Черная бронза: ее специфика и производство

Что это такое? Сплав меди с мышьяком называют черной бронзой. Начиная с IV тысячелетия до нашей эры, он применялся на Ближнем Востоке и в Европе. С него пошла история бронзового века.

В чем преимущества? Черная бронза славится своими качествами. Из нее производили самые разные изделия: от оружия до украшений. Но присутствие мышьяка делает этот сплав опасным для здоровья.

Особенности бронзы

Человечество открыло для себя бронзу на заре цивилизации. Первые образцы оружия и украшений, выполненных из нее, датируются началом третьего тысячелетия до нашей эры. С развитием металлургии разрабатываются более эффективные технологии выплавки и совершенные составы бронзовых сплавов, однако на протяжении всей истории они по-прежнему играют важнейшую роль в быту и промышленности.

Бронзой принято называть различные сплавы на основе меди с добавлением тех или иных металлов и неметаллов в качестве легирующих добавок. Входящие в состав компоненты и их процентные доли определяют физические и химические свойства бронзовых сплавов.

Бронза обладает превосходными эксплуатационными и декоративными качествами.

В состав наиболее древнего из найденных археологами образцов бронзы входили, помимо меди, добавки олова и ряда других элементов (в незначительной концентрации). В современной маркировке бронзовых сплавов не принято указывать процентную долю Cu, которую можно при необходимости рассчитать по содержанию других металлов (и неметаллов).

К примеру, из маркировки БрАМЦ-7-1 можно узнать, что перед нами бронзовый сплав с процентными долями алюминия (7 %) и марганца (1 %). Также он на 92 % состоит из меди, а олово в его составе полностью отсутствует (так называемая безоловянная бронза).

Помимо технологических и эксплуатационных характеристик бронзовых сплавов, от процентной доли меди зависит также их внешний вид. Добавки (в зависимости от их состава и количества) придают металлу различные цвета. Бронза с процентной долей меди, превышающей 90 %, имеет красный оттенок, если содержание этого металла – желтоватый, а при 35%-ной концентрации он окрашивается в серо-стальной цвет.

Наиболее популярные марки, содержащие 85 % меди, имеют золотистую поверхность, а при уменьшении ее доли до 50 % получается белая бронза, которая цветом схожа с серебром. Уменьшая количество меди до 35 % и ниже, можно получить серый и даже черный материал.

Что такое черная бронза

Старение многих изделий приводит к почернению поверхностных слоев бронзовых сплавов, не связанное с их составом – это результат воздействия пожаров, долгого пребывания во влажной почве. Металлурги древности попросту не владели технологиями, предусматривающими добавление в сплав редкоземельных металлов, которые и придают бронзе черный оттенок.

Особо высоко ценились в древности изделия из гепатизона, или черной коринфской бронзы, первое название которой произошло от греческого «гепар» – печень. При патинировании этот сплав, включавший в себя, помимо меди, золото и серебро (процентная доля каждой добавки составляла приблизительно 8 %), приобретал пурпурно-черный оттенок, придававший ему сходство с этим органом. Об этом материале упоминают многие авторы античности, в том числе и Плиний Старший.

Бронза – собирательное название сплавов меди с добавлением олова, мышьяка и других легирующих элементов, которые значительно увеличивают твердость, прочность и легкоплавкость материала. Обработка оловянного бронзового сплава (ковка, резка и заточка) связана с большими трудностями. По этой причине свойства классического состава делают его пригодным главным образом для литья. При схожих эксплуатационных характеристиках он имеет несколько лучшие технологические качества, чем мышьяковистый.

Изначально для изготовления бытовых предметов, украшений и оружия широко пользовались мышьяковистыми бронзовыми сплавами, которыми примерно в начале третьего тысячелетия до нашей эры начали вытеснять оловянные. Однако этот процесс затруднялся дефицитом олова. По этой причине на Крите и в западном Средиземноморье еще долго была в ходу черная бронза с добавлением мышьяка в качестве легирующего элемента.

Чем же была обусловлена большая востребованность оловянной бронзы? В первую очередь это было связано со склонностью «черных» сплавов к ухудшению механических характеристик в ходе переплавки, что обусловило заметную дешевизну изделий из повторно используемого металла по сравнению с аналогами из «первородного».

Металлургам древности не удавалось понять суть и избавиться от этого недостатка мышьяковистых сплавов, в то время как оловянные ими не страдали. Кроме того, из-за чрезвычайной токсичности мышьяка мастеров, работавших с черной бронзой, преследовал целый букет опасных недугов.

Виды бронзы

Безоловянные бронзовые сплавы по целому ряду параметров ничуть не уступают металлу с добавлением олова и широко применяются во многих областях производства, включая, например, автомобилестроение.

Алюминиевая бронза

Алюминий нередко используют вместо олова в качестве легирующего элемента в бронзовых сплавах в процентных долях до 10 %. Классическая бронза с известными с древности составом и свойствами имеет отличия от алюминиевой. Ее относительная дороговизна связана с высокой стоимостью традиционных добавок.

Самая популярная марка алюминиевой бронзы – БрАЖН10-4-4, в состав которой, помимо меди, входит от 9,5 до 11 % алюминия, а также марганец и железо (от 3,5 до 5,5 % каждого).

Бериллиевая бронза

Такие бронзовые сплавы содержат бериллий в процентной доле около 2 %. Их отличают повышенные прочность и твердость, которые достигаются с помощью специальной термообработки, улучшающей характеристики сплава. Такой металл главным образом применяется при изготовлении молотков, зубил.

Кремнистая бронза

Сплавы, относящиеся к этой группе, содержат в качестве легирующей добавки от 2 до 3 % кремния. Их отличает высокая коррозионная стойкость и хорошие литейные качества. Обычно кремнистые бронзовые сплавы используются при изготовлении ленты, проволоки, пружин.

Никелевая бронза

В состав этих бронзовых сплавов при выплавке добавляется в качестве легирующего элемента никель. Они отличаются высокой вязкостью, устойчивостью к воздействию кислых сред и высокой температуры.

Патинированная бронза

Благодаря такому популярному виду обработки, как патинирование, изделия из бронзы искусственно старятся, что придает им дополнительную декоративную ценность. Одновременно патина способствует повышению коррозионной стойкости внешних слоев металла. Технологически метод схож с чернением серебра.

Патинирование позволяет придавать бронзе черный оттенок без изменения состава сплава.

Латунь

Латунь схожа с бронзой по составу, так как сплавы изготавливаются на основе меди и широко применяются в различных областях промышленного производства. Различие заключается в том, что вместо олова в качестве второго компонента выступает цинк. Среди других добавок – свинец, железо и кремний.

Маркировка латуни позволяет узнать, какой элемент в конкретном сплаве использован в качестве легирующей добавки. К примеру, ЛС59-1, где буква Л, стоящая первой, обозначает латунь, а следующая за ней, например, С – второй компонент (в данном случае это свинец). Идущие следом цифры указывают на то, что сплав содержит 59 % меди и 1 % свинца. Содержание цинка незначительно и не указывается в маркировке.

Медь, точнее, ее процентная доля, определяет характеристики и цвет латунных сплавов, которые бывают красными, желтыми и белыми. Первые, называемые «томпак», содержат более 80 % Cu, они используются для изготовления тонкого листового проката.

Желтая латунь содержит от 40 до 80 % меди. Из нее обычно изготавливают ключи и гарнитуру. Широкое применение такие сплавы получили в автомобильной промышленности.

Белой называют латунь с содержанием меди от 20 до 40 %. Этот хрупкий металл плохо поддается механической обработке и используется для формирования изделий литьем.

Как производят черную бронзу

Насчитывающая несколько тысячелетий технология выплавки бронзовых сплавов, по сути, за все это время не претерпела существенных изменений, если не считать инструментов и оборудования, используемых в производстве металла. Сырьем служат отходы металлообработки и шихта, а в качестве флюса, защищающего расплав бронзы от слишком интенсивного окисления, по-прежнему пользуются древесным углем.

Современные центробежные литейные установки позволяют выплавлять бронзу в слитках, весящих до 50 кг.

Плавку выполняют поэтапно:

• Исходное сырье в тигле помещается в камеру печи, в которой заранее создается необходимая для плавки температура.
• Для защиты расплавленного металла от интенсивного окисления в расплав вносится флюс из древесного угля.
• После полного расплавления и нагрева основного металла в расплав вводится необходимое количество фосфористой меди, которая служит кислотным катализатором.
• Разогретый расплав выдерживается некоторое время, после чего в него вводят требуемое количество легирующих и связующих добавок (лигатуру). Затем содержимое тигля подвергается тщательному перемешиванию.
• Далее следует разливка расплава в формы, перед которой в него вводится еще одна порция фосфористой меди, снижающей на этом этапе активность окислительных процессов.

В ходе выплавки обязательно должен соблюдаться правильный температурный режим в плавильной камере и самом расплаве. Качество готового сплава в значительной степени определяется количеством лигатуры, которая вводится в его состав при выплавке.

Патинирование бронзы до черной

Рассматривая историю и применение бронзы, нельзя не упомянуть патину, которую все мы не раз наблюдали на памятниках, старинных пушках, элементах декора. Бытует ошибочное мнение, что это своего рода аналог ржавчины. Однако процесс патинирования отличается от ржавления железосодержащих сплавов.

Образование зеленоватого налета на поверхности бронзовых предметов связано с взаимодействием меди и факторов внешней среды – кислорода, содержащегося в воздухе, влаги, выхлопных газов.

Изменения внешнего вида бронзы, которая со временем становится зелено-белой, связано с формированием патины – оксидно-карбонатной пленки. Она образуется под влиянием содержащихся в окружающем воздухе выхлопах автотранспорта, дыма, водяных паров и пр.

В составе патины в зависимости от содержащихся в бронзе компонентов и веществ, воздействием которых вызвано ее формирование, могут преобладать оксидная или карбонатная составляющая. От ржавления процесс патинирования отличается тем, что при последнем металл не разъедается, а, напротив, получает надежную защиту от воздействия внешних факторов.

Наиболее высока в этом плане ценность куприта – нижнего слоя патины, непосредственно соприкасающегося с материалом, благодаря которому срок службы бронзовых изделий может составлять многие десятки лет.

Виды патины

Патина бывает двух видов – благородная и дикая. Свойства первой описаны выше, а возникновение второй связано с активным воздействием водяных паров, а также с неправильным применением красок, моющих составов и абразивов при уходе за бронзовыми изделиями. Вред, наносимый таким налетом, заключается в том, что его приходится удалять, снимая при этом с поверхности металла верхние слои. Подобная обработка вредна и часто приводит к постепенной порче памятников и других предметов, имеющих историческую и культурную ценность.

Чтобы убедиться в эстетичности старинных предметов, покрытых защитной пленкой оксидной или карбонатной патины, достаточно посмотреть, например, фотографии памятников, которые во множестве украшают современные города.

Современные методики дают возможность удалять с бронзы патину и патинировать поверхность искусственно, чтобы сделать бронзовые предметы более винтажными. Как уже говорилось, для такой обработки используются серосодержащие составы, которые наносятся на предварительно нагретый металл.

Часто задаваемые вопросы о черной бронзе

Каковы основные достоинства «черных» бронзовых сплавов?

Среди преимуществ такого металла специалисты выделяют его прочность и долговечность, делающие бронзу идеальным материалом для изготовления изделий, от которых требуется высокая сопротивляемость к изнашиванию. Также мышьяковистые бронзовые сплавы обладают коррозионной стойкостью. Несмотря на меньшее (по сравнению с оловянными) распространение, черная бронза занимает важную нишу в современном промышленном производстве.

Чем опасна черная бронза?

Состав черной бронзы, включающий ядовитый мышьяк, делает ее опасной для человека, который может умереть, проглотив даже малое количество. Слесари, работающие с такими бронзовыми сплавами, подвергают свое здоровье серьезной опасности. Поэтому применение данного металла ограничено областями, где исключается контакт человека с ним. Адекватной заменой бронзе может быть нержавеющая сталь.

Где использовалась черная бронза?

В прежние времена этот сплав, практически не уступающий по характеристикам оловянным или свинцовым типам бронзы, широко применяли, изготавливая из него ответственные детали механизмов, ювелирные украшения и другие предметы.

Подводя итог, можно сказать, что черной бронзой, помимо патинированного металла, называют мышьяковистые бронзовые сплавы, которые в наше время вышли из широкого применения, хотя обладают выдающимися механическими характеристиками и коррозионной стойкостью.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.