Бронза

Количество металлических материалов называют также бронзы (также красной латуни , мульти- компонента или машинной бронзы ) . Это к сплавам на медной основе , которые используются во многих промышленных изделиях.

Определение терминов

Термин «пушечная бронза» используется как торговое название в немецкоязычных странах с начала 20 века и происходит от медно-красного цвета сплавов группы CuSnZnPb. В более ранней литературе термин «пушечная бронза» иногда считается «устаревшим», но это все еще общепринятое торговое название в специализированных кругах.

«Устаревший» относится к тому факту , что это было не только с 12 - го века, люди понимали , как создавать большие скульптуры из медно - олова - цинк - свинец сплава с использованием выплавляемым процесса. Четырехкомпонентный сплав, типичный для бронзы, использовался в фармацевтических ступках от Нижнего Рейна до Италии с 15 века . Используя современные аналитические методы, было обнаружено, что скульптуры были сделаны из четырехкомпонентной системы еще в «классическом» бронзовом веке , поскольку, предположительно, эмпирическим путем было установлено, что они более устойчивы к атмосферным воздействиям и лучше поддаются литью, чем скульптуры из чистой оловянной бронзы.

Сплавы медь-олово-цинк-свинец перечислены в DIN EN 1982 с аббревиатурами от CC 490 K до CC 493 K. Более подробные обозначения, такие как CuSn3Zn8Pb5-C (соответствующий номер DIN CC490K), показывают, что медная основа составляет от 81 до 90%, все еще 1,5–11% олова, 1–9% цинка и, при необходимости, 1–8% свинца. ; следующий C относится к использованию для литых изделий (англ. cast означает «литой»).

Добавление свинца отличает сплавы пушечной бронзы от томбаков того же цвета (латунные сплавы, такие как золотой томбак, симилор, тальми), где цинк является единственным, но, по крайней мере, основным легирующим элементом.

Литература по броне отчасти противоречива. На английском языке сплавы, состоящие из 90% меди и 10% олова, называют «пушечной бронзой». Исходя из этого, бронза в различных случаях приравнивается к броне. С другой стороны, бронза более точно называется «свинцово-красная латунь» (красная латунь с добавлением свинца) или по-французски «bronze d'étain au zinc» (оловянная бронза с добавлением цинка), по-итальянски «ottone rosso» (красная латунь).

От пушечной бронзы до машинной бронзы

Первоначально сплав Cu90Sn10, перерабатываемый в стволы ружей, назывался «пушечной бронзой» из-за его относительной твердости при нормальном использовании. В Англии этот сплав назывался «Gunmetal», как и дальнейшее развитие 19-го века с дополнительными 1,5% цинка, подчеркивая предполагаемое использование. Стволы орудия, сделанные из этого материала, также были снабжены стальным сердечником, чтобы лучше выдерживать давление газа метательного заряда. В 1859 году Фридрих Крупп впервые изготовил стволы исключительно из стали (сталь Krupp). До этого времени трубы из бронзы явно превосходили традиционные чугунные или бронзовые трубы с гладкой внутренней поверхностью. В целях дальнейшего улучшения сплавов были созданы многочисленные вариации. Сегодня, самое большее, бронза Рюбеля и Учатиуса все еще известна, последняя также известна как «стальная бронза», потому что она приводит к особенно плотным отливкам.

Самой важной причиной замены Gunmetal на Kruppstahl была лучшая термостойкость стали, а значит, гораздо меньший риск перегрева ствола ружья при быстрой стрельбе. Бронза теряет свою прочность уже от 200 ° C, обычная жаропрочная литая сталь показывает падение только при 600 ° C, жаропрочная легированная сталь отливает только при более чем 1000 ° C. Стволы орудий все еще можно было тянуть и сверлить; За счет закрутки значительно повысилась точность снарядов.

После прекращения использования в военных целях бронза стала основой легко обрабатываемых многокомпонентных сплавов для быстро развивающейся железнодорожной техники. Усовершенствованная бронза уже доказала, что в оловянную бронзу полезно добавлять немного цинка. Чтобы упростить работу, теперь добавлен свинец. Эти новые сплавы назвали «машинной бронзой », хотя, если говорить правильно, это была низколегированная латунь с высоким содержанием меди, а не бронза.

Изменения цвета и свойств сплавов, определяемые количеством добавленного цинка, делают переходы между бронзой и латунью более плавными. Литература также дает много возможностей для точного определения. Например, машинная бронза или пушечная бронза - впервые заменившие термин бронза в немецкоязычных странах - представляют собой сплавы, которые, помимо типичных бронзовых компонентов, меди и олова, могут содержать до 8% цинка и 8% или более свинца за счет содержания олова. Дуден (German Spelling, Vol. 1, Mannheim 1991) называет красную латунь литой бронзой, что также не является терминологически правильным. Четкое различие можно найти только при более высоком содержании цинка в медной основе, потому что здесь предел между многокомпонентной бронзой и латунным сплавом определяется содержанием цинка в сплаве от 42% до 37%; все без исключения говорят о латуни якоря, литой под давлением латуни и кованых латунных сплавах. Английская «морская латунь» (нем. «Морская латунь») представляет собой четырехкомпонентный сплав, состоящий из 62 частей меди, 37 частей цинка и 0,5 частей олова и свинца каждая и, учитывая массовые пропорции, латуни, а не бронзы.

Meyers Konversationslexikon, издание 1897 года, относится к латуни, когда дело доходит до пушечной бронзы, и называет тип латуни на основе медно-цинковой, «пушечной» или «красной латуни». Это контрастирует с томбаком и другими цинксодержащими сплавами, которые, с увеличением содержания цинка, в конечном итоге относятся к латуни, то есть к латуни в ее современном понимании. «Красная латунь», правильное слово в итальянском языке как «ottone rosso» и по сей день, означала отличие цвета от латуни, которая производилась в «латунном литейном цехе». Это произошло в 18 веке от голландского термина «Geelgieters». До 20 века только бронзовые заводы смогли определить понятие латунного литья. Есть сообщения о « красных литейщиках » с 15 века , но они, как говорят, были медными, в отличие от оловянных.

Литье металлов, которое до 19 века осуществлялось вручную, а не промышленным способом, по экономическим причинам требовало сочетания всех литейных задач, основанных на основном металле. Появились «литейные производства тяжелых металлов» для бронзы, латуни и пушечной бронзы и «литейные производства легких металлов» для алюминиевых и магниевых сплавов, каждая из которых способна удовлетворить широкий спектр требований с точки зрения знаний и технологий производства. На какое-то время были исключены такие специалисты, как литейщики, а также литейные предприятия по производству свинца, цинка и олова, гораздо больше связанных с ремеслами, чем с промышленностью.

От машинной бронзы до бронзы

После изобретения Круппом литой стали в 1859 году оружейная бронза, в том числе пушечная, потеряла свое военное значение. Однако эта потеря была быстро компенсирована развитием железной дороги, первой в локомотивостроении. Оказалось, что многокомпонентные сплавы на основе меди с добавлением олова, цинка и свинца легко разливать и обрабатывать, а также обладают отличными характеристиками скольжения и аварийного хода , что сделало их первым материалом, который нужно искать для подшипников скольжения и втулок. Добавление до 2,5% никеля не только улучшило ударную вязкость, но и связанное с этим увеличение прочности позволило уменьшить толщину стенки и, наконец, что не менее важно, было увеличено сопротивление кавитации морской воде. В редких случаях сурьма также использовалась в качестве компонента сплава.

Изменения в составе позволили поставлять в промышленность подшипники как для нормальных, так и для высоких скоростных нагрузок. Другие области применения были найдены в деталях машин всех типов, подверженных перемещению, таких как шестерни и шестерни, в корпусах насосов и герметичных фитингах. На основании этих знаний, которые были получены уже в 19 веке, в Германии появился термин «машинная бронза». Еще в 20 веке это название было заменено торговым названием «пушечный металл», которое используется и сегодня.

• 

  Готовые детали из литейных сплавов медь-олово и медь-олово-цинк.

• 

  Корпус клапана из G-CuSn5ZnPb

• 

  Корпус насоса из G-CuSn5ZnPb

Стандартизированные сплавы медь-олово-цинк

(Таблица по данным Немецкого института меди )

Литые сплавы медь-олово-цинк (бронза)

Стандартизация согласно DIN EN 1982, ранее DIN 1705

• CuSn7Zn4Pb7 C CC493K, также называемый RG7 (бронза 7), в зависимости от содержания олова
• CuSn7Zn2Pb3 C CC492K
• CuSn3Zn8Pb5 C CC490K
• CuSn5Zn5Pb5 C CC491K также называют RG5 (бронза 5).
• RG7 и RG5 - два наиболее литых сплава в этой группе.

Добавки никеля до 2% во всех случаях по-прежнему соответствуют стандарту, так как никель обычно добавляется к содержанию меди.

При использовании арматуры из бронзы в питьевой воде содержание свинца и никеля должно быть уменьшено в соответствии с DIN 50930, часть 6.

Что касается состояния структуры, то в присутствии легкоплавкого свинца (327 ° C) важно, чтобы он заполнял междендритные полости, возникающие в результате усадки при затвердевании.

Управление расплавом и обработка

Течение расплава в плавильном агрегате, а также обработка расплава в интересах оптимального качества отливки различны для красной латуни, будь то литье или форматы без литья (в основном, как полуфабрикаты в виде непрерывно разливаемых кругов), принцип применим ко всем медным сплавам, которые Содержат компоненты сплава, такие как алюминий, которые окисляются легче, чем медь. Медь и ее сплавы склонны поглощать водород. Это может быть вызвано атмосферным воздухом уже во время таяния, но его также можно взять с собой из миссии. Катодная медь ( черновая медь ) всегда содержит водород; органические загрязнения (остатки масел и смазок) могут прилипать к переработанному металлолому. Печь с избыточным воздухом, метод окислительной плавки , помогает сжигать водород и углеводороды и приводит к плавлению с избытком кислорода в виде оксида меди и оксидов сопутствующих элементов. В этом состоянии, которое отрицательно сказывается на литейных качествах и структуре затвердевания, ничего не меняется из-за того, что при температурах> 1150 ° C цинковые компоненты расплава становятся летучими в виде паров цинка и превращаются в оксид цинка на поверхности ванны . Более контролируемый, чем оксиды других сопутствующих элементов - оксид олова имеет тенденцию оставаться в расплаве и не может быть восстановлен - поэтому основное внимание должно быть сосредоточено на оксиде меди (Cu ₂ O), чтобы улучшить литейные качества расплава в долгосрочной перспективе.

Избыток кислорода, остающийся в богатых медью расплавах после окисления водорода до летучей H ₂ O (водяной пар), впоследствии нейтрализуется сильным раскисляющим эффектом добавленного фосфора, то есть путем связывания атомов кислорода с собой. Два атома фосфора плюс пять атомов кислорода, поступающие из присутствующего оксида меди, превращаются в соединение P ₂ O ₅ ( пятиокись фосфора ), которое также является летучим при температурах плавления . При температуре 358 ° C он возгоняется и выходит из расплава. В результате этого восстановления оксидов меди расплав становится тоньше и теперь позволяет оксидам олова (ZnO, плотность 5,6), а также сопоставимым невосстанавливаемым продуктам оксидной реакции подниматься на поверхность ванны и попадать в шлак для удаления.

Проблема любой раскисляющей обработки состоит в том, чтобы просто найти баланс между слишком низким содержанием кислорода, поскольку это привело бы к возобновлению поглощения водорода, и слишком большим количеством эффективного кислорода. Это предотвращает поглощение водорода, но отрицательно сказывается на качестве расплава, поскольку оксиды, как правило, отрицательно влияют на качество отливки.

Для литья медных сплавов, включая многокомпонентную систему из пушечной бронзы, которая особенно чувствительна в этих условиях, вкратце применимо следующее: Между окислительной и восстановительной плавкой необходимо осуществлять точное управление работой печи с предварительным знанием качества использования. Горелка должна работать с избытком воздуха, т.е. окислением. Кислородсодержащие добавки к расплаву являются важным помощником в окислении водорода и водородсодержащих примесей. В зависимости от количества реактивного кислорода, выделяемого ими из подходящих соединений, таких как нитраты, они могут использоваться для удаления или, по крайней мере, заметного уменьшения нежелательных, легко окисляемых элементов, таких как алюминий. Обработка расплава завершается тонкой регулировкой, в результате которой расплав не содержит оксидов и остается без оксидов, а также имеет низкое содержание остаточного фосфора, что предотвращает образование новых оксидов. Это достигается добавлением лигатуры медь-фосфор (предпочтительно CuP10) в расплав, готовый к разливке. На практике добавляется 0,25% CuP10, для расплава это 0,025% фосфора, который после раскисления все еще обеспечивает содержание остаточного фосфора 0,05% в литой структуре.

Свойства и использование

Одно только торговое наименование бронзы не дает никакой информации о возможном использовании. Обозначение машинная бронза более значимо, потому что оно относится к хорошим свойствам скольжения, которые важны для машин с их движущимися частями (детали зубчатых колес, шестерни). К этому следует добавить хорошие литейные свойства группы сплавов. Сплав CuSn5Zn5Pb5 (просто называемый RG 5) используется в процессе литья в песчаные формы (литье в песчаных формах, которые можно использовать один раз), когда требуются более тяжелые детали с формой, связанной с использованием сердечников, например, корпуса насосов или сопоставимые фитинги в области отопительной техники, такой как водоснабжение, Но детали меньшего размера также можно изготавливать с помощью непрерывного литья в формы (литье в постоянных металлических формах). Есть только ограничение на использование свинцовой бронзы в системах подачи питьевой воды. Применимый стандарт DIN 50930, часть 6, требует, чтобы все устанавливаемые детали имели пониженное содержание свинца и никеля. Это соответствует сплаву CuSn7Pb3 с содержанием никеля <0,2% вместо <2,0%, допустимого для красной латуни. Кроме того, для использования в качестве фитингов и соединений труб в секторе питьевой воды требуется разрешение DVGW .

Для стандартизированных деталей в массовом производстве 5 обеспечивает сплав RG преимущество в поезде - и центробежное литье , чтобы быть литьевых и полуфабрикаты для производства механизированных основном переходов , чтобы обеспечить (опорные втулки всех размеров). Предел прочности при растяжении составляет от 180 до 300 Н / мм², более высокие механические значения прочности на разрыв, предела текучести 0,2% и удлинения при разрыве обеспечивает сплав CuSn7Zn4Pb7 (RG 7), который уже обладает характеристиками аварийного хода (нечувствительность к временному отказу от смазки) с несколько меньшей твердостью и таким образом удовлетворяет основным требованиям к материалу подшипников скольжения. Оба сплава нечувствительны к соленой воде, что хорошо зарекомендовало себя в судостроении. Их очень легко обрабатывать, и, в зависимости от процесса литья, их можно разливать при температуре от 830 ° C (верхний предел 1020/1030 ° C).

Трехкомпонентный сплав на основе меди с добавлением олова и свинца, который по- прежнему относится к пушечной бронзе, несмотря на отсутствие цинкового компонента, представляет собой материал подшипника (металл подшипника), который используется из-за его особенно хороших характеристик аварийного хода.

Экономический смысл

Экономическое значение пушечной бронзы следует измерять не намного большими цифрами для чугунных отливок, а только ее вкладом в литье из цветных металлов и сплавов, а здесь опять же в медном секторе. По данным GDM, на 2006 год в Германии произведено 998 000 т цветного чугуна. Из них почти 99 000 т приходится на медный сектор, из которых 67 782 т, или 68,7%, составляют красную латунь, которая подразделяется на литье в песчаные формы , центробежное литье и непрерывное литье .

Используемая литература

• Информационная печать i25, а также i025. Издательство DKI (Немецкий институт меди, Дюссельдорф).
• Материалы, краткий словарь технических товаров и их компонентов, редактор проф. Пауля Крайса, изданного Иоганном Амброзиусом Бартом, Лейпциг, 1921 г.
• Глоссарий литейного производства, 17-е издание, 1997 г., Verlag Schiele & Schön, Берлин, ISBN 3-7949-0606-3 .
• Meyers Konversationslexikon, 5-е издание, 1897 г., Bibliographisches Institut Leipzig and Vienna.
• Литье медных сплавов (Литейные сплавы на основе меди) от американского дипломированного инженера. Эрнст Брунхубер, Schiele & Schön, Берлин 1986, ISBN 3-7949-0444-3 , стр. 181 f. и 227 ф.
• Фридрих Клюге , Этимологический словарь немецкого языка, Вальтер де Грюйтер, Берлин и Нью-Йорк, 1975, ISBN 3-11-005709-3 .
• Лексикон технологии металлов, редактор Йозеф Берш, A. Hartlebens Verlag, Вена. Вредитель. Лейпциг, без года. Полный текст на wikisource.org .

дальнейшее чтение

• см. упомянутую литературу: Эрнст Брюнхубер: «Отливка из медных сплавов»
• Печать информации DKI i.25. Опубликовано Немецким институтом меди, Дюссельдорф, 12/2004

Смотри тоже

• металлургия

веб ссылки

• Deutsches Kupferinstitut (DKI), Düsseldorf, спецификации материалов для различных бронзовых сплавов
• Генеральная ассоциация немецких литейных предприятий В., Дюссельдорф
• Ассоциация немецких экспертов по литейному производству VDG, Дюссельдорф

Индивидуальные доказательства

1. ^ Пол Krais, Werkstoffe, второй объем GR, JA Barth, Лейпциг 1921.
2. ↑ позолоченный бюст Фридриха I (Барбаросса) в Каппенберге, с. Bild., Или в Брауншвейге «лев».
3. ↑ с. Хайнц Вюббенхорст, "Giessen von Metallen", стр. 57 f., Ed. VDG, Gießereiverlag, Düsseldorf, 1984, ISBN 3-87260-060-5 .
4. ↑ «Gunmetal, бронза, ранее использовавшаяся для ружей и пушек», согласно New Collegiate Dictonnary Вебстера, G&C. Merriam comp., Спрингфилд, Массачусетс, 1980.
5. ^ Эрнст Брунхубер, Giesserei-Fachwörterbuch, Verlag Schiele & Schön, Берлин 1977, ISBN 3-7949-0283-1 .
6. ↑ Клюге, этимологический словарь, 20 изд., С. 209.
7. ↑ Der große Duden, Etymologie, Vol. 7, p. 207.
8. ↑ см. Также в разделе «Дальнейшее чтение»
9. ^ Литейный глоссарий, 17-е издание, 1997 г., Verlag Schiele & Schön, Берлин, ISBN 3-7949-0606-3 , диаграммы состояний систем тройных сплавов. С. 1455 ф.
10. ↑ см. Также: «Обработка медных сплавов расплавом», опубликованная самим бывшим доктором. Riedelbauch & Stoffregen GmbH, D 6554 Meisenheim / Glan
11. ↑ Литейные сплавы на основе меди от американского дипл. Инж. Эрнст Брунхубер, Schiele & Schön, Берлин 1986, ISBN 3-7949-0444-3 , стр. 181 f. и 227 ф.
12. ↑ Генеральная ассоциация немецких литейных заводов e. В., Дюссельдорф, домашняя страница
13. ↑ Литье в песчаные формы 24 107 т, непрерывное литье 37 270 т, центробежное литье 621 т