Из чего состоит бронза: состав, свойства и производство

Содержание:
1. Классификация бронзовых сплавов
2. Физические свойства бронзовых сплавов
3. Механические свойства бронзового проката
4. Маркировка бронзы
5. Производство металлоизделий из бронзы
6. Применение изделий из бронзы
7. Заключение

Бронза, с ее красновато-желтым блеском и древней историей, является одним из наиболее уникальных и важных цветных металлов, используемых человеком – она воплощает в себе сочетание красоты и функциональности, истории и современности. Состоя в основном из сплава меди и олова, бронза обладает уникальными физическими и механическими качествами, которые являются востребованными для множества отраслей. В данной статье мы рассмотрим состав и свойства бронзы, ее классификацию, производство и разнообразные области применения, в которых этот благородный металл продолжает играть ключевую роль.

Классификация бронзовых сплавов

Бронза – это один из наиболее древних и важных материалов в истории человечества, представляющий собой металлический сплав, основным компонентом которого является медь в сочетании с легирующими добавками, например – оловом, марганцем, свинцом, бериллием, алюминием, хромом, кремнием, мышьяком, фосфором, цирконием и другими. При этом исключениями являются цинк и никель, которые присутствуют в сплаве в минимальном количестве, либо вовсе отсутствуют, поскольку их высокое процентное содержание означает другие разновидности цветного металла, а именно – латунь, мельхиор и нейзильбер. В свою очередь, самым распространенным элементом выступает олово, в связи с тем условно все сплавы делятся на два класса: оловянные и безоловянные.

Также бронзы классифицируются по назначению, за основу берутся их технологические свойства, от которых зависит область применения цветного металла. Таким образом выделяют:

• Деформируемые бронзы – характеризуются низким количеством олова, но лучше подаются механической обработке в связи с высоким содержанием других легирующих элементов. Хорошая пластичность металла позволяет изготавливать проволоки и плоский металлопрокат;
• Литейные бронзы – отличаются низкой усадкой (до 1%). Расплавленный состав используется для изготовления литых изделий, включая шестерни, вкладыши подшипников, а также клапаны, задвижки и другие детали трубопроводной арматуры.

Химический состав оловянных деформируемых сплавов регламентируется ГОСТ 5017-2006, литейных – ГОСТ 613-79. Безоловянные бронзы маркируются в соответствие с ГОСТ 18175-72 для деформируемых разновидностей, для литейных – ГОСТ 493-79.

Физические свойства бронзовых сплавов

Плотность бронзы обычно варьируется в зависимости от ее состава, но в целом она находится в пределах от 7,2 до 8,9 г/см³ или 7200-8000 кг/м³. Это означает то, что она является относительно легким материалом, который при этом обладает высокой прочностью и износостойкостью.

Бронза хорошо проводит тепло, поэтому представляется весьма полезной для производства деталей, эксплуатация которых проходит при повышенных температурах. Так, коэффициент теплопроводности бронзы обычно составляет около 60-100 Вт/(м·К). В свою очередь, теплоемкость металла варьируется от 0,37 до 0,39 Дж/(г·К) – эти важные свойства учитываются при проектировании систем охлаждения и теплообмена, в которых бронзовое сырье выступает в качестве основы для создания трубных транспортировочных изделий.

Многие бронзовые марки обладают хорошей устойчивостью к низким температурам и могут сохранять свои механические свойства при охлаждении до криогенных температур. В зависимости от состава, материал также может выдерживать высокие температуры без существенных изменений своих свойств. Температура плавания варьируется от 930 °C. до 1140 °C.

В связи с тем, что основным компонентом бронзы выступает медь, сплав может унаследовать от нее от 10% до 95% показателя электропроводности – наиболее эффективным проводником выступает кадмиевая бронза, которая применяется в тех случаях, когда медь или другой проводник не справляется с механической и температурной нагрузкой. Например, многие троллейные провода и коллекторные пластины изготавливаются именно из этой разновидности сплава, поскольку он имеет увеличенную температуру рекристаллизации и не подвергается износу и повреждениям благодаря своей высокой пластичности.

Одной из характерных особенностей бронзы является ее красновато-желтый цвет, который может варьироваться в зависимости от состава сплава – чем больше содержание меди и чем меньше легирующих элементов в сплаве, тем он более красный и визуально напоминающий золото. Такой металл, наряду с другими цветными разновидностями, обычно не обладает магнитными свойствами, поэтому подходит для применений, где магнетизм нежелателен.

Механические свойства бронзового проката

Сплавы бронзы обладают рядом выдающихся механических свойств, которые делают их востребованными в различных инженерных и промышленных применениях. Бронзовый прокат, в сравнении с латунным, включает в себя большое разнообразие марок для выпускаемых изделий, среди которых выделяются круги, трубы, плоский и сортовой прокат, проволоки и ленты, а также полосы и плиты.

Выделим основные эксплуатационные свойства бронзы, отражающие ее высокий спрос в условиях промышленного производства:

1. Прочность – механическая прочность и твердость металла может значительно варьироваться в зависимости от конкретного сплава и методов обработки, но общим для всех марок является то, что они способны выдерживать значительные нагрузки без деформации или разрушения. Именно поэтому издревле из бронзы изготавливали церковные колокола, различные памятники и скульптуры, сохраняющих свой первоначальный вид на протяжении нескольких сотен лет;
2. Усталостная прочность – многие бронзовые сплавы обладают хорошей устойчивостью к микроразрушениям, благодаря чему они высоко ценятся в отраслях, где материал подвергается циклическим нагрузкам, например, в авиации и автомобильной промышленности, станкостроении;
3. Обрабатываемость – деформируемые бронзы обладают хорошей пластичностью и могут подвергаться механической обработке, включая ковку, резку, прокатку, волочение и штамповку;
4. Износостойкость – бронзовые детали и запчасти часто используются в приложениях, где требуется высокая устойчивость к износу, например, в подшипниках и втулках скольжения;
5. Коррозионная устойчивость – будучи цветным металлом, бронза характеризуется выдающимися антикоррозийными свойствами и применяется в судостроении и химической промышленности, где она постоянно контактирует с агрессивными веществами или соленой водой;
6. Твердость – подвергнутая определенной термической обработке бронза достигает различных уровней твердости, тем самым удовлетворяя требования конкретных отраслей.

Эти механические свойства представляют бронзовые сплавы важными материалами для широкого спектра применений – от производства подшипников и судостроения до художественного литья и изготовления музыкальных инструментов. Кроме того, комбинирование высокой прочности, износостойкости и коррозионной устойчивости делает бронзу незаменимым материалом в множестве промышленных отраслей и технических задач.

Маркировка бронзы

Содержание того или иного компонента характеризует разновидность сплава, маркировка которого по стандарту начинается с приставки «Бр». К ней добавляется сочетание букв и цифр, отражающее название добавочного компонента и то, в каких количествах он присутствует в сплаве. Например, БрО5 означает оловянную бронзу, где содержание олова достигает 5%. Марка БрАЖ9-4 располагает такими легирующими элементами, как алюминий (9%) и железо (4%).

Предлагаем ознакомиться со списком сокращений, используемых при маркировке бронзовых сплавов:

• А – алюминий;
• Б – бериллий;
• Ж – железо;
• К – кремний;
• Кд – кадмий;
• Мц – марганец;
• Мг – магний;
• Н – никель;
• О – олово;
• С – свинец;
• Ср – серебро;
• Ф – фосфор;
• Х – хром;
• Ц – цинк.

Деформируемые и литейные бронзы можно отличить по их маркировке – в первом случае цифры указываются через дефис и идут после букв в соответствующей последовательности. Например, БрОС6-15 (Олово 6%, свинец 15%). Бронза для литья предполагает маркировку, в которой процентное содержание указывается сразу после буквенного обозначения элемента без дефисов – БрА9Ж4 (алюминий 9%, железо 4%).

Производство металлоизделий из бронзы

Производство металлоизделий из бронзы является сложным и многоэтапным процессом, требующим высокой точности и специализированных знаний – разберем технологию изготовления фасонных деталей литейным способом:

1. Выбор сырья – основными компонентами бронзы являются медь и олово, при этом точный состав сплава зависит от требуемых свойств конечного изделия. Важно выбирать высококачественные и чистые материалы, чтобы обеспечить надежность и прочность изделия;
2. Плавка и литье – после выбора сырья происходит плавка металла в специальных плавильных печах при контролируемой температуре. Затем расплавленный состав заполняется в формы, соответствующие габаритам конечного изделия. Используются разнообразные литейные методы, включая центробежное литье, литье под давлением, песчаное литье и другие, в зависимости от сложности формы изделия;
3. Термическая обработка – после литья и охлаждения заготовки подвергают последующей термообработке, предполагающей нагрев и охлаждение материала с определенной скоростью и в определенной последовательности, чтобы достичь желаемой структуры и механических свойств. Такие процессы называются закалкой и отпуском.
4. Обработка – полученные изделия подвергаются механической обработке, которая включает в себя прессование на станках, шлифовку и полировку;
5. Сборка и дополнительная обработка – в зависимости от типа детали, она может потребовать сборки из нескольких частей или дополнительной обработки, такой как наружная или внутренняя резьба, нанесение насечек и другие операции, чтобы придать запчасти требуемую функциональность и внешний вид;
6. Отделка и покрытия – в конечном этапе продукция подвергается дополнительной отделке, например, покрытию патиной для придания характерного внешнего вида или дополнительной защиты от внешних воздействий.

На каждом технологическом этапе производства проводится контроль качества, чтобы убедиться в соответствии изделий заданным требованиям и стандартам – это проверка на размерные отклонения, испытания механических свойств и визуальный контроль.

Применение изделий из бронзы

Сплавы из бронзы имеют широкий спектр применений благодаря своим уникальным механическим и физическим свойствам. Разберем некоторые из ключевых областей, где бронзовые изделия являются востребованными:

• Машиностроение – износостойкость и прочность бронзы делают ее идеальным материалом для деталей, подвергающихся высоким нагрузкам и трению, включая подшипники, шестерни, втулки и зубчатые колеса;
• Судостроение – многие марки бронзы, в особенности фосфорные, широко применяются в производстве пропеллеров и других морских запчастей, надежно защищенных от постоянного контакта с влагой и морской водой;
• Декоративное искусство – металл имеет привлекательный внешний вид и способность сохранять свой цвет и блеск продолжительное время, в связи с чем из него создают скульптуры, статуи, медали, монеты и другие художественные изделия;
• Музыкальные инструменты – поскольку материал издает характерный звук и ценится за своею долговечность, из него изготавливают музыкальные инструменты, среди которых колокольчики, тарелки и некоторые части ударных инструментов;
• Архитектура – изделия из бронзы могут использоваться в качестве декоративных компонентов, являясь строительным и отделочным материалом для столбов, перил, корпусов светильников и фонтанов благодаря возможности придания изысканного внешнего вида и обеспечения долговечности наряду с защитой от внешних воздействий;
• Авиация и автомобилестроение – бериллиевые бронзы, благодаря своей высокой прочности и устойчивости к высоким температурам, широко применяются в авиационной и автомобильной промышленности для производства двигателей, турбин и других компонентов;
• Производство монет – бронза долгое время являлась популярным материалом для изготовления монет, она до сих пор используется в некоторых странах для чеканки различных номиналов.

Благодаря разнообразию бронзовых сплавов, можно выбирать материал, наилучшим образом соответствующий требованиям конкретного проекта – изделия из бронзы получаются прочными, долговечными и обладают характерной эстетической привлекательностью.

Заключение

Бронза олицетворяет собой сочетание старинного мастерства и современных технологий, являясь незаменимым компонентом в современной промышленной индустрии и искусстве. Независимо от того, используется ли она для создания красочных скульптур, износостойких подшипников или ключевых деталей в авиации, бронзовые сплавы продолжают играть важнейшую роль в нашей жизни.