Бронзовые сплавы. Бронза – состав и его влияние на свойства сплава. Бронзовые сплавы и их разновидности

Бронзами в тесном смысле этого слова называют сплавы меди с оловом в различных весовых отношениях, но с преобладанием меди. Присутствие других металлов, кроме олова, в древних бронзах следует рассматривать как побочные примеси. Такими примесями в упомянутых бронзах являются: цинк, свинец, сурьма, железо, серебро, иногда никель, кобальт, золото, а также другие металлы, очевидно попадавшие в сплав непосредственно из медных и оловянных руд в самом процессе плавки.

Цвет бронзы изменяется в зависимости от ее состава; с увеличением процентного содержания олова в сплаве цвет бронз переходит из розового и красного (90—99% меди) в желтый (до 85% меди), затем в белый (до 72% меди) и, наконец/в стально-серый (до 35% меди).

Бронзы могут иметь также и золотистые оттенки: напр., античная золотистая бронза содержит, по F. Wibel"ю, около 88% меди и. 12% олова..

Латунью, или желтою медью, называют сплав меди с различным содержанием цинка, обычно около 32%; латунь характеризуется красивым желтым цветом.

У народов античного мира, греков и римлян, медь и ее сплавы бронза и латунь назывались одинаково: des у римлян, χαλχός у греков.

Древние египтяне, по указанию Berthelot, 1 называли медь и бронзу одним словом chomt.

Эти термины сохранились до нашего времени, иногда латунь, т. е. сплав меди с цинком, ошибочно называют желтой или зеленой медью, в отличие от красной или чистой меди.

Коринфская бронза (airin de Corinthe), по мнению Berthelot, 2 была сплавом меди с золотом и серебром, Berthelot 3 указывает, что под названием орихалк в древности, вероятно, разумели все желтые сплавы, напоминающие своим блеском золото; об этом сплаве Платон говорит в своей «Атлантиде» как о драгоценном металле.

По Брандту, бронза, употреблявшаяся римлянами и в средние века, редко была сплавом только меди и олова, но обыкновенно содержала свинец в таком количестве, что надо считать его прибавленным умышленно. G. Richter указывает, что в античных бронзах более раннего происхождения содержание олова было меньше, чем в бронзах более позднего происхождения; напр., некоторые топоры из Трои содержали лишь от 3,87% до 5,70% олова. Бронзы из Микен уже содержат олова больше, от 10 до 13%. В греческих бронзовых сосудах содержание олова бывает обычно от 10 до 14%, а в монетах от 2 до 17%. В зеркалах содержание олова обычно выше, чем в других бронзах, а именно, от 19 до 32%.

С давних времен китайцами и индусами изготовлялись музыкальные инструменты в форме тарелок, называющиеся там-там, гонгами и др., состоящие из сплава меди и 2.0% олова.

Особую группу среди древних бронз представляют китайские и японские художественные бронзы, отличающиеся своим составом от бронз других народов Азии и Европы.

Китайские и японские бронзы, замечательные по покрывающей их темной патине, содержат, по исследованию М. Morin, 4 свинец в количестве до 20%. Приводим из этой работы данные двух анализов бронз.

Некоторые китайские и японские бронзы бывают весьма хрупкими, разбивающимися при небольшом толчке.

Кроме бронз в прямом значении слова, японцы изготовляют другие медные сплавы, содержащие вместо олова драгоценные металлы: золото и серебро.

По исследованию проф. Roberts-Austen"a, 5 из этих сплавов, применяемых японскими художниками, наибольший интерес представляют два сплава: shaku do и shibu ichi. Первый из них, как показывают анализы, содержит до 4% золота; в schibu ichi содержание серебра доходит до 49%. Патины этих сплавов имеют весьма красивые цвета: на shaku do пурпурно-красный, а на shibu ichi — серый. Кроме того, японцы готовят особый сплав, называемый kuromi и содержащий медь, олово, кобальт и другие металлы.

В заключение приводим данные анализов различных древних: бронзовых предметов (табл. 1), сообщаемые G. Brinton Philips"ом; 6 анализы бронз с Кавказа, произведенные лабораторией Института исторической технологии, даны в таблице 2.

Таблица 1

Таблица 2. Примеры анализа древних бронз по данным Института исторической технологии (1933—1934 г.)

Как видно из приведенных примеров, состав древних бронз: представляет большое разнообразие.

Ледебур полагает, что эти «бронзы» представляют нечистую медь, в том виде, как она выплавлялась из руд, со всеми примесями.

Древние памятники из медных сплавов часто бывают весьма неоднородными в различных частях одного и того же предмета; кроме того, часто обнаруживаются поры и другие недостатки отливок: многие египетские бронзы имеют неметаллическую, сердцевину — сплавленное песчано-глинистое ядро, по терминологии Ратгена, представляющее прототип современных литейных шишек.

Новейшая художественная бронза отличается от бронзы древних европейских народов тем, что она содержит, кроме меди и олова, еще значительное количество (иногда до 35—40%) цинка, прибавляемого для удешевления сплава.

Говоря о химическом составе древних бронз и предметов из археологических раскопок, следует отметить различную окисляемость меди и олова в античных бронзах, находившихся в земле. Это явление впервые было замечено Berthelot в 1894 г. при анализе обломка браслета из сокровищницы Dahchoui"a (XII династии в Египте). 7

Для анализа было взято металлическое вещество из центральной части предмета, наиболее удаленной от поверхностного слоя патины. Патина анализировалась отдельно.

Анализ не разрушенной металлической части отличается значительно меньшим содержанием олова. Berthelot объясняет это тем, что медь окислилась сильнее олова, поэтому содержание олова в неметаллической части объекта выше, чем в металле.

Данное Berthelot объяснение было подтверждено позднейшими исследованиями Е. С. Ельчанинова над бронзовыми стрелами, 8 найденными на острове Березани (на Черном море), относящимися к VI или V веку до н. э. Оказалось, что части, подвергшиеся наибольшему разрушению, содержали олова сравнительно больше, чем менее разрушенные, т. е. под влиянием процессов медленных реакций при лежании в земле и действия почвенных вод медь потерялась в большей степени, чем олово.

Эту различную способность металлов к окислению следует иметь в виду при анализах древних бронз, чтобы не получить неправильного представления о первоначальном составе металла исследуемого предмета.

1 М. Berthelot, Les origines de ralchitnie, 1885 г., стр. 225.

2 М. Berthelot, Stir le cuivre des aneiens, Annales de ehimie et de physique, 1887 г., стр. 14.

3 Bertlielot, Les origirtes de l"alchimie, 1885 г., стр. 226,

4 L. Knab, Traiteclesalliagesetaes depots nietalliques, Paris, 1892 г., стр. 157.

5 L. Knab, указ. раб.

6 American Anthropologist, 1922 г., т. 24, стр. 129.

7 J. de Morgan, Fouilles a Dahchour, 1894 г., стр. 139.

8 Журнал Русского химического общества, 1903 г., стр. 1277.

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.

БРОНЗЫиБРОНЗОВЫЙ ПРОКАТ

Классификация бронзовых сплавов

Бронзами называются сплавы на основе меди, в которых основными легирующими элемен-тами являются олово, алюминий, железо и другие элементы (кроме цинка, сплавы с которым относятся к латуням). Маркировка бронз состоит изсочетания «Бр»,букв, обозначающих основ-ные легирующие элементы и цифр, указывающих на их содержание.

По химическому составу бронзы классифицируются по названию основного легирующего элемента. При этом бронзы условно делят на два класса: оловянные (с обязательным присут-ствием олова) и безоловянные.

По применению бронзы делят на деформируемые, технологические свойства которых допускают производство проката и поковок, и литейные, используемые для литья. В то же время многие бронзы,из которых производится прокат, используются и для литья.

Химический состав и марки бронзовых сплавов определены в следующих ГОСТах:

Литейные: оловянные в ГОСТ 613-79 ,безоловянные в ГОСТ 493-79.

Деформируемые: оловянные в ГОСТ 5017-2006 , безоловянные в ГОСТ 18175-78

Многообразие бронз отражает приведенная ниже таблица. В ней представлены практически все деформируемые и часть литейных бронз. Бронзы, используемые исключительно как литейные, помечены «звездочкой ». В дальнейшем будут рассматриваться преимущественно деформируемые бронзы. Структура бронзовых сплавов кратко рассмотрена в - Структура и свойства сплавов.

Физические свойства бронзовых сплавов

Модуль упругости Е разных марок меняется в широких пределах: от 10000 (БрОФ, БрОЦ) до 14000 (БрКН1-3, БрЦр). Модуль сдвига G меняется в пределах 3900-4500. Эти величины сильно зависят от состояния бронзы (литье, прокат, до и после облагораживания). Для нагартованных лент наблюдается анизотропия по отношению к направлению прокатки.

Обрабатываемость резанием практически всех бронз составляет 20% (по отношению к ЛС63-3). Исключение составляют оловянно-свинцовые бронзыБрОЦС с очень хорошей обраба-тываемостью ( 90% для БрОЦС5-5-5).

Ударная вязкость меняется в широких пределах, в основном она меньше, чем для меди (для сопоставимости результатов все значения приведены для литья в кокиль):

Электропроводность большинства бронзовых сплавов существенно ниже, чем у чистой меди и многих латуней (значения удельного сопротивления приведены в мкОм*м):

Сопротивление серебряной бронзы (медь легированная серебром до 0.25%) такое же как у чистой меди, но такой сплав имеет большую температуру рекристаллизации и малую ползучесть при высоких температурах.

Низкое удельное сопротивление имеют низколегированные бронзовые сплавы БрКд, БрМг, БрЦр, БрХ.. Величина электропроводности имеет существенное значение для бронз, используемых для изготовления коллекторных полос, электродов сварочных машин, для пружинящих электрических контактов. Приведенные значения являются ориентировочными, т.к. на величину сопротивления оказывает влияние состояние материала. Особенно сильно оно может измениться под влиянием облагораживания (в сторону уменьшения, это касается БрХ, БрЦр, БрКН, БрБ2 и др.). Например электросопротивление БрБ2 до и после облагораживания составляют 0.1 и 0.07 мкОм*м.

Теплопроводность большинства бронз существенно ниже теплопроводности меди и ниже теплопроводности латуней (значения приведены в кал/ cм*с * С):

Высокую теплопроводность имеют низколегированные бронзы. Облагораживание улучшает теплопроводность. Высокая теплопроводность особенно важна для обеспечения отвода тепла в узлах трения и в электродах сварочных машин. Низкая теплопроводность облегчает процесс сварки бронзовых деталей.

Механические свойства бронзового проката

Если из всего разнообразия латуней массово производится прокат только двух марок (ЛС59-1 и Л63), то для массового производства полуфабрикатов из бронзы используется значительно большее количествомарок.Бронзовый прокат включает в себякруги, трубы, проволоку, ленты, полосы и плиты.

Бронзовые круги

Бронзовые круги выпускаются прессованными, холоднодноформированными и методом непрерывного литья. Способ производства и диапазон производимых диаметров определяется технологическими свойствами конкретной бронзы. В таблице указано соответствие между марками бронз, диаметром прутка и способом производства.

Общее представление об основных механических свойствах бронзовых кругов дает следующая гистограмма.

Непрерывнолитые круги .

Методом непрерывного литья массово производятся БрОЦС5-5-5, БрАЖ9-4, реже БрОФ10-1 и БрАЖМц10-3-1.5. В изделиях, полученных этим способом, отсутствуют дефекты, характерные для литья в кокиль или песчаную форму. Поэтому по своим свойствам непрерывнолитые полуфабрикаты существенно превосходят отливки в кокиль и близки к прессованным полуфабрикатам.

Круги изБрОЦС5-5-5 и БрОФ10-1 имеют относительно гладкую поверхность, нарушаемую неглубокими вмятинами от тянущего устройства. Круги этих марок производятся только непрерывнолитым способом.

Круги из БрАЖ и БрАЖМц, полученные методом непрерывного литья, могут иметь на поверхности опоясывающие трещины глубиной до 1 мм. По твердости, прочности и пластичности непрерывнолитые круги незначительно уступают прессованным, антифрикционные свойства у них практически одинаковы, а стоимость их существенно ниже. При необходимости качественные круги больших диаметров (свыше 100 мм) и короткой длины можно отливать методом центробежного литья.

В некоторых бронзах при понижении температуры растворимость легирующей компоненты резко падает и её выделение из твердого раствораприводит к эффекту дисперсионного твердения. Этот процесс сопровождается резким изменением физических и механических свойств.

Бронзы, способные к дисперсионному твердению, позволяют осуществлять упрочнение изделий из них за счет специальной термообработки (старение, облагораживание). В результате возрастают твердость, пределы текучести и прочности, улучшается коррозионная стойкость, повышается тепло- и электропроводность.

К бронзам с эффектом дисперсионного твердения относятся бериллиевые, хромистые, циркониевые, кремнисто-никелевые и некоторые сложные сплавы (см. таблицу марок бронз). Полуфабрикаты из таких бронз (прутки, ленты, плиты, проволока) имеют следующие состояния поставки:

- Без термообработки .

Это горячекатаные плиты или прессованные прутки, остывшие со скоростью естественного охлаждения.

- С термообработкой (закалка) .

В этом случае полуфабрикат нагревается донекоторой «высокой» температуры после чего производится его закалка в воду для получения пересыщенного твердого раствора. Это закаленные полуфабрикаты, состояние которых обычно маркируется буквой «М». Такая термообработка повышает пластичность и позволяет в дальнейшем производить операции гибки, вытяжку, прокатку и другие виды холодной деформации. Твердость, пределы текучести и прочности, пластичность закаленных бронз несколько выше, чему прессованных.

-С термообработкой (закалка) и последующей холодной деформацией .

Холодная деформация повышает пределы текучести и прочности и увеличивает твердость закаленных полуфабрикатов. Холоднодеформированный полуфабрикат после закалки обычно маркируется буквой «Т».

Второй этап термообработки – отпуск, обычно производится уже над изделием. Отпуск производится при «низкой температуре» в течение определенного времени. В процессе отпуска происходит выделение избыточной фазы с упорядоченным распределением легирующего элемента. Эти выделения связаны со значительными напряжениями кристаллической решетки, которые вызывают повышение прочности и твердости.

Таким образом, облагораживание такого класса бронз состоит из двух операций. Вначале производится быстрая закалка, затем длительный отпуск. Между закалкой и отпуском может производиться упрочнение холодной деформацией или изготовление детали. Режимы облагораживания сильно зависят от химического состава бронзы. Для БрБ2 температура закалки 750-790 С, температура отпуска 300 – 350 Св течение 2 – 4 часов. Для БрХ0.5 температура закалки 950 С, температура отпуска 400 С в течение 4 часов.

Эффект термообработки для прутка из БрБ2 показан на гистограмме, а для лент - в таблице. Там же, в таблице,приведен эффект облагораживания для хромистой бронзы БрХ0.5.

Дисперсионное твердение изделий, изготовленных из термоупрочняемых бронз (БрБ2, БрХ, БрХЦр, БрКН) и сплавов (МНМц20-30) существенно повышают показатели прочности и твердости в сравнении с исходным материалом поставки. Наибольший эффект от облагораживанияимеют изделия из бериллиевых бронз.

ПРИМЕНЕНИЕ БРОНЗОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУЖИН

(Упругие свойства бронзовых сплавов)

Для изготовления пружин используются материалы с высоким пределом упругости и минимальным уровнем неупругих явлений (упругий гистерезис, низкий уровень релаксации и др.).

Для изготовления пружин и пружинящих деталей используются ленты, прутки и проволока из БрКМц3-1, БрОФ6.5-0.15, БрОФ7-0.2, БрОЦ4-3, бериллиевых бронз. Высокая пластичность этих бронз даже в твердом состоянии позволяет использовать для навивки пружин не только проволоку, но и прутки диаметром до 10-15 мм.

В зависимости от вида пружины на её материал действуют нормальные (сжатие-растяжение) или касательные напряжения. Жесткость пружины определяется модулем упругостиE или модулем сдвига G соответственно. Область допустимых нагрузок тем больше, чем больше соответствующий предел упругости (текучести), но при расчетах допустимые нагрузки и деформации рассчитывают по пределу прочности при растяжении с учетом расчетных коэффициентов.

В таблице представлены свойства лент из БрОФ, БрОЦ, БрКМц (в твердом состоянии) и БрБ2 (после дисперсионного твердения из состояния «Т»).

К настоящему времени разработано множество сплавов металлов, обладающих различными свойствами, для разных сфер применения. Первым из них стала бронза. Сплав, его производство, применение и особенности рассмотрены далее.

Варианты состава

Данный материал представляет собой смесь меди с легирующими элементами, в качестве которых применяют неметаллы и металлы. При этом цинк и никель не должны являться основными среди них.

Путем варьирования соотношений между компонентами изменяют свойства бронзы. В соответствии с этим существует несколько ее разновидностей, выделяемых на основе легирующих добавок. В их качестве используют:

• олово;
• бериллий;
• цинк;
• кремний;
• свинец;
• алюминий
• никель;
• железо;
• марганец;
• фосфор.

Первой была разработана бронза оловянная (в начале 3 тысячелетия до н. э.). В небольшом количестве данный элемент придает твердость, легкоплавкость, упругость. При повышении его концентрации до 5% снижается пластичность, а при 20% бронза обретает хрупкость. Путем доведения олова до максимальной доли в 33% сплаву придает серебристо-белую окраску.

Материал с бериллием отличается наибольшими упругостью (закаленный) и твердостью, а также химической устойчивостью. Он подходит для обработки путем резания и сварки.

Цинк и кремний повышают текучесть, что актуально для литья, а также придают поверхности устойчивость к истиранию. Кремниево-цинковая бронза характеризуется отсутствием искр при механическом воздействии и хорошим сопротивлением сжатию.

Свинец улучшает устойчивость к коррозии, антифрикционные свойства, прочность, тугоплавкость.

Алюминий повышает плотность, антифрикционные свойства, устойчивость к коррозии и химическому воздействию. Бронза такого состава подходит для резки.

Фосфор используется в совокупности с некоторыми прочими добавками с целью раскисления сплава. Его наличие отражается в названии при содержании более 1% (оловянно-фосфористая бронза).

Введение любых легирующих добавок понижает теплопроводность. Следовательно, чем их меньше, тем сплав по данному показателю ближе к меди, а наиболее легированные бронзы имеют худшую теплопроводность.

Что касается меди, ее содержание определяет не только технологические и эксплуатационные параметры, но и цвет, который имеет бронза. Красная окраска свидетельствует о концентрации меди более 90%. При содержании ее около 85% (наиболее часто встречается) бронза имеет золотистый цвет. Если сплав состоит из меди наполовину, белым цветом он напоминает серебро. Для получения серой и черной окраски нужно сократить процент меди до 35. Такой цвет материала тоже встречается нередко, однако нужно учитывать, что данный сплав может приобрести темную окраску с течением времени в результате воздействия различных факторов (температуры, воды и т. д.). К тому же технологии, позволяющие добавлять в бронзу придающие ей насыщенный черный цвет легирующие элементы, стали применять относительно недавно, а изделия из рассматриваемого сплава такой окраски обширно распространены издавна.

Таким образом, в зависимости от числа элементов данные материалы подразделяют на двух- (один легирующих компонент) и многокомпонентные. Их доля составляет от 2,5%.

Кроме того, существует классификация бронзы, основанная на внутренней структуре, а именно количестве фаз в твердом растворе. Она подразумевает ее разделение на одно- и двухфазные варианты.

Наконец, ввиду обширной распространенности оловянного типа сплав подразделяют на оловянные и безоловянные бронзы.

Производство

Исходным сырьем для бронзы служат чистые металлы либо сплавы, в том числе бронзовые отходы. Второй вариант более обширно распространен, прежде всего, ввиду меньшей стоимости. В качестве флюса, предотвращающего чрезмерно интенсивное окисление расплава металла, применяют древесный уголь. Из всех исходных материалов составляют шихту, рассчитывая ее состав на основе целевых параметров и используемой технологии производства.

Процесс плавки осуществляют в определенной последовательности:

• в предварительно разогретую до необходимой температуры печь (обычно используют электродуговые и электрические устройства ввиду их высокой эффективности) помещают тигель с шихтой;
• после полного прогрева и расплавления металла в его состав включают служащую катализатором фосфористую медь;
• после выдержки добавляют связующие и легирующие компоненты бронзы, перемешивая;
• с целью удаления газовых примесей осуществляют дегазацию путем продувки азотом или аргоном;
• для снижения интенсивности окисления перед разливкой снова добавляют фосфористую медь.

На протяжении всего процесса необходим контроль температурного режима и количества добавляемых в расплав компонентов.

Свойства

Характеристики рассматриваемого материала определяются двумя факторами: составом и структурой.

Как было отмечено, химический состав бронзы разрабатывают с целью придания ей требуемых параметров. Одними из основных среди них являются пластичность бронзы, твердость и прочность. Варьировать первые две характеристики позволяет изменение концентрации олова. Так, его доля в составе бронзы связана прямой зависимостью с твердостью и обратной с пластичностью.

Наибольшее влияние на твердость и прочность оказывает концентрация бериллия. Некоторые содержащие его марки бронзы превосходят по второму параметру стали. Для придания пластичности бериллиевый сплав подвергают закалке. При этом основное значение имеют не количественные показатели содержания веществ, а выраженность создаваемых ими свойств. То есть, при одинаковом количестве двух различных элементов, один из них может изменять характеристики материала в значительно большей степени, чем другой.

Что касается структуры, она определяет вмещающую способность материала по отношению к элементам. Это можно рассмотреть на примере олова. Так, однофазная структура содержит до 6 - 8% данного элемента. При превышении его количеством предела растворимости, составляющего 15%, формируется вторая фаза твердого раствора. Это влияет на баланс твердости и эластичности. Так, однофазные варианты более эластичны, в то время как двухфазная бронза тверже, но хрупкая. Это определяет дальнейшую обработку: материалы первого типа подходят для ковки, а двухфазные сплавы - для литья.

Далее в качестве примера рассмотрены основные характеристики литьевой оловянной бронзы. Ее плотность определяется содержанием олова и при его доле 8 - 4% составляет 8,6 - 9,1 кг/см 3 . Температура плавления равна в зависимости от состава 880 - 1060°С. Теплопроводность данного материала - 0,098 - 0,2 кал/(см*с*С). Это небольшое значение. Электропроводность составляет 0,087 - 0,176 мкОм*м, что также немного. Интенсивность коррозии в морской воде равна 0,04 мм/год, на воздухе - 0,002 мм/год. То есть такая бронза обладает высокой устойчивостью к ней.

Обработка

Существует еще одна классификация бронзы, основанная на технологии обработки, применяемой при производстве из нее каких-либо изделий. В соответствии с этим выделяют два типа сплавов:

• литейные;
• деформируемые.

Литейные бронзы служат для создания отливок сложной конфигурации (деталей различных устройств и т. д.), так как деформируются только в расплавленном состоянии, в то время как деформируемую бронзу обрабатывают способами ковки, прокатывания, резания, производя металлопрокат в виде проволоки, ленты, труб, плит, втулок, прутков. Кроме того, бронза подходит для пайки и сварки.

Дополнительная обработка

Для декоративного эффекта и в защитных целях возможно нанесение на поверхность бронзовых изделий лака, хрома, позолоты, никеля.

Кроме того, для рассматриваемого материала существует специфический способ обработки поверхности, называемый искусственным патинированием. Он основан на процессе естественного старения бронзы, состоящем в формировании пленки зелено-белого цвета карбонатного либо оксидного состава, называемой патиной, в результате воздействия воздуха и содержащихся в нем компонентов. Искусственное создание такого покрытия носит декоративный (придание винтажности) и защитный смысл.

Данную процедуру осуществляют путем нагрева после нанесения на поверхность серного состава. Существует и обратная технология, то есть удаление патины со старых бронзовых изделий.

Достоинства и недостатки

Бронза обладает множеством положительных качеств. Среди них:

• разнообразие свойств и, следовательно, сфер применения;
• возможность создания вариантов для различных способов обработки (литья либо деформирования) в зависимости от потребностей;
• небольшая усадка (0,5 - 1,5%);
• возможность многократной обработки без потери свойств, то есть бронзу можно перерабатывать;
• высокие показатели устойчивости к химическому воздействию среды (воды, воздуха, кислот);
• большая упругость многих вариантов.

Основным недостатком является высокая стоимость некоторых марок, например, оловянной бронзы. Виды другого состава, такие как алюминиевый сплав, значительно дешевле. Таким образом, стоимость рассматриваемых материалов в значительной степени определяется входящими в их состав легирующими элементами.

Применение

Оловянный материал с 2% олова подходит для ковки при нормальной температуре ввиду высокой пластичности. Варианты с его концентрацией 15% характеризуются твердостью и прочностью. Такая бронза имела обширную область применения в древности. Предметы из нее были обнаружены при археологических раскопках. Она служила для производства посуды, оружия, денег, статуй, зеркал, украшений. Однако наиболее известно применение бронзы данного состава для изготовления колоколов, в связи с чем оловянную бронзу до сих пор называют колокольной.

Закаленную бронзу, содержащую бериллий применяют для производства пружин, мембран и рессор.

Для изготовления изделий, эксплуатирующихся в особо неблагоприятных условиях (высокой влажности, химически активных средах и т. д.), используют бронзу, обогащенную алюминием. Она обладает высокими коррозионной стойкостью и прочностью.

В качестве материала для подвергающихся фрикционным и ударным нагрузкам деталей (подшипников и т. д.) подходит свинцовая бронза.

Алюминиево-никелевая бронза особо актуальна для деталей, постоянно находящихся в соленой воде, ввиду высокой коррозионной устойчивости. Это относительно новый материал, который применяют для производства элементов шельфовых нефтяных платформ.

Детали из бронзы

Кроме того, большинство марок бронзы отличается отсутствием магнитности и малой усадкой. Ввиду этого они подходят для производства электротехнических изделий, а также декоративных предметов.

Также многие варианты сплава имеют низкую теплопроводность, вследствие чего их применяют для производства ванн, умывальников, сантехнических деталей.

Наконец, большая часть бронзовых сплавов характеризуется плохой электропроводностью. Одним из исключений является серебряный сплав, близкий по данному параметру к меди.

Помимо названных сфер, бронзу используют в машино-, судо-, авиастроении, для изготовления агрегатов подвижных узлов благодаря износостойкости, химических приборов и трубопроводов ввиду химической устойчивости.

Маркировка

В настоящее время встречается множество марок бронзы. Они отличаются составом, определяющим параметры и сферу применения. Для удобства на основе этого была создана система маркировки, включающая буквенные и цифровые символы. Так, легирующие добавки обозначают буквами, первыми в названии представляющих их химических элементов. Цифры означают содержание компонентов сплава в долях процента. При этом данные обозначения не содержат данных о количестве меди. Данное значение высчитывают как разность между общим составом бронзы и количеством легирующих добавок.

Маркировка бронзы позволяет легко определить требуемую для конкретной задачи марку. Для этого достаточно воспользоваться специальными таблицами. Они содержат данные о составе, параметрах сплава и сферах его применения.

Многие люди знают о бронзе лишь то, что из нее отливают скульптуры и памятники. На самом деле, этот металл обделен народным вниманием незаслуженно. Ведь не зря в истории человечества был даже бронзовый век - целая эпоха, на протяжении которой сплав занимал доминирующее положение. Это один из немногих материалов, использующихся как в промышленности, так и в искусстве. Качества, которыми обладает сплав меди с оловом, являются просто незаменимыми во многих отраслях производства. Ее используют при изготовлении орудий, в машиностроении, отливании церковных колоколов и так далее. При этом сегодня насчитывается большое количество марок металла, каждая из которых обладает определенными, заранее смоделированными свойствами.

Применение бронзы в прошлом

Первые упоминания о сплаве меди и олова датированы IV тысячелетием до нашей эры. Именно этот технологический прорыв, как считают историки, позволил цивилизации Месопотамии занять в то время лидирующее положение. проводимые в Южном Иране, свидетельствуют о повсеместном использовании бронзы для изготовления наконечников стрел, кинжалов, копий, топоров, мечей. Среди находок встречаются даже предметы интерьера, например, мебель и зеркала, а также кувшины, амфоры, вазы и тарелки. Для чеканки древних монет и изготовления украшений применялся этот же сплав.

Бронза в средние века начинает активно использоваться в Европе. Из нее изготовляют такие массивные предметы, как пушки и церковные купола. В более поздний период, с развитием машиностроения, столь универсальный металл тоже не остался незамеченным. Его по достоинству оценили, главным образом, за антифрикционные и антикоррозийные свойства. Вместе с тем необходимо отметить, что материал, используемый раньше, несколько отличался от того, которым сегодня является бронза. Состав сплава содержал множество второстепенных примесей, значительно ухудшающих его качество.

Химический состав современной бронзы

Сегодня в материаловедении бронзой называют сплав двух металлов: меди и олова, которые могут использоваться в самых разных пропорциях. Для придания металлу заданных качеств к этой паре могут добавляться цинк, фосфор, магний, свинец и кремний. Присутствие случайных примесей при помощи современных технологий практически сведено к нулю.

В большинстве случаев приемлемым считается соотношение меди с оловом в пропорциях 85 на 15 процентов. Уменьшение доли второго компонента ниже указанной отметки порождает целый ряд проблем, основной из которых является ликвация. Данным термином металлурги называют процесс расслоения сплава и его неравномерное застывание.

Влияние цвета сплава на его качество

Знающие люди могут много узнать о материале, лишь посмотрев на цвет, которым обладает бронза. Состав непосредственно влияет на этот параметр. Как нетрудно догадаться, красный оттенок сплаву придает медь. Поэтому уменьшение ее процентного соотношения в пользу других компонентов будет означать постепенный переход цвета к более тусклым тонам.

При обычном балансе составляющих (85% меди) бронза отливает желтизной. Такую ее разновидность можно встретить чаще всего. Белый сплав получается после доведения соотношения до пропорции 50:50. А вот чтобы бронза стала серой, необходимо уменьшить количество меди до 35%.

Что касается изменения практических характеристик сплава при экспериментировании с его составом, то здесь ситуация следующая. Ковкость материала будет напрямую зависеть от содержания в нем олова. Чем его меньше, тем более податливой будет бронза, но данное утверждение верно только до определенного предела. Так, при достижении отметки в 50% сплав вновь становится мягким.

Бронза в искусстве

Прочный и долговечный материал, обладающий при этом достаточно низкой и хорошей ковкостью, не мог не заинтересовать творческих людей, в частности скульпторов. Уже в V-IV веках до нашей эры в Греции была отработана до мельчайших деталей технология изготовления бронзовых статуй, которая актуальна и сегодня.

Заключается она в том, что изваяние из огнестойкого материала первоначально заменяется воском, который непосредственно при литье уничтожается. Для этого по рисунку сначала должна быть изготовлена гипсовая модель, а после форма для отливки. Восковое содержание при воздействии температуры попросту плавится, и его место занимает бронза, которая остывает и затвердевает. После чего ее остается только обработать и довести до совершенства.

Артиллерийский металл

Для изготовления пушек, а в дальнейшем и другой военной техники, всегда использовалась бронза. Состав сплава, который применяется для этих целей, как правило, содержит 90% меди и лишь 10% олова.

Это связано с тем, что материал для орудий должен быть очень прочным и обладать повышенным сопротивлением разрыву. Такими качествами обладает марка бронзы БрАЖМц10-3-1.5. Помимо основных компонентов, в ее составе содержится 1-2% марганца, что повышает антифрикционные и температурные характеристики.

Изготовление церковных колоколов

Колокольный звон обязан быть мелодичным, а его звук должен радовать слух на большом расстоянии. Как ни странно, но бронза обладает такими музыкальными талантами. Для улучшения звучания колокола его изготовляют из сплава с повышенным содержанием олова (от 20 до 22%). Иногда в него также добавляют немного серебра. Марки бронзы, которые используют при изготовлении колоколов и других ударных инструментов, для практического применения в других отраслях абсолютно непригодны. Это связано с тем, что такой сплав обладает мелкозернистой структурой и повышенной хрупкостью.

Фосфорная и алюминиевая бронза

Впервые сплав, состоящий из 90% меди, 9% олова и 1% фосфора был применен Кюнцелем в 1871 году. Он был назван фосфорной бронзой, а нашел свое применение материал главным образом в машиностроении. Из него отливаются различные детали машин, которые подвержены повышенному трению. Фосфор необходим для увеличения упругости и повышения антикоррозийных свойств. Главным достоинством этого металла является то, что он идеально заполняет любые углубления при отливке.

Алюминиевая бронза, состав которой отличается повышенным содержанием меди (до 95%), по внешнему виду очень похожа на золото. Кроме красоты, она имеет и ряд других неоспоримых преимуществ. Так, например, добавление 5% алюминия позволяет сплаву выдерживать длительное время воздействие агрессивной среды, такой как повышенная кислотность.

Как материал для изготовления различных частей машин, данный металл практически повсеместно вытеснил фосфорную бронзу на бумажных фабриках и в пороховом производстве из-за более высокого противодействия разрыву.

Кремниевая и марганцевая бронза

Кремний добавляют в сплав для повышения электропроводности. Это ее качество используется при производстве телефонных проводов. Эталонный состав кремниевой бронзы выглядит следующим образом: 97,12% меди, 1,14% олова, 0,05% кремния.

Самым сложным процессом получения может похвастаться сплав с содержанием марганца. Вся процедура проходит в несколько этапов. Сначала ферроманган добавляют в расплавленную медь. Затем, выдержав заданный температурный режим, добавляется олово, а при необходимости цинк. Английская фирма Bronce Company изготовляет несколько сортов марганцевой бронзы, обладающей различной вязкостью и твердостью. Применяться подобный сплав может практически во всех отраслях производства.