Бронза это

Что такое бронза

Бронза это сплав меди с различными легирующими элементами, содержание которых превышает 2,5% по массе. Основу сплава составляет медь, а в качестве добавок используются олово, алюминий, бериллий, кремний, свинец, марганец и другие металлы. Исключение составляют цинк (сплав меди с цинком называется латунью) и никель (такой сплав именуется мельхиором).

Впервые бронзовые изделия появились в 5-4 тысячелетии до нашей эры на территории Ближнего Востока. Открытие этого сплава стало настолько значимым событием, что целая историческая эпоха получила название бронзового века. Древние мастера ценили этот материал за повышенную твердость по сравнению с чистой медью, а также за относительную легкость плавления и обработки.

В современной металлургии бронзу классифицируют по нескольким признакам: химическому составу, технологии обработки и основному легирующему элементу. Каждая марка бронзы обладает специфическими свойствами, определяющими ее применение в конкретных отраслях.

Оловянная бронза

Оловянные бронзы представляют собой классический вид этого сплава, где основным легирующим компонентом выступает олово в количестве от 4% до 33%. Именно такую бронзу человечество освоило первой, и она до сих пор широко применяется в различных отраслях промышленности.

Состав и свойства оловянной бронзы

Базовый состав оловянной бронзы включает медь и олово, однако для улучшения определенных характеристик в сплав добавляют дополнительные элементы. Цинк снижает стоимость сплава без существенного ухудшения свойств, свинец повышает антифрикционные качества и улучшает обрабатываемость резанием, а фосфор выступает в роли раскислителя и упрочнителя.

Ключевые характеристики оловянных бронз включают высокую коррозионную стойкость, особенно в морской воде, минимальную усадку при литье (около 1%), хорошие антифрикционные свойства и способность работать в условиях трения. При увеличении содержания олова возрастает твердость и прочность сплава, но снижается пластичность.

Деформируемые и литейные оловянные бронзы

Деформируемые бронзы содержат не более 6% олова, что обеспечивает достаточную пластичность для обработки давлением. Из них изготавливают трубы, ленты, проволоку и другой прокат. Типичные марки: БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3.

Литейные бронзы имеют более высокое содержание олова (до 20% и выше) и предназначены для изготовления фасонных отливок. Они обладают превосходными литейными качествами, но плохо поддаются механической обработке давлением. Применяются для производства подшипников, втулок, шестерен и арматуры.

Безоловянная бронза

Безоловянные или специальные бронзы не содержат олова в качестве легирующего элемента. По многим физико-механическим характеристикам они не уступают оловянным, а по некоторым параметрам даже превосходят их. Главное преимущество безоловянных бронз заключается в более низкой стоимости и лучшей доступности легирующих компонентов.

Алюминиевая бронза

Алюминиевые бронзы содержат от 5% до 11% алюминия. Этот тип сплава отличается повышенной прочностью, высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и морской воде, а также хорошей свариваемостью в среде инертных газов. Однофазные алюминиевые бронзы обладают высокой пластичностью и применяются для глубокой штамповки, двухфазные используются в виде фасонного литья или подвергаются горячей деформации.

Марки алюминиевых бронз широко применяются в судостроении для изготовления гребных винтов, в химической промышленности для производства аппаратуры, работающей в агрессивных средах, а также в машиностроении для деталей, испытывающих высокие нагрузки.

Бериллиевая бронза

Бериллиевые бронзы содержат всего 1,8-2,5% бериллия, но при этом демонстрируют выдающиеся механические свойства. После закалки и старения эти сплавы достигают предела прочности до 1300 МПа, что превосходит многие марки стали. Бериллиевая бронза сочетает высокую упругость, твердость, износостойкость с хорошей электро- и теплопроводностью.

Применяется для изготовления пружин, мембран, контактных элементов в электротехнике, деталей точных приборов и инструмента, не дающего искру при ударе. Несмотря на высокую стоимость, бериллиевая бронза незаменима там, где требуется сочетание пружинных свойств с электропроводностью.

Кремнистая бронза

Кремнистые бронзы содержат 2-4% кремния с добавками марганца и никеля. Они обладают высокими механическими свойствами, хорошей пластичностью, что позволяет применять все виды обработки давлением. Кремнистая бронза сохраняет свои характеристики при низких температурах и проявляет устойчивость к щелочным средам.

Используется для изготовления пружин, мембран, антифрикционных деталей, а также элементов, работающих в условиях Крайнего Севера. Типичная марка БрКМц3-1 применяется в производстве втулок, подшипников и пружинных элементов.

Маркировка бронзы

Маркировка бронзовых сплавов содержит информацию о химическом составе и позволяет идентифицировать марку материала. Система обозначений регламентируется государственными стандартами и строится по единому принципу.

Принципы маркировки

Любая марка бронзы начинается с букв Бр, обозначающих тип сплава. Далее следуют буквенные обозначения легирующих элементов в порядке убывания их содержания, а также цифры, указывающие процентное содержание этих элементов. Содержание меди в маркировке не указывается и вычисляется как остаток от 100% за вычетом суммы легирующих добавок.

Особенности маркировки литейных и деформируемых бронз

Существует важное различие в способе записи цифровых значений для литейных и деформируемых бронз. У деформируемых марок все буквенные обозначения идут подряд, а затем через дефис указываются цифры в той же последовательности. Например, БрОФ6,5-0,4 означает: бронза оловянно-фосфористая, содержащая 6,5% олова и 0,4% фосфора.

У литейных бронз процентное содержание каждого элемента указывается сразу после его буквенного обозначения. Например, БрО5Ц5С5 расшифровывается как бронза с 5% олова, 5% цинка и 5% свинца, остальное – медь (85%).

Рассмотрим практический пример: марка БрАЖ9-4 представляет собой деформируемую алюминиево-железистую бронзу, содержащую 9% алюминия и 4% железа. Эта бронза обладает очень высокими механическими свойствами и применяется для изготовления арматуры, работающей в различных средах при температурах до 250°C.

Физические и механические свойства бронзы

Свойства бронзы определяются ее химическим составом и термической обработкой. Каждый легирующий элемент вносит специфический вклад в характеристики сплава, что позволяет создавать материалы с заданными параметрами для конкретных применений.

Основные физические свойства

Плотность бронзы варьируется в зависимости от состава и находится в диапазоне 7500-8800 кг/м³. Температура плавления составляет 930-1140°C, что ниже температуры плавления чистой меди (1083°C). Теплопроводность бронзы достигает 40-180 Вт/(м·К), электропроводность – 5-25% от электропроводности меди.

Цвет бронзы изменяется в зависимости от содержания меди: при высоком содержании меди (более 90%) сплав имеет характерный красновато-золотистый оттенок, при снижении содержания меди до 60-70% цвет становится желтым, а при содержании менее 35% сплав приобретает серебристо-белый цвет.

Механические характеристики

Предел прочности на растяжение бронзы составляет 200-1300 МПа в зависимости от марки и обработки (для обычных бронз 250-600 МПа, для термообработанных бериллиевых до 1300 МПа), твердость по Бринеллю – 60-200 единиц для стандартных сплавов. Относительное удлинение варьируется от 3% до 60%, что определяет технологичность обработки. Модуль упругости находится в пределах 100-140 ГПа.

Олово и алюминий повышают прочность и упругость сплава. Свинец и фосфор улучшают антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием. Никель и железо измельчают зерно структуры и повышают температуру рекристаллизации. Кремний и марганец увеличивают жаростойкость и коррозионную стойкость.

Коррозионная стойкость и износостойкость

Бронза демонстрирует высокую стойкость к атмосферной коррозии благодаря образованию на поверхности защитной оксидной пленки. Алюминиевые бронзы особенно устойчивы в морской воде и тропической атмосфере. Кремнистые бронзы проявляют стойкость к щелочным средам и газовым коррозионным средам.

Антифрикционные свойства делают бронзу идеальным материалом для подшипников скольжения, втулок и других деталей узлов трения. Низкий коэффициент трения в паре с закаленной сталью обеспечивает долговечность и надежность механизмов.

Технология обработки бронзы

Технологические процессы обработки бронзы включают литье, обработку давлением, механическую обработку и термическую обработку. Выбор метода зависит от марки сплава и требуемой формы изделия.

Литье бронзы

Плавка бронзы осуществляется в индукционных электропечах, тигельных горнах или дуговых печах при температуре 1100-1200°C. В процессе плавки важно предотвратить окисление расплава, для чего используют древесный уголь или флюсы в качестве защитного покрытия. Раскислителем служит фосфористая медь в количестве до 10% от массы шихты.

Бронза обладает отличными литейными свойствами: малой усадкой (около 1% для оловянных бронз и 1,7-2,5% для алюминиевых), хорошей жидкотекучестью и способностью заполнять сложные формы. Это позволяет получать отливки высокой точности, включая художественное литье и детали сложной конфигурации.

Обработка давлением

Деформируемые бронзы с содержанием олова до 6% хорошо поддаются холодной и горячей обработке давлением. Из них изготавливают прокат: ленты, полосы, проволоку, трубы, прутки различного сечения. Горячая обработка проводится при температуре 700-900°C, что обеспечивает максимальную пластичность.

Нагартовка (холодная деформация) повышает прочность и твердость бронзы, но снижает пластичность. Для восстановления пластичности применяют отжиг при температуре 600-650°C. Степень обжатия может достигать 40-50% при нагартовке.

Механическая обработка

Бронза хорошо обрабатывается резанием, фрезерованием, сверлением и токарными операциями. Добавление свинца в состав улучшает обрабатываемость и качество поверхности. При механической обработке используют обычный режущий инструмент из быстрорежущей стали или твердых сплавов.

Термическая обработка

Некоторые марки бронзы подвергают термической обработке для улучшения свойств. Бериллиевые бронзы особенно эффективно откликаются на термообработку: закалку проводят при температуре 750-790°C с последующим охлаждением в воде, старение выполняют при 300-350°C в течение 2-3 часов. После такой обработки предел прочности бериллиевой бронзы может достигать 1300 МПа, что превосходит многие марки стали. Для других типов бронз также применяют отжиг при температуре 600-650°C для снятия внутренних напряжений и восстановления пластичности после холодной деформации.

Области применения бронзы

Благодаря уникальному сочетанию свойств бронза нашла применение во многих отраслях промышленности, от машиностроения до искусства. Каждая марка бронзы имеет свою специфическую область использования.

Машиностроение и приборостроение

В машиностроении бронза используется для изготовления подшипников скольжения, втулок, шестерен, червячных пар, работающих в условиях интенсивного трения. Антифрикционные свойства и износостойкость делают эти детали долговечными и надежными. Бронзовые подшипники применяются в насосах, компрессорах, электродвигателях, вентиляторах, станках.

Пружины и упругие элементы из бериллиевой и кремнистой бронзы используются в контрольно-измерительных приборах, токоведущих пружинах, мембранах, барометрических коробках. Высокий предел упругости обеспечивает стабильность характеристик при длительной эксплуатации.

Судостроение и химическая промышленность

Алюминиевые и оловянные бронзы широко применяются в судостроении благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде. Из них изготавливают гребные винты, арматуру, трубопроводы, детали судовых механизмов. Бронзовая арматура обеспечивает надежность систем в агрессивных средах.

В химической промышленности бронза используется для производства насосов, клапанов, фитингов, работающих с кислотами, щелочами и другими химически активными веществами. Стойкость к коррозии гарантирует долгий срок службы оборудования.

Электротехника и электроника

Бериллиевая бронза применяется в электротехнике для изготовления контактов, разъемов, щеткодержателей, пружинных элементов электрических аппаратов. Сочетание электропроводности с высокими упругими свойствами делает ее незаменимой в производстве интегральных схем, оптоволоконного оборудования, компонентов для современных гаджетов.

Строительство и декоративное искусство

Бронза с давних времен используется для создания скульптур, памятников, декоративных элементов архитектуры. Долговечность материала, устойчивость к атмосферным воздействиям и благородный внешний вид делают его идеальным для художественных отливок. Современные мастерские продолжают традиции бронзового литья.

В строительстве бронзовая фурнитура, дверные ручки, петли, сантехнические изделия ценятся за эстетические качества и надежность. Бронзовые светильники, люстры, торшеры создают атмосферу роскоши и изысканности.

Заключение

Бронза остается незаменимым материалом в современной промышленности благодаря уникальному сочетанию механических, физических и химических свойств. Разнообразие марок позволяет подобрать оптимальный сплав для любых условий эксплуатации от подшипников в экстремальных условиях до художественных отливок.

Правильный выбор марки бронзы, основанный на понимании ее состава и свойств, обеспечивает надежность и долговечность изделий. Знание системы маркировки помогает специалистам быстро определить характеристики материала и принять обоснованное решение о его применении.