Бронза: состав, характеристики, производство бронзы

Бронза – состав, свойства и производство сплава

Бронза как материал для изготовления изделий различного назначения используется человеком с древнейших времен. И в наше время данный сплав не утратил своей высокой популярности: его активно используют как производственные предприятия, изготавливающие из него элементы различных механизмов и конструкций, так и домашние мастера, решившие заняться художественным литьем. Однако прежде чем приступать к работе с этим медным сплавом, необходимо внимательно изучить его характеристики, а также познакомиться с методами его обработки.

Бронзовые прутки, производимые для дальнейшего использования в различных сферах промышленности, могут быть  в поперечном сечении круглыми, квадратными или шестигранными

Бронзовые прутки, производимые для дальнейшего использования в различных сферах промышленности, могут быть в поперечном сечении круглыми, квадратными или шестигранными

Характеристики и преимущества

Бронза, которая является цветным металлом, представляет собой сплав на основе меди. Наибольшее распространение еще с древнейших времен получили бронзы, в химическом составе которых, кроме меди, содержится олово. Вместо олова в бронзе различных марок могут содержаться такие элементы, как бериллий, железо, алюминий, свинец, кремний и др.

Содержание химических элементов в литейных бронзах

Содержание химических элементов в литейных бронзах регламентируется ГОСТ 493-79, 613-79

Высокая популярность, которой бронза пользуется уже на протяжении многих веков, объясняется такими ее достоинствами, как:

  • высокая твердость и прочность, если сравнивать данный металл с медью (к слову, некоторые марки бронзы, в частности бериллиевые, по своим прочностным характеристикам превосходят даже высококачественную сталь);
  • более низкая, если сравнивать с медью, температура плавления;
  • хорошая текучесть в расплавленном состоянии, что позволяет успешно использовать бронзу для выполнения литья;
  • исключительно высокая устойчивость к коррозии;
  • износостойкость, которая сохраняется даже при длительной эксплуатации изделий из бронзы в условиях повышенного трения.

Конечно, есть у бронзовых сплавов и недостатки. Перечислим наиболее значимые из них.

  • Не слишком высокая пластичность бронзы ограничивает возможность изготовления изделий из нее методом пластической деформации (прокатки, ковки, штамповки и др.).
  • Бронза из-за некоторых своих характеристик плохо обрабатывается резанием.
  • Изделия из бронзы, в частности инструменты, изготовленные из нее, плохо затачиваются.
Бронзу используют для изготовления трущихся и сильно нагруженных деталей, способных работать в пресной и морской воде

Бронзу используют для изготовления трущихся и сильно нагруженных деталей, способных работать в пресной и морской воде

По названию определенной марки бронзового сплава можно определить, какой элемент, кроме меди, входит в его химический состав. Так, бронза, в составе которой содержится олово, называется оловянной, сплав с содержанием бериллия – это бериллиевая бронза, алюминия – алюминиевая и т.д.

Как уже говорилось выше, наибольшее распространение получили оловянные бронзы, которые из-за того, что из них изготавливали и продолжают изготавливать колокола, часто называются колокольными. В классическом составе бронзовых сплавов данного типа содержится 80% меди (±3%) и 20% олова (также ±3%). Для придания такой бронзе улучшенных характеристик в ее состав могут добавляться легирующие элементы – свинец, никель, мышьяк и фосфор.

Температура обработки и технологические особенности оловянных бронз

Температура обработки и технологические особенности оловянных бронз

В зависимости от своего химического состава бронза может быть однокомпонентной, в которой присутствует только один добавочный металл, и многокомпонентной – с несколькими дополнительными элементами. Естественно, что бронзы, для изготовления которых использовалось несколько элементов, отличаются улучшенными характеристиками.

В производстве многокомпонентных сплавов различают понятия первичной и вторичной бронзы. Сплав первого типа, часто используемый в качестве сырья, содержит в своем составе только медь и олово. Первичная бронза применяется для производства вторичных сплавов, для чего в нее добавляют необходимые легирующие элементы.

Бронзовые сплавы (литейные отмечены "звездочкой")

Бронзовые сплавы (литейные отмечены «звездочкой»)

Согласно историческим данным, полученным в результате многих археологических раскопок, бронзовые изделия начали использоваться человеком еще в IV тысячелетии до н.э. Неслучайно достаточно длительный период в развитии человечества называется бронзовым веком. Те, кто сегодня пытается изготовить что-либо из бронзы в домашних условиях, сталкивается с теми же проблемами, что и древний человек, который производил из нее изделия различного назначения.

Производство по классической технологии

Для того чтобы изготовить такой металл, как бронза, необходимо расплавить в специальной емкости не только медь, но и легирующую добавку. Выполнять такую плавку в домашних условиях можно при помощи различных нагревательных устройств – муфельной или индукционной печи, горна, газовой горелки и др.

Для расплава в серийных производствах используют индукционные тигельные печи (ИТПЭ)

Для расплава в серийных производствах используют индукционные тигельные печи (ИТПЭ)

При изготовлении бронзового сплава как в производственных, так и в домашних условиях следует учитывать тот факт, что при смешивании расплавленной меди с оловом образуются окислы, которые значительно ухудшают характеристики готового сплава.

Для того чтобы исключить такой процесс из производства бронзы, необходимо в смесь расплавленных металлов добавить фосфористую медь, количество фосфора в которой не превышает 10%.

Использование такого недорогого раскислителя, как фосфорная медь, при применении которого образуется газообразный фосфорный ангидрит, хотя и способствует эффективному удалению из меди неметаллических включений, приводит к тому, что значительно ухудшается такая характеристика металла, как электропроводность. Избежать этого позволяет использование более дорогостоящих раскислителей, основу которых составляют такие элементы, как литий, кальций и калий. Поверхность расплавленной меди активно взаимодействует с окружающим воздухом, что приводит к интенсивному окислению данного металла. Сделать так, чтобы процесс окисления был менее интенсивным, позволяет измельченный древесный уголь, которым покрывают поверхность создаваемого сплава.

Расплавить газовой горелкой бронзу для колокола не получится, но для небольшой статуэтки или втулки вполне реально

Расплавить газовой горелкой бронзу для колокола не получится, но для небольшой статуэтки или втулки вполне реально

Классическая технология производства бронзы состоит из следующих этапов.

  • Медь плавят под слоем флюса или древесного угля, разогревая печь до температуры 1100°.
  • Для качественного раскисления в сплав добавляют фосфористую медь, количество которой по отношению к массе исходных компонентов не должно превышать 10%.
  • После полного расплавления меди в нее добавляют олово, если необходимо получить однокомпонентный сплав, или несколько элементов для производства многокомпонентной бронзы.
  • Полученный сплав, чтобы добиться однородности его структуры, прогревают до температуры 1200°.
  • Чтобы удалить из состава сплава вредные примеси, к числу которых относятся сера, висмут, марганец, сурьма, алюминий, железо, кремний, соединения кислорода и водорода, выполняют его рафинирование, заключающееся в окислении основного компонента.
  • Улучшение механических свойств бронзы осуществляют при помощи такой операции, как модифицирование.
  • Сделать из расплавленного металла изделие требуемой формы позволяет такая технологическая операция, как разлив (выполняется при температуре 1300°).
Для выполнения литейных операций более приспособлена бронза, в химическом составе которой присутствует олово. Бронзы данного типа, если сравнивать их с алюминиевыми сплавами, которые не рекомендуется нагревать выше температуры 1200°, менее просты в процессе выполнения литья и не отличаются склонностью к перегреву.

Как производятся бронзы без олова

Чтобы сделать бронзу алюминиевого типа, необходимо учесть ряд моментов. Так, медь и алюминий, составляющие основу такого сплава, отличаются разной плотностью, что часто приводит к их расслоению в составе бронзы. Именно поэтому литейное производство сплавов данного типа имеет особенности, которые заключаются в следующем.

  • Медь, как и в случае производства оловянной бронзы, расплавляется и раскисляется под слоем флюса.
  • В состав меди, находящейся в полностью расплавленном состоянии, вводятся дополнительные элементы, затем сплав тщательно перемешивается.
  • Чтобы улучшить свойства будущей бронзы, в состав сплава повторно вводятся раскислители.
  • После вторичного раскисления в расплавленную медь добавляют алюминий.
  • Поверхность расплавленного металла, чтобы снизить интенсивность его окисления при взаимодействии с окружающим воздухом, покрывается слоем флюса, в качестве которого может быть использован измельченный древесный уголь.
  • На заключительном этапе сплав рафинируется при помощи хлористого марганца, модифицируется посредством ванадия, бора или вольфрама, а только затем заливается в предварительно подготовленные литейные формы.
Отбор пробы позволяет контролировать процесс литтья бронзовых сплавов

Отбор пробы позволяет контролировать процесс литтья бронзовых сплавов

Отдельного внимания заслуживает процесс производства бериллиевых бронз, для получения которых используют индукционные печи и тигли из графита. Следует иметь в виду, что при выплавке бронз данного типа в окружающую атмосферу выделяются токсичные пары, что требует использования в процессе производства мощной вентиляционной системы. Более того, выполнять литье таких бронз лучше всего в изолированных помещениях.

Бронзы, содержащие кремний, так же, как и алюминиевые, производятся с использованием древесного угля в качестве флюса, а для их выплавки применяются печи индукционного типа.
Результатом производства бронзы любого типа являются чушки, вес каждой из них может доходить до 42 кг

Результатом производства бронзы любого типа являются чушки, вес каждой из них может доходить до 42 кг

Все чушки, полученные в результате отдельной выплавки, относятся к одной партии сплава, общий вес которой не ограничивается. На всю партию бронзы, в которой может содержаться различное количество чушек, выдается документ, в котором отражается основная информация о представленной продукции:

  • товарный знак предприятия-производителя;
  • марка представленного в партии сплава;
  • общий вес и номер партии;
  • количество чушек, которые ее составляют;
  • результаты проведенного химического анализа сплава.
Сферы применения различных бронзовых сплавов

Сферы применения различных бронзовых сплавов

Изделия, изготовленные из бронзы различных марок, активно используются в разных отраслях промышленности, а также в быту. В частности, из сплавов подобного типа изготавливаются:

  • арматура и детали, которые эксплуатируются в непосредственном контакте с агрессивными средами (масло, морская вода, повышенная влажность и др.);
  • детали, подвергаемые в процессе эксплуатации активному износу (подшипники, вкладыши, кольца и другие нагруженные элементы механизмов);
  • фасонные детали трубопроводов различного назначения.
Это лишь небольшой перечень сфер, где могут успешно применяться изделия, изготовленные из бронзы различных марок. На самом деле область их использования намного шире.

Добавить комментарий