Бронза состав сплава маркировка и применение

Открытие её ознаменовало для человечества начало технической революции, и как любое великое изобретение, произошло оно случайно. Бронза тесно связана с медью и ее производством. Люди заметили, что медь, добытая из некоторых шахт, отличалась лучшими механическими и литейными свойствами. Изучив состав сплава, они поняли, что причиной этому было наличие в нем примесей олова. Так незаметно бронзовый век пришел на замену медному, открыв новые технологические перспективы развития перед человеком.

Бронзовые сплавы и их разновидности

По способу обработки бронзовые сплавы делятся:

Деформируемая бронза. Для изготовления деталей из них применяют такие технологические операции как ковка, протяжка, резание, фрезерование.
Литейная бронза. Детали из такого сплава производятся методами металлургии.

Исходя из химического состава бронза подразделяется:

Оловянная. В своем составе она содержит от 3,5 до 7% олова. Сплав обладает повышенными значениями предела прочности (свыше 40 кг/мм2) и упругости после предварительной обработки давлением. Такая бронза имеет высокие литейные свойства. Усадка сплава составляет 1%, что сравнимо с аналогичным показателем литейных чугунов. Жидкотекучесть металла позволяет получать отливки с толщиной стенки 1 мм. Единственный недостаток, которым обладает сплав, — это образование микропористости во время кристаллизации отливки.
Безоловянная. Сюда входят сплавы, химический состав которых не содержит дорогостоящего олова. Его заменяют более доступные металлы.

Маркировка происходит аналогично стали. Буквами указываются легирующие компоненты. Цифры, следующие за ними , показывают процент содержания этих элементов в составе. Количество меди определяется конечной разностью всех составляющих сплава. Например, шифровка Бр .АЖ 9-4 означает, что это бронза ( Бр .) с содержанием алюминия (буква «А») 9% и железа (буква «Ж») 4%.

Металлургия предлагает огромный выбор безоловянных бронз и выделяет следующие их разновидности:

Алюминиевая бронза ( Бр .А5, Бр .АЖ 9-4) отличается наибольшей пластичностью среди всех видов бронзовых сплавов. Относительный коэффициент удлинения составляет 60%. Литейные свойства ниже, чем у оловянных бронз, но при этом данный состав сплава не образует микропор. Предел прочности находится в пределах 50-60 кг/мм2. Сплав коррозионно устойчив к морской воде. Добавление в состав сплава никеля, железо и фосфора позволяет улучшить физические свойства бронзы.
Кремнистая ( Бр . Кмц 3-1) выделяется устойчивостью работы в условиях щелочной среды и низких температур. Для повышения прочностных характеристик металла его химический состав легируют марганцем и дополнительно обрабатывают холодной деформацией.
Берилловая ( Бр .Б2) имеет высокие показатели прочности (до 110 кг/мм2), коррозионностойкости и электропроводности. Это единственные бронзовые сплавы способные упрочняться термической обработкой: закалкой и искусственным старением. Из недостатков можно выделить высокую цену на бериллий . По этой причине данная бронза применяется только в изготовлении высоко ответственных узлов.

Применение бронзы

Ввиду всех вышеперечисленных качеств и достоинств бронза нашла широкое распространение в разных типах промышленности:

В машиностроении бронза ценится за счет двух основных свойств: высокий коэффициент трения по стали и коррозионностойкость . Исходя из этого сплав активно используется для изготовления гаек нажимных винтов, работающих в условиях воздействия агрессивных сред, вкладок и втулок механизмов, подшипников скольжения, шестерней, элементов червячной передачи, уплотнительных колец.
В электронике применяется берилловая бронза для производства интегральных схем, оптико-волоконных приборов, пружинных контактов, измерительной аппаратуры.
В судостроении бронзу используют как материал деталей, работающих в морской воде.
Бронза безразлична к перепадам температур. Сплав устойчив к воздействию хлора и снижает активность вредных для человека микроорганизмов. В связи с этим бронза активно используется в оборудовании для сантехники. Из данного сплава изготавливают фитинги для разводки трубопровода, шаровые краны, штуцера, ниппеля, накидные гайки.
Высокие литейные качества позволили применять бронзу в сфере искусства. Многие знаменитые скульптуры и памятники выполнены из нее. Среди них статуя «Писающий мальчик» в Брюсселе, скульптура «Мыслитель» в Париже и прочее.
Бронза широко используется в изготовлении предметовбыта и фурнитуры. Причиной служит эстетичный внешний вид сплава, подчеркивающий индивидуальность интерьера. Сюда входит изготовление пепельниц, подсвечников, держателей полотенец, петлей и ручек дверей и т. д.

Цена на бронзовый сплав

Современные металлургические заводы и предприятия все больше предпочитают использовать переработку вторсырья для дальнейшего получения из него бронзы, нежели ведение добычи непосредственно из шахт. Связано это с большей экономической эффективностью. Дешевле переплавить уже имеющуюся бронзу, чем осваивать новые месторождения. Это и есть причина постоянных открытий пунктов приема металлолома . Осталось понять, как формируются цены на бронзовый лом.

Существует несколько критериев, по которым формируется стоимость на сплав бронзы:

Химическийсостав. Чем больше сплав содержит дефицитных и, соответственно, дорогостоящих металлов в своем составе, тем выше цена бронзы. Сюда относятся медь, олово, бериллий. Содержание алюминия, кремния и цинка наоборот, ведет к удешевлению бронзы.
Формалома, т.е. в каком виде поставляется бронза: сетка, проволока, стружка, лист.
Содержание примесей и внешний вид. Наличие на поверхности бронзовых сплавов полуды и таких примесей как сера, водород, фосфор (свыше 0,5%) отрицательно влияет на стоимость лома.
Объемпоставки. В целом, металлоприемщик отдает предпочтение в работе с ломом весом от 1 тонны. Поэтому чем больше масса партии, тем выше цена на бронзу.
Месторасположение пункта приема. Разные регионы имеют разные расценки на бронзу. Связано это с соотношением спроса и предложения в конкретном регионе России.

Все вышеперечисленное учтено в государственном стандарте ГОСТ 1639-93. Согласно ему лом бронзовых сплавов подразделяется на следующие категории (в скобках указана ориентировочная ее стоимость за кг):

Лом А-11-1.Представлен бронзой в виде кусков размерами не более 5х5 см. Засор в сплаве до 3%. (250 руб.)
Лом А-11-2. Содержание в сплавах меди не меньше 80%. Поставляется кусками не более 5х5 см. В составах данного вторсырья бронзы примесь не должна превышать 7%. (230 руб.)
Лом А-11-3. входит не менее 70% меди, а засора в сплаве не более 7%. (200 руб.)

Такая высокая стоимость сплава связана с истощением медных руд. По оценкам разных специалистов они должны полностью закончиться через 80-100 лет. Обеднение медных руд, в свою очередь, ведет к увеличению стоимости технологий и бурильного оборудования. Чем глубже руда, тем тяжелее ее оттуда «достать».

Доказательством всего вышесказанного является значение котировок на биржах цветных металлов, которые с середины 2015 года постоянно растут вверх.

Физические свойства

Бронза — сплав меди с такими металлами как олово, алюминий, кремний и т. д. Исключение составляют латуни (сплав меди с цинком) и мельхиоры (сплав меди с никелем).

Металл не поддается термообработке (кроме бериллиевой). Механические свойства полностью определяет химический состав и структура. Бронзовые сплавы имеют более низкую упругость (9000-12000 кг/мм2) по сравнению со сталью.

Значение коэффициента трения практически у всех бронз одинаково. Плотность колеблется в пределах 7500-9100 кг/м3. Температура плавления 880-1060 ºС. Бронза плохо пропускает тепло. Ее коэффициент теплопроводности равен 0,1-0,2 кал/ смсС . Электропроводность значительно уступает меди. Значение удельного электро сопротивления бронзового сплава составляет 0,1-0,17 мкОМ *м.

Сплав обладает высокой устойчивостью к воздействию агрессивных сред: вода, воздух, щелочи, некоторые кислоты.

Бронзовый сплав образует на своей поверхности патину. Именно она служит защитой бронзы от дальнейшего разрушения и снижает скорость протекания коррозии до 0,0015 мм в год.

Маркировка бронз

Бронза — сплав меди с оловом, алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами, за исключением цинка. В зависимости от легирования бронзы называют оловянными, алюминиевыми, кремневыми, бериллиевыми и т.д.

Марку бронз составляют из букв «Бр», характеризующих тип сплава (бронза), букв, указывающих перечень легирующих элементов в нисходящем порядке их содержания, и цифр, соответствующих их усредненному количеству в процентах. Например: маркой Бр. ОЦС4-4-2,5 обозначают бронзу, содержащую 4% олова, 4% цинка, 2.5% свинца и 89,5% меди (100-(4+4+2.5)=89,5% ).

Принято все бронзы делить на оловянные и безоловянные.

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.

Оловянные бронзы легируют цинком, никелем и фосфором. Цинка добавляют до 10%, в этом количестве он почти не изменяет свойств бронз, но делает их дешевле. Свинец и фосфор улучшают антифрикционные свойства бронзы и ее обрабатываемость резанием.

Применение некоторых литейных оловянных бронз

БрОФ6,5-0,4 — пружины, барометрические коробки, мембраны, антифрикционные детали

БрОЦ4-3 — плоские и круглые пружины

БрОЦС4-4-2,5 — Антифрикционные детали

БрО3Ц12С5 — Арматура общего назначения

БрО5ЦНС5 — Антифрикционные детали, вкладыши подшипников и арматура

БрО4Ц4С17 — Антифрикционные детали (втулки, подшипники, вкладыши, червячные пары)

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.

Алюминиевые бронзы. Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии в морской воде и тропической атмосфере, имеют высокие механические и технологические свойства. Однофазные бронзы, обладающие высокой пластичностью, применяют для глубокой штамповки. Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации, или применяют в виде фасонного литья.
Литейные свойства алюминиевых бронз ниже, чем литейные свойства оловянных бронз, но они обеспечивают высокую плотность отливок.

Кремнистые бронзы. При легировании меди кремнием (до 3,5%) повышается прочность, а так же пластичность. Никель и марганец улучшает механические и коррозионные свойства кремнистых бронз, эти бронзы легко обрабатываются давлением, резанием и свариваются. Благодаря высоким механическим свойствам, упругости и коррозионной стойкости их применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей приборов и радиооборудования, работающих при температуре до 2500С, а также в агрессивных средах (пресная, морская вода).

Бериллиевые бронзы. Эти бронзы относятся к сплавам, упрочняемые термической обработкой. Обладая высокими значениями временного сопротивления, пределами текучести и упругости, бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием. Бериллиевые бронзы применяют для мембран, пружин, пружинящих контактов, деталей, работающих на износ, в электронной технике

Свинцовые бронзы. Свинец практически не растворяется в жидкой меди. Поэтому сплавы после затвердевания состоит из кристаллов меди и включения свинца. Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это предопределяет широкое применение свинцовой бронзы для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводность бронзы БрС30 в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.

Нередко свинцовые бронзы легируют никелем и оловом и повышают механические и коррозионные свойства.

Применение безоловянных бронз:

БрАЖ9-4 — Для обработки давлением ( прутки, трубы, листы)

БрАЖН10-4-4 — Детали химической аппаратуры

БрА9Ж3Л — Арматура, антифрикционные детали

БрА10Ж3Мц2 — Арматура, антифрикционные детали

БрКМц3-1 — Прутки, ленты, проволока для пружин

БрБ2 — Полосы, прутки, лента, проволока для пружин

Своей высокой популярностью бронза обязана не только своим декоративным характеристикам, но и целому ряду других свойств. Между тем немногие из тех, кто использует данный металл, могут назвать состав бронзы, а ведь именно он определяет характеристики этого медного сплава.

Бронза литейная БрОЗЦ8С4Н1 в чушках используется для производства антифрикционных деталей

Основные легирующие добавки

Бронза – это цветной сплав на основе меди, определяющей большую часть его характеристик. Производить и использовать бронзу для изделий различного назначения человек начал еще с древних времен, о чем свидетельствуют результаты археологических раскопок. Изначально использовалась бронза, состав которой был обогащен оловом. К сплавам данного типа относится, в частности, так называемая колокольная бронза (из нее на протяжении многих веков отливали колокола).

Кроме бронз, содержащих в своем составе олово, сегодня активно используются и сплавы меди, в которых данного химического элемента нет. Вместо олова в качестве основной легирующей добавки в таких медных сплавах применяются:

бериллий, который придает бронзе повышенную прочность;
кремний и цинк – элементы, благодаря которым поверхность бронзового изделия становится очень устойчивой к истиранию и улучшается текучесть бронзы, что особенно важно для выполнения литейных операций;
свинец, придающий бронзе устойчивость к коррозии;
алюминий, наделяющий бронзу достойными антифрикционными свойствами и высокой устойчивостью к коррозии.

На вопрос же о том, какой металл обязательно присутствует в любой бронзе, можно ответить однозначно: это медь.

Химический состав различных марок бронзы (нажмите для увеличения)

Кроме разделения по химическому составу, существует классификация бронзовых сплавов по технологии обработки:

деформируемые (используемые для производства изделий, которые обрабатывают методом пластической деформации);
литейные (изделия из них производят методом литья).

Современная промышленность выпускает множество марок бронзы, отличающихся своим химическим составом и, соответственно, характеристиками и областью применения. Многие опытные мастера даже по цвету бронзы могут определить, к какому типу она относится. Однако далеко не все это умеют. Самым верным и наиболее простым способом получения информации о том, что содержится в составе бронзы определенной марки и к какому типу она относится, является расшифровка маркировки, которая включает в себя как буквенные, так и цифровые обозначения.

Струны для гитары: слева из обычной оловянной бронзы (20% олова), справа из фосфорной (7,7% олова, 0,3% фосфора)

Все марки бронзовых сплавов, выпускаемые современными предприятиями в строгом соответствии с требованиями нормативных документов (ГОСТов), перечислены в специальных таблицах, из которых можно получить информацию не только о химическом составе сплава определенной марки, но и о сферах его применения и характеристиках. Впрочем, даже не пользуясь такими таблицами, можно определить тип сплава и его химический состав, если знать, по какому принципу формируется его обозначение.

Механические свойства и применяемость оловянных бронз (к — литье в кокиль, п — литье в песчаную форму)

Понять, что перед вами бронза, сплав меди, можно по первым буквам «Бр», присутствующим в маркировке. После них ставятся буквы, по которым можно узнать, какие еще металлы, кроме меди, содержатся в химическом составе данного сплава. Нормативным документом установлены следующие правила обозначения химических элементов, присутствующих в составе бронзы:

Обозначение добавок в составе бронзы

Что характерно, в маркировке бронзы любой марки не указывается количество меди, содержащейся в ее химическом составе. При этом цифры, присутствующие в обозначении, указывают на количественное содержание (в целых долях процента) остальных элементов. Соответственно, количество меди, содержащееся в бронзе определенной марки, высчитывается как разность между 100% всего состава и количеством добавок. Например, в бронзе марки Бр АЖ 9-4, содержится 9% железа и 4% алюминия, остальные 87% составляет медь.

Бронзовый металлопрокат выпускается в виде ленты, проволоки, труб, втулок, плит и прутков

Количество чистой меди, содержащейся в составе бронзы, оказывает влияние не только на технологические и эксплуатационные характеристики изделия, но и на цвет его поверхности. Так, изделия из наиболее распространенных марок бронзовых сплавов, в составе которых около 85% меди, отличаются золотистым цветом. Если количество меди уменьшить до 50%, то на выходе может получиться белая бронза, очень похожая по своему цвету на серебро. При желании может быть получена серая и даже черная бронза – такого результата можно добиться, если уменьшить количество меди в составе сплава до 35% и ниже.

Многие старые бронзовые изделия, поверхность которых имеет практически черный цвет, приобрели его не из-за использования для их производства сплава определенного состава, а в результате воздействия времени и различных внешних факторов (пожары, длительное нахождение в сырой земле и др.). В древности просто не могло существовать технологий производства бронзы, состав которой дополняют редкоземельные металлы, придающие ей насыщенный черный цвет.

Марки и сферы их применения

Естественно, что различные химические элементы в состав любой бронзы вводят не бесцельно, а для того, чтобы улучшить ее свойства. Так, содержание в бронзе такого металла, как олово, оказывает влияние на ее пластичность. Чем больше в составе бронзы содержится данного металла, тем более твердым и, соответственно, более хрупким становится сплав. Однако самое значительное влияние на твердость и прочность бронзы оказывает такой химический элемент, как бериллий. Некоторые марки бронзовых сплавов, содержащие в своем химическом составе бериллий, превосходят по своим прочностным характеристикам высококачественные стали. Если подвергнуть бериллиевую бронзу процедуре закалки, то она наряду с высокой прочностью приобретает упругость, что позволяет изготавливать из такого материала пружины, рессоры и мембраны различного назначения.

Свойства и применение бериллиевых бронз (нажмите для увеличения)

Из бронзовых сплавов, химический состав которых обогащен алюминием, производят изделия, которые должны сочетать достаточно высокую прочность с исключительной коррозионной устойчивостью. Благодаря характеристикам бронзовых сплавов данного типа изделия из них успешно эксплуатируются в самых неблагоприятных условиях (повышенная влажность, воздействие морской воды и др.). В тех случаях, когда из бронзы необходимо изготовить изделие, которое в процессе эксплуатации будет подвергаться значительным ударным и фрикционным нагрузкам, лучше применять сплавы, содержащие в своем химическом составе свинец. Из такой бронзы, в частности, производятся подшипники, используемые в механизмах различного назначения.

Особенности безоловянных алюминиевых бронз

Бронзы, в составе которых, кроме меди, содержится кремний и цинк, отличаются повышенной текучестью в расплавленном состоянии, поэтому их используют преимущественно для производства сложных деталей методом литья. Отличительным свойством бронз данного типа является и то, что при механическом воздействии на изделия, которые из них изготовлены, не образуются искры. Такое качество очень важно во многих случаях.

Относительно новым видом бронз, которые были разработаны в связи с развитием нефтедобывающей промышленности, являются медные сплавы, состав которых обогащен алюминием и никелем. Такие бронзы, отличающиеся исключительной коррозионной устойчивостью, часто называют морскими, потому что изделия из них способны сохранять все свои первоначальные характеристики даже после длительной эксплуатации в соленой морской воде. Получить такие сплавы, которые активно используются для производства элементов нефтяных платформ, устанавливаемых на морских и океанских шельфах, удалось благодаря развитию металлургической промышленности.

Большая часть марок бронзовых сплавов не магнитится, что дает возможность успешно использовать их для производства изделий электротехнического назначения.

Как производят бронзу

За длительный период существования технологии производства бронзы изменились только инструменты и оборудование, а суть осталась прежней. Как и в древние времена, в качестве сырья для получения этого медного сплава может выступать шихта или бронзовые отходы, а флюсом, который предотвращает слишком интенсивное окисление металла в расплавленном состоянии, является древесный уголь.

Эта установка центробежного литья позволят производить бронзовые заготовки весом до 50 кг

Сам процесс плавки, в результате которой и получают бронзу, выполняется в следующей последовательности.

Тигель с исходным сырьем помещают в печь, предварительно разогретую до требуемой температуры.
Чтобы металл после расплавления сильно не окислялся, к нему добавляют измельченный древесный уголь – флюс.
После того как металл полностью расплавится и хорошо прогреется, в его состав вводят фосфористую медь, играющую роль кислотного катализатора.
После некоторой выдержки в прогретом состоянии в расплавленный металл добавляют легирующие и связующие элементы (лигатуры), после чего полученный сплав тщательно перемешивается.
Перед разливкой расплавленного металла в него вновь добавляют фосфористую медь, которая в данном случае необходима для снижения активности окислительных процессов.

На всех этапах производства надо очень тщательно следить за соблюдением правильного температурного режима в печи и самом сплаве. Следует также контролировать количество легирующих и связующих компонентов, добавляемых в расплавленный металл.

Естественное и искусственное патинирование

Многие наверняка задавались вопросом о том, почему старые бронзовые изделия выглядят не как обычная, а как зелено-белая бронза. Такой цвет появляется из-за образования пленки, которая называется патина. Фактором, который влияет на процесс образования такой пленки и интенсивность его протекания, является взаимодействие поверхности бронзового изделия с окружающим воздухом и содержащимися в нем компонентами (выхлопные газы, дым, водные пары и др.).

Патина, которая может быть оксидного или карбонатного происхождения, представляет собой защитную пленку. Ее наличие делает вид изделия более благородным (достаточно взглянуть на фото старых бронзовых предметов, чтобы понять это).

Сахарница из патинированной бронзы

На сегодняшний день разработаны технологии, которые позволяют не только снимать с поверхности бронзового изделия слой патины, но и выполнять искусственное патинирование, чтобы придать бронзовому предмету некоторую винтажность. Выполняют такое патинирование с помощью препаратов, содержащих в своем составе серу. После их нанесения на поверхность изделия его нагревают до определенной температуры.

Кроме искусственной патины, поверхность бронзовых изделий может покрываться слоем лака, позолоты, хрома или никеля.