Медно-оловянный сплав, композитный материал и их применение

История возникновения бронзы

Благодаря улучшению качества обработки таких металлов, как медь и олово, в 3000 году до н.э. начался Бронзовый век. Он характеризуется активной выработкой такого сплава, как бронза, которая использовалась для изготовления орудий труда и украшений.

В современной металлургической промышленности, кроме меди и олова, используют также такие материалы, как алюминий, фосфор, свинец, цинк. Само название происходит от персидского слова «berenj», которое переводится «медь».

Известно, что первая бронза была изготовлена из Cu и мышьяка и называлась мышьяковистой. Однако из-за своей токсичности она очень быстро сменилась оловянной. Не удивительно, что кузнецов очень часто рисовали некрасивыми и изуродованными. На самом деле так и было. Длительный контакт с мышьяком очень плохо влиял на их организм. По этой причине сплав меди с оловом называется бронзой, так как именно эти компоненты присутствуют в ней чаще всего.

История появления и применения

Латунь известна с начала новой эры и впервые была получена в Римской империи, но также применялась в Индии и Китае. Позже в Европе был утерян способ выплавки цинка, потому долгое время металл завозился с Азии. Добыча цинка в Европе возобновилась с 16 века, а выплавка латуни — с 19 века. Благодаря археологическим раскопкам известно, что латунь широко использовалась для изготовления ювелирных изделий, поскольку она имеет характерный жёлтый цвет золота и носит название «поддельное золото». С развитием металлургии сплав расширил свою сферу применения, что было обеспечено регулированием характеристик металла разнообразным соотношением его компонентов.

Характеристика бронзы

Все мы знаем, что такой металл, как медь, очень мягкий, пластичный и абсолютно непрочный. В то же время он обладает очень высокой электро- и теплопроводностью. Сплав олова и меди – материал, который значительно превосходит характеристики этих химический элементов по отдельности. Другими словами, бронза обладает высокой твердостью, прочностью, но в то же время она довольно легкоплавка.

Открытие этого сплава сыграло большую роль в металлургической промышленности. Несмотря на то что позже было изобретено множество других материалов, даже сегодня он пользуется большой популярностью за счет своих хороших механических свойств.

Медистые ферросплавы

В отличие от других случаев соединения металлов, основой для легирования является не медь, а железо. Сплав Cu + Fe обладает высокой пористостью.

С точки зрения заготовки медного лома, медистые стали интереса не представляют — содержание Cu находится в пределах 0,2―0,5%. Но для переплавки чугуна и чёрного металлолома сплав железа и меди играет роль легирующей присадки при термическом переделе. За счёт добавления Cu антикоррозийные свойства стали улучшаются в 1,5―3 раза против обычной углеродистой. В порошковой металлургии в отношении медистой стали
отмечаются следующие явления:

1. Медь повышает прочность при одновременном введении 5―6% Cu и углерода 0,3―0,6%. При этом ухудшаются пластические свойства сплава.
2. Улучшается обрабатываемость стали.
3. Возрастает стойкость к атмосферной коррозии.

Малоуглеродистая сталь с медью используется для обшивки ж/д вагонов, изготовления резервуаров. Краска на изделиях из такого металла удерживается дольше.

Способность бронзы сопротивляться коррозии

Одним из самых важных свойств сплава является его коррозионная устойчивость. Особенно это касается тех составов, в которых присутствует значительное содержание марганца и кремния (более 2%).

Было установлено, что высокая коррозионная устойчивость проявляется при контакте бронзы с водой (морской и пресной), концентрированными щелочами и кислотами, сульфатами и хлоридами легких металлов, а также при контакте с сухими газами (безоловянные бронзы).

Конечно же, в целом коррозионные свойства сплава зависят от легирующих элементов. Так, высокое содержание свинца уменьшает способность сопротивляться коррозии, а никель повышает это свойство.

Стандарты для медных сплавов

Государственными стандартами оговариваются правила маркировки меди и ее сплавов, обозначение которых соответствует определенной структуре.

О том, что перед нами одна из марок меди, свидетельствует буква «М» в ее обозначении. После начальной буквы в маркировке меди и ее сплавов следуют цифры (от 0 до 3), условно обозначающие массовую долю основного металла в их составе (например, медь М3). После цифр следуют прописные буквы, по которым можно определить, каким способом получили данную марку меди. Из технологических способов получения меди различают следующие:

• катодные (к);
• метод раскисления, предполагающий невысокое содержание остаточного фосфора (р);
• метод раскисления, предполагающий высокое содержание остаточного фосфора (ф);
• без использования раскислителей – бескислородные (б).

Примеры маркировок таких марок и сплавов меди могут выглядеть следующим образом: М2р, М1б.

Химический состав меди ГОСТ 859-2014

Целый ряд марок меди, отличающихся уникальными характеристиками, активно используют в различных отраслях промышленности.

• М0 – эта марка применяется для производства токопроводящих элементов и для добавления в сплавы, отличающиеся высокой чистотой.
• М1 — из этой марки также производят токопроводящие элементы, прокат различного профиля, бронзы, детали для криогенной техники, электроды для сварки меди и чугуна, проволоку и прутки (применяемые для выполнения сварочных работ под слоем флюса и в среде инертных газов), расходные материалы для выполнения газовой сварки деталей из меди, не испытывающих значительных нагрузок при эксплуатации.
• М2 – данная марка позволяет получать изделия, хорошо обрабатываемые давлением. Медь М2 также используют для деталей криогенной техники.
• МЗ — детали из данной марки металла производят прокатным методом.

Пространственное распределение запасов меди в России

ГОСТ 859-2001, в котором оговаривались требования и характеристики медных сплавов, в 2014 году был заменен новым государственным стандартом (859-2014), что зафиксировано соответствующим Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии. Новый стандарт по основным своим пунктам практически идентичен ГОСТу 859-2001.

ГОСТ 859-2001 о марках меди

Данный документ государственного стандарта относится к литым и деформированным полуфабрикатам из меди, а также к меди, изготовленной в виде катодов.

Виды бронзы

Легирующие элементы, которые могут быть в составе этого сплава, способны значительно менять его свойства, от них зависит и вид бронзы. К тому же и олово может быть заменено другими элементами. Например, БрАМЦ-7-1 можно расшифровать так: 92% меди, 7% алюминия, 1% марганца. Данная марка бронзы не содержит в себе олова и благодаря этому обладает высоким сопротивлением к знакопеременной нагрузке. Её используют для изготовления болтов, винтов, гаек и деталей для гидравлических установок.

Другой пример – оловянная литейная бронза марки БрО10С10. В ней содержится до 83% меди, 9% олова, 8% свинца и до 0,1% железа, кремния, фосфора и алюминия. Она предназначена для деталей, которые работают в условиях высоких удельных давлений, например, для подшипников скольжения.

Несмотря на то что бронза является сплавом олова и меди, в некоторых случаях такой химический элемент, как Sn, не используется. Еще один пример безоловянной бронзы – жаропрочная. Для её изготовления применяют только медь 98-99% и кадмий 1-2%. Примером может послужить марка БрКд1. Это жаропрочная кадмиевая бронза, обладающая высокой жаропрочностью и электропроводностью. Она может быть применена для изготовления деталей машин контактной сварки, коллекторов электродвигателей и других деталей, работающих в условиях высоких температур и требующих хорошей электропроводности.

Еще один вид сплава, используемый для изготовления прокладок в подшипниках и втулках автомобилей – обрабатываемая давлением оловянная бронза. Сплав меди и олова содержит такие легирующие элементы как свинец (4%), цинк (4%), алюминий (0,002%), железо (0,005%). Марка стали называется БрОЦС4-4-4. Именно благодаря процентному соотношению данных химических элементов этот сплав можно обрабатывать давлением и резанием. Цвет бронзы также зависит от примесей. Так, чем меньше меди содержит сплав, тем менее выраженный цвет: более 90% — красный, до 80% – желтый, менее 35% — серо-стальной.

Свойства сплава меди и цинка

Существует несколько видов латуни, для которых характерны как общие свойства, так и индивидуальные. Основные характеристики:

• плотность металла — от 8,2 до 8,7 т/м3;
• теплоёмкость — 380 Дж/(кг*К);
• электрическое сопротивление — от 0,025 до 0,108 Ом*кв. мм/м;
• температура плавления — от 870 до 990 градусов.

Оба основных элемента имеют относительно высокую плотность. Соответственно, их соединение характеризуется высокой массой. Латунь легко обрабатывается дуговой сваркой, но не поддастся газовой. Быстро окисляется, потому при необходимости метал покрывается лаками или подвергается полировке. Цинк обеспечивает прочность и пластичность. Последние могут регулироваться содержанием цинка.

Определённые свойства придаются легирующими присадками, которые изменяют состав латуни и позволяют регулировать её характеристики в широких пределах. Особенностью присадок является отсутствие изменения удельного веса сплава. Добавка магния увеличивает прочность и антикоррозионные качества. Никель уменьшает окисление, а свинец улучшает пластичность. Если добавить кремний без других присадок, то повысится пластичность и прочность. Существует множество комбинаций соотношения цинка, меди и присадок, которые обеспечивают необходимые характеристики.

Обработка бронзы

Как уже было сказано ранее, сплав олова и меди – это достаточно прочный материал. Он плохо поддается заточке, резанию и обработке давлением. В целом это литейный материал, обладающий малой усадкой — около одного процента. И даже несмотря на невысокую текучесть и склонность к ликвации, бронзу применяют для изготовления сложных по конфигурации отливок. Не исключение и художественное литьё.

Легирующие элементы, которые добавляются в сплав олова и меди, улучшают его свойства и уменьшают цену. Так, например, легирование свинцом и фосфором позволяет улучшить обработку бронзы, а цинк увеличивает её коррозионную стойкость. Для определенных целей изготавливают деформированные сплавы. Они легко изменяют свой вид при использовании холодной ковки.

Сплавы драгоценных металлов [ править ]

Медь часто легируется драгоценными металлами, такими как золото (Au) и серебро (Ag).

† сумма не указана

Область применения

Конечно же, использование бронзы не теряет своей популярности и в наше время. Сувенирная продукция, декоративные предметы интерьера, украшения на ворота и калитки… Кроме того, сплав применяют для изготовления фурнитуры (ручки, петли, замки) и сантехники (краны, фитинги, прокладки, смесители). В промышленных сферах бронза также имеет обширные области использования. Так, литейный сплав используют для изготовления подшипников, уплотнительных колец, втулок.

На широкое применение бронзы особенно влияют её коррозионные свойства. По этой причине её используют для изготовления деталей механизмов, работающих при постоянном контакте с водой. Высокая упругость сплава позволяет изготавливать из него пружины и части контрольно-измерительной аппаратуры.

Сферы использования сплавов

Ежегодная выплавка сплава составляет более двух миллионов тонн, при этом половина изготавливается из вторсырья. В зависимости от сферы применения латунь делится на:

• деформируемые — сплавы с содержанием цинка менее 10%, что обеспечивает пластичность, обработку давлением, устойчивость к коррозии и низкий уровень трения с другими металлами. Характерен внешний вид «под золото»;
• литейные — сплавы с содержанием цинка от 20 до 45 процентов. Используются для литья труб, проводов, уголков и других изделий, которые будут подвергается агрессивным воздействиям. Характерны пластичность, прочность и устойчивость;
• автоматные, содержащие свинец, что обеспечивает автоматическую обработку на станках изделий из латуни.

Штамповка деформируемых изделий широко применяется в судостроении, машиностроении, авиации, а также — декоре и изготовлении предметов культуры. Литейное производство обеспечивает километры проката ежегодно, а автоматное — шурупы, боты, гайки и прочее. Изготовление ювелирных изделий из латуни известно с античности. Латунь применяется во всех сферах жизнедеятельности общества, и в ближайшем будущем отказаться от неё невозможно.

Переплавка бронзы

Конечно, каждый сплав имеет как свои плюсы, так и минусы. Бронза – сплав, который состоит из меди и олова, и поэтому он отлично переносит любые переплавки. Его можно использовать несколько раз в совершенно разных целях. С другой стороны, если бронза содержит большое количество примесей, таких как магний, кремний, алюминий, то при переплавке механические свойства могут уменьшиться.

Это обусловлено тем, что легирующие элементы, улучшающие характеристики бронзы, при плавке окисляются и образуют тугоплавкие оксиды, которые располагаются по границам кристаллической решетки. Они нарушают связь между зернами, что делает бронзу более хрупкой.

Ссылки [ править ]

1. Британский музей, «Примечания к области применения» для «медного сплава»
2. Lyons, Уильям и Plisga, Гэри J. (ред.) Стандартный Справочник по нефтяной и природный газ Engineering
   , Elsevier, 2006
3. Национальная бронза и металлы | Бериллиевая медь
4. Льюис Брасс и Компания | Данные по медному сплаву
5. Литой медный сплав C83600 (унция металла) substech.com
6. ^ a b c Промышленные отливки по выплавляемым моделям — Франклин Бронза , получено 07 сентября 2009 г..
7. ↑
   Brass and Bronze Alloys , заархивировано из оригинала 25 августа 2009 г. , извлечено 8 сентября 2009 г..
8. UNS C83400 , извлекаются 2009-09-08.
9. UNS C86100 , извлекаются 2009-09-08.
10. UNS C95410 , извлекаются 2009-09-08.
11. UNS C95600 , извлекаются 2009-09-08.
12. UNS C95700 , извлекаются 2009-09-08.
13. UNS C87200 , извлекаются 2009-09-08.
14. UNS C87400 , извлекаются 2009-09-08.
15. UNS C87500 , извлекаются 2009-09-08.
16. UNS C87600 , извлекаются 2009-09-08.
17. UNS C87800 , извлекаются 2009-09-08.
18. UNS C87900 , извлекаются 2009-09-08.

Библиография [ править ]

• Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д .; Хортон, Холбрук Л. (1992). Справочник машин
  (24-е изд.). Нью-Йорк: Industrial Press Inc., стр. 501. ISBN. 0-8311-2492-X.

Как отличить бронзу от латуни и меди

Один из самых распространенных вопросов — это отличие этого сплава от других, похожих на него внешне. Конечно, в пределах промышленности и при помощи специальных реагентов сделать это довольно просто. Но как же быть, если определить материал необходимо в домашних условиях?

Начнем с того, что сплав состоит из олова и меди. Массы этих веществ в процентном содержании могут быть разными. Чем больше меди, тем более ярким будет цвет, а вот за счет содержания в сплаве олова, он будет на порядок тяжелее, чем, например, чистый Cu.

Если же сравнивать бронзу с латунью, то последняя имеет более желтоватый оттенок. Сама по себе медь очень пластична, а вот сплавы на её основе достаточно упругие и твердые. Определить, какой материал перед вами, можно также путем нагрева. Так, у латуни под воздействием высокой температуры выделяется оксид цинка и изделие приобретает пепельный «налет». А вот бронза при нагревании не будет изменять своих свойств.

Медь

Мягкий, пластичный металл розовато-золотистого цвета. Его красота издревле привлекала человека, поэтому первыми изделиями из меди были украшения.

В присутствии кислорода медные слитки и изделия из меди приобретают красновато-жёлтый оттенок за счёт образования плёнки из оксидов. Во влажной среде в присутствии углекислого газа медь становится зеленоватой.

Медь имеет высокие показатели теплопроводности и электропроводности, что обеспечивает ей использование в электротехнике. Не меняет свойств в значительном диапазоне температур от очень низких до очень высоких. Не магнитная.

В природе залежи медной руды чаще, чем других металлов, находятся на поверхности. Это позволяет вести добычу открытым способом. Встречаются крупные медные самородки с высокой чистотой меди и медные жилы. Помимо этого медь получают из таких соединений:

• медный колчедан,
• халькозин,
• борнит,
• ковеллин,
• куприт,
• азурит,
• малахит.

Произведения искусства

Довольно часто можно встретить различные бронзовые статуэтки и фигурки. Многие произведения искусства были созданы еще в античные времена и в Средние века.

Сплавы, содержащие медь и олово, применяются для изготовления:

• Заборов и ворот, которые получаются не только невероятно красивыми, но и прочными.
• Элементов лестничных конструкций.
• Сувенирной продукции и скульптурных композиций.
• Декоративных осветительных приборов: бра и люстр.
• Предметов для оформления интерьера.

Для того чтобы отлить необходимую композицию, создают специальную модель из дерева, гипса или полимерных материалов – так называемая формовка. Полости данной фигуры заполняют глиной и после отливки извлекают. После изготовления поверхность может быть покрыта позолотой, слоем никеля, хрома или же серебром.

Очень важно отметить, что, как правило, для изготовления произведений искусства используется сплав олова и меди без легирующих элементов. Это обуславливается тем, что чем больше таких составляющих присутствует в бронзе, тем больше её усадка, что негативно сказывается на качестве и форме изделия.

Источники меди для вторсырья

Экономия ресурсов – важная экологическая и технологическая задача. Медь – слишком ценный элемент, чтобы запросто им разбрасываться. Поэтому при утилизации бытовых устройств и приборов (телевизоров, холодильников, компьютерной техники) нужно срезать все медь содержащие элементы и сдавать их на пункты сбора вторсырья. На производствах должен быть организован централизованный сбор списанных силовых кабелей и трансформаторов, электродвигателей, прочих медь содержащих деталей и устройств. Определённое содержание меди есть в испорченных люминесцентных лампах, что тоже стоит учитывать при утилизации.

Медь и медные сплавы, освоенные человечеством на самой заре цивилизации, остаются востребованными материалами и в технологическую эпоху, основу которой составляет железо. Современное промышленное производство невозможно себе представить без использования цветных металлов. В дальнейшем потребность в меди её сплавах будет только расти, поэтому очень важно относиться к данным материалам экономно и использовать их рационально.

Оцените статью:

Рейтинг: 0/5 — 0 голосов