Бронза: особенности древнейшего сплава в истории человечества

История бронзы суть история человеческой цивилизации. Это первый сплав, полученный человеком еще на заре 3 тысячелетия до н. э. Изменялся его состав, совершенствовалась технология получения, но своего огромного значения он не утрачивал никогда.

Что такое бронза

Бронза – сплавы меди, где основным легирующим компонентом могут выступать различные металлы и неметаллы. Свойства сплавов заметно зависит от соотношения компонентов и их качеств, а также фазового состава расплава.

Металл обладает массой превосходных свойств как пользовательских, так и декоративных. И сегодня мы рассмотрим состав сплава, виды, марки бронзы и их применение, краткое описание свойств материала и его характеристики, а также отличие бронзы от латуни.

Хотите расплавить бронзу для изготовления изделий? Тогда это видео вам поможет:

Понятие и особенности

Самый древний из известных составов включает в себя медь и олово, а также другие компоненты, содержание которых незначительно. Маркируется сплав в соответствии с составом, при этом доля меди не указывается, но может быть вычислена по содержанию других компонентов.

В зависимости от количества примесей сплав может иметь разный цвет. Материал, где доля меди составляет более 90%, имеет красноватый цвет, до 85% – желтый, а сплав с долей меди в 35% отличается серо-стальным цветом.

Но, что гораздо важнее, соотношение компонентов определяет свойства сплава. Так, красная бронза с долей олова в 2% отличается очень высокой пластичностью, ее можно ковать при нормальной температуре. А материал, содержащий 15% олова, становится твердым и прочным: в древности такой сплав использовали для изготовления оружия.

Эти свойства – пластичность и твердость в зависимости от сочетания ингредиентов и определили две самые важные исторические сферы применения сплава – искусство и война. Из бронзы отливали холодное оружие, пушечные ядра, сами орудия. Но она же использовалась для создания прекраснейших скульптур и украшений, составляющих достояние всего мира.

Современные сплавы имеют состав более сложный и включают самые необычные компоненты. Таким образом получают сплавы, пригодные для самых разных целей – от электротехники до водопроводов. Общее их свойство – основой остается медь.

2 медных сплава, однако, к бронзе отношения не имеют: это латунь – сплав меди с цинком, и мельхиор – с никелем. Латунь заметно уступает бронзам по коррозионной стойкости и твердости. Это сплав пластичный и сохраняет превосходную ковкость при самых разных составах. И если в искусстве предпочтение отдается бронзе, то в ювелирном деле латунь выигрывает.

Плюсы и минусы

Столь давняя известность и длительное использование материала может объясняться только массой его превосходных качеств. А также возможности эти качества изменить, используя в качестве легирующей добавки другой компонент.

• Разнообразие – одно из лучших свойств материала. Оловянные, алюминиевые, серебряные, бериллиевые бронзы применяются чрезвычайно широко в самых неожиданных сферах, поскольку добавка других металлов придают составу совершенно другие качества. Так, большинство бронзовых сплавов относительно плохо проводят электричество. Чего нельзя сказать о серебряной бронзе: при доле в какие-то 0,25% серебра сплав проводит ток не хуже меди.
• Бронзовые составы могут быть литьевыми и деформируемыми. То есть, для определенных целей можно получить сплав, подвергающийся холодной ковке – деформация при нормальной температуре, и сплав, который можно отливать.
• Бронзовые отливки дает минимальную усадку – от 0,5 до 1,5%. Это свойство объясняет популярность материала не только среди скульпторов, но и в сфере приборо- и станкостроения.
• Бронза – материал, который можно использовать и второй раз, и третий, и четвертый. Сплав отлично переносит повторные плавки.
• Сплав безопасен. Если при изготовлении его некоторые компоненты могут быть опасными – бериллий, например, то готовый материал совершенно нетоксичен.
• Она отличается исключительной коррозийной стойкостью: ни городской загазованный воздух, ни морская вода не вызывают деформации материала или снижения его качеств. Даже действию большинства кислот бронза не подвержена, поэтому часто используется при изготовлении кислотоупорной аппаратуры.
• Еще одно интересное качество многих сплавов – высокая упругость. Материал применяют при изготовлении разнообразных высокоточных пружин, отличающихся долговечностью.

К недостаткам сплава можно отнести его стоимость. Медь, а тем более олово – металлы хотя относительно распространенные, но дорогие в получении. Другие виды бронз – алюминиевая, например, стоит намного меньше, поскольку легирующим компонентом выступает более доступный по стоимости материал.

Можно назвать недостатком и низкую теплопроводность большинства сплавов. Однако это качество тоже нашло применение – при изготовлении аксессуаров для ванной или самих ванн и умывальников.

Разновидности

Различают бронзы по нескольким признакам, указывающим на состав и на более характерные свойства.

По составу выделяют:

• оловянные – сплавы могут быть двух- и многокомпонентными. Однако олово здесь остается вторым по массе ингредиентом;
• безоловянные – все остальные: алюминиевая, бериллиевая, кремниевая, свинцовая и так далее. Каждый из компонентов придает бронзе какие-то свойства. Так, бериллий обеспечивает материалу исключительную упругость и очень высокую износостойкость, а добавка кремния обеспечивает антифрикционные свойства.

По применению различают бронзы такие:

• деформируемые – сплавы легко поддаются ковке, их можно прокатывать, ковать, резать;
• литьевые – изделия получают методом литья, поскольку деформируется она только при высокой температуре. Из сплава получают отливки самой сложной конфигурации.

Более специфическое разделение бронз связано со структурой:

• однофазные – компоненты в твердом растворе образуют одну какую-то фазу;
• двухфазные в растворе появляются 2 фазы, что приводит обычно к радикальной смене свойств.

Про основные свойства, механические характеристики бронзы и отличие химического состава данного металла от латуни читайте ниже.

Свойства и характеристики

Более распространены в народном хозяйстве оловянные бронзы. Как правило, при описании свойств указывают параметры литьевых оловянных, поскольку этим способом получают большее количество изделий.

К основным техническим характеристикам сплава относят следующие качества:

• плотность – определяется массовой долей олова. Так, при его содержании от 8 до 4%, плотность изменяется от 8,6 до 9,1 кг/куб. см;
• в зависимости от состава сплава температуры плавления его изменяется от 880 до 1060 С;
• оловянная бронза тепло проводит плохо – от 0,098 до 0,2 кал/(см*с*С);
• теплоемкость составляет в среднем 0,385 кДж / (кг*К);
• электропроводность большинства бронз тоже не слишком велика и значительно меньше, чем у меди: величина удельного электросопротивления составляет 0,087– 0,176 мкОм*м;
• материал очень медленно корродирует и на воздухе, и при контакте с водой. Так, скорость коррозии на воздухе составляет 0,002 мм/год, а в морской воде – 0,04 мм в год.

О том, какие металлы и что еще входит в состав бронзы, какова ее формула и хим. содержание, узнаете ниже.

О том, как покрасить металл «под бронзу», расскажет данное видео:

Структура и состав

• Свойства сплава – от цвета до жидкотекучести в расплавленном виде, зависят от двух главных факторов: качественного состава бронзы и его структуры. Качественный состав – это набор металлов или неметаллов, участвующих в создании сплава в ощутимом значимом количестве. Причем последнее определяется не собственно массой или объемом вещества, а выраженностью тех свойств, которые он создает. Добавка всего лишь 0,25% серебра значительно увеличивает электропроводность, а чтобы получить антифрикционные свойства добавить нужно не менее 4% кремния.

• Второй фактор менее известен – это структура сплава или твердого раствора. Дело в том, что в меди может раствориться только 15,8% олова, в то время как в сплаве его может быть заметно больше. Это и обуславливает появление сплавов с разной фазовой структурой.
  • Однофазные – доля олова не превышает 6–8%, здесь существует только одна α-фаза. Такой состав отличается эластичностью и высокой ковкостью. Причем в бронзу с содержанием олова до 2%, можно ковать на холоде без нагрева, а с содержанием металла до 8% – при нагреве.
  • Двухфазные – при превышении доли олова в 15%, то есть максимума растворимости, в твердом растворе появляются 2 фазы. При этом такое качество, как ковкость совершенно исчезает, а сплав начинает набирать твердости и некоторой хрупкости. Такой сплав используют для литья.

Дополнительные элементы, влияющие на свойства, на фазовый состав оказывает малое влияние.

Производство материала

Бронзу получают из чистых металлов или сплавов в чушках. Второй более распространен, так как дешевле и позволяет получить любые литьевые бронзы.

1. Первым этапом является добыча меди и олова на месторождениях. Олово содержится в касситеритах, станнинах и так далее. Медь более распространена: ее добывают из самородной меди и множества минералов – халькопирита, борнита, халькозина. Выделяют металл несколькими разными способами, из которых пирометаллургический, то есть, окислительный отжиг и огневое рафинирование, является наиболее распространенным.
2. Затем рассчитывают состав шихты: это зависит от состава будущего изделия и от метода получения – из вторичных сплавов, из металла и вторичных сплавов и так далее.
3. Сама по себе плавка, например, из чушек, включает несколько этапов:
   • загрузка – материал загружают в просушенные и нагретые графито-карборудные или графито-шамотные тигли. Лучше всего подходят электрические и электродуговые печи, так как с их помощью можно осуществить плавку как можно быстрее. Это важно, поскольку при сплавлении металлов велика вероятность поглощения газов расплавом;
   • расплавление – в первую очередь плавят медь, а затем добавляют различные компоненты, улучшающие механические свойства сплава, и основные легирующие добавки;
   • перегрев – расплав прогревают до 1200 С под слоем древесного угля. Если исходные металлы загрязнены, применяют жидкие солевые флюсы;
   • дегазация – расплав очищают от газовых примесей путем продувки аргоном или азотом.
4. Из готового сплава получают отливки. Чаще всего для этого используют литниковые системы. Литье производится в глиняные или металлические формы. Возможно получение отливок способом центробежного литья.

В 2016 году отмечен рост цен на медь – до 4%, и олово – до 10,3%. Соответственно, повышается стоимость продукции из бронзы и бронзового лома. Последний в октябре имел стоимость от 190 до 210 р. за кг.

Цена продукции – пруток, отливка, лист, зависит от состава сплава. Так, пруток разной марки можно приобрести и за 308, и за 803 р. за кг.

Далее затронута маркировка и применение бронзы.

Область применения

Бронзовые сплавы, благодаря разнообразию своих свойств, находят самое разное применение.

• Самое известное – материал для скульптур и множества декоративных предметов: статуэток, пепельниц, светильников, решеток, украшения перил и прочего. Литьевая бронза позволяет получить самые сложные отливки, передающие буквально поры кожи.
• В ювелирном деле материал применяется заметно реже, хотя раньше составлял едва ли не основу женских украшений.
• Бронзовая фурнитура – накладные петли, замки, ручки, краны, смесители и даже сантехника. Сплав обеспечивает не только исключительную долговечность и стойкость к коррозии предметов, но и позволяет превратить их в изящнейший элемент декора.
• Из литейной бронзы разного состава получают множество деталей – шестерни, втулки, уплотнители, части аппаратуры, предназначенные работать под водой.
• Деформируемые бронзы находят применение в высокоточной технике.
• Другие виды сплавов используются в тех областях, где привычная оловянная бронза не применяется. Так, например, бериллиевая бронза обладает куда более высокой тепло- и электропроводностью, а потому активно используется в электротехнике.

• Еще одно всем известное применение – фитинги самого разного рода. Для более активного использования в водоснабжении бронза является чересчур дорогостоящим материалом, однако наиболее ответственные узлы, а также многочисленные крепления изготавливают из медного сплава, поскольку он отличается чрезвычайной стойкостью к коррозии и подавляет активность бактерий.

Бронзы – самый старинный и известный сплав в истории человечества. Разнообразие его состава и свойств обеспечивает ему и сегодня самое широкое распространение.

О том, как отчистить изделия из бронзы, расскажет данный видеосюжет: