Бронза: особенности древнейшего сплава в истории человечества

Что такое бронза

Бронза – сплавы меди, где основным легирующим компонентом могут выступать различные металлы и неметаллы. Свойства сплавов заметно зависит от соотношения компонентов и их качеств, а также фазового состава расплава.

Металл обладает массой превосходных свойств как пользовательских, так и декоративных. И сегодня мы рассмотрим состав сплава, виды, марки бронзы и их применение, краткое описание свойств материала и его характеристики, а также отличие бронзы от латуни.

Хотите расплавить бронзу для изготовления изделий? Тогда это видео вам поможет:

Понятие и особенности

Самый древний из известных составов включает в себя медь и олово, а также другие компоненты, содержание которых незначительно. Маркируется сплав в соответствии с составом, при этом доля меди не указывается, но может быть вычислена по содержанию других компонентов.

Так, марка БрАМЦ-7-1 означает, что речь идет о бронзе, в которой содержится 7% алюминия и 1% марганца. Соответственно, меди в сплаве содержится 92%, а олова нет вовсе, то есть, это марка безоловянной бронзы.

В зависимости от количества примесей сплав может иметь разный цвет. Материал, где доля меди составляет более 90%, имеет красноватый цвет, до 85% – желтый, а сплав с долей меди в 35% отличается серо-стальным цветом.

Но, что гораздо важнее, соотношение компонентов определяет свойства сплава. Так, красная бронза с долей олова в 2% отличается очень высокой пластичностью, ее можно ковать при нормальной температуре. А материал, содержащий 15% олова, становится твердым и прочным: в древности такой сплав использовали для изготовления оружия.

Эти свойства – пластичность и твердость в зависимости от сочетания ингредиентов и определили две самые важные исторические сферы применения сплава – искусство и война. Из бронзы отливали холодное оружие, пушечные ядра, сами орудия. Но она же использовалась для создания прекраснейших скульптур и украшений, составляющих достояние всего мира.

Современные сплавы имеют состав более сложный и включают самые необычные компоненты. Таким образом получают сплавы, пригодные для самых разных целей – от электротехники до водопроводов. Общее их свойство – основой остается медь.

2 медных сплава, однако, к бронзе отношения не имеют: это латунь – сплав меди с цинком, и мельхиор – с никелем. Латунь заметно уступает бронзам по коррозионной стойкости и твердости. Это сплав пластичный и сохраняет превосходную ковкость при самых разных составах. И если в искусстве предпочтение отдается бронзе, то в ювелирном деле латунь выигрывает.

Плюсы и минусы

Столь давняя известность и длительное использование материала может объясняться только массой его превосходных качеств. А также возможности эти качества изменить, используя в качестве легирующей добавки другой компонент.

• Разнообразие – одно из лучших свойств материала. Оловянные, алюминиевые, серебряные, бериллиевые бронзы применяются чрезвычайно широко в самых неожиданных сферах, поскольку добавка других металлов придают составу совершенно другие качества. Так, большинство бронзовых сплавов относительно плохо проводят электричество. Чего нельзя сказать о серебряной бронзе: при доле в какие-то 0,25% серебра сплав проводит ток не хуже меди.
• Бронзовые составы могут быть литьевыми и деформируемыми. То есть, для определенных целей можно получить сплав, подвергающийся холодной ковке – деформация при нормальной температуре, и сплав, который можно отливать.
• Бронзовые отливки дает минимальную усадку – от 0,5 до 1,5%. Это свойство объясняет популярность материала не только среди скульпторов, но и в сфере приборо- и станкостроения.
• Бронза – материал, который можно использовать и второй раз, и третий, и четвертый. Сплав отлично переносит повторные плавки.
• Сплав безопасен. Если при изготовлении его некоторые компоненты могут быть опасными – бериллий, например, то готовый материал совершенно нетоксичен.
• Она отличается исключительной коррозийной стойкостью: ни городской загазованный воздух, ни морская вода не вызывают деформации материала или снижения его качеств. Даже действию большинства кислот бронза не подвержена, поэтому часто используется при изготовлении кислотоупорной аппаратуры.
• Еще одно интересное качество многих сплавов – высокая упругость. Материал применяют при изготовлении разнообразных высокоточных пружин, отличающихся долговечностью.

К недостаткам сплава можно отнести его стоимость. Медь, а тем более олово – металлы хотя относительно распространенные, но дорогие в получении. Другие виды бронз – алюминиевая, например, стоит намного меньше, поскольку легирующим компонентом выступает более доступный по стоимости материал.

Можно назвать недостатком и низкую теплопроводность большинства сплавов. Однако это качество тоже нашло применение – при изготовлении аксессуаров для ванной или самих ванн и умывальников.

Разновидности

Различают бронзы по нескольким признакам, указывающим на состав и на более характерные свойства.

По составу выделяют:

• оловянные – сплавы могут быть двух- и многокомпонентными. Однако олово здесь остается вторым по массе ингредиентом;
• безоловянные – все остальные: алюминиевая, бериллиевая, кремниевая, свинцовая и так далее. Каждый из компонентов придает бронзе какие-то свойства. Так, бериллий обеспечивает материалу исключительную упругость и очень высокую износостойкость, а добавка кремния обеспечивает антифрикционные свойства.

По применению различают бронзы такие:

• деформируемые – сплавы легко поддаются ковке, их можно прокатывать, ковать, резать;
• литьевые – изделия получают методом литья, поскольку деформируется она только при высокой температуре. Из сплава получают отливки самой сложной конфигурации.

Более специфическое разделение бронз связано со структурой:

• однофазные – компоненты в твердом растворе образуют одну какую-то фазу;
• двухфазные в растворе появляются 2 фазы, что приводит обычно к радикальной смене свойств.

Про основные свойства, механические характеристики бронзы и отличие химического состава данного металла от латуни читайте ниже.

Соответствие марок оловянных бронз по ГОСТ 613-79 и замененного ГОСТ 613-65

Свойства и характеристики

Более распространены в народном хозяйстве оловянные бронзы. Как правило, при описании свойств указывают параметры литьевых оловянных, поскольку этим способом получают большее количество изделий.

К основным техническим характеристикам сплава относят следующие качества:

• плотность – определяется массовой долей олова. Так, при его содержании от 8 до 4%, плотность изменяется от 8,6 до 9,1 кг/куб. см;
• в зависимости от состава сплава температуры плавления его изменяется от 880 до 1060 С;
• оловянная бронза тепло проводит плохо – от 0,098 до 0,2 кал/(см*с*С);
• теплоемкость составляет в среднем 0,385 кДж / (кг*К);
• электропроводность большинства бронз тоже не слишком велика и значительно меньше, чем у меди: величина удельного электросопротивления составляет 0,087– 0,176 мкОм*м;
• материал очень медленно корродирует и на воздухе, и при контакте с водой. Так, скорость коррозии на воздухе составляет 0,002 мм/год, а в морской воде – 0,04 мм в год.

О том, какие металлы и что еще входит в состав бронзы, какова ее формула и хим. содержание, узнаете ниже.

О том, как покрасить металл «под бронзу», расскажет данное видео:

Физические свойства оловянных бронз, обрабатываемых давлением

Структура и состав

• Свойства сплава – от цвета до жидкотекучести в расплавленном виде, зависят от двух главных факторов: качественного состава бронзы и его структуры. Качественный состав – это набор металлов или неметаллов, участвующих в создании сплава в ощутимом значимом количестве. Причем последнее определяется не собственно массой или объемом вещества, а выраженностью тех свойств, которые он создает. Добавка всего лишь 0,25% серебра значительно увеличивает электропроводность, а чтобы получить антифрикционные свойства добавить нужно не менее 4% кремния.

Состав указывается на маркировке, что позволяет правильно подобрать материал для тех или иных работ.

• Второй фактор менее известен – это структура сплава или твердого раствора. Дело в том, что в меди может раствориться только 15,8% олова, в то время как в сплаве его может быть заметно больше. Это и обуславливает появление сплавов с разной фазовой структурой. Однофазные – доля олова не превышает 6–8%, здесь существует только одна α-фаза. Такой состав отличается эластичностью и высокой ковкостью. Причем в бронзу с содержанием олова до 2%, можно ковать на холоде без нагрева, а с содержанием металла до 8% – при нагреве.
• Двухфазные – при превышении доли олова в 15%, то есть максимума растворимости, в твердом растворе появляются 2 фазы. При этом такое качество, как ковкость совершенно исчезает, а сплав начинает набирать твердости и некоторой хрупкости. Такой сплав используют для литья.

Дополнительные элементы, влияющие на свойства, на фазовый состав оказывает малое влияние.

Полосы и ленты холоднокатаные из оловянных бронз. Механические свойства

Производство материала

Бронзу получают из чистых металлов или сплавов в чушках. Второй более распространен, так как дешевле и позволяет получить любые литьевые бронзы.

1. Первым этапом является добыча меди и олова на месторождениях. Олово содержится в касситеритах, станнинах и так далее. Медь более распространена: ее добывают из самородной меди и множества минералов – халькопирита, борнита, халькозина. Выделяют металл несколькими разными способами, из которых пирометаллургический, то есть, окислительный отжиг и огневое рафинирование, является наиболее распространенным.
2. Затем рассчитывают состав шихты: это зависит от состава будущего изделия и от метода получения – из вторичных сплавов, из металла и вторичных сплавов и так далее.
3. Сама по себе плавка, например, из чушек, включает несколько этапов:
   загрузка– материал загружают в просушенные и нагретые графито-карборудные или графито-шамотные тигли. Лучше всего подходят электрические и электродуговые печи, так как с их помощью можно осуществить плавку как можно быстрее. Это важно, поскольку при сплавлении металлов велика вероятность поглощения газов расплавом;
4. расплавление – в первую очередь плавят медь, а затем добавляют различные компоненты, улучшающие механические свойства сплава, и основные легирующие добавки;
5. перегрев – расплав прогревают до 1200 С под слоем древесного угля. Если исходные металлы загрязнены, применяют жидкие солевые флюсы;
6. дегазация – расплав очищают от газовых примесей путем продувки аргоном или азотом.
7. Из готового сплава получают отливки. Чаще всего для этого используют литниковые системы. Литье производится в глиняные или металлические формы. Возможно получение отливок способом центробежного литья.

В 2016 году отмечен рост цен на медь – до 4%, и олово – до 10,3%. Соответственно, повышается стоимость продукции из бронзы и бронзового лома. Последний в октябре имел стоимость от 190 до 210 р. за кг.

Цена продукции – пруток, отливка, лист, зависит от состава сплава. Так, пруток разной марки можно приобрести и за 308, и за 803 р. за кг.

Далее затронута маркировка и применение бронзы.

Оловянными бронзами называют сплавы меди с оловом (рис. 1), а также более сложные медно-оловянные сплавы с добавками фосфора, цинка, свинца, никеля и других элементов. Химический состав оловянных бронз приведен в табл. 1.

Рис. 1. Диаграмма состояния системы Cu-Sn
Химический состав оловянных бронз (ГОСТ 5017-2006) (массовая доля, %)

Механические свойства

С увеличением содержания олова возрастает прочность и твердость оловянных бронз; при этом понижается пластичность и ударная вязкость (рис. 2).

Рис. 1. Влияние содержания олова на механические свойства оловянных бронз

Временное сопротивление достигает максимальных значений при 10…12% Sn. Твердость и предел текучести увеличиваются и при большем содержании олова, однако при этом относительное удлиннение и ударная вязкость уменьшаются. Оловянные бронзы с содержанием до до 10% Sn (см. табл. 1) с добавками фосфора, цинка или свинца могут пластически деформироваться.

Легирующие элементы в оловянных бронзах

Фосфор считается легирующим элементом, если его содержание в оловянной бронзе превышает 0,1%.

Введение фосфора в оловянные бронзы преследует несколько целей. Во-первых, он раскисляет медь. В нераскисленных оловянных бронзах кислород может присутствовать в виде оксида SnО2. Это очень твердое и хрупкое соединение резко снижает технологические и эксплуатационные свойства оловянных бронз. Во-вторых, фосфор повышает прочностные свойства. В бронзах с небольшим количеством олова фосфор повышает сопротивление износу из-за появления в структуре твердых дисперсных частичек фосфида меди Cu3Р. Однако фосфор ухудшает технологическую пластичность оловянных бронз, поэтому в деформируемых сплавах его содержание должно быть строго регламентировано.

Оловянные бронзы при содержании фосфора 0,5% и более легко разрушаются при горячем деформировании из-за расплавления фосфидной эвтектики (α+ Cu3Р); максимальное содержание фосфора в оловянных бронзах, обрабатываемых давлением, составляет 0,4% (см. табл. 1). При таком содержании фосфора деформируемые оловянные бронзы обладают оптимальными механическими свойствами, имеют повышенные значения модуля нормальной упругости и предела упругости, а также высокое сопротивление усталостному разрушению. Оловянно-фосфористые бронзы Бр0Ф6,5-0,15, Бр0Ф6,5-0,4, Бр0Ф7-0,2 и Бр0Ф8-0,3 близки по химическому составу, отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами.

Бронза Бр0Ф6,5-0,15 обладает после деформации высокой прочностью и упругостью и применяется для изготовления пружинящих деталей приборов. Бронзу БрОФ6,5-0,4, учитывая высокую износостойкость, применяют для изготовления сеток в целлюлозно-бумажной промышленности. Бронза Бр0Ф7-0,2 имеет высокие механические свойства при комнатной и повышенных температурах и, в основном, применяется в виде прессованных прутков.

Износостойкость бронзы можно повысить путем холодной деформа­ции Бронза БрОФ8-0,3 по совокупности прочностных свойств и износостойкости превосходит бронзу БрОФ7-0,2.

Для повышения прочностных свойств оловянные бронзы, не содержащие фосфора, легируют цинком в больших количествах, но в пределах его растворимости в α-фазе.

Бронза БрОЦ4-3 отличается хорошими механическими коррозионными свойствами; ее применяют в электротехнической промышленности, машиностроении, приборостроении и точной механике для изготовления пружин, арматуры и других деталей. Бронза хорошо деформируется в горячем и в состоянии.

В оловянные бронзы цинк часто вводят совместно со свинцом (см. табл. 1). Свинец практически нерастворим в оловянных бронзах в твердом состоянии. Структура оловянно-цинково-свинцовых бронз БрОЦС4-4-2,5 и БрОЦС4-4-4 состоит из кристаллов α-твердого раствора и включений свинца. Свинец улучшает антифрикционные свойства и повышает обрабатываемость резанием оловянных бронз. Однако механичес­кие свойства оловянных бронз под влиянием свинца заметно понижаются.

Бронзы БрОЦС4-4-2,5 и БрОЦС4-4-4, содержащие свинец, обрабатывают давлением только в холодном состоянии, так как из-за присутствия в структуре этих сплавов легкоплав­кой эвтектики, состоящей практически из чистого свинца, горячая обработка давлением невозможна. Эти бронзы имеют высокие антифрикционные свойства, коррозионностойки, хорошо обрабатываются резанием; из них изготавливают ленты и полосы, а также применяют в качестве прокладок в подшипниках и втулках.

Важным легирующим элементом в оловянных бронзах является никель, повышающий прочностные свойства, пластичность и деформируемость оловянных бронз, их коррозионную стойкость, измельчающий зерно из-за образования интерметаллидов Ni3Sn2 и Ni3Sn. Эти фазы имеют переменную, резко уменьшающуюся с понижением температуры растворимость в α-твердом растворе, поэтому оловянные бронзы с никелем термически упрочняются закалкой и старением.

Важным показателем деформируемых оловянных бронз является высокая усталостная прочность в коррозионных средах. Усталостная прочность растет при увеличении содержания олова до 4%, а далее увеличивается в меньшей степени.

Термическая обработка.

Гомогенизационный, промежуточный и окончательный отжиги являются основными видами термичес­кой обработки оловянных бронз с целью повышения их пластичности. Температуры горячей деформации и отжига деформируемых оловянных бронз приведены в табл. 2.

Оловянные бронзы являются сплавами меди, которые для получения качественной деформированной продукции нуждаются в проведении гомогенизационного отжига. В сплавах системы Cu—Sn из-за большого интервала кристаллизации (см. рис. 1) составы жидкой и твердой фаз значительно отличают ся друг от друга, что способствует дендритной ликвации. Последующий нагрев слитков под горячую обработку давлением и пластическая деформация не могут полностью устранить химическую неоднородность твердого раствора в оловянных бронзах.

В результате гомогенизационного отжига оловянных бронз повышается однородность их структуры; неравновесные интерметаллидные фазы растворяются в твердом растворе, выравнивается химический состав по сечению кристаллитов в слитке. Гомогенизационный отжиг слитков из оловянных бронз проводят при температурах 700…750°С с последующим быстрым охлаждением. Температура и время отжига должны быть достаточными для устранения последствий ликвации. Промежуточный и окончательный отжиги при холодной обработке давлением проводят при температурах 500…650°С; при этом полностью устраняется наклеп, вызванный холодной пластической деформацией оловянных бронз (рис. 3).

Коррозионные свойства.

Оловянные бронзы обладают хорошей коррозионной стойкостью; скорость коррозии бронз, содержащих 5…8% Sn, не превышает 0,002 мм/год.

В морской воде оловянные бронзы более коррозионностойки, чем медь и латуни, при этом стойкость бронз повышается с увеличением содержания олова. Никель также повышает коррозионную стойкость оловянных бронз в морской воде, а свинец при высоком содержании — понижает.

Скорость коррозии в морской воде деформируемых оловянных и некоторых литейных бронз оставляет(мм/год):

Оловянные бронзы неустойчивы в среде минеральных кислот, щелочей, аммиака, цианидов, железистых и сернистых соединений кислых рудничных вод. Из минеральных наибольшее влияние на оловянные бронзы оказывают соляная и азотные кислоты; серная в этом отношении является менее агрессивной. Однако скорость коррозии оловянных бронз под действием серной кислоты увеличивается в присутствии окислителей (К2Cr2О7, Fe2(S04)3 и др.). В присутствии ингибиторов, например, 0,05% бензиотиоцианита, скорость коррозии оловянных бронз умень­шается в 10…15 раз.

Физические, механические и технологические свойства деформированных оловянных бронз приведены в табл. 2 — 6. Области применения продукции из оловянных бронз приведены в табл. 7.

Область применения

Бронзовые сплавы, благодаря разнообразию своих свойств, находят самое разное применение.

• Самое известное – материал для скульптур и множества декоративных предметов: статуэток, пепельниц, светильников, решеток, украшения перил и прочего. Литьевая бронза позволяет получить самые сложные отливки, передающие буквально поры кожи.
• В ювелирном деле материал применяется заметно реже, хотя раньше составлял едва ли не основу женских украшений.
• Бронзовая фурнитура – накладные петли, замки, ручки, краны, смесители и даже сантехника. Сплав обеспечивает не только исключительную долговечность и стойкость к коррозии предметов, но и позволяет превратить их в изящнейший элемент декора.
• Из литейной бронзы разного состава получают множество деталей – шестерни, втулки, уплотнители, части аппаратуры, предназначенные работать под водой.
• Деформируемые бронзы находят применение в высокоточной технике.
• Другие виды сплавов используются в тех областях, где привычная оловянная бронза не применяется. Так, например, бериллиевая бронза обладает куда более высокой тепло- и электропроводностью, а потому активно используется в электротехнике.

Сплав превосходно показывает себя в условиях переменных динамических нагрузок. Поэтому из бериллиевой бронзы изготавливают детали навигационных самолетных приборов, схем автомобилей и прочее.

• Еще одно всем известное применение – фитинги самого разного рода. Для более активного использования в водоснабжении бронза является чересчур дорогостоящим материалом, однако наиболее ответственные узлы, а также многочисленные крепления изготавливают из медного сплава, поскольку он отличается чрезвычайной стойкостью к коррозии и подавляет активность бактерий.

Бронзы – самый старинный и известный сплав в истории человечества. Разнообразие его состава и свойств обеспечивает ему и сегодня самое широкое распространение.

О том, как отчистить изделия из бронзы, расскажет данный видеосюжет:

Применение бронзовых деталей в электротехнике

Благодаря присущим характеристикам различные марки бронзовых сплавов применяются для производства широкого перечня электротехнических деталей:

• Элементов телекоммуникационных приспособлений, оптоволоконных систем и других электронных устройств.
• Деталей интегральных схем, пружинных контактов, штепсельных разъемов.
• Сварочного оборудования и расходных материалов (стержней, сварочной проволоки, электродов машин для контактной сварки и т.д.).
• Комплектующих для компьютерной техники и смартфонов.
• Контактных проводов и коллекторных пластин.
• Ножей рубильников, скользящих контактов.
• Щеткодержателей для электродвигателей или генераторов.
• Токопроводящих жил повышенной прочности.
• Обмоток роторов турбогенераторов.

Сочетание некоторых свойств (упругости, прочности, низкого удельного сопротивления и других) делает бронзовые сплавы оптимальным материалом для изготовления широкого спектра электротехнической продукции.