Какой состав бронза имеет в процентном соотношении. Ее свойства и применение

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.

image

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.

image

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/см3. 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.

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.

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.

Оловянистые марки бронзы

Марка Химический состав, %
По настоящему стандарту По СТ СЭВ 376–76 Олово Фосфор Цинк Никель Свинец Медь
БрОФ8,0–0,3 7,5–8,5 0,26–0,35 0,10-0,20 Ост.
БрОФ7– 0,2 CuSn 8 7,0–8,0 0,10–0,25 Ост.
БрОФ6,5–0,4 6,0–7,0 0,26–0,40 Ост.
БрОФ6,5–0,15 CuSn 6 6,0–7,0 0,40–0,25 0,10–0,20 Ост.
БрОФ4–0,25 CnSn 4 3,5–4,0 0,20– 0,30 Ост.
БрОФ2–0,25 CuSn 2 3,0–5,0 0,02–0,3 Ост.
БрОЦ4–3 CuSn 4Zn 3 3,5–4,0 2,7–3,3 Ост.
БрОЦС4–4–2,5 CuSn 4Zn 4Pb 3 3,0–5,0 3,0–5,0 1,5-3,5 Ост.
БрОЦС4–1–1 CuSn 4Zn 4Pb 4 3,0–5,0 3,0–5,0 3,5-4,5 Ост.

Химический состав безоловянных бронз

Марка бронзы Аl Be Fe Мn Ni Si Ti
БрА5 4–6
БрА7 6–8
БрАМц9-2 8–10 1,5–2,5  
БрАМц10-2 9–11 1,5–2,5
БрАЖ9-4 8–10 2–4
БрАЖМц10-3-1,5 9-11 2–4 1–2
БрАЖН10-4-4 9,5–11 3,5–5,5 3,5–5,5
БрБ2 1,8–2,1 0,2-0,5
БрБНТ1,7 1,60–1,85 0,2–0,4 0,1–0,25
БрБНТ1,9 1,85–2,10 0,2–0,4 0,10–0,25
БрКН1-3 0,1–0,4 2,4-3,4 0,6-1,1
БрКМцЗ-1 1–1,5 2,75-3,5
БрМц5 4,5–5,5

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.

Оловянные сплавы

Олово

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.

Сплавы с содержанием до 8% олова предназначены для технологических операций (ковка, прокатка, штамповка), т. к. имеют структуру однородного твёрдого раствора. Из таких бронз производят листы, проволоку, прутки.

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.

Алюминиевые сплавы

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 медь 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

Содержат примерно 3–5% кремния в составе. Они опережают оловянистые бронзы по коррозионной стойкости и механическим свойствам, имеют высокую упругость, не магнитятся. Сплавы отлично поддаются пайке и сварке. Устойчивы к щёлочи и сухой газовой среде, поэтому их используют в производстве газопроводов и сточных труб.

Марганцевые 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.

Свинцовые сплавы

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:

А алюминий Ц цинк
Б бериллий Су сурьма
В вольфрам X хром
О олово Н никель
Мг магний С свинец
Мц марганец Ко кобальт
М медь
К кремний
Ф фосфор

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.

Легирующие добавки сплавов в бронзе

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.

Свойства и применение бронз

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.

Виды бронзы

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.

Видео по теме: Плавка и отливка цветных металлов (бронза)

(предыдущая часть) Юлий Цезарь, «Записки о галльской войне» Бронза это сплав меди с оловом или мышьяком, обладающий значительно большей, по сравнению с медью, твёрдостью, прочностью и легкоплавкостью. Классическая оловянная бронза с трудом поддается обработке давлением, резанием или заточке, в основном она литейный металл. Оловянная бронза обладает несколько лучшими характеристиками с технологической точки зрения, при том, что ее потребительские свойства примерно идентичны мышьяковистой. Исторически раньше появилась — мышьяковистая (черная) бронза, а постепенное ее вытеснение оловянной началось после 3000 года до н.э., но из–за дефицита олова еще в течении долгого периода Египетская бронза, бронзы Крита и западной части Средиземноморья оставались «черными». Литьё бронзы в Древнем Египте (Новое царство, около 1450 г. до н.э). [2, 72] В чем же, с технологической точки зрения, «черная» бронза уступала оловянной? Во-первых, она при переплавке, существенно изменяла свои механические свойства в худшую сторону из-за чего долгое время продукты из повторно используемой бронзы стоили существенно дешевле, чем аналогичные — из “первородной”. Рециклинг лома в эпоху «черной» бронзы (III тыс. до н.э.) [2, 68] Понять причину вызывающую ухудшение качества переплавленного металла древние металлурги не могли, но оловянной бронзой подобного эффекта не возникало. Во-вторых, соединения мышьяка очень токсичны, отчего древние металлурги обладали целым букетом профессиональных заболеваний. Эта особенность древней металлургии нашла отражение во многих мифах и преданиях того периода, в которых металлурги, как правило, изображались хромыми, горбатыми, часто карликами, со скверным характером, косматыми и с отталкивающей внешностью. [2, 69-70] Соотношение общепринятой хронологии цивилизации с важнейшими событиями в истории металлургии [2, 12] Важным технологическим преимуществом бронзы являлось то, что температура плавления у нее даже ниже чем у меди. То есть 950°C у бронзы против 1084°C у меди. Температурный уровень термообработки изделий и извлечения металлов из руд [2, 26] Для древней металлургии даже разница в 130°C была чрезвычайно важной с технологической точки зрения. Плавильные печи были несовершенны, обеспечивать высокие температуры плавления в них было сложно. А  относительно не высокая температура плавления бронзы, позволяла осуществлять переплавку изделий из нее вне специализированных металлургических центров. Температурный уровень производства основных материалов древности [2, 27] По потребительским характеристикам бронза была тверже железа и не такой хрупкой, как пока ещё не изобретённая человечеством сталь. Но в отличие от железа, требовавшего долгой процедуры ковки, бронзовые изделия отливались, что сильно упрощало производство и стандартизацию готовых изделий. Литейная форма для отливки 5 серпов, бронзовый век. Из коллекции музея УОЛЕ (Екатеринбург) Каменная форма для отливки топоров (Сардиния) Металл войны Примером массового производства, может быть изготовление наконечников для стрел или копий.. Эксперимент, проведенный английскими археологами и специалистами по литью, показал что в литейной форме один мастер с несколькими квалифицированными помощниками мог отлить за неделю около 10 тыс. наконечников, шесть литейщиков могли за месяц отлить более 500 тыс. наконечников, переработав при этом до 2 т металла [1, 96]. С самого своего появления на свет бронза стала «металлом войны», а обладание бронзовым вооружением — необходимым условием для успешного ведения боевых действий. Именно бронза позволила создавать длинные прямые мечи, «тяжелые» воинские доспехи и прочее оружие, на порядок превосходившее медные и каменные аналоги. Микенские тяжело вооруженные воины (Giuseppi Rave) Олово К сожалению, олово оказалось еще более редким металлом, чем медь. Содержание олова в земной коре составляет всего около 2 ppm (олово в 35 раз более редкий металл, чем медь и в 25 000 раз более редкий, чем железо). Первыми оловянными бронзами были бронзы Анатолии, связанные с добычей олова из месторождений Киликии и Тавроса. Однако, уже к XIX веку до н.э. небольшие месторождения олова Малой Азии уже были полностью выработаны и его приходилось ввозить из мест, иногда удаленных за тысячи километров от металлургических центров. Рециклинг лома в эпоху оловянной бронзы (II тыс. до н.э.) [2, 75] А что означал в условиях бронзового века дефицит олова? Без олова невозможно произвести качественную бронзу, без которой не вооружить армию, государство, не имеющее сильной армии, станет добычей лучше вооруженных соседей. Поэтому ведущие государства делали все возможное, чтобы охранять и контролировать торговлю оловом. Олово было стратегическим ресурсом, легшим в основу экономики бронзового века. Реконструкция боевой колесницы андроновцев Литература

  1. Черненко Е.В. — Скифские лучники. Киев. «Наукова думка». 1981 г. — с. 168 {24}
  2. Черноусов П.И., Мапельман В.М., Голубев О.В. Металлургия железа в истории цивилизации. – М.: МИСиС, 2005г. — с. 413 {25}

(к оглавлению)Поделись знанием: Материал из Википедии — свободной энциклопедии Перейти к: навигация, поиск

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

Традиционную оловянную бронзу человек научился выплавлять ещё в начале Бронзового века, и очень длительное время она широко использовалась; даже с приходом века железа бронза не утрачивала своей важности (в частности вплоть до XIX века пушки изготавливались из пушечной бронзы). Название «бронза» происходит от итал. bronzo, которое, в свою очередь, вероятно произошло либо от персидского слова «berenj», означающего «медь», либо от названия города Бриндизи, из которого этот материал доставлялся в Рим.

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

Оловянные бронзы

Оловянная бронза — сплав меди с оловом (медь преобладает), один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает значительно большей, по сравнению с чистой медью (освоенной ранее бронзы), твёрдостью, достаточной прочностью и более легкоплавка. Открытие бронзы сыграло огромную роль в освоении металлов человеком. Олово в любых марках О. бронзы всегда является вторым по количеству и основным легирующим компонентом сплава (тогда как медь — первым); третье место отводится дополнительным добавкам: свинцу, цинку, мышьяку и др., присутствие которых вовсе не обязательно.[1] Наиболее древние бронзовые артефакты были обнаружены русским археологом Николаем Веселовским в 1897 году в районе реки Кубань (т. н. Майкопская культура). Бронза майкопских курганов в основном представлена сплавом меди с мышьяком. Постепенно знания о прочном и пластичном металле распространились на Ближний Восток и Египет. Здесь, после перехода к оловянно-медному сплаву, бронза обрела положение одного из важнейших декоративных материалов.

В настоящее время существует ряд марок бронз, не содержащих олова. Это двойные или чаще многокомпонентные сплавы меди с алюминием, марганцем, железом, свинцом, никелем, бериллием и кремнием. Величина усадки при кристаллизации у всех этих бронз более высокая, чем у оловянных.

Свойства оловянной бронзы

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

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

Оловянные бронзы могут быть дополнительно легированны цинком, никелем, фосфором, свинцом, мышьяком и другими металлами. Цинка добавляют не более 10 % (в этом количестве он почти не изменяет свойств бронз, но делает их дешевле); бронза с добавлением цинка называется «адмиралтейской бронзой» и обладает повышенной коррозионной стойкостью в морской воде. Свинец и фосфор улучшают антифрикционные свойства бронзы и её обрабатываемость резанием и давлением. Классической маркой бронзы, применяемой издревле и до сих пор для литья колоколов, является колокольная бронза: 80% меди и 20 % олова с разбросом соотношения 3 %. Его недостатком является повышенная хрупкость, которой способствует большое содержание олова. В маркировке сплава на то, что это бронза, указывает Бр, далее следует обозначение добавок, а после — их процентное содержание. Например: БрО5 — бронза на основе меди с добавкой 5 % олова. Ц — цинк, С — свинец, Ф — фосфор. Наиболее распространены следующие (литейные) марки: БрО5, БрО19, БрОФ10-1, БрОЦ8-4, БрОЦ10-2 и ковкая БрОС5-25.

Безоловянные бронзы

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

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

Исторически первой бронзой был сплав меди с мышьяком — т.н. мышьяковистая бронза. По своим технофизическим свойствам мышьяковая бронза не уступала оловянной, а по разнообразию сортов, пригодных для тех или иных видов хозяйственной деятельности — от ответственных деталей до ювелирных изделий — даже превосходила её. Как явствует из археологических данных, в начале и даже в середине бронзового века мышьяковая бронза почти безраздельно господствовала на всём евразийском пространстве, за исключением, быть может, нескольких регионов, богатых «оловянным камнем» (современные Англия, Притяньшанье) или одновременно медными и свинцовыми рудами (Этрурия на северо-западе современной Италии). Именно благодаря ей человечество обрело возможность использовать гужевой транспорт (Южный Урал — Западная Сибирь, ок. 4 тыс. лет до н.э.), который ранее не получил развития из-за отсутствия материалов, пригодных для изготовления износостойких колёсных осей и втулок.

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

  • высокая токсичность производства мышьяковой бронзы, с неизбежностью приводившая к инвалидизации металлургов и кузнецов со стажем (этот факт отразился в античном образе бога металлургии Гефеста, а также в древнерусском образе «старого хрыча», т.е. старого кузнеца);
  • непригодность мышьяковой бронзы для металлургического передела: металлургический брак из такой бронзы, равно, как и сломанные изделия из неё переплавке на сортовой металл не подлежали и, в лучшем случае, могли быть использованы на выделку бижутерии или неответственных деталей;
  • выработка за многие века поверхностно залегающих, богатых медью и мышьяком месторождений теннантита и других блеклых руд, наиболее удобных для выделки мышьяковой бронзы (использование других источников мышьяка и меди значительно усложняло процесс и делало его более дорогостоящим).

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

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

См. также

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий