой, ведь я не только расширил свой кругозор, но и узнал ответы на давно интересовавшие меня вопросы!

Состав сплава бронзы и его основные компоненты

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

Основные свойства бронзовых сплавов

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

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

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

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

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

Виды бронзы и их применение

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

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

Оловянная

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

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

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

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

Свинцовая

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

Кремниецинковая

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

Бериллиевая

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

Алюминиевая

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

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

Маркировка сплавов

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

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

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

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

Бронза

К настоящему времени разработано множество сплавов металлов, обладающих различными свойствами, для разных сфер применения. Первым из них стала бронза. Сплав, его производство, применение и особенности рассмотрены далее.

Варианты состава

Данный материал представляет собой смесь меди с легирующими элементами, в качестве которых применяют неметаллы и металлы. При этом цинк и никель не должны являться основными среди них.

Путем варьирования соотношений между компонентами изменяют свойства бронзы. В соответствии с этим существует несколько ее разновидностей, выделяемых на основе легирующих добавок. В их качестве используют:

• олово;
• бериллий;
• цинк;
• кремний;
• свинец;
• алюминий
• никель;
• железо;
• марганец;
• фосфор.

Первой была разработана бронза оловянная (в начале 3 тысячелетия до н. э.). В небольшом количестве данный элемент придает твердость, легкоплавкость, упругость. При повышении его концентрации до 5% снижается пластичность, а при 20% бронза обретает хрупкость. Путем доведения олова до максимальной доли в 33% сплаву придает серебристо-белую окраску.

Материал с бериллием отличается наибольшими упругостью (закаленный) и твердостью, а также химической устойчивостью. Он подходит для обработки путем резания и сварки.

Внешний вид бронзы

Цинк и кремний повышают текучесть, что актуально для литья, а также придают поверхности устойчивость к истиранию. Кремниево-цинковая бронза характеризуется отсутствием искр при механическом воздействии и хорошим сопротивлением сжатию.

Свинец улучшает устойчивость к коррозии, антифрикционные свойства, прочность, тугоплавкость.

Алюминий повышает плотность, антифрикционные свойства, устойчивость к коррозии и химическому воздействию. Бронза такого состава подходит для резки.

Фосфор используется в совокупности с некоторыми прочими добавками с целью раскисления сплава. Его наличие отражается в названии при содержании более 1% (оловянно-фосфористая бронза).

Введение любых легирующих добавок понижает теплопроводность. Следовательно, чем их меньше, тем сплав по данному показателю ближе к меди, а наиболее легированные бронзы имеют худшую теплопроводность.

Что касается меди, ее содержание определяет не только технологические и эксплуатационные параметры, но и цвет, который имеет бронза. Красная окраска свидетельствует о концентрации меди более 90%. При содержании ее около 85% (наиболее часто встречается) бронза имеет золотистый цвет. Если сплав состоит из меди наполовину, белым цветом он напоминает серебро. Для получения серой и черной окраски нужно сократить процент меди до 35. Такой цвет материала тоже встречается нередко, однако нужно учитывать, что данный сплав может приобрести темную окраску с течением времени в результате воздействия различных факторов (температуры, воды и т. д.). К тому же технологии, позволяющие добавлять в бронзу придающие ей насыщенный черный цвет легирующие элементы, стали применять относительно недавно, а изделия из рассматриваемого сплава такой окраски обширно распространены издавна.

Таким образом, в зависимости от числа элементов данные материалы подразделяют на двух- (один легирующих компонент) и многокомпонентные. Их доля составляет от 2,5%.

Кроме того, существует классификация бронзы, основанная на внутренней структуре, а именно количестве фаз в твердом растворе. Она подразумевает ее разделение на одно- и двухфазные варианты.

Наконец, ввиду обширной распространенности оловянного типа сплав подразделяют на оловянные и безоловянные бронзы.

Производство

Исходным сырьем для бронзы служат чистые металлы либо сплавы, в том числе бронзовые отходы. Второй вариант более обширно распространен, прежде всего, ввиду меньшей стоимости. В качестве флюса, предотвращающего чрезмерно интенсивное окисление расплава металла, применяют древесный уголь. Из всех исходных материалов составляют шихту, рассчитывая ее состав на основе целевых параметров и используемой технологии производства.

Процесс плавки осуществляют в определенной последовательности:

• в предварительно разогретую до необходимой температуры печь (обычно используют электродуговые и электрические устройства ввиду их высокой эффективности) помещают тигель с шихтой;
• после полного прогрева и расплавления металла в его состав включают служащую катализатором фосфористую медь;
• после выдержки добавляют связующие и легирующие компоненты бронзы, перемешивая;
• с целью удаления газовых примесей осуществляют дегазацию путем продувки азотом или аргоном;
• для снижения интенсивности окисления перед разливкой снова добавляют фосфористую медь.

На протяжении всего процесса необходим контроль температурного режима и количества добавляемых в расплав компонентов.

Свойства

Характеристики рассматриваемого материала определяются двумя факторами: составом и структурой.

Как было отмечено, химический состав бронзы разрабатывают с целью придания ей требуемых параметров. Одними из основных среди них являются пластичность бронзы, твердость и прочность. Варьировать первые две характеристики позволяет изменение концентрации олова. Так, его доля в составе бронзы связана прямой зависимостью с твердостью и обратной с пластичностью.

Наибольшее влияние на твердость и прочность оказывает концентрация бериллия. Некоторые содержащие его марки бронзы превосходят по второму параметру стали. Для придания пластичности бериллиевый сплав подвергают закалке. При этом основное значение имеют не количественные показатели содержания веществ, а выраженность создаваемых ими свойств. То есть, при одинаковом количестве двух различных элементов, один из них может изменять характеристики материала в значительно большей степени, чем другой.

Что касается структуры, она определяет вмещающую способность материала по отношению к элементам. Это можно рассмотреть на примере олова. Так, однофазная структура содержит до 6 — 8% данного элемента. При превышении его количеством предела растворимости, составляющего 15%, формируется вторая фаза твердого раствора. Это влияет на баланс твердости и эластичности. Так, однофазные варианты более эластичны, в то время как двухфазная бронза тверже, но хрупкая. Это определяет дальнейшую обработку: материалы первого типа подходят для ковки, а двухфазные сплавы — для литья.

Далее в качестве примера рассмотрены основные характеристики литьевой оловянной бронзы. Ее плотность определяется содержанием олова и при его доле 8 — 4% составляет 8,6 — 9,1 кг/см 3 . Температура плавления равна в зависимости от состава 880 — 1060°С. Теплопроводность данного материала — 0,098 — 0,2 кал/(см*с*С). Это небольшое значение. Электропроводность составляет 0,087 — 0,176 мкОм*м, что также немного. Интенсивность коррозии в морской воде равна 0,04 мм/год, на воздухе — 0,002 мм/год. То есть такая бронза обладает высокой устойчивостью к ней.

Обработка

Существует еще одна классификация бронзы, основанная на технологии обработки, применяемой при производстве из нее каких-либо изделий. В соответствии с этим выделяют два типа сплавов:

• литейные;
• деформируемые.

Литейные бронзы служат для создания отливок сложной конфигурации (деталей различных устройств и т. д.), так как деформируются только в расплавленном состоянии, в то время как деформируемую бронзу обрабатывают способами ковки, прокатывания, резания, производя металлопрокат в виде проволоки, ленты, труб, плит, втулок, прутков. Кроме того, бронза подходит для пайки и сварки.

Дополнительная обработка

Для декоративного эффекта и в защитных целях возможно нанесение на поверхность бронзовых изделий лака, хрома, позолоты, никеля.

Кроме того, для рассматриваемого материала существует специфический способ обработки поверхности, называемый искусственным патинированием. Он основан на процессе естественного старения бронзы, состоящем в формировании пленки зелено-белого цвета карбонатного либо оксидного состава, называемой патиной, в результате воздействия воздуха и содержащихся в нем компонентов. Искусственное создание такого покрытия носит декоративный (придание винтажности) и защитный смысл.

Данную процедуру осуществляют путем нагрева после нанесения на поверхность серного состава. Существует и обратная технология, то есть удаление патины со старых бронзовых изделий.

Достоинства и недостатки

Бронза обладает множеством положительных качеств. Среди них:

• разнообразие свойств и, следовательно, сфер применения;
• возможность создания вариантов для различных способов обработки (литья либо деформирования) в зависимости от потребностей;
• небольшая усадка (0,5 — 1,5%);
• возможность многократной обработки без потери свойств, то есть бронзу можно перерабатывать;
• высокие показатели устойчивости к химическому воздействию среды (воды, воздуха, кислот);
• большая упругость многих вариантов.

Основным недостатком является высокая стоимость некоторых марок, например, оловянной бронзы. Виды другого состава, такие как алюминиевый сплав, значительно дешевле. Таким образом, стоимость рассматриваемых материалов в значительной степени определяется входящими в их состав легирующими элементами.

Применение

Оловянный материал с 2% олова подходит для ковки при нормальной температуре ввиду высокой пластичности. Варианты с его концентрацией 15% характеризуются твердостью и прочностью. Такая бронза имела обширную область применения в древности. Предметы из нее были обнаружены при археологических раскопках. Она служила для производства посуды, оружия, денег, статуй, зеркал, украшений. Однако наиболее известно применение бронзы данного состава для изготовления колоколов, в связи с чем оловянную бронзу до сих пор называют колокольной.

Колокол из бронзы

Закаленную бронзу, содержащую бериллий применяют для производства пружин, мембран и рессор.

Для изготовления изделий, эксплуатирующихся в особо неблагоприятных условиях (высокой влажности, химически активных средах и т. д.), используют бронзу, обогащенную алюминием. Она обладает высокими коррозионной стойкостью и прочностью.

В качестве материала для подвергающихся фрикционным и ударным нагрузкам деталей (подшипников и т. д.) подходит свинцовая бронза.

Сплав, содержащий цинк и кремний, применяют для производства предметов методом литья ввиду его текучести. К тому же такой материал отличается отсутствием искр при механическом воздействии.

Алюминиево-никелевая бронза особо актуальна для деталей, постоянно находящихся в соленой воде, ввиду высокой коррозионной устойчивости. Это относительно новый материал, который применяют для производства элементов шельфовых нефтяных платформ.

Декоративное изделие из бронзы Детали из бронзы

Кроме того, большинство марок бронзы отличается отсутствием магнитности и малой усадкой. Ввиду этого они подходят для производства электротехнических изделий, а также декоративных предметов.

Также многие варианты сплава имеют низкую теплопроводность, вследствие чего их применяют для производства ванн, умывальников, сантехнических деталей.

Наконец, большая часть бронзовых сплавов характеризуется плохой электропроводностью. Одним из исключений является серебряный сплав, близкий по данному параметру к меди.

Помимо названных сфер, бронзу используют в машино-, судо-, авиастроении, для изготовления агрегатов подвижных узлов благодаря износостойкости, химических приборов и трубопроводов ввиду химической устойчивости.

Маркировка

В настоящее время встречается множество марок бронзы. Они отличаются составом, определяющим параметры и сферу применения. Для удобства на основе этого была создана система маркировки, включающая буквенные и цифровые символы. Так, легирующие добавки обозначают буквами, первыми в названии представляющих их химических элементов. Цифры означают содержание компонентов сплава в долях процента. При этом данные обозначения не содержат данных о количестве меди. Данное значение высчитывают как разность между общим составом бронзы и количеством легирующих добавок.

Маркировка бронзы позволяет легко определить требуемую для конкретной задачи марку. Для этого достаточно воспользоваться специальными таблицами. Они содержат данные о составе, параметрах сплава и сферах его применения.