Бронза: склад, властивості, сфера застосування
Бронза - сплав міді з іншою речовиною (переважно це олово). Також благородний метал може складатися з багатокомпонентної комбінації із застосуванням алюмінію, кремнію, берилію, свинцю.
Що таке бронза
Бронза – це метал міді, у якому основним легуючим компонентом виступають як метали, і метали. Безпосередні характеристики отриманих сплавів визначаються їх співвідношенням та фазовим складом розплавів.
Найчастіше за основу беруть олово. Рідше, але зустрічаються сплави з додаванням алюмінію, кремнію, берилію, свинцю. Але практично у всіх варіаціях сплавів використовують незначну кількість фосфору та цинку.
Корисно! Склад та властивості бронзи визначаються міждержавними стандартами. ГОСТ 613-79 «Бронзи олов'яні ливарні» та ГОСТ 18175-78 «Бронзи безолов'яні, що обробляються тиском».
Трішки історії
Найдавніша знахідка виробів із бронзи була виявлена неподалік річки Топліця у південній частині сучасної Сербії. Датується вона V ст. до н.е. У нашій країні виявлення найстарішого бронзового артефакту відбулося в 1897 р. і відноситься до так званої Майкопської культури, що існувала в IV ст. до н.е. Вироби переважно представлені у вигляді сплаву з бронзи та миш'яку. Поступово про існування м'якого еластичного металу дізналися на Близькому Сході Єгипті.
Вищезгадана миш'якова бронза вважається першим видом цього металу. Однак сплав мав широкий перелік недоліків, пов'язаних із шкідливим для здоров'я процесом виготовлення та порівняно високою вартістю, яка пояснювалася дорожнечею миш'яку. Це стало причиною її поступового витіснення зі світового ринку та використанням більш екологічного та дешевого складу – олов'яної бронзи (це сплав олова та міді).
Якщо на етапі появи метал застосовувався для виготовлення господарських та робочих предметів, то до V ст. н. е. у Стародавню Грецію її почали використовуватиме виливки скульптур. Пізніше метал перетворився на основне джерело фінансової промисловості – з нього відливали монети.
Лише у середньовіччі бронзу почали використовувати у виробництві предметів озброєння, церковних дзвонів.
Відмінність видів, класифікація
Розподіл на види здійснюється на основі конкретних компонентів складу. Наприклад, виготовлена з використанням олова з меншим відсотковим співвідношенням свинцю чи фосфору сприяє ефективному легуванню. Завдяки цьому посилюється міцність та твердість сплаву. Він найкраще переносить плавку, добре тримає задану форму. Поверхня відмінно піддається шліфування, посилюються робочі та візуальні показники.
Однак, сплав бронзи, це не лише концентрація міді та олова. Існують види, склад яких побудований за новою формулою, що кардинально відрізняється від вищезгаданої. Ця група сплавів одержала назву безолов'яна бронза. За технічними та експлуатаційними характеристиками, вони нічим не поступаються олов'яною, а за деякими показниками, навіть перевершують її.
Також розподіл здійснюється за технологічним параметром. За цією ознакою бронза може бути деформованою та ливарною.
- Деформована – використовується для механічної обробки. Відмінно шліфується, кується, ріжеться. Відсоток олова у складі не перевищує 5 одиниць, що сприяє потрібній пластичності. Використовується для виготовлення листового металу, дроту, лозин, стрічок – виробів, що застосовуються у будівництві.
- Ливарна – застосовується виготовлення ливарних виробів. Переважно служить для литих виробів: шестірні, вкладиші підшипників, трубопровідна арматура.
Олов'яна
Олов'яна бронза - це сплав з переважною кількістю міді, змішаної з оловом. Історично доведено, що цей склад є одним із перших, освоєних людиною розумною. Їй властива велика (при порівнянні зі звичайною міддю) твердість, міцність, краще та легше плавиться.
Недоліком бронзи і те, що вона мало видозмінюється при вплив тиску. Ця умова не дозволяє використовувати її в інших популярних видах металообробки: кування, штампування, прокатування, різання, заточування.
Така особливість відносить її безпосередньо до групи ливарних металів. Крім того, за цими характеристиками вона анітрохи не поступається іншим. Наприклад, бронза має мінімальний відсоток усадки (1%), для латуні та чавуну цей показник дорівнює 1,5%, сталь показує ще більше значення – 2%.
Виходячи з цих критеріїв, незалежно від схильності до ліквації та порівняно невисокої плинності, бронза затребувана в отриманні складноформових виливків, у тому числі й належать до художнього лиття.
Корисно! Ліквація - неоднорідний склад хімічних елементів, що виникає в результаті перетворення останніх на кристали з певною структурою (кристалізації).
Безолов'яна
Під поняттям "бронза" можуть матися на увазі інші мідні сплави, в яких не міститься олово. Це латунь, константан та алюмінієва бронза. Остання лідирує за показником механічних якостей, стійкіша до хімічних впливів.
Корисно! При додаванні кремнію в мідь утворюється сплав, що володіє відмінною плинністю.
Найкращі показники пружності властиві берилієвій бронзі. Також цей метал відрізняється високою твердістю. Він добре піддається обробці (різанні), часто використовується для виготовлення пружин, мембран, контактів, що пружинять.
Властивості металу
На відміну від латуні бронза стійкіше переносить корозію та будь-які механічні дії, має кращі антифрикційні властивості (показник низького коефіцієнта тертя матеріалів). Вона менш схильна до руйнування при тривалому контакті з киснем, солоною водою, вуглекислим газом, органічними кислотами. Більшість різновидів бронзових сплавів підлягає варінню та пайці за допомогою м'якого або твердого припою.
Колір металу визначається кількості та найменування доданих компонентів. Варіюється він у діапазоні від білого до червоного. Фізичні властивості бронзи визначаються залежно від елементів, що легують:
- Показник міцності визначається залежно від присутності олова, нікелю, алюмінію та кремнію.
- Збільшення антифрикційних властивостей відбувається за рахунок додавання свинцю або фосфору.
- Зростання температури рекристалізації здійснюється рахунок зниження розміру зерен сплаву. Відбивається це при додаванні нікелю та заліза.
- Стійкість до високих температур дається взнаки при внесенні частинок кремнію або марганцю. Крім того, збільшення жароміцності відбувається при додаванні хрому, цирконію та берилію, які також позначаються на зниженні коефіцієнта електропровідності.
Галузь застосування
Вищезгадані властивості бронзи відбиваються на тому, що вона стає досить популярною. Сплав застосовується у багатьох галузях: машинобудуванні, металургії, електротехніці, хімічній промисловості, побуті. Як пильніше розкриття теми можна навести детальні приклади.
Промисловість
Як уже згадувалося, через низьку здатність до усадки олов'яна бронза широко використовується для виготовлення пружин, підшипників, притискних контактів.
Алюмінієва бронза дешевша, ніж олов'яна, але саме перший сплав має відмінні антикорозійні якості. Це робить його затребуваним у виготовленні апаратури хімічного призначення та тієї, що часто контактує із морською водою.
Сплави, що мають високу пластичність та пружність використовуються у виробництві автомобільних прокладок, що становлять вимірювальних приладів, шестерень.
Матеріали, несприйнятливі до корозії і мають хорошу електропровідність, успішно застосовують у електротехнічної галузі. Наприклад, із берилієвої бронзи виготовляють деталі, пружинні контакти та інтегральні схеми для мобільних телефонів, смартфонів та інших гаджетів. З цієї причини метал використовують у виробництві фітинга для монтажу трубопроводів: крани, клапани, трійники, перехідники.
Побутове призначення
Довговічність, твердість, міцність, стійкість до несприятливих умов та впливів навколишнього середовища роблять бронзу затребуваною для виготовлення вуличних декоративних елементів. Зустріти вироби зі сплаву можна практично на будь-якій вулиці: ліхтарі, лавки, альтанки, скульптури та статуї.
За рахунок оригінального жовтуватого або червоного відтінку, бронза вважається високо естетичним композитом. Ця характеристика пояснює її популярність при виготовленні статуеток, дрібних предметів інтер'єру та вуличного декору.
Алюмінієвій бронзі властивий відтінок золотого. За цією ознакою сплав використовується для прикрас: сережок, кілець, кулонів.
Популяризація бронзового кухонного посуду спостерігалася ще на початку Бронзового віку, є ця традиція і сьогодні.
Процес виготовлення бронзи
Як згадувалося, бронза – це багатокомпонентний сплав міді коїться з іншими елементами. У ролі шихти для її виробництва застосовують чисті метали або вже скомбіновані метали, що мають вигляд чушки. Останній спосіб популярніший і служить основним методом для приготування ливарного сплаву. Здійснюється він у 4 прийоми:
- Завантаження готової сировини Процес виконується розміщенням чушок у графітно-шамотні або графітно-карборудні тиглі. Перед використанням форми попередньо прожарюються та просушуються.
- Приготування розплаву. На першому етапі плавиться мідь. Завантажується вона всім обсягом чи невеликими партіями. Пізніше вноситься фосфориста мідь, що стає причиною утворення рідкого фосфату, що видаляється. Тільки після очищення додаються інші складові, передбачені рецептурою.
- Перегрів. Вміст тиглів нагрівається до 1150-1200°С. На цьому етапі олов'яна бронза виплавляється за допомогою вугілля деревного або вугілля з додаванням солей. При виявленні кремнію, магнію або алюмінію (що виступають у цьому випадку ролі шлаку), вносяться рідкі сольові флюси.
- Дегазація. Тут відбувається очищення внутрішньої структури від газу, що міститься в ній. Найчастіше це водень.
Важливо! На заключному етапі виконується цикл модифікування збільшення якісних властивостей отриманого сплаву. Конкретний метод визначається залежно від кінцевого складу бронзи.
Висновок
Історія відкриття бронзи тягнеться із глибини століть. Протягом кількох тисячоліть людина виготовляла їх цього сплаву пристосування, що полегшують його життя. Сьогодні вона не менш популярна, ніж у минулому тисячолітті і завдяки своїм дивовижним властивостям застосовується практично повсюдно.
