XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире сталкиваемся с растущим дефицитом ценных металлов, включая бронзу, которая широко используется в различных отраслях промышленности. Это вызывает необходимость исследования альтернативных материалов для замены бронзы и обеспечения устойчивости производства. В данном исследовании будет рассмотрено использование новых материалов, их свойства и применимость вместо бронзы, чтобы найти оптимальное решение для компенсации дефицита металлов.

Кроме того, важно рассмотреть экологические аспекты замены бронзы на другие материалы. Некоторые альтернативные материалы могут быть более экологически дружественными и устойчивыми к воздействию окружающей среды, что важно в современном мире, где все больше внимания уделяется экологической устойчивости производства.

Также следует учитывать экономические аспекты замены бронзы. Новые материалы могут быть более дешевыми или, наоборот, более дорогими в производстве что может повлиять на общую стоимость продукции. Поэтому важно провести анализ стоимости производства с использованием различных материалов для выбора оптимального варианта.

Исследование альтернативных материалов для замены бронзы имеет большое значение для промышленности и экономики в целом. Нахождение эффективных и устойчивых материалов поможет сократить зависимость от ценных металлов, улучшить экологическую устойчивость производства и обеспечить стабильность производственных процессов.

Актуальность: С дефицитом металлов, может упасть производимость бронзы, что также приведет к сокращению производства автомобильных деталей, подвижных узлов, сантехнических приборов и прочих деталей, основой которых является бронза.

Цель: Создание похожего свойствами на бронзу металла.

Задачи:

•                  Изучить состав и свойства бронзы.

•                  Подобрать состав, который будет похож на бронзу.

•                Сравнить продукт с бронзой.

Гипотеза: из-за дефицита металлов производство бронзы будет в упадке.

Практическая значимость заключается в производстве материала, похожего на бронзу.

Объект исследования: бронза.

Предмет исследования: металлы.

Методы                       исследования:               работа        с информацией ,проведения опытов, наблюдение, анализ, фотофиксация, описание.

ГЛАВА . ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.  Состав и свойства бронзы

Основной состав бронзы предполагает в себе цветные и благородные металлы. Поэтому мы будем рассматривать их.

Цветными металлами называют те, которые имеют характерный цвет и блеск. А чёрными - металлы, которые имеют хим. свойства, способствующие образованию тёмных оксидов.

Благородные металлы - это группа металлов, которые характеризуются высокой стойкостью к коррозии, химической инертностью.

Для себя на таблице химических элементов мы определили эти металлы   цветные металлы: бериллий, магний, алюминий, титан, ванадий, хром, никель, медь, цинк, цирконий, ниобий, молибден, палладий, серебро, гафний, вольфрам, тантал, платина, золото, свинец; благородные металлы: рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина, золото) и, предполагая, что их количество может стать дефицитным, мы поставили условие того, что для исследований нам нельзя их использовать.

Бронза состоит из двух основных компонентов - медь (86%-92,5%) и олово (3%-5%). К легирующим добавкам относят свинец (1,5%-3,5%) и цинк (3%-5%) в следующих процентах в сплаве.

Изучив литературные источники, мы выявили, что свойства бронзы можно разделить на две группы: физические и механические.

К физическим свойствам относят электропроводность, теплопроводность и характерный для бронзы красно-жёлтый цвет.

К механическим свойствам относят твёрдость, антифрикционный свойства, коррозионную устойчивость, а также прочность

1.2  Создание прототипа бронзы

Для создания материала, который был бы похож на бронзу, мы подобрали чёрные металлы и неметаллы, свойства которых похожи на основные компоненты в бронзе.

Медь обладает хорошей электропроводностью, а также теплопроводностью. Этими же свойствами обладает железо, поэтому медь в бронзе мы заменим железом.

Коррозионную стойкость бронзе придаёт олово. С этим также хорошо справляются фосфор и марганец.

Твёрдость обеспечивает цинк. С ним в этой области может конкурировать фосфор. Свинец бронзе даёт антифрикционные свойства. Его можно заменить железом.

Основываясь на изначальных процентных соотношениях компонентов в бронзе, мы также подобрали оптимальный состав для нашего прототипа:

Железо в количестве 87,5%-96%.

Марганец в количестве 3%-5%.

Фосфор в количестве 6%-9%.

1.3.                 Улучшение свойств материала

Существуют различные виды термической обработки, которые можно использовать для улучшения свойств бронзы. Наиболее распространенные типы включают отжиг, отпуск и закалку.

Отжиг

Отжиг — это процесс термообработки, который включает в себя нагрев бронзы до определенной температуры, выдержку ее при этой температуре в течение заданного времени, а затем медленное охлаждение. Этот процесс используется для снятия

внутренних напряжений в материале, повышения его пластичности и ударной вязкости, а также снижения его твердости.

Во время отжига бронза нагревается до температуры выше ее температуры

рекристаллизации, обычно между 500-700°C (932-1292°F). Металл выдерживают при этой температуре определенное время, зависящее от толщины и состава сплава. После этого материал медленно охлаждают до комнатной температуры либо в печи, либо на воздухе.

Закалка

Закалка — это процесс термической обработки, который включает нагрев бронзы до определенной температуры, а затем ее быстрое охлаждение для повышения ее твердости. Этот процесс используется для создания твердого поверхностного слоя материала при сохранении его пластичности и прочности.

Во время закалки бронза нагревается до температуры выше ее критической температуры, обычно от 800 до 950°C (1472-1742°F). Материал выдерживается при этой температуре определенное время, зависящее от толщины и состава сплава. После этого материал быстро закаливают в воде или масле.

Отпуск

Отпуск — это процесс термообработки, который включает нагрев бронзы до

определенной температуры и последующее ее охлаждение. Этот процесс используется для повышения прочности, твердости и ударной вязкости материала.

Во время отпуска бронза нагревается до температуры выше ее критической температуры, обычно от 250 до 500°C (482-932°F). Металл выдерживают при этой температуре

определенное время, в зависимости от желаемых свойств. После этого материал охлаждают.

Термическая обработка дает несколько преимуществ для бронзы, в том числе:

Улучшенная прочность:

Термообработка бронзы позволяет повысить прочность материала за счет изменения его микроструктуры. Нагревая и охлаждая металл, мы можем контролировать размер, форму и распределение зерен в сплаве, что может повысить его прочность и твердость.

Повышенная пластичность:

Термическая обработка бронзы также может повысить пластичность и ударную вязкость материала за счет снижения внутренних напряжений и улучшения его микроструктуры.

Это может сделать сплав более устойчивым к растрескиванию и разрушению под нагрузкой.

Лучшая стойкость к коррозии:

Термообработка может улучшить коррозионную стойкость бронзы за счет создания стабильного оксидного слоя на поверхности материала. Этот слой может защитить сплав от коррозии и других форм деградации, таких как потускнение, ржавчина и точечная коррозия. Это особенно важно для бронзы, используемой для наружных работ, таких как скульптуры или архитектурные элементы, где она подвергается воздействию суровых погодных условий.

Более высокая износостойкость:

Термообработка может улучшить износостойкость бронзы за счет создания более твердого поверхностного слоя материала. Это может сделать сплав более устойчивым к истиранию, трению и эрозии, увеличивая его прочность и долговечность.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1.  Практическая работа

          Исходя из нашей методики, мы начали изготавливать прототип.

Взяли железо в количестве 22 грамма, марганец в количестве 1 грамма и фосфор в количестве 2 грамм, а затем выплавили всё это в муфельной печи под температурой 1635 градусов Цельсия.(Приложение 1)

Для того, что бы наш прототип имел цвет как у бронзы, мы добавили в него некоторое количество метилового оранжевого.( Приложение 2)

2.1Сравнение прототипа с бронзой

В процессе сравнивания прототипа и бронзы, мы отталкивались от следующих критериев: визуальное сходство, а также наличие свойств как у бронзы.

По фотографии (приложение 2) можно заметить то, что оттенок у прототипа имеет характерный для бронзы цвет, красно-жёлтый.

Так как основным свойством бронзы является электропроводность, мы решили взять этот критерий в качестве сравнительной характеристики. Через формулу, в которой электропроводность равно единице делённой на

сопротивление, мы вычислили это свойство. Для нашего прототипа оно равно 10,2 см/м, а для бронзы 58,8 см/м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги работы, можно сделать вывод о том, что цель работы достигнута и поставленные задачи выполнены.

•               По мере нашего исследования мы выявили статистику дефицита цветных металлов, что помогло подтвердить нашу гипотезу о скором исчезновении бронзы.

•         Узнали какое влияние оказывают металлы и неметаллы на бронзу и за счёт этого подобрали схожие компоненты.

•         Нашли способы улучшить наш состав так, чтобы он служил качественнее и дольше.

•         Сравнили наш состав с бронзой.

Список литературы

1.    Н.Л. Глинка Общая химия. – М.: Интеграл-Пресс, 2006. Гл.VI.§6.2.

2.    Бронза, сплав // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.).— СПб., 1890—1907.

3.    Hedden, Thomas Dexter. The Names of the Metals in Slavic and Baltic and Their Significance for the Ethnogenesis of the Slavs, University of California in Berkeley, 1988, pt. 1,pp. 39-51, 168—188; pt. 2, p. 299.

5.  Она защищает бронзу. Наука и жизнь (2003). Архивировано 2 сентября 2017 года.

6.  Н. К. Чертко и др. Биологическая функция химических элементов. — Справочное пособие. — Минск, 2012. — 172 с.

7.      Бронза, сплав // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Приложения

Приложение 1. «Создание прототипа»

Приложение 2  «Сравнение нашего продукта с бронзой»