Какие металлы входят в состав бронзы

Обновлено: 04.10.2024

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 прочие элементы.

Бронзовый сплав имеет устойчивость к истиранию, коррозии, агрессивным средам, вроде морской воды. Эти свойства достигаются за счет добавления легирующих компонентов в определенных пропорциях. Соотношение компонентов регламентируется нормативными документами: ГОСТ, отраслевые стандарты, методики, стандарты предприятий.

Классификация сплава

В соответствии с наличием в составе легирующих компонентов принято выделять следующие виды бронз:

оловянные – основной легирующий компонент в них олово;
не содержащие олова вообще, то есть, безоловянные.

Помимо состава бронзы, есть еще один критерий их классификации – технологические параметры. Выделяются бронзы:

деформируемые, предназначенные для обработки давлением;
литейные для изготовления отливок.

Основные легирующие компоненты

Основной компонент, который определяет большую часть технических характеристик бронз – медь. Для придания сплаву необходимых параметров применяют специальные добавки – легирующие компоненты. Одним из распространенных легирующих компонентов, содержащихся в бронзе, является олово. Именно из оловянных бронз производили отливку колоколов и называли «колокольной» бронзой.

Также в качестве легирующего элемента могут быть использованы:

Be – бериллий. Повышает прочность бронзы.
Si – кремний и Zn, цинк для повышения устойчивости поверхности к истиранию. Эти же элементы увеличивают текучесть бронз, что положительно сказывается на качестве литья.
Pb – свинец. Повышает антикоррозионные свойства металла.
Al – алюминий. Повышает устойчивость к коррозии, устойчивость к окислению при высоких температурах и уменьшает реакцию металла с соединениями серы и продуктами выхлопа двигателей.

Марки бронз

Бронзы маркируются аббревиатурой «Бр», а также добавлением буквы или нескольких букв, которые обозначают легирующие добавки. Объем легирующих добавок определяется ГОСТами.

Различные марки бронз имеют свои индивидуальные особенности: химический состав, технические характеристики, область применения. По маркировке бронз можно узнать, какие в них входят компоненты, и по специальным таблицам определить назначение данного сплава и его технологические параметры.

Маркировка сплавов на примере оловянных бронз

Некоторые марки оловянных бронз показаны в приведенной ниже таблице. Здесь же можно найти важные технологические параметры сплава, а также область применения каждой конкретной марки бронз.

В данной таблице указан также способ литья бронз. «К» в соответствующем столбце означает, что литье производилось в кокиль, «П» – литье производилось в песчаную форму.

В столбце «марка» приведены наименования сплавов. «Бр» в названии марки обозначает бронзу, далее указываются присутствующие в сплаве легирующие компоненты.

Исходя из маркировок, видно, что в приведенных в таблице марках металла содержится олово. Некоторые помимо олова содержат цинк, свинец и фосфор.

Процентное соотношение компонентов бронз

Процентное соотношение элементов, также как и химический состав, закладывается в аббревиатуру марки сплава. В ней не указывается процентное содержание основного элемента – меди, но указывается содержание всех легирующих элементов в процентном соотношении.

К примеру, в марке БрО3Ц12С5 содержание компонентов такое:

остальные 80% приходятся на медь.

Количество процентов меди в сплаве оказывает влияние на его цвет. Чем больше меди, тем более яркий золотистый цвет имеет бронза. При содержании меди 50% цвет сплава станет белым, близким к цвету серебра. В соответствии с поставленными задачами можно получить различный цвет металла путем варьирования процентного соотношения легирующих элементов и меди.

Некоторые разновидности бронзовых сплавов

Наиболее часто требуется использование оловянных, бериллиевых, кремниевых и алюминиевых бронз.

Оловянная бронза

Оловянная бронза содержит олово в качестве основного легирующего компонента. Также могут содержаться фосфор, цинк, свинец, никель и пр.

В таблице приведены предельные содержания элементов в некоторых марках:

Как видно из таблицы, сплавы содержат не менее 80% меди. При увеличении объема олова в сплаве изменяются и его свойства:

твердость и прочность металла возрастает;
снижается пластичность;
снижается ударная вязкость;
увеличивается усталостная прочность.

Одним из легирующих компонентов является P (фосфор). Легирующим данный элемент называют в случае его содержания более 0,1%.

Фосфор при попадании в медный сплав раскисляет медь. Помимо этого, именно фосфор в качестве легирующей добавки увеличивает износостойкость металла. У данного состава есть и обратная сторона. Фосфор при превышении его содержания снижает пластичность получаемого металла. Поэтому при добавлении фосфора в качестве легирующего компонента в деформируемую оловянную бронзу крайне важно строго придерживаться ГОСТа и прочих регламентирующих документов.

Еще один легирующий компонент – Zn (цинк). Он добавляется в бронзу, которая не содержит фосфор. Цинк вводится в количестве, которое может раствориться. Часто вместе с цинком может быть введен свинец. Свинец слаборастворим, получаемые сплавы БрОЦС4-4-2,5 и БрОЦС4-4-4 представляют собой кристаллы твердого раствора и нерастворенные включения свинца. Добавление свинца повышает антифрикционные свойства металла и возможность его резки. Однако, свинец в качестве легирующего элемента снижает некоторые прочие механические свойства получаемого металла.

Также может добавляться Ni (никель). Элемент повышает прочность, пластичность и способность к деформации.

Бериллиевая бронза

К данному типу относятся безоловянные дисперсионно упрочняемые сплавы меди и бериллия. Это означает, что растворимость легирующего элемента напрямую зависит от температуры. Закалка производится из однофазной области, то есть сразу из расплава. Очень важно правильно подобрать используемую температуру процесса. Именно эта величина определяет, насколько хорошо расплав перейдет в твердый раствор и насколько он будет гомогенным, что важно для придания металлу конкретных свойств. Оптимальная температура закалки 760-800 °С. При увеличении температуры более указанного диапазона есть вероятность увеличения зернистости металла и как результат снижения технологических параметров. Температура ниже указанного диапазона не позволяет твердому раствору насытиться бериллием в нужной степени.

Скорость охлаждения раствора должна быть не менее 30-60 градусов в секунду. Это необходимо для того, чтобы в твердом растворе не начался распад компонентов. Иногда в качестве дополнительной легирующей добавки для снижения предела скорости охлаждения могут быть введены Ni (никель) и Co (кобальт). Эти добавки повышают устойчивость твердого раствора в случае его переохлаждения. Для этих же целей может быть использован магний. Гибка металла

Наиболее часто применяются в промышленности и на производстве следующие сплавы:

БрБ2 – с содержанием бериллия 2%;
МНБ – сплав меди-никеля-бериллия, содержание бериллия не превышает 0,8%
МКБ – соотношение меди-кобальта-бериллия с таким же содержанием бериллия, что и в МНБ.

И БрБ2, и МНБ и МКБ имеют высокую пластичность и прочность, легко подвергаются гибке и вытяжке, а также прочим видам пластических деформаций.

Содержание компонентов в некоторых бериллиевых бронзах отражено в таблице:

Кремниевая бронза

Данный безоловянный сплав имеет в своем составе Cu (медь) в размере 80%, Zn (цинк) 20 % и Si (кремний) около 3% и 1% марганца (БрКМц-3-1), проявляет устойчивость к деформации сжатия и растяжения. Высокие механические и антифрикционные свойства, пластичность при низких температурах позволяет применять этот сплав для антифрикционных деталей, пружин, подшипников и пр.

У кремний содержащих сплавов есть еще одно полезное свойство – текучесть. Они широко применяются при литье сложных деталей. Также благодаря составу бронза не дает искру при ударе.

Алюминиевая бронза

Алюминиевая бронза в качестве легирующего компонента содержит алюминий. Содержание алюминия может достигать 12%. В зависимости от содержания алюминия меняются и свойства получаемого металла.

Например, однофазная бронза, в которой алюминия до 9,4% легко подвергается деформации давлением при любой температуре. Это связано с ее высокой пластичностью. Примером такой марки является БрА7. Лазерная резка металла

Добавление алюминия в качестве легирующего компонента существенно повышает прочность металла и его устойчивость к коррозии в сложных условиях: соленая вода, повышенная влажность и пр. Данный тип металла применяется для нефтяных платформ, расположенных в море.

Al также оказывает существенное влияние на теплопроводность металла. При увеличении содержания алюминия падает теплопроводность получаемого металла, если сравнивать этот параметр с медью в чистом виде. Добавление даже 10% Al снижает теплопроводность меди в 390-401 Вт/(м*К) до 75 Вт/(м*К). Добавление дополнительных легирующих компонентов еще больше снижает теплопроводность.

Таким образом, можно сделать следующие выводы: технологические параметры бронз зависят от того, какие легирующие компоненты и в каком соотношении были введены при изготовлении металла. Основным компонентом является медь, процентное соотношение легирующих добавок регламентируется ГОСТами и прочими нормативными документами.

Бронза: состав, свойства, сфера применения

Бронза – сплав меди с другим веществом (в большинстве случаев это олово). Также благородный металл может состоять из многокомпонентной комбинации с применением алюминия, кремния, бериллия, свинца.

Что такое бронза

Бронза – это сплав меди, в котором основным легирующим компонентом выступают как металлы, так и не металлы. Непосредственные характеристики полученных сплавов определяются их соотношением и фазовым составом расплавов.

Чаще всего за основу берут олово. Реже, но встречаются, сплавы с добавлением алюминия, кремния, бериллия, свинца. Но фактически во всех вариациях сплавов используют незначительное количество фосфора и цинка.

Полезно! Состав и свойства бронзы определяются межгосударственными стандартами. ГОСТ 613-79 «Бронзы оловянные литейные» и ГОСТ 18175-78 «Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением».

Немного истории

Самая древняя находка изделий из бронзы была обнаружена неподалёку от реки Топлица в южной части современной Сербии. Датируется она V в. до н.э. В нашей стране обнаружение самого старого бронзового артефакта произошло в 1897 г. и относится к так называемой Майкопской культуре, существовавшей в IV в. до н.э. Изделия преимущественно представлены в виде сплава из бронзы и мышьяка. Постепенно о существовании мягкого эластичного металла узнали на Ближнем Востоке, в Египте.

Вышеупомянутая мышьяковая бронза считается первым видом этого металла. Однако сплав имел широкий перечень недостатков, связанных с вредным для здоровья процессом изготовления и сравнительно высокой стоимостью, которая объяснялась дороговизной мышьяка. Это стало причиной её постепенного вытеснения с мирового рынка и использованием более экологичного и дешевого состава – оловянной бронзы (это сплав олова и меди).

Если на этапе появления металл применялся для изготовления хозяйственных и рабочих предметов, то к V в. н. э. в Древней Греции её стали применять для отливки скульптур. Позже сплав превратился в основной источник денежной индустрии – из него отливали монеты.

Лишь в средних веках бронзу стали использовать в производстве предметов вооружения, церковных колоколов.

Отличие видов, классификация

Деление на виды осуществляется исходя из конкретных компонентов состава. Например, изготовленная с использованием олова с меньшим процентным соотношением свинца либо фосфора способствует эффективному легированию. Благодаря этому усиливается прочность и твёрдость сплава. Он лучше переносит плавку, хорошо держит заданную форму. Поверхность отлично поддаётся шлифованию, усиливаются рабочие и визуальные показатели.

Однако, сплав бронзы, это не только концентрация меди и олова. Существуют виды, состав которых построен по новой формуле, кардинально отличающейся от вышеупомянутой. Эта группа сплавов получила название безоловянная бронза. По техническим и эксплуатационным характеристикам, они ничем не уступают оловянной, а по некоторым показателям, даже превосходят её.

Также деление осуществляется по технологическому параметру. По этому признаку бронза может быть деформируемой и литейной.

Деформируемая – используется для механической обработки. Отлично шлифуется, куётся, режется. Процент олова в составе не превышает 5 единиц, что способствует нужной пластичности. Используется для изготовления листового металла, проволоки, прутьев, лент – изделий, применяющихся в строительстве.
Литейная – применяется для изготовления литейных изделий. Преимущественно служит для производства литых изделий: шестерни, вкладыши подшипников, трубопроводная арматура.

Оловянная

Оловянная бронза – это сплав с преобладающим количеством меди, смешанной с оловом. Исторически доказано, что данный состав является одним из первых, освоенных человеком разумным. Ей свойственна большая (при сравнении с обычной медью) твёрдость, прочность, лучше и легче плавится.

Недостатком бронзы является то, что она практически не видоизменяется при воздействии давления. Это условие не позволяет использовать её в других популярных видах металлообработки: ковке, штамповке, прокатке, резке, заточке.

Такая особенность относит её к непосредственно группе литейных металлов. Кроме того, по этим характеристикам она нисколько не уступает другим. Например, бронза имеет минимальный процент усадки (1%), для латуни и чугуна этот показатель равен 1,5%, сталь показывает ещё большее значение – 2%.

Исходя из этих критериев, вне зависимости от склонности к ликвации и сравнительно невысокой текучести, бронза востребована в получении сложноформовых отливок, в том числе и относящихся к художественному литью.

Полезно! Ликвация – неоднородный состав химических элементов, возникающий в результате преобразования последних в кристаллы с определённой структурой (кристаллизации).

Безоловянная

Под понятием «бронза» могут подразумеваться иные медные сплавы, в которых не содержится олово. Это латунь, константан и алюминиевая бронза. Последняя лидирует по показателю механических качеств, более устойчива к химическим воздействиям.

Полезно! При добавлении кремния в медь, образуется сплав, обладающий отличной текучестью.

Лучшие показатели упругости свойственны бериллиевой бронзе. Также этот сплав отличается высокой твёрдостью. Он хорошо подвергается обработке (резке), часто используется для изготовления пружин, мембран, пружинящих контактов.

Свойства металла

В отличие от латуни бронза устойчивее переносит коррозию и любые механические воздействия, имеет лучшие антифрикционные свойства (показатель низкого коэффициента трения материалов). Она менее подвержена разрушению при длительном контакте с кислородом, солёной водой, углекислым газом, органическими кислотами. Большая часть разновидностей бронзовых сплавов подлежит варке и пайке посредством мягкого или твёрдого припоя.

Цвет металла определяется от количества и наименования добавленных компонентов. Варьируется он в диапазоне от белого, до красного. Физические свойства бронзы определяются в зависимости от легирующих элементов:

Показатель прочности определяется в зависимости от присутствия олова, никеля, алюминия и кремния.
Увеличение антифрикционных свойств происходит за счёт за счёт добавления свинца или фосфора.
Рост температуры рекристаллизации осуществляется за счёт снижения размера зёрен сплава. Отражается это при добавлении никеля и железа.
Стойкость к высоким температурам сказывается при внесении частиц кремния или марганца. Кроме того, увеличение жаропрочности происходит при добавлении хрома, циркония и бериллия, которые также сказываются на понижении коэффициента электропроводности.

Область применения

Вышеупомянутые свойства бронзы отражаются на том, что она становится достаточно популярной. Сплав применяется во многих отраслях: машиностроении, металлургии, электротехнике, химической промышленности, быту. В качестве более пристального раскрытия темы можно привести детальные примеры.

Промышленность

Как уже упоминалось, из-за низкой способности к усадке, оловянная бронза широко используется для изготовления пружин, подшипников, прижимных контактов.

Алюминиевая бронза дешевле, чем оловянная, но именно первый сплав имеет отличные антикоррозийные качества. Это делает его востребованным в изготовлении аппаратуры химического назначения и той, что часто контактирует с солёной морской водой.

Сплавы, имеющие высокую пластичность и упругость используются в производстве автомобильных прокладок, составляющих измерительных приборов, шестерен.

Материалы, невосприимчивые к возникновению коррозии и имеющие хорошую электропроводность, успешно применяют в электротехнической отрасли. К примеру, из бериллиевой бронзы изготавливают детали, пружинные контакты и интегральные схемы для мобильных телефонов, смартфонов и других гаджетов. По этой же причине металл используют в производстве фитинга для монтажа трубопроводов: краны, клапаны, тройники, переходники.

Бытовое назначение

Долговечность, твёрдость, прочность, стойкость к неблагоприятным условиям и воздействиям окружающей среды делают бронзу востребованной для изготовления уличных декоративных элементов. Встретить изделия из сплава можно практически на любой улице: фонари, скамейки, беседки, скульптуры и статуи.

За счёт оригинального желтоватого или красноватого оттенка, бронза считается высоко эстетическим композитом. Эта характеристика объясняет её популярность при изготовлении статуэток, мелких предметов интерьера и уличного декора.

Алюминиевой бронзе свойственен оттенок золотого. По этому признаку сплав используется для производства украшений: серёжек, колец, кулонов.

Популяризация бронзовой кухонной посуды наблюдалась ещё в начале Бронзового века, присутствует эта традиция и сегодня.

Процесс изготовления бронзы

Как уже упоминалось, бронза – это многокомпонентный сплав меди с другими элементами. В роли шихты для её производства применяют чистые металлы или уже скомбинированные сплавы, имеющие вид чушки. Последний способ более популярен и служит основным методом для приготовления литьевого сплава. Осуществляется он в 4 приёма:

Загрузка готового сырья. Процесс выполняется размещением чушек в графитно-шамотные или графитно-карборудные тигли. Перед использованием формы предварительно прокаливаются и просушиваются.
Приготовление расплава. На первом этапе плавится медь. Загружается она всем объёмом или небольшими партиями. Позже вносится фосфористая медь, что становится причиной образования жидкого фосфата, который удаляется. Только после очистки добавляются иные составляющие, которые предусмотрены рецептурой.
Перегрев. Содержимое тиглей нагревается до 1 150-1 200°С. На этом этапе оловянная бронза выплавляется с помощью древесного угля или угля с добавлением солей. При обнаружении кремния, магния или алюминия (выступающих в данном случае в роли шлака), вносятся жидкие солевые флюсы.
Дегазация. Здесь происходит очистка внутренней структуры от содержащегося в ней газа. В большинстве случаев это водород.

Важно! На заключительном этапе выполняется цикл модифицирования для увеличения качественных свойств полученного сплава. Конкретный метод определяется в зависимости от конечного состава бронзы.

Заключение

История открытия бронзы тянется из глубины веков. На протяжении нескольких тысячелетий человек изготавливал их этого сплава приспособления, облегчающие его жизнь. Сегодня она не менее популярна, чем в прошлом тысячелетии и, благодаря своим удивительным свойствам, применяется практически повсеместно.

Бронза — состав, свойства, применение

Состав бронзы

Бронза – это двойной или многокомпонентный сплав, состоящий из меди и других элементов, улучшающих основные свойства металла, кроме цинка. Такие элементы называются легирующими. В составе бронзы их более 2,5% по массе. В качестве легирующих компонентов применяются марганец, олово, бериллий, свинец, кремний, хром, фосфор, железо, алюминий и другие элементы. Маркируют сплавы сочетанием «Бр», буквами, которые обозначают основные легирующие компоненты и цифрами, указывающими их содержание. Например: БрО5 – оловянная бронза, БрА5 – алюминиевая бронза. Химический состав бронзовых сплавов и их марки определены соответствующими ГОСТ. Купить бронзу вы можете на нашем сайте.

Бронза на основе меди и олова – это один из наидревнейших сплавов, полученных человеком. В III тысячелетии до нашей эры в Месопотамии и Южном Иране появились изделия из бронзы. Все, необходимое для быта человека, в древности изготавливалось из этого сплава. Археологи обнаружили оружие (кинжалы, топоры, наконечники стрел, мечи), мебель и предметы интерьера (зеркала), а также посуду (кувшины, вазы, тарелки). Кроме того, из бронзы изготавливали монеты и всевозможные украшения. Около V-IV веков до нашей эры античные скульпторы Греции научились отливать крупные бронзовые статуи, кстати, эта технология актуальна и сегодня. В средние века бронза использовалась для производства пушек и артиллерийских снарядов. Издавна из этого сплава отливали колокола. Изменяя состав и размер отливки, мастера создавали колокола с удивительным звучанием.

Видео — изготовление бронзового колокола

Классификация бронзы

По химическому составу различают:

Оловянные бронзы – это сплавы с основным легирующим компонентом оловом. Кроме олова, в качестве дополнительных компонентов могут присутствовать свинец, фосфор и цинк. С добавкой олова медь приобретает большую легкоплавкость, упругость, твёрдость. Следовательно, сплав лучше поддаётся полировке. Дополнительные компоненты улучшают механические, литейные, а также антифрикционные свойства.

Безоловянные (специальные) бронзы – это сплавы, не содержащие, в качестве легирующего элемента, олова. Они не уступают по свойствам оловянным бронзам, а по некоторым даже превосходят их.

По технологическому признаку бронзы делятся на:

Деформируемые – хорошо поддающиеся механической обработке: штамповке, рифлению, ковке. Содержание олова в них не более 6%, что обеспечивает необходимую пластичность. Из деформируемых оловянных бронз изготавливают листы, бронзовую проволоку, бронзовый пруток, бронзовую ленту.

Литейные – предназначенные для фасонных отливок. Из литейных оловянных бронз делают различные детали для машин, работающих в соленой морской воде, вкладыши подшипников, шестерёнки.

Свойства бронзы

Если провести сравнение с латунью, то бронза характеризуется более высокой коррозионной стойкостью, прочностью и антифрикционными свойствами. Она довольно стойкая на воздухе, в соленой воде, углекислых растворах и растворах многих органических кислот. Большинство видов бронзы поддаётся сварке и пайке твёрдыми и мягкими припоями.

В зависимости от количества добавок цвет бронзы может быть от красного до белого. Рассмотрим, как легирующие элементы влияют на свойства бронзы. Олово, никель, кремний и алюминий увеличивают прочность, стойкость к коррозии, а также упругие свойства бронз. В сочетании со свинцом, цинком и фосфором повышаются и антифрикционные свойства. Никель и железо значительно измельчают зерно и увеличивают температуру рекристаллизации. Кремний и марганец увеличивают жаростойкость. Хром, цирконий и бериллий повышают жаропрочность сплавов и немного снижают электропроводность.

Давайте вкратце ознакомимся с наиболее часто используемыми видами бронзы.

Бериллиевая бронза является лидером по показателю твёрдости среди других сплавов меди. В закалённом состоянии обладает хорошей пластичностью, технологичностью, а в состаренном состоянии – высокими механическими свойствами. Дополнительно повысить уровень механических свойств можно при помощи пластической деформации перед старением. Из бериллиевой бронзы изготавливают пружины, мембраны и инструменты.
Алюминиевая бронза характеризуется высокой плотностью, устойчивостью к агрессивным факторам окружающей среды и химическим элементам, хорошей стойкостью к морской воде. Такой вид бронзы поддаётся обработке режущими инструментами. Из неё изготавливают ленты и полосы труб.
Кремнецинковая бронза позволяет изготавливать изделия сложных форм, за счёт повышенной текучести в расплавленном состоянии. Такая бронза обладает высокой степенью сопротивления сжатия и не искрит при механических воздействиях.
Свинцовистая бронза обладает отличными антифрикционными свойствами, хорошо противостоит ударным нагрузкам, а также отличается высокой прочностью и тугоплавкостью. Применяется она для сильно нагруженных подшипников.
Оловянная бронза обладает всеми указанными выше свойствами и является наиболее широко применяемой в современной промышленности.

Получение

Бронзу получают путём сплавления меди и легирующих компонентов. Процесс происходит в электрических индукционных печах или в тигельных горнах. Шихта для плавки может состоять из свежих металлов, а также из отходов производства и вторичных металлов. Плавка проводится под слоем флюса или древесного угля.

В разогретую печь помещают необходимое количество угля или флюса, а затем загружают медь. После расплавления и нагрева меди до соответствующей температуры, расплав раскисляют фосфористой медью. Далее в расплав вводят подогретые легирующие элементы. В виде лигатур вводятся тугоплавкие легирующие элементы. Расплав перемешивают до растворения компонентов и нагревают до необходимой температуры. Перед разливкой расплав снова раскисляют фосфористой медью для устранения её окислов.

Бронза хорошо плавится и равномерно заполняет формы для слитков. Сплавы выпускают в виде слитков плоской и круглой формы. Слитки обрабатывают прокаткой или прессованием.

В результате получается широкий ассортимент металлопроката:

Применение бронзы

Бронза используется в современном машиностроении, ракетной технике, авиации, судостроении и других отраслях промышленности. Благодаря устойчивости к механическому истиранию и высокой коррозионной стойкости бронзовая продукция применяется для изготовления деталей машин и приборов, участвующих в подвижных узлах в процессе трения. Детали из бронзы требуют периодической замены, то есть являются расходными. Из безоловянных бронзовых сплавов изготавливают прокат для составляющих химических приборов, регулирующей арматуры отопительных систем и трубопроводов другого назначения.

Бронзу используют для литья скульптур и памятников, так как материал долговечен, не подвергается атмосферным влияниям и устойчив против механических повреждений. Изделия высокохудожественных форм в театрах, дворцах, залах (люстры, торшеры, канделябры) также изготавливаются из бронзы.

Бронза: состав сплава, свойства и применение

С незапамятных времён человечество добывало бронзу. Множество археологических раскопок, в которых были найдены древнейшие артефакты — изделия из бронзы, подтверждают распространение этого сплава в далёком прошлом.

Её использовали как в военных целях — для изготовления холодного оружия, пушек и ядер для них, так и для создания прекрасных произведений искусства — ювелирных украшений и скульптур.

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.

Особенности бронзы и свойства

Основные свойства всех бронзовых сплавов — это пластичность и твёрдость. В зависимости от соотношения основных и дополнительных компонентов, можно получать большое разнообразие новых свойств. Кроме того, количество меди в сплаве определяет его цвет.

Так, золотистая бронза получится, если в составе сплава будет около 85% меди, а при уменьшении её количества до 50% получится сплав, имеющий серебристый цвет. Уменьшение же количества меди до 35% и ниже приведёт к получению на выходе серой и даже чёрной бронзы, а увеличение количества меди до 90% и выше приведёт к образованию красной бронзы.

Одной из старых марок бронзовых сплавов является колокольная бронза, применяемая и поныне для литья колоколов. Она содержит 20% олова и 80% меди. Её недостаток — повышенная хрупкость из-за наличия в сплаве большого содержания олова.

Как уже было упомянуто выше, наиболее используемыми являются сплавы меди и олова с добавлением небольшого количества других компонентов. Широкое применение таких сплавов обусловлено, прежде всего, исторически сложившимися причинами, которые привели к вытеснению мышьяковой бронзы из производства.

Такими причинами являются следующие:

выработка за многие века месторождений теннантита и других блёклых руд, богатых медью и мышьяком. Такие руды были наиболее удобны для выделки мышьяковой бронзы, так как залегали не очень глубоко, что делало процесс производства более дешёвым по сравнению с другими источниками меди и мышьяка;
высокая токсичность производства такой бронзы, вызванная наличием в месторождениях мышьяка, что с неизбежностью приводило к потере здоровья и дальнейшей способности трудиться у опытных металлургов и кузнецов;
непригодность металлургического брака и сломанных изделий из мышьяковой бронзы для дальнейшей переплавки на сортовой металл. В лучшем случае такие изделия шли на изготовление бижутерии или неответственных деталей.

Пришедшие на смену мышьяковым бронзам сплавы меди и олова хоть и отличались большей дороговизной производства, но были экономически предпочтительны, так как развитие гужевого транспорта и налаживание вследствие этого торговых связей между городами и странами приводило к увеличению импорта немышьяковой бронзы.

Виды бронзы и характеристики

Развитие же крупного промышленного производства вообще привело к тому, что оловянные бронзы стали чуть ли не самым массовым видом бронз. И лишь в последние сто лет этот вид стали вытеснять сплавы меди с заменителями олова, такие как алюминиевые, кремниевые и, особенно, бериллиевые бронзы.

Таким образом, существуют следующие виды:

безоловянная. К ней относят бронзу, в которой вторыми компонентами являются алюминий, кремний, бериллий и другие металлы и неметаллы. Каждый из этих компонентов придаёт ей особые свойства. Например, алюминий наделяет сплав повышенными антифрикционными свойствами и высокой коррозионной устойчивостью, бериллий повышает прочность и твёрдость, а кремний и цинк улучшают её текучесть и устойчивость к истиранию;
оловянная. Медно-оловянный сплав, в котором медь преобладает. Является одним из первых, освоенных человеком. Обладает высокой, по сравнению с чистой медью, твёрдостью и прочностью, а также более легкоплавка. В таких сплавах олово всегда является вторым по количеству после меди и основным легирующим компонентом.

Третьими же по количеству являются такие дополнительные компоненты, как мышьяк, цинк и свинец. Этот металл из-за очень низкой усадки в основном предназначается для литья, так как с трудом поддаётся обработке давлением, резанию и заточке. Даже склонность к ликвации и низкая текучесть не мешают использовать этот сплав для изготовления конфигурационно-сложных отливок, в том числе и в художественном литье.

Бронза с добавлением цинка носит название «адмиралтейской» и используется для изготовления деталей, имеющих частый или постоянный контакт с морской водой (судостроение). Такая особенность связана с тем, что цинк придаёт сплаву повышенную коррозионную стойкость в указанной среде.

Однако, для придания бронзе коррозионной стойкости в солёной морской воде её всё чаще обогащают алюминием и никелем. Такие сплавы, часто называемые «морскими», идут на изготовление элементов нефтяных платформ, работающих на морских и океанских шельфах.

Чтобы придать бронзе дополнительные характеристики, в неё легируют небольшие количества фосфора, серебра, цинка, мышьяка, марганца и других компонентов. Так, внесение небольшого количества серебра повышает электропроводность бронзы и делает её сравнимой с электропроводностью меди.

Области применения и маркировка

Существуют специальные таблицы, в которых приводятся маркировки и описания всех бронзовых сплавов, выпускаемых промышленностью. Однако, даже не обращаясь к подобным таблицам, можно определить тип и химический состав, если знать, как расшифровывается её маркировка.

По простой маркировке можно узнать их состав. Характерным её признаком в обозначении являются буквы «Бр», что означает «Бронза».

Далее за ними следуют буквы, обозначающие, помимо меди, наличие соответствующих компонентов. Эти буквенные обозначения, установленные нормативными документами, следующие: А — алюминий, Б — бериллий, К — кремний, Ж — железо, Н — никель, Мц — марганец, Мг — магний, С — свинец, О — олово, Т — титан, Ф — фосфор, Ц — цинк.

После буквенных обозначений через дефисы идут числа, обозначающие процентное содержание каждого компонента (после меди). А также применяются обозначения, в которых после каждой буквы указывается процентное содержание того или иного компонента. Чтобы узнать содержание меди, нужно из 100% вычесть процентное содержание всех компонентов.

Вот примеры маркировок и их расшифровок: БрО5Ц6С5 — бронзовый сплав, в котором содержание олова составляет 5%, цинка — 6%, свинца — 5%, меди — 84%; БрО3Ц8С4Н1 — содержание олова — 3%, цинка — 8%, свинца — 4%, никеля — 1%, меди — 84%; БрО10Ф1 — содержание олова — 10%, фосфора — 1%, меди — 89%; 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 самое широкое применение в различных сферах. Из него изготавливают следующие изделия:

элементы декора (светильники, статуэтки, подсвечники, пепельницы, решётки, украшения перил и прочие);
различную фурнитуру (замки, ручки, накладные петли, краны, смесители и прочую сантехнику);
детали машин и механизмов (втулки, уплотнители, шестерни, подшипники, части аппаратуры, работающие под водой);
детали для высокоточной техники, навигационных приборов, схем автомобилей;
многочисленные фитинги (отводы, углы, переходники, муфты, тройники и прочее);
в незначительном количестве ювелирные украшения.

Бронза широко применяется в ракетной технике и машиностроении, авиации и судостроении. Из неё делают предметы высокохудожественного искусства для театров, залов и дворцов, отливают памятники и скульптуры.

Благодаря развитию металлургии, этот металл приобретает всё новые и необычные свойства, недоступные кузнецам и металлургам прошлого. Изобретённый древними, сплав продолжает исправно служить человечеству и прогрессу на протяжении многих и многих веков.

Классификация и маркировка бронзы

Под бронзой следует понимать металлический сплав, в основе которого лежит медь, а к ней добавляются легирующие компоненты, повышающие твердость готового материала. В виде лигатуры чаще всего применяют олово, хром, свинец, никель, алюминий и другие металлы. Физические свойства бронзового сплава, а также его цвет и твердость будут иметь различные характеристики, которые зависят от процентного состава компонентов лигатуры.

Бронза, имеющая выраженный красный оттенок, состоит из повышенного количества меди, а если у сплава получился сероватый оттенок стали, значит, содержание меди в нем снижено до 30-35%. Бронза является востребованным материалом, который применяется в различных хозяйственных и промышленных сферах.

Особенности

Бронзовый сплав состоит из меди и лигатуры, которая может быть как в виде металлов, так и неметаллов – от этого состава и зависят марки бронзы. Путем технологических экспериментов и научных исследований найдены оптимальные соотношения между бронзовой основой и ее компонентами. В качестве добавок чаще всего применяются:

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

По историческим свидетельствам, первый бронзовый материал был создан еще 3000 лет назад и состоял он из меди и олова. В небольших пропорциях олово придает переплавленному веществу твердость, гибкость и облегчает сам процесс плавления. Такие свойства олово проявляет, если его концентрация в материале не превышает 4-4,8%. Если взять олова около 5% и более, готовый сплав потеряет свою гибкость, а при концентрации олова более 20% полученный материал будет хрупким. Если в переплавку к меди добавить бериллий, то на выходе получится твердый материал, обладающий физической и химической повышенной стойкостью.

Изделия из такого металлического сплава можно резать или сваривать при помощи любого вида сварки.

При сочетании меди с кремнием и цинком у готового материала будет хорошая пластичность, что отлично подойдет для литья изделий. Готовая продукция имеет повышенную износостойкость и не искрит при механической обработке. Кроме того, бронза с лигатурой из кремния и цинка имеет высокий уровень сопротивления температурному сжатию металла.

Если же к меди добавить свинец, то получится металл, обладающий противокоррозионными качествами, устойчивый к скольжению и трению, прочный и плохо поддающийся плавлению.

Сочетая медь с алюминием, можно получить материал, у которого будет высокая плотность, пониженный показатель скольжения, повышенная стойкость к образованию ржавчины и стойкость к химическим агрессивным средам. Такой металл пригоден для резки. Если же к меди добавить фосфор, то в совокупности с некоторыми другими составами лигатуры этот ингредиент позволит снизить кислотные показатели сплава.

Когда к меди добавляются любого вида лигатуры, у нее в значительной мере ухудшается такое свойство, как способность проводить тепло. Чем больше лигатуры в составе сплава, тем хуже у него показатель уровня теплопроводности.

Что касается внешнего вида бронзового сплава, то при содержании в нем до 90% меди металл будет иметь красный оттенок, а при содержании меди до 85% материал получится с желтым оттенком.

Замечено, что если сплав состоит из меди только на 50%, то материал из него будет белого стального цвета, а чтобы получить черную окраску, концентрацию меди снижают до 35%. С течением времени все медные материалы меняют свою окраску: она темнеет под действием перепадов температур, кислот, солей, щелочей различной концентрации.

Основная классификация сплавов

В соответствии с тем, сколько компонентов входит в состав бронзового сплава, бронзу условно подразделяют на двухкомпонентную (металл и лигатура, состоящая из 1 компонента) или многокомпонентную. Кроме того, бронзовые материалы делятся на безоловянные и оловянные составы. Безоловянные составы не содержат олова. Их классификация делается с учетом того, какой именно металл вместо олова выполняет функцию лигатуры.

Оловянные

Добавляя к меди олово, можно получить литейный сплав. Но, помимо высокого показателя плавкости, этот состав обладает и хорошей твердостью. Нередко в такой металл добавляют еще цинк, свинец и фосфор. Подобная лигатура наделяет готовый материал стойкостью к коррозии и делает его еще более пригодным для плавильно-литейных работ.

В оловянном сплаве фосфор выступает в роли раскислителя металла, а цинк снижает себестоимость материала из-за своей небольшой цены, причем на характеристики получившегося металла он особого воздействия не оказывает. В целях экономии в оловянные сплавы допускается включать до 10% цинка. Марки бронзы с содержанием олова являются подходящим вариантом для выполнения механических обработок и полировки. Готовые изделия из оловянных марок будут очень износоустойчивыми.

Бронзовый сплав, который содержит в себе до 8% примеси олова, применяют для штамповочных работ, прокатки и ковки. Из такого материала делают проволоку, прутки различной формы, а также листовой прокат. Сплав, где олово занимает до 20% в виде лигатуры, применяется для изготовления литых изделий. В процессе литья такая бронза полностью заполняет форму и обладает при этом незначительной долей усадки. Подобный материал позволяет изготавливать сложные фасонные изделия, а также предметы художественной значимости.

Кроме того, оловянистую бронзу применяют для изготовления узлов и механизмов, которые будут работать в морской воде.

Алюминиевые

В сплавах бронзы часто применяют алюминий. Лигатура содержит от 6 до 12% такого материала. Бронзовые алюминиевые сплавы могут состоять из одного компонента (алюминия) или же многих добавок, когда в сплаве также присутствуют железо, никель и марганец. Добавление алюминия к бронзе снижает плотность готового материала, поэтому облегченный сплав нашел широкое применение в кораблестроении и авиакосмической промышленности.

Материал с добавлением алюминия имеет большую прочность при трении, поэтому сплав также используют для изготовления деталей для станков, узлов теплооборудования, автодорожных машин.

Кремнистые

К бронзе в пропорции от 3 до 5% может быть добавлен кремний. Готовый сплав превосходит по своим антикоррозийным свойствам оловянные сплавы, а также имеет высокие показатели механической устойчивости и упругости. Кроме того, сплавы с кремнием не намагничиваются и хорошо поддаются электросварке и пайке.

Готовые изделия из меди с кремнием имеют высокие показатели стойкости к агрессивным химическим средам в виде кислот и щелочей, а также к газам. Такой материал применяют для изготовления газопроводных магистралей или сточной системы водопровода.

Кремнистая бронза может быть дополнительно легирована марганцем.

Марганцевые

В различных сферах промышленности востребован бронзовый сплав, содержащий в своем составе марганец: от 4 до 5%. Материал имеет характерные особенности: высокую прочность, гибкость и антикоррозийную устойчивость. Из таких сплавов делают детали для различных механизмов. При содержании марганца в бронзовом сплаве более 1%, твердость материала увеличивается, но снижается вязкость и плавкость вещества.

Кроме того, сплавы с марганцем плохо поддаются сварке.

Свинцовые

При добавлении к меди свинцового компонента получается высокопрочный, устойчивый к истиранию сплав. Его применяют при изготовлении подшипников, которые вращаются длительное время, под большим давлением и при больших скоростных режимах. Бронзу со свинцовой лигатурой используют для изготовления деталей аппаратов, работающих в агрессивных химических средах, материал применяют для защиты от радиационного излучения, при изготовлении боеприпасов, стекла, в качестве различных красящих пигментов типографской краски.

Бериллиевые

Добавление бериллия к меди образует бронзовый сплав, у которого отмечают повышенные характеристики прочности, гибкости и текучести. Кроме того, материал обладает хорошей электропроводностью и является проводником тепла. Сплав устойчив к коррозии, из него выпускаются изделия в виде пружин и сложных механизмов, материал применяют в электротехнике при изготовлении оптоволоконной продукции и микросхем.

Бронзовый сплав с бериллием позволяет выполнять из него мельчайшие детали, которые могут быть использованы в приборостроении, компьютерной и телефонной технике, мультимедийных устройствах и так далее. Норма содержания бериллия в сплаве колеблется в пределах 0,7-2,5%.

После специальной термической обработки сплав закаляется, что придает ему свойства повышенной твердости.

Маркировка

С целью отличия сплавов из бронзы друг от друга была введена определенная их маркировка. А также существуют специальные таблицы технического назначения, по которым технолог может определить, какой именно марки бронзу ему применять для выполнения той или иной задачи, уточнить табличные данные о составе сплава, его физико-химических свойствах и возможностях применения.

Друг от друга существующие марки бронзы отличаются составом лигатуры в процентном соотношении к меди. Маркировка бронзовых сплавов имеет буквенное и цифровое обозначение. Например, расшифровка такой марки может означать, что буквы в названии будут соответствовать химическим элементам, а цифры сообщат о долях процентного содержания лигатуры. По ГОСТу, цифровые данные не содержат указаний о содержании в сплаве меди, поскольку понятно, что она является основным компонентом.

А вот все нормы лигатуры должны соответствовать установленным государственным стандартам.

Бронзовый сплав маркируется аббревиатурой Бр. Далее идет буква, указывающая основной компонент лигатуры, а затем и остальные составляющие части. Что касается цифр, то они расположены в порядке их убывания, указывая на процентное соотношение лигатурных компонентов. Например, бронза марки БрАЖН 10-4-5 – это сплав из меди с алюминием, железом и никелем. Причем алюминия в составе сплава находится 10%, железа – 4%, никеля – 5%. Всю остальную часть занимает медь.

Когда марка бронзового сплава неизвестна, материал подлежит химическому и физическому анализу. Точные данные нужны для работников, которым требуется определить вес заготовки через удельный вес сплава. На каждом сталеплавильном производстве имеется своя техническая лаборатория, которая и помогает решить задачи подобного рода.

Бронза - что за металл и где используется - смотрите в видео ниже.

Читайте также: