Как получить 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:

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.

Основные характеристики бронзовых сплавов

Цвет бронзового сплава зависит от количественного состава легирующих элементов. Они оказывают влияние на физические свойства: пластичность, износостойкость, температуру плавления бронзы. В качестве легирующих компонентов выступают металлы (олово, алюминий, бериллий, свинец, марганец) и неметаллы (фосфор, кремний). Расплавить в домашних условиях можно любой бронзовый сплав. Зная маркировку лома, несложно определить точную температуру плавления бронзы. Но обычно состав бронзовых кусочков, подготовленных к плавлению, разнится. Тогда оценивают внешний вид металла.

Бронзовые сплавы классифицируют по двум категориям:

1. оловянные более пластичные;
2. безоловянные хуже поддаются обработке:

• бериллиевые характеризуются высокой прочностью, максимальной выносливостью на разрыв, кручение;
• у алюминиевых невысокая температура плавления, они устойчивы к коррозии, обладают хорошими антифрикционными свойствами;
• свинцовые пластичные, хорошо поддаются механической обработке;
• с добавками цинка и кремния отличаются текучестью, при плавлении равномерно заполняют форму для литья;
• сплав с железом неплохо сваривается, но контакт ее с агрессивными средами нежелателен;
• марганец улучшает прочностные характеристики с сохранением пластичности, свойственной меди;
• оловянно-свинцовые бронзы отличаются ковкостью, их подвергают горячей деформации, делают из сплава горячекатаный прокат.

Для литья в промышленных условиях используют оловянную бронзу с низкой температурой плавления, до +1000°С.

В отличие от латуни, бронза более вязкая в точке плавления. При заполнении форм сложной конфигурации в производственных цехах применяют центрифуги. Сплаву, разогретому выше температуры плавления на 5°, придают дополнительное ускорение, чтобы он растекался равномерно. При кустарном изготовлении отливок вязкость бронзового сплава в точке плавления желательно учитывать, чтобы не было брака на поверхности. Достоинством цветного металла литейщики считают низкую усадку при охлаждении. Удается получать литье, не требующее длительной доводки до заданных геометрических размеров. Из бронзовых сплавов делают качественные фасонные отливки.

Можно ли плавить и отливать бронзу в домашних условиях

Воссоздать промышленную технологию кустарным способом невозможно. Металл для улучшения текучести перегревают. При температуре выше точки плавления выдерживают определенный временной интервал, только после этого расплав разливают в изложницы. Технологи рассчитывают температурный режим для каждого сплава.

Самостоятельно удается получать несложные мелкие детали, требующие серьезной доводки до точных размеров. Как расплавляют бронзу в домашних условиях, стоит рассказать подробно. Для этого нужны особые условия, инструменты. Бронзовый лом не плавится в жестяной банке, для него нужен огнеупорный тигель или старая посуда из черного чугуна. Расплав выливают в самодельные формы. Отливки покрупнее делают на земле или на бетонном полу.

Для лома подбирают схожие по цвету сплавы, бронза плохо измельчается, необходимы ножницы по металлу. Тигель нагревают до температуры плавления лома в горне, подбрасывая уголь, или в электрической муфельной печке. Горячую емкость с расплавом зажимают специальными щипцами с длинной ручкой, чтобы минимизировать риск ожогов.

Процесс литья

Литье бронзы начинается с подготовки рабочего места. Устанавливают подставку под опоку, тигель. Она делается из огнеупорного материала. Можно насыпать слой песка в поддон или воспользоваться металлической пластиной.

До загрузки измельченного лома в печь необходимо подготовить опоку. Ее хорошо прогревают, выдерживают минимум 2 часа при +600°C. Огнеупорный тигель при такой температуре начинает излучать желтоватое свечение. Пока прогретая форма остывает, приступают к плавлению измельченного лома.

Плавильню заполняют на 1/3 объема. С кусочками лома ставят в горячую печь, оставляют до полного плавления. Тигель или другую плавильную емкость устанавливают нагревать, когда температура в печи близка или достигла точки плавления бронзы. Оловянные бронзы становятся жидкими до 1000°C, безоловянные приходится прогревать дольше, у них точка плавления выше.

Когда вся бронз расплавится, ее оставляют в печи на 3-5 минут, чтобы расплав хорошо прогрелся, стал менее вязким. Затем плавильню достают щипцами или специальным крюком. Расплав готов. Пора приступать к изготовлению отливки.

Заливка бронзы в литейную форму

Расплавленный металл выливают в отверстие формы тонкой струйкой, бронза должна равномерно заполнить все пустоты. Она уплотняется под собственным весом. Чтобы горячая форма хорошо заполнялась, ее ставят на вращающуюся подставку с ручным или электрическим приводом. Такая хитрость необходима для получения качественного литья. Если заливать бронзу спокойно, углы отливки будут закругленными. Раскручивают форму с горячим расплавом в процессе заполнения. Когда бронза схватится, форму литья уже не изменить. В заводских условиях используют технологические центрифуги. В домашних условиях умельцы делают подобие промышленных установок на базе отслуживших стиральных машин.

Придавать сплаву движение необходимо при изготовлении небольших сложных отливок. Бронзовому расплаву не хватит собственного веса для заполнения всех пустот. Он будет застывать неравномерно, на поверхности литья возникнут раковины, складки.

Как сделать форму для литья

Самостоятельное изготовление литейной формы начинается с подбора корпуса, куда свободно войдет будущая отливка и останется свободным половина пространства. Это может быть жестяная банка или специально изготовленная емкость. Традиционно размер опоки в 1,3–1,5 раза превышает габариты отливки. Такое соотношение необходимо, чтобы песчано-глиняная смесь образовала равномерный слой со всех сторон детали. Наполнитель для опоки делается из материалов, способных сохранять тепло. Литая заготовка будет качественной только при постепенном остывании.

Форму делают из двух частей:

• верхняя рамка (занимает не менее 1/4 высоты формы);
• нижний ящик, в него свободно помещается будущая деталь.

Для набивки делают смесь песка и глины в пропорции 3:1. В глину для аккумуляции тепла вводят 1/5 часть угольной крошки, лучше использовать каменный уголь, у него больше теплоемкость. Однородную массу укладывают в обе части опоки. Смесь не стоит сильно утрамбовывать, чтобы глина не спекалась, оставалась рыхлой во время прогрева в печи. Деталь перед закладкой в подготовленный нижний ящик густо обмазывают тальком или графитовым порошком. Затем делается отверстие для заливки бронзы, разогретой до температуры плавления.

Готовую форму нужно просушить перед использованием.

Изделие достают из формы только после охлаждения. Форму аккуратно разбирают, затем вынимают отливку.

Технология получения литья более высокого качества

Получить литье нужной геометрии кустарным способом сложно. Нужно быть готовым к тому, что литье придется долго шлифовать, стачивать, доводить до нужных размеров. Процесс плавления бронзы в домашних условиях сопряжен с рядом ограничений. Нюансы, которые желательно учитывать при самостоятельном изготовлении бронзовых отливок:

• лучше использовать муфельную печь для плавки, оснащенную терморегулятором, производители предлагают небольшие установки для изготовления домашнего литья, работающие от стандартной сети 220 В;
• при изготовлении опоки необходимо учитывать сложность ее заполнения расплавом, в местах возможных пустот делают припуски на будущую доводку детали;
• вместо песочно-глиняных опок для мелких деталей делают гипсовые формы с восковым или парафиновым заполнением. Горячую бронзу при вливании вытесняет не воздух, а расплавленный стеарин.

Парафиновые формочки делают на основе гипсовых слепков, сделанных с будущей детали. Точность изготовления отливок в этом случае возрастает. Опоки из гипса удобны для небольших отливок, их можно сделать неразъемными. Правда, процесс их изготовления усложняется: сначала делятся форма для парафинового муляжа, а затем он заливается формовочным гипсом. Подобные конструкции удобно размещать в центрифуге.

Приступая к плавлению бронзового лома в домашних условиях, следует учитывать состав сплава. Она зависит от химического состава бронзы. Вязкий расплав бронзы медленно заполняет опоку. Чтобы не было пустот, заполненную форму крутят в центрифуге. Под действием центробежной силы металл, нагретый до температуры плавления, распределяется равномерно. Отливка получается качественной.