Бронзовые артефакты, найденные в майкопских курганах, были изготовлены в основном из сплава меди и мышьяка, поэтому считается, что исторически это были первые сплавы, известные как мышьяковые бронзы..
Состав бронзового сплава
Бронза представляет собой сплав меди и специальных добавок, необходимых 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 другие элементы.
Бронзовый сплав устойчив к истиранию, коррозии и агрессивным средам, таким как морская вода. Эти свойства достигаются путем добавления легирующих элементов в определенных пропорциях. Соотношение компонентов регулируется нормативными документами: ГОСТ, отраслевыми стандартами, методиками, стандартами компании.
Классификация сплавов
В зависимости от легирующих элементов различают следующие виды бронз:
- Оловянные бронзы – олово является основным легирующим элементом;
- безоловянные, т.е. не содержащие олова.
Помимо состава бронзы, существует еще один критерий для ее классификации: технологические параметры. Различают бронзы:
- Кованые бронзы, которые предназначены для обработки давлением;
- литьевые бронзы; литые бронзы, предназначенные для производства отливок.
Основные легирующие элементы
Основным компонентом, определяющим большинство технических свойств бронз, является медь. Для придания сплаву необходимых характеристик используются специальные легирующие добавки. Одним из наиболее распространенных легирующих ингредиентов в бронзе является олово. Оловянные бронзы использовались для литья колоколов и назывались "колокольной бронзой".
Также в качестве легирующего элемента могут использоваться:
- Be – бериллий. Он повышает прочность бронзы.
- Si – кремний и Zn – цинк, которые повышают стойкость поверхности к истиранию. Эти же элементы повышают текучесть бронзы, что положительно сказывается на качестве литья.
- Pb – свинец. Повышает антикоррозийные свойства металла.
- Al – алюминий. Повышает коррозионную стойкость, устойчивость к окислению при высоких температурах и снижает реакцию металла с сернистыми соединениями и выхлопными газами двигателя.
Марки бронз
Бронзы обозначаются аббревиатурой "Бр", а также добавлением буквы или нескольких букв для указания легирующих элементов. Количество легирующих добавок определяется ГОСТом.
Различные марки бронзы имеют свои индивидуальные характеристики: химический состав, технические свойства и область применения. По маркировке бронзы можно узнать, какие компоненты в ней содержатся, и по специальным таблицам определить назначение сплава и его технологические параметры.
Характеристики и преимущества
Бронза, относящаяся к цветным металлам, представляет собой сплав на основе меди. Бронза наиболее распространена с древних времен, и в ее химическом составе помимо меди содержится олово. Вместо олова бронза различных марок может содержать такие элементы, как бериллий, железо, алюминий, свинец, кремний и др.
Содержание химических элементов в бронзовых отливках регламентируется ГОСТ 493-79, 613-79.
Высокая популярность, которой бронза пользуется на протяжении многих веков, обусловлена такими ее преимуществами, как
- Высокая твердость и прочность, если сравнивать этот металл с медью (кстати, некоторые марки бронзы, в частности бериллиевая, по своим прочностным характеристикам превосходят даже высококачественную сталь);
- Более низкая температура плавления по сравнению с медью;
- Хорошая текучесть в расплавленном состоянии, что позволяет эффективно использовать бронзу для литья;
- Чрезвычайно высокая коррозионная стойкость;
- Износостойкость, которая сохраняется даже при длительном воздействии на бронзовые изделия высокого трения.
Конечно, у бронзовых сплавов есть и недостатки. Перечислим наиболее важные из них.
- Не очень высокая пластичность бронзы ограничивает возможность изготовления из нее изделий методом пластической деформации (прокатка, ковка, штамповка и т.д.).
- В силу некоторых своих свойств бронза плохо поддается механической обработке.
- Изделия из бронзы, и в частности инструменты из нее, трудно затачиваются.
Производство по классической технологии
Для получения такого металла, как бронза, необходимо расплавить в специальной емкости не только медь, но и легирующую добавку. Этот процесс плавки можно провести в домашних условиях, используя различные нагревательные устройства – муфельную печь, индукционную печь, духовой шкаф, газовую горелку и т.д.
Индукционные тигельные печи (ИТИ) используются для серийного производства бронзовых сплавов
При изготовлении бронзовых сплавов, как на производстве, так и в домашних условиях, дело в том, что при смешивании расплавленной меди с оловом образуются оксиды, которые значительно ухудшают свойства готового сплава.
Чтобы исключить такой процесс при производстве бронзы, в смесь расплавленного металла следует добавлять фосфористую медь с содержанием фосфора не более 10%.
Использование недорогого раскислителя, такого как фосфатная медь, которая производит газообразный фосфорный ангидрид, хотя и эффективно для удаления неметаллических включений из меди, вызывает значительное ухудшение электропроводности, характерной для металла. Этого можно избежать, используя более дорогие раскислители на основе таких элементов, как литий, кальций и калий. Поверхность расплавленной меди активно взаимодействует с окружающим воздухом, что приводит к интенсивному окислению металла. Чтобы сделать процесс окисления менее интенсивным, для покрытия поверхности образующегося сплава используется толченый древесный уголь.
Характеристики и свойства бронзы
Основными свойствами всех бронзовых сплавов являются пластичность и твердость. В зависимости от пропорций основных и вспомогательных компонентов можно получить множество различных новых свойств. Кроме того, количество меди в сплаве определяет его цвет.
Например, золотистая бронза будет получена, если сплав содержит около 85% меди, в то время как уменьшение количества меди до 50% приведет к получению сплава серебристого цвета. Уменьшение количества меди до 35% или менее приведет к получению серой или даже черной бронзы, а увеличение количества меди до 90% или более – к получению красной бронзы.
Одним из старых сплавов бронзы является колокольная бронзаОна до сих пор используется для литья колоколов. Она содержит 20% олова и 80% меди. Недостатком этой бронзы является высокая хрупкость из-за высокого содержания олова в сплаве.
Как упоминалось выше, наиболее часто используемые медно-оловянные сплавы с добавлением небольшого количества других компонентов. Широкое распространение таких сплавов обусловлено, главным образом, историческими причинами, которые привели к вытеснению мышьяковистой бронзы из производства.
Эти причины следующие:
- Истощение в течение многих веков месторождений теннантита и других бледных руд, богатых медью и мышьяком. Эти руды были наиболее удобны для производства мышьяковистой бронзы, так как залегали не очень глубоко, что делало процесс производства более дешевым по сравнению с другими источниками меди и мышьяка;
- высокая токсичность производства такой бронзы, обусловленная наличием мышьяка в месторождениях, что неизбежно приводило к потере здоровья и дальнейшей физической формы опытных металлургов и кузнецов.
- Непригодность металлургического лома и разбитых предметов из мышьяковистой бронзы для дальнейшей переплавки в сортовой металл. В лучших случаях они использовались для изготовления ювелирных изделий или неответственных деталей.
Применение и обозначения
Существуют специальные таблицы, содержащие обозначения и описания всех выпускаемых промышленностью бронзовых сплавов. Однако даже не обращаясь к таким таблицам, можно определить тип и химический состав, если знать, как расшифровать его обозначение.
Их состав можно определить по простому обозначению. Для его обозначения характерны буквы Бр, обозначающие бронзу.».
За ними следуют буквы, указывающие, помимо меди, на наличие соответствующих компонентов. Эти стандартизированные буквенные обозначения выглядят следующим образом: A – алюминий, B – бериллий, K – кремний, G – железо, N – никель, Mz – марганец, Mg – магний, S – свинец, O – олово, T – титан, F – фосфор, Z – цинк.
За буквами следуют цифры с дефисами, обозначающие процентное содержание каждого компонента (после меди). Кроме того, используются обозначения, в которых процентное содержание каждого компонента указывается после каждой буквы. Чтобы определить содержание меди, процентное содержание всех компонентов необходимо вычесть из 100%.
Ниже приведены примеры обозначений и их расшифровка: БрО5С6С5 – сплав бронзы с 5% олова, 6% цинка, 5% свинца, 84% меди; БрО3С8С4Н1 – 3% олова, 8% цинка, 4% свинца, 1% никеля, 84% меди; БрО10Ф1 – 10% олова, 1% фосфора, 89% меди; БрБ2 – содержание бериллия – 2%, меди – 98%; БрАЖМц10-3-1,5 – содержание алюминия – 10%, железа – 3%, марганца – 1,5%, меди – 85,5%; БрАЖН10-4-4 – содержание алюминия – 10%, железа – 4%, никеля – 4%, меди – 82%.
Благодаря своим разнообразным свойствам, этот металл находит широкий спектр применения в широком диапазоне применений. Из него изготавливают следующие изделия:
- декоративные элементы (лампы, статуэтки, подсвечники, пепельницы, решетки, украшения для балюстрады и др;)
- различная фурнитура (замки, ручки, петли, краны, смесители и другие сантехнические изделия);
- детали машин (втулки, уплотнения, шестерни, подшипники, части подводных аппаратов);
- детали для точных машин, навигационных приборов, схем транспортных средств;
- многочисленные крепежные изделия (колена, уголки, переходники, муфты, тройники и т.д.);
- небольшое количество ювелирных изделий.
Основные характеристики
Характеристики и свойства бронзового сплава зависят от 2 основных факторов – состава и структуры. Как уже упоминалось выше, химический состав данного материала предназначен для придания сплаву определенных механических свойств и эксплуатационных характеристик. Наиболее важными из них являются твердость, прочность и пластичность сплава. Первые два параметра можно регулировать и изменять путем изменения доли олова в составе. В частности, его вклад в содержание основного материала связан с твердостью. твердость и пластичность.
На твердость и вязкость бронзы в основном влияют количество бериллия в составе. Некоторые сплавы, содержащие этот элемент, могут быть прочнее нержавеющей стали. Для повышения пластичности бериллиевые сплавы подвергают предварительной закалке. Важны не количественные значения добавок, а степень выраженности конечных свойств.
Это означает, что при одинаковом количестве двух разных элементов, один из них может изменить свойства и характеристики сплава в большей степени, чем другой.
Структура бронзового сплава отвечает за способность вещества к взаиморасположению по отношению к различным элементам. Более подробно эту особенность можно рассмотреть на примере важного компонента – олова. Например, 1-фазная структура содержит не более 6-8% перечисленного элемента. При превышении предела растворимости (до 15%) может образоваться твердый раствор фазы 2.
Однофазное сырье характеризуется более высокими показателями пластичности. Двухфазный Двухфазный бронзовый сплав более твердый, но и более пластичный. Это влияет на применение тестируемых материалов: первый тип лучше всего подходит для ковки, а двухфазные варианты идеальны для литья.
Обзор типов
Бронзовый сплав подразделяется на несколько различных марок. Материал классифицируется по нескольким основным характеристикам. Давайте остановимся на каждой из них.
По химическому составу
Исходя непосредственно из химического состава бронзы, выделяют следующие разновидности.
- Оловянная. В состав этой разновидности входит 3,5-7% олова. Сплав характеризуется высокой прочностью, долговечностью и эластичностью после предварительной обработки давлением. Материал обладает отличными литейными свойствами. Усадка может составлять всего 1% (как для чугуна).
Основным недостатком этого материала является появление микроскопических пор во время кристаллизации отливки.
- Без олова. К этой категории относятся сплавы, не содержащие в своем химическом составе дорогостоящего олова. Вместо олова они содержат более доступные и недорогие материалы.
- Алюминий .. Самый ковкий материал. Его литейные свойства ниже, чем у дорогой оловянной бронзы, но состав не содержит микропор. Он содержит никель, фосфор и железо – компоненты, улучшающие свойства алюминиевого сплава.
- Кремний. Высокопрочный, коррозионностойкий, электропроводящий материал подкладочного слоя. Материал устойчив к низким и высоким температурам и щелочной среде. Химический состав дополнительно легируется марганцем и подвергается холодной обработке.
- Бериллиевый сплав может подвергаться термообработке закалкой и искусственному старению. Основным недостатком данного типа является высокая стоимость бериллия.
По этой причине сплав кремнистой бронзы используется только при изготовлении специальных узлов, которые должны обладать высокой износостойкостью и прочностью.