Бронза – ее свойства и области использования в художественных изделиях.
Очень много художественных украшений делают из сплавов на основе меди. Большое распространение получили изделия из бронзы.
Определение бронзы, ее маркировка, химические свойства.
Бронза - (франц. bronze), сплав меди с разными химическими элементами, главным образом металлами (олово, алюминий, бериллий, свинец, кадмий, хром и др.). Соответственно этому, бронза называется оловянной, алюминиевой, бериллиевой и т.д. Исключение составляют сплавы меди с цинком, которые называются латунь, и сплавы меди с никелем — медноникелевые сплавы (см. далее).
Основой принятых в нашей стране стандартных бронз являются четы-рехкомпонентные системы Cu-Sn-Zn-Pb, которая обеспечивает весь комп-лекс необходимых технологических и эстетических свойств. Эти бронзы хорошо поддаются различным видам обработки (чеканке, гравировке, реза-нию), а также литью. Они имеют красивый цвет, высокую коррозионную стойкость.
Маркировка бронз состоит из сочетания «Бр», букв, обозначающих основные легирующие элементы и цифр, указывающих на их содержание. Приведем обозначения элементов: О - олово, А - алюминий, Ц - цинк, Ф - фосфор, С - свинец, Ж - железо, Н - никель, К - кремний, Мц - марганец.
Например, БрА10Ж4Н4Л обозначает бронзу безоловянную, содержащую 10% Al, 4% Fe, 4% Ni, остальное – Cu. Буква Л в конце маркировки безоло-вянных бронз ставится для того, чтобы отличить литейный сплав от дефор-мируемого, если их маркировка совпадает. Оловянные бронзы обозначаются аналогично безоловянным. Например бронза БрО5С25 имеет следующий химический состав: олово – 5%, свинец – 25%, остальное – Cu. Таким образом, по химическому составу бронзы классифицируются по названию основного легирующего элемента, и при этом бронзы условно делят на два класса: оловянные (с обязательным присутствием олова) и безоловянные. В табл. 1 приведены для справки различные химические составы бронз.
|
|
|
Табл. 1. Химические составы бронзы.
| Марка сплава | Содержание элементов в процентах | ||||||||
| Sn | Zn | Pb | P | Al | Mn | Fe | Ni | Be | |
| БрОФ 7 | 6 - 8 | --- | -- | 0,1 - 0,25 | -- | -- | -- | -- | -- |
| БрОЦС 6 | 5 - 7 | 5 - 7 | 2 - 4 | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| БрОФ 10 | 9 - 11 | -- | -- | 0,6 - 1,0 | -- | -- | -- | -- | -- |
| БрА 7 | -- | -- | -- | -- | 6 - 8 | -- | -- | -- | -- |
| БрАМц 9 | -- | -- | -- | -- | 8 - 10 | 1,5 - 2,5 | -- | -- | -- |
| БрАЖН 10 | -- | -- | -- | -- | 9,5 - 11 | -- | 3,5 - 5,5 | 3,5 - 5,5 | -- |
| БрБ 2 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | - | -- | 2,0 - 2,3 |
По применению бронзы делят на деформируемые, технологические свойства которых допускают производство проката и поковок, и литейные, используемые для литья. Однако многие бронзы, из которых производится прокат, используются и для литья.
Бронзы обладают высокой антикоррозионной стойкостью. Бронзы дос-
|
|
|
таточно хорошо сопротивляются воздействию атмосферы воздуха, газооб-разных соединений углерода (кроме ацетилена), органич. растворителей, спиртов, альдегидов, кетонов, пресной и морской воды, но нестойки к воздействию аммиака и его солей, кислот, особенно азотной, азотистой, пикриновой, фтористоводородной, соляной, хромовой, галогенов, растворов сульфидов и солей ртути. Оловянные бронзы могут быть дополнительно легированы цинком, никелем, фосфором, свинцом, мышьяком и другими металлами. Цинка добавляют не более 10 % (в этом количестве он почти не изменяет свойств бронз, но делает их дешевле); бронза с добавлением цинка называется «адмиралтейской бронзой» и обладает повышенной коррозион-ной стойкостью в морской воде.
Физические свойства бронзы.
Цвет бронзы с уменьшением процентного содержания меди изменяется от красного (Cu не менее 90 %) к желтому (Cu не менее 85 %), при 50 % Cu цвет сплава белый, а при содержании меди менее 35 % – серо-стальной. Если бронзу покрыть патиной, то она становится зеленоватой или дымчатой.
Ввиду очень большого разброса химического состава бронз невозмож-но указать ее сравнительно точное значение плотности. Тем не менее счита-ют, что плотность бронзы в зависимости от марки и включения примесей, по данным разных источников, колеблется от 7 до 9 г/см3.
|
|
|
Температура плавления бронзытакжезависит от количества в ней при-
месей и в среднем составляет для оловянных бронз 900 - 950 0С, для безоло-
вянных бронз 950 – 1080 0 С.
Теплопроводность большинства бронз существенно ниже теплопровод-ности меди и ниже теплопроводности латуней. Естественно, что более высо-кую теплопроводность имеют низколегированные бронзы. Тоже самое мож-но сказать и о электропроводности, а именно - электропроводность основной массы бронз значительно ниже, чем меди и многих латуней. Так, удельное сопротивление меди – 0,02 мкОм/м, а у бронз оно может доходить до 0,2 мкОм/м, т.е. в 10 (!) раз выше.
Механические свойства бронз.
Также как и ранее ввиду большого разброса химического состава бронз трудно говорить о каком – то конкретном значении той или иной механичес-кой характеристики бронзы. Тем не менее, для иллюстрации приведем ряд численных значений различного типа бронз.
Модуль упругости Е у бронз составляет от 10000 МПа (бронзы марок БрОФ и БрОЦ) до 14000 МПа (бронзы марок БрЦР и БрКН 1-3).
Модуль сдвига G у бронз составляет от 3900 до 4500 МПа. Данные ве-личины зависят от состояния бронзы и ее обработки.
|
|
|
Ударная вязкость большинства бронз является меньшей, чем аналогич-ный показатель меди. Оловянные бронзы имеют показатель ударной вязкости в пределах 1-6, алюминиевые – 6-16, медь – 16-18, а марганцевая бронза БрМц5 – 20.
Общее представление об основных механических свойствах бронзовых прутков, полученных различными способами дает гистограмма (рис.4).
Отметим также влияние олова на механические свойства бронзы. Уже при содержании около пяти процентов олова пластичность бронзы начинает падать. Прочность же бронзы начинает падать при содержании олова около двадцати процентов, когда сплав становится хрупким.
Рис. 4. Механические свойства прутков из различных бронзовых
сплавов, полученных по разным технологиям.
Технологические свойства.
Одним из основных технологических свойств бронзы являются ее высокие литейные свойства, которыехарактеризуются исключительно малой линейной усадкой (0,8%) при литье в песочные формы, обеспечивает четкое воспроизведение рельефа формы в сложных отливках при художественном литье, а также в отливках с резкими переходами от толстых сечений к тонким. Отливки в кокиль более плотны, линейная усадка увеличивается до 1,4%.
Бронза не дает концентрированной усадочной раковины. Поэтому для отливки бронз нет необходимости иметь большие прибыли. По этой же причине отливки из бронзы редко удается получить высокой плотности, рассеянные усадочные поры по всему объему отливки понижают ее герметичность.
Оловянные литейные бронзы из-за большого интервала кристаллиза-ции обладают умеренной жидкотекучестью. Минимальная жидкотекучесть соответствует концентрации олова 10 - 12%.
Обрабатываемость резанием имеет невысокие показатели – порядка 20% по отношению к латуням. Исключением являются оловянно-свинцовые бронзы, у которых данный показатель может быть равен 90% . Так для для лучшей обрабатываемости в бронзу вводят от трех до пяти процентов свин-ца, который присутствует в виде обособленных включений, обеспечиваю-щих ломкость стружки при ее обработке на металлорежущих станках, напри-мер бронза марки БрОЦС 5-5-5.
Литая бронза обладает высокой стойкостью против истирания и, поэ-тому бронза с содержанием олова в десять и более процентов является одним из наилучших антифрикционных материалов и широко применяется как под-шипниковый сплав. К числу бронз, которые используются в качестве анти-фрикционных материалов относится большинство оловянных (кроме БрОЦ4-3) бронз, а из безоловянных - БрАМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН.
Бронза с добавлением 30 % свинца является особо высоко качествен-ным антифрикционным материалом широко применяемым в машинострое-нии. Структура такого сплава состоит из отдельных зерен меди и свинца (!). Если свинец равномерно вкраплен в медь, то антифрикционные свойства сплава очень высокие.
Использование бронзы в художественных целях.
Бронза использовалась издавна человеком для декоративно-приклад-ных изделий, украшений и скульптуры. Порошок и тонкие листки бронзы использовали для покрытия изделий из дерева, кости, металлов и т.д.
Современные художественные бронзы являются материалом для литья памятников и монументальных скульптур. В условиях северного климата бронза является прекрасным материалом, исключительно долговечным, не подвергающимся атмосферным влияниям, устойчивым к механическим пов-реждениям, а также хорошо противостоящим действию морозов. По своим цветовым качествам бронза одинаково хорошо смотрится и на открытом пространстве городской площади, и в зелени сквера или парка.
Ниже в табл. 2 приведены составы литейных художественных бронз.
Таблица 2 . Состав (массовая доля, % компонентов) литейных художествен-ных бронз.
| Марка | Медь | Легирующие добавки | Примеси (не более) | Назначение | |||||
| Олово | Цинк | Свинец | Сурьма | Железо | Алюминий | Всего | |||
| БХ1 | Основа | 4-7 | 5-8 | 1-4 | 1,0 | 1,0 | 0,1 | 3,0 | Для бюстов |
| БХ2 | Основа | 1-5 | 8-13 | 1-6 | 1,0 | 1,0 | 0,1 | 3,0 | Для крупного декоративного литья |
| БХ3 | Основа | 0,5-3 | 25-35 | 1,3 | 0,5 | 1,0 | 0,5 | 3,0 | Для мелкого декоративного литья |
Хорошими декоративными свойствами обладают также деформируе-мые бронзы БрОЦС 4-4-2,5 и БрОЦС 4-4-4- и литейные бронзы БрОЦС 5-5-5 и БрОЦС 6-6-3.
Широкое применение находят при изготовлении художественных изде-лий оловянистые бронзы, химический состав которых указан в табл. 3 .
Табл. 3. Состав (массовая доля, %) оловянистых бронз.
| Марка | Олово | Цинк | Свинец | Фосфор | Никель |
| БрОЦС 4-4-2,5 | 3,0-5,0 | 3,0-5,0 | 1,5-3,5 | - | - |
| БрОЦС 6-6-3 | 5,0-7,0 | 5,0-7,0 | 2,0-4,0 | - | - |
| БрОЦС 5-5-5 | 4,0-6,0 | 4,0-6,0 | 4,0-6,0 | - | - |
| БрОЦС 4-4-4 | 3,0-5,0 | 3,0-5,0 | 3,5-4,5 | - | - |
| БрОЦСН 3-7-5-1 | 2,5-4,0 | 6,0-9,5 | 3,0-6,0 | - | 0,5-2,0 |
| БрОЦС 3-12-5 | 2,0-3,5 | 8,0-15,0 | 3,0-6,0 | - | - |
| БрОФ 5-0,4 | 6,0-7,0 | - | - | 0,26-0,4 | - |
| БрОФ 10-1 | 9,0-11,0 | - | - | 0,8-1,2 | - |
В XV-XVII вв. отливки производили из красной меди с оловом, а с XVIII в. из желтой меди – бронзы с добавкой цинка. С середины XIX в. для отливки памятников применялась так называемая сукрасная бронза, в состав которой входила цинковая лигатура (до 5 %). Из этой бронзы было отлито около 70 различных памятников Санкт-Петербурга.
Самая высокая твердость, упругость и устойчивость к коррозии у бе-риллиевой бронзы, поэтому она часто, применяется в художественном литье, при изготовлении сувениров, юбилейных значков и медалей. Зарубежные ювелирные фирмы иногда используют бронзу и как материал для изготовления украшений.
В ювелирной промышленности в основном используются оловянис-тые бронзы, обладающие высокими литейными свойствами (жидкотекучесть, малая усадка), достаточно высокой прочностью, коррозионной стойкостью и имеющие красивый желтоватый цвет. Применение находят сплавы, содержа-щие до 5 % олова. Замена части олова цинком и свинцом кроме повышения жидкотекучести, уменьшения усадочной пористости снижает стоимость сплава. Кроме цинка в некоторые бронзы вводят никель. Это улучшает деко-ративные свойства бронзы, придавая ей красивый серебристый цвет. Ювели-рные бронзы – это многокомпонентные сплавы.
Сплавы для литья колоколов. В старину существовало четыре сорта бронз: пушечная (13 % олова), зеркальная (32 % олова), монетная (7 % олова) и колокольная (20 % олова). Пушки, зеркала и монеты теперь из бронзы не делают. А колокола по-прежнему льют из бронзы, причем ставший класси-ческим состав колокольной бронзы сохранился до наших дней.
Колокольный металл окутан многими легендами. Люди верили в осо-бую силу звучания колокола - очистительную, охраняющую, заклинающую. Звон колокола обращал мысли человека к силам природы, к небу, к высшему идеалу. Отсюда одна из основных функций колокольного звона - защита от бесов и злых духов. Звучанием колокола или колокольчиков пользовались жрецы, прорицатели, знахари.
Долгое время считалось, что рецепт колокольного сплава представляет собой тайну за семью печатями. Также полагали, что для красивого звучания сплав должен обязательно включать примесь серебра. Например, когда в 1911г. в городе Лодзи плавили колокольную бронзу в вагранке, жители горо-да, собравшиеся поглядеть, как будут выпускать металл в ковш, бросали в расплав золотые и серебряные вещи, причем наблюдало за плавкой почти 900 человек. Однако исследования, выполненные во второй половине ХХ века, развеяли красивые легенды. Примесь серебра в сплаве никак не влияет на звучание. В музыкальном материаловедении основные требования, предъяв-ляемые к металлу, формулируются как наилучшее возбуждение, излучение всех частот, возникающих при ударе и большая длительность звучания. Этим требованием отвечают металлы, обладающие высокой упругостью, низким затуханием звука, высокой плотностью и минимальной пористостью. При оценке акустических качеств материалов используют константу, учиты-вающую плотность и внутреннее трение материала.
На звучании колокола плохо сказываются примеси, которые резко сни-жают акустические характеристики бронзы. Содержание примесей не должно превышать 2 %, а в особых ответственных случаях - 1 %. Примеси алюминия, висмута, мышьяка дают о себе знать, даже если их содержание исчисляется в сотых долях процента.
Звучание колокольной бронзы определяется содержанием интерметал-лидной фазы, состоящей из меди и олова - чем выше ее доля в сплаве, тем чи-ще, звонче, мелодичнее звук. Однако эта фаза обладает исключительной хру-пкостью. При 32%-ном содержании олова колокол не выдержал бы и одного удара (!). Сплав с 22 %-ным содержанием олова находится на границе обла-сти допустимой хрупкости. Таким образом, наилучшим колокольным спла-вом является двухкомпонентная бронза, содержащая 20-22% олова и не более 1-2 % примесей.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 38; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!