Бронза – свойства, особенности и сферы применения сплава

Она такая разная

История почтила бронзу, отдав ей целую эпоху в развитии человечества. Бронзовый век продвинул человечество вперед, способствовал развитию ремесел, городов и…переделу территориальной собственности.

Бронза – «разносторонний» сплав. Ее использовали как стратегический металл (бронзовое оружие — ножи, щиты, мечи, орудийные стволы) и как материал для произведений искусства. Бронзовые статуи признавались вершиной древнегреческого искусства.

Бронзовые зеркала были знакомы загадочным этрускам еще в VI веке до нашей эры, и использовались в Японии XVIII века нашей эры.

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

Изготовление бронзы в древности было связано с магией, колдовскими обрядами. Кузнецы были сродни знахарям или жрецам, знатоками трав и минералов. В русском «Сборнике … ремесленных приемов» можно прочесть:

«… возьми зеленую медь, прибавь желтый мышьяк (аурипигмент), получишь белую медь…».

Сахарница из патинированной бронзы

Развивались технологии производства и ширилось использование сплава.

Он не медный!

Наш сплав в искусстве звенел всегда. А мы о славном «Медном всаднике» хотим поведать. О том, что стоит во второй столице, Санкт-Петербурге. Знаменитой конной статуе Петра Великого, что стоит на постамент, Гром-камне. Изваять царя-реформатора пригласили француза Фальконе. Русскому скульптору Федору Гордееву доверили сделать змею, да и то по эскизу француза.

Статуэтка, отлитая из бронзы

Скульптура — визитная карточка и хранитель (как издавна считают) города. Только вот всадник и конь не медные. Они бронзовые. «Медным» его прозвали с легкой руки Пушкина нашего Александра Сергеевича. Вот так поэзия (поэма «Медный всадник») переборола правду…

Рекомендуем: НИОБИЙ — мифы и реальность

Впрочем, пример у Пушкина был вполне достойный – еще старик Гомер без колебаний именовал бронзовое оружие медным.

Больше не значит лучше: четверть века назад в Китае на холме воздвигли огромную статую Будды из металла, точнее бронзового сплава. Статуя считается крупнейшей в мире.

Состав бронзовых сплавов

Классификацию бронзы можно проводить по химическим свойствам и технологичности (свойствам).

В зависимости от состава бронзы бывают двух видов:

1. Оловянные. Эти изделия износоустойчивы, хорошо обрабатываются. Олова в сплаве не меньше 4%. В лигатуру могут добавляться цинк, свинец, фосфор.
2. Специальные (безоловянные). Олова не содержат, лигатурой служат бериллий, никель, железо, кобальт, мышьяк и другие металлы и элементы.

Бронзовый сплав получает название по главному легирующему элементу (оловянная, бериллиевая, кремниевая). Иногда в названии содержатся 2-3 «участника» лигатуры (оловянно-цинково-свинцовистая, оловянно-фосфористая, оловянно-цинковая).

Содержание цинка не должно превышать содержание суммы других легирующих элементов; в противном случае это не бронза, а латунь.

Разновидности бронзы по технологичности:

1. Литейная. Изделия из нее хорошо противостоят агрессивным средам, трению и износу.
2. Деформируемая. Хорошо поддается механической обработке — ковке, штамповке, гибке, перфорированию.

Зачем легировать медь

Даже небольшая добавка лигатуры в сплав меняет его свойства.

Железо упрочняет алюминиевые бронзы, повышает сопротивляемость эрозии. Зато эта бронза не годится для использования в морской воде.

Легированные марганцем сплавы хладостойки, имеют повышенную коррозионную стойкость.

Никель в алюминиевых бронзах улучшает усталостную прочность, теплопроводность, хладостойкость, устойчивость в морской воде.

Бериллиевые бронзы обладают рядом превосходных качеств: теплопроводность, немагнитность, высокий предел прочности.

Список этот можно сделать очень длинным, ибо разных сплавов с общим названием «бронза» существует великое множество.

Каждый вид имеет свои плюсы и минусы, важно правильно выбрать марку бронзы. Рекомендуем: ЗОЛОТО — дар или проклятие человечеству

Физико-химические характеристики

Четко установленных параметров материала не существует: у каждого бронзового сплава они индивидуальны.

Особенности

Состав сплава влияет на базовые характеристики материала:

• Плотность.
• Диапазон температуры плавления.
• Электро-, теплопроводность.

Бронзы плохо поддаются «разложению»: годовая скорость коррозии на воздухе 0,019 мм, в соленой воде – в двадцать раз быстрее.

При описании свойств обычно указывают параметры оловянных бронз. Этот вид – первый по использованию.

Достоинства, изъяны

Материал наделен полезными свойствами:

• Разнообразие состава.
• Минимальность усадки (не более 1,5%).
• Возможность многократного использования: переплавка не ухудшает потребительские свойства сплава.
• Безопасность. Если в составе есть изначально опасные элементы, например токсичный бериллий, при плавке он утрачивает это свойство.
• Повышенная упругость, стойкость перед коррозией.

Характеристики бронзы можно варьировать, изменяя количество и состав лигатур.

Недостатком признана цена – из-за дорогой меди в составе. Однако алюминиевые разновидности дешевле.

Противоречивые оценки вызывает малая электро- и теплопроводность сплавов. Для промышленников это минус, для повседневного использования (элементы сантехники) – плюс.

Влияние компонентов на потребительские характеристики

Утилитарные свойства продукта задаются выбором металлов:

• Материал с кремнием, марганцем устойчивее к жару.
• Такой же эффект создают цирконий, бериллий, хром. Но понижают электропроводность.
• Алюминий, олово, никель, кремний повышают порог упругости. Попутно делают материал прочнее, устойчивее к внешней агрессии (особенно коррозии).
• Кремний, фосфор, свинец, цинк понижают истираемость.
• Бронза, в которой олова максимум два процента, куется при обычной температуре. 15% металла делают сплав «оружейным» – твердым, прочным.

Четверть процента серебра делают бронзовые сплавы хорошими проводниками тока.

Медь определяет коэффициент электро-, теплопроводности.

Виды бронз и их маркировка

Человек придумал разные виды сплавов меди с металлами.

Именно характеристиками разных видов бронзовых сплавов можно объяснить стабильный спрос на них.

Химический состав различных марок бронзы

Разобраться в многообразии бронзовых сплавов поможет маркировка.

По ней легко определить, какие добавки ввели в сплав и в каких количествах. Например, БрОЦС4-4-2,5 обозначает: это бронза (Бр), легированная оловом (О), 4%; цинком (Ц), 4% и свинцом (С), 2,5%. На медь остается 100 — (4 + 4 + 2,5) = 89,5%.

Деформируемые, литейные бронзы маркируются немного по-другому. В маркировке первой ставится первая буква легирующего элемента, цифра после него количество процентов элемента в сплаве.

Пример: БрО5Ц5С5, где:

• Бр — это бронза;
• О (олово) 5%;
• Ц (цинк) 5%;
• С (свинец) 5%.

Количество меди в сплаве: 100% — 5% — 5% — 5%= 85%.

Свойства и применение бериллиевых бронз

Где используются разные виды бронзовых сплавов

В таблице указаны марки бронзы и где они востребованы.

Производство на сталелитейном заводе

Для шихты берут чистые металлы и сплавы в чушках. Первые в основном используют для дорогих деформируемых цветных металлов; из вторых получают литьевые. Процесс включает 4 стадии: загрузку, расплав, нагрев, дегазирующую обработку.

Для загрузки берут прокаленные огнеупорные графитошамотные/карборудные тигли. Оловянную бронзу выплавляют под древесным углем или с солями при 1170° C. Для получения жидких фосфатов и раскисления в смесь добавляют фосфористую медь. Следом в тигли вводят остальные подогретые компоненты. На качество конечного продукта влияет тип печи: электрическая, дуговая и индукционная. Чем короче процесс, тем ниже насыщение газами и угар сплава.

Тугоплавкие компоненты вводят в виде лигатур. После смешивания присоединяют остальные металлы и нагревают до 1200° С. Перед выемкой из печи массу раскисляют для улучшения жидко-текучести расплава.

При производстве из отходов и вторичных сплавов очередность в технологии меняют: сперва расплавляют медь и раскисляют, в конце добавляют оборотные металлы с примесями. Если сырье для плавления содержит кремний, магний, алюминий, присоединяют солевые флюсы. Они отвечают за стабильность переплава, обеспечивают получение нужного химического состава металла, сокращают угар и окисление. Для улучшения характеристик на заводах прибегают:

• к центробежному и литью под давлением;
• избирательному лазерному плавлению;
• созданию матричных композиций с мелкодисперсными высокопрочными частицами из тугоплавких порошков.

Дегазация предполагает очистку от водорода. Для этой цели используют продувку осушенным аргоном или азотом 3-10 минут, ориентируясь на объем печи. Для улучшения свойств бронзы применяют лазерное модифицирование. Технология плазменной наплавки электродами и напыление позволяют получать верхний слой с нужными свойствами. Перед разливкой по формам забирают пробы.

Литниковые системы

Для получения чушек стандартные песчаные формы не подходят. Для работы используют формовочные смеси с превалированием глины. Заливку в матрицы осуществляют при 1100–1200 °C. Выбор режима зависит от массы, формы, содержания фосфора для текучести и усадки. Для отверждения используют скоростное охлаждение. Оно уменьшает поры и утолщает литейную корку.

Заливка в металлические формы

Способ рассчитан для оловянных отливок. Особенность состоит в использовании кокилей — матриц из чугуна со стержнями из стали, обеспечивающих нужную плотность. Перед использованием их смазывают смесью машинного масла и графита, затем раскаляют и заливают жидкий металл. Для уменьшения усадочного напряжения заготовки извлекают после отверждения.

Центробежное литье

Этим методом получают до 38 % износостойких деталей: шестеренок, втулок, вкладышей. Отличительная особенность состоит в заполнении расплавом стальных изложниц, установленных на роликах. За счет действия центробежных сил внутри емкости повышается плотность. После литья заготовки охлаждают водой. Конечные продукты переплавки идут на дальнейшую переработку.

Чушки, сформованные разными способами, принадлежат к одной партии. На продукцию составляют паспорт с указанием веса, количества штук. Обязательно пишут результат контроля качества, марку изделий.

Как выплавить бронзу

Бронзовые сплавы получают соединением меди и легирующих материалов.

Производство материала происходит в тигельных горнах, в индукционных электрических печах. Вначале в печь загружают древесный уголь или флюс (для понижения температуры плавления, чтобы легче было отделить готовый сплав от ненужных примесей). Шихту (в данном случае медь) нагревают, вводят сплав МФ9, МФ10 (фосфористая медь) в качестве модификатора и раскислителя. Пришла пора вводить лигатуру. Всю смесь снова нагревают, перемешивают и снова добавляют раскислитель. Готовую смесь разливают в формы.

Рекомендуем: РОДИЙ — царственная роза платиноидов

Извлеченные из формы остывшие «чушки» получают документы. В них указывают номер партии и массу, марку сплава, товарный знак производителя.

Где найти ядра суртлинга

Такие материалы как дерево и камень легко найти. При этом достать ядра суртлинга непросто.

10 штук понадобится для строительства угольной печи и плавильни — двух ключевых строений, необходимых для изготовления металлов. Чтобы отыскать ядра суртлингов, нужно найти погребальные комнаты.

Вокруг входов в подземелья стоят охраняемые скелетами небольшие каменные конструкции, встречающиеся в Черном Лесу. Перед входом нужно создать факел, чтобы освещать путь в склепах. Понадобится 1 дерево и 1 смола.

В погребальных комнатах есть несколько извилистых коридоров, деревянные двери и скелеты. Потребуется осмотреть камеры и отыскать 10 ядер суртлинга (похожи на светящиеся кубы).

От струн до подшипников

Формула успеха бронзы в сочетании редких качеств «союза металлов».

Потому и применение его с окончания Бронзового века только увеличилось.

Трубач играет гимн…

Музыка не была бы такой прекрасной и выразительной, если бы не удивительный певучий сплав. Вначале свойства бронзы оценили священники. В Средние века церковь требовала все больше «колокольной бронзы». Азиатские служители культов вовсю использовали звонкий голос бронзы: из нее делали колокольчики, «поющие чаши», гамеланы, гонги.

Нынче бронза поет струнами фортепьяно, контрабасов, клавесинов, банджо, гитар.

Саксофоны из фосфористой бронзы имеют неповторимый голос.

Для промышленности

Ясно, что промышленность не преминула урвать свой кусок бронзового пирога.

• Машиностроение (подшипники, запорная арматура, втулки, узлы трения арматуры); металлопрокат (листы, трубы, прутки).
• Бронзовая проволока — для проводов, кабелей, сварочных электродов.
• Авиация и судостроение, ракетная техника и самые простые вкладыши подшипников — везде востребованы наши сплавы.
• В ювелирной промышленности алюминиевая бронза с ее золотистым цветом используется для изготовления дешевой бижутерии. Бронзовые сплавы нередко применяли для чеканки монет, особенно в древности.

Изделия из бронзы