виды, состав и свойства материала

Бронза — это сплав меди с оловом, алюминием, свинцом, кремнием и бериллием. В состав сплава могут входить самые разные металлы, по названиям которых дается имя: оловянная бронза, алюминиевая. Процент примесей не должен превышать 2,5%. Исключением являются никель и цинк — медные сплавы с этими элементами называются мельхиором и латунью соответственно. Однако незначительное количество цинка все же может присутствовать в составе — его количество должно быть ниже суммы всех остальных примесей, иначе сплав будет считаться латунью.

Само название произошло от итальянского «bronzo». Впервые сплав начали использовать еще в 35-33 веке до н.э. (точные даты не установлены), когда начался бронзовый век, пришедший на смену медному. Благодаря улучшению обработки меди и олово удалось получить достаточно прочный и красивый сплав, который продержался почти до 11 века до н.э. Ее использовали для производства наконечников стрел и копий, кинжалов, ножей, мечей и другого холодного оружия, для производства деталей мебели, зеркал, посуды, ваз, кувшинов, украшений, статуй и монет.

В Средние века бронзу применяли для изготовления церковных колоколов и пушек, последние изготовлялись из специальной пушечной бронзы до XIX века.

Физические свойства

Физические свойства сплава зависят от его состава и могут значительно колебаться. В отличие от латуни бронза обладает более высокой антикоррозийной стойкостью и антифрикционными свойствами. Она более прочна и оказывает стойкое сопротивление воздуху, воде, соли, органическим кислотам. Также бронзу легко паять и сваривать.

1. Плотность: 7800-8700 кг/м3.
2. Температура плавления: 930Со — 1140Со.
3. Цвет колеблется от красного до белого.
4. Обладает повышенной сопротивляемостью износу и низким коэффициентом трения, справляется даже при низкой температуре до -250Со.
5. Некоторые виды бронзы имеют высокую паростойкость, теплопроводность и электропроводность и используются в технике, работающей в тяжелых условиях.

Получение

Бронзу получают путем сплавления меди с разными металлами для повышения определенных характеристик. Для этого используют индукционные печи и тигельные горны, пригодные для плавки любых медных сплавов. Плавку обычно проводят под слоем древесного угля или флюса. Для плавки могут использовать как свежую руду, которая еще не подвергалась обработке, так и вторичные отходы. Последние обычно добавляют к свежей медь в процессе сплавления.

При использовании только свежей руды соблюдают следующий порядок: в разогретую предварительно печь складывают уголь или флюс, загружают медь и прогревают до ее расплавления — 1150Со — 1170Со. Затем металл окисляют добавлением фосфористой меди, иногда ее вводят в несколько приемов — 50% сразу, 50% — в ковше. После раскисления вводят дополнительные добавки, прогретые до 100Со — 120Со.

Если дополнительные металлы тугоплавкие, то их сперва полностью растворяют в жидкой меди, а затем прогревают до определенной температуры. Вытащив сплав из печи, его раскисляют вводом 50% фосфористой меди, чтобы избавиться от окислов.

Если используют вторичные металлы или отходы, то сперва чистую медь расплавляют, раскисляют фосфористой медью и добавляют вторичные металлы. После расплавления последний в жидкую медь вводят добавки и дожидаются их расплавления. После нагревания до определенной температуры сплав раскисляют фосфористой медью, засыпают просушенным флюсом или прокаленным древесным углем. Смесь нагревают и оставляют на 20-30 минут, временами перемешивая. Когда время закончится, с поверхности удаляют выступивший шлак и разливают по формам.

Виды бронзы

Оловянная

Оловянная бронза наиболее широко применяется в современной промышленности. Это сплав меди с оловом (в классическом соотношении 80% к 20%), который обладает хорошей прочностью и твердостью, при этом легче плавится и обладает высокой антикоррозийной стойкостью и антифрикционными свойствами.

Оловянная бронза с трудом поддается ковке, прокатке, резке, заточке и штамповке и в основном пригодна исключительно для цельного литья. Небольшая осадка (не более 1%) позволяет использовать материал при создании особо точных изделий в художественном литье.

По желанию к сплаву могут добавить другие металлы.

1. Цинк (не более 10%) повышает коррозионную стойкость сплава и используется для создания элементов кораблей и судов, которым придется часто контактировать с морской водой.
2. Благодаря добавлению свинца и фосфора можно существенно улучшить антифрикционные свойства бронзы, также сплав легче обрабатывается давлением и резанием.

Безоловянные

В некоторых случаях применение олова недопустимо. В этом случае на помощь приходят другие металлы, добавление которых позволяет получить необходимые характеристики. И хотя оловянная бронза является эталоном и наиболее востребована, безоловянные бронзы не уступают ей.

Свинцовистая или свинцовая

Свинцовая бронза является прекрасным антифрикционным сплавом, хорошо сопротивляются давлению, обладает повышенной прочностью и тугоплавкостью. Ее применяют для изготовления подшипников, подвергающихся наибольшему давлению при работе.

Кремнецинковая

Кремнецинковая бронза состоит из меди (97,12%), кремния (0,05%) и олова (1,14%). Она довольно текучая и пластичная, что позволяет использовать ее в качестве материала для изделий сложной формы. Она обладает повышенным сопротивлением при сжатии, не магнитится и не дает искры при обработке. Отличается упругостью и антифрикционными свойствами, не теряет пластичности при пониженных температурах, хорошо спаивается. Часто содержит никель или марганец.

Бронзу используют при изготовлении пружин, подшипников, решеток, направляющих втулок, испарителей и сетей.

Бериллиевая

Бериллиевая бронза является наиболее твердой из всех видов. Она обладает повышенными антикоррозийными свойствами и жаропрочностью, устойчива при низких температурах, не дают искр при ударах и не магнитятся. Металл закаляют при 750Со — 790Со, состаривают — при 300Со — 325Со. В бериллиевую бронзу иногда добавляют никель, железо или кобальт, чтобы облегчить технологию закалки. Кроме того, никелем можно заменить бериллий.

Материал используют для создания пружин и пружинящих деталей, мембран, для деталей часов.

Алюминиевая

Алюминиевая бронза состоит из меди (95%) и алюминия (5%). Имеет приятный золотой цвет и блеск, выдерживает длительное воздействие агрессивной среды, например, кислот. Сплав обладает большей плотностью отливки, жаропрочностью и повышенной прочностью, хорошо переносит низкие температуры. Из недостатков стоит отметить более слабую коррозийную стойкость, более сильную усадку, а также сильное газопоглощение в жидком состоянии.

Бронзу используют для изготовления деталей автомобилей и в пороховом производстве, выплавляют шестеренки, втулки, монеты и медали.

Остальные металлы

Помимо указанных выше, в бронзе могут присутствовать и другие элементы. Никель и железо увеличивают температуру рекристаллизации и способствуют измельчению зерна. Хром и цирконий снижают электропроводность и повышают жаропрочность бронзы.

Маркировка

Чтобы выбрать правильный вариант металла, достаточно внимательно посмотреть на его маркировку. Это поможет безошибочно определить особенности и характеристику выбранного вида.

Первыми идут буквы «Бр» — это означает «Бронза». Затем в ряд расположены одна или несколько букв, за которыми прячутся добавки: О — Олово, А — Алюминий, К — Кремний, Н — Никель, Мц — Марганец, Ж — Железо, С — Свинец, Ф — Фосфор, Ц — Цинк, Б — Бериллий. Следом через дефис записаны цифры — это процентное содержание каждой добавки по очереди.

Например, обозначение Бр А Ж Н -10 -4 -5 можно расшифровать так: Бронза с содержанием Алюминия (10%), Железа (4%) и Никеля (4%).

Применение

Бронзу активно используют в промышленность и самых разных сферах. В первую очередь бронзу применяют в одноименном прокате: ее выпускают в виде труб, проволоки, листов и прутьев. Металл можно встретить и в автомобилестроении, химической, пищевой, строительной и топливной промышленностях. Из нее производят шестеренки, подшипники, втулки, пружины и другие детали, которые подвергаются воздействию агрессивной окружающей среды и часто работают при повышенном давлении. В отличие от латуни бронза прекрасно переносит механические нагрузки и более пластична.

Из металла производят предметы искусства, скульптуры, кованные изделия, украшения, посуду и художественные предметы.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

состав и маркировка, виды сплавов и их свойства, сферы применения

Бронза, которая так издавна известна людям, представляет собой ценнейший сплав с уникальными характеристиками. В статье будет подробно рассмотрен состав бронзы, ее виды и особые свойства каждого из них. Также интересно будет узнать о современной сфере применения этого сплава.

Что такое бронза?

Бронза является многокомпонентным сплавом, состоящим из двух и более элементов, основной из которых медь. Остальные элементы называются легирующими и используются для усовершенствований показателей металла. Доля легирующих составных в бронзе может быть от 2,5%. Применяют в этом качестве марганец, олово, свинец, хром, фосфор, железо и другие элементы, кроме цинка. Сочетание меди и цинка, носит наименование латуни.

В зависимости от количественного содержания в сплаве меди добавок, бронза будет иметь различный цветовой оттенок. Огненно красные оттенки говорят о высоком проценте меди, а вот холодный стальной цвет – о наличие в бронзе не более 35% меди.

История бронзового сплава

Бронза, как известно еще со школьных учебников, применялась с очень давних времен. Самыми древними сплавами, сделанные людьми, были сплавы меди и олова. Находки в районе Месопотамии и Южного Ирана свидетельствуют о том, что первые бронзовые изделия датируются III тысячелетием до н.э. Из меди изготавливалось все: посуда (тарелки, кувшины и горшочки) оружие (мечи, наконечники стрел и топоры), зеркала, деньги в виде монет и, конечно, самые разнообразные украшения. Античные греческие скульпторы (V-IV век до н.э.) также оценили качества бронзы при отливке крупногабаритных статуй. Подобная технология используется и в наше время.

В средневековье, такое обильное на войны, из сплава меди и олова отливали пушки и снаряды для артиллерии. Наиболее известное воплощение бронзы – колокол, варьируя состав, размер и толщину стенок, мастера добивались самых приятных звучаний бронзового колокола, которое разливалось по округе.

Служа людям своими уникальными свойствами, она не теряет своей популярности. Происхождение слова связывают с персидским словом, обозначающим медь – berenj. В дальнейшем оно было трансформировано в итальянское слово bronzo.

Маркировка бронзы

Чтобы обозначить тот или иной сплав его маркируют следующим образом:

• Вначале стоит буквенное сочетание «Бр» — бронза;
• Далее, буквы, указывающие на основные легирующие элементы;
• В конце цифры, определяющие содержание легирующих элементов в материале.

Так, примером может служить маркировка БрО5 – содержание в сплаве 5% олова, БрА5 — 5% алюминия.

Маркировка необходима не только для определения состава и свойств бронзы, но и ее удельного веса. Чтобы это сделать, достаточно воспользоваться таблицей из справочника. Но если марка неизвестна, тогда поможет химический анализ. Это необходимо для вычисления объема заготовки, так как ее формула отражает отношение массы к объему. Зная удельный вес отдельно взятого сплава можно вычислить объем детали с определенной массой и наоборот, какой будет вес у бруска заданной величины.

Свойства бронзы

Как уже было отмечено, свойства бронзы напрямую зависят от наличия в ней одной или нескольких легирующих элементов, а также от их процентного содержания.

Бронза обладает:

• Более высокой коррозионной стойкостью, прочностью и более низким коэффициентом трения, нежели у латуни;
• Стойкостью на воздухе, в соленой воде, углекислых растворах и растворах, содержащих органические кислоты;
• Способностью к сварке и пайке;
• Оттенками от красного до белого;
• Другие показатели зависят от состава.

Состав бронзы

Далеко не всякое сочетание в сплаве меди и другого элемента является бронзой. Медь и цинк, как уже было сказано, образуют желтовато-золотистый сплав под названием латунь. А вот медь с никелем воплощаются в мельхиор, использовавшийся некогда для дивно звучащих ложек, а в большей степени для монет. Он ценится за то, что долго не теряет свой серебристый оттенок и сияние.

Оловянная бронза

Основной легирующий компонент такой бронзы олово. Дополнительно в сплав вводится свинец, фосфор, мышьяк и цинк. Олово наделяет медь особыми качествами – лучшей легкоплавкостью, твердостью и упругостью. Такое сочетание свойств идеально подходит для полировки. Другие легирующие элементы делают сплав стойким к коррозии и более удобным для литья.

При введении олова до отметки 5% от общей массы, начинает снижаться пластичность сплава, а при 20% олова материал становится хрупким. По этой причине сплавы, где доля олова превышает 6-ти % барьер, пригодны в основном для литья, но для проката или ковки не годятся. Для того чтобы бронзовый сплав был более пригоден для механической обработки в него вводят о 5% свинца, который обеспечивает облегченное стружколомание. Фосфор раскисляет сплав, который называют фосфористым, если процент этого элемента более единицы.

Применение цинка помогает значительно удешевить материал, практически не оказывая какого-либо влияния на качество сплава олова с медью. Таким образом, в состав вводиться до 10% цинка без изменения механических свойств, снижая себестоимость продукции.

Наибольшая доля олова может составлять 33%, при которой бронза обретает приятный серебристо-белый цвет. В зависимости от изменения доли этого элемента, достигается цвет материала от красного до желтого.

Специальная бронза (без олова)

Сплавы с медью, не содержащие олова в качестве легирующего компонента, называют специальной или безоловяной бронзой. Такие сплавы меди с алюминием, железом, свинцом, кремнием и т.д. бывают самого разного предназначения. Они могут значительно превосходить по качествам сплавы с оловом, а их цветовая гамма еще более богата разнообразием.

Алюминиевая бронза выигрывает по механическим качествам в сравнении с оловянной. Вместе с тем алюминиевые сплавы химически устойчивы. Сплав меди с кремнием и цинком показывает отличную текучесть в жидком состоянии.

Бериллиевая бронза превосходит все остальные по упругости, обладая при этом высокую твердость. Кроме того, отмечается высокая свариваемость, химическая устойчивость бериллиево-медного сплава. Он отлично работает с режущим инструментом, подаваясь его обработке. По этой причине этот сплав подходит для изготовления таких деталей и элементов, как мембраны, пружины, контакты с пружинящими свойствами. Они легко и надежно свариваются и являются долговечными.

Характеристики бронзы

Технологические характеристики

По своим технологическим свойствам бронзы могут быть:

• Деформируемые или легко поддающиеся механическому воздействию. Такими свойствами обладают сплавы, содержащие не более 6% олова. Их пластичность позволяет производить штамповку, ковку и изготавливать рифленые бронзовые материалы. Именно из деформируемых сплавов делают бронзовую проволоку, ленту и листы и т.п.;
• Литейные – рассчитанные на фасонное литье. Из таких литейных бронз на основе меди и олова изготавливают машинные детали, которые могут работать в морской воде, а также шестеренки и вкладыши для подшипников.

Теплопроводность бронзовых сплавов

Если говорить о теплопроводности, то она падает с введением легирующих добавок. Несмотря на то, что медь очень хорошо проводит тепло, ее сплавы с другими компонентами теряют больший процент этого показателя. Невысокая теплопроводность делает бронзу непригодной для узлов трения, сварочных электродов и прочих элементов, где требуется быстра отдача и отвод тепла. Однако, низколегированные бронзовые сплавы близки по теплопроводности к меди.

Производство бронзы

Процесс получения этого металла происходит в электроиндукционных печах или тигельных горнах, где медь сплавляется с легирующими добавками. Плавка проходит под пластом флюса или древесного угля. Смесь исходного материала для плавления может быть приготовлена как из свежих металлов, так и из вторсырья.

Процесс производства бронзы:

1. В разогретую печь помещается определенная порция угля или флюса;
2. В печь загружают медь, где она плавиться и разогревается до нужной температуры;
3. Расплавленный материал раскисляется при помощи фосфористой меди;
4. В раскисленный расплав добавляют легирующие компоненты, доведенные до горячего состояния. Тугоплавкие легирующие добавки вводя в виде лигатур;
5. Все перемешивается до полного растворения составляющих и нагревается до температуры по технологии;
6. Перед тем как начать разливку, делают повторное раскисление фосфористой медью для удаления ее окислов;
7. Полученный бронзовый сплав прекрасно плавится и заполняет формовочные емкости в виде слитков стандартной и круглой формы;
8. Слитки проходят прокатку или пресс-обработку.

Сферы применения

Благодаря своим разнообразным свойствам бронзу применяют в машиностроении, ракето- и авиастроении, судостроении и многих других отраслях. Качество антикоррозионной устойчивости, износостойкости и низкий коэффициент трения сделало ее незаменимым материалом для машин и агрегатов, которые вовлечены в подвижные узлы с высоким трением. С другой стороны, бронзовые детали нуждаются в периодическом обновлении. Благодаря химической устойчивости безоловянные сплавы бронзы применяется для проката элементов химпрриборов, изготовления регулирующей арматуры для различных трубопроводов.

Несменная популярность применения бронзы в изготовлении скульптур обусловлена ее пригодностью для литья, а также атмосферной устойчивостью, долговечностью и прочностью. Немаловажен фактор внешней привлекательности бронзовой скульптуры – цвет и блеск, притягивающий взгляд. Кроме того, бронза придает изделию солидности с эффектом старины. По этой причине из бронзовых сплавов изготавливают сложнейшие люстры, канделябры и другие элементы декора в театрах и дворцах.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Бронза — это… Что такое Бронза?

Статуэтка, отлитая из бронзы

Бро́нза — сплав меди, обычно с оловом как основным легирующим элементом, но применяются и сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка и никеля. Сплавы с содержанием цинка и никеля получили название шпиатр и не являются бронзой, а являются ее более дешевой (в ценах древнего Рима) подделкой. Название «бронза» происходит от итал. bronzo, которое, в свою очередь, произошло либо от персидского слова «berenj», означающего «медь»^[1], либо от названия города Бриндизи, из которого этот материал доставлялся в Рим.

В зависимости от легирования бронзы называют оловянными, алюминиевыми, кремниевыми, бериллиевыми и т. д. Все бронзы принято делить на оловянные и безоловянные. Плотность бронзы в зависимости от марки (и включения примесей) составляет 7800-8700 кг/м³ ; температура плавления 930—1140 °C;

Оловянные бронзы

Наиболее древние бронзовые артефакты были обнаружены археологом Веселовским в 1897 году в районе реки Кубань (т.н. Майкопская культура). Бронза майкопских курганов в основном представлена сплавом меди с мышьяком. Постепенно знания о прочном и пластичном металле распространились на Ближний Восток и Египет. Здесь, после перехода к оловянно-медному сплаву, бронза обрела положение одного из важнейших декоративных материалов.

Олово на механические свойства меди влияет аналогично цинку: повышает прочность и пластичность. Сплавы меди с оловом обладают высокой антикоррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Этим обусловливается применение бронз в химической промышленности для изготовления литой арматуры, а также в качестве антифрикционного материала в других отраслях.

Оловянная бронза хорошо обрабатывается давлением и резанием. Она имеет очень малую усадку при литье: менее 1 %, тогда как усадка латуней и чугуна составляет около 1,5 %, а стали — более 2 %. Поэтому, несмотря на склонность к ликвации и сравнительно невысокую текучесть, бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Оловянные бронзы знали и широко использовали ещё в древности. Большинство античных изделий из бронзы содержат 75—90 % меди и 25—10 % олова, что делает их внешне похожими на золотые, однако они более тугоплавкие. Они не утратили своего значения и в настоящее время. Оловянная бронза — непревзойдённый литейный сплав.

Оловянные бронзы легируют цинком, никелем и фосфором. Цинка добавляют до 10 %, в этом количестве он почти не изменяет свойств бронз, но делает их дешевле. Оловянная бронза с добавлением цинка называется «адмиралтейской бронзой» и обладает повышенной коррозионной стойкостью в морской воде. Из нее делались, например, астролябии и другие штурманские инструменты для мореплавания. Свинец и фосфор улучшают антифрикционные свойства бронзы и её обрабатываемость резанием.

Безоловянные бронзы

Шлем из бронзы

В силу высокой стоимости олова были найдены заменители оловянной бронзы. Они содержат олово в меньшем количестве по сравнению с ранее применявшимися бронзами или не содержат его совсем.

В древности иногда использовался сплав меди с мышьяком — мышьяковистая бронза, в некоторых культурах использование мышьяковистой бронзы даже предшествовало выплавке оловянной. Использовались и сплавы, в которых мышьяком замещалась лишь часть олова.

В настоящее время существует ряд марок бронз, не содержащих олова. Это двойные или чаще многокомпонентные сплавы меди с алюминием, марганцем, железом, свинцом, никелем, бериллием и кремнием. Величина усадки при кристаллизации у всех этих бронз более высокая, чем у оловяных.

По некоторым свойствам безоловянные бронзы превосходят оловянные. Алюминиевые, кремниевые и особенно бериллиевые бронзы — по механическим свойствам, алюминиевые — по коррозионной стойкости, кремнецинковые — по текучести. Алюминиевая бронза благодаря красивому золотисто-жёлтому цвету и высокой коррозионной стойкости иногда также применяется как заменитель золота для изготовления бижутерии и монет

[2].

Прочность алюминиевой и бериллиевой бронзы может быть увеличена при помощи термической обработки.

Также необходимо упомянуть сплавы меди и фосфора. Они не могут служить машиностроительным материалом, поэтому их нельзя отнести к бронзам. Однако они являются товаром на мировом рынке и предназначаются в качестве лигатуры при изготовлении многих марок фосфористых бронз, а также и для раскисления сплавов на медной основе.

См. также

Литература

Примечания

Ссылки

Состав сплава бронзы и его основные компоненты

В современной промышленности существует большое количество различных сплавов черных и цветных металлов. Одним из самых древних и известных является бронза — сплав, в котором главным компонентом является медь. По историческим фактам известна целая эпоха, так называемый бронзовый век, в котором изготовление соответствующего медного сплава было основой металлургической промышленности. Этот период начинался приблизительно с конца IV тысячелетия до н. э., когда значительно улучшилась обработка меди и олова, и продолжался до XII века до н. э.

Основные свойства бронзовых сплавов

Физические свойства могут сильно меняться в зависимости от легирующих компонентов, но тем не менее можно выделить основные общие свойства материала:

• Плотность бронзы составляет от 7800−8700 кг/м3.
• Хорошая износостойкость, низкий коэффициент трения, сопротивление хрупкому разрушению при очень низких температурах (до 250 °С).
• Температура плавления 940−1140 °С.
• Легко поддается пайке и сварке.

Количество чистой меди в составе сплава, помимо физико-химических свойств, влияет на цвет. Так,

золотистый цвет имеют изделия с процентным содержанием меди около 85%. При уменьшении процента меди до 50% может получиться белый цвет, очень похожий на серебро, а при понижении до 35% и менее — черный.

Изготовление бронзы происходит посредством выплавки: исходное сырье помещается в горн или индукционную печь, где оно расплавляется с дальнейшим его перемешиванием и разливкой в требуемые формы.

Виды бронзы и их применение

С развитием металлургии и открытием разных видов металлов, появилось большое количество бронз, но основным металлом в формуле является медь. В зависимости от того, какие компоненты входят в состав, изменяются и свойства материала.

Знание этих особенностей позволяет применять бронзовые сплавы в различных видах промышленности в зависимости от предъявляемых к материалу требований. Бронзу часто выпускают в виде прокатных труб, проволоки и листов. Используется металл в производстве подшипников, втулок, рессор и прочих деталей, подверженных воздействию высокого давления и износа. Высокие антикоррозийные свойства позволяют применять данный материал также в условиях агрессивной внешней среды и при работе с различной химией. Помимо этого, применение бронзы распространено в художественных ковке и литье, из нее делают различные скульптуры, памятники и украшения.

Оловянная

Сплав меди и олова называется оловянным. Эти бронзы применялись в бронзовом веке, дошли до наших дней и являются наиболее применяемыми в промышленности. Из этого вида сплава часто отливались различные колокола, в связи с чем данный материал иногда называется колокольной бронзой.

Оловянистый материал почти не поддается механической обработке, поэтому изделия из него создаются исключительно литьем; имеет высокую твердость и прочность, а также антикоррозийные свойства. Стандартный сплав меди и олова характеризуется количественным соотношением 80:20, но может дополняться некоторыми металлами для изменения свойств:

• Добавление цинка (менее 10%) позволяет повысить антикоррозийную стойкость. Используется для создания деталей, которым нужно часто контактировать с водой и другими окислителями.
• Свинец и фосфор повышают антифрикционные свойства. Кроме того, сплав с добавлением этих металлов проще подвергается обработке.

Иногда наличие олова в изделии недопустимо и его заменяют другими металлами, позволяющими достичь требуемых характеристик, например, свинец, кремний, цинк, бериллий или алюминий. Такая бронза называется безоловянной, или специальной.

Свинцовая

Основной легирующий компонент — свинец, содержание которого может достигать 30%. Материал имеет хорошие антифрикционные свойства и высокую теплопроводность, может выдерживать давление до 30 мПа, поэтому применяется для изготовления подшипников, подвергающихся высокому давлению.

Кремниецинковая

Данный сплав состоит из 97% меди, 1.1% олова, 0.05% кремния и цинка. Является довольно пластичным и текучим, что позволяет применять его как материал в изделиях сложной формы. Имеет хорошее сопротивление при сжатии, обладает антифрикционными свойствами и упругостью. Не искрит при обработке, хорошо сопротивляется низким температурам, зачастую содержит добавки никеля и марганца.

Бериллиевая

Бериллиевый сплав является самым твердым из всех существующих видов бронз. Обладает высокими антикоррозийными свойствами, не искрит при обработке, не магнитится. В процессе закалки приобретает хорошую деформируемость и упругость.

Алюминиевая

Состав бронзы в процентах выглядит как 95% меди и 5% алюминия. Сплав очень хорошо сопротивляется агрессивным средам, жаропрочный, но имеет низкие антикоррозийные свойства и дает сильную усадку.

Сплав меди с цинком называется красной бронзой — латунью, а с никелем — мельхиором. Эти соединения являются отдельными материалами, их малое количество может присутствовать в любом сплаве, но должно быть ниже суммы всех остальных компонентов.

Маркировка сплавов

Для того чтобы определить состав бронзы и ее свойства, нужно знать принцип формирования его маркировки. Маркировка составляется в соответствии с ГОСТом, согласно которому принимаются следующие обозначения:

• Сначала ставятся буквы Бр, что означает Бронза;
• Затем в ряд идет перечисление легирующих компонентов: А — алюминий, О — олово, Н — никель, Ц — цинк, Мц — марганец и так далее;
• После каждой буквы указана цифра, которая показывают процент содержания примеси в сплаве;
• Количество меди в сплаве не прописывается, а высчитать его можно по указанному составу бронзы как разность в процентах между 100% от всего состава и суммой всех добавок.

Например, марка БрО3Ц7С5Н1 говорит о том, что это бронза, в составе которой 3% олова, 7% цинка, 5% свинца и 1% никеля. Остальные 84% состава приходятся на медь.

Знание принципов маркировки сплава позволит определять его состав и свойства, что поможет не ошибиться с выбором нужного материала.

Бронза – состав, свойства и виды сплава по этим критериям + Видео

Многим нравится, как выглядит бронза, состав же ее интересует кого-то редко. А ведь благодаря его вариациям существует большое количество видов этого сплава с различными качествами, из-за чего применение бронзы практически не имеет границ.

1 Маркировка, химсостав и цвет бронзы

Бронзой называется сплав меди с оловом (а не с серебром, как считают некоторые). Это самый основной вид. Помимо главных ингредиентов, из которых состоит материал, бывают еще цинковые, свинцовые, марганцевые, алюминиевые добавки. Но какими бы ни были эти соединения, присутствие меди всегда остается неизменным. Есть две группы, на которые делятся бронзы по своему химическому составу: оловянные (легирующий, т. е. преобладающий элемент среди добавок – олово) и безоловянные (этот легкоплавкий металл присутствует, но не в большом количестве). Помимо химического различия сплавы еще могут классифицироваться по способу обработки. Имеются деформируемые типы, которые производятся для деталей, изготавливаемых давлением (штамповкой), и литейные составы, приспособленные для создания отливок.

Бронзовый сплав

Если начать перечислять сплавы, в которых присутствуют дополнительные металлы, то весь перечень займет не один лист. Говорят, опытный специалист может определять разные бронзы по цвету и даже безошибочно назвать, какие примеси есть в изделии. Вполне возможно, но вот как при необходимости простой человек, никогда не имевший отношения ни к металлургии, ни к слесарному делу, сможет определить, какие именно сплавы ему необходимы? На помощь приходят условные обозначения, принятые государственными стандартами. Существуют таблицы с буквенными кодами, благодаря которым любой желающий может узнать, подходит бронзовое изделие для его нужд или нет. Пользоваться этими индексами чрезвычайно просто.

Для примера давайте рассмотрим маркировку одного из самых распространенных видов с кодом БрАЖ 9–4. Итак, «Бр» означает, что сплав имеет в основе традиционную бронзу. Буквы А и Ж говорят о том, что в состав помимо меди и олова входят алюминий и железо. Если вместо этого вы увидите другой буквенный знак, то легко можете определить, какой металл еще присутствует внутри того или иного бронзового изделия:

• А – алюминий;
• Б – бериллий;
• Ж – железо;
• К – кремний;
• Мц – марганец;
• Н – никель;
• О – олово;
• С – свинец;
• Ц – цинк;
• Ф – фосфор.

Изделие с кодом БрАЖ 9–4

Теперь о том, что обозначают цифры. Как правило, процент содержания меди в химическом составе бронзы не указывается, а высчитывается по разности. В нашем примере мы видим, что сплав имеет 9% алюминия, 4% железа, а, значит, и 87% меди. Процентное содержание меди влияет на то, каким будет цвет у того или иного изделия. Обычным считается случай, когда Cu составляет в сплаве 85%. На выходе сплав по цвету будет напоминать золото. А если пропорция красного металла будет составлять 50%, а другую половину заполнят светлые добавки, он сможет выглядеть даже как серебро.

При желании сплав можно довести и до такого состояния, когда поверхность станет черная, скажем, уже серой она становится, если содержание меди в составе бронзы уменьшить до 35%.

Где нужен совсем темный материал? Обычный человек чаще видит такой сплав в музее, изделия кажутся просто покрашенными, но глубоко черная поверхность как раз естественная. Правда, металловеды сходятся во мнении, что по-настоящему правильную бронзу такого цвета (с добавлением большого числа редкоземельных металлов) получить в древности не могли. Скорее всего, музейные экспонаты сделаны из более традиционного сплава, но претерпели пожары, где и сплавились с расположенными рядом металлическими изделиями, давшими в результате такой цвет.

2 Виды сплава и их применение

Эксперименты с пропорциями были проведены еще нашими далекими предками. Однако не все так просто. Как было обнаружено, при изменении химического состава становятся другими и свойства сплава. На ковкость бронзы влияет количество в ней олова. Чем больше этого металла, тем тверже она становится. А самым твердым материалом считается бериллиевая бронза. Во время закаливания у нее появляется определенная пластичность, и она весьма подходит для производства деталей, обладающих упругостью: пружин, рессор, мембран.

Для получения прочных металлических лент и труб, которые было бы легко резать, но в то же время они не поддавались воздействию коррозии (в том числе и от морской воды), применяется алюминиевая бронза. То есть сплав, в котором основным легирующим элементом выступает широко применяемый и известный всем металл. Свинцовистая бронза нашла применение при изготовлении подшипников. И все это благодаря отличному противостоянию ударным нагрузкам и антифрикционным свойствам. Для изготовления деталей достаточно сложных форм, у которых отсутствует такое свойство, как образование искр, используется кремнецинковая бронза. В расплавленном состоянии она, кстати, обладает отличной текучестью, что позволяет ее разливать в любые формы.

Трубы из алюминиевой бронзы

Немного особняком от традиционных сплавов стоит алюмоникелевая бронза (морская), потому что по сути это совершенно другой состав, по свойствам далекий от классического. Единственное, что роднит его с рассматриваемым материалом – наличие меди как одного из элементов. Открыт этот сплав не так давно, благодаря развитию литейного производства и созданию определенных условий, невозможных при кустарном хозяйстве.

Потребность в этом материале возникла после того, как человечество стало осваивать добычу нефти с помощью платформ, расположенных в морях и океанах. А именно, нужны были пожарные насосы, которые могли бы использовать соленую воду. Дело в том, что металлические части этих устройств изготавливались из сплавов, невыдерживающих воздействия специфичной среды. И во время экспериментальных поисков было найдено такое соотношение, которое с успехом прошло испытание.

3 Как получают бронзу – техпроцесс в двух словах

Всю историю оборудование для получения бронзы изменялось. По большому счету, принцип действия остался тем же: сырье – шихта с металлом или отходы производства, а в качестве флюса используется древесный уголь. Сам процесс происходит в определенном порядке. Вначале идет разогрев индукционной электрической печи до необходимой степени, после чего в нее засыпается слой флюса, на который затем поступает медь. Металл должен расплавиться и хорошо прогреться (температура также постоянно контролируется). Когда нужный параметр достигнут, в металлический расплав вводят фосфористую медь, которая благодаря своим свойствам воздействует на состав как кислотный катализатор.

После того как медь переходит в жидкое состояние, туда начинают поступать другие составные (легирующие) и связующие (лигатуры) элементы. Затем приступают к размешиванию сплава, пока компоненты в нем полностью не растворятся. Температурный режим также строго выдерживается. Когда до окончания плавки остается определенный технологией период, вновь вступает в дело фосфористая медь, позволяющая избавиться от нежелательных окислений. После финальной обработки бронзовый расплав уже готов к применению по назначению.

Бронзовый расплав

В чем секрет популярности бронзы? Почему на протяжении тысячелетий сплав продолжает пользоваться повышенным вниманием, а технологии его усовершенствования расширяют свои границы? Прежде всего – антикоррозийные и антифрикционные свойства. Материал не боится воздействий окружающей среды, ему не страшны перепады температур, повышенная или пониженная влажность, воздействие кислотных факторов.

Бронза легко поддается сварке, а добавки разных металлов придают ей свойства, необходимые в той или иной области. К примеру, бериллий и кремний дают возможность использовать бронзовые детали при значительном повышении температуры, свинец и цинк понижают коэффициент трения и позволяют использовать изделия из этого материала там, где трущиеся части механизмов ведут к сильному износу самого агрегата.

4 Патина и ее виды – что это значит для сплава?

Говоря о бронзе, невозможно обойти стороной и такое явление, как патина. Его видел каждый из нас при осмотре памятников, старых артиллерийских орудий, предметов интерьера. Некоторые считают, что она сродни ржавчине, но это совсем не так. Зеленый налет на бронзовых изделиях не что иное, как пленка, образуемая во время воздействия внешних факторов (воздуха, воды, выхлопов бензина) на медь в сплаве.

В зависимости от того, какие вещества принимали участие в образовании такого явления, и что за компоненты использовались в сплаве изделия, патина бывает оксидного и карбонатного происхождения. В отличие от ржавчины, эта естественно созданная пленка не разъедает поверхность, а наоборот, служит защитным слоем для изделия. Особо ценен слой (куприт), который образовывается на протяжении многих десятилетий и располагается в самом низу, непосредственно покрывая памятник, статуэтку или другое старинное изделие.

Следует различать два вида патины: благородную и дикую. Первая обладает теми свойствами, о которых говорилось выше. Вторая возникает из-за активного воздействия влаги и неправильно примененных веществ (краски, моющих и абразивных средств), и ведет к коррозии и образованию каверз. Опасность подобного явления состоит в том, что удаление неблагоприятного налета ведет к снятию верхнего слоя самой бронзы, а это портит вещь, обладающую исторической и культурной ценностью. При реставрационных работах антикварных вещей из этого сплава применяются специальные технологии, восстанавливающие слой на их поверхности, а также искусственное патинирование с помощью нанесения препарата, содержащего серу, и легкого нагрева самого изделия.

СВОЙСТВА БРОНЗ

БРОНЗЫ  и  БРОНЗОВЫЙ  ПРОКАТ 

Классификация бронзовых сплавов 

     Бронзами называются сплавы на основе меди, в которых основными легирующими элемен-тами являются олово, алюминий, железо и другие элементы (кроме цинка, сплавы с которым относятся к латуням). Маркировка бронз состоит из  сочетания «Бр»,  букв, обозначающих основ-ные легирующие элементы и цифр, указывающих на их содержание.

      По химическому составу бронзы классифицируются по названию основного легирующего элемента. При этом бронзы условно делят на два класса: оловянные (с обязательным присут-ствием олова) и безоловянные.

      По применению бронзы делят на деформируемые, технологические свойства которых допускают производство проката и поковок, и литейные, используемые для литья. В то же время многие бронзы,  из которых производится прокат, используются и для литья.

      Химический состав и марки бронзовых сплавов определены в следующих ГОСТах:

Литейные: оловянные в ГОСТ 613-79,  безоловянные в ГОСТ 493-79.

Деформируемые: оловянные в ГОСТ 5017-2006,  безоловянные в ГОСТ 18175-78

       Многообразие бронз отражает приведенная ниже таблица. В ней представлены практически все деформируемые и часть литейных бронз.  Бронзы, используемые исключительно как литейные, помечены «звездочкой». В дальнейшем будут рассматриваться преимущественно деформируемые бронзы. Структура бронзовых сплавов кратко рассмотрена в — Структура и свойства сплавов.

 

ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ
БрО5*	БрОФ4-0.25	БрОЦ4-3	БрОС8-12*	БрОЦС4-4-2.5
БрО10*	БрОФ6.5-0.15	БрОЦ8-4*	БрОС5-25*	БрОЦС4-4-17*
БрО19*	БрОФ7-0.2	БрОЦ10-2*	БрОС10-10*	БрОЦС5-5-5*
	БрОФ10-1*		БрОС6-15*	БрОЦС6-6-3*
АЛЮМИНИЕВЫЕ БРОНЗЫ
БрА5	БрАМц9-2	БрАЖ9-4	БрАЖМц10-3-1.5	БрАЖН10-4-4
БрА7	БрАМц10-2*		БрАЖНМц10-4-4-1	БрАЖН11-6-6*
КРЕМНИСТЫЕ	БЕРИЛЛИЕВЫЕ	КАДМИЕВЫЕ	МАГНИЕВЫЕ	ХРОМОВЫЕ
БрКМц3-1	БрБ2	БрКд1	БрМг0.3 (0.5 и 0.8)	БрХ0.8
БрКН1-3	БрБ2.5	БрКдХ0.5-0.15		БрХ1
БрКН0.5-2	БрБНТ-1.9			БрХ1Цр
СЕРЕБРЯНЫЕ	ЦИРКОНИЕВЫЕ	СВИНЦОВЫЕ	МАРГАНЦЕВЫЕ
БрСр0.1	БрЦр0.2	БрС30*	БрМц5

  Физические свойства бронзовых сплавов     

      Модуль упругости Е разных марок меняется в широких пределах: от 10000 (БрОФ, БрОЦ) до 14000 (БрКН1-3, БрЦр). Модуль сдвига G меняется в пределах 3900-4500. Эти величины сильно зависят от состояния бронзы (литье, прокат, до и после облагораживания). Для нагартованных лент наблюдается анизотропия по отношению к направлению прокатки.        

       Обрабатываемость резанием практически всех бронз составляет 20% (по отношению к ЛС63-3). Исключение составляют оловянно-свинцовые бронзы  БрОЦС с очень хорошей обраба-тываемостью ( 90% для БрОЦС5-5-5).

       Ударная вязкость меняется в широких пределах, в основном она меньше, чем для меди (для сопоставимости результатов все значения приведены для литья в кокиль):

 

БрОФ 10-1	БрОФ 6.5-0.4	БрАЖ 9-4	БрА5	Медь	БрМц5
БрОЦС 6-6-3	БрОЦС 4-4-2.5	БрАЖМц	БрА7
БрОС 5-25	БрОЦ4-3	БрАМц 9-2	БрКМц3-1
Значение ударной вязкости >> увеличение >>
1 – 3	4 – 6	6 – 8	15 – 16	16 – 18	20

     Электропроводность большинства бронзовых сплавов существенно ниже, чем у чистой меди и многих латуней (значения удельного сопротивления приведены в мкОм*м):

	БрКд
Медь	БрМг	Л63	БрОЦ4-3	БрАМц	БрКМц	БрОФ7-0.2
БрСр	БрЦр	ЛС59-1	БрОЦС5-5-5	БрА7		БрАЖМц
	БрХ			БрАЖ9-4		БрАЖН
Значения удельного электросопротивления >> ухудшение электропроводности>>
0.02	0.02 — 0.04	0.065	0.09-0.1	0.1-0.13	0.15	0.19

 

Сопротивление серебряной бронзы (медь легированная серебром до 0.25%) такое же как у чистой меди, но такой сплав имеет большую температуру рекристаллизации и малую ползучесть при высоких температурах.      

      Низкое удельное сопротивление имеют низколегированные бронзовые сплавы БрКд, БрМг, БрЦр, БрХ.. Величина электропроводности имеет существенное значение для бронз, используемых для изготовления коллекторных полос, электродов сварочных машин, для пружинящих электрических контактов. Приведенные значения являются ориентировочными, т.к. на величину сопротивления оказывает влияние состояние материала. Особенно сильно оно может измениться под влиянием облагораживания (в сторону уменьшения, это касается БрХ, БрЦр, БрКН, БрБ2 и др.). Например электросопротивление БрБ2 до и после облагораживания составляют 0.1 и 0.07 мкОм*м.

     Теплопроводность большинства бронз существенно ниже теплопроводности меди и ниже теплопроводности латуней (значения приведены в кал/cм*с*С):

   

Медь	БрКд	БрКН1-3	Л63	БрАЖН	БрАМц	БрОФ10-1	БрКМц
БрСр	БрМг	БрА5	ЛС59-1	БрБ2	БрАЖ		БрМц5
	БрХ			БрОЦ4-3	БрАЖМц
Значения теплопроводности >> ухудшение >>
0.9	0.8-0.6	0.25	0.25	0.25-0.18	0.17-0.14	0.13-0.12	0.1-0.09

     Высокую теплопроводность имеют низколегированные бронзы. Облагораживание улучшает теплопроводность. Высокая теплопроводность особенно важна для обеспечения отвода тепла в узлах трения и в электродах сварочных машин. Низкая теплопроводность облегчает процесс сварки бронзовых деталей.

 Механические свойства бронзового проката

     Если из всего разнообразия латуней массово производится  прокат только двух марок (ЛС59-1 и Л63), то для массового производства полуфабрикатов из бронзы используется значительно большее количество  марок.  Бронзовый прокат включает в себя  круги, трубы, проволоку, ленты, полосы и плиты.  

 Бронзовые круги

     Бронзовые круги выпускаются прессованными, холоднодноформированными и методом непрерывного литья. Способ производства и диапазон производимых диаметров определяется технологическими свойствами конкретной бронзы. В таблице указано соответствие между марками бронз, диаметром прутка и способом производства. 

     

Общее представление об основных механических свойствах бронзовых кругов  дает следующая гистограмма.

 

 

      Непрерывнолитые круги.   

      Методом непрерывного литья массово производятся БрОЦС5-5-5, БрАЖ9-4, реже БрОФ10-1 и БрАЖМц10-3-1.5. В изделиях, полученных этим способом, отсутствуют дефекты, характерные для литья в кокиль или песчаную форму. Поэтому по своим свойствам непрерывнолитые полуфабрикаты существенно превосходят отливки в кокиль и близки к прессованным полуфабрикатам.

       Круги из  БрОЦС5-5-5 и БрОФ10-1 имеют относительно гладкую поверхность, нарушаемую неглубокими вмятинами от тянущего устройства. Круги этих марок производятся только непрерывнолитым способом. 

      Круги из БрАЖ и БрАЖМц, полученные методом непрерывного литья, могут иметь на поверхности опоясывающие трещины глубиной до 1 мм. По твердости, прочности и пластичности непрерывнолитые круги незначительно уступают прессованным, антифрикционные свойства у них практически одинаковы, а стоимость их существенно ниже. При необходимости качественные круги больших диаметров (свыше 100 мм) и короткой длины можно отливать методом центробежного литья.

 

     Прессованные  и холоднодеформированные круги.

            Они производятся по ГОСТ 1628-78, а также ГОСТ 6511-60 (БрОЦ4-3), ГОСТ10025-78 (БрОФ6.5-0.15 и БрОФ7-0.2) и ГОСТ 15835-70 (БрБ2) и многочисленным ТУ. 

 

          Массово производятся и имеются в свободной продаже прессованные круги   из БрАЖ9-4 диаметром 16-160 мм.

Доступны также круги из БрАЖМц10-3-1.5, БрАЖН10-4-4 и БрАЖНМц9-4-4-1, но они значительно дороже. Прессованные круги других марок выпускаются под заказ.

     Холоднодеформированные (тянутые) круги выпускаются в разном состоянии поставки  диаметром до 40 мм. На гистограмме представлены данные для прутков из БрОЦ4-3. БрКМц3-1, БрОФ7-0.2 (твердое состояние),  БрАМц9-2 (полутвердое состояние) и прутков БрБ2  в состояниях «М» и «Т» Следует отметить, что холоднодеформированные круги производятся под заказ и являются большим дефицитом.

           

Бронзовые трубы и заготовки для втулок

      Прессованные трубы общего назначения производятся из БрАЖМц10-3-1.5, БрАЖН10-4-4 (ГОСТ 1208-90). Трубы специального назначения выпускаются из других марок по различным ТУ. Методом непрерывного литья выпускаются трубные заготовки из БрОЦС5-5-5, БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1.5. Механические свойства труб практически совпадают с таковыми для соответствующих кругов.

         Заготовки для втулок  отливаются в кокиль или методом центробежного литья. При этом чаще используются марки БрАЖ9-4, БрОЦС5-5-5, БрОФ10-1, БрОЦ10-2.

 

 Особенности свойств различных бронзовых сплавов 

      Выбор бронзы для использования в конкретных целях не определяется только величинами ?_в и НВ, которые отражают лишь часть механических свойств. Выбор той или иной марки производится с учетом всего комплекса физических, механических, технологических и антифрикционных свойств, коррозионной стойкости, поведения при высоких или низких температурах и т.д. Ниже в таблице сопоставлены свойства и марки бронзовых сплавов.

 

Свойства	Марка бронзы
Наибольшая электро- и теплопроводность	БрСр, БрКд, БрМг, БрЦр, БрХЦр, БрХ
Жаропрочность	БрМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН, БрАЖНМц
Жаропрочность в сочетании с высокой электропроводностью	БрХЦр, БрХ, БрКН
Износостойкость	БрОФ6.5-0.4, БрА5, БрА7, БрБ2
Износостойкость в сочетании  с высокой электропроводностью	БрКд, БрМг
Хорошая свариваемость	БрКМц3-1, оловянные бронзы
Эрозионная и кавитационная устойчивость	БрАЖМц, БрАЖН, БрАЖНМц
Высокий предел ползучести	БрА7,  БрАЖН
Сопротивление коррозионной усталости	БрБ2

 ПРИМЕНЕНИЕ БРОНЗОВЫХ СПЛАВОВ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ

(Антифрикционные бронзы)

        Бронзы очень широко используются в качестве антифрикционных материалов. К числу бронз, которые импользуются в качестве антифрикционных материалов относится большинство оловянных (кроме БрОЦ4-3) бронз,  а из безоловянных — БрАМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН. Эти бронзы применяются главным образом для изготовления 1) опор подшипников скольжения, 2) колес (венцов) червячных передач и 3) гаек в передачах «винт-гайка».

 

      Анти-фрикционные свойства составляют отдельную группу свойств и не связаны напрямую с их механическими свойствами. Антифрикционные свойства определяются  свойствами поверхностного слоя, тогда как механические свойства определяются объемными свойствами материала.

        Это неочевидное утверждение можно проиллюстрировать на примере двух бронз — БрС30 и БрАЖ9-4 при их использовании в подшипниках скольжения. БрС30 существенно уступает бронзе БрАЖ9-4 по всем механическим показателям (прочность, твердость, относительное удлиение). Однако, именно она применяется в особо ответственных подшипниках, допускающих высокие скорости и высокие нагрузки ( в т.ч. ударные).

      

              Поэтому при выборе  бронзы для использования в узлах трения  учитывают прежде всего антифрикционные, а затем — механические свойства. Для этих целей массово используются круги и полые заготовки БрАЖ9-4 и БрАЖМц10-3-1.5  БрОЦС5-5-5, БрОФ10-1. Для направляющих используются катаные полосы из БрАМц9-2 и плиты (литые и отфрезерованные) из БрАЖ9-4 и БрОЦС5-5-5.

      Критерии выбора той или иной марки бронзы зависят от вида узла трения и условий его работы. Для наиболее распространенных случаев общие рекомендации могут быть следующими.

 

       Подшипники скольжения.

При скоростях скольжения > 5-6 м/с предпочтительно применять БрОФ10-1. При скоростях < 5-6 м/с можно применять  БрАЖ9-4 или БрОЦС5-5-5. Если опорная поверхность вала закалена, то можно применять любую из этих бронз, но БрАЖ допускает вдвое большие радиальные нагрузки. Если опорная поверхность вала незакалена, можно применять только БрОЦС.

     Колеса (венцы) червячных передач.

При скоростях скольжения  > 8-12 м/с применяется БрОФ10-1. При скоростях 4-10 м/с применяется БрОЦС5-5-5. При скоростях <4-6 м/с применяется БрАЖ9-4.

        Более подробно  вопросы применения бронз в узлах трения рассматривается на странице Антифрикционные материалы. Соответствующие рекомендации могут быть полезны при проведении ремонтных работ в отсутствии технической документации на изделие.

        Круги и заготовки из основных марок бронз имеются на складе — см. стр. сайта «БРОНЗОВЫЕ КРУГИ и ТРУБЫ»

 

                                        Термоупрочняемые (облагораживаемые) бронзы

      В некоторых бронзах при понижении температуры растворимость легирующей компоненты резко падает и её выделение из твердого раствора  приводит к эффекту дисперсионного твердения. Этот процесс сопровождается резким изменением физических и механических свойств.

 

      Бронзы, способные к дисперсионному твердению, позволяют осуществлять упрочнение изделий из них за счет специальной термообработки (старение, облагораживание). В результате возрастают твердость, пределы текучести и прочности,  улучшается коррозионная стойкость, повышается тепло- и электропроводность.

      К бронзам с эффектом дисперсионного твердения относятся бериллиевые, хромистые, циркониевые, кремнисто-никелевые и некоторые сложные сплавы (см. таблицу марок бронз). Полуфабрикаты из таких бронз (прутки, ленты, плиты, проволока) имеют следующие состояния поставки:

— Без термообработки.

Это горячекатаные плиты или прессованные прутки, остывшие со скоростью естественного охлаждения.

— С термообработкой (закалка).

В этом случае полуфабрикат нагревается до  некоторой «высокой» температуры после чего производится его закалка в воду для получения пересыщенного твердого раствора. Это закаленные полуфабрикаты, состояние которых обычно маркируется буквой «М». Такая термообработка повышает пластичность и позволяет в дальнейшем производить операции гибки, вытяжку, прокатку и другие виды холодной деформации. Твердость, пределы текучести и прочности, пластичность закаленных бронз несколько выше, чем  у прессованных.

—  С термообработкой (закалка) и последующей холодной деформацией.

Холодная деформация повышает пределы текучести и прочности и увеличивает твердость закаленных полуфабрикатов. Холоднодеформированный полуфабрикат после закалки обычно маркируется буквой «Т».

 

     Второй этап термообработки – отпуск, обычно производится уже над изделием. Отпуск производится при «низкой температуре» в течение определенного времени. В процессе отпуска происходит выделение  избыточной фазы с упорядоченным распределением легирующего элемента. Эти выделения связаны со значительными напряжениями кристаллической решетки, которые вызывают повышение прочности и твердости.

 

    Таким образом, облагораживание такого класса бронз состоит из двух операций. Вначале производится быстрая закалка, затем длительный отпуск. Между закалкой и отпуском может производиться упрочнение холодной деформацией или изготовление детали. Режимы облагораживания сильно зависят от химического состава бронзы. Для БрБ2 температура закалки 750-790 С, температура отпуска 300 – 350 С  в течение 2 – 4 часов. Для БрХ0.5 температура закалки 950 С, температура отпуска 400 С в течение 4 часов.

 

      Эффект термообработки для прутка из БрБ2 показан на гистограмме, а для лент — в таблице. Там же, в таблице,  приведен эффект облагораживания для хромистой бронзы БрХ0.5.

 

	БрБ2		БрХ0.5
	После закалки (М)	После закалки и отпуска	После закалки (М)	После закалки и отпуска
Модуль упругости Е, МПа	9500	10500	11200
Предел текучести, МПа	200 — 350	950 — 1350	500	270
Предел  прочности, МПа	400 — 600	1100-1500	240	410
Относительное  удлинение	20	2	50	22
Твердость HV	<130	330	65	130
Электрическое сопротивление	0.1	0.04 — 0.07	0.04	0.02

 

    Дисперсионное твердение изделий, изготовленных из термоупрочняемых бронз (БрБ2, БрХ, БрХЦр, БрКН) и сплавов (МНМц20-30) существенно повышают показатели прочности и твердости в сравнении с исходным материалом поставки. Наибольший эффект от облагораживания  имеют изделия из бериллиевых бронз.

 

                                                   ПРИМЕНЕНИЕ БРОНЗОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУЖИН

 (Упругие свойства бронзовых сплавов)

      Для изготовления пружин используются материалы с высоким пределом упругости и минимальным уровнем неупругих явлений (упругий гистерезис, низкий уровень релаксации и др.). 

     Для изготовления пружин и пружинящих деталей используются ленты, прутки и проволока из БрКМц3-1, БрОФ6.5-0.15, БрОФ7-0.2, БрОЦ4-3, бериллиевых бронз. Высокая пластичность этих бронз даже в твердом состоянии позволяет использовать для навивки пружин не только проволоку, но и прутки диаметром до 10-15 мм.

       В зависимости от вида пружины на её материал действуют нормальные (сжатие-растяжение) или касательные напряжения. Жесткость пружины определяется модулем упругости  E или модулем сдвига G соответственно. Область допустимых нагрузок тем больше, чем больше соответствующий предел упругости (текучести), но при расчетах допустимые нагрузки и деформации рассчитывают по пределу прочности при растяжении  с учетом расчетных коэффициентов.

     В таблице представлены свойства лент из БрОФ, БрОЦ, БрКМц (в твердом состоянии) и БрБ2 (после дисперсионного твердения из состояния «Т»). 

ГОСТ	4748-92	1761-79		1789-70
Марка бронзы	БрКМц3-1	БрОФ6,5-0,15	БрОЦ4-3	БрБ2
Модуль упругости Е, МПа	12000	9500	9500	12000
Предел упругости ?0.005, МПа	260 — 530	320- 480	300-450
Предел текучести ?0.2 , МПа	510 — 750	550 — 720	520-680	1150-1600
Предел  прочности ?В , МПа	600 — 770	580 — 760	550-700	1150-1600
Относ.  удлинение ?	2	3	2	—
Твердость HV	180 — 250	170 -220	170-210	360

        

     Для изготовления плоских пружин используется также лента из БрА7. Её параметры  (ГОСТ 1048-79) практически совпадают с таковыми для бронзы БрКМц, но БрА7 отличается очень высоким пределом ползучести.

       После изготовления пружин из облагораживаемых материалов (бериллиевые бронзы и сплав МНМц20—20)  производится их дисперсионное твердение.

      Технологический процесс изготовления винтовых цилиндрических пружин из материалов этой группы включает следующие основные операции: закалка, навивка заготовок, разрезка длинных заготовок на отдельные пружины, обработка торцов  пружин, дисперсионное твердение. Процесс изготовления плоских пружин включает: резку материала на ленты требуемой ширины,   закалку, штамповку пружин, дисперсионное твердение.
       В результате такой термообработки повышается твердость, упругость, износостойкость и значительно повышается усталостная прочность материала пружин.

 

ПРИМЕНЕНИЕ БРОНЗОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ И ПРОВОДНИКОВ ТОКА

(Электродные и проводящие сплавы)

   

     Среди многочисленных марок бронз выделяется группа сплавов с малым (0.3 – 1%) содержанием легирующих элементов. Они отличаются тем, что обладают практически такой же электро- и теплопроводностью, как и чистая медь, но при этом они имеют большую твердость, предел текучести, износостойкость, предел усталости, и сохраняют работоспособность до более высоких температур за счет повышенной (по сравнению с чистой медью)  температуры начала рекристаллизации.

     К таким сплавам относятся:

Кадмиевые бронзы (Cd: 0.9-1.2%) — прутки, ленты и коллекторные полосы.

Хромокадмиевые бронзы (Cd: 0.2-0.5%,  Cr: 0.35-0.65%) — прутки

Магниевые бронзы (Мg: 0.3-0.8%)  — коллекторные полосы и проволока.

Серебряные бронзы (Ag до 0.25%) – прутки, проволока, полосы.

Хромистые бронзы (Cr: 0.5 – 1.0) – прутки, плиты, полосы для коллекторных пластин, проволока.

Циркониевые (Zr: 0.2 – 0.7%) – коллекторные полосы, трубы, полосы

Хромисто-циркониевые бронзы – прутки, плиты

 

     Эти бронзы имеют два основных применения.

1. Использование в производстве силовых подвижных контактов (контактные кольца,  коллекторные пластины). Здесь в первую очередь важна высокая износостойкость, а также работоспособность при повышенных температурах.

2.  Для изготовления электродов сварочных машин. Электродные сплавы должны иметь      высокую температуру размягчения, высокую твердость и предел текучести в области рабочих температур (500 — 700 С).

 

        На рисунке (Б) показано изменение твердости меди, кадмиевой и хромистой бронз с повышением температуры. Видно несомненное преимущество БрХ при высоких температурах. Ещё лучшие результаты имеют БрХЦр, БрБНТ и другие сплавы, но их применение ограничивается высокой ценой и доступностью.

       На соседнем рисунке (А) видна принципиальная разница между облагораживаемой хромистой бронзой с одной стороны и обычной бронзой (БрКд) или медью с другой.

 

 

       Отжиг холоднодеформированных прутков из  меди или БрКд уменьшает твердость. При температурах выше температуры рекристаллизации разрушается текстура и металл разупрочняется. В то же время в БрХ при 400^оС  происходит дисперсионное твердение и его твердость после отжига, наоборот, возрастает. Если бы дисперсионное твердение не происходило, то твердость уменьшалась бы по пунктирной кривой (происходило бы разупрочнение). Это означает, что после изготовления электродов из сплавов типа БрХ, БрХЦр, они должны быть соответствующим образом термообработаны для улучшения их физико-механических свойств.

 

                                            НАЗАД на ГЛАВНУЮ

 

это очень древний и интересный сплав, в его состав входит медь и другие металлы

Бронза – это металл, полученный путём смешивания расплавов меди и некоторых других металлов и неметаллов. Как правило, количество присадочных к меди компонентов не превышает трёх процентов, но существуют и исключения из этого правила – в больших количествах могут присаживаться цинк и никель. Такие сплавы называют латунью и купроникелем (мельхиором) соответственно. В других сплавах цинк тоже может присутствовать, но с ограничением: его количество не должно превышать суммы остальных присаживаемых металлов. Если это произойдёт, сплав окажется латунью.

Этот металл-сплав появился около пяти с половиной тысяч лет назад. Именно тогда начался бронзовый век. А до этого времени плавили только медь – этот металл был основой всех орудий труда. Когда же случилось соединить расплавы меди и олова, получился другой металл, который был назван бронза – это сплав меди с оловом, более твёрдый, чем исходные металлы. Он сразу нашёл себе широкое применение во всех сферах жизни человека: из него делали холодное оружие и кухонную утварь, зеркала и украшения, монеты и творения скульпторов.

Средневековые мастеровые из бронзы отливали колокола для нужд церкви и пушки для армии. На отливку пушек шла специально изготовленная бронза. Эта технология существовала до девятнадцатого века. Ниже приводятся интересные факты о бронзе.

Способы изготовления и характеристики

Физические данные

Характеристики сплава определяются его химическим составом и могут изменяться в некоторых пределах. Бронза менее подвержена коррозии и обеспечивает лучшее скольжение металла по металлу, чем латунь. У неё выше прочность и она менее подвержена атмосферным воздействиям (вода и воздух) и лучше сопротивляется солям и органическим кислотам. Легко поддаётся механической обработке, её можно паять и скреплять сварочными работами. Некоторые физические характеристики бронзы:

• удельный вес от 7,8 до 8,7 тонны/куб. метр;
• температура плавления бронзы – плавится при нагревании от 930 до 1140 градусов;
• изменения цвета от красного – цвета меди, до белого – цвета олова;
• стойкость к износу и хорошее скольжение по металлу предопределяет сферу применения в качестве подшипников скольжения, они хорошо работают в любых температурных условиях;
• отмечается высокая электропроводимость и передача тепла, стойкость к паровому воздействию, что способствует изготовлению деталей для техники, работающей в экстремальных ситуациях.

Как изготовить бронзу

Плавление и смешивание расплавов меди и присадок разных металлов, позволяющих придать сплаву те или иные требуемые характеристики, приводит к получению такого металла-сплава, как бронза. В технологическом процессе изготовления задействованы электрические печи индукционного типа и тигельные горны, с их помощью можно изготовить любые сплавы с медью.

Плавление производится с флюсовыми добавками, при этом исходным сырьём для плавки может быть как медная руда, так и лом меди. Как правило, медный лом добавляется в расплав вмести с присаживаемым металлом в процессе плавки. При плавке только из медной руды выполняются следующие операции:

• печь разогревают, закладывают в неё медную руду с флюсовыми добавками, и плавят при температуре около 1200 градусов;
• добавляют химический окислитель – фосфористую медь, половина могла быть загружена в составе флюса, а остаток дополнительно загружается ковшом;
• при плавлении в раскисленный расплав меди добавляют присадочные металлы, предварительно подогретые до ста градусов;
• после получасового отстаивания расплава, с его поверхности снимают всплывший шлак, и полученный сплав распределяют по формам.

При использовании медного лома процедура изготовления бронзы такая же.

Разновидности

По соотношению содержания основных компонентов бронзы – меди и олова известны два основных вида: оловянный, когда основным присадочным материалом является олово, и безоловянный, если олово присутствует в совсем малом количестве.

Оловянная бронза

Классическая или оловянная бронза – универсальный материал не только в промышленности, но и в других сферах жизнедеятельности человека. В этом сплаве на 80 частей меди приходится 20 частей олова, он хорошо плавится, имеет высокую прочность, довольно твёрдый, не подвержен коррозии, износостоек и способствует снижению трения металлов.

Эти достоинства оловянной бронзы приводят к сложностям в некоторых других отношениях: сплав сложно ковать и резать, затачивать острые кромки и штамповать, зато просто делать из него отливки. Осадка при охлаждении заливки не превышает одного процента, что позволяет применять материал в художественных изделиях особой точности.

Для придания сплаву дополнительных свойств, в его состав могут включаться присадки других металлов и неметаллов:

• цинк в количестве до 10% улучшает антикоррозийные свойства, детали из такого сплава применяют в кораблестроении, где агрессивной средой является солёная вода;
• свинец и фосфор способствуют лучшему скольжению бронзовых изделий по другим металлам, такой сплав легче режется и штампуется.

Безоловянная

Бронза без олова – иногда использование в сплаве олова не допускается, а требуемые характеристики получают присадками других металлов. Современные технологии позволяют подобрать присадки таким образом, что изделия из бронзы без олова вполне заменяют изделия из классической бронзы.

Свинцовистая бронза – отлично скользящий по металлу сплав, выдерживает большое давление, очень прочен и плавится с трудом. Сфера его применения – подшипники, работающие под большим давлением.

Кремниевая – на 97% это медь, немного олова и пять сотых процента кремния, он добавлен для увеличения электрической проводимости и применяется такая бронза в качестве жил телефонных кабелей. Она не магнитная, хорошо паяется, упругая и устойчива к низким температурам. Дополнительно может содержать марганец.

Бериллиевая – самая твёрдая. Очень устойчив этот сплав к коррозии и экстремальным температурам как плюсовым, так и отрицательным. Это немагнитный металл и при соударениях от него не бывает искр. Дополнительно в него можно присаживать никель или кобальт. Изготавливают из сплава упругие изделия – пружины, мембраны, пластины.

Алюминиевая – состав простой, алюминия пять процентов, остальное – медь. Цвет бронзы блестящий золотистый, она устойчива к действию химических веществ – кислот. Она прочная по твёрдости и жаропрочная, сохраняет свои свойства и при крайне низких температурах. Коррозии противодействует слабо и при отливке даёт значительную усадку. За красивый цвет используется в ювелирном производстве, изготовлении монет и медалей. Физические свойства предопределяют использование сплава в деталях изделий автомобильной промышленности, пороховом и пиротехническом производстве.

Маркировка

Какие металлы входят в состав бронзы? Узнать основной состав бронзы позволяет её маркировка, разработанная на основе государственных стандартов. Пример: БрОФ 7. Первые две буквы, это бронза; состав сплава: О – это олово; Ф – это фосфор; 7 – содержание присадки, в этом случае олова, поскольку содержание второго присадочного вещества в маркировке не указано. Обозначения других присадочных веществ: А – алюминий, К – кремний. Мц – это марганец, Ж – железо и так далее, по первым буквам присадки.

Процент содержания меди в маркировке указывать не принято, его вычисляют расчётом как остаток от разности. В примере – это 93%. От химического состава бронзы зависит её цвет. Содержание меди в сплаве определяет его цвет – чем оно выше, тем краснее будет бронза, и наоборот. Если меди будет только 50%, а всё остальное – светлые присадки, то сплав по цвету будет напоминать серебро.