Бронза

Безоловянные бронзы

Бронзами также могут называть некоторые другие подобные традиционной бронзе сплавы меди, в которых олово отсутствует. Самые известные из них — латунь (сплав Cu-Zn) и константан (Cu-Ni), бронзой не называемые, и алюминиевая бронза. В прошлом (Древний Рим, к примеру) латунь и константан носили собирательное название шпиатр и считались подделкой.

Существуют также многокомпонентные бронзы — сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами.

Также необходимо упомянуть сплавы меди и фосфора. Они не могут служить машиностроительным материалом, поэтому их нельзя отнести к бронзам. Однако они являются товаром на мировом рынке и предназначаются в качестве лигатуры при изготовлении многих марок фосфористых бронз, а также и для раскисления сплавов на медной основе.

Как происходило развитие производства бронзы?

Первые тысячелетия бронзового века люди делали мышьяковистую бронзу. Она была прочной, из нее отливали и орудия труда, и оружие, и элементы брони. Увы, производство было весьма опасным — ведь при плавлении выделялись пары мышьяка, опасный яд. Работа металлурга, кузнеца по бронзе, в то время была весьма опасной для здоровья. Кузнецы умирали намного раньше остальных людей племени.

К тому же этот сплав нельзя было ремонтировать. Если сломался меч или был перерублен нагрудник, положить его в горн, накалить и попытаться переделать было невозможно, мышьяк уходил в дым, оставалась одна непрочная медь.

Поэтому, как только люди узнали олово — настала эпоха оловянной бронзы. Этот сплав металлов значительно более безопасен, в случае поломки изделия из него можно легко отремонтировать.

В наше время существуют много сплавов меди с другими металлами, которые называют бронзами. При этом сплав меди с цинком называют латунью, сплав меди с никелем — мельхиором, а с цинком и никелем — нейзильбером (neusilber с немецкого — новое серебро).

История

Одно из наиболее известных мест, где были найдены бронзовые изделия, располагалось в районе реки Кубань. В этом месте археологом Николаем Веселовским в 1897 году была раскопана так называемая Майкопская культура, существовавшая во второй половине IV тысячелетия до нашей эры.

Бронзовые артефакты, найденные в майкопских курганах, были изготовлены в основном из сплава меди и мышьяка, поэтому считается, что исторически первыми были именно такие сплавы, называемые мышьяковистыми бронзами.

Она ничем не уступала по своим свойствам сплавам меди с оловом или свинцом, и даже превосходила их по ряду характеристик. Она широко применялась в различных областях человеческой деятельности тех времён, начиная от изготовления ответственных деталей и заканчивая ювелирными изделиями.

Состав бронзы

Бронза — это сплав меди с такими металлами, как олово, алюминий, свинец, бериллий, и неметаллами — мышьяк, кремний и фосфор. Кроме того, такие сплавы могут дополнительно легироваться фосфором, цинком, марганцем, железом и никелем.

Состав бронзы зависит от марки сплава и указывается в её обозначении. Например, в состав сплава, имеющего маркировку БрАМц7−1, входят 7% алюминия, 1% марганца и 92% меди.

Таким образом, основным компонентом этого металла является медь (от 35% до 90% и выше). Вторым же компонентом может являться либо мышьяк, либо олово или бериллий, свинец, алюминий, кремний и другие компоненты. Для придания особых свойств в сплав могут добавляться дополнительные компоненты — цинк, железо, никель, марганец, фосфор и другие.

Цена на бронзовый сплав

Современные металлургические заводы и предприятия все больше предпочитают использовать переработку вторсырья для дальнейшего получения из него бронзы, нежели ведение добычи непосредственно из шахт. Связано это с большей экономической эффективностью. Дешевле переплавить уже имеющуюся бронзу, чем осваивать новые месторождения. Это и есть причина постоянных открытий пунктов приема металлолома. Осталось понять, как формируются цены на бронзовый лом.

Существует несколько критериев, по которым формируется стоимость на сплав бронзы:

• Химический состав. Чем больше сплав содержит дефицитных и, соответственно, дорогостоящих металлов в своем составе, тем выше цена бронзы. Сюда относятся медь, олово, бериллий. Содержание алюминия, кремния и цинка наоборот, ведет к удешевлению бронзы.
• Форма лома, т.е. в каком виде поставляется бронза: сетка, проволока, стружка, лист.
• Содержание примесей и внешний вид. Наличие на поверхности бронзовых сплавов полуды и таких примесей как сера, водород, фосфор (свыше 0,5%) отрицательно влияет на стоимость лома.
• Объем поставки. В целом, металлоприемщик отдает предпочтение в работе с ломом весом от 1 тонны. Поэтому чем больше масса партии, тем выше цена на бронзу.
• Месторасположение пункта приема. Разные регионы имеют разные расценки на бронзу. Связано это с соотношением спроса и предложения в конкретном регионе России.

Все вышеперечисленное учтено в государственном стандарте ГОСТ 1639-93. Согласно ему лом бронзовых сплавов подразделяется на следующие категории (в скобках указана ориентировочная ее стоимость за кг):

• Лом А-11-1.Представлен бронзой в виде кусков размерами не более 5х5 см. Засор в сплаве до 3%. (250 руб.)
• Лом А-11-2. Содержание в сплавах меди не меньше 80%. Поставляется кусками не более 5х5 см. В составах данного вторсырья бронзы примесь не должна превышать 7%. (230 руб.)
• Лом А-11-3. входит не менее 70% меди, а засора в сплаве не более 7%. (200 руб.)

Такая высокая стоимость сплава связана с истощением медных руд. По оценкам разных специалистов они должны полностью закончиться через 80-100 лет. Обеднение медных руд, в свою очередь, ведет к увеличению стоимости технологий и бурильного оборудования. Чем глубже руда, тем тяжелее ее оттуда «достать».

Доказательством всего вышесказанного является значение котировок на биржах цветных металлов, которые с середины 2015 года постоянно растут вверх.

Физические свойства

Бронза – сплав меди с такими металлами как олово, алюминий, кремний и т. д. Исключение составляют латуни (сплав меди с цинком) и мельхиоры (сплав меди с никелем).

Металл не поддается термообработке (кроме бериллиевой). Механические свойства полностью определяет химический состав и структура. Бронзовые сплавы имеют более низкую упругость (9000-12000 кг/мм2) по сравнению со сталью.

Значение коэффициента трения практически у всех бронз одинаково. Плотность колеблется в пределах 7500-9100 кг/м3. Температура плавления 880-1060 ºС. Бронза плохо пропускает тепло. Ее коэффициент теплопроводности равен 0,1-0,2 кал/смсС. Электропроводность значительно уступает меди. Значение удельного электро сопротивления бронзового сплава составляет 0,1-0,17 мкОМ*м.

Бронзовый сплав образует на своей поверхности патину. Именно она служит защитой бронзы от дальнейшего разрушения и снижает скорость протекания коррозии до 0,0015 мм в год.

Рейтинг: /5 –
голосов

Получение

Бронзу получают путем сплавления меди с разными металлами для повышения определенных характеристик. Для этого используют индукционные печи и тигельные горны, пригодные для плавки любых медных сплавов. Плавку обычно проводят под слоем древесного угля или флюса. Для плавки могут использовать как свежую руду, которая еще не подвергалась обработке, так и вторичные отходы. Последние обычно добавляют к свежей медь в процессе сплавления.

При использовании только свежей руды соблюдают следующий порядок: в разогретую предварительно печь складывают уголь или флюс, загружают медь и прогревают до ее расплавления — 1150Со — 1170Со. Затем металл окисляют добавлением фосфористой меди, иногда ее вводят в несколько приемов — 50% сразу, 50% — в ковше. После раскисления вводят дополнительные добавки, прогретые до 100Со — 120Со.

Если дополнительные металлы тугоплавкие, то их сперва полностью растворяют в жидкой меди, а затем прогревают до определенной температуры. Вытащив сплав из печи, его раскисляют вводом 50% фосфористой меди, чтобы избавиться от окислов.

Если используют вторичные металлы или отходы, то сперва чистую медь расплавляют, раскисляют фосфористой медью и добавляют вторичные металлы. После расплавления последний в жидкую медь вводят добавки и дожидаются их расплавления. После нагревания до определенной температуры сплав раскисляют фосфористой медью, засыпают просушенным флюсом или прокаленным древесным углем. Смесь нагревают и оставляют на 20-30 минут, временами перемешивая. Когда время закончится, с поверхности удаляют выступивший шлак и разливают по формам.

Как отличить в домашних условиях?

Бронза имеет достаточно разных отличий от других подобных металлов. Нет ничего сложного в искусстве «вычисления» данного материала. Разберем, как можно легко и просто отличить бронзу в домашних условиях.

• Бронза отличается от многих других сплавов высокой прочностью и жесткостью. Таким образом, металл легко отличить от меди или латуни. Достаточно буквально проверить материал «на зубок» – на поверхности бронзового сплава следов остаться не должно, как и в случае с надавливанием.
• Можно провести эксперимент с солевым раствором (200 г на 1 л воды). Медное изделие спустя 10-15 минут приобретет более насыщенный и броский оттенок, нежели бронзовая деталь.
• Прибегают к нагреву металла примерно до 600 градусов Цельсия (подобную температуру можно получить, используя специальную бензиновую горелку). Если поднести прибор, например, к латуни, на материале проявится темная пленка из оксида цинка. На бронзовом изделии она не будет видна.
• Если нагреть латунь, она будет гнуться. Если же такую операцию провести в отношении бронзы, она своих свойств и формы не поменяет. Если есть возможность и образец металла, его можно попробовать расплавить. Та же латунь станет гореть белым пламенем, раскидывая белоснежные хлопья, – таким образом происходит выгорание цинка.
• Отличить бронзу от латуни можно другим достоверным способом: поместите несколько стружек каждого из металлов в отдельные резервуары, а потом влейте туда разбавленную азотную кислоту (1 часть кислоты и 1 часть воды). Немного выждите, пока большая часть компонентов успеет раствориться. Далее нужно подогреть мензурки и довести растворы до состояния кипения. 30 минут нужно подержать их на маленьком огне. Жидкость, в которой находятся кусочки латуни, будет прозрачной, а в сосуде с бронзовой стружкой образуется белоснежный осадок из олова.

Физические свойства

Алюминий оказывает существенное влияние и на физические свойства бронз. Высокое содержание алюминия в алюминиевых бронзах значительно снижает их плотность по сравнению с плотностью чистой меди. Это обстоятельство имеет большое значение при промышленном применении алюминиевых бронз, особенно в авиакосмической технике и судостроении. Плотность бронзы БрАЖ9-4 составляет 7,5 г/см3, а плотность меди — 8,9г/см3

Алюминиевые бронзы хорошо поддаются полировке и благодаря присутствию алюминия имеют хорошую отражательную способность. В связи с наличием в бронзах алюминия максимум в спектре отражения световых волн (по сравнению с медью) сдвигается в сторону более коротких волн.

Наличие в составе бронз значительного количества алюминия приводит к резкому снижению высокой теплопроводности, характерной для чистой меди. Теплопроводность промышленных алюминиевых бронз, содержащих около 10% Al, составляет в среднем 75 Вт/(м×К) (390 Вт/(м×К) для чистой меди). Однако это снижение способствует некоторому расширению области применения алюминиевых бронз (например, в технике низких температур).

Легирование алюминиевых бронз никелем, железом и марганцем приводит к дальнейшему снижению их теплопроводности. Многокомпонентная алюминиевая бронза БрАЖН 10-4-1, содержащая 10% Al, 4% Fe и 4% Ni, имеет теплопроводность 58,7 Вт/(м×К). Особый интерес представляет изменение теплопроводности алюминиевых бронз в зависимости от температуры. В то время как для чистой меди с повышением температуры происходит незначительное снижение теплопроводности, для алюминиевых бронз, как и для многих других сплавов на медной основе, характерно увеличение теплопроводности с повышением температуры.

Что такое бронза

Бронза — это сплав, основой которого является медь и другие металлы. Состав может изменяться в зависимости от чего меняются и параметры готового материала. В качестве дополнительных компонентов могут использоваться марганец, железо, хром, фосфор. Оптимальное содержание легирующих примесей в бронзовом сплаве — 2.5%.

От количества меди в составе материала зависит его цвет. Например, в ярких огненных заготовках из бронзы содержится более 35% меди. Смесь цинка с медью нельзя относить к разновидностям бронзы. Это отдельная смесь, которая называется латунь.

Структура и состав

Состав сплава бронзы состоит из определённых компонентов. Не каждая смесь может называться бронзовым материалом. Например, латунь и мельхиор имеют в составе большое количество меди, однако не относятся к бронзе. Таким образом дополнительными компонентами выступают различные металлы за исключением цинка и никеля. Характеристики смеси зависят от количества легирующих металлов. Смеси на основе меди можно разделить на две группы:

1. Оловянные — процент олова в таких бронзовых сплавах больше чем других легирующих примесей. У готового материала высокие показатели упругости и твердости. Он легко плавится, что облегчает обработку. Чтобы улучшить устойчивость к коррозии и литейные качества смеси, в ее состав добавляют другие легирующие примеси
2. Специальные — в составе этих смесей не содержится олова. В качестве дополнительных компонентов выступает железо, кремний, алюминий. Характеристики материла зависят от используемых легирующих примесей.

Специальные бронзовые смеси считаются более универсальными, нежели оловянные.

Сплав бронзы

Свойства и характеристики

Чтобы понимать где можно использовать этот материал, нужно учитывать свойства и характеристики бронзы. Свойства смеси:

• хорошая свариваемость;
• устойчивость к воздействию кислот и солёной воды;
• высокая устойчивость к коррозии;
• температура плавления — до 1140 градусов по Цельсию;
• плотность — до 8700 кг/м3.

Свойства могут изменять в зависимости от процентного содержания легирующих компонентов.

Производство материала

Качество бронзы зависит от процесса её производства. Для этого применяются индукционные печи и дополнительные вещества для плавки. Процесс производства:

1. Разогревается печь, в которую засыпается уголь. При отсутствии древесного материала используется флюс.
2. Печь заполняется медью. Она должна расплавиться.
3. Расплавленный металл нужно раскислить фосфористой медью
4. Расплав насыщается легирующими примесями. Температура отжига равномерно увеличивается.
5. Расплавленные компоненты перемешиваются и продолжают нагреваться.
6. Последний этап перед отливкой в формы — повторное раскисление смеси.

Расплавленный металл разливается по формам, которые проходят через пресс-обработку. После охлаждения отливок их используют в дальнейшем производстве.

Разлив по формам

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.

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.

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.

Внешний вид бронзы

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.

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).

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.

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.