Латунь: состав сплава, характеристики, марки

Как можно отличить сплав латуни от бронзы

Иногда необходимо отличить бронзу от латуни. Именно бронзовые втулки используются в качестве подшипников.

Для этого существуют методы:

1. Бронза более темного цвета и значительно тяжелее. Это ощутимо при подбрасывании.
2. Бронзовые изделия тверже. Место скола будет крупнозернистым. Разлом латунной детали окажется гладким.
3. Берутся 2 пробирки с реактивом. В одну кладется стружка бронзы, в другую латуни. После подогрева, в первой появится белый осадок. Во второй ничего не произойдет.
4. В контакте латунной стружки с морской солью, она меняет свой цвет. Бронзовая стружка нет.

Латунь — это сплав, без которого уже невозможно обойтись в повседневной жизни. Металл входит в технологический процесс множества деталей промышленного производства, и заменить его не так просто.

Где применяется латунь?

Латунь на сегодняшний день один из самых широко применяемых металлов цветной металлургии созданных искусственным путем. В зависимости от качественных характеристик латунный сплав применяется в тех или иных сферах промышленности. Так двухкомпонентная латунь с содержанием цинка не более 20 процентов, используется для создания деталей и узлов различных машин и тепло передающих устройств. 40 процентов цинка дают возможность использовать ее для штамповки и производства фурнитуры.

Многокомпонентная латунь используется более широко. Из нее делают трубы, детали кораблей и летательных аппаратов, часы также не обходятся без такого сплава. Декоративно-художественные композиции, знаки различия для силовых структур делаются из такой марки цветметалла. Изделия которые необходимо отливать в специальных формах (арматура, сепараторы, подшипники скольжения) изготавливаются из литейной латуни. Автоматная латунь хорошо себя зарекомендовала при производстве деталей для крепежа (гайки, винты, болты и т. д.).

С давних пор в России латунь использовалась, и применяется сейчас, для изготовления такого исконно русского предмета обихода как самовар. Порой даже самые дорогие изделия делают из относительно дешевой латуни. Так например корпус всемирно известной зажигалки Zipo изготавливается именно из латуни.

Не обошли стороной латунь и ювелиры. На практике они выделяют три ее вида — желтая (цинк колеблется в пределах пятьдесят на пятьдесят), золотистая(незначительное количество цинка), зеленая (цинка в сплаве более 50 процентов). При содержании в сплаве 15 процентов цинка и 5 процентов алюминия, металл становится похожим на золото. Хороший мастер из такой латуни может сделать ювелирное изделие практически полностью напоминающее золотое и простой обыватель вряд ли найдет разницу. Чем очень часто пользуются мошенники, выдавая поддельные украшения за золотые. Очень часто на латунных сплавах проходят обучение ученики в ювелирных мастерских, оттачивая свое мастерство.

Таким образом можно смело говорить, что латунь является действительно важным элементом для хозяйственной деятельности человека и по крайней мере в ближайшее столетие потребность в ней будет только расти.

3 Процесс изготовления латуни

Латунь очень легко поддается ковке, очень вязка и поддатливо деформируется и принимает различные формы под ударом молота, растягивается в проволоку или просто штампуется в самые разнообразные детали. Относительно поддатливо плавится и отливается в температурных условиях ниже плавления меди.

Стандартная процедура изготовления происходит:

• В тиглях которые изготовлены из огнеустойчивой глины. Тигли нагреваются в шахтных или пламенных печах.
• Непосредственно в отражательных печах (без использования тиглей).

В момент смешивания меди и цинка сплав отливают в подготовленные формы из песка. Определенная часть цинка всегда испарается, что нужно обязательно помнить при формировании состава метала.

Химический состав и особенности внутренней структуры

Основными составными элементами считаются цинк и медь, концентрация которых будет самой большой. Состав латуни также может включать и другие примеси, которые придают сплаву особые физические свойства. Основной компонент латуни характеризуется высокой пластичностью и хорошей обрабатываемостью. Поэтому эти свойства передаются и рассматриваемому металлу.

Химический состав латуни регулируется на момент производства, как и тип структуры. Различают две разновидности структуры:

1. Альфа фаза – раствор, который обладает повышенной стабильностью. Рассматривая кристаллическую решетку следует отметить, что она имеет гранецентрированную кубическую форму. Встречается подобная структура крайне часто.
2. Альфа + бета фаза – еще один стабильный раствор, который можно охарактеризовать соотношением меди к цинку 3 к 2. За счет этого получается элементарная ячейка.

Стоит учитывать, что твердость второго сплава намного выше, чем первого. Однако за счет существенного повышения показателя твердости существенно падает пластичность. Максимальное содержание цинка в латуни составляет 50%. При соблюдении технологии производства подобная концентрация цинка позволяет достигнуть высоких показателей прочности и пластичности.

При производстве этого материала учитывается то, как температура нагрева влияет на проходящие структурные преобразования:

1. Если сплав нагревается до высоких температур, то атомы β-фазы начинают располагаться без определенного порядка. В подобном состоянии состав обладает повышенной пластичностью.
2. Если нагрев проводится до температуры 460 градусов Цельсия, то в составе формируется фаза, которая получила название β’. Особенностью этой фазы можно назвать повышенную твердость и хрупкость. Эти качества связаны с тем, что атомы расположены в строгом порядке.

Сложные латуни могут иметь в своем составе железо, марганец, свинец и другие компоненты, которые предназначены для изменения физических качеств. К примеру, свинец упрощает механическую обработку сплава.

Включение в состав свинца и висмута становится причиной снижения способности деформации сплава в горячем состоянии. Однако свинец в небольшой концентрации позволяет получить сыпучую стружку, за счет чего упрощается ее удаление с зоны резания при токарной или фрезерной обработке.

Марка латуни Л63

Это один из самых распространенных сплавов, который отливается в нашей стране. Понять, что означают буква и цифры в названии марки, несложно: «Л» — это собственно латунь, цифра 63 указывает на процентное содержание основного компонента, то есть меди. На самом деле реальность может немного отличаться от указанной цифры. Так, в составе латуни Л63 количество меди колеблется от 62 % до 65 %, а цинка в сплаве содержится от 34,2 % до 37,5 %.

Практически все латуни хорошо механически обрабатываются при низких (комнатных) температурах. Рассматриваемая марка не является исключением. Благодаря отличным механическим свойствам из нее изготавливают широкий ассортимент деталей, включая тонкие листы, трубы и пруты различной толщины.

Следует также упомянуть, что продукт рассматриваемой марки легко полируется, поэтому многие изделия бижутерии, изготовленные из него, имеют золотистый цвет и блестящий оттенок.

Одним из важных преимуществ латуни Л63 является ее относительная дешевизна по сравнению с другими сплавами, содержащими большее количество меди.

Структура и состав

Как и в других сплавах свойства материала определяются составом и фазовым состоянием. Причем различия настолько велики, что делают латуни разной марки невзаимозаменяемыми.

Различают 2 вида сплавов: двухкомпонентные и многокомпонентные.

• Двухкомпонентные, то есть, состоящие из 2 металлов. При этом могут наличествовать примеси, но в таком объеме, который на качества не влияет. Главным является медь, поэтому в маркировке, например, указывают лишь долю меди, а долю цинка просто рассчитывают. Свойства такого сплава во многом определяются фазовым составом.
  • Так, латунь с содержанием цинка до 39% включает только одну фазу – α -фазу. Такой сплав отличается высокой пластичностью, однако прочность его относительно невелика.
  • При повышении доли цинка металл не может полностью раствориться в меди, и в итоге появляется β-фаза. Пластичность при этом уменьшается, а прочность резко возрастает до содержания цинка в 45%, а затем снова падает.
• Многокомпонентные латуни наряду с медью и цинком включают и другие металлы и неметаллы. На свойства сплава они оказывают весьма заметное влияние. Определяются они характером компонента. Так, добавление олова значительно увеличивает стойкость к действию морской воды. А добавка никеля, например, увеличивает механическую прочность изделия из такой латуни.

Другая классификация связана с методами обработки сплава.

• Деформируемые, то есть, латуни, которые можно подвергать деформации в холодном состоянии. Выпускают такие сплавы латуни в виде листов, прутков, проволоки, из которых затем изготавливают, например, всевозможные трубы.
• Литейные – сплавы лиатуни, которые деформируют лишь под воздействием высокой температуры и давления при литье. Из такого материала детали отливают и получают подшипники, машинные детали, арматуру и прочее.

Используется классификация по доле цинка.

• Красная или томпак – доля цинка составляет 5–20%. Сплав отличается превосходными антифрикционными и антикоррозийными свойствами и используется для получения биметалла сталь-латунь.
• Желтая – с долей цинка от 20 до 36%. Состав сохраняет высокую пластичность.
• Техническая – с 48–50% цинка, применяется для получения фитингов, машинных деталей, частей химической аппаратуры и так далее.

О свойствах латуни по ГОСТу погорим ниже.

Рассмотрим, как легирующие элементы оказывают влияние на свойства латуней.

• Олово значительно увеличивает антикоррозийные свойства в морской воде, повышает прочность сплава. Латуни с оловом часто называют морскими.
• Марганец увеличивает прочность, сопротивление коррозии. Марганцевые латуни часто сочетают с оловом, железом и алюминием.
• Никель повышает коррозионные свойства и прочность в различных средах.
• Кремний понижает прочность и твердость, а также улучшает свариваемость. Латуни, содержащие кремний и свинец, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Такими сплавами можно заменить более дорогостоящие, например оловянные бронзы.
• Свинец значительно улучшает обрабатываемость резанием, но в тоже время ухудшает механические свойства. Свинцовые латуни называют автоматными, так как они обрабатываются на станках-автоматах. Данный сплав является самым распространённым.
• Алюминий снижает летучесть цинка, за счёт образования на поверхности расплавленной латуни защитной плёнки (оксида алюминия).

Порядок маркировки

Для маркировки рассматриваемого сплава были приняты определенные правила обозначения концентрации основных веществ. Все марки латуни начинаются с обозначения «Л», после которой могут идти буквы химических веществ, входящих в состав.

Деформируемый сплав латуни или иная его разновидность после первой буквы имеет число, характеризующее процент меди. Кроме этого маркировка может указывать на концентрацию легирующих элементов, для чего знак «Л» идет с другими буквенными обозначениями.

Для указания концентрации легирующих элементов после основной цифры ставится прочерк, затем указывается процентное содержание следующих элементов. Для разделения цифровых обозначений также применяется прочерк. Концентрация второго основного элемента (цинка) высчитывается, для чего от 100% значения отнимаются другие показатели концентрации меди и легирующих элементов. Примером того, как латунь обозначается согласно установленным стандартам назовем маркировку ЛАЖ70-1-2. Ее нужно читать следующим образом:

1. В состав сплава входит 70% меди.
2. Легирующими элементами выступает алюминий и железо, концентрация которых составляет 1% и 2% соответственно.
3. Концентрация цинка: 100 – 70 – 1 – 2 = 27%.

В некоторых случаях концентрация цинка указывается соответствующей буквой, а количество меди высчитывается. Подобный метол маркировки чаще применяется для обозначения литейных латуней.

Можно ли расплавить латунь в домашних условиях?

Сплав в домашних условиях плавить не рекомендуется.

Основные проблемы:

• Температурные ошибки. Для полного расплавления меди и цинка придется довести объект до температуры не менее 950 градусов. Сделать такую печь на практике не слишком легко, поскольку для этого понадобятся огнеупорные детали. Также Вам придется поддерживать высокую температуру в течение длительного времени, что приведет к большому расходу топлива.
• Коррозия и образование оксидов. При расплавлении латунной детали частицы меди и цинка начнут активно вступать в реакцию с воздухом. Это может привести к образованию сложных соединений. В состав которых помимо меди и цинка входят кислород, азот, углерод, другие вещества. Из-за этих добавок значительно повышается хрупкость выплавленной детали, что может сделать ее бесполезной.

Именно поэтому латунь рекомендуется переплавлять на специальных фабриках или заводах, где созданы необходимые условия (температура, защитная среда и так далее). Однако на практике многие люди все же выполняют переплавку латуни и в домашних условиях. В результате домашнего литья можно получить деталь среднего качества. Такие детали не рекомендуется использовать на объектах, сопряженных с опасностями (автомобильные детали, электрическое оборудование, арматура на больших зданиях).

Советы

Однако такие детали можно применять в домашнем хозяйстве (скажем, можно сделать латунные болты, шурупы или уголки для крепления объектов интерьера). Для выплавки латуни в домашних условиях нужно сделать печь, которая способна выдерживать до температуры выше 1000 градусов по цельсию (температура плавления в домашних условиях стандартная — 880-950 градусов). Чтобы укрепить печь, рекомендуется установить на печь металлический каркас (оптимальный сплав — легированная сталь).

Также Вам нужно будет изготовить или купить тигель, в котором будет происходить выплавка металла. Тигель следует делать из графита или шамотного кирпича. Эти материалы не плавятся при высоких температурах (температура расплава латуни в домашних условиях составляет 950 градусов). Также эти материалы не крошатся и не вступают в контакт с воздухом, что хорошо влияет на качество выплавки. Делать такую печь рекомендуется из огнеупорного кирпича, а для соединения отдельных элементов друг с другом следует использовать термостойкий раствор.

Для нагрева можно использовать древесный уголь. Главный плюс угля заключается в том, что его применение минимизирует риск образования вредоносных добавок, ухудшающих качество выплавленной детали. К сожалению, применение угля для переплавки латуни — очень дорогое мероприятие. Поэтому для переплавки следует применять электрические индукторы-нагреватели. Минимальная мощность тока должна составлять 25 киловатт, поскольку в противном случае не удастся получить нужную температуру для расплавления латуни.

Процедуру плавления следует проводить в хорошо вентилируемом помещении. Причина — расплавленный цинк будет вступать в реакцию с кислородом, что приведет к образованию оксидов. Цинковые оксиды в больших количествах могут представлять опасность. Для расплавки Вам также понадобятся инструменты — перчатки, мощная маска и щипцы для перемещения тигла с расплавленным металлом. Щипцы рекомендуется покупать из инструментальной стали, поскольку такая сталь устойчива к воздействию высоких температур.

Физические особенности плавки однородных металлов

Латунь — многокомпонентный сплав на основе меди и цинка. В его состав могут входить и некоторые другие компоненты — олово, свинец, железо, никель, марганец. Медь выступает в качестве основного вещества, тогда как дополнительные компоненты улучшают физические свойства материала (прочность, упругость, электропроводность, коррозийный потенциал). Плавление однокомпонентных и многокомпонентных сплавов имеет много отличий. Поэтому перед рассмотрением вопроса расплавки латуни нужно рассмотреть особенности плавления однородного металла на основе меди.

В физике плавкой называют процедуру, при которой твердый металл переходит в жидкое состояние. Чтобы расплавить медь, ее необходимо нагреть до температуры 1.085 градусов по шкале Цельсия. Обычно нагрев осуществляется с небольшой температурной надбавкой (~1150 градусов), поскольку на практике часто применяются медные сплавы с добавлением легирующих веществ, из-за которых повышается температура плавления.

Нагрев на химико-физическом уровне

1. Атомы меди до нагрева находятся в твердом состоянии. На химическом уровне это значит, что они формируют прочную кристаллическую решетку, которая устойчива к деформации и сохраняет форму при ударе.
2. При нагреве потенциальная энергия медных атомов увеличивается, что приводит к ухудшению прочности кристаллической структуры материала. Однако материал сохраняет свою твердость, поскольку кристаллическая решетка не разрушается (хотя она становится менее плотной).
3. При достижении температуры 1.085 градусов атомы меди получают избыточное количество энергии, что происходит к распаду кристаллической решетки сплава. На физическом уровне сплав переходит из твердого состояния в жидкое.
4. Теперь возможно несколько ситуаций. Рассмотрим первую ситуацию. Если материал продолжать нагревать, то он будет сохранять свое жидкое состояние. При температуре 2.567 градусов медь переходит в газообразное состояние (то есть жидкость начинает кипеть). В металлургии испарение меди выполняют очень редко, поскольку в этом нет практической пользы.
5. Но возможна и другая ситуация. Если жидкую медь не нагревать после расплавления, то постепенно жидкость начнет остывать. Это приведет к тому, что материал вновь примет твердую форму. На химическом уровне произойдет повторное формирование кристаллической решетки.

Из этих теоретических выкладок можно сделать один простой вывод. Для однокомпонентных составов температура кристаллизации и температура плавления совпадают. На практике регулировать процедуру расплавки просто — нужно лишь уменьшать или увеличивать температура огня. Во время работы также необходимо следить за распределением огня по всей площади металлического объекта. В случае неравномерного распределения температуры отдельные компоненты будут находиться в жидком состоянии, а другие — в твердом.

Медно-цинковые сплавы (латуни) литейные (по ГОСТ 17711-93)

84. Химический состав литейных латуней, %

*Остальное цинк.

85. Механические свойства литейных латуней (по ГОСТ 17711-93)

Примечание.

В графе “Способ литья” буквы означают:

• П – литье в песчаные формы;
• К – литье в кокиль;
• Д – литье под давлением;
• Ц – центробежное литье.

Основные свойства

Латунь Л63 имеет однофазную структуру. Присутствие цинка в составе сплава обеспечивает лёгкость механической обработки и невысокую стоимость материала. Данный вид латуни также может маркироваться, как Л63А, обладающий антимагнитными свойствами. Читать статью про латунь

Такие свойства, как: предел текучести, твёрдость, предел прочности, пластичность у латуни Л63 выше, чем у меди. Сплав обладает хорошими литейными свойствами. Его можно использовать для изготовления отливок. Л63, как и медь, не обладает антифрикционными свойствами. Горячий отжиг позволяет увеличить устойчивость материала к износу. Сплав отлично поддаётся обработке давлением: глубокой вытяжке, прокатке, чеканке, изгибу без существенных последствий, волочению.

Сплав Л63 обрабатывается резанием хуже, чем ЛС59 – 1, но лучше, чем дюралюминий, медь и большинство сплавов бронз. Токарной обработке он поддаётся без проблем. Температура плавления Л63 оставляет 906 °С. Для проведения плавки латуни необходимо использовать специальную систему вытяжек и вентиляции. В процессе плавления выделяются вредные вещества, опасные для здоровья человека, а составляющие сплава способны воспламенятся на воздухе (к примеру, цинк). Сплав поддаётся газовой и электрической сварке, подвергается пайке твёрдыми и мягкими припоями.

5 Автоматная латунь

Автоматная латунь – свинцовый вид сплава. Состав:

• 0,3–0,8 % – свинец;
• 57–75 % – медь;
• 24,2–42,7 % – цинк.

Добавка свинца во время механической обработки способствует образованию короткой и сыпучей стружки, чем снижает изнашивание разделяющего механизма и позволяет использовать скоростную обработку деталей (отсюда и название).

Механические свойства автоматной латуни зависят от ее компонентов и агрегатного состояния:

• мягкое;
• нагартованное.

Автоматная латунь выпускается в виде:

• лент;
• полос;
• прутков;
• листов.

В свою очередь из листов изготавливают:

• гайки;
• болты;
• детали для часов и других изделий массового производства.

1 Что такое латунь – состав, свойства и применение

Когда-то в древности на заре металлургии человек открыл для себя бронзу, в которой смешались медь и олово, а позднее сплав обогатился цинком и другими металлами, несколько изменяющими его свойства. Латунь, в свою очередь, является соединением меди и цинка, куда в некоторых случаях добавляется олово. Собственно, в этом и состоит различие двух сплавов – если в составе до 65 % меди, от 25 до 35 % цинка и от 0,5 до 10 % олова, получится латунь, у которой мелкозернистая структура. Если же олова больше, чем цинка – это уже будет бронза, она отличается более крупным зерном.

Характеристики латуни

Различают простую латунь и многокомпонентную, первая является соединением меди и цинка в разных пропорциях, а вторая включает в состав небольшую долю других элементов, таких как олово, алюминий, железо, свинец, кремний, марганец или даже фосфор. Что касается структуры латуни – она неоднозначна, поскольку существуют одно- и двухфазные сплавы, а также многофазные. Простые сплавы в большинстве своем являются однофазными, то есть в любом интервале температур сохраняют пластичность. Некоторые соединения меди с цинком при наличии примесей бывают двухфазными, то есть могут менять фазу с твердой на хрупкую при определенных температурах. И, наконец, при увеличении содержания легирующих компонентов латунный сплав может быть многофазным, с дополнительными твердыми и хрупкими фазами.

Латунь, в отличие от чистой меди, не так активно окисляется, в то же время она обладает отличной устойчивостью к коррозии, чем и обусловлено ее применение во многих сферах производства и строительства, а также в быту. Однако ее высокая пластичность не всегда удобна при обработке, в частности, сплавы Л63 и Л68 позволяют использовать для изготовления изделий такие методы, как прокат, волочение, вытяжка. При этом латунь Л68 в большей степени может быть подвергнута изгибам и вытяжке, поскольку ее пластичность выше. Температура плавления данного металла зависит от содержащихся элементов и имеет диапазон от 880 градусов до 950.

Группы металлов

К тяжелым металлам относятся вещества, которые отличаются высокой плотностью. Это кобальт, хром, медь, свинец и др. Некоторые из них (свинец, цинк, медь) применяют в чистом меде, но обычно используют в качестве легирующих элементов.

Плотность легких металлов — менее 5 г/см3. В этой группе относятся алюминий, натрий, калий, литий и др. Их используют как раскислители при изготовлении чистых металлов и сплавов, а также применяют в пиротехнике, медицине, фототехнике и других областях.

Благородные металлы отличаются высокой устойчивостью к коррозии. В данную группу входят платина, золото, серебро, осмий, палладий, родий, иридий и рутений. Они применяются в медицине, электротехнике, приборостроении, ювелирном деле.

Редкие металлы объединены в отдельную группу, так как имеют особые свойства, не характерные для других металлов. Это уран, вольфрам, селен, молибден и др.

Также выделяется группа широко применяемых металлов. В нее входят титан, алюминий, медь, олово, магний и свинец.

Сплавы на основе цветных металлов бывают литейные и деформируемые. Они различаются технологией создания заготовок: из литейных производят детали с помощью литья в металлические или песчаные формы, а из деформируемых делают листы, фасонные профили, проволоку и другие элементы. В этом случае используются методы прессования, ковки и штамповки. Литейные сплавы относятся к металлургии тяжелых металлов, деформируемые — к металлургии легких металлов.

4 Применение латуни

Томпа́к – деформируемая разновидность латуни. Состоит из меди и цинка на 88–97 % и 10 % соответственно. Томпак характеризуется:

• высокой пластичностью;
• устойчивостью к ржавчине;
• низкой силой трения.

Сплавы меди, которые состоят на 10–20 % из цинка, называют полутомпаками.

Томпак легко поддается сварке со сталью и другими благородными металлами. Его используют для изготовления комбинации стали и латуни. За счет золотистого оттенка из томпака изготавливают художественные изделия, всевозможные медали и фурнитуры. Томпак легко поддается золочению, эмалированию и обработке давлением в низких и высоких температурных условиях.

Известный шотландский ученый Эндрю Юр в XIX веке привел несколько примеров содержания томпака. Всего есть три варианта сплава меди, цинка, свинца и олова в пропорциях:

• 82/18/1,5/3;
• 82/18/3/1;
• 82,3/17,5/0/0,2.

Литейная латунь – предназначена для производства полуфабрикатов и фасонных изделий способом литья. Содержит 50–81 % меди. В качестве разбавляющих элементов используют: кремний, алюминий, железо, марганец, олово и свинец. Основные характеристики:

• не ржавеет;
• устойчива к трению с другими материалами;
• отличные механические свойства;
• удобная в обращении благодаря жидкому состоянию;
• низкая склонность к распаду материала.

Литейную латунь часто используют для массового производства:

• элементов арматуры (например литых);
• больших червячных винтов;
• гаек нажимных винтов;
• деталей, устойчивых к ржавчине;
• втулок;
• сепараторов;
• подшипников;
• деталей, работающих при температуре не более 300 °C;
• штуцеров (гидросистема автомобилей).

Заключение и видео