Bronz

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Bronz je slitina mědi a cínu. Ve starověku znamenal objev bronzu velký technologický pokrok ve výrobě nástrojů a zbraní. Proti čistým kovům se bronz totiž vyznačuje vyšší tvrdostí. Dnes se bronz využívá jen pro speciální účely a v sochařství.

Zvláštním druhem bronzu je dělovina, slitina mědi a 10% cínu určená k výrobě houževnatých odlitků dělových hlavní historických zbraní.

Bronzy jsou nejen slitiny mědi s cínem, ale také s hliníkem, manganem, niklem, olovem aj. Podle toho se nazývají bronzy cínové, hliníkové, manganové, niklové, olověné apod.

Obsah 1 Cínový bronz 2 Tvářený cínový bronz 3 Hliníkový bronz 4 Manganový bronz 5 Elektrovodný bronz 6 Beryliový bronz 7 Olověný bronz 8 Červený bronz

[editovat] Cínový bronz

Cínový bronz obsahuje nejvýše 20% cínu, přičemž součet (Cu + Sn) má být nejméně 99%. Cínové bronzy používané technicky mají cínu méně. Struktura cínového bronzu je složitá a jen obtížně se dosáhne rovnovážného stavu. Slitiny obsahující až asi 16% Sn se skládají při 520 °C z tuhého roztoku α. Pod touto teplotou se rozpustnost cínu v mědi zmenšuje, pod 500°C však nenastávají téměř žádné změny. Vlivem značného rozpětí mezi likvidem a solidem nastává při normálním chladnutí značná segregace v krystalech α, a vyrovnání struktury difuzí se dosáhne jen dlouhodobým žíháním při 550°C až 750°C. Slitiny obsahující méně než 10% Sn (asi do 8% Sn) lze zpracovat tvářením, slitiny s 10 nebo více procenty Sn se zpracovávají litím. Měrná hmotnost technicky použitelných tvářených cínových bronzů je asi 8,8 kg/dm3, u bronzů litých asi 8,6 kg/dm3. Elektrická vodivost je malá, neboť cín ji značně snižuje. U bronzů s 5% cínu je asi 10 m/mm², u bronzů s 15% Sn asi 5 m/ mm2. Odolnost cínových bronzů proti korozi je dobrá, téměř jako u mědi.

[editovat] Tvářený cínový bronz

Tvářené cínové bronzy mívají nejčastěji 6 - 9% cínu. Odkysličují se obvykle fosforem (bronz fosforový), nejčastěji fosforovou mědí P—Cu (42 3108 asi s 10 %P). Stačí přísada několika setin procenta. Nejlepší vlastnosti má fosforový bronz, který má po odkysličení co nejméně fosforu. Jen tam, kde se požaduje co největší tvrdost a odolnost proti opotřebení (pružiny, trubky na ložisková pouzdra apod.), může být až asi 0,3% P. Plechy a pásy se válcují za tepla z desek, jejichž obsah P smí být nejvýše 0,15%. Proto je vhodnější válcování za studena. Desky se před válcováním homogenizují žíháním. Po válcování se musí plechy opět vyžíhat a rychle ochladit. Vyrábějí se plechy tloušťky až 0,1mm. Pérově tvrdé plechy z bronzu Cu—Sn 6, které jsou určeny k zhotovování kontaktů, musí být kovově čisté. Proto se musí plechy žíhat za nepřístupu vzduchu nebo se po žíhání moří ve zředěné kyselině dusičné. Bronzové dráty se vyrábějí až do průměru 0,03 mm. Cínové bronzy odolávají velmi dobře opotřebení. Ohřevem bronzu tvářeného za studena na 300°C pomalu klesá pevnost, největší měkkosti se dosáhne žíháním na 650 až 700°C. Cínové bronzy se používají nejčastěji ve stavu litém. Struktura litých bronzů je značně nestejnoměrná, protože chladnutí po odlití je poměrně rychlé. Bronzy se vyrábějí v kelímkových nebo plamenných pecích. Do roztavené mědi se přidává ohřátý cín. Taveninu je třeba chránit před účinky vzduchu vrstvou práškového dřevěného uhlí. Odkysličuje se fosforem, popř. hořčíkem, křemíkem, manganem aj.

[editovat] Hliníkový bronz

Hliníkový bronz mívá nejčastěji 5 % Al. Hliník zvětšuje pevnost a tvrdost. Je li hliníku asi do 9 %, rozpouští se v mědi a struktura slitiny se skládá pouze z krystalů α. Při větším obsahu Al vznikají také křehké krystaly γ' (Cu9Al4) a slitina je tvrdší a křehčí. Na vlastnosti hliníkových bronzů se strukturou složenou z krystalů (α+γ') má značný vliv rychlost chladnutí. Po rychlém ochlazení z 900 °C má slitina velkou pevnost (asi 80kp/mm2). ale nepatrnou tažnost a kontrakci. Tvářená slitina Cu—AI 5 má měrnou hmotnost asi 8,2kg/dm3 a elektrickou vodivost asi 7 m/ mm2. Je velmi odolná proti korozi, žáru odolává asi do 800°C. Kromě podvojných slitin se používají i hliníkové bronzy s dalšími přísadovými prvky.

[editovat] Manganový bronz

Manganové bronzy se užívají hlavně jako materiály na měřicí odpory. Resistin, asi s 15% Mn, má měrný elektrický odpor asi 0,5 mm2/m. Známější je manganin (Cu—Mn 13—Ni, podle ČSN 42 3056). Jeho měrný odpor je asi 0,43 mm2/m, teplotní součinitel odporu asi 1,5x10-5 a měrná termoelektrická síla proti mědi je velmi nízká (1 až 2 V na 1°C). Po správném umělém vystárnutí zůstává hodnota odporu stálou ve velmi úzkých mezích po mnoho desetiletí. Manganinové odpory se hodí proto na nejpřesnější měřicí odpory (etalony, kompenzační měření apod.) i k měření malých hodnot napětí. Umělým stárnutím se odstraní vliv tváření za studena a do­sáhne se ustálení struktury. Umělé stárnutí záleží v ohřevu na 400°C po dobu 1 hodiny v neutrálním ovzduší (v argonu nebo dusíku) za vyššího tlaku. Tímto opatřením se má omezit vypařování manganu s povrchu drátu, které se začíná projevovat již od 350°C. Po pomalém vychladnutí se drát moří, aby se odstranila povrchová vrstva ochuzená o mangan, a pak se drát uloží na několik měsíců. Tímto novějším způsobem umělého stárnutí se získá ještě menší hodnota teplotního činitele odporu než při starším způsobu umělého stárnutí (ohřev na 140°C po 24 hodin). Manganin se hodí i na odporové manometry, jejichž princip je v tom. že se tlakem mění odpor slitiny. Tlakový činitel je asi 2,60 x 10-6 na 1 kp/cm2 (po umělém stárnutí). Čisté kovy se k tomuto účelu nehodí, protože jejich odpor se příliš mění s teplotou. Isabelin obsahuje 13% Mn, 3% Al, zbytek je měď. Obsah hliníku překáží měkkému pájení. Podobné složení i vlastnosti má novokonstant (12%Mn, 4% Al, 1,5% Fe, zbytek Cu). Pozoruhodné jsou slitiny, jež obsahují při 20 nebo více procentech manganu přes 9% Al. Jsou to tzv. Heuslerovy slitiny, které jsou feromagnetické, ačkoli neobsahují žádné železo.

Jako odporové slitiny na měřicí odpory se používají také bronzy niklové. Je to především konstantan (Cu—Ni 45—Mn, podle ČSN 42 3065). Měrný elektrický odpor konstantanu se ve značném teplotním rozsahu mění velmi nepatr­ně, a to tak, že ho zpočátku poněkud ubývá. Teplotní součinitel elektrického odporu mezi 0 a 100°C je asi 5x 10-5. Nejvyšší teplota při použití konstantanu nemá přesáhnout 500°C. Konstantan se používá zejména na různé regulační a méně náročné měřicí odpory. Je též materiálem na termoelektrické články, neboť má proti mědi velkou termoelektrickou sílu 40 V/°C. Pro tuto vlastnost však nelze konstantanu použít v přístrojích na přesné měření velmi malých elektrických napětí. Podobné slitiny s menším obsahem niklu, nazývané nikelin (např. typu Cu—Ni 30—Mn podle ČSN 42 3064, s 30% Ni), jsou vhodné do 400 °C. Jejich měrný odpor je menší, asi 0,4 mm2/m. Levnější jsou slitiny obsahující i zinek, mají však horší časovou stálost odporu a chemickou odolnost. Podobná slitina má např. složení: 55 % Cu, 30 % Ni, 15 % Zn. Tyto slitiny se hodí k méně náročnému použití (spouštěcí odpory aj.). Nikl zvětšuje tvrdost bronzu a jeho odolnost proti korozi. Z niklo­vých bronzů se vyrábějí kondenzátorové trubky pro agresivní vody. Pevnost slitiny se zvětšuje přísadou Fe. Je-li ve slitině velký obsah niklu, trubky mají barvu světlou, jako stříbro. Niklové bronzy s přísadou křemíku jsou vytvrzovatelné (cuprodur). Vytvrzený cuprodur má velkou pevnost a tažnost nejen za normální teploty, ale i za teploty vyšší, a zejména za teplot velmi nízkých, až —200 °C. Jeho elektrická vodivost je 11 až 26 m/ mm2 (vyšších hodnot se dosahuje u slitiny vytvrzené). Cuprodur je velmi odolný proti korozi a dobře tvárný. Hodí se i na šrouby a matice pro velmi nízké teploty.

[editovat] Elektrovodný bronz

Elektrovodné bronzy se používají na sdělovací vedení, na elektrody bodových a švových svařovacích strojů apod. Jako telegrafních čili poštovních bronzů (42 3019) se často používá slitin s kadmiem, které mají při značné pevnosti i dobrou vodivost. Například kadmiový bronz s 1% Cd dosahuje tvářením za studena pevnosti asi 70 kp/mm2 při vodivosti asi 45 m/ mm2; je to asi 80 % vodivosti mědi. Kadmium je zároveň dobrým odkysličovadlem. Velké požadavky na pevnost a zejména na odolnost proti opotřebení při dostatečné vodivosti jsou u elektrod pro svařovací stroje bodové i švové. Náležitá pevnost a odolnost proti opotřebení musí být zachována i při vyšších teplotách. Na elektrody pro svařování oceli se používá bronzů Cu—Ag 4—Cd (42 3290), které mají vodivost asi 48m/mm2 a svou pevnost a odolnost proti opotřebení si udržují asi do 300°C. Jinou vhodnou slitinou je vytvrzovalelný chromový bronz asi s 1% Cr, s obdobnými vlastnostmi. Vytvrzuje se zakalením z teploty asi 900°C a umělým stárnutím při 450°C po 2 hodiny. Bronzy obsahující asi 2,5% kobaltu a 0,5% berylia se hodí pro provozní tep­loty do 400°C. Jsou také vytvrzovatelné, mají asi poloviční vodivost než měď, jsou však značně drahé. Velmi dobře se osvědčují elektrody ze spékaného wolframového prášku, napuštěného mědí (80% W+ + 20% Cu), které však nepatří mezi bronzy.

[editovat] Beryliový bronz

Beryliové bronzy se mohou uplatnit tam, kde jsou velké požadavky na mechanické vlastnosti při velké vodivosti. Obvykle se nepoužívá slitin podvojných; kromě 0,5 až 2,3% Be obsahují také Ni, Fe, Co, Cr aj. Beryliové bronzy jsou vytvrzovatelné. Při 864°C se v mědi rozpouští asi 2,7% Be, za normální teploty však méně než 0,2%. Vytvrzují se ochlazením z 800°C ve vodě (po němž může následovat tváření za studena) a umělým stárnutím při 300°C po 2 až 3 hodiny. Vytvrzený pérový bronz má pevnost asi 140 kp/mm2 při tažnosti asi 3%. Kromě velké pevnosti, a to i za vyšších teplot, jsou beryliové bronzy značně odolné proti korozi a proti opotřebení, mají vysokou mez únavy i v korodujícím prostředí, vysokou mez tečení, jsou nemagnetické a dobře elektricky vodivé. Velmi dobrou vodivost má např. slitina se 2 % Ni a 0,5 % Be. Hodí se hlavně na pružiny pracující v korozním prostředí, na ventily čerpadel na louhy, na kuličky korozi vzdorných kuličkových ložisek (asi 2 % Be + Ni), na nástroje, které při nárazu nesmějí jiskřit (asi 2% Be), na velmi namáhané elektrody bodových a švových svářeček apod.

[editovat] Olověný bronz

Olověné bronzy jsou slitiny mědi s olovem, jehož bývá nejvýše asi 38%. a popř. s dalšími kovy, hlavně s cínem; někdy se přidává i Ni, Zn nebo Mn, které mají zlepšit stejnoměrnost struktury. Olověné bronzy slouží hlavně jako kovy ložiskové. V tuhém stavu je rozpustnost olova v mědi nepatrná a pro značný rozdíl měrných hmotností obou kovů může nastat odměšování olova. U ložiskových kovů se požaduje, aby v pevné základní měděné hmotě bylo olovo jemně rozptýleno. Z olověných bronzů se buď odlévají celé pánve, nebo se jimi vylévají pánve ocelové. Olověné bronzy s přísadou cínu a až 10% Pb se hodí jak na vylévání opěrných ocelových pánví, tak na odlitky celých pánví, kdežto olověných bronzů bez cínu, s 20 až 40% Pb, dá se použít jen na vylévání opěrných ocelových pánví. Vylévané pánve, obvykle tenkostěnné, s velmi tenkou výstelkou z olověného bronzu. jsou lepší než plnostěnné, neboť spojují velkou pevnost ocelové opěrné pánve s dobrými kluznými vlastnostmi olověného bronzu a kromě toho se uspoří neželezné kovy. Pánve vylité olověným bronzem se používají pro velmi namáhaná ložiska, kde je měrný tlak větší než 100 kp/cm2. Nejvyšší přípustné měrné tlaky jsou 300 až 400 kp/cm2, někdy i více, největší obvodové rychlosti do 10 m/s.

[editovat] Červený bronz

Červený bronz jsou slitiny mědi, cínu, zinku a často též olova, které zlepšuje obrobitelnost. Je určen na výrobu odlitků používaných tam, kde se šedá litina nehodí pro malou odolnost proti korozi apod.