Ликвация — это процесс формирования неоднородного состава химических элементов, который возникает в результате их трансформации в кристаллическую форму, что называется кристаллизацией.
Бронза: состав сплава
Бронза представляет собой сплав, в основном состоящий из меди и различных добавок, которые способствуют улучшению его технологических свойств. В зависимости от назначения и характеристик, бронза может включать такие элементы, как Sn (олово), Mn (марганец), Be (бериллий), Pb (свинец), Si (кремний), Cr (хром), P (фосфор), Fe (железо) и другие компоненты. Каждое из этих добавок играет свою уникальную роль в формировании свойств сплава.
Бронзовые сплавы известны своей прочностью на истирание и устойчивостью к коррозии, а также к воздействию агрессивных сред, таких как морская вода. Эти особенности достигаются благодаря тщательному выбору и балансировке легирующих элементов, что строго регламентируется нормативными актами, такими как ГОСТ, отраслевыми стандартами или внутренними методиками предприятий.
Классификация сплавов
Классификация бронз основывается на наличии тех или иных легирующих компонентов. Выделяют следующие основные типы бронз:
- Оловянные бронзы — это сплавы, где олово является основным легирующим элементом;
- Безоловянные бронзы — сплавы, которые полностью исключают олово из своего состава.
Кроме того, бронзу можно классифицировать по технологическим характеристикам, что приводит к выделению:
- Деформируемых бронз — создаваемых для обработки под давлением;
- Литейных бронз — предназначенных для производства отливок.
Основные легирующие компоненты
Главный компонент, который задает большинство технических характеристик бронз, — это медь. Дополнительные элементы, называемые легирующими компонентами, используются для модификации свойств сплава. Один из наиболее распространённых легирующих компонентов — это олово, из которого, например, изготавливались колокола, благодаря чему этот сплав получил название колокольной бронзы.
Также в качестве легирующих элементов могут применяться:
- Be (бериллий) — этот элемент значительно увеличивает прочностные характеристики бронзы;
- Si (кремний) и Zn (цинк) — используются для повышения износостойкости и улучшения текучести бронз, что positively влияет на качество литья;
- Pb (свинец) — улучшает коррозионную стойкость сплава;
- Al (алюминий) — способствует повышенной устойчивости к коррозии, помогает избежать окислительных процессов при высоких температурах и снижает реакцию с соединениями серы и продуктами выхлопных газов.
Марки бронз
Маркировка бронз начинается с аббревиатуры «Бр», за которой следует одна или несколько букв, указывающих на легирующие добавки. Объем этих легирующих добавок строго регламентируется различными ГОСТами и стандартами.
Каждая марка бронз имеет свои уникальные свойства, включая состав, технические характеристики и область применения. По маркировке можно легко определить, какие компоненты входят в сплав, а также использовать специальные таблицы для понимания назначения данного сплава и его технологических параметров.
На примере оловянных бронз можно привести несколько марок. В таблице, приведенной ниже, указаны важнейшие технологические параметры нескольких марок сплава, а также их области применения.
В таблице также отображен способ литья бронз: «К» означает, что литье выполнялось в кокиль, а «П» — что литье производилось в песчаную форму.
В столбце, посвященном марке, приведены названия сплавов, где «Бр» указывает на то, что сплав является бронзой, а далее описываются присутствующие в нем легирующие компоненты.
Из представленных в таблице марок видно, что они содержат олово, а некоторые дополнительно имеют цинк, свинец и фосфор.
Процентное соотношение компонентов бронз
Процентное содержание элементов, аналогично химическому составу, отражается в аббревиатуре марки сплава. При этом процентное содержание основного элемента, меди, в маркировке не указывается, но фиксируется доля всех легирующих элементов в сплаве.
Например, для марки БрО3Ц12С5 содержание компонентов может быть следующим: олово — 3%, цинк — 12%, кремний — 5%, а остальные 80% приходятся на медь.
Содержание меди в сплаве непосредственно влияет на его цвет. Чем больше меди в сплаве, тем ярче выражен золотистый оттенок бронзы. Если меди будет лишь 50%, тогда цвет сплава станет белым, приближаясь к цвету серебра. В зависимости от требований можно получить различные цвета путем изменения процентного соотношения легирующих элементов и меди.
Классификация бронзы
По химическому составу различают:
Оловянные бронзы — это сплавы, в которых олово является доминирующим легирующим компонентом. Наряду с оловом могут присутствовать свинец, фосфор и цинк, которые относятся к дополнительным элементам. Благодаря добавлению олова, медь обретает высокую легкоплавкость, упругость и твердость, что делает такой сплав идеальным для полировки. Дополнительные компоненты улучшат не только литейные но и механические и антифрикционные свойства.
Безоловянные (специальные) бронзы — это сплавы, которые не содержат олово в качестве легирующего элемента. Они могут сравниться с оловянными бронзами по многим признакам, а в некоторых моментах даже превосходят их.
По технологическому признаку бронзы делятся на:
Свойства бронзы
Если сравнивать бронзу с латунью, то можно заметить, что бронза обладает более высокой коррозионной стойкостью, прочностью и антифрикционными характеристиками. Этот сплав сохраняет свою стойкость в воздушной среде, в соленой воде, углекислых растворах и во многих органических кислотах. Большинство видов бронз подлежат процессам сварки и пайки с использованием как твердых, так и мягких припой.
В зависимости от содержания добавок, бронза может варьироваться по цвету от красного до белого. Рассмотрим, как легирующие элементы воздействуют на свойства бронзы. Присутствие олова, никеля, кремния и алюминия улучшает прочность, коррозионную стойкость и эластичность сплавов. Никель и железо способствуют уменьшению зернистости и повышению температуры рекристаллизации. Кремний и марганец увеличивают жаростойкость. Хром, цирконий и бериллий повышают жаропрочность сплавов, что немного снижает электропроводность.
Теперь давайте кратко рассмотрим наиболее часто используемые виды бронзы.
- Бериллиевая бронза — это лидер по твердости среди меди содержащих сплавов. В закаленном состоянии она обладает хорошими показателями пластичности и технологичности, а в состаренном состоянии демонстрирует высокие механические свойства. Уровень механических свойств можно повысить при помощи пластической деформации перед старением. Из бериллиевой бронзы часто изготавливают пружины, мембраны и инструменты;
- Алюминиевая бронза характеризуется высокой плотностью, устойчивостью к агрессивной окружающей среде и химическим веществам, а также хорошей стойкостью к морской воде. Она хорошо обрабатывается режущими инструментами и используется для производства лент и труб;
- Кремнецинковая бронза позволяет производить изделия сложных форм благодаря своей повышенной текучести в расплавленном состоянии. Это делает ее идеальным материалом для создания изделий, которые могут быть подвержены механическим воздействиям без риска искрения;
- Свинцовистая бронза обладает выдающимися антифрикционными свойствами, хорошо переносит ударные нагрузки и демонстрирует высокую прочность и тугоплавкость. Этот сплав применяется для изготовления подшипников, которые находятся под значительными нагрузками;
- Оловянная бронза включает все перечисленные выше свойства и наиболее широко используется в современных промышленных процессах.
1.3. Бронза в современном мире
Несмотря на то, что в современных фабричных и промышленных процессах всё чаще используются другие металлы, такие как сталь и алюминий, бронза продолжает оставаться актуальным и востребованным материалом. Ее уникальные свойства, такие как высокая коррозионная стойкость и отличная обрабатываемость, делают ее ценным ресурсом в различных сферах, включая производство подшипников, музыкальных инструментов, скульптур и множеств других изделий. Бронза также занимает важное место в области восстановления экологии, например, в альтернативной энергетике, благодаря высокой стабильности своих свойств при различных температурах.
2. История бронзы
История бронзы уходит корнями в древние времена, когда было открыто олово и медь — два главных компонента, из которых составляется этот сплав. Первые упоминания о бронзе нашли свое место в археологических находках и различных исторических документах, относящихся к разным культурам.
В зависимости от географического положения бронза была открыта и усвоена различными народами в разное время. Например, древние месопотамцы, проживавшие между реками Тигр и Евфрат, первыми начали активно использовать бронзу около 3300 года до н.э. Это событие стало поворотным моментом в истории человечества и известно как бронзовый век Месопотамии. В дальнейшем процесс производства бронзы распространился на другие регионы, в том числе в древние Египет, Китай и Индию.
Как производят бронзу
На протяжении долгого времени технология производства бронзы претерпела изменения лишь в инструментах и оборудовании, но сама суть процесса осталась прежней. Как и в давние времена, в качестве исходного сырья для получения данного медного сплава могут использоваться либо переработанные бронзовые отходы, либо шихта. Для предотвращения чрезмерного окисления металла в расплавленном состоянии добавляют флюс, обычно это древесный уголь.
Эта установка центробежного литья позволяет производить бронзовые заготовки весом до 50 кг.
Процесс плавки, в итоге которого получается бронза, обычно проходит в несколько этапов:
- Тигель с сырьем помещается в заранее разогретую печь до нужной температуры;
- Для того чтобы предотвратить окисление расплавленной массы, в металл добавляют измельченный древесный уголь — флюс;
- Когда металл расплавится и хорошо прогреется, в него вводят фосфористую медь, которая служит кислотным катализатором;
- После того как сплав выдерживается в прогретом состоянии, в раскалённый металл добавляют легирующие и связывающие элементы, тщательно перемешивая их;
- Перед тем как вылить расплавленный металл, в него снова добавляют фосфористую медь для снижения окислительных процессов.
На всех этапах производства необходимо строго соблюдать температурные режимы в печи и в самом сплаве. Также важным является контроль за количеством легирующих и связывающих компонентов, добавляемых в расплавленный металл.
Естественное и искусственное патинирование
Многие интересуются, почему старые бронзовые изделия имеют зеленовато-белый цвет, отличающийся от привычного блеска меди. Этот окрас возникает в результате образования защитной пленки, известной как патина. Процесс формирования этой пленки зависит от взаимодействия бронзового изделия с окружающей средой, в том числе с воздухом, выхлопными газами, дымом и водяными парами.
Патина может быть как оксидного, так и карбонатного происхождения и образует защитный барьер, что придаёт изделиям более благородный вид. Это можно легко заметить, обратив внимание на фотографии старинных бронзовых предметов.
Сахарница из патинированной бронзы.
В современное время существуют технологии, которые позволяют не только удалять патину с поверхности бронзовых изделий, но и создавать искусственную патину для придания предметам винтажного стиля. Для этого используют специальные препараты, содержащие серу, которые наносят на поверхность изделия, а потом изделие нагревают до определённой температуры.
Кроме искусственной патины, бронзовые изделия могут покрываться лаком, позолотой, хромом либо никелем.
Область применения
Перечисленные свойства бронзы делают ее весьма популярным материалом. Бронза находит своё применение в разнообразных отраслях: от машиностроения и металлургии до электротехники и бытового использования. Рассмотрим несколько конкретных примеров использования брона в различных областях.
Промышленность
Из-за низкой усадки оловянную бронзу часто применяют для производства пружин, подшипников и прижимных контактов.
Алюминиевая бронза, будучи более доступной по цене, отличается отменными антикоррозийными свойствами. Именно это делает её особенно востребованной в производстве оборудования для химической отрасли и изделий, регулярно контактирующих с морской водой.
Сплавы с высокой пластичностью и упругостью используют в создании прокладок для автомобилей, деталях измерительных приборов и шестернях.
Материалы, устойчивые к коррозии и обладающие хорошей проводимостью, широко применяются в электротехнической области. Например, из бериллиевой бронзы изготавливаются детали, пружинные контакты и интегральные схемы для мобильных телефонов, смартфонов и других гаджетов. По той же причине металл активно используется для производства фитингов для трубопроводов, таких как краны, клапаны, тройники и переходники.
Бытовое назначение
Долговечность, прочность, стойкость к неблагоприятным внешним условиям делают бронзу популярной для создания уличных декоративных элементов. Мы можем встретить изделия из бронзового сплава в каждом городе: это и фонари, и скамейки, и беседки, и, конечно же, скульптуры и статуи.
Благодаря её оригинальному желтоватому или красноватому оттенку бронза считается высоко эстетичным материалом, что объясняет её широкое применение в производстве статуэток, элементов интерьера и уличного декора.
Алюминиевая бронза обладает золотистым блеском, что делает её идеальным материалом для создания украшений, таких как серёжки, кольца и кулоны.
Популярность бронзовой кухонной посуды началась еще с Бронзового века и продолжает сохраняться и по сей день.
Процесс изготовления бронзы
Как говорилось ранее, бронза — это сплав, состоящий из меди и других элементов. В качестве шихты для его производства используются чистые металлы или уже готовые сплавы, представленные в виде чушек. Этот последний метод является более распространённым и используется для получения литьевого сплава. Процесс приготовления бронзы проходит в четыре этапа:
- Загрузка материала. Изготавливаются тигли из графита с шамотной или карборундовой основой. Подготовленные формы обрабатываются пиковым методом — просушиваются и прогреваются перед использованием;
- Приготовление расплава. На начальном этапе плавится медь, она может загружаться целиком или партиями. Затем вводится фосфористая медь, что способствует образованию жидкого фосфата, который необходимо удалить. После очистки в сплав добавляются другие компоненты в соответствии с рецептурой;
- Перегрев. Содержимое тигля нагревается до 1150-1200 °C. На этом этапе оловянная бронза выплавляется с использованием древесного угля или угля в сочетании с солями. При наличии кремния, магния или алюминия, которые выступают здесь в роли шлака, добавляются жидкие солевые флюсы;
- Дегазация. На данном этапе происходит очистка от газов, содержащихся в расплаве, чаще всего это водород.
Важно! На последнем этапе процесса выполняется цикл модифицирования для повышения качественных характеристик полученного сплава. Конкретный метод выбирается в зависимости от нужного конечного состава бронзы.
