Висмутовая бронза или висмутовая латунь — это медный сплав, который обычно содержит 1—3 % висмута по массе, хотя содержание висмута в некоторых сплавах может превышать 6 %. Этот бронзовый сплав обладает высокой коррозионной стойкостью, что делает его пригодным для использования в агрессивных средах, таких как морская вода. Висмутовые бронзы и латуни более ковки, обладают лучшей теплопроводностью и лучше поддаются полировке, чем обычные латуни. Наиболее распространенным промышленным применением этих металлов является изготовление подшипников; однако с конца девятнадцатого века материал также используется для производства кухонной утвари и зеркал. Висмутовая бронза также была обнаружена в церемониальных ножах инков в Мачу-Пикчу. В последнее время, в связи с усилением требований по замене токсичных металлов, висмутовая бронза активно продвигается как экологически чистая альтернатива подшипникам и втулкам из свинцовистой бронзы.

История

Самым ранним известным артефактом, содержащим висмутовую бронзу, является нож инков из Перу, найденный в 1912 году. Он датируется 1476—1534 годами н. э. и изготовлен из сплава, состоящего из 78 % меди, 18 % висмута и 3 % олова. Был ли этот сплав выбран из-за металлургических свойств, облегчающих литье, или из-за его более белого и яркого блеска — вопрос дискуссионный. Маловероятно, что включение висмута было случайным (как это, вероятно, было в случае с другими ранними бронзами), что делает этот нож самым ранним свидетельством намеренного добавления висмута в сплав.

Висмут путали со свинцом или оловом до его первой окончательной идентификации Клодом Франсуа Жоффруа в 1753 году. Висмутовая бронза была намеренно получена в 1880-х годах Джеймсом Уэбстером для производства телеграфных проводов. Уэбстер разработал два типа сплавов на основе системы висмут-олово-бронза. Один из них был ранней попыткой создания коррозионностойкой бронзы и описывался как «твердый, прочный и звонкий». Уэбстер также указывал, что этот сплав хорошо подходит для фортепианных струн. Другой сплав Уэбстера описывался как «долговечный и яркий»; позже, благодаря своему блеску и медленному потускнению, он стал использоваться в кухонной утвари. Способность этого сплава сохранять полировку сделала его пригодным для использования в качестве светоотражателей и зеркал, в качестве которых он применялся вплоть до двадцатого века.

В 1990-х годах производитель автозапчастей Federal Mogul начал разработку висмутовых бронз в качестве альтернативы бронзам, содержащим свинец, из-за растущего давления по исключению свинца из потребительских и промышленных товаров. Висмут является нетоксичным тяжелым металлом. Поскольку такие законодательные акты, как Директива ЕС RoHS или американский «Закон о сокращении содержания свинца в питьевой воде», продолжают ограничивать допустимое количество свинца в изделиях, разрабатывается все больше бессвинцовых материалов, сохраняющих свойства своих «свинцовых» предшественников. Висмут является особенно подходящей заменой свинца в подшипниках, так как он, подобно свинцу, нерастворим в меди и образует аналогичные микроглобулы, имитирующие структуру свинца.

Характеристики

Структура Современная «висмутовая бронза» технически не является ни сплавом (в строгом смысле), ни бронзой, а представляет собой композиционный материал, содержащий латунь и висмут (хотя некоторые бронзы все еще используются).

Поскольку висмут, как и свинец, нерастворим в меди, он существует в виде отдельных микроглобул в границах зерен, которые ведут себя как частицы чистого висмута. Эти частицы легко деформируются внутри кристаллической структуры и на поверхности металла, работая как твердая смазка с низким сопротивлением сдвигу в условиях недостаточного смазывания. К красным медно-висмутовым сплавам добавляют селен, так как он усиливает свойства висмута в материале. Поскольку жидкий висмут может привести к охрупчиванию сплава, при обработке и переработке этих материалов необходимо соблюдать осторожность.

Свойства Современные висмутовые бронзы, представленные на рынке, разработаны так, чтобы обладать свойствами, близкими к свинцовистым бронзам; многие из них имеют почти идентичные механические характеристики, такие как обрабатываемость и высокая теплопроводность. Они также обладают высокой смазывающей способностью, что делает их идеальными для внешних слоев деталей машин, подверженных износу, таких как подшипники и наклонные шайбы аксиально-поршневых насосов. Висмуто-оловянная бронза не подвержена легкой коррозии под действием воды; первичный висмут трудно окисляется.

Сплав C89835 (висмуто-оловянная бронза), используемый в смесителях, деталях насосов, фитингах и малых шестернях, имеет плотность 8,88 г/см³ (0,321 фунта/дюйм³), а сплав C89844 (применяемый для клапанов питьевой воды) — 8,58 г/см³ (0,31 фунта/дюйм³).

Применение Первоначально висмуто-оловянная бронза разрабатывалась для телеграфных проводов. Однако в конце девятнадцатого и начале двадцатого века эта бронза стала чаще использоваться в зеркалах, отражателях, кухонной утвари и фортепианных струнах. В первой половине двадцатого века её широкое использование прекратилось.

Современные сплавы висмутовой бронзы позиционируются как экологичная альтернатива свинцу, часто выбираемая вместо более дешевых свинцовистых бронз из-за экологических норм. Они применяются в качестве поверхностного слоя автомобильных или механических компонентов, подвергающихся сильному износу, например, в гидравлических поршневых насосах. Эти сплавы также широко используются в подшипниках и втулка в трибологических системах. Кроме того, из висмутовой бронзы изготавливается сантехническая арматура.

Обработка

Литье

Бессвинцовые отливки из висмутовой бронзы производятся в замороженных формах. Характеристики песка используются для увеличения скорости охлаждения отливок, так как частицы песка имеют более высокую теплопроводность, больший размер зерна и сферическую форму. Форма обладает высоким охлаждающим потенциалом. Когда форма заморожена, лед вблизи поверхности соприкасается с расплавленным металлом и немедленно тает.

Экструзия и отжиг Другой способ обработки висмутовой латуни включает экструзию латунного прутка с последующей механической обработкой для придания изделию желаемой формы. Затем материал подвергается отжигу для снятия внутренних напряжений, возникших при обработке. Материал отжигается при определенной температуре и в течение определенного времени, зависящего от состава. Время выбирается таким образом, чтобы ограничить диффузионное перемещение висмута. Это снижает риск растрескивания изделия.

Водное распыление Распыление водой под высоким давлением — это метод получения порошка висмутовой латуни. Это способ быстрого затвердевания металлического сплава: жидкий металл дробится на капли под воздействием струй воды высокого давления. Это недорогой процесс для получения мелких частиц порошков железа, нержавеющей стали и низколегированных металлов. Ограничением водного распыления является чистота порошка: для металлов, склонных к окислению, это представляет серьезную проблему.

Примечания

Категория:Сплавы