Бронза: склад, характеристики, виробництво бронзи

Бронза як матеріал для виготовлення виробів різного призначення використовується людиною з найдавніших часів. І в наш час даний сплав не втратив своєї високої популярності: його активно використовують як виробничі підприємства, що виготовляють з нього елементи різних механізмів і конструкцій, так і домашні майстри, які вирішили зайнятися художнім литтям. Однак перш ніж приступати до роботи з цим мідним сплавом, необхідно уважно вивчити його характеристики, а також познайомитися з методами його обробки.

Бронзові прутки, вироблені для подальшого використання в різних сферах промисловості, можуть бути в поперечному перерізі круглими, квадратними або шестигранними

Характеристики та переваги

Бронза, яка є кольоровим металом, являє собою сплав на основі міді. Найбільшого поширення ще з найдавніших часів отримали бронзи, в хімічному складі яких, крім міді, міститься олово. Замість олова в бронзі різних марок можуть міститися такі елементи, як берилій, залізо, алюміній, свинець, кремній і ін.

Вміст хімічних елементів в ливарних бронзах регламентується ГОСТ 493-79, 613-79

Висока популярність, якої бронза користується вже протягом багатьох століть, пояснюється такими її перевагами, як:

• висока твердість і міцність, якщо порівнювати даний метал з міддю (до слова, деякі марки бронзи, зокрема берилієві, за своїми характеристиками міцності перевершують навіть високоякісну сталь);
• нижча, якщо порівнювати з міддю, температура плавлення;
• хороша текучість в розплавленому стані, що дозволяє успішно використовувати бронзу для виконання лиття;
• виключно висока стійкість до корозії;
• зносостійкість, яка зберігається навіть при тривалій експлуатації виробів з бронзи в умовах підвищеного тертя.

Звичайно, є у бронзових сплавів і недоліки. Перелічимо найбільш значимі з них.

• Чи не занадто висока пластичність бронзи обмежує можливість виготовлення виробів з неї методом пластичної деформації (плющення, кування, штампування та ін.).
• Бронза через деяких своїх характеристик погано обробляється різанням.
• Вироби з бронзи, зокрема інструменти, виготовлені з неї, погано заточуються.

Бронзу використовують для виготовлення труться і сильно навантажених деталей, здатних працювати в прісній і морській воді

За назвою певної марки бронзового сплаву можна визначити, який елемент, крім міді, входить в його хімічний склад. Так, бронза, в складі якої міститься олово, називається олов’яної, сплав з вмістом берилію — це берилієва бронза, алюмінію — алюмінієва і т.д.

Як вже говорилося вище, найбільшого поширення набули олов’яні бронзи, які через те, що з них виготовляли і продовжують виготовляти дзвони, часто називаються дзвоновими. У класичному складі бронзових сплавів даного типу міститься 80% міді (± 3%) і 20% олова (також ± 3%). Для додання такої бронзі поліпшених характеристик до її складу можуть додаватися легуючі елементи — свинець, нікель, миш’як і фосфор.

Температура обробки і технологічні особливості олов’яних бронз

Залежно від свого хімічного складу бронза може бути однокомпонентної, в якій присутня тільки один додатковий метал, і багатокомпонентної — з кількома додатковими елементами. Природно, що бронзи, для виготовлення яких використовувалося кілька елементів, відрізняються поліпшеними характеристиками.

У виробництві багатокомпонентних сплавів розрізняють поняття первинної та вторинної бронзи. Сплав першого типу, часто використовуваний в якості сировини, містить в своєму складі тільки мідь і олово. Первинна бронза застосовується для виробництва вторинних сплавів, для чого в неї додають необхідні легуючі елементи.

Бронзові сплави (ливарні відзначені «зірочкою»)

Згідно з історичними даними, отриманим в результаті багатьох археологічних розкопок, бронзові вироби почали використовуватися людиною ще в IV тисячолітті до н.е. Невипадково досить тривалий період у розвитку людства називається бронзовим століттям. Ті, хто сьогодні намагається виготовити що-небудь з бронзи в домашніх умовах, стикається з тими ж проблемами, що і стародавня людина, який виробляв з неї вироби різного призначення.

Виробництво за класичною технологією

Для того щоб виготовити такий метал, як бронза, необхідно розплавити в спеціальній ємності не тільки мідь, але і легирующую добавку. Виконувати таку плавку в домашніх умовах можна за допомогою різних нагрівальних пристроїв — муфельній або індукційної печі, горна, газового пальника і ін.

Для розплаву в серійних виробництвах використовують індукційні тигельні печі (ІТПЕ)

При виготовленні бронзового сплаву як в виробничих, так і в домашніх умовах слід враховувати той факт, що при змішуванні розплавленої міді з оловом утворюються оксиди, які значно погіршують характеристики готового сплаву.

Для того щоб виключити такий процес з виробництва бронзи, необхідно в суміш розплавлених металів додати фосфористу мідь, кількість фосфору в якій не перевищує 10%.

Використання такого недорогого раскислителя, як фосфорна мідь, при застосуванні якого утворюється газоподібний фосфорний ангідрит, хоча і сприяє ефективному видаленню з міді неметалічних включень, призводить до того, що значно погіршується така характеристика металу, як електропровідність. Уникнути цього дозволяє використання більш дорогих розкислювачів, основу яких складають такі елементи, як літій, кальцій і калій. Поверхня розплавленої міді активно взаємодіє з навколишнім повітрям, що призводить до інтенсивного окислення даного металу. Зробити так, щоб процес окислення був менш інтенсивним, дозволяє подрібнений деревне вугілля, яким покривають поверхню створюваного сплаву.

Розплавити газовим пальником бронзу для дзвони не вийде, але для невеликої статуетки або втулки цілком реально

Класична технологія виробництва бронзи складається з наступних етапів.

• Мідь плавлять під шаром флюсу або деревного вугілля, розігріваючи піч до температури 1100 °.
• Для якісного розкислення в сплав додають фосфористу мідь, кількість якої по відношенню до маси вихідних компонентів не повинна перевищувати 10%.
• Після повного розплавлення міді в неї додають олово, якщо необхідно отримати однокомпонентний сплав, або кілька елементів для виробництва багатокомпонентної бронзи.
• Отриманий сплав, щоб домогтися однорідності його структури, прогрівають до температури 1200 °.
• Щоб видалити зі складу сплаву шкідливі домішки, до числа яких відносяться сірка, вісмут, марганець, сурма, алюміній, залізо, кремній, сполуки кисню і водню, виконують його рафінування, що полягає в окисленні основного компонента.
• Поліпшення механічних властивостей бронзи здійснюють за допомогою такої операції, як зміну.
• Зробити з розплавленого металу виріб необхідної форми дозволяє така технологічна операція, як розлив (виконується при температурі 1300 °).

Для виконання ливарних операцій більш пристосована бронза, в хімічному складі якої присутній олово. Бронзи даного типу, якщо порівнювати їх з алюмінієвими сплавами, які не рекомендується нагрівати вище температури 1200 °, менш прості в процесі виконання лиття і не відрізняються схильністю до перегріву.

Як виробляються бронзи без олова

Щоб зробити бронзу алюмінієвого типу, необхідно врахувати ряд моментів. Так, мідь і алюміній, що становлять основу такого сплаву, відрізняються різною щільністю, що часто призводить до їх розшарування в складі бронзи. Саме тому ливарне виробництво сплавів даного типу має особливості, які полягають в наступному.

• Мідь, як і в разі виробництва олов’яної бронзи, розплавляється і раскисляют під шаром флюсу.
• До складу міді, що знаходиться в повністю розплавленому стані, вводяться додаткові елементи, потім сплав ретельно перемішується.
• Щоб поліпшити властивості майбутньої бронзи, до складу сплаву повторно вводяться раскислители.
• Після вторинного розкислення в розплавлену мідь додають алюміній.
• Поверхню розплавленого металу, щоб знизити інтенсивність його окислення при взаємодії з навколишнім повітрям, покривається шаром флюсу, в якості якого може бути використаний подрібнений деревне вугілля.
• На заключному етапі сплав рафинируется за допомогою хлористого марганцю, модифікується за допомогою ванадію, бору або вольфраму, а тільки потім заливається в попередньо підготовлені ливарні форми.

Відбір проби дозволяє контролювати процес ліття бронзових сплавів

На окрему увагу заслуговує процес виробництва берилієвих бронз, для отримання яких використовують індукційні печі і тиглі з графіту. Слід мати на увазі, що при виплавці бронз даного типу в навколишнє атмосферу виділяються токсичні пари, що вимагає використання в процесі виробництва потужної вентиляційної системи. Більш того, виконувати лиття таких бронз найкраще в ізольованих приміщеннях.

Бронзи, що містять кремній, так само, як і алюмінієві, виробляються з використанням деревного вугілля в якості флюсу, а для їх виплавки застосовуються печі індукційного типу.

Результатом виробництва бронзи будь-якого типу є чушки, вага кожної з них може доходити до 42 кг

Все чушки, отримані в результаті окремої виплавки, відносяться до однієї партії сплаву, загальна вага якої не обмежується. На всю партію бронзи, в якій може міститися різна кількість чушок, видається документ, в якому відбивається основна інформація про представленої продукції:

• товарний знак підприємства-виробника;
• марка представленого в партії сплаву;
• загальна вага і номер партії;
• кількість чушок, які її складають;
• результати проведеного хімічного аналізу сплаву.

Сфери застосування різних бронзових сплавів

Вироби, виготовлені з бронзи різних марок, активно використовуються в різних галузях промисловості, а також в побуті. Зокрема, зі сплавів подібного типу виготовляються:

• арматура і деталі, які експлуатуються в безпосередньому контакті з агресивними середовищами (масло, морська вода, підвищена вологість і ін.);
• деталі, що піддаються в процесі експлуатації активному зносу (підшипники, вкладиші, кільця і ??інші навантажені елементи механізмів);
• фасонні деталі трубопроводів різного призначення.

Це лише невеликий перелік сфер, де можуть успішно застосовуватися вироби, виготовлені з бронзи різних марок. Насправді область їх використання набагато ширше.