Введение

Сплав меди и олова – металлический сплав. Бронза – это сплав, состоящий преимущественно из меди, обычно с содержанием около 12–12,5% олова и часто с добавлением других металлов (включая алюминий, марганец, никель или цинк), а иногда и неметаллов, таких как фосфор, или металлоидов, таких как мышьяк или кремний. Эти добавки создают ряд сплавов, которые могут быть тверже меди, или обладать другими полезными свойствами, такими как прочность, пластичность или обрабатываемость. Археологический период, в котором бронза была самым твердым металлом, широко используемым, известен как бронзовый век. Начало бронзового века в западной Евразии и Индии традиционно датируется серединой 4-го тысячелетия до нашей эры (~3500 г. до н.э.), а в Китае – началом 2-го тысячелетия до нашей эры; в других регионах он распространялся постепенно. За бронзовым веком последовал железный век, начавшийся около 1300 г. до н.э. и охвативший большую часть Евразии примерно к 500 г. до н.э., хотя бронза продолжала использоваться гораздо шире, чем в настоящее время. Поскольку исторические произведения искусства часто изготавливались из латуни (медь и цинк) и бронзы различного состава, современные музейные и научные описания старинных произведений искусства все чаще используют обобщенный термин «медный сплав» вместо названий отдельных сплавов. Это делается (по крайней мере частично) для предотвращения сбоев при поиске в базах данных из-за ошибок или разногласий в наименовании исторических медных сплавов.

История

Открытие бронзы позволило людям создавать металлические предметы, более твердые и долговечные, чем когда-либо прежде. Бронзовые инструменты, оружие, доспехи и строительные материалы, такие как декоративная плитка, были прочнее и долговечнее своих каменных и медных ("халколитических") предшественников. Изначально бронза изготавливалась из меди и мышьяка или из природных или искусственно смешанных руд этих металлов, образуя мышьяковую бронзу. Самые ранние известные артефакты из мышьяковой меди происходят из культуры Яхья (период V, 3800–3400 гг. до н.э.) на Иранском плато, в Таль-и-Иблис, и были выплавлены из местной мышьяковой меди и медных арсенидов, таких как алгодонит и домейките. Самый ранний артефакт из сплава олова и меди датируется ок. 4650 г. до н.э. и найден на поселении культуры Винча в Плочнике (Сербия); считается, что он был выплавлен из природной руды олова и меди – станнита. Руды меди и гораздо более редкого олова редко встречаются вместе (исключения составляют Корнуолл в Великобритании, одно древнее место в Таиланде и одно в Иране), поэтому серьезная работа с бронзой всегда включала торговлю с другими регионами. Источники олова и торговля в древности оказали значительное влияние на развитие культур. В Европе основным источником олова были британские месторождения в Корнуолле, с которыми торговали вплоть до Финикии в восточном Средиземноморье. Во многих частях мира находят большие клады бронзовых артефактов, что свидетельствует о том, что бронза также представляла собой ценность и показатель социального статуса. В Европе обнаружены большие клады бронзовых инструментов, обычно топоров с ушкообразным выступом (как показано на иллюстрации выше), которые в основном не имеют следов износа. В случае с китайскими ритуальными бронзами, о которых известно из надписей на них и других источников, все ясно: их изготавливали в огромных количествах для элитных захоронений, а также использовали живые для ритуальных подношений.

Переход на железо

Хотя бронза, как правило, тверже кованого железа – твердость по Викерсу составляет 60–258 против 30–80 – бронзовый век сменился железным веком после серьезных перебоев в торговле оловом: миграции населения примерно в 1200–1100 гг. до н.э. сократили поставки олова по Средиземному морю и из Британии, ограничив предложение и повысив цены. С развитием технологий обработки железа, оно становилось дешевле и улучшалось по качеству. По мере перехода культур от ручной ковки железа к машинному (обычно с использованием молотов, приводимых в действие водой), кузнецы научились выплавлять сталь. Сталь прочнее и тверже бронзы, а также дольше сохраняет остроту. Бронза продолжала использоваться в железный век и до сих пор применяется для многих целей.

Состав

Существует множество различных сплавов бронзы, но обычно современная бронза состоит из 88% меди и 12% олова. Альфа-бронза состоит из альфа-твердого раствора олова в меди. Альфа-бронзовые сплавы с содержанием 4–5% олова используются для изготовления монет, пружин, турбин и лопастей. Исторические "бронзы" сильно варьируются по составу, поскольку большинство металлургов, вероятно, использовали любой доступный лом; металл английского Глостерского подсвечника XII века – бронза, содержащая смесь меди, цинка, олова, свинца, никеля, железа, сурьмы, мышьяка и необычно большого количества серебра – от 22,5% в основании до 5,76% в поддоне под свечой. Соотношение этих компонентов позволяет предположить, что подсвечник был изготовлен из старой монеты. Бронзы Бенина XIII века на самом деле являются латунными, а романский крестильный купель XII века в церкви Святого Варфоломея в Льеже иногда описывается как бронза, а иногда как латунь. В бронзовом веке обычно использовались две формы бронзы: "классическая бронза" (около 10% олова) применялась для литья, а "мягкая бронза" (около 6% олова) ковалась из слитков для изготовления листов. Оружие с лезвием в основном отливалось из классической бронзы, в то время как шлемы и доспехи ковались из мягкой бронзы. Современная коммерческая бронза (90% меди и 10% цинка) и архитектурная бронза (57% меди, 3% свинца, 40% цинка) более правильно классифицируются как латунные сплавы, поскольку содержат цинк в качестве основного легирующего элемента. Они широко используются в архитектурных целях. Пластичная бронза содержит значительное количество свинца, что улучшает ее пластичность, и, возможно, использовалась древними греками в кораблестроении. Ее состав: Si: 2,80–3,80%, Mn: 0,50–1,30%, Fe: не более 0,80%, Zn: не более 1,50%, Pb: не более 0,05%, Cu: остальное. Другие бронзовые сплавы включают алюминиевую бронзу, фосфорную бронзу, марганцевую бронзу, колокольный металл, мышьяковую бронзу, спекулярный металл, висмутовую бронзу и сплавы для тарелок.

Свойства

Сплавы на основе меди имеют более низкую температуру плавления, чем сталь или железо, и их легче производить из составляющих металлов. Они обычно примерно на 10 процентов плотнее стали, хотя сплавы с использованием алюминия или кремния могут быть немного менее плотными. Бронза лучше проводит тепло и электричество, чем большинство сталей. Стоимость сплавов на основе меди обычно выше, чем у сталей, но ниже, чем у сплавов на основе никеля. Бронзы обычно являются пластичными сплавами, значительно менее хрупкими, чем чугун. Медь и ее сплавы имеют огромное разнообразие применений, отражающее их универсальные физические, механические и химические свойства. Некоторые распространенные примеры включают высокую электропроводность чистой меди, низкие коэффициенты трения подшипниковой бронзы (бронзы с высоким содержанием свинца – 6–8%), резонансные свойства колокольной бронзы (20% олова, 80% меди) и устойчивость к коррозии морской водой ряда бронзовых сплавов. Температура плавления бронзы варьируется в зависимости от соотношения компонентов сплава. Бронза обычно немагнитна, но определенные сплавы, содержащие железо или никель, могут обладать магнитными свойствами. Как правило, бронза окисляется только поверхностно; после образования слоя оксида меди (который со временем превращается в карбонат меди), основной металл защищен от дальнейшей коррозии. Это можно наблюдать на статуях эллинистического периода. Однако, если образуются хлориды меди, возникает режим коррозии, называемый "бронзовой болезнью", который в конечном итоге полностью разрушает металл.

Применение

Бронза или бронзоподобные сплавы и смеси использовались для изготовления монет в течение более длительного периода времени. Бронза особенно хорошо подходила для использования в судовых деталях и оснастке до широкого распространения нержавеющей стали благодаря сочетанию прочности и устойчивости к коррозии в соленой воде. Бронза до сих пор широко применяется в судовых винтах и подводных подшипниках. В 20-м веке кремний был введен в качестве основного легирующего элемента, что привело к созданию сплава с широким спектром применения в промышленности и наиболее распространенной формы, используемой в современной скульптуре. Скульпторы могут предпочитать кремниевую бронзу из-за доступности сварочных прутков из кремниевой бронзы, позволяющих выполнять ремонт отливок с сохранением цвета. Алюминий также используется для создания конструкционного металла – алюминиевой бронзы. Бронзовые детали прочны и обычно применяются для изготовления подшипников, зажимов, электрических разъемов и пружин. Бронза также обладает низким коэффициентом трения при контакте с различными металлами, что делало ее важным материалом для пушек до появления современных допусков, когда железные ядра могли застревать в стволе. Она до сих пор широко используется для пружин, подшипников, втулок, первичных подшипников автомобильных коробок передач и аналогичных деталей, особенно часто встречается в подшипниках небольших электродвигателей. Фосфорная бронза особенно подходит для прецизионных подшипников и пружин, а также используется в струнах для гитар и фортепиано. В отличие от стали, бронза при ударе о твердую поверхность не образует искр, поэтому она (вместе с бериллиевой медью) используется для изготовления молотков, кувалд, гаечных ключей и других прочных инструментов, предназначенных для работы во взрывоопасных средах или в присутствии легковоспламеняющихся паров. Бронза используется для изготовления бронзовой ваты для деревообработки, поскольку стальная вата может окрашивать дуб. Фосфорная бронза применяется для судовых винтов, музыкальных инструментов и электрических контактов. Подшипники часто изготавливают из бронзы благодаря ее антифрикционным свойствам. Ее можно пропитывать маслом для получения запатентованного материала Oilite и аналогичных материалов для подшипников. Алюминиевая бронза тверда и износостойка и используется для подшипников и направляющих станков.

Архитектурная бронза

Здание Сиграм на Парк-авеню в Нью-Йорке – это "иконический стеклянный параллелепипед, облицованный бронзой, спроектированный Мисом ван дер Роэ". Здание Сиграм стало первым случаем, когда всё здание было облицовано бронзой. General Bronze Corporation изготовила 3 200 000 фунтов (1600 тонн) бронзы на своем заводе в Гарден-Сити, штат Нью-Йорк. "Бронза была выбрана из-за ее цвета до и после патинирования, устойчивости к коррозии и свойств экструзии. Ассирийский царь Сеннахирим (704–681 гг. до н.э.) утверждает, что первым отлил монументальные бронзовые статуи (до 30 тонн), используя двухсоставные формы вместо метода литья по выплавляемой модели. Бронзовые статуи считались высшей формой скульптуры в древнегреческом искусстве, хотя сохранилось их немного, поскольку бронза была ценным и дефицитным материалом в поздней античности и средневековье. Многие из самых известных греческих бронзовых скульптур известны по римским копиям из мрамора, которые имели больше шансов сохраниться. В Индии были найдены бронзовые скульптуры периодов Кушанов (сокровище Чаусы), Гуптов (Брахма из Мирпур-Хаса, сокровище Акоты, Будда из Султанганджа) и более поздних периодов (сокровище Ханси). Индийские индуистские мастера периода империи Чола в Тамил-Наду использовали бронзу для создания сложных статуй методом литья по выплавляемой модели с изысканной детализацией, изображающей божеств индуизма. Это искусство сохранилось до наших дней, и многие сильпи, ремесленники, работают в районах Свамималаи и Ченнаи. В древности другие культуры также создавали выдающиеся произведения искусства из бронзы. Например: в Африке – бронзовые головы Королевства Бенин; в Европе – греческие бронзы, как правило, фигуры из греческой мифологии; в Восточной Азии – китайские ритуальные бронзы династий Шан и Чжоу, чаще всего церемониальные сосуды, но также и некоторые фигурки. Бронза и сегодня остается одним из материалов, используемых для создания монументальных статуй.

Лампы

Студия Tiffany Glass, прославившаяся благодаря Луису Комфорту Тиффани, обычно называла свою продукцию фаврильным стеклом или "стеклом Тиффани" и использовала бронзу в своих изделиях ручной работы для изготовления ламп Тиффани.

Фонтаны и двери

Крупнейший и наиболее богато украшенный бронзовый фонтан, когда-либо отлитый в мире, был создан в 1952 году компаниями Roman Bronze Works и General Bronze Corporation. Материал, использованный для фонтана, известный как скульптурная бронза, представляет собой четырёхкомпонентный сплав из меди, цинка, олова и свинца и традиционно имеет золотисто-коричневый цвет. Он был изготовлен для мемориала Эндрю В. Меллона в Федеральном треугольнике в Вашингтоне, округ Колумбия. Другим примером масштабных, богато украшенных проектов из бронзы, выполненных компаниями General Bronze/Roman Bronze Works, являются массивные бронзовые двери здания Верховного суда США в Вашингтоне, округ Колумбия.

Зеркала

До того как появилась возможность изготавливать стекло с достаточно ровной поверхностью, бронза была стандартным материалом для зеркал. Бронзу для этой цели использовали во многих частях света, вероятно, благодаря независимым открытиям. Бронзовые зеркала сохранились со времен Среднего царства Египта (2040–1750 гг. до н.э.) и в Китае, начиная как минимум с ок. 550 г. до н.э. В Европе этруски изготавливали бронзовые зеркала в VI веке до н.э., а греческие и римские зеркала делались по тому же принципу. Несмотря на то, что в обиход вошли и другие материалы, такие как спекулярное металлическое покрытие, и западные стеклянные зеркала стали преобладающими, бронзовые зеркала продолжали изготавливать в Японии и других странах в XVIII веке, и до сих пор их производят в небольших количествах в Керале, Индия.

Музыкальные инструменты

Бронза является предпочтительным металлом для изготовления колоколов, в виде высокооловянного бронзового сплава, известного как колокольный металл, который обычно содержит около 23% олова. Почти все профессиональные тарелки (цимбалы) изготавливаются из бронзы, что обеспечивает желаемый баланс между прочностью и тембром. Используются различные типы бронзы, наиболее распространены бронза B20, состоящая примерно из 20% олова и 80% меди с незначительными примесями серебра, и более твердая бронза B8, содержащая 8% олова и 92% меди. С увеличением содержания олова в колоколе или тарелке тембр понижается. Бронза также используется для обмотки стальных и нейлоновых струн различных струнных инструментов, таких как контрабас, фортепиано, клавесин и гитара. Бронзовые струны обычно применяются в фортепиано для низких нот, поскольку они обладают лучшей устойчивостью звучания по сравнению с высокопрочной сталью. Бронзы с различными металлургическими свойствами широко используются в ударных идиофонах по всему миру, в частности, в колоколах, поющих чашах, гонгах, тарелках (цимбалах) и других азиатских идиофонах. Примеры включают тибетские поющие чаши, храмовые колокола различных размеров и форм, яванский гамелан и другие бронзовые музыкальные инструменты. Самые ранние археологические находки бронзы в Индонезии датируются 1–2 веком до нашей эры, включая плоские пластины, вероятно, подвешенные и ударяемые деревянным или костяным молотком. Древние бронзовые барабаны из Таиланда и Вьетнама датируются 2000 годом до нашей эры. Бронзовые колокола из Таиланда и Камбоджи датируются 3600 годом до нашей эры. Некоторые компании сейчас производят саксофоны из фосфорной бронзы (содержание олова от 3,5 до 10% и до 1% фосфора). Колокольный металл/B20 используется для изготовления резонаторных колец многих профессиональных моделей банджо. Резонаторное кольцо – это тяжелое (обычно) сложенное или арочное металлическое кольцо, прикрепленное к толстому деревянному ободу, поверх которого натягивается кожа или, чаще, пластиковая мембрана (или дека). Именно колокольный металл придает банджо четкий, мощный нижний регистр и ясный, колокольный верхний регистр.

Монеты и медали

Бронза также использовалась для изготовления монет; большинство так называемых "медных" монет на самом деле сделаны из бронзы, содержащей около 4% олова и 1% цинка. Как и в случае с монетами, бронза на протяжении веков использовалась при изготовлении различных видов медалей, а "бронзовые медали" в наше время известны как награда за третье место в спортивных соревнованиях и других мероприятиях. В настоящее время этот термин часто употребляется для обозначения третьего места, даже если фактическая бронзовая медаль не вручается. Это связано, отчасти, с тем, что трио – золото, серебро и бронза – символизируют первые три эпохи человечества в греческой мифологии: Золотой век, когда люди жили бок о бок с богами; Серебряный век, когда молодость длилась сто лет; и Бронзовый век – эпоху героев. Впервые эта система была применена к спортивному соревнованию на летних Олимпийских играх 1904 года. На соревнованиях 1896 года победителям вручали серебряные медали, а призерам – бронзовые, в то время как в 1900 году вместо медалей вручались другие призы. Бронза является традиционным материалом для изготовления плакетки – как правило, это прямоугольное произведение искусства с рельефным изображением, предназначенное для коллекционеров.

Библейские ссылки

В Библии более 125 раз упоминается бронза ("нехошет"), которое, по-видимому, является еврейским словом, обозначающим медь и любые ее сплавы. Однако, считается, что у евреев эпохи Ветхого Завета не было возможности производить цинк (необходимый для изготовления латуни), поэтому, вероятно, "нехошет" относится к меди и ее сплавам с оловом, которые мы сейчас называем бронзой. В переводе короля Иакова слово "бронза" не используется, а "нехошет" переводилось как "латунь". В современных переводах используется "бронза". Бронза (нехошет) широко использовалась в Скинии для изготовления таких предметов, как бронзовый жертвенник (Исход, глава 27), бронзовая чаша для омовений (Исход, глава 30), посуда и зеркало (Исход, глава 38). Она упоминается в рассказе о том, как Моисей вознес бронзового змея на шесте (Числа, глава 21). В Первой книге Царств говорится, что Хирам был очень искусным мастером по работе с бронзой и изготовил множество предметов мебели для храма Соломона, включая колонны, капители, подставки, колеса, чаши и блюда, некоторые из которых были богато украшены (см. 1 Царств 7:13-47). Бронза также широко использовалась для изготовления боевых доспехов и шлемов, как, например, в битве Давида и Голиафа (1 Царств 17:5-6, 38; см. также 2 Паралипоменон 12:10).