Как сделать бронзу – основные этапы производства. Бронза: состав сплава, свойства и применение Бронза описание материала и его свойства

Число видов бронз огромно. Изобретенный тысячи лет назад металл сегодня применяют в разных сферах производства. Некоторые марки сочетают в себе уникальные качества и иногда просто незаменимы. О том, что это за материал, пойдет речь в статье.

Что такое бронза

Это сплав, главный компонент которого – медь. Легирующими компонентами бывают олово, алюминий, кремний, бериллий, свинец и другие. Не надо путать ее с латунью – это сплав меди с цинком, и с мельхиором – медь с никелем.

Легирующие элементы по-разному влияют на особенности материала:

Классификация

Чаще всего их делят на категории по трем критериям – химическому составу, способу обработки и структуре.

По химическому составу , в зависимости от наличия олова:

• Оловянные;
• Безоловянные.

Вторые, в свою очередь, бывают:

• Алюминиевые;
• Кремнистые;
• Марганцовистые.

Также существуют марки бериллиевой бронзы, свинцовистой и другие. Это зависит от присутствия легирующих элементов.

По технологическим свойствам (способу обработки) :

• Обрабатываемые давлением (деформируемые);
• Литейные.

По структуре :

• Однофазные – состоят из кристаллов твердого раствора одного вида;
• Двухфазные – присутствуют кристаллы двух разных фаз.

Где применяют

Качества сплавов зависят от легирующих компонентов. Соответственно, области использования материала самые разные:

• Отливки высокой точности. Некоторые материалы обладают малой усадкой при литье.
• Антифрикционные элементы. Те, что работают при постоянном трении. В том числе в парах трения «сталь-бронза». С этими же свойствами связан «эффект безызносности».
• Ответственные элементы конструкций, работающие при переменных нагрузках.
• Шестерни, зубчатые колеса.
• Части механизмов, работающих в агрессивных или влажных средах. Например, в соленой воде.
• Пружины, мембраны – благодаря хорошим упругим свойствам.
• Электротехнические изделия, механизмы часов, детали приборов навигации самолетов.
• Бытовое применение – фурнитура, фитинги, сантехнические изделия.
• Производство ювелирных изделий.
• Ну и конечно – скульптуры, предметы декора, быта.

Маркировка

1. Сначала пишут буквы Бр.

2. Потом буквы, обозначающие легирующие элементы:

3. Затем пишут цифры, обозначающие, сколько процентов каждого элемента содержится в материале.

• Для деформируемых цифры пишутся в конце, в том же порядке, что и соответствующие легирующие элементы. Разделяются дефисами. Например: БрАЖ9-4. Безоловянная, обрабатываемая давлением. Состав: алюминий – примерно 9%, железо – примерно 4%, остальное – медь.
• Для литейных количество легирующего элемента пишется сразу после соответствующей буквы. Например: БрО4Ц7С5. Литейная оловянная бронза. Состав: олово – примерно 4%, цинк – примерно 7%, свинец – примерно 5%. Остальное – медь.

Не нужно думать, что если в маркировке указано только три элемента, то в материале, кроме них и меди ничего нет. В ней могут присутствовать и другие вещества. Просто их количество очень мало. Химический состав для разных марок будет приведен ниже.

И еще. Иногда в конце маркировки ставится буква Л. Это означает, что сплав литейный, но с таким же составом он может быть и деформируемым.

Как производят

Металл льют из чистых компонентов либо из сплавов в форме чушек.

• Прежде всего, медь добывают на месторождениях. Она достаточно часто встречается. Ее добывают из самородной меди и минералов. Из последних получают металл несколькими путями. Самые распространенные – окислительный отжиг и огневое рафинирование.
• Затем определяют состав шихты. Это зависит от состава марки и от имеющегося сырья.
• Плавку меди проводят в специальных печах. Процесс проходит в несколько этапов:

1. Загрузка. Сырье загружают в сухие прогретые тигли.
2. Расплавление. Плавку ведут с добавлением древесного угля (флюса), чтобы металл меньше окислялся.
3. В хорошо прогретый металл вводят фосфористую медь, играющую роль кислотного катализатора.
4. После выдержки при высокой температуре вводят предварительно нагретые легирующие и связующие компоненты (лигатуры).
5. Жидкий металл отливают в песчаные или металлические формы.

Характеристика некоторых марок

БраЖ9-4

Это безоловянная алюминиевая бронза. Деформируемая. Имеет антифрикционные качества. Алюминий придает ей стойкость к коррозии, а железо улучшает структуру, износостойкость, прочностные качества.

Этот сплав один из недорогих. Там нет олова. При этом БраЖ9-4 хорошо обрабатывается, работает в парах трения, сопротивляется коррозии. Ею часто заменяют дорогие виды металла с оловом.

Важное качество – работает даже при высоких температурах. Ее закаливают при температуре 950 градусов, потом отпускают при 250-300 градусах в течение 2-3 часов. После термообработки твердость и пластичность деталей повышаются.

БрАЖ9-4 изготавливают из меди с добавками алюминия и до 2-4% примесей железа. По ГОСТ 18175-78 в нем содержатся и другие элементы:

Химический состав БрАЖ9-4

Литейно-технологические свойства БрАЖ9-4

Механические свойства БрАЖ9-4 при температуре 20 С°

Твердость БрАЖ9-4, сортамент

Физические свойства БрАЖ9-4

Т – температура

E 10 – 5 – Модуль упругости первого рода

a 10 6 – Коэффициент температурного (линейного) расширения

l – Теплопроводность (теплоемкость)

r – Плотность

C – Удельная теплоемкость

R 10 9 – Удельное электрическое сопротивление

Коэффициент трения БрАЖ9-4

Патина на бронзовых изделиях

Вообще, патина – это налет или пленка на медных сплавах и меди. Именно из-за нее некоторые бронзовые изделия имеют благородный зеленовато-белый цвет.

Патина бывает естественная и искусственная.

Естественная патина – оксидно-карбонатный налет на поверхности изделий, который появляется под действием окружающей среды. Пленка образуется с разной интенсивностью. Это зависит от того, в какой среде находится изделие (воздух, пары, газы, содержание солей хлора в воде и воздухе). Естественный слой предохраняет предмет от дальнейшей коррозии.

Искусственная патина – та же пленка, но образовалась она после нанесения на предмет специальных составов. Обычно это кислоты, сера.

Патинирование изделий делают, чтобы придать изделию благородный вид, винтажность, декоративность. Перед этим естественный слой патины осторожно снимают. Наносят смесь для патинирования и нагревают изделие. Составы для патинирования обычно очень токсичны.

Стандартизация сплавов

Стандартов, регулирующих выпуск бронз, существует несколько тысяч. Например, это группы стандартов:

• Содержащие марки сплавов;
• Содержащие технические условия сортамента (прутки, чушки, трубы и другие);
• Регламентирующие способы контроля и анализа состава.

Вот основные действующие стандарты. Дата актуализации 10.08.2017:

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.

Основным компонентом бронзы является медь, к которой добавляются другие металлы (обычно олово). При этом доля остальных веществ составляет не более 2,5%, что позволяет улучшать показатели получаемого сплава. Если медь соединяется с цинком, получается латунь, при замене цинка никелем - мельхиоровый состав. Имеются и другие варианты. К примеру, БрА5 - сорт бронзы, получаемый при добавлении алюминия. Мы работаем с маркой БрО5, изготавливаемой на основе олова, поскольку данный материал полностью соответствует государственным требованиям.

Немного об истории

Первые бронзовые изделия появились еще в 3 веке до н.э. Родиной этого удивительного металла считается Ближний Восток - самые старые находки из соединения меди и олова были найдены в Иране, а также Сирии, на территории Турции и Ирака. Чаще всего из бронзы изготавливались хозяйственные и рабочие предметы. Из сохранившихся изделий чаще всего встречаются бытовые, военные и ювелирные предметы.

Далее наступил период, когда этот металл стал основным источником денежной индустрии - из него изготавливали монеты разного достоинства. Приблизительно в V веке н.э. в Элладе было начато изготовление скульптур из бронзы. Отсюда берет начало традиция изготовления бронзовых миниатюр и фигурок, актуальная и в наши дни.

С наступлением средних веков бронза перешла в состав вооружения и стала главным ресурсом для отлива пушек, ядер, снарядов. Обратили внимание на этот металл и мастера по отливке колоколов - из бронзы получаются прекрасные изделия, дающие глубокий и приятный звук.

Бронзовый наконечник копья (7-4 век до н.э.).

Как различаются виды

Классификация сплавов проводится в зависимости от выбранных компонентов. Бронза, изготовленная с добавлением олова, часто также содержит свинец или фосфор - это обеспечивает эффект легирования. За счет олова сплав становится более твердым и прочным, лучше переносит плавление и отлично сохраняет форму. Получаемый материал легко поддается шлифовке, а наличие специальных компонентов позволяет добиться более высоких рабочих и визуальных показателей.

Встречается и бронза, в составе которой нет олова. Такие варианты имеют новую структуру, отличающуюся от традиционной, однако по своим свойствам они практически равны классическому сплаву.

Технические свойства металла могут влиять на его характеристики.

Литейный материал формируется методом изготовления декоративных и стильных товаров (к примеру, нашей продукции). Он также широко распространен в производстве подшипников, деталей сложных механизмов, а также узлов для приборов, предназначенных для работы в морской воде.

Деформируемые материалы предназначены для формирования механическим методом. При этом металл режут, куют, покрывают рифлением. Как правило, этот вариант отличается гибкостью и относительной мягкостью - из него производят кабели, ленты, прутки и листовую продукцию.

Бронзовый пруток.

Свойства бронзы

Рассматривая данный сплав в сравнении с другими металлическими смесями (например, цинковым составом), стоит отметить, что настоящая бронза невосприимчива к естественным процессам разрушения, сохраняется долгое время и устойчива к агрессивному воздействию (вибрации, трению). Она также остается прочной и красивой даже при длительном контакте с водой, воздухом, кислотной средой или соляными растворами. Большинство типов бронзы поддается спайке или сварке.

Расцветка сплава зависит от компонентов, входящих в его состав. Самый светлый типаж - белый. Темные классы имеют красноватый оттенок.

На тон и качество бронзы влияют следующие добавки:

• цинк и свинец снижают восприимчивость к трению;
• алюминий и кремний продлевают срок службы, защищают от коррозии и деформации;
• никель и железо повышают способность сплава к рекристаллизации, делают вещество гладким и однородным;
• кремний или марганец добавляют для повышения устойчивости к появлению ржавчины, налетов окисла и интенсивному нагреву;
• материал, не предназначенный для проведения электроэнергии, изготавливается с добавлением хрома или бериллия.

Наиболее популярными классами бронзового сплава, используемого в промышленности, являются:

1. Бериллиевый (за счет твердости). Поддается закаливанию, отличается эластичностью. При естественном или искусственном старении металла проявляется его повышенная стойкость к механическим процессам. Данный показатель часто усиливается при помощи предварительной деформации. Служит для изготовления крупных и мелких деталей машин, а также для выпуска инвентаря.
2. Алюминиевый (благодаря высокой плотности). Характеризуется стойкостью к воздействию химикатов, не меняется под влиянием природных факторов, пригоден для использования в морской воде. Легко поддается обработке и резке, популярен в изготовлении плоского и ленточного проката.
3. Кремниево-цинковый (преимущество - отличная текучесть). При механической обработке (обточке, фрезеровке) не высекает искры. Подходит для отливки сложных или декоративных форм.
4. Свинцовый - устойчив к трению, ударам. За счет этих показателей чаще других используется для деталей, несущих большую нагрузку.
5. Оловянный - объединяет все вышеозначенные преимущества, а потому пользуется наибольшим спросом.

Как получают бронзу

Изготовление бронзы является ответственным и довольно трудным процессом, при котором в расплавленную медь вводятся вспомогательные металлы. Выплавка проводится в горнах или индукционных печах. Для нагрева используют природное топливо (уголь) или флюс.

Первый этап - закладка меди в печь и разогрев до достижения жидкого состояния. После этого в вещество вводится фосфористая медь, к которой позже присоединяют легирующие составляющие. Полученный сплав перемешивается, задается новая температура обработки. На завершающей стадии вновь применяют фосфористую медь, что позволяет избавиться от любых окислений.

Расплавление бронзы отличается простотой, а потому данный металл часто используется для отливки художественных изделий и миниатюр. Используя специальные формы и правильно заполняя их, специалисты мастерской «Бронзамания» выпускают товары идеального внешнего вида. Заготовки, предназначенные для художественного литья, выполняются в круглом или уплощенном формате.

Бронза в расплавленной состоянии.

Применение бронзы

Безупречные рабочие качества сделали бронзу одним из самых распространенных материалов в сфере машиностроения, авиации, судостроения и крупной промышленности. Этот металл не поддается действию влаги, не истирается, его практически невозможно деформировать. Поэтому бронза применяется в производстве прокатных изделий, предназначенных для работы в агрессивной химической среде, а также для выпуска деталей и труб разных профилей.

Надежность и долгий срок службы - дополнительные характеристики, за счет которых бронза получила широкую известность в области скульптуры и искусства. Из нее выполняют детали внутреннего интерьера - подсвечники, корпусы люстр, декор. Поэтому специалисты мастерской «Бронзамания» могут гарантировать длительную службу всех изделий, доступных в продаже - наши товары сохраняют прекрасный вид и функциональность десятилетиями, не реагируя на погодные условия и другие неблагоприятные факторы.

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

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

Сырье для изготовления

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

Классификация бронзовых сплавов

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

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

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

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

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

• цинк;
• фосфор;
• свинец.

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

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

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

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

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

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

Кремнистые сплавы

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

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

Бериллиевые сплавы

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

Маркировка

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

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

При маркировке бронз приняты следующие обозначения легирующих элементов:

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

Виды легирующих добавок

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

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

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

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

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

Особенности производства

Процесс выплавки происходит следующим образом:

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

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

Сфера применения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Классификация сплава

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

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

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

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

Основные легирующие компоненты

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

Также в качестве легирующего элемента могут быть использованы:

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

Марки бронз

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

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

Маркировка сплавов на примере оловянных бронз

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

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

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

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

Процентное соотношение компонентов бронз

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

К примеру, в марке БрО3Ц12С5 содержание компонентов такое:

олово – 3%;

цинк – 12%;

свинец – 5%;

остальные 80% приходятся на медь.

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

Некоторые разновидности бронзовых сплавов

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

Оловянная бронза

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

В таблице приведены предельные содержания элементов в некоторых марках:

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

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

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

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

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

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

Бериллиевая бронза

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

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

Наиболее часто применяются в промышленности и на производстве следующие сплавы:

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

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

Кремниевая бронза

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

Алюминиевая бронза

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

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

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

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

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