Химический состав бронзы в процентах

Литая бронза БрОЗЦ8С4Н1 в слитках используется для производства антифрикционных деталей

Состав сплава бронзы

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 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 компонентов в составе обычно выделяют следующие виды бронз:

• оловянные – основным легирующим компонентом в них является олово;
• безоловянные, т.е. не содержащие олова.

Помимо состава бронз, существует еще один критерий для их классификации – технологические параметры. Различают бронзы:

• кованые бронзы, предназначенные для обработки давлением;
• литейные бронзы; литейные 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. Повышает прочность бронзы.
• Si – кремний и Zn, цинк для повышения износостойкости поверхности. Эти элементы также повышают текучесть бронз, что положительно сказывается на качестве литья.
• Pb – свинец. Повышает коррозионную стойкость металла.
• Al – алюминий. Он повышает коррозионную стойкость, устойчивость к окислению при высоких температурах и снижает реакцию металла с соединениями серы и продуктами выхлопа двигателя.

Марки бронзы

Бронзы обозначаются аббревиатурой "Бр" и добавлением буквы или нескольких букв для указания легирующих элементов. Количество легирующих добавок определяется ГОСТом.

Различные марки бронз имеют свои индивидуальные характеристики: химический состав, технические свойства и область применения. Марки бронз используются для идентификации деталей из бронзы, а также для определения назначения и технологических параметров сплава по специальным таблицам.

Основные легирующие добавки

Бронза – это сплав цветных металлов на основе меди, которая определяет большинство ее свойств. Человек производил и использовал бронзу в различных целях с древнейших времен, о чем свидетельствуют археологические раскопки. Первоначально использовалась бронза, состав которой был обогащен оловом. К сплавам такого типа относится так называемый "сплав". колокольная бронза (из нее отливали колокола на протяжении многих веков).

Кроме бронз, содержащих олово, сегодня широко используются медные сплавы, поскольку они не содержат этого химического элемента. Вместо олова основной легирующей добавкой в таких медных сплавах является бериллий:

1. бериллий, который придает бронзе большую прочность;
2. Кремний и цинк – элементы, которые делают бронзу очень устойчивой к истиранию и улучшают ее текучесть, что особенно важно при литье;
3. свинец, который придает бронзе коррозионную стойкость;
4. алюминий, который придает бронзе достойные антифрикционные свойства и высокую коррозионную стойкость.

На вопрос, какой металл обязательно присутствует в любой бронзе, можно ответить однозначно: медь.

Химический состав различных марок бронзы (нажмите для увеличения)

Помимо деления по химическому составу, существует классификация бронзовых сплавов по технологии обработки:

• Кованые (используются для изготовления изделий, которые обрабатываются путем пластической деформации);
• литые (из них изготавливают изделия методом литья).

Современная промышленность выпускает множество видов бронзы, которые отличаются по химическому составу, а значит, по своим свойствам и области применения. Многие опытные мастера могут определить вид бронзы даже по ее цвету. Однако не все знают, как это сделать. Самый надежный и простой способ узнать, что содержит та или иная марка бронзы и к какому типу она относится, – это расшифровать маркировку, которая включает в себя как буквенные, так и цифровые обозначения.

Марки и применение

Естественно, что в состав любой бронзы вводятся различные химические элементы не просто так, а для улучшения ее свойств. Например, содержание олова влияет на пластичность бронзы. Чем больше этого металла в бронзе, тем тверже и, следовательно, хрупче становится сплав. Однако наибольшее влияние на твердость и прочность бронзы оказывает химический элемент бериллий. Некоторые бронзовые сплавы с бериллием в химическом составе имеют более высокую прочность, чем высококачественные стали. Если бериллиевую бронзу закалить, она становится одновременно очень прочной и упругой, что позволяет использовать ее для изготовления пружин, рессор и диафрагм для различных применений.

Свойства и применение бериллиевой бронзы (нажмите для увеличения)

Бронзовые сплавы с обогащенным алюминием химическим составом используются для изделий, которые должны сочетать достаточно высокую прочность с исключительной коррозионной стойкостью. Благодаря свойствам этого вида бронзового сплава изделия успешно используются в самых неблагоприятных условиях (высокая влажность, воздействие морской воды и т.д.). Если бронза должна использоваться для изготовления изделия, которое будет подвергаться значительным ударным нагрузкам и трению во время работы, лучше использовать сплавы, содержащие в своем химическом составе свинец. Такая бронза, в частности, используется для изготовления подшипников, применяемых в механизмах различного назначения.

Особенности алюминиевых бронз без олова

Производство по классической технологии

Для получения такого металла, как бронза, необходимо расплавить в специальной емкости не только медь, но и легирующую добавку. Для проведения такой плавки в домашних условиях можно использовать различные нагревательные устройства – муфельную или индукционную печь, духовой шкаф, газовую горелку и т.д.

В массовом производстве для плавки металла используются индукционные тигельные печи (ИТП).

При изготовлении бронзовых сплавов, как на производстве, так и в домашних условиях, важно учитывать, что при смешивании расплавленной меди с оловом образуются оксиды, которые значительно ухудшают свойства готового сплава.

Чтобы исключить такой процесс из производства бронзы, в расплавленную металлическую смесь следует добавлять фосфористую медь с содержанием фосфора не более 10%.

Хотя использование недорогого раскислителя, такого как фосфатная медь, которая производит фосфорный газ ангидрит, эффективно удаляет неметаллические включения из меди, оно значительно ухудшает электропроводность 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. Процесс окисления можно сделать менее интенсивным, используя толченый древесный уголь для покрытия поверхности формируемого сплава.

Как изготавливают бронзу без олова

Для того чтобы создать бронзу алюминиевого типа, необходимо учесть несколько моментов. Например, медь и алюминий, составляющие основу такого сплава, имеют разную плотность, что часто приводит к их расслоению в составе бронзы. По этой причине производство литья из данного вида сплава имеет следующие особенности.

• Медь, как и в случае с оловянной бронзой, расплавляется и раскисляется под слоем флюса.
• В полностью расплавленную медь добавляются дополнительные элементы, после чего сплав тщательно перемешивается.
• Для улучшения свойств будущей бронзы в сплав неоднократно добавляют раскислители.
• После вторичного раскисления в расплавленную медь добавляют алюминий.
• Поверхность расплавленного металла покрывают слоем флюса, в качестве которого может выступать толченый древесный уголь, для снижения интенсивности окисления при взаимодействии с окружающим воздухом.
• На заключительном этапе сплав рафинируется хлоридом марганца, модифицируется ванадием, бором или вольфрамом, а затем заливается в заранее подготовленные литейные формы.

Для контроля процесса литья бронзовых сплавов используется отбор проб.

Особого внимания заслуживает процесс производства бериллиевой бронзы, для которого используются индукционные печи и графитовые тигли. Важно отметить, что этот вид бронзы выделяет токсичные пары в атмосферу, что требует хорошей системы вентиляции во время производственного процесса. Кроме того, лучше всего отливать такие бронзы в изолированных помещениях.

Кремнийсодержащие бронзы, как и алюминиевые, производятся с использованием древесного угля в качестве флюса и выплавляются в индукционной печи.

Как выплавляют бронзу – процесс в двух словах

На протяжении истории оборудование для выплавки бронзы менялось. В целом, принцип остался прежним: сырьем служит груз металла или отходов, а древесный уголь используется в качестве флюса. Сам процесс происходит в определенной последовательности. Сначала индукционная печь разогревается до нужной степени, после чего на нее укладывается слой флюса, на который затем подается медь. Металл должен расплавиться и хорошо прогреться (температура также постоянно контролируется). После достижения нужного параметра в расплавленный металл вводится люминофорная медь, которая, благодаря своим свойствам, выступает в качестве кислотного катализатора в составе.

Как только медь переходит в жидкое состояние, добавляются остальные компоненты (легирующие элементы) и связующие элементы (легирующие агенты). Затем сплав перемешивается до полного растворения компонентов. Также строго соблюдается температурный режим. После плавления в течение установленного времени на бронзу повторно наносится фосфат меди для устранения нежелательного окисления. После этой окончательной обработки расплавленная бронза готова к использованию по назначению.

Расплавленная бронза

В чем секрет популярности бронзы? Почему на протяжении тысячелетий бронзовый сплав становился все более популярным и почему технологии его дальнейшего развития расширяют границы? Прежде всего, в его антикоррозийных и антифрикционных свойствах. Материал не боится воздействия окружающей среды, не боится перепадов температур, высокой или низкой влажности, воздействия кислотных агентов.

Бронза легко сваривается, а добавление различных металлов придает ей свойства, необходимые для конкретного применения. Например, бериллий и кремний позволяют использовать бронзовые детали при высоких температурах, а свинец и цинк снижают коэффициент трения и позволяют использовать этот материал там, где трущиеся детали механизмов приводят к сильному износу самой машины.

Патина и ее виды – что она означает для сплава?

Говоря о бронзе, невозможно обойти вниманием такое явление, как патина. Каждый видел ее, глядя на памятники, старые артиллерийские орудия или предметы интерьера. Некоторые думают, что это похоже на ржавчину, но это не так. Зеленое пятно на бронзовых предметах – это не что иное, как пленка, которая образуется, когда внешние агенты (воздух, вода, пары бензина) воздействуют на медь в сплаве.

В зависимости от того, какие вещества участвовали в ее образовании и какие ингредиенты использовались в сплаве изделия, патина может быть оксидного или карбонатного происхождения. В отличие от ржавчины, этот естественно образовавшийся слой не разъедает поверхность, а служит защитным слоем для изделия. Особую ценность представляет слой (куприт), который формировался на протяжении многих десятилетий и находится в самом низу, непосредственно покрывая памятник, статую или другой исторический объект.

Существует два вида патины: благородная и дикая. Первая обладает свойствами, о которых говорилось выше. Вторая образуется в результате активного действия влаги и неправильно используемых веществ (красок, моющих и абразивных средств) и приводит к коррозии и образованию пустот. Опасность этого явления заключается в том, что удаление неблагоприятной плитки приводит к снятию верхнего слоя самой бронзы, а это портит предмет, имеющий историческую и культурную ценность. При консервации исторических предметов из этого сплава используются специальные технологии для восстановления слоя на их поверхности, а также искусственное патинирование путем нанесения препарата, содержащего серу, и легкого нагревания самого предмета.

Характеристики и свойства бронзы

Основными свойствами всех бронзовых сплавов являются пластичность и твердость. В зависимости от соотношения основных и вспомогательных компонентов можно получить множество различных новых свойств. Кроме того, количество меди в сплаве определяет его цвет.

Например, золотистая бронза получается, если сплав содержит около 85% меди, в то время как уменьшение количества меди до 50% приводит 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 сортов бронзового сплава является колокольная бронзаДо сих пор используется для литья колоколов. Она содержит 20% олова и 80% меди. Недостатком этой бронзы является высокая хрупкость из-за большого содержания олова в сплаве.

Как уже 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 на протяжении многих веков месторождений теннантита и других бледных руд, богатых медью и мышьяком. Такие руды были наиболее удобны для производства мышьяковистой бронзы, поскольку они залегали не очень глубоко, что делало процесс производства дешевле, чем другие источники меди и мышьяка;
• Высокая токсичность производства такой бронзы, обусловленная наличием мышьяка в месторождениях, что неизбежно приводило к потере здоровья и дальнейшей трудоспособности опытных металлургов и кузнецов.
• Непригодность металлургического лома и разбитых предметов из мышьяковистой бронзы для дальнейшей переплавки в металлические слитки. В лучших случаях они использовались для изготовления бижутерии или безответственных 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 присутствие 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 дефисные цифры, указывающие на процентное содержание каждого компонента (после меди). Кроме того, используются обозначения, в которых процентное содержание каждого компонента указывается после каждой буквы. Для определения содержания меди необходимо из 100% вычесть процентное содержание всех компонентов.

Вот примеры обозначений и способы их расшифровки: БрО5С6С5 – сплав бронзы с содержанием 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 применения. Из него изготавливают следующие изделия:

• декоративные элементы (лампы, статуэтки, подсвечники, пепельницы, решетки, украшения для балюстрады и др;)
• различные виды фурнитуры (замки, ручки, петли, краны, смесители и другая сантехническая арматура);
• детали машин (втулки, уплотнения, шестерни, подшипники, части подводных аппаратов);
• детали для высокоточных машин, навигационного оборудования, автомобильных цепей;
• многочисленные фитинги (колена, уголки, переходники, муфты, тройники и т.д.);
• небольшое количество ювелирных изделий.