Как добывают бронзу

Добыча сырья и технологии изготовления бронзы

Бронзовый век охватывает примерно III и II тысячелетие до н.э. Именно в это время был разработан и реализован полный металлургический цикл: добыча, подготовка, выжиг угля, выплавка и рафинирование. С тех пор изменилось оборудование, стали использовать другой способ разработки руды, однако основные этапы технологии совершенно не изменились.

В этой статье мы рассмотрим технологию получения, плавки (выплавки) бронзы, особенности и способы производства литья из нее в России.

Сырье для изготовления бронзы

Отливают сплав из меди, а также олова, алюминия, бериллия, свинца и так далее. В древности для этого использовалась самородная медь, однако позднее интерес сместился к рудам, богатым этим и другими металлами.

Сегодня, кроме самородной меди, промышленное значение имеет халькопирит – медный колчедан, борнит, халькозин. Можно использовать малахит, азурит или куприт. Перспективным считается рудник, в котором содержание металла достигается 0,3–1%. Добывают руду в основном открытым методом.

Извлекают медь 3 основными способами: пирометаллургическим, гидрометаллургическим и электролитическим.

• Пирометаллургический – наиболее распространенный, включает несколько операций. Вначале медная руда обогащается методом флотации или окислительным обжигом. Первый способ основывается на разной степени смачиваемости пустой породы и меди. В итоге обогащения получают концентрат с содержанием металла в 10–35%. Окислительный обжиг больше подходит для сернистых руд: минерал нагревают дважды до температуры в 700–800 С, чтобы отжечь серу. Полученный после обогащения медный штейн продувают в конвертерах и получают черновую медь с содержанием металла до 91%. Затем металл рафинируют огневой очисткой или электролитической и получают чистую медь – 99,9%.
• Гидрометаллургический метод сводится к выщелачиванию меди серной кислотой с получением раствора меди и других металлов. Этот метод применяют при разработке обедненной руды.

Олово – второй наиболее популярный компонент бронзы. Получают из касситерита, станина или нигерита. Руду обогащают механическими методами, промывают, чтобы получить рудный шлих, затем подвергают восстановительной плавке и рафинированию – термическому или электролитическому. Остальные металлы – алюминий, бериллий, свинец, также получают соответствующими методами.

О том, как производят бронзу на протяжении веков, расскажет данное видео:

Расчет шихты

Поскольку состав разного рода бронз очень разнообразен, то и для ее получения применяют самые разные сочетания шихтового материала. Комбинации могут быть следующие:

• только свежие металлы, что встречается достаточно редко;
• металл и вторичные сплавы с лигатурой;
• из оборотных сплавов;
• только из вторичных сплавов.

При определении состава шихты учитывают тип печи, чистоту компонентов, степень угара ингредиентов сплава, и так далее.

Самый распространенный состав шихты включает:

• 50–60% свежего металла;
• 20–35% оборотных сплавов;
• 10–12% лома, если шихта подбирается из вторичных сплавов.

Далее рассмотрены технологии изготовления и литья бронзы.

Технологии производства

В качестве шихты для получения бронзы используются либо чистые металлы, либо готовые сплавы в чушках. Первый вариант встречается реже, чаще применяется для дорогих деформируемых бронз. Второй же охотно применяется для получения литьевых сплавов.

Плавка на основе чушек

Плавка по такой технологии включает 4 этапа: загрузка, расплавление, перегрев, рафинирующе-дегазирующая обработка.

Важным условием плавки вне зависимости от того, какой тип печи используется, является минимальный срок процедуры. Чем меньше время плавки, тем меньше риск насыщения сплава газами и ниже угар цветного металла.

1. Загрузка – для этого используют графито-шамотные или графито-карборудные тигли. Перед использованием их просушивают и прокаливают.
2. Расплавление начинают с плавки меди, которую загружают по частям или полностью. Медь плавят как можно быстрее под слоем древесного угля. Добавляют фосфористую медь. Добавка фосфора обеспечивает получение жидких фосфатов, которые удалять из сплава значительно легче. После этого в тигли вводят олово и другие компоненты сплава, если они предусмотрены по рецептуре.
3. Перегрев – расплав нагревается до 1150–1200 С. Оловянную бронзу выплавляют с покровом древесного угля или угля с солями. Если исходное сырье загрязнено кремнием, магнием, алюминием используют жидкие солевые флюсы.
4. Дегазация – очистка от газовых примесей в основном от водорода. Для этого применяют продувку расплава осушенным аргоном или азотом. Время процедуры составляет от 3 до 10 минут в зависимости от величины печи.

Как правило, в процесс изготовления включается этап модифицирования с целью улучшения механических свойств бронзы. Методы определяются составом продукта и его назначением.

Получение отливок

Литниковые системы

Медные сплавы создают довольно высокое металлостатическое давление, поэтому отливка из бронзы включает ряд особенностей. Привычные песчаные формы для медных сплавов не годятся, поэтому используют формовочные смеси с повышенным содержанием глины.

Заливка формы осуществляется при температуре в 1100–1200 С. При этом может появиться металлизированный пригар, который сложно удалить. Риск тем выше, чем больше содержание фосфора в бронзе и чем выше температура отливки. Отказаться от добавки фосфора нельзя: вещество повышает жидкотекучесть сплава, что, в свою очередь, обеспечивает плотность отливки и малую усадку. Так что проблему решают добавлением к формовочной смеси углеродсодержащих компонентов – сланцевых смол, например.

Для отливки применяют специальное оборудование – литниковые системы. Выбор температуры процесса зависит от конструкции системы, также как и от массы и конфигурации отливки.

Чтобы обеспечить высокую плотность отливок применяют метод направленного затвердевания при помощи холодильников. Скоростное охлаждение уменьшает пористую зону и увеличивает толщину литейной корки.

О плавке бронзы из латуни поведает данное видео:

Литье в металлические формы

Этот метод чаще используется для получения отливок из оловянной бронзы. Основное отличие – применение металлических форм для литья – кокиль. Это обуславливает более высокую скорость затвердевания, соответственно, высокую плотность отливки.

Кокиль отливают из чугуна, стержни изготавливают из стали. Сложные полости выполняют при помощи оболочковых песчаных стержней. Перед заливкой форму смазывают смесью машинного масла с 6% графита.

Заливку осуществляют в формы, предварительно нагретые до 150–250 С. Отливки извлекают из формы как только последние приобрели достаточную механическую прочность, таким образом уменьшается усадочное напряжение.

Центробежное литье

Таким образом получают до 37% всех заготовок в станкостроении. Способ одинаково годится и для крупных, и для мелких деталей.

Используют для этого горизонтальные центробежные машины, в которых стальная изложница размещается на нескольких роликовых опорах. Отливка производится в изложницу, снаружи последняя охлаждается водой.

Мелкие детали отливают на машинах консольного типа.

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.

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.

Известные производители

Бронза – востребованный материал, имеющий немалое значение для народного хозяйства. Выпускают его весьма известные предприятия.

• Кольчугинский завод ОЦМ предлагает 20 тыс. типоразмеров разного вида металлопроката из более чем 70 марок сплавов. Существенную часть ассортимента составляют самые разные бронзы. На сегодня завод обеспечивает 30% всего проката цветных металлов в РФ.
• Каменск-Уральский завод ОЦМ – выпускает продукцию на базе 140 различных сплавов, в том числе из циркониевой и хромовой бронзы – жаропрочных сплавов.
• Кировский завод ОЦМ – работает с 1956 года. Это одно из самых крупных предприятий по производству меди и медных сплавов самого разного состава.
• ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» специализируется на выпуске труб и прутков из меди и медных сплавов – латуни, бронзы, мельхиора. Завод прошел сертификацию на соответствие международному стандарту ИСО 9002:1994.

Мировое производство меди и медных сплавов определяется в большинстве своем ресурсами металлов. Лидерами в получении рафинированной меди являются США, Чили и Япония. США является и самым крупным потребителем меди и медных сплавов.

Производство бронзы – металлургический процесс, разработанный в самой глубокой древности и используемый до сих пор. По сути, именно создание бронзы и послужило образцом для разработки всех остальных пирометаллургических процессов по получению сплавов.

Изготовление восковой модели для литья из бронзы в домашних условиях рассмотрено в этом видеоролике:

Классификация бронзы

По химическому составу различают:

Оловянные бронзы – это сплавы с основным легирующим компонентом оловом. Кроме олова, в качестве дополнительных компонентов могут присутствовать свинец, фосфор и цинк. С добавкой олова медь приобретает большую легкоплавкость, упругость, твёрдость. Следовательно, сплав лучше поддаётся полировке. Дополнительные компоненты улучшают механические, литейные, а также антифрикционные свойства.

Безоловянные (специальные) бронзы – это сплавы, не содержащие, в качестве легирующего элемента, олова. Они не уступают по свойствам оловянным бронзам, а по некоторым даже превосходят их.

По технологическому признаку бронзы делятся на:

• Деформируемые – хорошо поддающиеся механической обработке: штамповке, рифлению, ковке. Содержание олова в них не более 6%, что обеспечивает необходимую пластичность. Из деформируемых оловянных бронз изготавливают листы, бронзовую проволоку, бронзовый пруток, бронзовую ленту.

• Литейные – предназначенные для фасонных отливок. Из литейных оловянных бронз делают различные детали для машин, работающих в соленой морской воде, вкладыши подшипников, шестерёнки.

Свойства бронзы

Если провести сравнение с латунью, то бронза характеризуется более высокой коррозионной стойкостью, прочностью и антифрикционными свойствами. Она довольно стойкая на воздухе, в соленой воде, углекислых растворах и растворах многих органических кислот. Большинство видов бронзы поддаётся сварке и пайке твёрдыми и мягкими припоями.

В зависимости от количества добавок цвет бронзы может быть от красного до белого. Рассмотрим, как легирующие элементы влияют на свойства бронзы. Олово, никель, кремний и алюминий увеличивают прочность, стойкость к коррозии, а также упругие свойства бронз. В сочетании со свинцом, цинком и фосфором повышаются и антифрикционные свойства. Никель и железо значительно измельчают зерно и увеличивают температуру рекристаллизации. Кремний и марганец увеличивают жаростойкость. Хром, цирконий и бериллий повышают жаропрочность сплавов и немного снижают электропроводность.

Давайте вкратце ознакомимся с наиболее часто используемыми видами бронзы.

• Бериллиевая бронза является лидером по показателю твёрдости среди других сплавов меди. В закалённом состоянии обладает хорошей пластичностью, технологичностью, а в состаренном состоянии – высокими механическими свойствами. Дополнительно повысить уровень механических свойств можно при помощи пластической деформации перед старением. Из бериллиевой бронзы изготавливают пружины, мембраны и инструменты.
• Алюминиевая бронза характеризуется высокой плотностью, устойчивостью к агрессивным факторам окружающей среды и химическим элементам, хорошей стойкостью к морской воде. Такой вид бронзы поддаётся обработке режущими инструментами. Из неё изготавливают ленты и полосы труб.
• Кремнецинковая бронза позволяет изготавливать изделия сложных форм, за счёт повышенной текучести в расплавленном состоянии. Такая бронза обладает высокой степенью сопротивления сжатия и не искрит при механических воздействиях.
• Свинцовистая бронза обладает отличными антифрикционными свойствами, хорошо противостоит ударным нагрузкам, а также отличается высокой прочностью и тугоплавкостью. Применяется она для сильно нагруженных подшипников.
• Оловянная бронза обладает всеми указанными выше свойствами и является наиболее широко применяемой в современной промышленности.

Получение

Бронзу получают путём сплавления меди и легирующих компонентов. Процесс происходит в электрических индукционных печах или в тигельных горнах. Шихта для плавки может состоять из свежих металлов, а также из отходов производства и вторичных металлов. Плавка проводится под слоем флюса или древесного угля.

В разогретую печь помещают необходимое количество угля или флюса, а затем загружают медь. После расплавления и нагрева меди до соответствующей температуры, расплав раскисляют фосфористой медью. Далее в расплав вводят подогретые легирующие элементы. В виде лигатур вводятся тугоплавкие легирующие элементы. Расплав перемешивают до растворения компонентов и нагревают до необходимой температуры. Перед разливкой расплав снова раскисляют фосфористой медью для устранения её окислов.

Бронза хорошо плавится и равномерно заполняет формы для слитков. Сплавы выпускают в виде слитков плоской и круглой формы. Слитки обрабатывают прокаткой или прессованием.

В результате получается широкий ассортимент металлопроката:

Применение бронзы

Бронза используется в современном машиностроении, ракетной технике, авиации, судостроении и других отраслях промышленности. Благодаря устойчивости к механическому истиранию и высокой коррозионной стойкости бронзовая продукция применяется для изготовления деталей машин и приборов, участвующих в подвижных узлах в процессе трения. Детали из бронзы требуют периодической замены, то есть являются расходными. Из безоловянных бронзовых сплавов изготавливают прокат для составляющих химических приборов, регулирующей арматуры отопительных систем и трубопроводов другого назначения.

Бронзу используют для литья скульптур и памятников, так как материал долговечен, не подвергается атмосферным влияниям и устойчив против механических повреждений. Изделия высокохудожественных форм в театрах, дворцах, залах (люстры, торшеры, канделябры) также изготавливаются из бронзы.

Видео — как делают бронзовые статуэтки

Бронза – состав, свойства и производство сплава

Бронза как материал для изготовления изделий различного назначения используется человеком с древнейших времен. И в наше время данный сплав не утратил своей высокой популярности: его активно используют как производственные предприятия, изготавливающие из него элементы различных механизмов и конструкций, так и домашние мастера, решившие заняться художественным литьем. Однако прежде чем приступать к работе с этим медным сплавом, необходимо внимательно изучить его характеристики, а также познакомиться с методами его обработки.

Бронзовые прутки, производимые для дальнейшего использования в различных сферах промышленности, могут быть в поперечном сечении круглыми, квадратными или шестигранными

Характеристики и преимущества

Бронза, которая является цветным металлом, представляет собой сплав на основе меди. Наибольшее распространение еще с древнейших времен получили бронзы, в химическом составе которых, кроме меди, содержится олово. Вместо олова в бронзе различных марок могут содержаться такие элементы, как бериллий, железо, алюминий, свинец, кремний и др.

Содержание химических элементов в литейных бронзах регламентируется ГОСТ 493-79, 613-79

Высокая популярность, которой бронза пользуется уже на протяжении многих веков, объясняется такими ее достоинствами, как:

• высокая твердость и прочность, если сравнивать данный металл с медью (к слову, некоторые марки бронзы, в частности бериллиевые, по своим прочностным характеристикам превосходят даже высококачественную сталь);
• более низкая, если сравнивать с медью, температура плавления;
• хорошая текучесть в расплавленном состоянии, что позволяет успешно использовать бронзу для выполнения литья;
• исключительно высокая устойчивость к коррозии;
• износостойкость, которая сохраняется даже при длительной эксплуатации изделий из бронзы в условиях повышенного трения.

Конечно, есть у бронзовых сплавов и недостатки. Перечислим наиболее значимые из них.

• Не слишком высокая пластичность бронзы ограничивает возможность изготовления изделий из нее методом пластической деформации (прокатки, ковки, штамповки и др.).
• Бронза из-за некоторых своих характеристик плохо обрабатывается резанием.
• Изделия из бронзы, в частности инструменты, изготовленные из нее, плохо затачиваются.

Бронзу используют для изготовления трущихся и сильно нагруженных деталей, способных работать в пресной и морской воде

По названию определенной марки бронзового сплава можно определить, какой элемент, кроме меди, входит в его химический состав. Так, бронза, в составе которой содержится олово, называется оловянной, сплав с содержанием бериллия – это бериллиевая бронза, алюминия – алюминиевая и т.д.

Как уже говорилось выше, наибольшее распространение получили оловянные бронзы, которые из-за того, что из них изготавливали и продолжают изготавливать колокола, часто называются колокольными. В классическом составе бронзовых сплавов данного типа содержится 80% меди (±3%) и 20% олова (также ±3%). Для придания такой бронзе улучшенных характеристик в ее состав могут добавляться легирующие элементы – свинец, никель, мышьяк и фосфор.

Температура обработки и технологические особенности оловянных бронз

В зависимости от своего химического состава бронза может быть однокомпонентной, в которой присутствует только один добавочный металл, и многокомпонентной – с несколькими дополнительными элементами. Естественно, что бронзы, для изготовления которых использовалось несколько элементов, отличаются улучшенными характеристиками.

В производстве многокомпонентных сплавов различают понятия первичной и вторичной бронзы. Сплав первого типа, часто используемый в качестве сырья, содержит в своем составе только медь и олово. Первичная бронза применяется для производства вторичных сплавов, для чего в нее добавляют необходимые легирующие элементы.

Бронзовые сплавы (литейные отмечены «звездочкой»)

Согласно историческим данным, полученным в результате многих археологических раскопок, бронзовые изделия начали использоваться человеком еще в IV тысячелетии до н.э. Неслучайно достаточно длительный период в развитии человечества называется бронзовым веком. Те, кто сегодня пытается изготовить что-либо из бронзы в домашних условиях, сталкивается с теми же проблемами, что и древний человек, который производил из нее изделия различного назначения.

Производство по классической технологии

Для того чтобы изготовить такой металл, как бронза, необходимо расплавить в специальной емкости не только медь, но и легирующую добавку. Выполнять такую плавку в домашних условиях можно при помощи различных нагревательных устройств – муфельной или индукционной печи, горна, газовой горелки и др.

Для расплава в серийных производствах используют индукционные тигельные печи (ИТПЭ)

При изготовлении бронзового сплава как в производственных, так и в домашних условиях следует учитывать тот факт, что при смешивании расплавленной меди с оловом образуются окислы, которые значительно ухудшают характеристики готового сплава.

Для того чтобы исключить такой процесс из производства бронзы, необходимо в смесь расплавленных металлов добавить фосфористую медь, количество фосфора в которой не превышает 10%.

Использование такого недорогого раскислителя, как фосфорная медь, при применении которого образуется газообразный фосфорный ангидрит, хотя и способствует эффективному удалению из меди неметаллических включений, приводит к тому, что значительно ухудшается такая характеристика металла, как электропроводность. Избежать этого позволяет использование более дорогостоящих раскислителей, основу которых составляют такие элементы, как литий, кальций и калий. Поверхность расплавленной меди активно взаимодействует с окружающим воздухом, что приводит к интенсивному окислению данного металла. Сделать так, чтобы процесс окисления был менее интенсивным, позволяет измельченный древесный уголь, которым покрывают поверхность создаваемого сплава.

Расплавить газовой горелкой бронзу для колокола не получится, но для небольшой статуэтки или втулки вполне реально

Классическая технология производства бронзы состоит из следующих этапов.

• Медь плавят под слоем флюса или древесного угля, разогревая печь до температуры 1100°.
• Для качественного раскисления в сплав добавляют фосфористую медь, количество которой по отношению к массе исходных компонентов не должно превышать 10%.
• После полного расплавления меди в нее добавляют олово, если необходимо получить однокомпонентный сплав, или несколько элементов для производства многокомпонентной бронзы.
• Полученный сплав, чтобы добиться однородности его структуры, прогревают до температуры 1200°.
• Чтобы удалить из состава сплава вредные примеси, к числу которых относятся сера, висмут, марганец, сурьма, алюминий, железо, кремний, соединения кислорода и водорода, выполняют его рафинирование, заключающееся в окислении основного компонента.
• Улучшение механических свойств бронзы осуществляют при помощи такой операции, как модифицирование.
• Сделать из расплавленного металла изделие требуемой формы позволяет такая технологическая операция, как разлив (выполняется при температуре 1300°).

Для выполнения литейных операций более приспособлена бронза, в химическом составе которой присутствует олово. Бронзы данного типа, если сравнивать их с алюминиевыми сплавами, которые не рекомендуется нагревать выше температуры 1200°, менее просты в процессе выполнения литья и не отличаются склонностью к перегреву.

Как производятся бронзы без олова

Чтобы сделать бронзу алюминиевого типа, необходимо учесть ряд моментов. Так, медь и алюминий, составляющие основу такого сплава, отличаются разной плотностью, что часто приводит к их расслоению в составе бронзы. Именно поэтому литейное производство сплавов данного типа имеет особенности, которые заключаются в следующем.

• Медь, как и в случае производства оловянной бронзы, расплавляется и раскисляется под слоем флюса.
• В состав меди, находящейся в полностью расплавленном состоянии, вводятся дополнительные элементы, затем сплав тщательно перемешивается.
• Чтобы улучшить свойства будущей бронзы, в состав сплава повторно вводятся раскислители.
• После вторичного раскисления в расплавленную медь добавляют алюминий.
• Поверхность расплавленного металла, чтобы снизить интенсивность его окисления при взаимодействии с окружающим воздухом, покрывается слоем флюса, в качестве которого может быть использован измельченный древесный уголь.
• На заключительном этапе сплав рафинируется при помощи хлористого марганца, модифицируется посредством ванадия, бора или вольфрама, а только затем заливается в предварительно подготовленные литейные формы.

Отбор пробы позволяет контролировать процесс литтья бронзовых сплавов

Отдельного внимания заслуживает процесс производства бериллиевых бронз, для получения которых используют индукционные печи и тигли из графита. Следует иметь в виду, что при выплавке бронз данного типа в окружающую атмосферу выделяются токсичные пары, что требует использования в процессе производства мощной вентиляционной системы. Более того, выполнять литье таких бронз лучше всего в изолированных помещениях.

Бронзы, содержащие кремний, так же, как и алюминиевые, производятся с использованием древесного угля в качестве флюса, а для их выплавки применяются печи индукционного типа.

Результатом производства бронзы любого типа являются чушки, вес каждой из них может доходить до 42 кг

Все чушки, полученные в результате отдельной выплавки, относятся к одной партии сплава, общий вес которой не ограничивается. На всю партию бронзы, в которой может содержаться различное количество чушек, выдается документ, в котором отражается основная информация о представленной продукции:

• товарный знак предприятия-производителя;
• марка представленного в партии сплава;
• общий вес и номер партии;
• количество чушек, которые ее составляют;
• результаты проведенного химического анализа сплава.

Сферы применения различных бронзовых сплавов

Изделия, изготовленные из бронзы различных марок, активно используются в разных отраслях промышленности, а также в быту. В частности, из сплавов подобного типа изготавливаются:

• арматура и детали, которые эксплуатируются в непосредственном контакте с агрессивными средами (масло, морская вода, повышенная влажность и др.);
• детали, подвергаемые в процессе эксплуатации активному износу (подшипники, вкладыши, кольца и другие нагруженные элементы механизмов);
• фасонные детали трубопроводов различного назначения.

Это лишь небольшой перечень сфер, где могут успешно применяться изделия, изготовленные из бронзы различных марок. На самом деле область их использования намного шире.