Как делают бронзу: состав бронзы и ее применение в зависимости от компонентов сплава

Широко известная с древних времен бронза с ее благородными оттенками красного и желтого на самом деле не металл, а сплав на основе меди. Самый популярный второй основной компонент — это олово, также в состав добавляют алюминий, свинец, кремний. При соединении меди с цинком получается латунь, с никелем — мельхиор, а вместе цинк и никель в соединении с медью становятся нейзильбером.

Бронза в зависимости от состава металлов может принимать множество оттенков золотистого цвета, а после окисления получает широкий диапазон цветов от зеленого до плотно-коричневого и даже черного.
Высокая прочность и твердость, хорошие антифрикционные свойства делают бронзу фаворитом для литья различных промышленных деталей, декоративных изделий и скульптур.

Популярность и широкое применение бронзы древним человеком дали название целому историческому периоду. Бронзовый век охватывает эпоху от III до II тысячелетия до нашей эры и связан с активным использованием изделий из бронзы. Был освоен и применен полный цикл изготовления сплава: добыча меди и олова из рудных месторождений, подготовка металлов и угля, выплавка и рафинирование. Общие принципы технологии изготовления бронзы не изменились до настоящего времени.

Первоначально бронзу получали из сплава меди с мышьяком. Многообразие сортов мышьяковой бронзы позволило изготавливать широчайший диапазон изделий от хозяйственных деталей и орудий труда до ювелирных украшений. В начале и середине бронзового века эта бронза применялась практически во всех местах обитания человека.

По сравнению с ранее освоенной чистой медью бронза получила большую твердость, значительную прочность и хорошую способность к плавлению.
Со временем мышьяковая бронза утратила свои лидирующие позиции, что было связано с ее токсичностью при производстве, а также дороговизной добычи мышьяка. К тому же этот тип бронзы оказался непригодным для переработки и переплавки, так как часть мышьяка испарялась, и сплав терял необходимую прочность.

С развитием транспортных путей все большую популярность стала приобретать оловянная бронза как экологичный и дешевый вид металла. Из бронзы изготавливали различные предметы домашнего обихода, пушки и ядра для военных действий, ювелирные изделия.

Затем наступил период чеканки бронзовых монет, а в более поздние времена медный сплав стал лидером при отливке колоколов. Комбинируя состав бронзы, размеры и форму колоколов мастера получали различное звучание церковной звонницы.

Изготовление скульптур из бронзы началось в Древней Греции, отсюда пошла история создания различных фигу и городских украшений.
В средние века расцвело изготовление бронзовых изделий для украшения домов аристократии. Эпоха барокко и классицизма характеризуется созданием изысканных композиций из бронзы.

Самым широко распространенным компонентом бронзы является олово.

На основе этого получается следующая классификация бронз:

• оловянные – с основным легирующим элементом оловом, добавками идут свинец, цинк, мышьяк;
• безоловянные — свинцовые, кремниевые, бериллиевые и иные виды.

Цвет сплава зависит от доли меди: самый яркий красноватый цвет получается при 91% меди, желтый цвет содержит 87%, а серо-стальные оттенки включают всего 37%.

Оловянная бронза плохо обрабатывается давлением в виде ковки и штамповки, почти не поддается резанию и заточке. Главное ее достоинство — хорошие литейные качества, одни из лучших среди сплавов. Некоторая ликвация и небольшая текучесть не помешала бронзе стать лидером среди изготовления сложных художественных отливок. Стойкость к коррозии и хорошие антифрикционные свойства нашли применение в химической промышленности.

Каждая из безоловянных бронз обладает собственными оригинальными качествами. Латунь используется для изготовления домашней утвари. Алюминиевая бронза очень устойчива к химическим воздействиям. Добавление кремния к меди придает сплаву высокую текучесть. Бериллиевая бронза лидирует по твердости и упругости.

По назначению бронзы делятся на две группы:

1.     Деформируемые – с низким количеством олова, за счет других составных частей поддаются механической обработке, применяются для производства плоского металлопроката и проволоки.

2.     Литейные бронзы характеризуются низкой усадкой, в промышленности используются для изготовления шестеренок, вкладышей подшипников, клапанов и задвижек для труб. В художественном литье бронза выступает основным материалом для изготовления памятников, уличного декора, украшений ландшафтов и внутренних помещений.

Четких физических и химических параметров для бронзы не установлено, все характеристики варьируются в зависимости от состава сплава.

К базовым свойствам относятся:

• температура плавления;
• электропроводность;
• теплопроводность;
• плотность.

В числе положительных качеств бронзы отмечают:

• устойчивость к коррозии на открытом воздухе;
• сохранение своих свойств при переплавке;
• разнообразие составов сплава;
• хорошая упругость;
• минимум усадки;
• безопасность.

Качественный и количественный состав элементов бронзового сплава указывается в маркировке, которую можно рассматривать как химическую формулу конкретной бронзы. Вариации компонентов меняются в зависимости от доли исходных металлических и иных составляющих.

Кремний и марганец дают устойчивость к высоким температурам, предохраняют от ржавчины и окисления.

Алюминий, кремний и никель защищают от коррозии и деформации, повышают срок службы, увеличивают упругость.

Фосфор, свинец и цинк снижают склонность к трению.

Малая доля олова до 2% дает бронзе способность к обработке ковкой при обычной температуре. Прочные оружейные сплавы получают при наличии 15% оловянной фракции.

Минимум добавки серебра придает электропроводность. А отсутствие способности к проведению тока обеспечивает наличие бериллия и хрома.

Никель и железо придают гладкость и однородность бронзовому сплаву.

В массовом промышленном производстве востребованы следующие качества бронзы:

1.     Прочность – устойчивость к деформации при значительных нагрузках. Позволяет длительное время сохранять первоначальный вид памятникам, скульптурам, церковным колоколам.

2.     Износоустойчивость — используется при производстве подшипников и других деталей с частым механическим воздействием.

3.     Усталостная прочность — устойчивость к микроразрушениям для деталей, подвергаемых циклической нагрузке в авиации и станкостроении.

4.     Обрабатываемость — в зависимости от сплава бронза поддается ковке, штамповке и резке.

5.     Устойчивость к коррозии — одна из максимальных среди цветных металлов, применяется при контакте бронзовых деталей с агрессивными средами в химической промышленности и судостроении.

6.     Твердость — после термической обработки бронза подходит для множества отраслей.

Комбинация этих качеств дает бронзе широчайшее поле применения от изготовления мелких и крупных промышленных изделий до художественного декоративного литья и производства музыкальных инструментов.

Разнообразие видов и составов бронзовых сплавов получается из большой комбинации шихтового материала:

• исключительно свежие металлы;
• металл с добавлением вторичных сплавов;
• только вторичные сплавы.

Учитываются чистота ингредиентов, степень угара исходников, тип печи и иные обстоятельства.

Наиболее распространен следующий состав шихты:

• свежий металл в количестве 50-60%;
• вторичные сплавы в доле 20-35%;
• лом металлов в объеме 10-12%.

Технология производства бронзы включает несколько основных этапов. Срок плавки зависит от вида печи, сокращение времени уменьшает насыщение сплава газами и снижает угар конечного металла.

Для создания бронзового сплава применяются графито-карборудные или графито-шамотные тигли. Перед применением печи обязательно прокаливают и просушивают.

Медь закладывают частями или полностью, затем в быстром темпе разогревают до жидкого состояния под угольным слоем. Далее добавляют фосфористую медь, которая помогает образованию жидких фосфатов. На следующей стадии в расплавленный металл присоединяют легирующие части в виде олова и иных компонентов. При дальнейшем перегреве состав перемешивается при новой температуре до 1200 С. Для очистки вторичного сырья используют солевые флюсы.

Дегазация для избавления от газовых примесей в виде водорода происходит путем продувки аргоном или азотом. Фосфористая медь очищает от окислов.

На этапе модифицирования происходит улучшение механических свойств бронзы.

Высокое металлостатическое давление медных сплавов делает невозможным применение обычных песчаных форм для изготовления бронзовых отливок. Для бронзы применяются специальные формовочные смеси с высоким содержанием глины.

В процессе заливки сплава в формы при температуре 1100 – 1200 С возможно появление пригара в связи с наличием в составе фосфора. Такой пригар сложно удалить, однако фосфор необходим для повышения текучести в обеспечение итоговой плотности отливки и минимизации усадки. Задача решается через добавления различных компонентов, содержащих углерод.

Отливка бронзы происходит на специальном оборудовании – литниковых системах.

Для обеспечения высокой плотности используют способ направленного затвердевания при помощи скоростного охлаждения. Таким методом уменьшается пористая зона и увеличивается размер литейной корки.

Оловянную бронзу часто заливают в металлические формы: кокили. Такой метод дает большую скорость затвердевания и высокую плотность конечного изделия.

Сами кокили изготавливают из чугуна, а стержни из стали. Для сложных фигурных форм дополнительно используют оболочковые песчаные стержни. Металлическую форму перед применением смазывают графитово-масляной смесью и нагревают до 150 – 250 С. Для уменьшения усадочного напряжения отливки извлекают сразу при достижении механической прочности.

Для бронзовых деталей, используемых в машиностроении, применяется метод центробежного литья.

Использование бронзы в художественном литье является популярным способом изготовления скульптур, декоративных композиций, различных сувениров и предметов интерьера.

Для полной и тщательной передачи замысла заказчика и мастера создается эскиз будущего изделия. Здесь работают дизайнер и художник, они разрабатывают рабочий чертеж как основу для изготовления отливной модели.

Для художественного литья применяются модели из дерева или слоновой кости, реже встречается гипс или пластик. Вся поверхность дерева должна быть зачищена грунтовкой и шпаклевкой, а затем обработана несколькими слоями лака. Это дает максимальную гладкость и ровность поверхности будущего изделия.

Модели могут быть разной конструкции:

• неразъемные для ручного литья;
• разъемные из отдельных элементов;
• специальные шаблоны для сложных композиций. 

Затем начинается длительный процесс изготовления литейной формы с использованием специального инвентаря, инструментов и приспособлений. Формы могут быть одноразовыми или множественного применения.

После заливки металла в форму, его остывания до нужной кондиции происходит выбивка изделия, очистка и окончательная обработка и полировка.

Специалисты компании «ЛИТСИБ» обладают многолетним опытом в изготовлении изделий методом художественного литья. Мастера изготавливают скульптуры на заказ и декоративные конструкции изделия с максимальной детализацией и выразительностью. Диапазон наших возможностей простирается от монументальных памятников и парковых скульптур до украшений внутренних интерьеров и памятных медалей.