Латунь, которая хорошо известна и активно применяется уже на протяжении многих лет, является сплавом меди с цинком. Изобретателем этого материала с целым рядом уникальных характеристик считается англичанин Джеймс Эмерсон, который и запатентовал его в 1781 году.
Латунный металлопрокат отличается хорошей коррозионной стойкостью и высокой прочностью
Элементы состава
Основу латуни составляют медь и цинк. В наиболее традиционном составе такого сплава медь содержится в количестве 70%, а цинк – 30%. Существуют марки технической латуни, в составе которой цинк содержится в количестве 48–50 процентов. Что характерно, больше 50% цинка, используемого для производства латунных сплавов, получают из отходов данного металла.
В зависимости от особенностей внутренней структуры различают латуни альфа- и альфа-бета-типа, которые также называют одно- и двухфазными.
Их основные отличия заключаются в следующем.
- В химическом составе латунных сплавов, относящихся к альфа-типу, содержится 35% цинка.
- Альфа-бета-латуни (двухфазные) на 47–50% состоят из цинка. В их составе также содержится свинец, количество которого не превышает 6%.
Несмотря на то, что латунь, также созданная на основе меди, внешне очень похожа на некоторые марки бронзы, по профессиональной классификации она не относится к бронзовым сплавам. В составе некоторых видов латуни содержится олово – основной легирующий элемент бронзы, но его добавляют в очень незначительных количествах, чтобы добиться улучшения отдельных характеристик сплава. Кроме олова, в химическом составе отдельных марок латуни могут содержаться такие элементы, как свинец, марганец, железо, никель и др., которые также позволяют улучшить ее свойства.
Содержание химических элементов в простых (двойных) латунях (нажмите для увеличения)
Содержание химических элементов в свинцовых латунях (нажмите для увеличения)
Изделия из латуни отличаются красивым золотисто-желтым цветом, хорошо поддаются полировке и другим видам механической обработки. В зависимости от марки сплава, из которого изготовлено изделие, последнее можно подвергать ковке в холодном или нагретом состоянии, но некоторые виды данного металла методами пластической деформации обрабатывать нельзя. Несмотря на то, что для латуни характерна высокая коррозионная устойчивость, поверхность изделий из данного металла при их длительном взаимодействии с окружающим воздухом покрывается окисной пленкой и темнеет. Чтобы избежать изменения цвета поверхности латунных изделий с течением времени, их часто покрывают защитным слоем бесцветного лака.
§ 7. Проводниковая медь и ее свойства
Медь является одним из главных проводниковых материалов благодаря большой проводимости, механической прочности и стойкости к атмосферной коррозии *. По электропроводности медь стоит на втором месте (после серебра).
*Коррозио (лат.) — разъедание, разрушение металлов под действием той или инок среды (газообразной или жидкой). Примером коррозии металла является ржавление железа — окисление его.
Проводниковая медь получается из слитков меди путем очистки ее от примесей в электролитической ванне с помощью постоянного тока. Кроме высокой проводимости, медь обладает хорошей пластичностью, поэтому из нее изготовляют волочением проволоку диаметром до 0,01 Мм, а при прокатке получают ленту толщиной до 0,1 мм и медную фольгу толщиной 0,01 мм. В нормальной атмосфере проводниковая медь устойчива к коррозии. Медные провода на воздухе медленно окисляются, покрываясь тонким слоем окиси меди (CuО). Образовавшаяся пленка окисла препятствует дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают: сероводород (H2S), аммиак (NH3), окислы азота (NO), пары азотной кислоты и некоторые другие реагенты. Медь имеет красновато-оранжевый цвет и обладает температурой плавления 1083° С. Температурный коэффициент линейного расширения меди равен 17-10—6 1/°С. Для изготовления всех проводниковых изделий применяют очищенную медь марок МО и Ml, отличающихся только содержанием кислорода. В меди марки МО содержится кислорода не более 0,02%, а в меди марки Ml — не более 0,05%. Содержание других примесей: висмута, сурьмы, мышьяка, никеля в меди обеих марок допускается в равных количествах. Серебро (как примесь) засчитывается в содержание меди, так как оно не снижает ее проводимость. Остальные примеси уменьшают проводимость меди. Общее количество примесей в меди марки МО не более 0,05%, а в меди марки Ml —не более 0,1 %. У изделий (проволока, шины) из мягкой (отожженной) меди (марка ММ) плотность 8,90 г/см3, предел прочности при растяжении (Т = 20-25 кГ/мма, относительное удлинение 6Л= 15ч-40%, удельное сопротивление Q = 0,0175001754 ом-мм2/м. У изделий из твердой (неотожженной) меди (марка МТ) плотность 8,96 г/см3; а = 36-н40 кГ/мм2; 6л = 0,5-2,5%; q = 0,0177-0,0180 ом-мм2/м. Провода меньшего диаметра обладают повышенной прочностью при растяжении и большей величиной удельного электрического сопротивления. Это объясняется искажением формы и уменьшением объема кристаллов металла при протяжке и волочении проводов малого диаметра. У мягких и твердых сортов проводниковых изделий (проводов) из меди температурный коэффициент электрического сопротивления принимается равным а= +0,00400 1/° С. Рис. 17. Троллейный провод из меди Кроме проводов круглого и прямоугольного сечения, из меди изготовляют также провода фасонного сечения, например троллейный провод (рис. 17). Проволоку и шины из мягкой меди ММ применяют преимущественно для изготовления изолированных обмоточных и монтажных проводов. Следует заметить, что провода прямоугольного сечения обеспечивают большой коэффициент заполнения обмотки по сравнению с проводами круглого сечения. Это значит, что при одном и том же объеме обмотки в ней можно поместить большее количество витков из прямоугольной меди и тем самым повысить мощность электрической машины или аппарата. Во избежание повреждения изоляции острые ребра у проводов прямоугольного сечения (шины) слегка закругляют. Проводниковые изделия из твердой меди МТ применяют, как правило, неизолированными (голыми). Это провода для воздушных линий, шины для электрических аппаратов и коллекторов электрических машин. От этих проводниковых изделий требуется повышенная механическая прочность, твердость и сопротивление истиранию. Медь — весьма ценный материал, который следует расходовать экономно, и там, где это возможно, медь необходимо заменять менее дефицитными материалами — проводниковым алюминием или железом.
Химический состав и особенности внутренней структуры
Чтобы хорошо разбираться в характеристиках латуни, важно понимать, какими свойствами обладают химические элементы, из которых она состоит. Такими элементами, как уже говорилось выше, являются медь и цинк.
Классификация латуней по химическому составу
Медь – это один из первых металлов, которые человек начал использовать для изготовления изделий различного назначения. Данный элемент, входящий в 11-ю группу IV периода таблицы Менделеева, имеет атомный номер 29 и обозначается как Cu (сокращение от Cuprum). Медь, которая является переходным металлом, отличается высокой пластичностью и красивым светло-золотистым цветом. При образовании оксидной пленки металл приобретает не менее красивый желтовато-красный оттенок.
Цинк – второй основной элемент в химическом составе латуни – также является металлом, который, в отличие от меди, не встречается в природе в чистом виде. Цинк, имеющий атомный номер 30, входит в побочную подгруппу 2-й группы IV периода таблицы Менделеева. Данный металл, производить который начали еще в XII веке в Индии, отличается высокой хрупкостью в нормальных условиях. Без оксидной пленки, которая появляется на металле при его взаимодействии с открытым воздухом, его поверхность имеет светло-голубой цвет. Обозначается данный металл символом Zn (сокращение от Zincum).
Так выглядит микроструктура отшлифованной латунной поверхности под 400-кратным увеличением
Структура латуни в зависимости от содержания в его составе основных компонентов может состоять из одной α- или одновременно α+β-фаз. Такие состояния, которые может принимать внутренняя структура сплава, отличаются следующими особенностями:
- α-фаза – это раствор меди и цинка, характеризующийся высокой стабильностью, в котором молекулы основного металла (меди) имеют гранецентрированную кубическую решетку;
- α+β-фаза – также стабильный раствор, в котором медь и цинк содержатся в соотношении 3:2 (в таком растворе молекулы меди имеют простую элементарную ячейку).
Микроструктура α +β-латуни имеет меньшую пластичность и большую твердость, чем структура α-латуни
В зависимости от температуры нагрева в латуни происходят следующие структурные преобразования.
- При нагревании латуни до высоких температур атомы в ее β-фазе, имеющей широкую область гомогенности, отличаются неупорядоченным расположением. В таком состоянии нагрева β-фаза латунного сплава отличается высокой пластичностью.
- При незначительном нагреве латунного сплава (454–468°
) в нем формируется фаза, имеющая обозначение β’. Особенностью такой структурной фазы, которая отличается высокой твердостью и, соответственно, хрупкостью, является то, что атомы меди и цинка в ней располагаются упорядоченно.
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод о том, что латунные сплавы, внутреннюю структуру которых составляет только α-фаза (однофазные), отличаются хорошей пластичностью, а те, в которых присутствует и β-фаза (двухфазные), являются более прочными, но не предназначены для обработки методами пластической деформации.
Пластичность латуней с двухфазной структурой можно повысить, если нагреть их выше температуры, при которой происходит β’-превращение (700°
). В таком состоянии в структуре сплава преобладает только одна β-фаза, соответственно, он отличается высокой пластичностью. Однако даже однофазные латуни с хорошей пластичностью могут практически не обрабатываться методами пластической деформации. Это происходит в температурном интервале их нагрева до 300–700
°
, который получил название зоны хрупкости.
Содержание цинка в латуни влияет на электропроводность сплава
На то, какими механическими свойствами обладает латунь той или иной марки, значительное влияние оказывает содержание цинка в ее химическом составе. Так, если содержание данного химического элемента составляет до 30%, то одновременно повышаются как прочность, так и пластичность сплава. Дальнейшее повышение содержания цинка приводит к тому, что латунь становится менее пластичной (усложнение α-фазы), а затем и более хрупкой (формирование в структуре латуни β’-фазы). Прочность латуни увеличивается до того момента, пока цинка в ее составе не будет 45%, с дальнейшим увеличением количества данного элемента латунь становится и менее прочной, и менее пластичной.
Латунь
| Температура плавления: 880—950° С | Плотность: 8300-8700 кг/м³ |
| Удельная теплоёмкость: при 20 °C — 0,377 кДж·кг−1·K−1 | Удельное электрическое сопротивление: (0,07-0,08)×10−6 Ом·м |
Общая характеристика латуни: латуни представляют собой двойные или многокомпонентные медные сплавы, в которых цинк является основным легирующим компонентом. По сравнению с медью они обладают более высокой прочностью (в том числе при повышенных температурах), коррозионной стойкостью, упругостью, технологичностью (литье, обработка давлением, резание), трибологическими характеристиками. Это наиболее дешевые и распространенные в машиностроении медные сплавы.
Двойные латуни, содержащие до 20 % Zn, называются томпаком (латуни, содержащие 14—20 % Zn — полутомпаком).
Диаграмма состояния Сu—Zn характеризуется пятью перитектическими реакциями. В результате из жидкого раствора кристаллизуется шесть различных фаз. Практическое значение имеют сплавы, содержащие до 50 % Zn; соответствующая этому содержанию часть диаграммы состояния включает область а-твердого раствора цинка в меди. Граница растворимости цинка в меди при комнатной температуре равна 39 %; а-твердый раствор имеет гранецентрированную кристаллическую решетку. Фаза в является твердым раствором на основе соединения CuZn с объемно центрированной кристаллической решеткой. Ширина области гомогенности в-фазы меняется в зависимости от температуры: от 37 до 57 % Zn при высоких температурах и от 45 до 49 % Zn при комнатной.
В соответствии с диаграммой состояния двойные латуни в зависимости от структуры подразделяются на а-латуни, (а + в)-латуни и в-латуни.
При температуре 454—468 °С происходит упорядочение в-твердого раствора, т. е. ниже этих температур наблюдается определенный порядок в расположении атомов меди и цинка в кристаллической решетке в-фазы. Переход неупорядоченного твердого раствора в упорядоченное состояние сопровождается резким падением пластичности и повышением хрупкости сплавов, что затрудняет их обработку давлением в холодном состоянии.
Таким образом, латуни, содержащие более 39 % Zn, имеют двухфазную структуру а + в или однофазную в и обладают низкой пластичностью, поэтому они хорошо обрабатываются давлением лишь в горячем состоянии, в отличие от а-латуни, которая хорошо обрабатывается в холодном состоянии.
В многокомпонентных (специальных) латунях добавки третьего, четвертого элемента и более могут повышать прочность, твердость, упругость, коррозионную стойкость, антифрикционные свойства и технологические характеристики. В зависимости от дополнительных легирующих элементов латунь, содержащую А1, называют алюминиевой; Fe и Мп — железомарганцевой; Мn, Sn, Pl — марганцево-оловянно-свинцовой и т. д.
Двойные латуни маркируют буквой Л и числом, характеризующим среднее содержание меди в сплаве в %. В обозначении многокомпонентных латуней после буквы Л указывают легирующие элементы. Числа после букв означают содержание легирующих элементов.
По технологическому признаку латуни подразделяют на литейные и обрабатываемые давлением. Для изготовления литейных латуней могут применяться вторичные литейные латуни.
Получение латуни: Для плавки латуни может быть использован любой тип плавильных печей, применяемых для плавки медных сплавов. Но наиболее целесообразно латунь плавить в электрических индукционных низкочастотных печах с магнитопроводом. Менее желательна плавка латуни в электродуговых плавильных печах.
При плавке медноцинковых сплавов следует иметь в виду, что из всех других компонентов сплава наибольшей окисляемостью обладает цинк. Это объясняется низкой температурой кипения его.
Для уменьшения окисления цинка рекомендуются следующие мероприятия:
1) максимально ускорять процесс загрузки и плавки шихты, для этого загружать шихту в печь в компактном виде таким образом, чтобы куски и пакеты могли хорошо и плотно укладываться в печи;
2) поверхность жидкого сплава следует покрывать кусковым древесным углем;
3) загрузочное отверстие печи по возможности держать всегда закрытым;
4) не допускать излишнего перегрева расплава (выше температуры 1100—1200° С).
В качестве шихты для плавки латуни могут быть использованы как чистые, так и оборотные металлы. При плавке латуни на оборотных металлах порядок загрузки шихты в печь не имеет большого значения. При наличии в шихте свежих металлов в первую очередь загружают и расплавляют медь, затем оборотные металлы. Цинк и свинец, предварительно подогретые до 100—120° С, вводят в расплав в последнюю очередь. Во всех случаях плавка ведется под слоем древесного угля, который загружается в печь с первой порцией шихты.
Плавку латуни из свежих металлов и оборотных отходов в индукционной печи промышленной частоты с магнитопроводом рекомендуется вести в следующей последовательности.
1. По окончании разливки печь устанавливают в рабочее положение. При обнаружении оголенного канала печи выключают ток и канал заливают расплавленным металлом из другой плавильной печи.
2. Аккуратно загружают два-три пакета отходов, включают ток и производят дальнейшую загрузку шихты в печь в следующем порядке: вначале загружают предварительно подсушенные прессованные отходы в количестве 15—20% от массы всей шихты, стружку, опилки и другую мелочь; затем в жидкий металл загружают медь и тугоплавкие лигатуры (в случае плавки специальных латуней); одновременно с этим в печь загружают необходимое количество кускового древесного угля; после этого осторожно загружают переплавленные отходы и литники и в последнюю очередь загружают цинк и другие легкоплавкие компоненты (в случае приготовления специальных латуней).
3. Во избежание повреждения футеровки печи масса кусков шихтовых материалов не должна превышать 25 кг.
4. Шахта печи должна загружаться плотно и быстро, загрузочное окно при этом не должно долго оставаться открытым.
5. При плавке надо следить за тем, чтобы шихта не зависала в шахте. Быстрое колебание стрелки амперметра сигнализирует о том, что шихта отделена от расплавленного металла. Зависшую шихту с помощью деревянного шеста или какого-либо другого приспособления опускают вниз. При зависании шихты время плавки удлиняется и увеличивается угар металла.
6. В случае ведения плавки латуни на чистых металлах (меди и цинка) вначале загружают 25% шихты (вместе медь и цинк), затем всю оставшуюся медь и в последнюю очередь цинк (или другой легкоплавкий металл).
7. Шихта должна быть сухой; загрузка влажной шихты запрещается.
8. Тяжелые куски шихты должны загружаться в печь при помощи специальных приспособлений.
9. Шихта должна подаваться к печи в нумерованной таре (тележке). Это исключает смешивание шихты.
10. Необходимо иметь около печи некоторый запас шихты (две-три тележки).
11. После расплавления и нагрева расплава до заданной температуры с поверхности расплава снимают шлак, тщательно перемешивают и производят разливку.
Для увеличения жидкотекучести латуни в нее иногда перед разливкой добавляют фосфор в виде лигатуры медь — фосфор, содержащей 12—14% Р.
Плавку кремнистой и кремнистосвинцовистой латуней ведут под покровным флюсом — стеклом или бурой. Вследствие склонности кремнистых латуней к поглощению восстановительных газов плавить их в восстановительной атмосфере или под слоем древесного угля нельзя.
При плавке кремнистых и кремнистосвинцовистых латуней в первую очередь в разогретую печь загружают медь, по расплавлении ее — отходы, меднокремнистую лигатуру. Цинк и свинец загружают в последнюю очередь после снятия шлака с расплава. Расплав тщательно перемешивают, доводят его до температуры разливки и затем разливают.
Плавку марганцовистых латуней ведут в условиях слабоокислительной атмосферы или близкой к нейтральной под покровом флюса из битого стекла, или под покровом древесного угля. Марганец в расплав вводят с лигатурами после расплавления всех других составляющих шихты.
Способы производства
Такой сплав меди, как латунь, хорошо поддается различным методам обработки. Так, из этого сплава можно получать различные изделия методами ковки, штамповки и протяжки, а благодаря относительно невысокой температуре плавления и хорошей текучести в расплавленном состоянии его активно используют в литейном производстве.
Розлив латунного расплава по формам
Латунь, основным легирующим элементом в которой является цинк, получают плавкой:
- в тиглях, изготовленных из огнеупорного материала (для нагрева тигли вместе с компонентами сплава помещают в шахтные или пламенные печи);
- в отражательных печах (при использовании данного метода плавку выполняют без применения тиглей).
При выплавке латунного сплава следует учитывать тот факт, что цинк при осуществлении такой процедуры будет активно испаряться, поэтому количество данного металла следует рассчитывать с некоторым запасом.
Материалы с высокой проводимостью
К проводниковым материалам с высокой проводимостью относятся медь, алюминий и некоторые сплавы (латунь, фосфористая бронза и др.). Они широко используются для изготовления катушек электрических машин, аппаратов и приборов. К таким материалам предъявляются требования возможно меньшего удельного сопротивления и возможно большей механической прочности.
Для различных случаев применения эти требования в той или иной степени уточняются. Например, для катушек машин и аппаратов выгоднее иметь меньшее удельное сопротивление даже за счет некоторого снижения механической прочности. Для воздушных же проводов контактной сети и линий электропередачи важно иметь определенную механическую прочность на разрыв.
Наименьшим удельным сопротивлением обладает чистый металл. Любые примеси повышают удельное сопротивление. Примесь другого металла, имеющего меньшее удельное сопротивление, чем основной, повышает его сопротивление. Это объясняется искажением кристаллической решетки основного металла даже небольшим количеством примеси.
Кристаллическая решетка металлов искажается не только введением примесей, но и в результате механических деформаций. В связи с этим обработка металла, приводящая к пластической деформации, вызывает увеличение его удельного сопротивления. В частности, это имеет место в процессе изготовления проводов при прокатке и волочении.
Медь и латунь применяют для изготовления проводов и различных токопроводящих деталей электрических машин и аппаратов. Медные провода и шины получают прокаткой и протяжкой, при этом медь приобретает высокую механическую прочность и твердость (медь марки МП). Такую твердотянутую медь используют для изготовления коллекторных пластин, неизолированных проводов, распределительных шин и пр.
При термической обработке твердотянутой меди (отжиге при температуре 330—350 °С) получают мягкую медь марки ММ, обладающую большой гибкостью и способностью сильно вытягиваться; электропроводность ее также увеличивается. Мягкую медь используют для изготовления изолированных проводов, кабелей и пр.
В качестве проводниковых материалов применяют также различные бронзы, представляющие собой сплавы меди с другими металлами. Все бронзы имеют не только более высокую механическую прочность, чем медь, но и большее удельное сопротивление. Для изготовления контактных проводов и коллекторных пластин применяют преимущественно кадмиевые бронзы, для пружин, щеткодержателей, скользящих контактов, ножей рубильников — бериллиевые бронзы.
Латунь (сплав меди с цинком) имеет также по сравнению с медью высокую механическую прочность, прочность против истирания, но вместе с тем и значительно более высокое удельное сопротивление. Латунь хорошо штампуется, вытягивается, паяется и сваривается.
Вторым по значению в электротехнике проводниковым материалом является алюминий. Из него изготовляют провода, некоторые детали электрических машин и аппаратов. Так же, как и медь, он при протяжке и других видах холодной обработки получается довольно твердым, а после отжига становится мягким. Плотность алюминия около 2,6 г/см3, примерно в 3,5 раза меньше меди (ее плотность 8,9 г/см ). Для увеличения прочности и улучшения механических свойств к алюминию иногда прибавляют медь, магний, марганец и кремний. Таким путем получают различные алюминиевые сплавы — силумин, дюралюминий и пр.
По твердости различают две марки алюминия: AT — алюминий твердый неотожженный и AM — алюминий мягкий отожженный. Соединение алюминиевых проводов и других деталей производят обычно сваркой или заклепками, так как из-за высокой температуры плавления окиси алюминия, покрывающей поверхность алюминиевых деталей (примерно 2000 °С), и быстрого окисления зачищенной поверхности пайка алюминия обычным способом затруднена.
