Bronze

Cavall grec de bronze

Fragment d'un retrat de bronze de Marc Aureli.

El bronze és qualsevol dels diferents aliatges composts sobretot per coure i estany. Ni els bronzes moderns ni els antics contenen només aquests dos metalls. El bronze és més resistent i dur que qualsevol altre aliatge comú, excepte l'acer, al qual supera en resistència a la corrosió i facilitat de lubricació. Per aquest motiu va suposar un important avenç tecnològic que dóna nom a l'Edat del Bronze.

El bronze es coneix des de l'antiguitat. Els grecs i els romans van afegir zinc, plom i plata als aliatges de bronze per utilitzar-los en eines, armes, monedes i objectes d'art.

Armes de l'edat de bronze

El zinc, el plom i altres metalls es troben ocasionalment en el bronze que actualment es fabrica. Les propietats del bronze varien segons els seus components. Així, quan conté almenys un 10% d'estany, l'aliatge és dur i té un punt de fusió baix. Els noms de les varietats del bronze provenen dels components addicionals, com per exemple, el bronze d'alumini, el bronze de manganès, i el bronze de fòsfor. El bronze modern s'utilitza en la foneria artística i en la fabricació d'instruments musicals.

Cal destacar entre les seves aplicacions actuals el seu ús en parts mecàniques resistents al frec i a la corrosió, en instruments musicals de bona qualitat com campanes, gongs, platerets, saxofons, i en la fabricació de cordes de pianos, arpes i guitarres.

Etimologia

El terme bronze deriva probablement del persa "berenj", (llautó). Altres versions ho relacionen amb el llatí "aes brundisium" (mineral de Bríndisi) per l'antic port de Brindisium. Es creu que l'aliatge pot haver estat enviada per mar a aquest port, i des d'allí era distribuïda a tot l'Imperi romà.

Història

Pendent-ganivet de la Edat de bronze provinent de Ucraïna.

La introducció del bronze va resultar significativa en qualsevol civilització que el va trobar, constituint l'aliatge més innovador en la història tecnològica de la humanitat. Einess armes, i diversos materials de construcció com mosaics i plaques decoratives van aconseguir major duresa i durabilitat que els seus predecessors en pedra o coure calcopirític.

La tècnica consistia a barrejar el mineral de coure (en general calcopirita o malaquita) amb el d'estany (cassiterita) en un forn alimentat amb carbó vegetal. El carboni del carbó vegetal reduïa els minerals a coure i estany que es fonien i aliaven amb el 5 al 10 % en pes d'estany. El coneixement metal·lúrgic de la fabricació de bronze va donar origen en les diferents civilitzacions a l'anomenada Edat de Bronze.

Inicialment les impureses naturals de l'arsènic permetien obtenir un aliatge natural superior, denominada bronze arsenical. Aquest aliatge, amb no menys del 2 % d'arsènic, s'utilitzava durant l'Edat de Bronze per a la fabricació d'armes i eines, tenint en compte que l'altre component, l'estany, no era freqüent en moltes regions, i havia de ser importat de paratges llunyans.

Placa de bronze polida.

La presència d'arsènic fa a aquest aliatge altament tòxic, ja que produeix (entre altres efectes patològics) atròfia muscular i pèrdua de reflexos.

Estàtua en coure del faraó Pepi I. Segle XXIII a. C.

Els aliatges basats en estany més antics que es coneixen daten del quart mil·lenni a.d.C. a Susa, (actual Iran) i altres llocs arqueològics a Luristan i Mesopotàmia.

Encara que el coure i l'estany poden aliar-se amb facilitat, rarament es troben mines mixtes, si bé existeixen algunes poques excepcions en antics jaciments a Iran i Tailàndia. El forjat regular del bronze va involucrar des de sempre el comerç de l'estany. De fet, alguns arqueòlegs sospiten que un dels disparadors de l'Edat del ferro, amb el subseqüent i progressiu reemplaçament del bronze en les aplicacions més importants, es va deure a alguna interrupció seriosa en el comerç d'aquest mineral al voltant de 1200 a. C., en coincidència amb les grans migracions del Mediterrani. La principal font d'estany a Europa va ser Gran Bretanya, que posseeix dipòsits d'importància a Cornwall. Se sap que els fenicis van arribar fins a les seves costes amb mercaderies del Mediterrani per intercanviar-les per estany.

A l'Antic Egipte la majoria dels elements metàl·lics que s'elaboraven consistien en aliatges de coure amb arsènic, estany, or i plata. En tombes de l'Imperi Nou, o al temple de Karnak, es troben baix relleus mostrant una fosa datada en el segle XV aC

En el cas de la Grècia clàssica, coneguda per la seva tradició escultòrica en marbre, se sap que van desenvolupar igualment tècniques de fosa de bronze avançades, com ho demostren els bronzes de Riace, originats en el segle V a. C.

Bronzes de la dinastia Chola, Índia, aprox. segle X.

A l'Índia, la plenitud artística de la dinastia Chola va produir escultures notables entre els segles X i XI de la nostra era, representant les diferents formes del déu Siva i altres deïtats.

Les civilitzacions d'Amèrica prehispànica coneixien totes l'ús dels aliatges de bronze, prou que molts utensilis i eines continuaven fabricant-se en pedra. S'han trobat objectes fabricats amb aliatges binaris de coure - plata, coure - estany, coure al plom i fins i tot aliatges poc usuals de llautó. Ja en l'època colonial, les foses més importants es trobaven al Perú i en Cuba, dedicades principalment a la fabricació de campanes i canons.

El bronze va seguir en ús perquè l'acer de qualitat no va estar àmpliament disponible fins a molts segles després: recentment amb les millores de les tècniques de fosa a inicis de l'Edat Mitjana a Europa es va obtenir acer més barat i resistent, eclipsant al bronze en moltes aplicacions.

Propietats

Exceptuant a l'acer, els aliatges de bronze són superiors a les de ferro en gairebé totes les aplicacions. Per la seva elevada calor específica, el major de tots els sòlids, s'empra en aplicacions de transferència de la calor.

Comparació entre bronzes i acers

Encara que desenvolupen la pàtina, no s'oxiden sota la superfície, són més fràgils i tenen menor punt de fusió. Són aproximadament 10 % més pesades que l'acer, a excepció de les compostes per alumini o sílice. També són menys rígides, per tant en aplicacions elàstiques com ressorts acumulen menys energia que les peces similars d'acer. Resisteixen la corrosió, fins i tot la d'origen marí, el llindar de fatiga metàl·lica és menor, i són millors conductors de la calor i l'electricitat.

Una altra característica diferencial dels aliatges de bronze respecte a l'acer, és l'absència d'espurnes quan xoca contra superfícies dures. Aquesta propietat ha estat aprofitada per fabricar martells, maces, claus ajustables i altres eines per a ús en atmosferes explosives o en presència de gasos inflamables.

Versatilitat

El coure i els seus aliatges tenen una àmplia varietat d'usos com a resultat de la versatilitat de les seves propietats mecàniques, físiques i químiques. S'ha de tenir en compte, per exemple, la conductivitat elèctrica del coure pur, l'excel·lent maleabilitat dels cartutxos de munició fabricats en llautó, la baixa fricció d'aliatges coure-plom, les sonoritat del bronze per campanes i la resistència a la corrosió de la majoria dels seus aliatges.

Principals aliatges

Tipus bàsics

Clau de bronze.

L'aliatge bàsic de bronze conté aproximadament el 88 % de coure i el 12 % d'estany. El bronze "alfa" és la barreja sòlida d'estany en coure. L'aliatge alfa de bronze amb 4 a 5 % d'estany s'utilitza per encunyar monedes i per fabricar ressorts, turbines, i eines de tall.

En molts països es denomina incorrectament "bronze comercial" al llautó, que conté el 90 % de coure i el 10 % de zinc, però no estany. És més dur que el coure, i té una ductilitat similar. S'utilitza en cargols i filferros.

Bronze arsenical

L'aliatge de coure amb arsènic és el primer bronze utilitzat per l'home. És un aliatge blanquecina, molt dura i fràgil. Es fabrica en una proporció del 70% de coure i el 30% d'arsènic.

La simple exposició a l'aire del bronze arsenical produeix una pàtina fosca. Aquesta circumstància, i l'alta toxicitat de l'arsènic la van convertir en un aliatge molt poc utilitzat, especialment a partir del descobriment de l'alpaca, plata alemanya o bronze blanc, coneguda des de temps antics a Xina i fabricada a Alemanya des de finals del segle XVIII.

Bronze sol

El denominat bronze sol (en alemany; Sonnenbronze) és un aliatge utilitzat en joieria, tenaç, dúctil i molt dura, que fon a temperatures properes a les del coure (1.357 °C) i està constituïda de fins al 60% de cobalt.

Cuproalumini

El Cuproalumini és un tipus de bronze, de color similar al de l'or, en el qual l'alumini és el metall d'aliatge principal que s'agrega al coure. Una varietat de bronzes d'alumini, de composicions diferents, han trobat ús industrial.

Bronze per a armes de foc

Canó pesat dels Dardanels, utilitzat pels turcs en el setge de Constantinoble (1453).

A partir del desCourement de la pólvora es va utilitzar un bronze per canons compost pel 90 al 91 % de coure i el 9 al 10 % d'estany, proporció que es denomina comunament "bronze ordinari". Aquestes armes eren conegudes a la Xina en èpoques tan primerenques com el segle XI aC, i a Europa es van utilitzar a partir del segle XIII tant per a canons com en falconets.

Pel segle XV l'artilleria de l'Imperi otomà comptava amb grans bombardes de bronze. Construïdes en dues peces, amb un llarg total de 5,20 m i 16,8 tones de pes, llançaven bales de 300 kg a una distància de fins a 1.600 metres. D'operació difícil, amb un rang de tir de no més de 15 trets diaris, van ser utilitzades en el setge de Constantinoble el 1453.

Bronze per a campanes

El Tsar Kolokol (rus.: "tsar de les campanes", és la major campana de bronze que es conserva. Fosa el 1733, mai es va utilitzar i s'exhibeix en el Kremlin de Moscou.

La fosa per a campanes és generalment fràgil: les peces noves presenten una coloració que varia del cendra fosc al blanc grisenc, amb tons vermell groguenc o fins i tot vermell blavós en els aliatges amb major contingut de coure.

La major proporció de coure produeix tons més greus i profunds a igualtat de massa, mentre que l'agregat d'estany, ferro o zinc produeix tons més aguts. Per obtenir una estructura més cristal·lina i produir variants en la sonoritat, els fonedors han utilitzat també altres metalls com antimoni o bismut, si bé en petites quantitats.

L'aliatge amb major sonoritat per fabricar campanes és el denominat metall de campana, que consta de 78% de coure i de 22% d'estany. És relativament fàcil per fondre, té una estructura granulosa compacta amb fractura vitri-concoidea de color vermellós. Aquest tipus de bronze era conegut des l'antiga l'Índia per fabricar gongs. Encara que poc freqüent pel seu cost, l'afegiment de plata és una de les poques que millora encara més la sonoritat.

TA la Xina es coneixia un aliatge amb 80% de coure i 20% d'estany per fabricar campanes, grans gongs i timbals.

A l'Anglaterra es va utilitzar un aliatge constituït per 80% de coure, 10,25% d'estany, 5,50% de zinc i 4,25% de plom. És de sonoritat menor, tenint en compte que el plom no s'homogeneïtza amb l'aliatge.

Per a campanetes i instruments petits es va utilitzar freqüentment un aliatge del 68% de coure i el 32 % d'estany, que resulta en un material fràgil, de fractura ventafocs.

Per a platerets i gongs s'usen diversos aliatges que van des d'un aliatge temperat amb el 80% de coure i el 20% d'estany (B20), 88 % de coure i 12 estany (B12, ej ZHT Zildjian, Alpha Paiste), i la més econòmica B8, la qual consisteix en solament el 8 % d'estany pel 92% de coure (Exemple, B8 Sabian, Paiste 201, Zildjian ZBT). El temperi s'aconsegueix tornant a escalfar la peça fosa i refredant-la ràpidament.

La major campana que es conserva, anomenada Tsar Kolokol, va ser fosa el 1733 per Ivan Morotin, per encàrrec de l'emperadriu Anna de Rússia, neboda del Tsar Pere el Gran. Amb un pes de 216 tones, 6,14 m d'altura i 6,6 de diàmetre. Mai va ser utilitzada com a instrument, ja que un incendi el 1737 va destruir els seus grans suports de fusta. Des de 1836 s'exhibeix en el Kremlin de Moscou.

Kara kane

Estàtua de bronze de Buda Daibutsu, el Kamakura, Japó, té 11,40 m d'altura i 93 tones de pes.

El kara-kane és un bronze per a campanes i orfebreria tradicional del Japó constituït per 60% de coure, 24% d'estany, i 9% de zinc, amb agregats de ferro i plom.

Molts orfebres solen agregar-li petites quantitats d'arsènic i antimoni per endurir al bronze sense perdre fusibilitat, i aconseguir major detall en la impressió dels motlles.

El kara-kane és molt utilitzat per a artesania i estatuaria no solament pel seu baix punt de fusió, gran fluïdesa i bones característiques de farciment de motlle, sinó per la seva superfície suau que ràpidament desenvolupa una fina pàtina.

Existeix una varietat singular denominada seniokuthis, o bronze daurat, originada en l'època de la dinastia Ming a laXina, que destaca per la seva textura lustrosa i la seva tonalitat daurada. En la seva fabricació tenen especial importància les tècniques de pàtina.

Les grans escultures de Buda realitzades pels orfebres japonesos demostren l'alt domini tècnic que posseïen i tenint en compte la seva gran grandària, la majoria d'elles va haver de ser fosa en el lloc d'emplaçament per mitjà de successives etapes.

Aliatges que imiten la plata

• Metall de Tonca: aliatge compost per un 36% de coure, 28% de níquel i quantitats iguals d'estany, plom, ferro, zinc i antimoni. És un metall difícil de fondre, poc dúctil, que s'utilitza amb poca freqüència.
• Mina plata: fabricada amb 57% de coure, 40% de níquel, 3% de tungstè i traces d'alumini, té la propietat de no ser atacada pel sofre i presenta propietats molt similars a la plata.

Aliatges amb plom

Per a la fabricació de coixinets i altres peces sotmeses a fricció solen utilitzar-se aliatges de bronze amb fins a un 10% de plom, que li atorga propietats autolubricants.

La característica distintiva del plom és que no forma aliatge amb el coure; d'allí que queda distribuït d'acord a la tècnica de fos en la massa de l'aliatge, sense barrejar-se íntimament. Per aquest motiu, l'escalfament excessiu d'una peça de maquinària construïda amb aquest material pot portar a la "exsudació" de plom que queda aparent com a fang o llot. El reciclatge d'aquestes peces és també dificultós, perquè el plom es fon i separa de l'aliatge molt abans que el coure arribi a punt de fusió.

Aliatges comercials

Codi	Denominació	Composició %	Densitat gr/cm3	Duresa Brinell	Mod.Elàstic Gpa	Resist. elec. ohm/cm	Cond.tèrmica W/mK	Punt fusió °C	Aplicacions
SAE40		Cu 85 Pb 5 Sn 5 Zn 5	8,82	60	93	1,2-05	71,9	854
SAE64		Cu 80 Pb 10 Sn 10	8,88	60	76	1,7-5	46,9	762
UNS C22000	Comercial 90-10	Cu 89/91 Fe < 0,05 Pb < 0,05 Zn 12,5	8,80	53	115	3,91-6	189	1020	matrius d'impressió, laminatges, cargols
UNS C22600	Bronze de joieria	Cu 86/89 Fe < 0,05 Pb < 0,05 Zn 12,5	8,78	55	115	4,30-6	173	1005	cremalleres, bijouterie, monedas
UNS C31400	Temperat comercial amb plom	Cu 87,5/90,5 Fe < 0,1 Ni| < 0,7 Pb 1,3/2,5 Zn 9,25 Altres < 0,05	8,83		115		180	1010	cargols, contactores elèctrics, parts d'eines
UNS C31600	Temperat niquelat	Cu 87,5/90 Fe < 0,1 Ni 0,7/1,2 Ph 0,04/0,1 Pb 1,2/2,5 Zn 8,1	8,86		115		140	1010	cargols, contactores elèctrics, parts d'eines
UNS C40500	Bronze d'alta conductivitat	Cu 95 Sn 1 Zn 4

Tècnica de fosa

El mètode més utilitzat per a la fosa artística del bronze és el de cera perduda o microfusió, que -amb diverses variants- segueix els passos següents:

1. Modelatge original en fang, escaiola o un altre material.
2. Presa del motlle principal, generalment en escaiola. Una vegada forjat, es retira el nucli (model original).
3. El motlle "negatiu" s'omple amb cera per produir un "positiu" d'aquest material.
4. Es recobreix la cera amb una barreja d'argila. Una vegada seca, es porta a forn, on la cera es fon i es "perd".
5. En el cas d'objectes petits, el nou motlle serveix directament per al colat del bronze. Per a peces majors, és habitual omplir-ho amb una capa de cera que formarà una pel·lícula de l'espessor desitjat per al bronze, i l'interior (mascle) s'emplena amb material refractari. Tot el procés requereix la col·locació d'aireadores, canals de colat i diverses cures per obtenir una bugada homogènia.
6. Acabat que inclou llimat d'imperfeccions, asprors i poliment de la peça.
7. Pàtina, mitjançant l'aplicació de diferents àcids i escalfament a bufador per agilitar l'oxidació.

Referents culturals

Armadura romana de bronze

La medalla de bronze simbolitza el tercer classificat en una competició esportiva. També fa referència als 22 anys de casats.

Els caps de bronze eren un objecte màgic que responien a qualsevol pregunta, i un dels ornaments dels qui practiquen endevinació. Apareixen referències a aquests caps a obres com el Quixot o tractats d'alquímia.

També representa els 8 anys de matrimoni en diverses cultures occidentals: Noces de bronze. i és el vuitè nivell en la progressió de la sarbatana esportiva.

Bibliografia

• Lexikon der Metalltechnik. Handbuch für alle Gewerbetreibenden und Künstler auf metallurgischem Gebiet. Dirigido por J. Bersch. A. Editorial Hartlebens, Viena/Pest/Leipzig, sin año de publicación.
• Bronze – unverzichtbarer Werkstoff der Moderne. Instituto alemán del cobre (DKI), Düsseldorf 2003.
• T. L. Kienlin: Frühes Metall im nordalpinen Raum: Eine Untersuchung zu technologischen und kognitiven Aspekten früher Metallurgie anhand der Gefüge frühbronzezeitlicher Beile. En: Información arqueológica. 27, 2004, Pgs. 187–194.
• Fichas informativas i15 y i25 del Instituto alemán del cobre (DKI), Düsseldorf 2004.
• Guss aus Kupferlegierungen. Ernst Brunhuber, Schiele&Schön, Berlín 1986, ISBN 3-7949-0444-3.

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Bronze

• La metal·lúrgia del bronze als Andes del Sud Centrals Tiwanaku i San Pedro d'Atacama
• Procés de fosa del bronze
• Inventari nacional de contaminants - Estats Units Fitxa sobre coure i aliatges (en anglès)
• Una fosa de més de 125 anys en operacions (en anglès)
• Bronze, una tradició de 3.000 años (en anglès)
• Fosa tradicional camperola a la costa de l'Equador.