Бронза - состав сплава. Химический состав бронзы

Многие люди знают о бронзе лишь то, что из нее отливают скульптуры и памятники. На самом деле, этот металл обделен народным вниманием незаслуженно. Ведь не зря в истории человечества был даже бронзовый век – целая эпоха, на протяжении которой сплав занимал доминирующее положение. Это один из немногих материалов, использующихся как в промышленности, так и в искусстве. Качества, которыми обладает сплав меди с оловом, являются просто незаменимыми во многих отраслях производства. Ее используют при изготовлении орудий, в машиностроении, отливании церковных колоколов и так далее. При этом сегодня насчитывается большое количество марок металла, каждая из которых обладает определенными, заранее смоделированными свойствами.

Применение бронзы в прошлом

Первые упоминания о сплаве меди и олова датированы IV тысячелетием до нашей эры. Именно этот технологический прорыв, как считают историки, позволил цивилизации Месопотамии занять в то время лидирующее положение. Археологические раскопки, проводимые в Южном Иране, свидетельствуют о повсеместном использовании бронзы для изготовления наконечников стрел, кинжалов, копий, топоров, мечей. Среди находок встречаются даже предметы интерьера, например, мебель и зеркала, а также кувшины, амфоры, вазы и тарелки. Для чеканки древних монет и изготовления украшений применялся этот же сплав.

Бронза в средние века начинает активно использоваться в Европе. Из нее изготовляют такие массивные предметы, как пушки и церковные купола. В более поздний период, с развитием машиностроения, столь универсальный металл тоже не остался незамеченным. Его по достоинству оценили, главным образом, за антифрикционные и антикоррозийные свойства. Вместе с тем необходимо отметить, что материал, используемый раньше, несколько отличался от того, которым сегодня является бронза. Состав сплава содержал множество второстепенных примесей, значительно ухудшающих его качество.

Химический состав современной бронзы

Сегодня в материаловедении бронзой называют сплав двух металлов: меди и олова, которые могут использоваться в самых разных пропорциях. Для придания металлу заданных качеств к этой паре могут добавляться цинк, фосфор, магний, свинец и кремний. Присутствие случайных примесей при помощи современных технологий практически сведено к нулю.

В большинстве случаев приемлемым считается соотношение меди с оловом в пропорциях 85 на 15 процентов. Уменьшение доли второго компонента ниже указанной отметки порождает целый ряд проблем, основной из которых является ликвация. Данным термином металлурги называют процесс расслоения сплава и его неравномерное застывание.

Влияние цвета сплава на его качество

Знающие люди могут много узнать о материале, лишь посмотрев на цвет, которым обладает бронза. Состав непосредственно влияет на этот параметр. Как нетрудно догадаться, красный оттенок сплаву придает медь. Поэтому уменьшение ее процентного соотношения в пользу других компонентов будет означать постепенный переход цвета к более тусклым тонам.

При обычном балансе составляющих (85% меди) бронза отливает желтизной. Такую ее разновидность можно встретить чаще всего. Белый сплав получается после доведения соотношения до пропорции 50:50. А вот чтобы бронза стала серой, необходимо уменьшить количество меди до 35%.

Что касается изменения практических характеристик сплава при экспериментировании с его составом, то здесь ситуация следующая. Ковкость материала будет напрямую зависеть от содержания в нем олова. Чем его меньше, тем более податливой будет бронза, но данное утверждение верно только до определенного предела. Так, при достижении отметки в 50% сплав вновь становится мягким.

Бронза в искусстве

Прочный и долговечный материал, обладающий при этом достаточно низкой температурой плавления и хорошей ковкостью, не мог не заинтересовать творческих людей, в частности скульпторов. Уже в V-IV веках до нашей эры в Греции была отработана до мельчайших деталей технология изготовления бронзовых статуй, которая актуальна и сегодня. Заключается она в том, что изваяние из огнестойкого материала первоначально заменяется воском, который непосредственно при литье уничтожается. Для этого по рисунку сначала должна быть изготовлена гипсовая модель, а после форма для отливки. Восковое содержание при воздействии температуры попросту плавится, и его место занимает бронза, которая остывает и затвердевает. После чего ее остается только обработать и довести до совершенства.

Артиллерийский металл

Для изготовления пушек, а в дальнейшем и другой военной техники, всегда использовалась бронза. Состав сплава, который применяется для этих целей, как правило, содержит 90% меди и лишь 10% олова. Это связано с тем, что материал для орудий должен быть очень прочным и обладать повышенным сопротивлением разрыву. Такими качествами обладает марка бронзы БрАЖМц10-3-1.5. Помимо основных компонентов, в ее составе содержится 1-2% марганца, что повышает антифрикционные и температурные характеристики.

Изготовление церковных колоколов

Колокольный звон обязан быть мелодичным, а его звук должен радовать слух на большом расстоянии. Как ни странно, но бронза обладает такими музыкальными талантами. Для улучшения звучания колокола его изготовляют из сплава с повышенным содержанием олова (от 20 до 22%). Иногда в него также добавляют немного серебра. Марки бронзы, которые используют при изготовлении колоколов и других ударных инструментов, для практического применения в других отраслях абсолютно непригодны. Это связано с тем, что такой сплав обладает мелкозернистой структурой и повышенной хрупкостью.

Фосфорная и алюминиевая бронза

Впервые сплав, состоящий из 90% меди, 9% олова и 1% фосфора был применен Кюнцелем в 1871 году. Он был назван фосфорной бронзой, а нашел свое применение материал главным образом в машиностроении. Из него отливаются различные детали машин, которые подвержены повышенному трению. Фосфор необходим для увеличения упругости и повышения антикоррозийных свойств. Главным достоинством этого металла является то, что он идеально заполняет любые углубления при отливке.

Алюминиевая бронза, состав которой отличается повышенным содержанием меди (до 95%), по внешнему виду очень похожа на золото. Кроме красоты, она имеет и ряд других неоспоримых преимуществ. Так, например, добавление 5% алюминия позволяет сплаву выдерживать длительное время воздействие агрессивной среды, такой как повышенная кислотность.

Как материал для изготовления различных частей машин, данный металл практически повсеместно вытеснил фосфорную бронзу на бумажных фабриках и в пороховом производстве из-за более высокого противодействия разрыву.

Кремниевая и марганцевая бронза

Кремний добавляют в сплав для повышения электропроводности. Это ее качество используется при производстве телефонных проводов. Эталонный состав кремниевой бронзы выглядит следующим образом: 97,12% меди, 1,14% олова, 0,05% кремния.

Самым сложным процессом получения может похвастаться сплав с содержанием марганца. Вся процедура проходит в несколько этапов. Сначала ферроманган добавляют в расплавленную медь. Затем, выдержав заданный температурный режим, добавляется олово, а при необходимости цинк. Английская фирма Bronce Company изготовляет несколько сортов марганцевой бронзы, обладающей различной вязкостью и твердостью. Применяться подобный сплав может практически во всех отраслях производства.