Состав сплава бронзы и его основные компоненты

Бронзы

Сплавы
меди с другими элементами кроме цинка
назаваются
бронзами.

Бронзы
подразделяются на деформируемые и
литейные.

При
маркировке деформируемых бронз на
первом месте ставятся буквы Бр, затем
буквы, указывающие, какие элементы,
кроме меди, входят в состав сплава. После
букв идут цифры, показавающие содержание
компонентов в сплаве. Например, марка
БрОФ10-1 означает, что в бронзу входит 10
% олова, 1 % фосфора, остальное – медь.

Маркировка
литейных бронз также начинается с букв
Бр, затем указываются буквенные
обозначения легирующих элементов и
ставится цифра, указывающая его
усредненное содержание в сплаве.
Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 %
олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное –
медь.

Оловянные
бронзы
При
сплавлении меди с оловом образуются
твердые растворы. Эти сплавы очень
склонны к ликвации из-за большого
температурного интервала кристаллизации.
Благодаря ликвации сплавы с содержанием
олова выше 5 % имеют в структуре эвтектоидную
составляющую Э(),
состоящую из мягкой и твердой фаз. Такое
строение является благоприятным для
деталей типа подшипников скольжения:
мягкая фаза обеспечивает хорошую
прирабатываемость, твердые частицы
создают износостойкость
. Поэтому
оловянные бронзы являются хорошими
антифрикционными материалами.

Оловянные
бронзы имеют низкую объемную усадку
(около 0,8 %), поэтому используются в
художественном литье.

Наличие
фосфора обеспечивает хорошую
жидкотекучесть.

Оловянные
бронзы подразделяются на деформируемые
и литейные.

В
деформируемых
бронзах

содержание олова не должно превышать
6 %, для обеспечения необходимой
пластичности, БрОФ6,5-0,15.

В
зависимости от состава деформируемые
бронзы отличаются высокими механическими,
антикоррозионными, антифрикционными
и упругими свойствами, и используются
в различных отраслях промышленности.
Из этих сплавов изготавливают прутки,
трубы, ленту, проволоку.

Литейные
оловянные бронзы,

БрО3Ц7С5Н1, БрО4Ц4С17, применяются для
изготовления пароводяной арматуры и
для отливок антифрикционных деталей
типа втулок, венцов червячных колес,
вкладышей подшипников.

Алюминиевые
бронзы,
БрАЖ9-4,
БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4.

Бронзы
с содержанием алюминия до 9,4 % имеют
однофазное строение

твердого раствора. При содержании
алюминия 9,4…15,6 % сплавы системы медь –
алюминий двухфазные и состоят из
и
фаз.

Оптимальными
свойствами обладают алюминиевые бронзы,
содержащие 5…8 % алюминия. Увеличение
содержания алюминия до 10…11 % вследствие
появления

фазы ведет к резкому повышению прочности
и сильному снижению пластичности.
Дополнительное повышение прочности
для сплавов с содержанием алюминия
8…9,5 % можно достичь закалкой.

Положительные
особенности алюминиевых бронз по
сравнению с оловянными:

  • меньшая
    склонность к внутрикристаллической
    ликвации;

  • большая
    плотность отливок;

  • более
    высокая прочность и жаропрочность;

  • меньшая
    склонность к хладоломкости.

Основные
недостатки алюминиевых бронз:

  • значительная
    усадка;

  • склонность
    к образованию столбчатых кристаллов
    при кристаллизации и росту зерна при
    нагреве, что охрупчивает сплав;

  • сильное
    газопоглощение жидкого расплава;

  • самоотпуск
    при медленном охлаждении;

  • недостаточная
    коррозионная стойкость в перегретом
    паре.

Для
устранения этих недостатков сплавы
дополнительно легируют марганцем,
железом, никелем, свинцом.

Из
алюминиевых бронз изготавливают
относительно мелкие, но высокоответственные
детали типа шестерен, втулок, фланцев
литьем и обработкой давлением. Из бронзы
БрА5 штамповкой изготавливают медали
и мелкую разменную монету.

Кремнистые
бронзы
,
БрКМц3-1, БрК4, применяют как заменители
оловянных бронз. Они немагнитны и
морозостойки, превосходят оловянные
бронзы по коррозионной стойкости и
механическим свойствам, имеют высокие
упругие свойства
. Сплавы хорошо
свариваются и подвергаются пайке.
Благодаря высокой устойчивости к
щелочным средам и сухим газам, их
используют для производства сточных
труб, газо- и дымопроводов.

Свинцовые
бронзы
,
БрС30, используют как высококачественный
антифрикционный материал. По сравнению
с оловянными бронзами имеют более низкие
механические и технологические свойства.

Бериллиевые
бронзы
, БрБ2,
являются высококачественным пружинным
материалом. Растворимость бериллия в
меди с понижением температуры значительно
уменьшается
. Это явление используют
для получения высоких упругих и
прочностных свойств изделий методом
дисперсионного твердения. Готовые
изделия из бериллиевых бронз подвергают
закалке от 800oС,
благодаря чему фиксируется при комнатной
температуре пересыщенные твердый
раствор бериллия в меди
. Затем проводят
искусственное старение при температуре
300…350oС.
При этом происходит выделение дисперсных
частиц, возрастают прочность и упругость.
После старения предел прочности достигает
1100…1200 МПа.

Многим нравится, как выглядит бронза, состав же ее интересует кого-то редко. А ведь благодаря его вариациям существует большое количество видов этого сплава с различными качествами, из-за чего применение бронзы практически не имеет границ.

1 Маркировка, химсостав и цвет бронзы

Бронзой называется сплав меди с оловом (а не с серебром, как считают некоторые). Это самый основной вид. Помимо главных ингредиентов, из которых состоит материал, бывают еще цинковые, свинцовые, марганцевые, алюминиевые добавки. Но какими бы ни были эти соединения, присутствие меди всегда остается неизменным. Есть две группы, на которые делятся бронзы по своему химическому составу: оловянные (легирующий, т. е. преобладающий элемент среди добавок – олово) и безоловянные (этот легкоплавкий металл присутствует, но не в большом количестве). Помимо химического различия сплавы еще могут классифицироваться по способу обработки. Имеются деформируемые типы, которые производятся для деталей, изготавливаемых давлением (штамповкой), и литейные составы, приспособленные для создания отливок.

Бронзовый сплав

Если начать перечислять сплавы, в которых присутствуют дополнительные металлы, то весь перечень займет не один лист. Говорят, опытный специалист может определять разные бронзы по цвету и даже безошибочно назвать, какие примеси есть в изделии. Вполне возможно, но вот как при необходимости простой человек, никогда не имевший отношения ни к металлургии, ни к слесарному делу, сможет определить, какие именно сплавы ему необходимы? На помощь приходят условные обозначения, принятые государственными стандартами. Существуют таблицы с буквенными кодами, благодаря которым любой желающий может узнать, подходит бронзовое изделие для его нужд или нет. Пользоваться этими индексами чрезвычайно просто.

Для примера давайте рассмотрим маркировку одного из самых распространенных видов с кодом БрАЖ 9–4. Итак, «Бр» означает, что сплав имеет в основе традиционную бронзу. Буквы А и Ж говорят о том, что в состав помимо меди и олова входят алюминий и железо. Если вместо этого вы увидите другой буквенный знак, то легко можете определить, какой металл еще присутствует внутри того или иного бронзового изделия:

  • А – алюминий;
  • Б – бериллий;
  • Ж – железо;
  • К – кремний;
  • Мц – марганец;
  • Н – никель;
  • О – олово;
  • С – свинец;
  • Ц – цинк;
  • Ф – фосфор.

Изделие с кодом БрАЖ 9–4

Теперь о том, что обозначают цифры. Как правило, процент содержания меди в химическом составе бронзы не указывается, а высчитывается по разности. В нашем примере мы видим, что сплав имеет 9% алюминия, 4% железа, а, значит, и 87% меди. Процентное содержание меди влияет на то, каким будет цвет у того или иного изделия. Обычным считается случай, когда Cu составляет в сплаве 85%. На выходе сплав по цвету будет напоминать золото. А если пропорция красного металла будет составлять 50%, а другую половину заполнят светлые добавки, он сможет выглядеть даже как серебро.

При желании сплав можно довести и до такого состояния, когда поверхность станет черная, скажем, уже серой она становится, если содержание меди в составе бронзы уменьшить до 35%.

Где нужен совсем темный материал? Обычный человек чаще видит такой сплав в музее, изделия кажутся просто покрашенными, но глубоко черная поверхность как раз естественная. Правда, металловеды сходятся во мнении, что по-настоящему правильную бронзу такого цвета (с добавлением большого числа редкоземельных металлов) получить в древности не могли. Скорее всего, музейные экспонаты сделаны из более традиционного сплава, но претерпели пожары, где и сплавились с расположенными рядом металлическими изделиями, давшими в результате такой цвет.

2 Виды сплава и их применение

Эксперименты с пропорциями были проведены еще нашими далекими предками. Однако не все так просто. Как было обнаружено, при изменении химического состава становятся другими и свойства сплава. На ковкость бронзы влияет количество в ней олова. Чем больше этого металла, тем тверже она становится. А самым твердым материалом считается бериллиевая бронза. Во время закаливания у нее появляется определенная пластичность, и она весьма подходит для производства деталей, обладающих упругостью: пружин, рессор, мембран.

Для получения прочных металлических лент и труб, которые было бы легко резать, но в то же время они не поддавались воздействию коррозии (в том числе и от морской воды), применяется алюминиевая бронза. То есть сплав, в котором основным легирующим элементом выступает широко применяемый и известный всем металл. Свинцовистая бронза нашла применение при изготовлении подшипников. И все это благодаря отличному противостоянию ударным нагрузкам и антифрикционным свойствам. Для изготовления деталей достаточно сложных форм, у которых отсутствует такое свойство, как образование искр, используется кремнецинковая бронза. В расплавленном состоянии она, кстати, обладает отличной текучестью, что позволяет ее разливать в любые формы.

Трубы из алюминиевой бронзы

Немного особняком от традиционных сплавов стоит алюмоникелевая бронза (морская), потому что по сути это совершенно другой состав, по свойствам далекий от классического. Единственное, что роднит его с рассматриваемым материалом – наличие меди как одного из элементов. Открыт этот сплав не так давно, благодаря развитию литейного производства и созданию определенных условий, невозможных при кустарном хозяйстве.

Потребность в этом материале возникла после того, как человечество стало осваивать добычу нефти с помощью платформ, расположенных в морях и океанах. А именно, нужны были пожарные насосы, которые могли бы использовать соленую воду. Дело в том, что металлические части этих устройств изготавливались из сплавов, невыдерживающих воздействия специфичной среды. И во время экспериментальных поисков было найдено такое соотношение, которое с успехом прошло испытание.

3 Как получают бронзу – техпроцесс в двух словах

Всю историю оборудование для получения бронзы изменялось. По большому счету, принцип действия остался тем же: сырье – шихта с металлом или отходы производства, а в качестве флюса используется древесный уголь. Сам процесс происходит в определенном порядке. Вначале идет разогрев индукционной электрической печи до необходимой степени, после чего в нее засыпается слой флюса, на который затем поступает медь. Металл должен расплавиться и хорошо прогреться (температура также постоянно контролируется). Когда нужный параметр достигнут, в металлический расплав вводят фосфористую медь, которая благодаря своим свойствам воздействует на состав как кислотный катализатор.

После того как медь переходит в жидкое состояние, туда начинают поступать другие составные (легирующие) и связующие (лигатуры) элементы. Затем приступают к размешиванию сплава, пока компоненты в нем полностью не растворятся. Температурный режим также строго выдерживается. Когда до окончания плавки остается определенный технологией период, вновь вступает в дело фосфористая медь, позволяющая избавиться от нежелательных окислений. После финальной обработки бронзовый расплав уже готов к применению по назначению.

Бронзовый расплав

В чем секрет популярности бронзы? Почему на протяжении тысячелетий сплав продолжает пользоваться повышенным вниманием, а технологии его усовершенствования расширяют свои границы? Прежде всего – антикоррозийные и антифрикционные свойства. Материал не боится воздействий окружающей среды, ему не страшны перепады температур, повышенная или пониженная влажность, воздействие кислотных факторов.

Бронза легко поддается сварке, а добавки разных металлов придают ей свойства, необходимые в той или иной области. К примеру, бериллий и кремний дают возможность использовать бронзовые детали при значительном повышении температуры, свинец и цинк понижают коэффициент трения и позволяют использовать изделия из этого материала там, где трущиеся части механизмов ведут к сильному износу самого агрегата.

4 Патина и ее виды – что это значит для сплава?

Говоря о бронзе, невозможно обойти стороной и такое явление, как патина. Его видел каждый из нас при осмотре памятников, старых артиллерийских орудий, предметов интерьера. Некоторые считают, что она сродни ржавчине, но это совсем не так. Зеленый налет на бронзовых изделиях не что иное, как пленка, образуемая во время воздействия внешних факторов (воздуха, воды, выхлопов бензина) на медь в сплаве.

В зависимости от того, какие вещества принимали участие в образовании такого явления, и что за компоненты использовались в сплаве изделия, патина бывает оксидного и карбонатного происхождения. В отличие от ржавчины, эта естественно созданная пленка не разъедает поверхность, а наоборот, служит защитным слоем для изделия. Особо ценен слой (куприт), который образовывается на протяжении многих десятилетий и располагается в самом низу, непосредственно покрывая памятник, статуэтку или другое старинное изделие.

Следует различать два вида патины: благородную и дикую. Первая обладает теми свойствами, о которых говорилось выше. Вторая возникает из-за активного воздействия влаги и неправильно примененных веществ (краски, моющих и абразивных средств), и ведет к коррозии и образованию каверз. Опасность подобного явления состоит в том, что удаление неблагоприятного налета ведет к снятию верхнего слоя самой бронзы, а это портит вещь, обладающую исторической и культурной ценностью. При реставрационных работах антикварных вещей из этого сплава применяются специальные технологии, восстанавливающие слой на их поверхности, а также искусственное патинирование с помощью нанесения препарата, содержащего серу, и легкого нагрева самого изделия.

Бронза – это металл, полученный путём смешивания расплавов меди и некоторых других металлов и неметаллов. Как правило, количество присадочных к меди компонентов не превышает трёх процентов, но существуют и исключения из этого правила – в больших количествах могут присаживаться цинк и никель. Такие сплавы называют латунью и купроникелем (мельхиором) соответственно. В других сплавах цинк тоже может присутствовать, но с ограничением: его количество не должно превышать суммы остальных присаживаемых металлов. Если это произойдёт, сплав окажется латунью.

Этот металл-сплав появился около пяти с половиной тысяч лет назад. Именно тогда начался бронзовый век. А до этого времени плавили только медь – этот металл был основой всех орудий труда. Когда же случилось соединить расплавы меди и олова, получился другой металл, который был назван бронза – это сплав меди с оловом, более твёрдый, чем исходные металлы. Он сразу нашёл себе широкое применение во всех сферах жизни человека: из него делали холодное оружие и кухонную утварь, зеркала и украшения, монеты и творения скульпторов.

Средневековые мастеровые из бронзы отливали колокола для нужд церкви и пушки для армии. На отливку пушек шла специально изготовленная бронза. Эта технология существовала до девятнадцатого века. Ниже приводятся интересные факты о бронзе.

Способы изготовления и характеристики

Физические данные

Характеристики сплава определяются его химическим составом и могут изменяться в некоторых пределах. Бронза менее подвержена коррозии и обеспечивает лучшее скольжение металла по металлу, чем латунь. У неё выше прочность и она менее подвержена атмосферным воздействиям (вода и воздух) и лучше сопротивляется солям и органическим кислотам. Легко поддаётся механической обработке, её можно паять и скреплять сварочными работами. Некоторые физические характеристики бронзы:

  • удельный вес от 7,8 до 8,7 тонны/куб. метр;
  • температура плавления бронзы – плавится при нагревании от 930 до 2019 градусов;
  • изменения цвета от красного – цвета меди, до белого – цвета олова;
  • стойкость к износу и хорошее скольжение по металлу предопределяет сферу применения в качестве подшипников скольжения, они хорошо работают в любых температурных условиях;
  • отмечается высокая электропроводимость и передача тепла, стойкость к паровому воздействию, что способствует изготовлению деталей для техники, работающей в экстремальных ситуациях.

Как изготовить бронзу

Плавление и смешивание расплавов меди и присадок разных металлов, позволяющих придать сплаву те или иные требуемые характеристики, приводит к получению такого металла-сплава, как бронза. В технологическом процессе изготовления задействованы электрические печи индукционного типа и тигельные горны, с их помощью можно изготовить любые сплавы с медью.

Плавление производится с флюсовыми добавками, при этом исходным сырьём для плавки может быть как медная руда, так и лом меди. Как правило, медный лом добавляется в расплав вмести с присаживаемым металлом в процессе плавки. При плавке только из медной руды выполняются следующие операции:

  • печь разогревают, закладывают в неё медную руду с флюсовыми добавками, и плавят при температуре около 2019 градусов;
  • добавляют химический окислитель – фосфористую медь, половина могла быть загружена в составе флюса, а остаток дополнительно загружается ковшом;
  • при плавлении в раскисленный расплав меди добавляют присадочные металлы, предварительно подогретые до ста градусов;
  • после получасового отстаивания расплава, с его поверхности снимают всплывший шлак, и полученный сплав распределяют по формам.

При использовании медного лома процедура изготовления бронзы такая же.

Разновидности

По соотношению содержания основных компонентов бронзы – меди и олова известны два основных вида: оловянный, когда основным присадочным материалом является олово, и безоловянный, если олово присутствует в совсем малом количестве.

Оловянная бронза

Классическая или оловянная бронза – универсальный материал не только в промышленности, но и в других сферах жизнедеятельности человека. В этом сплаве на 80 частей меди приходится 20 частей олова, он хорошо плавится, имеет высокую прочность, довольно твёрдый, не подвержен коррозии, износостоек и способствует снижению трения металлов.

Эти достоинства оловянной бронзы приводят к сложностям в некоторых других отношениях: сплав сложно ковать и резать, затачивать острые кромки и штамповать, зато просто делать из него отливки. Осадка при охлаждении заливки не превышает одного процента, что позволяет применять материал в художественных изделиях особой точности.

Для придания сплаву дополнительных свойств, в его состав могут включаться присадки других металлов и неметаллов:

  • цинк в количестве до 10% улучшает антикоррозийные свойства, детали из такого сплава применяют в кораблестроении, где агрессивной средой является солёная вода;
  • свинец и фосфор способствуют лучшему скольжению бронзовых изделий по другим металлам, такой сплав легче режется и штампуется.

Безоловянная

Бронза без олова – иногда использование в сплаве олова не допускается, а требуемые характеристики получают присадками других металлов. Современные технологии позволяют подобрать присадки таким образом, что изделия из бронзы без олова вполне заменяют изделия из классической бронзы.

Свинцовистая бронза – отлично скользящий по металлу сплав, выдерживает большое давление, очень прочен и плавится с трудом. Сфера его применения – подшипники, работающие под большим давлением.

Кремниевая – на 97% это медь, немного олова и пять сотых процента кремния, он добавлен для увеличения электрической проводимости и применяется такая бронза в качестве жил телефонных кабелей. Она не магнитная, хорошо паяется, упругая и устойчива к низким температурам. Дополнительно может содержать марганец.

Бериллиевая – самая твёрдая. Очень устойчив этот сплав к коррозии и экстремальным температурам как плюсовым, так и отрицательным. Это немагнитный металл и при соударениях от него не бывает искр. Дополнительно в него можно присаживать никель или кобальт. Изготавливают из сплава упругие изделия – пружины, мембраны, пластины.

Алюминиевая – состав простой, алюминия пять процентов, остальное – медь. Цвет бронзы блестящий золотистый, она устойчива к действию химических веществ – кислот. Она прочная по твёрдости и жаропрочная, сохраняет свои свойства и при крайне низких температурах. Коррозии противодействует слабо и при отливке даёт значительную усадку. За красивый цвет используется в ювелирном производстве, изготовлении монет и медалей. Физические свойства предопределяют использование сплава в деталях изделий автомобильной промышленности, пороховом и пиротехническом производстве.

Маркировка

Какие металлы входят в состав бронзы? Узнать основной состав бронзы позволяет её маркировка, разработанная на основе государственных стандартов. Пример: БрОФ 7. Первые две буквы, это бронза; состав сплава: О – это олово; Ф – это фосфор; 7 – содержание присадки, в этом случае олова, поскольку содержание второго присадочного вещества в маркировке не указано. Обозначения других присадочных веществ: А – алюминий, К – кремний. Мц – это марганец, Ж – железо и так далее, по первым буквам присадки.

Процент содержания меди в маркировке указывать не принято, его вычисляют расчётом как остаток от разности. В примере – это 93%. От химического состава бронзы зависит её цвет. Содержание меди в сплаве определяет его цвет – чем оно выше, тем краснее будет бронза, и наоборот. Если меди будет только 50%, а всё остальное – светлые присадки, то сплав по цвету будет напоминать серебро.