Технология производства бронзы

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………..3

1.Бронза, её свойства…………………………………………………6

2.Технология производства………………………………………...14

3.Контроль качества и сфера применения………………………18

Заключение…………………………………………………………..24

Список использованных источников…………………………….25

Введение

В 3 тыс. до Р.Х. люди начали широко применять в своей хозяйственной  деятельности металлы. Переход от каменных орудий к металлическим имел колоссальное значение в истории человечества. Пожалуй, никакое другое открытие не привело к таким значительным общественным сдвигам. Первым металлом, получившим широкое распространение, была медь. Постоянно разыскивая необходимые им камни, наши предки, надо думать, уже в древности обратили внимание на красновато-зеленые или зеленовато серые куски самородной меди. В обрывах берегов и скал им попадались медный колчедан, медный блеск и красная медная руда (куприт). Поначалу люди использовали их как обыкновенные камни и обрабатывали соответствующим способом. Вскоре они открыли, что при обработке меди ударами каменного молотка ее твердость значительно возрастает и она делается пригодной для изготовления инструментов. Таким образом вошли в употребление приемы холодной обработки металла или примитивной ковки. Затем было сделано другое важное открытие - кусок самородной меди или поверхностной породы, содержавшей металл, попадая в огонь костра, обнаруживал новые, несвойственные камню особенности: от сильного нагрева металл расплавлялся и, остывая, приобретал новую форму. Если форму делали искусственно, то получалось необходимое человеку изделие. Это свойство меди древние мастера использовали сначала для отливки украшений, а потом и для производства медных орудий труда. Так зародилась металлургия. Плавку стали осуществлять в специальных высокотемпературных печах, представлявших собой несколько измененную конструкцию хорошо известных людям гончарных печей. Вообще говоря, медь - мягкий металл, сильно уступающий в твердости камню. Но медные инструменты можно было быстро и легко затачивать. (По наблюдениям С.А. Семенова, при замене каменного топора на медный скорость рубки увеличивалась примерно в три раза.) Спрос на металлические инструменты стал быстро расти. Люди начали настоящую «охоту» за медной рудой. Оказалось, что она встречается далеко не везде. В тех местах, где обнаруживались богатые залежи меди, возникала их интенсивная разработка, появлялось рудное и шахтное дело. Как показывают открытия археологов, уже в древности процесс добычи руды был поставлен с большим размахом. Например, вблизи Зальцбурга, где добыча меди началась около1600 году до Р.Х., шахты достигали глубины 100 м, а общая длина отходящих от каждой шахты штреков составляла несколько километров. Древним рудокопам приходилось решать все те задачи, которые стоят и перед современными шахтерами: укрепление сводов, вентиляция, освещение, подъем на гора добытой руды. Штольни укрепляли деревянными подпорками. Добытую руду плавили неподалеку в невысоких глиняных печах с толстыми стенками.

В конце 3 тыс. до Р.Х. древние  мастера начали использовать свойства сплавов, первым из которых стала бронза. На открытие бронзы людей должна была натолкнуть случайность, неизбежная при массовом производстве меди. Некоторые сорта медных руд содержат незначительную (до 2%) примесь олова. Выплавляя такую руду, мастера заметили, что медь, полученная из нее, намного тверже обычной. Оловянная руда могла попасть в медиплавильные печи и по другой причине. Как бы то ни было, наблюдения за свойствами руд привели к освоению значения олова, которое и стали добавлять к меди, образуя искусственный сплав - бронзу. При нагревании с оловом медь плавилась лучше и легче подвергалась отливке, так как становилась более текучей. Бронзовые инструменты были тверже медных, хорошо и легко затачивались. Металлургия бронзы позволила в несколько раз повысить производительность труда во всех отраслях человеческой деятельности. Само производство инструментов намного упростилось: вместо того, чтобы долгим и упорным трудом оббивать и шлифовать камень, люди наполняли готовые формы жидким металлом и получали результаты, которые и во сне не снились их предшественникам. Техника литья постепенно совершенствовалась. Сначала отливку производили в открытых глиняных или песчаных формах, представлявших собой просто углубление. Их сменили открытые формы, вырезанные из камня, которые можно было использовать многократно. Однако большим недостатком открытых форм было то, что в них получались только плоские изделия. Для отливки изделий сложной формы они не годились. Выход был найден, когда изобрели закрытые разъемные формы. Перед литьем две половинки формы крепко соединялись между собой. Затем через отверстие заливалась расплавленная бронза. Когда металл остывал и затвердевал, форму разбирали и получали готовое изделие. Такой способ позволял отливать изделия сложной формы, но он не годился для фигурного литья. Но и это затруднение было преодолено, когда изобрели закрытую форму. При этом способе литья сначала лепилась из воска точная модель будущего изделия. Затем ее обмазывали глиной и обжигали в печи. Воск плавился и испарялся, а глина принимала точный слепок модели. В образовавшуюся таким образом пустоту заливали бронзу. Когда она остывала, форму разбивали. Благодаря всем этим операциям мастера получили возможность отливать даже пустотелые предметы очень сложной формы. Постепенно были открыты новые технические приемы работы с металлами, такие как волочение, клепка, пайка и сварка, дополнявшие уже известные ковку и литье. С развитием металлургии бронзовые изделия, повсюду стала вытеснять каменные. Но не нужно думать, что это произошло очень быстро. Руды цветных металлов имелись далеко не везде. Причем олово встречалось гораздо реже, чем медь. Металлы приходилось транспортировать на далекие расстояния. Стоимость металлических инструментов оставалась высокой. Все это мешало их широкому распространению. Бронза не могла до конца заменить каменные инструменты. Это оказалось под силу только железу.

1.Бронза, её  свойства

Бронзами называют двойные  и многокомпонентные медные сплавы, в которых основными легирующими  элементами являются различные металлы, кроме цинка. Медноникелевые сплавы выделены в отдельную группу материалов. Название бронзе дают по легирующим элементам (например, сплав меди с алюминием называют алюминиевой бронзой). Маркируют бронзы буквами Бр, за которой следуют заглавные буквы легирующих элементов и через дефис цифры — их процентное содержание.

Различают две группы бронз: оловянные, в которых преобладающим  легирующим элементом является олово, и безоловянные (специальные).

По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Первые легко поддаются штамповке, ковке, рифлению и другим видам обработки давлением, используемым при изготовлении изделий. Литейные бронзы предназначены для фасонных отливок. Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокими прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они весьма стойки на воздухе, в морской воде, растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.

В качестве легирующих элементов  в бронзах используют олово, алюминий, никель, марганец, железо, кремний, свинец, фосфор, бериллий, хром, цирконий и другие элементы. Бронзы, в которых легирующие элементы входят в твердый раствор, упрочняют деформационным наклепом. Последующим низкотемпературным отжигом (250- 300° С) могут быть повышены их упругие свойства. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий и некоторые другие элементы с переменной их растворимостью в альфа-твердом растворе, упрочняют дисперсионным твердением. К этому классу относится также бронза марки БрАЖН10-4-4.

Из перечисленных элементов  олово, алюминий, никель и кремний  главным образом повышают прочность, упругие свойства и коррозионную стойкость бронз, а в сочетании с другими элементами (свинцом, фосфором, цинком) также и антифрикционные свойства. Железо и никель сильно измельчают зерно и повышают температуру рекристаллизации бронз. Марганец и кремний повышают их жаростойкость. Бериллий, хром и цирконий, особенно после закалки и старения, повышают прочностные свойства сплавов, одновременно незначительно снижая их электропроводность. Эти элементы существенно повышают жаропрочность бронз. Большинство бронз (за исключением алюминиевых) хорошо поддаются сварке и пайке твердыми и мягкими припоями.

Безоловянные бронзы по своим свойствам не уступают, а по некоторым превосходят оловянные бронзы, и поэтому их широко применяют в машиностроении и других отраслях промышленности. Бронзы используют для изготовления арматуры, всевозможных шестерен, подшипников, втулок, баков, резервуаров и других ответственных деталей и узлов машин и аппаратов.

Свойства бронз определяются содержанием в них легирующих элементов.

Бериллиевая бронза в  облагороженном состоянии — наиболее прочный сплав на медной основе. По своей твердости и упругим  свойствам при обычной температуре она превосходит высококачественные стали. Особое положение занимают хромо- и кадмий-содержащие бронзы, которые являются наиболее высокоэлектропроводными, и теплопроводными из стандартных бронз.

В машиностроении используют плоский и круглый, прокат из бронз;

Плоский прокат поставляют в мягком (отожженном или закаленном), полутвердом (обжатие 10—30%), твердом (обжатие 30—50%) н особо твердом (обжатие более 60%) состоянии.

1.1. Оловянные бронзы

Однофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности  и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).

Однофазные бронзы в  катаном состоянии, особенно после  значительной холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные и

упругие свойства (δ>= 40 кгс/мм2).

Для двухфазных бронз  характерна более высокая износостойкость.

Важное преимущество двухфазных оловянистых бронз - высокие  литейные свойства; они получают при литье наиболее низкий коэффициент усадки по  сравнению с другими металлами, в том числе чугунами. Оловянные бронзы применяют для литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов и подобных деталей они используются лишь в случае небольших давлений пара.

Недостаток отливок  из оловянных бронз - их значительная микропористость.

Поэтому для работы при  повышенных давлениях пара они все  больше заменяются алюминиевыми бронзами.

Из-за высокой стоимости  олова чаще используют бронзы, в  которых часть олова заменена цинком (или свинцом).

                             Таблица 1.1.

Оловянные бронзы

1.2. Алюминиевые бронзы

Эти бронзы (однофазные и  двухфазные) все более широко заменяют латуни и оловянные бронзы.

Однофазные бронзы в  группе медных сплавов имеют наибольшую пластичность (δ до 60%). Их используют для листов (в том числе небольшой толщины) и штамповки со значительной деформацией. После сильной холодной пластической деформации достигаются повышенные прочность и упругость.

Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации или применяют  в виде отливок. У алюминиевых бронз литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных; коэффициент усадки больше, но они не образуют пористости, что обеспечивает получение более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением в указанные бронзы небольших количеств фосфора. Бронзы в отливках используют, в частности, для котельной арматуры сравнительно простой формы, но работающей при повышенных напряжениях.

Кроме того, алюминиевые  двухфазные бронзы, имеют более высокие прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы. У сложных алюминиевых бронз, содержащих никель и железо, прочность составляет 55-60 кгс/мм2.

Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии в морской воде и во влажной тропической атмосфере.

Алюминиевые бронзы используют в судостроении, авиации, и т.д. В виде лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для токоведущих пружин.

Таблица 1.2. 

Алюминиевые бронзы  

1.3. Кремнистые бронзы

Применение кремнистых бронз ограниченное. Используются однофазные бронзы как более пластичные. Они превосходят алюминиевые бронзы и латуни в прочности и стойкости в щелочных (в том числе сточных) средах.

Эти бронзы применяют  для арматуры и труб, работающих в указанных средах.

 Кремнистые бронзы, дополнительно легированные марганцем, в результате сильной холодной деформации приобретают повышенные прочность и упругость и в виде ленты или проволоки используются для различных упругих элементов.

                                 Таблица 1.3. 

Кремнистые  бронзы

1.4. Бериллиевые бронзы

Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность (σ до 120 кгс/мм 2) и коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью.

Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для особо ответственных в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических машинах, аппаратах и приборах.

Указанные свойства бериллиевые  бронзы после закалки и старения, т.к. растворимость бериллия  в меди уменьшается с понижением температуры.

 Выделение при старении частиц химического соединения CuBe повышает прочность и уменьшает концентрацию бериллия в растворе меди.

Таблица 1.4. 

Бериллиевые бронзы

Таким образом, бронза –  это двойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка. Различают две группы бронз: оловянные, в которых преобладающим легирующим элементом является олово, и безоловянные (специальные).

В качестве легирующих элементов  в бронзах используют олово, алюминий, никель, марганец, железо, кремний, свинец, фосфор, бериллий, хром, цирконий и другие элементы. Свойства бронз определяются содержанием в них легирующих элементов.

2.Технология  производства

Особенность технологии производства оловянных бронз - образование SnO2 при взаимодействии олова с закисью меди. Наличие включений SnCO2 заметно снижает механические и эксплуатационные свойства оловянных бронз. Поэтому перед введением олова или оловосодержащих отходов медь раскисляют фосфором. Плавку ведут в окислительной атмосфере под слоем древесного угля или флюса (сода + древесный уголь). Вначале под слоем угля расплавляют медь и нагревают ее до 1100-1150° С. Введением фосфористой меди (9-13% Р) производят раскисление. Затем вводят цинк, олово или отходы сплава и в последнюю очередь свинец- Сплавы нагревают до 1100-1200° С, рафинируют хлористым марганцем или азотом, модифицируют и разливают в формы при 1150 - 1300° С.

Плавка сложных оловянных  бронз мало чем отличается от указанной технологии. Плавку вторичных оловянных бронз ведут под слоем флюса в окислительной атмосфере.

Алюминиевые бронзы чувствительны  к перегреву и более оловянных  склонны к поглощению газов. Поэтому плавку их ведут в окислительной атмосфере под слоем флюса, не допуская перегрева расплава выше 1200° С. Для предотвращения загрязнения расплава окисными пленами медь перед введением алюминия и других легирующих компонентов раскисляют фосфором.

Большая разница в  плотности меди и алюминия способствует расслоению их в процессе плавки. Поэтому необходимо очень тщательно перемешивать расплав перед заливкой.

Плавку алюминиевых  бронз проводят в следующей последовательности. Сначала под слоем флюса расплавляют медь и раскисляют ее фосфором (0,05-0,1%). Если сплав содержит никель, то его загружают вместе с медью. После этого в расплав вводят железо и марганец в виде соответствующих лигатур с медью. После растворения лигатур расплав вторично раскисляют фосфором (0,05%) и вводят алюминий или лигатуру медь-алюминий. По окончании растворения алюминия поверхность расплава засыпают флюсом. Недопустимо введение алюминия перед марганцем и железом. Образующиеся при этом плены делают расплав непригодным к заливке.

Перед заливкой при температуре 1100-1200°С расплав рафинируют хлористым марганцем или криолитом, количество которых берут в пределах 0,1-0,3% от массы расплава.

Алюминиевые бронзы очень  часто модифицируют ванадием, вольфрамом, бором, цирконием или титаном. Указанные присадки в виде лигатур с алюминием и медью вводят в расплав в количестве 0,05-0,15% при температуре 1200-1250° С.

Плавка бериллиевой  бронзы (Бр. Б2, Бр. БНТ) мало чем отличается от плавки оловянных бронз. Для этого  используют индукционные печи с графитовыми тиглями. Плавку ведут под покровом древесного угля. Медь перед введением бериллия и титана раскисляют фосфором. Угар бериллия составляет 5—10%.

Ввиду токсичности паров  и пыли бериллия плавку бериллиевых  бронз ведут в изолированных помещениях, оборудованных хорошей приточпо-вытяжной вентиляцией.

Для отделения неметаллических включений при разливке бериллиевых бронз используют различные фильтры.

Кремнистые бронзы плавят в электрических индукционных печах под покровом древесного угля. Медь перед введением кремния или отходов раскисляют фосфором. Для получения расплавов с малым содержанием водорода недопустим перегрев выше 1250-1300° С.

Особенность плавки свинцовых  бронз (Бр.СЗО) - сильная ликвация по плотности. Наиболее однородные расплавы удается получать при плавке в индукционных печах, обеспечивающих интенсивное перемешивание. Для предупреждения ликвации в высокосвинцовистые бронзы рекомендуется вводить 2-2,5% никеля, а охлаждение отливок вести с большими скоростями.

Бронзы изготовляются  в виде чушек. Масса каждой чушки не должна превышать 42 кг.

Форму и размеры чушек устанавливает изготовитель.

На поверхности чушек  не должно быть наплывов, переливов, шлаковых и посторонних включений.

На поверхности чушек  допускаются следы после зачистки дефектов, выпуклости, образовавшиеся от дефектов изложниц а также остатки от сгоревшей смазки, применяемой для покрытия изложниц.

Допускаются местные  включения плен на площади, не превышающей 10% поверхности чушек на глубине до 10 мм.

В изломе чушки должны быть плотными и не должны содержать  посторонних включений. Допускается рыхлота в усадочной раковине глубиной до 20 мм.

Чушки предъявляют к  приемке партиями. Партия должна состоять из чушек одной марки, одной или  нескольких плавок. Масса партии не ограничивается. Результаты приемосдаточных испытаний отражаются в документе о качестве продукции, в котором указывают:

товарный знак или  товарный знак и наименование предприятия-изготовителя;

марку бронзы;

массу партии;

номер партии;

номера плавок;

количество штабелей или поддонов чушек;

результаты анализа  химического состава каждой плавки.

Таким образом, особенность технологии производства бронз определяется их составом:

- оловянных - образование SnO2 при взаимодействии олова с закисью меди. Наличие включений SnCO2 заметно снижает механические и эксплуатационные свойства оловянных бронз.

- алюминиевые бронзы чувствительны к перегреву и более оловянных склонны к поглощению газов. Поэтому плавку их ведут в окислительной атмосфере под слоем флюса, не допуская перегрева расплава выше 1200° С.

- бериллиевой бронзы (Бр. Б2, Бр. БНТ) мало чем отличается от плавки оловянных бронз. Для этого используют индукционные печи с графитовыми тиглями.

- кремнистые бронзы плавят в электрических индукционных печах под покровом древесного угля. Медь перед введением кремния или отходов раскисляют фосфором.

3.Контроль  качества и сфера применения

Проверке качества поверхности  подвергают все чушки партии.

Для контроля качества излома отбирают не менее двух чушек от плавки. Контроль качества излома и  глубины рыхлоты проводят по требованию потребителя.

Для проверки химического  состава от каждой плавки отбирают 0,5% чушек, но не менее двух.

На предприятии-изготовителе допускается отбор проб от жидкого металла. ГОСТ 17328—78 и ГОСТ 614—73

Содержание мышьяка, сурьмы, кремния и фосфора определяется по требованию потребителя.

При получении неудовлетворительных результатов испытании хотя бы по одному показателю, по нему проводят повторные испытания на удвоенной выборке, отобранной от той же плавки.

Результаты повторного испытания распространяются на всю партию.

Допускается применять  статистические методы контроля.

Отбор и подготовка проб для химического анализа - по ГОСТ 24231-80.

При отборе и подготовке проб для химического анализа  должны соблюдаться требования по безопасному ведению работ в соответствии с ГОСТ 12.1.005—88, ГОСТ 12.1.007—76, ГОСТ 12.4.013—75, ГОСТ 12.4.021—75 и правилами, утвержденными в установленном порядке.

Химический состав определяют по ГОСТ 15027.1-77— ГОСТ 15027.14-77. Допускается  определять химический состав другими методами, не уступающими по точности стандартным.

При разногласиях в оценке химического состава определение  сто проводят по ГОСТ 15027.1-77 — ГОСТ 15027.14-77.

Отбор и подготовка проб для химического  анализа по ГОСТ 24231—80.

При отборе и подготовке проб для химического анализа должны соблюдаться требования по безопасному ведению работ в соответствии с ГОСТ 12.1.005—76, ГОСТ 12.1.007—76, ГОСТ 12.4.013—85, ГОСТ 12.4.021—75 и правилами, утвержденными в установленном порядке.

Для проверки качества излома отобранные чушки наполовину надпиливают и ломают.

Проверку качества поверхности  и излома проводят визуально без  применения увеличительных средств. При необходимости может быть применен универсальный мерительный инструмент.

Чушки транспортируют в пакетах в части общих требовании ГОСТ 21399—75 и нормативно-технической документации. Пакеты должны состоять из чушек одной марки.

Пакеты скрепляют стальной упаковочной лентой по ГОСТ 3560—73 или  стальной проволокой диаметром не менее 10 мм по ГОСТ 3282—74 или другой нормативно-технической документации. Допускается применять другие средства скрепления по ГОСТ 21650—76, обеспечивающие сохранность пакета.

Транспортная маркировка пакетов—по ГОСТ 14192—77 и ГОСТ 21399—75. На боковой стороне пакета к средствам скрепления крепят металлический или деревянный ярлык материалами, обеспечивающими его сохранность.

Пакеты транспортируют транспортом всех видов в соответствии с правилами перевозки грузов, действующими на транспорте данного вида. Чушки безоловянной бронзы в пакетах, предназначенные для экспорта, транспортируют в крытых транспортных средствах.

Чушки хранят в условиях, обеспечивающих сохранность их качества.

Таблица 3.1.

Механические  свойства и применяемость оловянных  бронз