К настоящему времени разработано множество сплавов металлов, обладающих различными свойствами, для разных сфер применения. Первым из них стала бронза. Сплав, его производство, применение и особенности рассмотрены далее.
Бронза
Содержание
- Варианты состава
- Производство
- Свойства
- Обработка
- Дополнительная обработка
- Достоинства и недостатки
- Применение
- Маркировка
- Вам также могут быть интересны статьи:
Варианты состава
Данный материал представляет собой смесь меди с легирующими элементами, в качестве которых применяют неметаллы и металлы. При этом цинк и никель не должны являться основными среди них.
Путем варьирования соотношений между компонентами изменяют свойства бронзы. В соответствии с этим существует несколько ее разновидностей, выделяемых на основе легирующих добавок. В их качестве используют:
- олово;
- бериллий;
- цинк;
- кремний;
- свинец;
- алюминий
- никель;
- железо;
- марганец;
- фосфор.
Первой была разработана бронза оловянная (в начале 3 тысячелетия до н. э.). В небольшом количестве данный элемент придает твердость, легкоплавкость, упругость. При повышении его концентрации до 5% снижается пластичность, а при 20% бронза обретает хрупкость. Путем доведения олова до максимальной доли в 33% сплаву придает серебристо-белую окраску.
Материал с бериллием отличается наибольшими упругостью (закаленный) и твердостью, а также химической устойчивостью. Он подходит для обработки путем резания и сварки.
Внешний вид бронзы
Цинк и кремний повышают текучесть, что актуально для литья, а также придают поверхности устойчивость к истиранию. Кремниево-цинковая бронза характеризуется отсутствием искр при механическом воздействии и хорошим сопротивлением сжатию.
Свинец улучшает устойчивость к коррозии, антифрикционные свойства, прочность, тугоплавкость.
Алюминий повышает плотность, антифрикционные свойства, устойчивость к коррозии и химическому воздействию. Бронза такого состава подходит для резки.
Фосфор используется в совокупности с некоторыми прочими добавками с целью раскисления сплава. Его наличие отражается в названии при содержании более 1% (оловянно-фосфористая бронза).
Введение любых легирующих добавок понижает теплопроводность. Следовательно, чем их меньше, тем сплав по данному показателю ближе к меди, а наиболее легированные бронзы имеют худшую теплопроводность.
Что касается меди, ее содержание определяет не только технологические и эксплуатационные параметры, но и цвет, который имеет бронза. Красная окраска свидетельствует о концентрации меди более 90%. При содержании ее около 85% (наиболее часто встречается) бронза имеет золотистый цвет. Если сплав состоит из меди наполовину, белым цветом он напоминает серебро. Для получения серой и черной окраски нужно сократить процент меди до 35. Такой цвет материала тоже встречается нередко, однако нужно учитывать, что данный сплав может приобрести темную окраску с течением времени в результате воздействия различных факторов (температуры, воды и т. д.). К тому же технологии, позволяющие добавлять в бронзу придающие ей насыщенный черный цвет легирующие элементы, стали применять относительно недавно, а изделия из рассматриваемого сплава такой окраски обширно распространены издавна.
Таким образом, в зависимости от числа элементов данные материалы подразделяют на двух- (один легирующих компонент) и многокомпонентные. Их доля составляет от 2,5%.
Кроме того, существует классификация бронзы, основанная на внутренней структуре, а именно количестве фаз в твердом растворе. Она подразумевает ее разделение на одно- и двухфазные варианты.
Наконец, ввиду обширной распространенности оловянного типа сплав подразделяют на оловянные и безоловянные бронзы.
Производство
Исходным сырьем для бронзы служат чистые металлы либо сплавы, в том числе бронзовые отходы. Второй вариант более обширно распространен, прежде всего, ввиду меньшей стоимости. В качестве флюса, предотвращающего чрезмерно интенсивное окисление расплава металла, применяют древесный уголь. Из всех исходных материалов составляют шихту, рассчитывая ее состав на основе целевых параметров и используемой технологии производства.
Процесс плавки осуществляют в определенной последовательности:
- в предварительно разогретую до необходимой температуры печь (обычно используют электродуговые и электрические устройства ввиду их высокой эффективности) помещают тигель с шихтой;
- после полного прогрева и расплавления металла в его состав включают служащую катализатором фосфористую медь;
- после выдержки добавляют связующие и легирующие компоненты бронзы, перемешивая;
- с целью удаления газовых примесей осуществляют дегазацию путем продувки азотом или аргоном;
- для снижения интенсивности окисления перед разливкой снова добавляют фосфористую медь.
На протяжении всего процесса необходим контроль температурного режима и количества добавляемых в расплав компонентов.
Свойства
Характеристики рассматриваемого материала определяются двумя факторами: составом и структурой.
Как было отмечено, химический состав бронзы разрабатывают с целью придания ей требуемых параметров. Одними из основных среди них являются пластичность бронзы, твердость и прочность. Варьировать первые две характеристики позволяет изменение концентрации олова. Так, его доля в составе бронзы связана прямой зависимостью с твердостью и обратной с пластичностью.
Наибольшее влияние на твердость и прочность оказывает концентрация бериллия. Некоторые содержащие его марки бронзы превосходят по второму параметру стали. Для придания пластичности бериллиевый сплав подвергают закалке. При этом основное значение имеют не количественные показатели содержания веществ, а выраженность создаваемых ими свойств. То есть, при одинаковом количестве двух различных элементов, один из них может изменять характеристики материала в значительно большей степени, чем другой.
Микроструктура бронзы
Что касается структуры, она определяет вмещающую способность материала по отношению к элементам. Это можно рассмотреть на примере олова. Так, однофазная структура содержит до 6 — 8% данного элемента. При превышении его количеством предела растворимости, составляющего 15%, формируется вторая фаза твердого раствора. Это влияет на баланс твердости и эластичности. Так, однофазные варианты более эластичны, в то время как двухфазная бронза тверже, но хрупкая. Это определяет дальнейшую обработку: материалы первого типа подходят для ковки, а двухфазные сплавы — для литья.
Далее в качестве примера рассмотрены основные характеристики литьевой оловянной бронзы. Ее плотность определяется содержанием олова и при его доле 8 — 4% составляет 8,6 — 9,1 кг/см3. Температура плавления равна в зависимости от состава 880 — 1060°С. Теплопроводность данного материала — 0,098 — 0,2 кал/(см*с*С). Это небольшое значение. Электропроводность составляет 0,087 — 0,176 мкОм*м, что также немного. Интенсивность коррозии в морской воде равна 0,04 мм/год, на воздухе — 0,002 мм/год. То есть такая бронза обладает высокой устойчивостью к ней.
Обработка
Существует еще одна классификация бронзы, основанная на технологии обработки, применяемой при производстве из нее каких-либо изделий. В соответствии с этим выделяют два типа сплавов:
- литейные;
- деформируемые.
Литейные бронзы служат для создания отливок сложной конфигурации (деталей различных устройств и т. д.), так как деформируются только в расплавленном состоянии, в то время как деформируемую бронзу обрабатывают способами ковки, прокатывания, резания, производя металлопрокат в виде проволоки, ленты, труб, плит, втулок, прутков. Кроме того, бронза подходит для пайки и сварки.
Дополнительная обработка
Для декоративного эффекта и в защитных целях возможно нанесение на поверхность бронзовых изделий лака, хрома, позолоты, никеля.
Кроме того, для рассматриваемого материала существует специфический способ обработки поверхности, называемый искусственным патинированием. Он основан на процессе естественного старения бронзы, состоящем в формировании пленки зелено-белого цвета карбонатного либо оксидного состава, называемой патиной, в результате воздействия воздуха и содержащихся в нем компонентов. Искусственное создание такого покрытия носит декоративный (придание винтажности) и защитный смысл.
Данную процедуру осуществляют путем нагрева после нанесения на поверхность серного состава. Существует и обратная технология, то есть удаление патины со старых бронзовых изделий.
Достоинства и недостатки
Бронза обладает множеством положительных качеств. Среди них:
- разнообразие свойств и, следовательно, сфер применения;
- возможность создания вариантов для различных способов обработки (литья либо деформирования) в зависимости от потребностей;
- небольшая усадка (0,5 — 1,5%);
- возможность многократной обработки без потери свойств, то есть бронзу можно перерабатывать;
- высокие показатели устойчивости к химическому воздействию среды (воды, воздуха, кислот);
- большая упругость многих вариантов.
Основным недостатком является высокая стоимость некоторых марок, например, оловянной бронзы. Виды другого состава, такие как алюминиевый сплав, значительно дешевле. Таким образом, стоимость рассматриваемых материалов в значительной степени определяется входящими в их состав легирующими элементами.
Применение
Оловянный материал с 2% олова подходит для ковки при нормальной температуре ввиду высокой пластичности. Варианты с его концентрацией 15% характеризуются твердостью и прочностью. Такая бронза имела обширную область применения в древности. Предметы из нее были обнаружены при археологических раскопках. Она служила для производства посуды, оружия, денег, статуй, зеркал, украшений. Однако наиболее известно применение бронзы данного состава для изготовления колоколов, в связи с чем оловянную бронзу до сих пор называют колокольной.
Колокол из бронзы
Закаленную бронзу, содержащую бериллий применяют для производства пружин, мембран и рессор.
Для изготовления изделий, эксплуатирующихся в особо неблагоприятных условиях (высокой влажности, химически активных средах и т. д.), используют бронзу, обогащенную алюминием. Она обладает высокими коррозионной стойкостью и прочностью.
В качестве материала для подвергающихся фрикционным и ударным нагрузкам деталей (подшипников и т. д.) подходит свинцовая бронза.
Сплав, содержащий цинк и кремний, применяют для производства предметов методом литья ввиду его текучести. К тому же такой материал отличается отсутствием искр при механическом воздействии.
Алюминиево-никелевая бронза особо актуальна для деталей, постоянно находящихся в соленой воде, ввиду высокой коррозионной устойчивости. Это относительно новый материал, который применяют для производства элементов шельфовых нефтяных платформ.
Декоративное изделие из бронзы Детали из бронзы
Кроме того, большинство марок бронзы отличается отсутствием магнитности и малой усадкой. Ввиду этого они подходят для производства электротехнических изделий, а также декоративных предметов.
Также многие варианты сплава имеют низкую теплопроводность, вследствие чего их применяют для производства ванн, умывальников, сантехнических деталей.
Наконец, большая часть бронзовых сплавов характеризуется плохой электропроводностью. Одним из исключений является серебряный сплав, близкий по данному параметру к меди.
Помимо названных сфер, бронзу используют в машино-, судо-, авиастроении, для изготовления агрегатов подвижных узлов благодаря износостойкости, химических приборов и трубопроводов ввиду химической устойчивости.
Маркировка
В настоящее время встречается множество марок бронзы. Они отличаются составом, определяющим параметры и сферу применения. Для удобства на основе этого была создана система маркировки, включающая буквенные и цифровые символы. Так, легирующие добавки обозначают буквами, первыми в названии представляющих их химических элементов. Цифры означают содержание компонентов сплава в долях процента. При этом данные обозначения не содержат данных о количестве меди. Данное значение высчитывают как разность между общим составом бронзы и количеством легирующих добавок.
Маркировка бронзы позволяет легко определить требуемую для конкретной задачи марку. Для этого достаточно воспользоваться специальными таблицами. Они содержат данные о составе, параметрах сплава и сферах его применения.
Источник: