Бронза и Жесть
Общие сведения
Бронза традиционно определяется как сплав меди с оловом. В современном материаловедении к бронзам также относят медные сплавы, не содержащие олова, такие как алюминиевые, кремниевые, бериллиевые и свинцовые бронзы. При этом сплавы меди с цинком классифицируются как латунь, а с никелем — как мельхиор или нейзильбер. Происхождение термина «бронза» имеет две основные этимологические гипотезы. Первая связывает его с названием города Бриндизи, где осуществлялась выплавка металла. Вторая гипотеза указывает на общеславянский корень, означающий «брань» или «броня», что указывает на первоначальное использование сплава для изготовления оружия. Жесть представляет собой не сплав, а листовую низкоуглеродистую сталь, покрытую защитным слоем. Наиболее распространена белая, или луженая, жесть, имеющая покрытие из олова. Листовая сталь без защитного покрытия классифицируется как черная жесть и является сырьем для последующей обработки. Термин «жесть» был заимствован в славянские языки из тюркских языков, где родственное слово обозначает медь. Исторически производство бронзы началось в пятом тысячелетии до нашей эры, в том числе на территориях майкопской культуры. Первоначально широко использовалась мышьяковая бронза. Производство жести возникло значительно позже и долгое время являлось секретной немецкой технологией, пока в семнадцатом веке не было перенято и индустриализировано в Англии.
Свойства и характеристики
Оловянная бронза отличается высокой коррозионной стойкостью и долговечностью, что подтверждается сохранностью древних артефактов на протяжении тысячелетий. Данный сплав обладает хорошими антифрикционными свойствами и литейными качествами, включая малую усадку, что позволяет создавать отливки сложной конфигурации. Однако классическая оловянная бронза обладает повышенной хрупкостью и с трудом поддается обработке давлением, такой как ковка, штамповка или прокатка. Дополнительное легирование цинком, никелем, фосфором или свинцом позволяет модифицировать свойства материала. Например, адмиралтейская бронза, содержащая цинк, обладает исключительной стойкостью к воздействию морской воды. Бериллиевая бронза характеризуется отсутствием искрообразования при механическом воздействии. Для жести ключевой характеристикой является сочетание прочности стальной основы с антикоррозийными свойствами и эстетичным внешним видом оловянного покрытия. Современная жесть двойной прокатки отличается меньшей толщиной при сохранении высокой прочности и пластичности. При деформации жести учитывается направление ее прокатки, так как сгибание материала предпочтительно осуществлять вдоль этого направления. В советской и российской номенклатуре бронзы маркируются буквами «Бр» с последующим указанием легирующих элементов и их процентного содержания. Маркировка жести отражает метод лужения и назначение, например, электролитическое консервное или горячее лужение, а также наличие дополнительных хромированных и лакированных слоев.
Нахождение в природе
Бронза и жесть являются искусственно созданными материалами и в готовом виде в природе не встречаются. Их производство полностью зависит от добычи соответствующих природных ресурсов, таких как медь, олово, мышьяк и железная руда. На ранних этапах развития металлургии для создания бронзы активно применялся мышьяк, месторождения которого были более доступными и распространенными по сравнению с оловом. Впоследствии, по мере выработки мышьяковых месторождений и осознания токсичности данного элемента, металлургия перешла на использование олова. Сырьевая база для производства жести опирается на железорудные месторождения для получения стальной основы, а также на добычу олова для нанесения защитного покрытия.
Получение
Первоначально процесс выплавки бронзы заключался в соединении меди с мышьяком. Из-за высокой токсичности мышьяка, вызывавшей профессиональные заболевания у металлургов, и его склонности к испарению при переплавке, технология трансформировалась. Ко второму тысячелетию до нашей эры начался массовый переход на оловянную бронзу. Классическая колокольная бронза производится путем сплавления меди и олова в пропорции четыре к одному. Пушечная бронза требует иного соотношения компонентов и включает добавление цинка. Получение жести исторически представляло собой сложный многоступенчатый процесс. Черную жесть, изготовленную с помощью кузнечных молотов, подвергали травлению в бочках с молочной кислотой, полученной путем сбраживания ржаной муки. Затем листы поочередно опускали в ванны с расплавленным оловом и медью, охлаждали в воде и полировали смесью пакли, опилок, мела и отрубей. В современном производстве применяются технологии горячей и холодной прокатки, отжиг, пассивация и промасливание. Нанесение олова осуществляется методами горячего лужения или электролитического осаждения, введенного в эксплуатацию в начале двадцатого века. Для повышения качества применяется технология двойной прокатки, при которой стальной лист после первого отжига прокатывается повторно с использованием смазки, что позволяет уменьшить его толщину до пятидесяти процентов. Дополнительно жесть может подвергаться хромированию, лакировке и нанесению печатных изображений.
Применение
Бронза широко применяется в сферах, требующих высокой износостойкости и способности выдерживать максимальные нагрузки. Из оловянной бронзы изготавливают детали станков, подшипники скольжения, втулки электродвигателей и насосов, а также венцы червячных колес. Традиционно она используется для отливки колоколов и монументальной скульптуры. Адмиралтейская бронза востребована в кораблестроении благодаря устойчивости к соленой воде. Бериллиевая бронза незаменима при производстве искробезопасного инструмента для работы во взрыво- и пожароопасных условиях. Алюминиевая бронза применяется в машиностроении, а также в ювелирном деле в качестве визуального заменителя золота. Высокая антикоррозионная стойкость позволяет использовать бронзовые сплавы в химической промышленности при работе с агрессивными средами. Основным потребителем жести на протяжении двух столетий является консервная промышленность. Массовое производство консервных банок началось в девятнадцатом веке и получило мощное развитие после внедрения автоматизированных конвейерных систем. Помимо пищевой промышленности, жесть используется для изготовления тары под лакокрасочные и нефтехимические материалы, включая ведра и аэрозольные баллоны. Материал находит применение в производстве информационных указателей, дорожных знаков, декоративных изделий, а также в строительстве для обустройства кровель и вентиляционных труб.