Бронза

Бронза (стар. спиж) — сплав міді з іншими речовинами. Здебільшого до складу бронзи входить олово.

Бронзова статуетка з Олімпії. Кінь. 740 р. до н. е.

Частка олова у бронзах може становити від 1,25 до 10 %. Серед неметалів до складу бронзи найчастіше входить фосфор. Типова бронза має склад: 94,65 % — мідь, 5 % — олово, 0,35 % — фосфор. Фосфор надає бронзам додаткової пружності, твердості та збільшує стійкість до корозії. Температура плавлення бронзи перебуває в межах 990…1190 °С.

Історія бронзи

Час появи бронзи суттєво відрізняється для окремих територій і перебуває в межах між початком IV тис. до н.е. (Кавказ, Мала Азія) та серединою II тис. до н.е. (Стародавній Китай).

Характерною властивістю міді є її відносна м'якість. Виробам з неї бракувало твердості кам'яних знарядь й гостроти їх лез. Задля отримання більш міцного металу давні гірники шукали відповідні руди, у яких мідь була б поряд із іншими речовинами, що поліпшували властивості мідного сплаву (бронзи). Пізніше руди таких металів (арсену, стибію, срібла, олова) почали видобувати окремо для додавання їх як лігатури в шихту мідної плавки.

З кінця V тис. до н.е. на території Південного Кавказу починається освоєння арсенових, а тисячоліттям пізніше — стибієвих руд, сплави яких із міддю відкрили епоху нового матеріалу — бронзи. На Близькому Сході та в Середземномор'ї домінували більш якісні сплави міді з оловом (частка останнього становила від 5 до 15 %). Олов'яна руда (каситерит) була відкрита на північному заході Піренейського півострова в першій половині III тис. до н. е. (за поширеною гіпотезою — експедиціями шукачів золота з Стародавнього Єгипту). У подальшому багаті родовища каситериту були знайдені в кількох регіонах Піренейського півострова (Астурія, Рибадео, басейни річок Міньйо, Тахо, Гвадалквівір). Ще одним потужним центром давнього видобутку олова стала територія сучасної південно-західної Англії (Корнуолл).

Оскільки багаті мідноносні провінції (Південний Кавказ, Мала та Середня Азія) були бідні на олово, то в пошуках цього матеріалу на територію Південної й Центральної Європи багаторазово вторгалися експедиції східних народів. Виявити олово їм не вдалося, але пощастило знайти багаті поклади міді на Балканах, у Карпатах і Альпах. Значно віддалені від основних мідних промислів родовища олова підпали під контроль тогочасних «повелителів морів» — фінікійців, які мали найкращий флот і вели міжнародну торгівлю металами.

Арсенова бронза

Новітніми дослідженнями встановлено, що багато давніх мідних та бронзових предметів, що знайдено в різних регіонах Старого світу, виготовлено не з чистої міді, а з мідно-арсенових сплавів.

Найдавнішим свідоцтвом того, що людина використовувала метал, є знахідки в докерамічному неолітичному оселищі на пагорбі Чайоню-Тепесі в Південно-Східній Анатолії (у верхів'ях річки Тигр). Металеві вироби було знайдено в нашаруваннях пагорба, вік яких по радіовуглецевому аналізу становить 9200 ± 200 і 8750 ± 250 років до н. е. Це були дротяні шпильки, чотиригранне шило, свердла, намиста та їх «напівфабрикати» з міді, а також непросвердлені, але добре оброблені намистини. Було висловлене припущення, що всі металеві предмети виготовлені із самородної міді. Однак спектральний аналіз шила показав вміст близько 0,8 % арсену, що вносить певні сумніви про самородне походження міді.

Одна з найдавніших знахідок арсенової міді відноситься до середини V тисячоліття до н. е. у стародавньому пам'ятнику Тепс-Ях'я, на південному сході Ірану. У Закавказзі предмети з мідно-арсенових сплавів з'являються з IV тисячоріччя до н. е. Предмети, виготовлені з мідно-арсенових сплавів, знайдені також у Німеччині, Іспанії, Португалії починаючи з III тисячоріччя до н. е. У тих областях, де не було родовищ олов'яних руд, арсенову мідь продовжували виробляти у великій кількості до початку I тис. до н. е.

Арсен у мідних сплавах поліпшував їхні фізико-механічні властивості. Присутність у міді 0,5% арсену поліпшує її ковкість у холодному стані, дає можливість одержати щільніші виливки у рельєфних ливарних формах. Без присадок арсену або інших легуючих елементів це представлялося складним завданням. Крім того, у порівнянні з чистою міддю, що плавиться при температурі 1083 °C, мідь, легована арсеном, плавиться при нижчій температурі, що залежить від вмісту арсену в сплаві. Те ж саме стосується і твердості арсенової міді, яка в результаті клепання різко підвищується. Предмети з арсенової бронзи легко піддаються холодному куванню і за твердістю мало поступаються олов’яній бронзі (твердість кованої арсенової бронзи в умовних одиницях, за Віккерсом, від 100 до 245, олов'яної — від 116 до 252). Зі збільшенням вмісту арсену до 8% пластичність арсенової міді не погіршується, на відміну від мідно-олов'яного сплаву, але вище цієї межі пластичність падає і сплав стає крихким.

Таким чином, арсенова мідь за багатьма фізико-механічних властивостями не поступається різним типам мідно-олов'яних сплавів. Колір арсенової міді буває від білого до червонуватих і золотавих відтінків.

Олов'яна бронза

Починаючи з III тисячоріччя до н. е. у більшості країн Старого світу стали з'являтися вироби з олов'яної бронзи, тобто з міді, у якій основним легуючим елементом було олово і яка стала поступово витісняти мідно-арсенові сплави. Поява в стародавності олов'яної бронзи ознаменувало початок нової епохи в історії розвитку людства, що визначена як бронзова доба. Стародавні мідно-олов'яні предмети продовжують знаходити в пам'ятниках бронзової доби на величезному просторі Старого світу.

Очевидно, перехід від мідно-арсенових сплавів до мідно-олов'яних був поступовим, і спочатку олово присаджували до міді разом з арсеном. Цим пояснюється, що в країнах Близького Сходу і в деяких інших регіонах у початковому періоді бронзової доби олов'яна бронза містить олово разом з арсеном. Винятком є давні бронзи Таїланду, що не містять домішок арсену.

Відомості про найдавніші мідно-олов'яні знахідки:

Країна	Дата (до н.е.)	Легуюча домішка (Sn), %	Легуюча домішка (As), %
Таїланд	3600	2,50	-
Іран	3000	3,00	1,1
Азербайджан	3000 - 2500	0,97	1,3
Ірак	2800 - 2500	2,40	-
Туреччина (Троя II)	2500 - 2000	2,18	0,97
Пакистан	2100 - 1700	1,20	-
Єгипет (Гробниця Тутанхамона)	2000 - 1800	1,80	Сліди
Англія	1700	1,54	2,9

Вважається, що олово додавали до міді у вигляді його двоокису, тобто каситериту. Відновлення олова в шихті з мідною рудою і з деревним вугіллям — процес простіший, ніж ізольоване відновлення олова з наступною його присадкою до міді.

Більшість відомих у світі родовищ каситериту (SnO₂) знаходиться в Малайзії, Індонезії, Китаї, Болівії, на Британських островах, Саксонії, Богемії, Нігерії. Досить часто як один з центрів постачання оловом бронзової металургії відзначається Богемія. Але родовища олова там залягають глибоко у гранітах, так що навряд чи вони були доступні стародавньому рудокопу. Також малоймовірним є вивіз олова з Британських островів до II тисячоріччя до н. е. Вивчення стародавніх олов'яних предметів в Англії показало, що виплавляння олова почалася на Британських островах у пізніший час, в основному в епоху Римського панування.

Останнім часом висловлюється міркування, що стародавня бронзова металургія на Близькому і Середньому Сході, а також на Кавказі, забезпечувалася оловом з родовищ каситериту на Малайському архіпелазі та у сусідніх з ним країнах. Ці родовища розташовані в «олов'яному поясі», що простирається, починаючи з Індонезії, через Сінгапур, Малайський півострів, Південно-Східний Китай. Існує думка, що доставка олова з країн Південно-Східної Азії відбувалася не тільки морським шляхом, але і сухопутним — караванним.

Присадка олова до міді, починаючи з мінімальних часток відсотка, поліпшує її ливарні якості та змінює пластичність сплаву. Бронзи, що містять до 5% олова, допускають холодне кування та волочіння, при більшому вмісті олова — можлива тільки гаряча обробка. З підвищенням вмісту олова крихкість бронзи збільшується. Бронзи, що містять до 30% олова, дробляться під молотком.

Невелика добавка олова до міді знижує її точку плавлення, наприклад, мідь з 5% олова плавиться при 1050 °C, з 10% — при 1005 °C, з 15% — при 960 °C.

Інші бронзи

У давнину через дорожнечу олова, яке у більшості країн було привізним і доставлялося нерегулярно, плавильники заміняли його, цілком або частково, іншими легуючими металами: арсеном, сурмою, свинцем, нікелем, а пізніше цинком. Тому склад стародавніх олов'яних бронз різнорідний.

У Стародавньому Єгипті і Межиріччі використовувалися сурм'яні бронзи. У Закавказзі, де було багато розробок антимоніту (сурм'яної руди) в основному застосовувалися мідно-сурм'яні сплави, а не металева сурма. Крихкість останньої не дозволяла широко використовувати сам метал для виготовлення з нього предметів.

У стародавній металургії для легування міді замість дорогого олова іноді використовувався свинець. Також його приплавляли до міді разом з оловом. Приплав міг здійснюватися або безпосереднім внесенням металевого свинцю в розплавлену мідь, або спільною відбудовною плавкою мідних і свинцевих руд. Виплавка мідно-свинцевих сплавів вимагала високої майстерності плавильників через розшарування металів у процесі плавки внаслідок великої різниці в питомих вагах. Виплавка полегшувалася наявністю в міді інших металів-домішок. Незважаючи на низьку точку плавлення свинцю (327 °C), його приплав до міді не викликає істотного зниження точки плавлення мідного сплаву.

Бронзові предмети з високим змістом нікелю (до 3,3%) знайдені в Індії. Про досить широке поширення нікелевих бронз свідчить виявлений бронзовий предмет, у якому було 2,7% олова і 8,9% нікелю. Високий вміст нікелю, характерний для майкопської міді III тисячоріччя до н. е., пояснюють характером мідних руд з домішкою нікелю. Серед анатолійских виробів виявилося чимало таких, що містять до 4% нікелю, а в окремих випадках навіть вище. Однак у всіх випадках високий зміст нікелю супроводжувався також підвищеним змістом арсену (до 3%), або олова. Аналогічна закономірність була встановлена для деяких мідно-арсенових предметів, знайдених на Північному Кавказі, в Азербайджані, Грузії.

Бронза в Україні

Ритуальний ніж-кулон бронзової доби, знайдений в Україні (Львівський історичний музей)

Металургія міді з'явилася на території України в V тис. до н. е. разом з трипільськими племенами і пов'язана своїм походженням з Балканами. У мідну добу в археологічних культурах в Україні з'являються перші мідні вироби і починається власне виробництво. Руду могли видобувати в балканських родовищах, а метал виплавляли на значній відстані від родовищ. Так, на ранньотрипільському поселенні Олександрівка (Одещина) знайдено кам'яні рудодробилки, на яких імпортовану за сотні кілометрів сировину подрібнювали перед збагаченням. Використовували також нечисленні поклади самородної міді, одне з таких родовищ — біля с. Великий Мідськ на Волині. Можливе також використання місцевих покладів сировини — у Подністер'ї, Буго-Дніпровському межиріччі.

Наприкінці мідної доби трипільці навчилися не тільки плавити мідь, а й додавати до неї арсен, а потім і олово для одержання бронзи. Переважала ковальська обробка металу, якою трипільські майстри володіли досконало. Згодом значною мірою розширюється асортимент виробів — як прикрас, так і знарядь праці, переважна кількість яких виготовлена на місці. Продовжуючи ковальські традиції попереднього етапу, трипільські майстри опановують фігурне кування та лиття — як у відкриті, так і у складні закриті форми.

Трипільці і близькосхідне населення практично одночасно опановують спочатку мідь, потім її сплави. В Трипіллі з'являються сплави міді та срібла, в Месопотамії — сплавом міді та свинцю. А згодом одночасно поширюються бронзові вироби.

Властивості бронзи, сучасне маркування та використання бронз

Бронзи мають високі механічні і антифрикційні властивості, корозійну стійкість, добрі ливарні властивості та оброблюваність різанням.

Бронзи маркуються літерами Бр. Легуючі елементи позначаються початковою літерою назви цього елемента: А — алюміній, Б — берилій, Ж — залізо, К — кремній, Мг — магній, Мц — марганець, Н — нікель, О — олово, С — свинець, Ф — фосфор, Ц — цинк за буквами вказується вміст легуючих елементів у процентах.

• Бронзи олов'яні, що обробляються тиском (ГОСТ 5017-74):
  • БрО6,5Ф0,4 (олова 6,5%, фосфору 0,4%, решта — мідь). Має міцність 343…442 МПа, твердість 67…87 HB. Виготовляють пружини, деталі машин;
  • БрО4Ц3; (олова 4%, цинку 3%, решта — мідь). Має міцність 295…392 МПа, твердість 48…67 HB. Струмопровідні пружини, контакти штепсельних рознять, деталі хімічної апаратури;
  • БрО7Ф0,2 (олова 7%, фосфору 0,2%, решта — мідь). Має міцність 372…442 МПа, твердість 82…92 HB. Виготовляють пружини, зубчасті колеса, втулки, прокладки високонавантажених машин;
• Бронзи олов'яні ливарні (ГОСТ 613-79):
  • БрО3Ц7С5Н1 (олова 3%, цинку 7%, свинцю 5%, нікелю 1%, решта — мідь). Має міцність 176…206 МПа, твердість 60 HB. Деталі, що працюють в маслі, парі чи прісній воді.
  • БрО5Ц5С5 (олова 5%, цинку 5%, свинцю 5%, решта — мідь). Має міцність 147…176 МПа, твердість 60 HB. Арматура, антифрикційні деталі, вкладиші підшипників.
  • БрО10Ц2. Має міцність 216…225 МПа, твердість 64…74 HB. Використовують для виготовлення підшипників, парової і водяної арматури, деталей тертя, антифрикційних деталей та гребних гвинтів;
  • БрО10С10. Має міцність 176…196 МПа, твердість 67…74 HB. Використовують для виготовлення підшипників ковзання, що працюють при високих питомих навантаженнях.
• Бронзи безолов'яні, що обробляються тиском (ГОСТ 18175-78):
  • БрА7 (алюмінієва бронза). Має міцність 432…490 МПа, твердість 63…72 HB. Деталі для хімічного машинобудування, ковзні контакти;
  • БрК3Мц1 (кремниста бронза). Вміст кремнію- 3%, марганцю- 1% Має міцність 343…392 МПа, твердість 66…77 HB. Деталі всіх видів для хімічних апаратів, пружини і пружні деталі, деталі для суднобудування, а також зварних конструкцій.
  • БрК1Н3 (марганцева бронза). Має міцність 392…442 МПа, твердість 67…77 HB. Відповідальні деталі в моторобудуванні, напрямні втулки.
  • БрКд1(CuCd1), БрМг0,3 (кадмієва і магнієва бронзи). Мають міцність 256…332 МПа, твердість 48…67 HB. Колектори електродвигунів, деталі машин контактного зварювання та інші деталі.
  • БрБ2 (берилієва бронза). Має міцність 392…588 МПа, твердість 125…144 HB. Після термічної обробки (гартування і старіння) має міцність 1300…1400 МПа, а твердість 280…300 НВ. Виготовляють відповідальні пружини та мембрани, пружні контакти в електричних пристроях, а також, безіскровий інструмент.
• Бронзи безолов'яні ливарні (ГОСТ 493-79). Мають високу міцність, антифрикційність, застосовуються для виготовлення деталей, що працюють у важких умовах:
  • БрА10Ж3Мц2. Має міцність 578 МПа, твердість 98…118 HB. Виготовляються зубчасті колеса, втулки, клапани;
  • БрС30, БрС30Н2 (свинцева бронза). Має міцність 490 МПа, твердість 25 HB. Використовується для виготовлення важконавантажених підшипників;
  • БрА10Ж4Н4Л. Має міцність 578 МПа, твердість 157…167 HB. Деталі хімічної і харчової промисловості, а також деталі, що працюють при підвищених температурах.

Див. також

• Алюмінієва бронза
• Бронзування

Примітки

1. Спиж [ 12 травня 2014 у Wayback Machine.] у Словнику української мови у 11 томах. — Київ: Наукова думка, 1970—1980. — Т. 9. — С. 503.
2. ГОСТ 5017-74 Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением. Марки.
3. ГОСТ 613-79 Бронзы оловянные литейные. Марки.
4. ГОСТ 18175-78 Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением. Марки.
5. ГОСТ 493-79 Бронзы безоловянные литейные. Марки

Джерела

Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Бронза

• Всеобщая история химии. Возникновение и развитие химии с древнейших времен до XVII века. [ 5 вересня 2007 у Wayback Machine.] — Москва: Наука, 1980.
• Дудкін В. П. , Відейко М. Ю. Археометричні дослідження Трипільської цивілізації [ 2 лютого 2006 у Wayback Machine.]