Vlastnosti bronzů a mosazí

[RoliD]

V tomto článku se pokusím shrnout informace o bronzu a mosazích. Jejich typech a vlastnostech. Vzhledem k tomu že často jsou prodávány různé mosazi s tvrzením, že se jedná o bronz se zaměříme i na rozlišení těchto dvou materiálů.   Pro začátek uvádím tabulku s tepĺotama tání různých kovů které se nějak bronzu dotýkají. A to jak z pohledu součásti slitin bronzů a to také z pohledu technologického např materiály pro tavbu a z pohledu následného zpracování výrobků z bronzu (například pájení bronzu a stříbra) Prostě je dobré mít na paměti teploty i ostatních materiálů.

Materiál	Bod tavení v °C	Bod tavení v °F
Hliník (čistý (99.9%)	659	1218
Mosaz (85 Cu 15 Zn)	900-940	1652-1724
Bronz(90 Cu 10 Sn)	850-1000	1562-832
Cast iron	1260	2300
Měď	1083	1981
Zlato (24k)	1063	1946
Železo	1530	2786
Olovo	327	621
Nikl	1452	2646
Palladium	1555	2831
Platina	1770	3220
Červená mosaz	990 – 1025	1810 – 1880
Stříbro (čisté)	961	1762
Stříbro (šperkařské)	893	1640
Nerez ocel	1363	2550
Steel-High Carbon	1353	2500
Medium Carbon	1427	2600
Low Carbon	1464	2700
Cín	232	450
Titan	1795	3263
Žlutá mosaz	905 – 932	1660 – 1710
Zinek	419	786

Mosazi a bronzi uvedené v tabulce výše mají teploty tání velmi přibližné. Co je vlastně ten bronz? Z pohledu historického se jedná pouze o slitinu cínu (Sn)  a mědi (Cu) s tím že dříve nebylo snadné dosáhnout čistoty materiálů takže se v průběhu historie a geografické lokality těžby a zpracování kovů měnil i obsah bronzů. (A také s ohledem na výslednou cenu)
V průběhu technické revoluce se vyvinuli další druhy bronzů dle jejich technického využití. Nyní tedy rozlišujeme tyto základní druhy:
- cínový bronz s podruhy "tvářený cínový bronz" , "dělovina" a "zvonovina"
- hliníkový bronz - teplotně odolný (až  800°C) a pro náročné chemické provozy (odloný kyselinám a louhům)
- manganový bronz - vysoký eletrický odpor těchto slitin se používá v elektrotechnickém průmyslu na odporové spirály (měření i ohřev)
- niklový bronz - podobný jako manganový bronz pro odporové spirály a s přísadou křemíku pro velmi nízké teploty (-200°C) (šrouby a matice)
- olověný bronz - pro ložiska (olovo se v mědi špatně rozpouští a olovo zůstává ve slitině jako čisté olovo)
- elektrovodný bronz - přísady kadmia a stříbra zajištují dobrou elektrickou vodivost
- beryliový bronz - pružiny pracující v korozivním prostředí
- červený bronz - slitiny mědi cínu a zinku pro náhradu litiny do korozivních prostředí
- magnetický bronz - magnetická slitna bez obsahu železa ( Heuslerovy slitiny) např 20Mg+9Al+Cu

Obecně se rozdělení druhů bronzů často prolíná a je pouze přibližné. Platí ale základní premisa, že v bronzech není Zinek! Ale jak je vidět u červeného bronzu či druhů dělového bronzu tak zinek tam být může. Prostě je to dělení relativně zmatečné ale jako určité vodítko se použít dá.  Ale je pravdou že i označení bronz a mosaz je vlastně dost nesmyslné a vždy je lepší uvádět přesné složení slitiny. V těch pro historické repliky by se zinek neměl vyskytovat ve více než 2% a hliník vůbec žádný.

Příkladem jak zvláště se chovají slitiny mědi je následující graf slitiny mědi a olova:

Až se nechce věřit, že jen pouhých 10% mědi ve slitině s olovem udrží bod tání nad 900°C! Tohle by chtělo ověřit v reálu!

Následující graf slitin Cínu a Mědi vyžaduje zavedení termínu "Likvidus" (v angličtině Liquidus) který značí na grafu čáru která odděluje plochu kde:
- v tavenině jsou ještě nejaké fáze kovů pevné a některé již tekuté
- v tavenině jsou všechny její části plně tekuté

cu-sn.jpg (76.67 KiB) Zobrazeno 5270 x

Z grafu lze sestavit tato tabulka tání slitin Cu/Sn bronzů:

Slitina	Teplota tání - likvidus °C
Cu90/Sn10	1030
Cu80/Sn20	885
Cu70/Sn30	770
Cu60/Sn40	730
Cu50/Sn50	680

Ve srovnání se slitinami Cu/Pb je pokles teplot tání směrem ke 100% zastoupení Sn téměř lineární (při zhamouření všech zbývajících očí)  Olovo proti cínu dovolí naopak velmi mirný pokles teplot. Vzhledem k blízkosti olova a cínu v periodické soustavě a tím velké příbuznosti je toto velmi odlišné chování. Dá se tedy odvodit, že pro snadné tavení bronzů se dá dá olovo považovat za nežádoucí příměs. Toto platí ale pouze pro slitiny s nízkým obsahem mědi.

Slitina	Teplota tání °C
Cu80/Sn20	885
Cu80/Pb20	980

Struktura cínového bronzu je velmi 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 značné odlučování v krystalech α, a vyrovnání struktury difuzí se dosáhne jen dlouhodobým žíháním při 550 °C až 750 °C. Slitiny obsahující méně než 10 % cínu (asi do 8 % cínu) lze zpracovat tvářením, slitiny s deseti nebo více procenty cínu se zpracovávají litím. Hustota 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/Ωmm2, u bronzů s 15 % Sn asi 5 m/Ωmm2. Odolnost cínových bronzů proti korozi je dobrá, téměř jako u mědi. Cínové bronzy se používají hlavně ve slévárenství. Z toho vychází i dva další podruhy cínových bronzů a to je:
- zvonovina - slitina 78 % mědi a 22 % cínu s nevýraznými odchylkami, nepřesahujícími 2 %.  Je pružný, velmi tvrdý bronz pískové až stříbrolesklé barvy.  Tento poměr se ustálil experimentováním již ve 12, století a odchylky jsou spíše způsobené snahou ušetřit náklady ( záměna cínu za olovo) , ale se vždy zhoršenými vlastnostmi jak akustickými tak mechanickými (křehkost/měkkost). Jiné příměsi drahých kovů jako zlato a stříbro jsou neprokázané a nejspíše tyto kovy v minulosti slévači prostě utratili za chlast a holky .
- dělovina  - 10 % cínu a 90 % mědi. Označení je ale zastaralé a dnes označuje rodinu slitin pro odlévání které mohou obsahovat mezi 2–11 % cínu a 1–10 % zinku. Existují i další podruhy "olovnatá dělovina“ a „niklová dělovina“ ze kterých vyplývá že se do děloviny může dávat i olovo a nikl.

Cínový bronzy s i 6–9 % cínu se nazývají tvářené cínové bronzy. Při výrobě bronzu dochází často k oxidaci (okysličení), což se nepříznivě projevuje na jejich vlastnostech a je dobré nežádoucí kyslík odstranit. Odkysličují se obvykle fosforem (bronz fosforový), nejčastěji fosforovou mědí P—Cu (42 3018 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 % fosforu. Plechy a pásy se válcují za tepla z desek, jejichž obsah fosforu 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 0,1 mm. 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.

Mosaz
Mosazí se označují slitiny mědi a zinku.   Likvidus graf ukazuje základní chování taveniny mosazí:

α fáze
α fáze se substituční tuhý roztok zinku a mědi. Největší rozpustnost zinku nastává kolem 450 °C. Tato fáze má vysokou pevnost, houževnatost a vůbec je svými vlastnostmi velmi podobná čisté mědi. Z těchto vlastností vyplývá i její špatná obrobitelnost. Používá se především na tvářené výrobky, přičemž největší tvárnost získává při 32 % obsahu zinku. α+β fáze
Největší pevnost fází α+β nastává při obsahu 45 % Zn. Přeměna β fáze na α fázi způsobuje pokles houževnatosti. β fáze
Fáze β je prostorově středěný tuhý roztok zinku a mědi. Tato fáze samostatně existuje v rozsahu 36 % až 56 % Zn. Při teplotách 454 až 468 °C se mění na fázi β’, což je uspořádaný tuhý roztok, kde jsou atomy Cu v rozích a atomy Zn uprostřed elementární mřížky. γ fáze
γ fáze je elektronová chemická sloučenina Cu₅Zn₈ s krychlovou krystalografickou mřížkou. ε fáze
Fáze ε je elektronová chemická sloučenina CuZn₃ se šesterečnou krystalografickou mřížkou. η fáze
Tato fáze je tuhým roztokem s krystalickou stavbou podobná zinku.

Výroba je neobyčejně citlivá na dodržování a nepřekračování tavicích teplot. Interval teploty tuhnutí mosazí je 950–880 °C. Teplota lití se vybírá přibližně do 50 až 100 °C nad likvidem, tedy do 1 050 °C. Teplota tavení nesmí překračovat teplotu lití o více než 50 °C, z toho důvodu se volí do 1 100 °C. Při kontrole jakosti se měří teplota a zjišťuje se výsledné chemické složení taveniny.