Стремительное развитие металлургии требует от нас изучения характеристик разных металлов и их сплавов, и в этой статье будут подробно рассмотрены свойства бронзы и ее применение. Кроме того, скажем пару слов об ее видах и, конечно же, особенностях каждого из них.

1

У этого сплава длинная и интересная история, ведь в честь него даже назвали один из веков – бронзовый, и свою популярность он не утратил вплоть до наших времен. Бытует мнение, что само слово произошло от итальянского созвучного "bronzo", а последнее имеет персидские корни. Итак, это сплав меди с иными металлами, в основном оловом, причем их весовое соотношение может быть различным. В зависимости от процентного содержания того либо иного элемента получается различный цвет бронзы – начиная от красного (при большом содержании меди) и заканчивая стальным серым (в этом случае в сплаве не более 35% Cu).

Однако сочетание не всех металлов с медью называется бронзой. Так, например, если легирующим элементом выступает цинк, то полученный сплав желто-золотистого цвета будет носить название латунь. А вот если сплавлять Ni и Cu, образуется мельхиор, из которого чеканят монеты. Этот материал красивого серебристого цвета, который сохраняет внешний вид очень долго. Но в этом разделе остановимся на видах именно бронзы. Как уже было сказано в основном это сочетание меди с оловом, такие варианты называются оловянными. Это один из первых видов, который был освоен человеком.

Самое большое содержание олова достигает 33%, тогда материал имеет красивый белый, немного серебристый цвет. Далее же содержание этого элемента снижается. Меняется, конечно, и цвет, палитра тут довольно разнообразная – от красного до желтого. Твердость такой бронзы превышает показатель для чистой меди, кроме того, она имеет лучшие прочностные характеристики, при этом являясь более легкоплавким материалом. В этом случае олово выступает первым легирующим элементом, кроме него в сплаве могут присутствовать еще и мышьяк, свинец, цинк, но это вовсе не обязательно.

Также существует и еще ряд сплавов меди с иными металлами (алюминием, железом, кремнием, свинцом и т. д.), но уже без участия Sn. Они также имеют ряд достоинств, причем по некоторым параметрам им даже уступают оловянные бронзы, еще большим разнообразием характеризуется их палитра. Поэтому работа по созданию цветных сплавов сродни творчеству. Рассмотрим в следующем пункте более подробно свойства различных материалов, которые мы можем получить из меди с применение добавок.

2

Итак, не только цвет меняется из-за добавок. В случае с оловянными бронзами технические характеристики напрямую зависят от весового содержания главного и дополнительных легирующих элементов. Так, например, при 5% Sn пластичность сплава начинает падать, а если количество олова достигнет 20%, то резко ухудшаются и механические свойства материала, и он становится более хрупким, снижается твердость. Вообще, бронзы, в состав которых входит более 6 весовых процентов Sn, используются в литейном производстве, для ковочных же и прокатных работ они непригодны.

Если же добавить в сплав до 10% по весу цинка, то он практически не произведет никакого влияния на механические свойства оловянной бронзы, только лишь несколько удешевит ее. Чтобы улучшить обрабатываемость материала в него вводят до 5% свинца, благодаря включениям которого облегчается стружколомание. Ну а фосфор выступает в качестве раскислителя, и если в сплаве содержится более одного процента этого элемента, то такие бронзы часто называют фосфористыми.

Сравнивая оловосодержащие бронзы со сплавами, в состав которых не входит Sn, то первые значительно выигрывают по величине усадки, она у них минимальная, зато вторые имеют иные преимущества . Так, механические свойства алюминиевой бронзы значительно превосходят характеристики оловянной, кроме того, она имеет еще и большую химическую стойкость. Кремнецинковая же более жидкотекучая, а бериллиевая наделена высокими показателями упругости, на таком же уровне находится и ее твердость.

Для сфер, где применяются бронзы, особенно важна теплопроводность. Мы привыкли, что этот показатель для металлов довольно высокий. Но особенность всех сплавов в том, что, как правило, теплопроводность при введении добавок падает. Не стала исключением и обсуждаемая нами разновидность сплавов. Всем хорошо известно, насколько высока теплопроводность чистой меди, часто это даже становится причиной ограничений в ее использовании. А вот для бронз все совсем по-другому, это качество проявляет себя значительно меньше. Даже по сравнению с похожим теплопроводность бронзы в большинстве случаев заметно ниже. Исключением являются лишь низколегированные сплавы меди, естественно, они приближаются по этому показателю к чистому металлу.

Низкая теплопроводность становится причиной затрудненного отвода тепла, поэтому бронзы не используются в узлах трения, в качестве электродов для сварки или других механизмах, где устранять перегрев нужно максимально быстро.

3

Бронза широко используется в разных промышленных областях, причем и применение ее весьма различно. Так, например, литые оловосодержащие сплавы с высокой стойкостью против истирания являются прекрасным антифрикционным составом, и их используют в качестве подшипниковых материалов. Благодаря же великолепной стойкости бронзы вполне целесообразно делать арматуру и , твердость и механические показатели которых будут довольно высокие.

Также стоит отметить , отличающиеся прекрасной свариваемостью, химической стойкостью, поддающиеся обработке режущим инструментом. Все эти свойства делают данный материал пригодным для изготовления ответственных элементов, таких, как мембраны, пружины, пружинящие контакты и т. д. Так как теплопроводность большинства бронз невелика, то детали, сделанные из такого материала, легко свариваются.

Чтобы определить состав сплава, достаточно посмотреть на его маркировку, которая состоит из набора цифр и букв. Так, первым в обозначении всегда идет сочетание букв "Бр". Далее следуют обозначения веса легирующих добавок в процентном содержании, причем сначала буквенные символы, а за ними уже численные значения, разделенные дефисом в соответствующем порядке. Стоит отметить, что в бронзах не указывается количество меди.

Маркировка необходима не только чтобы узнать состав сплава и его характеристики (твердость, теплопроводность и другие), с ее помощью определяют и удельный вес любого вида бронзы. Для этого придется воспользоваться специализированными справочниками, если же марка сплава неизвестна, тогда следует сделать химический анализ. К слову, удельный вес этого сплава используется еще и при подготовке каких-либо работ. Если углубиться в формулу, то видно, что это отношение массы заготовки к ее объему. Следовательно, узнав из таблицы удельный вес любого типа этого "цветастого" сплава, мы можем оценить, какой объем будет иметь деталь определенной массы, или, наоборот, сколько будет весить брусок заданного объема.

Бронза представляет собой многокомпонентный или двойной сплав меди и другого вида элементов, кроме цинка, для улучшения свойств металла. Такого вида элементы, которые составляют 2,5 процента от общей массы, относят к легирующими типам. Это могут быть: олово, свинец, хром, железо, марганец, бериллий, кремний, фосфор, алюминий, а также другие похожие элементы.

Маркировка бронзы происходит по двум параметрам: буквами обозначают сам сплав, а цифрами - содержание компонентов легирующего типа. Например, БрА5 представляет собой бронзу алюминиевого типа, а БрО5 - бронзу оловянного типа.

Бронза является одним из самых старейших материалов в мире. В давние времена из него изготовлялись различного вида орудия труда, оружия и предметы интерьера.

Таблица удельного веса бронзы

Так как, бронза является сложным материалом, рассчитать удельный вес бронзы в полевых условиях самостоятельно не представляется возможным. Эти вычисления проводят в специальных химических лабораториях. Однако, при этом его средний удельный вес известен и равен диапазону от 8,7 до 8,9 г/см3.

Расчет веса бронзы будет легче производить благодаря представленной таблицы с значениями удельного веса и такого параметра, как вес бронзы в зависимости от единиц исчисления.

Таблица веса бронзы

Классификация бронзы

Бронзу классифицируют исходя из двух признаков: технологический и химический.

По технологическому признаку бронза разделяется на два вида:

По химическому признаку бронзу разделяют на:

Свойства бронзы

Бронза отличается высокой прочностью, стойкостью к коррозии, а также отличными антифрикционными свойствами. Этот вид материалов обладает повышенной стойкость к соленной воде, воздуху, растворов кислот и углекислых растворах. Бронза отлично подходит для обработки пайкой и сваркой мягкими и твердыми припоями.

Цвет бронзы зависит от типа легирующих компонентов в составе, и может варьироваться от белого до красного. Также благодаря последним отличаются и свойственные показатели:

Физико-химические особенности бронзы

Бронза - материал, известный человечеству на протяжении многих веков. Этот своеобразный сплав олова и красной меди когда-то ценился на уровне с золотом и серебром. В древние времена из этого сплава изготавливались украшения различные виды оружия и орудия труда.

Современный сплав считается высокотехнологичным материалом, легирующимся алюминием, цинком, никелем, кремнием и фосфором, в результате чего образовавшийся металл обладает различными физико-химическими свойствами. К основным характеристикам полученных сплавов можно отнести:

Высокая прочность;

Достаточно хорошая электропроводность;

Высокая степень теплопроводности.

Способы определения удельного веса

Для определения степени соответствия сплава планируемым работам необходимо узнать его марку и в зависимости от марки можно определить удельный вес и другие характеристики бронзы, в том числе чтобы расчитать вес какого-либо проката из нее. Все расчеты производятся с применением законов физики и знаний в химии. Для проведения химического анализа бронзу берут на пробу и определяют состав металлов.

Вообще удельный вес можно определить и опытным путем, так как известно, что все тела одинакового объема отличаются различной величиной массы. Другими словами, соотношение объема и массы сплава - постоянная величина, характеризующая исследуемое вещество. За основу удельного веса вещества принимается сила тяжести данного сплава, взятого за основу объема вещества.

Соотношение удельного веса сплава и его плотности соответствуют соотношению веса и массы тела, взятого за основу исследования. Для определения удельного веса бронзы тело, изготовленное необходимым способом, сначала взвешивается в воздухе, а потом опускается в воду. По закону Архимеда тело теряет в весе и поэтому привязанная к нему чаша весов поднимается, а на нее укладывается груз извесного веса для определения значения веса бронзы.

Значение удельного веса можно определить по формуле

γ=Р/V или Удельный. Вес = Вес/Объем

Таким образом можно и своими руками определить удельный вес конкретного бруска бронзы, но конечно на практике используется химический анализ проката или просто справочные данные из таблицы если марка уже известна.

Бронзовый прокат и примеры расчета его веса

Так как при получении бронзового проката сплав подвергается необходимым технологическим процессам, связанным с добавлением различных химических элементов, изменяющих свойства бронзы, то и процесс расчета удельного веса проводится заново в заивсимости от добавленных легирующих элементов.

Для удобства расчета удельного веса различных бронзовых сплавов существуют специальные калькуляторы расчета удельного веса веществ и системы табличных значений для конкретных марок см. ниже. Покупателям металла нет необходимости проводить расчеты самостоятельно, чем значительно упрощается выбор необходимого материала для планируемого вида производства, но вес бронзы можно посчитать и вручную, зная удельный вес имеющейся марки.

Пример 1: Расчитаем вес бронзового круга диаметром 70 мм марки БрА9Ж4 длиной 4 метра в количестве 18 штук

В начале высчитаем площадь поперечного сечения круга S=πR 2 значит S=3,1415·3,5 2 =38,465 см 2

Расчитаем массу одного прутка зная что удельный вес марки БрА9Ж4 = 7,6 гр/см 3

M = 7,6·38,465·400 = 116933,6 грамм = 116,933 кг

Итого масса всего проката М = 116,933·18 = 2104,80

Пример 2: Расчитаем вес бронзового листа толщиной 50 мм марки БрХ1 раскроем 500х1000 мм в количестве 7 штук

В начале высчитаем объем одного листа V = 5·50·100 = 25000 см 3

Следовательно, при удельном весе марки БрХ1 = 8,9 гр/см 3

Вес одного листа будет М = 8,9·25000 = 222500 грамм = 222,5 кг

Итого всей партии будет М = 222,5·7 = 1557,5 кг

Виды бронзы в нашем марочнике металлов:

Именно свойства бронзы определяют популярность этого хорошо известного материала, не снижающуюся уже на протяжении нескольких тысячелетий. В результате активного развития металлургической отрасли были разработаны различные марки данного сплава, каждая из которых отличается своими особенностями и сферами применения.

Типы бронзовых сплавов

О том, насколько популярной была и остается бронза, говорит и тот факт, что целый период в истории человечества был назван бронзовым веком. Ученые считают, что само слово «бронза» обязано своим происхождением старому названию итальянского города Бриндизи, известного своими литейными мастерскими.

Изначально бронзу получали в процессе расплавления и смешивания таких металлов, как . Из нее часто отливали колокола, поэтому она получила название «колокольная». Она также использовалась для изготовления оружия и орудий труда, различной домашней утвари, скульптурных композиций и предметов интерьера.

На многих старинных фото можно увидеть интерьерные , которые и сейчас поражают своей красотой. С развитием металлургической промышленности появились и другие виды бронзы, в которые вместо олова стали вводить алюминий, железо, бериллий, кремний, цинк, свинец, фосфор и др.

Изменение традиционного химического состава бронзы позволило не только улучшить ее механические свойства (твердость, прочность, износостойкость и устойчивость к воздействию агрессивных сред), но и изменить ее цвет. Так, цвет поверхности бронзовых изделий может варьироваться от красного (если в бронзе содержится большое количество меди) до серого и даже черного. Изменение цвета данного сплава при варьировании его химического состава является очень важным его свойством при изготовлении изделий декоративного назначения.

Многие путают , хотя это совсем другой медный сплав с другими свойствами, в химическом составе которого, кроме основного металла, присутствует цинк. Хотя по цвету латунь можно спутать с некоторыми марками бронзы, по многим из своих характеристик это разные материалы, поэтому и сферы их применения различаются.

Еще один распространенный сплав меди, основным легирующим элементом которого является никель, – это мельхиор. Поверхность изделий из него отличается красивым серебристым цветом. Мельхиор активно используется для чеканки монет и изготовления столовых приборов.

В зависимости от того, содержится в бронзе олово или нет, она может относиться к оловянному или безоловянному типу.

Если говорить о бронзах первого типа, то максимальное количество олова в их химическом составе может доходить до 33%. Увеличение содержания олова несколько снижает удельный вес и плотность основного металла, но увеличивает такие свойства итогового материала, как твердость и прочность. Кроме того, с увеличением олова в составе бронзы цвет изделий, которые из нее изготовлены, становится светлее, что заметно даже по их фото. Кроме олова, которое также снижает температуру плавления готового сплава, в химическом составе такого металла могут содержаться и другие химические элементы – мышьяк, свинец, цинк и др.

Если говорить о безоловянных бронзах, удельный вес и плотность которых незначительно отличаются от аналогичных характеристик сплавов первого типа, то по многим из своих механических свойств они могут превосходить не только оловянные бронзы, но и некоторые марки стали. Естественно, что и цвета изделий, изготовленных из таких сплавов, могут серьезно разниться.

Теплопроводность и другие характеристики бронзы

Как уже говорилось выше, процентное содержание основного легирующего элемента в химическом составе бронзы меняет не только ее цвет, но и механические свойства. При этом плотность и удельный вес, если сравнивать их с аналогичными характеристиками материалов других марок, меняются незначительно. Такая закономерность актуальна не только для бронзы, но и для латуни, а также для других медных сплавов.

Если говорить о бронзах оловянного типа, то такое их свойство, как пластичность, начинает снижаться в том случае, если процентное содержание олова в них превышает 5%. Если же содержание олова довести до 20%, то одновременно со снижением твердости увеличится и хрупкость такого материала. Именно поэтому для выполнения литейных операций и обработки металла методом пластической деформации можно использовать только ту бронзу, в которой содержится не более 6% олова.

В химический состав отдельных марок бронзы водят цинк, содержание которого может доходить до 10%. Такое легирование практически не меняет удельный вес и плотность металла, а также не оказывает значительного влияния на его механические свойства, но удешевляет его стоимость.

Чтобы улучшить такое свойство бронзы, как обрабатываемость резанием (в частности, облегчить процесс ломания стружки), в нее вводят незначительное количество свинца (до 5%). Фосфор, присутствующий в некоторых марках бронзы, которые и называются фосфористыми, выступает в них в качестве раскислителя.

Важным свойством бронзы, в которой содержится олово, является минимальный коэффициент усадки. По большинству остальных характеристик бронзы безоловянного типа превосходят оловянные. Так, сплавы, основным легирующим элементом в которых является алюминий, отличаются улучшенными механическими свойствами, а также более устойчивы к воздействию даже очень агрессивных сред. Сплавы, в которых медь смешана с кремнием и цинком, отличаются высокой текучестью в расплавленном состоянии, что предопределило сферу их применения – изготовление различных предметов методом литья. Бронзы с содержанием бериллия – это прочные и твердые материалы, изделия из которых также отличаются высокой упругостью.

При смешивании меди с легирующими добавками, что происходит при создании бронзы, снижается такое свойство основного металла, как теплопроводность. В частности, те химические элементы, которые используются при изготовлении бронзы, делают ее теплопроводность даже ниже, чем у другого медного сплава – латуни. Исключение составляют лишь те марки бронз, в которых содержание меди очень значительно.

Такое свойство большинства марок бронз, как невысокая теплопроводность, несколько ограничивает сферу их применения. Из-за того, что они не очень хорошо отводят тепло, изделия из них не используют в сильно нагруженных узлах трения, из таких бронз не делают сварочные электроды, а также элементы механизмов, которые должны обеспечивать оперативный отвод тепла.

Сферы применения и правила маркировки

Разнообразие сфер объясняется ее уникальными свойствами. Современный ассортимент ее марок позволяет оптимально подбирать их для решения тех или иных технологических задач.

Из бронзовых сплавов различных марок производят элементы зубчатых, винтовых и червячных соединений, детали, подвергаемые в процессе эксплуатации значительному трению, электротехнические и сантехнические изделия, различные мембраны, пружины, соединительные элементы. Кроме того, из бронзы делают корпусные детали различного оборудования, ее используют в судо- и автомобилестроении и даже в аэрокосмической промышленности. Издавна из бронзы изготавливали интерьерные композиции, скульптуры, сейчас ее применяют также при производстве мебельной фурнитуры, сантехники и различных декоративных предметов.

Только очень опытные специалисты способны даже по фото бронзового изделия определить, из какой марки сплава оно изготовлено. А решить такую задачу непрофессионалам помогает маркировка, состоящая из буквенно-цифрового обозначения. В нем всегда присутствуют буквы «Бр», которые и свидетельствует о том, что перед вами именно бронза. Кроме того, в маркировке есть и другие буквы, каждая из которых обозначает химический элемент, который входит в состав бронзового сплава. При этом процентное содержание меди в маркировке не указывается, его можно определить, если отнять от 100% (весь объем бронзы) суммарное количество остальных элементов.

Маркировка бронзового сплава, кроме подробностей его химического состава, позволяет определить и основные свойства, которыми он обладает. К таким свойствам, в частности, относятся плотность материала, а также его удельный вес. Данная информация имеет чисто практическое значение. Зная удельный вес, которым обладает определенный бронзовый сплав, можно без особого труда рассчитать точный вес предмета, который из него изготовлен.

Все подобные сведения, как и точный химический состав бронзы различных марок, содержится в специальных таблицах.