Все что нужно знать о бронзе за 11 минут

Бронзой называют известный уже 7 тысяч лет сплав меди с другими химическими элементами, это металлургическое решение универсально по сфере применения и имеет практичные свойства. О том, как она производится и где применяется, расскажет наша статья.

Что такое бронза

Бронза (или бронзовый сплав) — это сплав меди с различными присадками. Он представляет собой материал, из которого делали множество предметов быта. Применяют его также для таких изделий как дверные ручки, посуду, украшения, оружие, монеты, колокола и скульптуры. Кое-что из перечисленного продолжают создавать и сегодня – благодаря качественному сочетанию эксплуатационных свойств и доступности сплава.

Она имеет цвет от ярко-желтого (но не такого как у золота, с меньшей глубиной и без блеска поверхности) до красноватого.

Бронза – это смесь или чистое вещество

Состав бронзы – всегда несколько компонентов: основа – медь и олово, добавки – другие металлические и неметаллические вещества включая мышьяк.

Характеристики и внешний вид сплава полностью зависят от его химического и фазового состава. Количество легирующих элементов допускается до 2,5%, чаще всего это железо, алюминий, цинк, бериллий, хром, фосфор, кремний и т.д.

«Чистую» смесь цинка и меди называть бронзой нельзя – это латунь.

Структура и состав сплава

Состав сплава имеет определенные соотношения – не все случайные смеси схожего вида являются именно бронзой. К примеру, подобный состав могут иметь латунь и мельхиор – но они выделены отдельно.

В качестве лигатуры сплава выступают все металлы без никеля и цинка. При этом смесь относят к одной из двух групп:

• оловянная (содержание олова заметно выше);
• специальные (совсем без олова).

Безоловянистые составы являются универсальными.

Сплавы также разнятся по количеству фаз в кристаллизовавшемся твердом растворе: одна или две.

Полезная статья: Классификация сварочной дуги

Основные легирующие добавки

В состав бронзы специально вводятся такие химические элементы как:

• алюминий: повышает коррозионную стойкость, плотность и улучшает обработку резанием;
• бериллий: улучшает механические свойства и технологичность (упругий и твердый сплав можно легко резать и варить);
• кремний и цинк: «работают» на текучесть и одновременно улучшают антифрикционные свойства;
• свинец: повышает устойчивость к трению и тугоплавкость;
• фосфор: раскисляет металл.

Олово как второй по массовой доле химический элемент повышает твердость и упругость. Если его больше 5%, заметно падает пластичность, если больше 20%, появляется хрупкость.

Интересно, что каждая добавка снижает теплопроводность: чем меньше лигатуры, тем лучше бронза проводит тепло.

Свойства и характеристики

Свойства бронзы делают ее применимой не только для украшений – сплав технологичен и надежно работает в целом спектре условий:

• плавится при температуре не выше 1135°С;
• плотность – не более 8,7 тн/м3;
• очень низкая восприимчивость к соленой воде, кислотам и другим агрессивным средам;
• значительная коррозионная стойкость;
• значительная свариваемость.

Цвет полностью зависит от содержания Cu:

• серый или черный: >35%;
• бело-серебристый: >50%;
• золотистый: >85%;
• красный: >90%.

На оттенок также влияют и легирующие добавки.

Производство материала

Типовой технологический процесс создания выглядит следующим образом:

• печь специальной конструкции предварительно подогревается (с помощью угля, древесного материала или флюса);
• в печь подается медь – чистый металл, не руда;
• по мере расплавления меди ее раскисляют – для этого в расплав подаются легирующие элементы (к примеру, применяется фосфор);
• по мере выгорания кислорода добавляют целевые легирующие примеси, после чего постепенно и равномерно повышают температуру нагрева;
• расплав нагревается и перемешивается;
• производится дополнительное раскисление – перед самой разливкой;
• готовый расплав разливается в формы (которые дальше передаются к специальному прессу и на охлаждение).

Задействуемое оборудование, степень точности измерений порций и герметичности печи прямо влияют на качество готового продукта. Для максимальной чистоты металла задействуются печи индукционного типа.

Маркировка бронзы

Бронза состоит из нескольких металлов, которые обозначаются буквами, а их содержание – цифрами (по аналогии с маркировкой сталей). Такие записи сводятся в справочные таблицы.

Формула записи состоит в следующем:

• основа: сокращение «Бр» (от «бронза»);
• буквенный ряд, которые указывает на легирующие химические элементы;
• ряд из цифр через дефис, указывающих на содержание соответствующего по порядку компонента в процентах.

Количество чистой меди – разница между 100% и суммой содержащейся в сплаве лигатуры. Обозначение лигатуры закреплено за первыми буквами названия целевого химического элемента (алюминий – А, и т.д.). Марганец и магний указываются как Мц и Мг соответственно.

К примеру, сплав БрАЖН10-4-4: алюминий (10%) + железо (4%) + никель (4%) + медь (82%).

Классификация бронзы

Составов бронзы применяется много, поэтому сплавы подразделяются на группы – для удобства планирования работы с ними. Базовый критерий – сложность легирования: состоит ли полезная добавка к меди и олову из одного химического элемента или нескольких. Выделяют двухкомпонентную и многокомпонентную бронзу.

Ват какие еще критерии существуют:

По химическому составу

Существует 2 основных вида бронзы, которые тем не менее легируются одними и теми же химическими элементами. Главное отличие этих видов – присутствие олова в составе.

Оловянная

Сплав с добавлением олова заметно повышается твердость и температура плавления. Параллельно с этим повышается плавкость, поэтому свойства оловянной бронзы позволяются проводить литейные работы. Для оптимизации характеристик сплава добавляются также свинец, цинк, фосфор, что одновременно улучшает устойчивость к коррозии и повышает износоустойчивость.

Такой состав сплава на выходе дает поверхность, которая будет выглядеть привлекательно, особенно после полировки. Наличие олова не более 8% делает материал удобным для механической обработки, при количестве до 20% оптимально литье (усадка и наличие дефектов будет сравнительно небольшим).

Безоловянная

Безоловянная бронза в своем составе вообще не содержит олова. В свойствах такого материала выделяются значительная прочность, антифрикционные свойства и устойчивость к коррозии, он успешно работает при высоких механических нагрузках.

Сплавы рассчитаны для литья изделий с простой формой и работающих в самых разных условиях.

Полезная статья: Как собрать осциллятор своими руками

По обработке

Обработка металла для получения детали или изделия нужной формы – важный критерий, определяющий применимость материала. Все марки сплавов подразделяются на литейные и деформируемые, каждая из которых имеет свое оптимальное применение на основе свойств.

Первые качественно подходят для формообразования с помощью литья. Помимо обычных деталей таким способом удачно изготавливать детали, предназначенные для работы в соленых и агрессивных средах, различные зубчатые колеса.

Вторые оптимально обрабатывать механическим способом: резанием, штамповкой, ковкой. Они отличаются пониженным содержанием олова (до 6%) – это гарантирует высокий уровень пластичности. Оптимальный вид заготовки – пруток, лента, лист, которые удобно обрабатывать.

По структуре

При увеличении специально подготавливаемого образца металла видна его структура – как комплекс зерен и включений. Каждый компонент бронзы влияет на равномерность и даже симметричность образуемого объема.

Структура и ее свойства (начиная от твердости и заканчивая блеском поверхности) полностью зависят от химического состава сплава.

Процесс изготовления бронзы

Сделать бронзу достаточно сложно – для этого потребуется герметичная печь и ряд чистых материалов, вводимых в определенное время в расплав. Если желание отлить из нее брусок не угасает, можно руководствоваться следующими основными моментами:

• берем подходящую по объему стальную или чугунную емкость по типу втулки;
• подводим к ней или к ее основе электропитание для последующего образования электрической дуги;
• закладываем в емкость медь, накрываем ее слоем флюса (древесный уголь или его смесь с водой);
• зажигаем дугу и выжидаем расплавления меди (примерно 1100-1160°С);
• в расплавленный металл добавляем фосфор для раскисления;
• вносим олово и требуемые добавки (включая попутные раскислители в виде лития и калия), поочередно или в виде смеси;
• прогреваем расплав до 1190-1210°С: в ходе этого «вредные» примеси будут связаны и удалены, образующиеся газы – успеют всплыть;
• разливаем по формам (предварительно лучше подогреть до 1250°С).

Свойства «домашней» бронзы будут не на самом высоком уровне, к этому надо быть готовым. Причина – в «химии» процесса и окислении лигатуры, что также требует наличия мощной вентиляции и СИЗ органов дыхания.

Бронза: сильные и слабые стороны

Сочетание полезных характеристик, обеспечиваемых входящими в металл компонентами, дает возможность применять бронзу в сложных условиях. Применяемое изделие выглядит при этом эстетично. Какие еще есть достоинства?

• мощное разнообразие сфер назначения;
• возможность подобрать состав с требуемой усадкой или другим свойством: электропроводностью, свариваемостью, твердостью упругостью, степень скольжения по поверхности и т.д.;
• в отличие от большинства металлов бронзу можно как подвергать механической обработке, так и литью (причем по несколько раз);
• полное отсутствие токсичности;
• значительная устойчивость к коррозии;

Есть и «минусы»:

• цена: медь и отдельные легирующие добавки (бериллий, к примеру) имеют высокую стоимость;
• сравнительно слабая теплопроводность, ограничивающая работу в электротехнике.

Сделанные из бронзы изделия выглядят по-дизайнерски, но и несут функциональную пользу.

Полезная статья: Устройство сварочного трансформатора

Область использования

Все виды бронзы находят получают масштабное применение практически во всех сферах экономики. Из сплава создаются самые разные детали и изделия:

• детали механизмов: зубчатые колеса, втулки, переходники;
• части специального оборудования и приборов;
• фурнитура: петли, ручки, замки;
• сантехника: смесители, уплотнения, фитинги;
• архитектура и декор: подсвечники, решетки, перила, светильники, вплоть до создания скульптур;
• ювелирные изделия и украшения (больше красная бронза).

Практичность существенно зависит от технологических возможностей производства. Развитие литья и механической обработки постоянно расширяет спектр применения этого не ржавеющего, но еле заметно окисляющегося металла.

Промышленность

Значительный объем бронзовых сплавов находит свою область применения в индустрии. Это — транспортное (включая авиацию и космонавтику), обрабатывающее, горнодобывающее производство, легкая промышленность, добыча нефти и газа, нефтехимия, электротехника и т.д.

Без нее не обходится создание металлических и полимерных материалов, она используется для втулок и подшипников, при создании станка и ракетной техники. Состав бронзы и ее физические свойства делают ее применение долговечным техническим решением для судостроения, химического производства, строительства летательных аппаратов.

Отдельное внимание уделяется скольжению: благодаря пониженному коэффициенту трения и отсутствию задиров на поверхностях втулки и шайбы из бронзы машины и механизмы получают уменьшенный срок износа.

Бытовое назначение

В быту бронза применяется для декора и изделий, которые работают в сложных температурно-влажностных условиях. Это – части беседок, скамеек, фонарей и т.д. Уверенная долговечность обеспечивается твердостью и устойчивостью к негативным воздействиям.

Внутри дома можно расставить бронзовые статуэтки, украшения, применять посуду, устанавливать части печных и каминных комплектов из сплава меди. Красная бронза имеет большое эстетическое значение, потому как именно ее цвет обеспечивает популярность.

Отдельное внимание уделяется алюминиевой и белой бронзам. Им присущи оттенки золота и платины, поэтому они хороши для ручек мебели, посуды и украшений (серьги, кулоны, кольца).

Полезная статья: Что представляет собой сварочный выпрямитель

Как отличить в домашних условиях

Дома чаще всего возникает вопрос: это деталь бронзовая или латунная? Они имеют схожий внешний вид, но есть и тонкости:

• несмотря на основу из меди второй по количеству химический элемент у бронзы – олово, а у латуни – цинк, что отражается на внешнем виде: первая будет более коричневая, вторая – более «блестящей» и с уклоном в желтые оттенки;
• латунь быстрее окисляется (опять же из-за наличия более активного цинка), поэтому на ней чаще будут зеленоватые окислы;
• при одном объеме изделия оловянно-медный компаунд весит тяжелее;
• некоторые бронзы включают в свой состав магнитные металлы (железо, никель), поэтому мощный магнит способен притягиваться к ним.

Сказать однозначно может только специалист, причем точнее всего понять это по излому. У латуни он будет гладким – с меньшим количеством крупных зерен.

Как ухаживать

Если использовать изделия из бронзы по назначению, им долго не потребуется серьезный уход, но регулярная профилактика потери товарного вида и коррозии рекомендуется.

Особые условия для хранения материала не требуются. Допускается прямое попадание солнечного света и перепады температуры, но лучше беречь (особенно монеты) – из-за опасности потускнения и смены оттенка окраски.

Периодическая протирка изделий выполняется с помощью фланелевой или другой мягкой тряпки. Опаснее всего – оставлять пыль и влагу в углублениях и складках: тут может развиваться коррозия.

Мытье изделий следует проводить в теплой (не слишком горячей) воде – с добавлением нашатыря, зубной пасты или специальной смеси. Использовать обычные моющие порошки, рассчитанные на стирку или мытье посуды, не допускается – они способны привести к потускнению поверхности.

Задавайте свои вопросы нашим экспертам в комментариях, а также пишите темы которые бы Вам били интересны.