Технология и температура плавления бронзы в домашних условиях

Изделия из бронзы имеют широкое распространение среди мастеров-любителей, занимающихся изготовлением различных предметов искусства, оружия и аксессуаров к нему, украшений и т. д.

Отсутствие производственной базы не является препятствием к выполнению работ, основная проблема — недостаток информации о свойствах, температуре плавления бронзы и режимах обработки сплавов меди. Большинство любителей не знает, что литье бронзовых изделий производится и в домашних условиях, главное — соблюдать технологию и обеспечить необходимые условия для протекания процесса.

Классификация

Бронзовые сплавы по составу делятся на:

• Оловянные.
• Безоловянные.

Как понятно из названия, имеется в виду наличие или отсутствие в них олова. Вторые бывают алюминиевыми, кремнистыми, бериллиевыми и другими, в зависимости от главного легирующего компонента.

Добавки по-разному влияют на качество сплава:

• Олово – придает прочность, улучшает антифрикционные свойства. Большое количество олова охрупчивает металл.
• Бериллий – хорошо упрочняет материал, он сравним по свойствам со сталью.
• Свинец – улучшает коррозионную стойкость.
• Алюминий – снова стойкость к коррозии и антифрикционные качества.
• Железо – улучшает структуру и прочностные свойства.

По технологическим свойствам бронзы разделены на:

• Обрабатываемые давлением (деформируемые) – хорошо штампуются, куются.
• Литейные.

Способы получения меди

Технологии для получения меди существуют разные. Но каждая отдельная технология имеет не один этап. Медь получают из руды. Как сказано выше, температура плавления меди давала возможность даже древним людям справляться с ее обработкой. Само примечательное то, что уже в древности люди сумели выработать способ получения и дальнейшего применения как чистой меди, так и сплавов.

Процесс плавления – это изменение состояния металла от твердого к жидкому. Именно для этого и использовали костер, а благодаря низкой температуре плавления можно было проделать эту процедуру без особых сложностей. Для получения сплавов в расплавленную медь добавляли олово. Его можно было получить, восстановив из специальной оловосодержащей руды (касситерит). Такой сплав получил название бронза, которая намного прочнее меди. Бронзу также использовали в древности для изготовления оружия.

А также можно было добыть из медной руды при помощи плавления более чистый металл. Все знают, что каждый металл имеет свою температуру плавления, которая в свою очередь зависит от того, какое количество примесей присутствует в руде. Например, медь, у которой температура плавления равняется 1083 °С, при смешивании с оловом образует новый материал – бронзу. А температура плавления бронзы составляет 930-1140°С, а разная температура потому, что зависит от того, сколько в ней содержится олова. Ну а если вам интересно узнать подробнее, например, какой имеет бронза цвет или какой имеет бронза состав, то эту информацию также можно найти в интернете.

Маркировка

Принцип маркировки такой:

• Пишут буквы Бр (означает «бронза»).
• Пишут буквы, обозначающие легирующие элементы:

• Пишут цифры, обозначающие количество каждого элемента в процентах. Для деформируемых бронз цифры пишут в конце маркировки в том же порядке, что и буквы. Для литейных цифру пишут после каждого легирующего компонента. Например:

БрОФ10-1 – деформируемая бронза. Олова примерно 10%, а фосфора 1%, остальное – медь. Или:

БрА10Ж3 – литейная бронза, где алюминия 10%, железа 3%, остальное – медь.

Могут быть и другие примеси, но их количество незначительно.

Немного истории

Бронза является фактически первым сплавом, который начало использовать человечество. В 3-м тысячелетии до н. э. мастера активно применяли медь для самых разных целей. Некоторые сорта руды содержали незначительный процент олова. При обработке данного материала люди заметили, что такая медь более плотная и твердая, чем обычная. Таким образом, это стало зарождением нового исторического и культурного периода, который известен сейчас как «эпоха бронзы». Дальнейшие исследования привели к тому, что было открыто олово, которое начали специально добавлять в медь для получения качественного сплава для изготовления инструментов и украшений.

Металлургия бронзы качественно повысила производительность самых разных отраслей, которыми было занято человечество на тот момент. Плавление постепенно совершенствовалось, и люди начали изготавливать специальные каменные формы, в которых различные изделия можно было отливать многократно. Постепенно были изобретены закрытые формы, которые позволяли делать оружие и украшения со сложной конструкцией и рисунком.

Читать также: Правила эксплуатации сверлильных станков

Можно ли отливать бронзу дома

Хорошая новость – этот металл растопить можно не только в промышленных условиях, но и в домашних. Правда «дома» – понятие относительное. Лить у себя на кухне не получится. Нужно, как минимум отдельное помещение с хорошей вентиляцией. Это для небольших вещей, например, мелкого художественного литья. Для крупных деталей понадобится гараж или ангар.

У бронзы малая усадка – менее 1%, из нее изготавливают точные отливки. Но в любом случае достичь промышленного качества литья не получится. И главное – нужно соблюдать меры предосторожности и пожарной безопасности! О них речь пойдет в конце статьи.

В качестве сырья используют бронзовый лом, можно переплавить своими руками детали сантехники. Промышленность выпускает металл в слитках.

Температура плавления бронзы и как расплавить и отлить в домашних условиях

Бронза – сплав на основе меди, не содержащий в качестве основных легирующих компонентов никеля и цинка. Характеризуется сравнительно высокой температурой плавления, металл становится жидким в диапазоне от +940°С до +1300°С. Самая тугоплавкая – оловянно-фосфорная.

Из бронзовых сплавов производят сортовой, листовой и трубный прокат, детали двигателя, элементы передаточных устройств, вкладыши в запорную арматуру, фитинги, краны, сувенирные изделия, детали приборов и многое другое. Сделать литье можно в домашних условиях. Плавка бронзы производится в муфельных печах или горнах.

При температуре плавления бронза становится густой, плохо растекается по форме, нужно знать некоторые хитрости, чтобы самостоятельно заниматься литьем.

Как сделать форму для литья

Материал для формы (оснастки) в непромышленных условиях – песчаная или глиняная смесь (литье в «землю») и гипс.

Примеры смесей для литья в «землю»:

• песок, глина, каменноугольная пыль в соотношении 75% – 20% – 5%.
• глина, шамотный кирпич, тонкие древесные опилки, соотношение 40% – 40% – 20%.

Компоненты смешивают до получения однородной консистенции.

Также может использоваться модель изделия из дерева либо другого материала. Также это может быть готовая деталь, образец.

Приспособление для подготовки песчаной оснастки – опока. Она состоит из двух ящиков без крышки, обычно деревянных. Нижний – с дном, верхний – без дна (по сути, рама). Части опоки имеют центрирующие элементы для их точного расположения относительно друг друга. Они иногда скрепляются между собой фиксаторами.

Оснастку изготавливают так:

1. Перед работой поверхность опок и образец изделия присыпают тальком.
2. В нижний ящик насыпают песчаную смесь до края и трамбуют.
3. Модель детали кладут в опоку на землю и вжимают.
4. На нижний ящик опоки кладут верхнюю раму.
5. На модель крепят усеченный конус узкой частью к изделию. Это модель литника, через него зальют расплав. Желательно, чтобы место расположения литника было самой толстой частью изделия. Нужно учитывать, что на готовой детали в месте заливки могут быть дефекты.
6. Верхнюю опоку заполняют доверху смесью. Снова трамбуют.
7. Достают из песка модель литника.
8. Острым тонким предметом разъединяют верхнюю и нижнюю половины, обозначая линию разъема. Верхнюю опоку с песчаной массой в ней снимают, изделие осторожно вынимают из песка.
9. Части формы сушат и вновь соединяют.

Линию разъема выбирают так, чтобы деталь вынималось из оснастки, не повредив ее. Кроме того, иногда в части изделия, противоположной литнику, делают «воздушник». Это такое же отверстие в оснастке, как и литник. Через него в процессе заливки воздух выходит из полости.

Основные этапы

Чтобы получить качественные литые изделия требуется строгое соблюдение технологической последовательности. Процесс литья выглядит следующим образом:

1. Изготовление модели или копии по эскизу, чертежу. Материалы для модели –легко плавящиеся при невысоких температурах: стеарин, парафин, воск и прочие. Способность полного заполнения объема внутреннего пространства в форме сделало эти материалы широко используемыми.
2. Примыкание к модели литниковой системы производится приклеиванием, спаиванием или механическим креплением. Таким образом, формируют питатели, каналы, выпоры и другие элементы.
3. Изготовление литьевой формы производится из огнеупорной смеси. В основной состав смесей водит глина шамотная или глиноземная и кварцевый песок.
4. Освобождение формы от модельного состава производится путем нагревания паром или погружением в нагретую воду.
5. Обыкновенно литье бронзы производится свободной заливкой с использованием центробежных машин, избыточного или недостаточного давления (вакуума).
6. Охлаждение производится на воздухе или с использованием термостата.
7. После остывания, модельная форма разрушается. Производится обрубка литниковой системы. Заготовка отправляется на чистку с помощью промывки или химическими составами.

Заливка металла

Для того чтобы расплавлять материал понадобится:

• Плавильная муфельная печь, желательно с регулятором нагрева. Для крупных отливок нужен горн. Иногда материал плавят автогеном, паяльной лампой, газовой или бензиновой горелкой.
• Тигель – стальная, чугунная или шамотная (из огнеупорной глины) емкость для плавки, желательно с носиком.
• Щипцы и крюк для извлечения горячего тигля из печи и других манипуляций.
• Литейная форма. Как ее подготовить к работе, описано ниже.
• Флюс. Нужен для предохранения сплава от окисления воздухом. Древесный уголь, бура.
• Топливо для горна, например, тот же древесный уголь.
• Керамическая или березовая палочка для перемешивания расплава.

Латунь

Например, латунь – это сплав цинка и меди с температурой плавления 900-1050°С. Когда металл нагревается и плавится, то кристаллические решетки начинают разрушаться. При процессе плавления температура метала постепенно повышается, а далее с определенной отметки становится постоянной, однако нагрев остается таким же. Вот в момент, когда температура останавливается на определенном значении, начинается процесс плавления. И в момент плавления металла температура остается на одном и том же значении, но когда металл полностью расплавлен, температура снова будет увеличиваться.

Такой процесс происходит относительно любого металла. Ну а в процессе охлаждения идет обратный процесс, а именно: сперва температура падает до того момента, пока металл не начнет затвердевать, а уже далее остается постоянной. Когда металл полностью затвердеет, температура снова начинает снижаться. Так ведут себя все металлы, изображая этот процесс графически, он будет иметь вид диаграммы с фазами, на которой четко будет видно состояние вещества на определенно температурной отметке.

Многие ученые пользуются такими фазовыми диаграммами в качестве главного инструмента для исследования процессов, происходящих с металлами при плавлении. Например, если уже расплавленный металл продолжать нагревать, то при достижении определенной температуре масса начнет кипеть. Например, медь кипит при температуре 2560 °С. Относительно металлов такой процесс также назвали кипением, поскольку по аналогии кипящей жидкости на его поверхности появляются пузыри газа.

Видео: Плавка меди в графитовом тигле

Технология литья

1. Куски сырья кладут в тигель и нагревают в печи до нужной температуры (на 50-100˚ Цельсия выше температуры заливки) и выдерживают 4-5 минут. Перегрев нежелателен, так как некоторые компоненты сплава могут гореть при высоких температурах. До заливки расплав несколько раз перемешивают палочкой. Плавку ведут под слоем флюса. Он изолирует металл от воздуха и не дает окисляться.
2. Тигель с жидким металлом вынимают из печи с помощью крюка и щипцов. Обязательно ложкой снимают шлак с поверхности расплава.
3. Тонкой непрерывной струей аккуратно заливают материал в полость оснастки через специальное отверстие (литник).
4. Когда металл остыл, затвердевшее изделие вынимают. Иногда плавильную форму размыкают и деталь выбивают оттуда либо разрушают оснастку, если она одноразовая.

Если деталь сложная по геометрии или очень маленькая, расплав может выдавливать не весь воздух из полости, и на детали возникают дефекты. В этом случае используют центробежное литье. Оснастку устанавливают во вращающуюся центрифугу. Под действием центробежной силы жидкий металл равномерно распределяется по полости формы. Привод центрифуги бывает ручной или электрический.

Подготовка формы

Перед работой форму прогревают. Печь греют до 500-600˚С, помещают туда оснастку и повышают температуру в печи до 900˚С. Прокаливают в течение 2-5 часов. Время зависит от размера формы. Затем ее достают и остужают до 500-600˚С. После этого можно лить металл.

Необходимое оборудование

Как и на большинстве предприятий цветной металлургии используемое для получения бронзы оборудование зависит от множества факторов: применяемого сырья, особенностей плавки, состава готовой бронзы, финансовых возможностей предприятий и так далее. Плавка до сих пор является процессом очень тонким и многовероятным и на двух одинаковых заводах может использоваться совершенно разная технология.

Читайте также: Как сделать компост из опилок

Для плавки подбирают такое устройство и мощность печи, которые обеспечили бы максимально быстрое расплавление меди и других компонентов. Для этого подходит несколько вариантов.

• Электрические печи – дуговые и индукционные. Последние могут быть со стальным сердечником и без него. В последнее время стали чаще использовать индукционные тигельные печи. В этом случае и устройство подготовить для новой плавки проще, и угар в таких печах не превышает 0,5– 1%.
• Электродуговые печи с косвенным нагревом – дуга формируется между горизонтальными графитовыми электродами. Во время расплавления печь покачивается все с большим углом наклона при повышении температуры. Таким образом удается избежать локального перегрева расплава.

Для отливки медного сплава используют разного рода литниковые системы. Конструкция их определяется составом сплава, размерами и конфигурацией отливки и так далее.

• Самое распространенное устройство относится к расширяющимся системам с сифонным – нижним, и верхним боковым подводом. Эта конструкция универсальна и позволяет получить детали и простой, и сложной конфигурации.
• Для получения простых по конфигурации заготовок используют дождевые или верхние литниковые системы.
• Если получают отливки из сплавов, не формирующих оксидных пленок высокой прочности, то используют аппараты без сложных шлакоуловителей. В противном случае такое устройство необходимо.
• Если нужно получить малые по размерам заготовки, то можно использовать системы с нижним подводом.

Далее рассмотрены производители бронзы в России.

Изготовление отливок высокого качества

Можно получить изделия более высокого качества, чем при литье в землю. Для этого применяют литье по выплавляемым моделям.

Оснастку изготавливают из гипса. Она одноразовая, разрушаемая. Чтобы сделать форму, нужна модель изделия из воска, парафина или другого легкоплавкого материала. Этот материал должен быть легче воды. Далее будет сказано, почему это важно.

Изготавливают восковую модель также литьем в гипсовую оснастку. Модели сложной конфигурации делают из нескольких частей. А гипсовую оснастку для модели делают по оригиналу изделия либо его модели аналогично оснастке из песка. Получается цепочка: оригинал изделия – гипсовая форма для восковой модели – модель – гипсовая форма для металла – готовое изделие.

Когда оснастка для изделия готова, восковую модель из нее выплавляют, погружая форму в горячую воду или просто нагревая. Расплавившийся воск вытекает из полости через то же отверстие, куда потом зальют металл. Именно поэтому материал модели должен быть легче воды – чтобы при выплавке в воде он поднимался на поверхность.

Ознакомиться с процессом можно по инструкции в приведенном видео.

Литейные модели

Художественное литье бронзы и латуни предусматривает получение максимально гладкой поверхности, поэтому для воссоздания модели используются достаточно твердые материалы:

1. древесина;
2. гипс;
3. слоновая кость.

Для получения максимально гладкой поверхности, она подвергается устранению пористости шпатлеванием, грунтованием и покрытием лаком.Литейные модели изготавливаются разъемными; неразъемными — подходят для отливки изделий простой формы; специальными для деталей имеющих достаточно сложную конфигурацию.