Состав и структура сплава бронзы, а также зависимость его свойств от такого состава

Как известно, после золотого века настал серебряный, после него бронзовый, а затем железный. По поводу первых двух исторических периодов мнения историков сильно расходятся. Материальные доказательства бронзового века настолько солидны и многочисленны, что сомневаться в этом этапе развития человечества, возможности нет.

Ну а названо это время в честь главного ее материала – бронзы. И данная статья посвятит вас в химический состав бронзы, магнитные, технологические, физические и механические свойства сплава бронзы.

Структура и состав сплава бронзы

В общем виде бронза – это сплав меди. Вторым компонентом могут выступать различные металлы за исключением цинка – такой сплав называют латунью, и никеля – он носит название мельхиор. В соответствии с характером второго ингредиента бронзы делятся на оловянные, то есть, содержащие олово, и безоловянные – все остальные, где вторым компонентом выступает другой металл. Состав мелких примесей при этом не учитывается.

Про состав черной, белой, синей, зеленой, оловянной, алюминиевой и других бронз, пропорции меди и олова в них, а также о том, чем отличается бронза от латуни по составу, читайте ниже.

Состав и структура металла бронза рассмотрены в видео ниже:

Оловяные металлы

Состоят из олова и меди. Как показывают исследования, медь может растворить до 15,8% олова, что автоматически указывает на возможность появления разных фаз твердых растворов. Так оно и есть: до достижения доли олова в 6–8% устойчивой является α-фаза, обеспечивающая хорошую ковкость и пластичность сплава. При увеличении доли олова появляются такие качества, как хрупкость и твердость, что не мешает использовать бронзы с содержанием олова до 65%, поскольку тогда в сплаве имеются и другие интересные качества.

Соответствующим образом меняются и свойства.

• При малом содержании олова – до 2%, бронзу можно ковать на холоде, а не только при нормальной температуре.
• При содержании олова более 5%, ковать сплав можно лишь при температуре красного каления, из-за чего бронза считается не совсем подходящим сплавом для ковки.
• Если же твердый раствор включает более 15% олова, такое качество как ковкость сплав теряет, приобретая взамен высокую твердость.
• При очень большом содержании олова сплав вновь становится мягким.

Разновидности

Из-за резкого отличия свойств оловянные бронзы разделяют на 2 группы:

• деформируемые – с низким содержанием олова. Такие сплавы можно ковать и прокатывать, а также резать и затачивать. Они отличаются упругостью и высоким сопротивлением усталости, поэтому часто используются при изготовлении пружин;
• литейные – с более высоким содержанием олова. Изделия из нее получают литьем. Несмотря на не слишком высокую текучесть, бронзу используют для получения отливок самой сложной конфигурации, поскольку она дает очень малую усадку – менее 1%, в то время как у чугуна усадка составляет 1,5%, а у стали – 2%.

Превосходные бронзовые изделия – статуэтки, посуду, украшения на перилах и так далее, получают именно литьевым методом.

Примеси

Бронза может включать разнообразные случайные примеси в очень малом количестве. В то же время в состав вводят специальные добавки с тем, чтобы получить дополнительные свойства.

• Цинк – может составлять до 10–15% по массе. Он растворяется в α-растворе и улучшает механические свойства: увеличивает текучесть, плотность отливки и прочее. При этом металл заметно понижает стоимость изделия, поскольку намного дешевле олова. Такая бронза носит название адмиралтейской и более устойчива к морской воде.
• Свинец добавляют для придания сплаву антифрикционных свойств и возможности обрабатывать изделия резанием.
• Фосфор увеличивает жидкотекучесть и износостойкость.

Маркируется бронза буквами Бр. Далее в названии указываются легирующие добавки, а через дефис – их процентное соотношение. Доля меди не указывается, а вычисляется.

Безоловянные металлы

Представляют собой сплав меди с другими металлами, за исключением цинка и никеля. Такие бронзы называются в соответствии с легирующим элементом, доля которого в сплаве самая большая – алюминиевая бронза, например, бериллиевая и так далее. Маркируется она точно таким же образом. Так, Бр.АМц-7-1 означает, что в сплаве содержится 7% алюминия, 1% марганца и, соответственно, 92% меди.

Другие металлы в сплаве с медью создают иные свойства. Хотя, справедливости ради, большинство из них разработано в попытке удешевить бронзу, исключив из нее дорогое олово.

• Алюминиевые бронзы – отличаются более высокими антикоррозийными и механическими свойствами, к тому же сплав с алюминием дешевле. Однако, несмотря на то, что алюминиевая бронза более жидкотекучая, она дает большую усадку, поэтому редко используется для получения сложных отливок. Алюминий с медью образует твердый раствор, состав которого зависит как от доли алюминия, так и от условий получения, в частности, от скорости охлаждения. В результате такие его качества, как пластичность или прочность заметно меняются. Однофазные алюминиевые бронзы отличаются прекрасным сочетанием прочности и пластичности (максимальная нагрузка составляет 400–450 МПа, а пластичность равна 60%). Двухфазные более прочны и тверды, но требуют разной обработки в зависимости от своей структуры. К тому же дают куда большую усадку.
• Кремнистые бронзы могут включать до 3% кремния и отличаются антифрикционными свойствами и упругостью. Структура однофазная, что обеспечивает хорошую пластичность и относительную легкость обработки. Для отливок применяется редко. Если доля кремния превышает 3%, появляется хрупкая γ-фаза, поэтому состав сплава меняется редко.
• Бериллиевые бронзы отличаются высокой коррозионной стойкостью, износоустойчивостью, повышенным сопротивлением усталости, а также очень высоким пределом упругости. Сплав является теплостойким материалом – «работает» до температуры в 340 С, обладает хорошей теплопроводностью и электропроводностью. Бериллиевые бронзы можно подвергать закалке и старению, что очень положительно сказывается на их механических качествах.
• Марганцовая бронза содержит марганец, и, как правило, включает также цинк, а порой и олово. Свойства сплавов заметно отличаются и применяются для разных целей.
• Довольно известна мышьяковая бронза, но уже лишь как исторический материал. По своим качествам она превосходила оловянную, причем образовывала большое количество сортов для разных целей. Однако исчерпание поверхностных залежей мышьяка, токсичность производства и невозможность переплавки, в конце концов, привели к ее исчезновению.

Характеристики и особые свойства свинцовых, бериллиевых, алюминиевой и других бронз рассмотрены ниже.

Хотите отливать солдатиков у себя дома? Тогда смотрите следующее видео и запаситесь бронзой:

Свойства и характеристики

О свойствах столь разнообразного сплава говорить сложно, поскольку качества бронзы очень сильно зависят от характера и количества легирующей добавки. Но так как именно оловянная остается наиболее известной и чаще всего используемой, ее технические характеристики с учетом фазового состава и будут приводиться в качестве примера.

Плотность и масса

Бронза – сплав достаточно тяжелый. Но и масса изделия из него, и плотность зависят от доли входящих компонентов.

• В целом плотность оловянной бронзы колеблется от 8,6 до 9,1 г/куб см при изменении доли олова от 8 до 4%.
• Бронзы алюминиевые, например, литейные, плотность имеют меньшую – от 7,5 до 8,2 г/куб. см;
• Бериллиевые бронзы имеют меньший диапазон плотности 8,2–8,4 г/куб. см.

Температуры

Эти характеристики тоже определяются качественным и количественным составом сплава. Промышленное значение имеет температура начала плавания, температура горячей обработки, если речь идет о деформируемых бронзах, и температура отжига – термической обработки с целью упрочнения вещества.

Теплоемкость и теплопроводность

Теплопроводность металлов всегда выше, чем неметаллов. Однако для определенных целей нужны очень разные показатели. Медь прекрасно проводит тепло, как и электричество, но ее сплав в значительной мере эту способность утрачивает. Поэтому вещество не используют для изготовления сварочных электродов или узлов трения, поскольку оно не может быстро отдать или отвести тепло.

• В зависимости от доли олова теплопроводность изменяется от 0,098 до 0,2 кал/(см*с*С).
• Средняя теплоемкость сплава меди с оловом составляет 0,385 кДж / (кг*К), что практически соответствует меди. Даже железо способно хранить тепло в большей степени.

Коррозийные свойства

Оловянные бронзы отличаются высокой коррозионной стойкостью. Скорость коррозии на воздухе не превышает 0,002 мм/год при содержании олова в сплаве 5–8%.

В морской воде оловянная бронза даже более устойчива, чем сама медь, а также латунь. В зависимости от содержания олова этот показатель повышается: так, сплав с долей олова 6% корродирует на 0,04 мм в год, а с долей металла 10% – на 0,016 мм в год.

Сплавы неустойчивы к действию аммиака, минеральных кислот, особенно соляной и азотной. Однако в присутствии ингибиторов скорость коррозии уменьшается в 10–15 раз.

Электропроводность

Этот показатель у большинства бронз намного ниже, чем у меди, что коррелирует с низкой теплопроводностью. В зависимости от состава, а здесь важны и доля олова, и характер второго легирующего компонента, если он есть, удельное электросопротивление изменяется от 0,087 до 0,176 мкОм*м.

Серебряная бронза – с добавкой серебра 0,25%, имеет такое же удельное сопротивление, как у меди, но, к сожалению, этот состав имеет высокую температуру рекристаллизации.

Токсичность

Сплав меди и олова никому вреда никогда не причинял. И его изготовление, и применение совершенно безопасны для здоровья человека и для окружающей среды.

• Угрозу могут представлять собой вводимые легирующие добавки. Так, получение мышьяковой бронзы в старину несло ощутимую опасность, поскольку при этом использовался мышьяк, а последний является ядом.
• Такую же опасность представляет изготовление бериллиевой бронзы, поскольку сам бериллий является токсичным веществом. Готовый сплав совершенно безопасен.

Бронзы – целый ряд самых разнообразных сплавов с самыми разнообразными свойствами. Бронза известна с самых давних времен, но не исчерпала своих возможностей.

У вас завалялась пара бронзовых монет, требующих чистки? Тогда этот видеоролик поможет справиться с такой задачей: