Химический состав сплава латуни, свойства, маркировка и применение

Из глубины веков

История латуни удивительна. Один из ее составляющих (цинк) открыт в XVI веке, но «союз металлов» использовали до наступления нашей эры.

Платон писал о легендарной Атлантиде:

«самородный орихалк, извлекавшийся из недр земли в различных местах острова по ценности своей уступавший … только золоту».

Римская Империя чеканила деньги из орихалка. Правда, его получали при соединении меди с кальмией (окисью цинка), добываемой в Британии. Истощились месторождения, перестали плавить орихалк.

Влияние легирующих элементов на свойства латуней

Цинк обусловливает высокую прочность и одновременно пластичность сплава (если добавить до 30% этого элемента).

Однако характеристики латуни обусловлены не только главными (Cu, Zn), но и легирующими элементами. Последние в небольших количествах добавляются к металлам, чтобы получить дополнительные свойства.

Если добавить:

• свинец и висмут

  — металл будет лучше резаться;

• никель, олово

  – получат антикоррозийные свойства (оловянные используют в условиях соленой морской среды);

• кремний

  – повысится твердость;

• марганец

  – сплав станет высокопрочным;

• алюминий

  – уменьшится летучесть Zn;

• мышьяк, никель, железо

  – позволят эксплуатировать в кислых, щелочных средах.

Указанные элементы используются для изготовления сплавов разных марок по ГОСТУ. Кроме буквенного обозначения, есть цифровое, показывающее содержание процентов главных металлов.

Свойства

Латунь — соединение цветных металлов.

Сплавы по содержанию Zn делят на альфа-латуни и альфа+бета-латуни (однофазные и двухфазная).

Часто структура латуни состоит из обеих фаз.

Характеристики:

1. Тепло- и электропроводность металлического «союза» уступают меди.
2. Устойчивость к коррозии средняя между этим показателем у составляющих твердого расплава.
3. Имеет высокие технологические свойства.
4. Латуни довольно дешевы, потому и спрос велик.

Химический состав определяет свойства:

1. Поверхность изделий покрываются оксидной пленкой (темнеет).
2. Однофазные сплавы отличает высокая эластичность.
3. Двухфазные славятся прочностью.

Важно: латунь — это не бронза.

Характеристики

Единых базовых параметров латунного сплава не существует. Однако материал без проблем обрабатывается прессованием и механическим воздействием, с хорошей сопротивляемостью коррозии.

Особенности

Единого значения плотности, температуры плавления, порога тепло-, электропроводности латуни не существует. Параметры определяются количеством и долей элементов.

Чем «богаче» состав, тем больше вариаций:

• По сравнению с бронзой, латуни быстрее истираются, менее прочны. Хуже пропускают ток и тепло.
• Не так устойчивы к коррозии и агрессивным средам (морская вода, растворенные органические кислоты). Хотя по этому признаку превосходят чистую медь.
• При взаимодействии с кислотой латунь бледнеет до обесцвечивания. В месте попадания капли агрессивного раствора пузырится.

По данному химическому свойству ее легко отличить от золота. С ним ничего не случается.

• В диапазоне 212-624°С структура латуни разрушается: материал рассыпается.

Скорость коррозии растет с увеличением температуры. Этот феномен нейтрализуется финальным этапом обработки: изделия обжигаются при низких температурах.

Влияние лигатур на свойства сплава

Недостатки материала сглаживаются добавлением лигатур. Попутно легирующие элементы усиливают достоинства:

• Олово, никель, марганец в разы повышают порог прочности и коррозионной сопротивляемости сплава.
• Кремний прочность и твердость снижает. Однако сварщику работать с таким материалом легче.
• Свинец также ухудшает утилитарные характеристики, но облегчает резку.
• Алюминий создает на расплаве защитную пленку-оксид, тормозя «улетание» цинка во время плавки.

Влияние лигатур отражают неофициальные названия сплавов металла. Так, оловянные латуни именуют морскими. Свинцовые – автоматными, поскольку обработка ведется на станках-автоматах.

Свинцовые сплавы – самые востребованные среди латуней.

Кремниево-свинцовый материал малоистираем. Ценится как дублер дорогостоящих бронз.

Не добыть в природе латуни

Познавательно: самородную латунь нашли в конце XX века, это «цинкистая медь».

В природе латунь практически не встречается. Месторождения цинкистой меди редки и не представляют промышленного интереса. Люди сами сплавляют медь и цинк в нужных пропорциях.

Рекомендуем: ЛИТИЙ — в космосе, на земле, под водой

Добычу составляющих сплава металлов производят на соответствующих месторождениях.

Интересно: более половины цинка для производства золотистого сплава получено путем вторичной переработки.

Сферы применения

Применение латуни ведется в следующих сферах:

1. Изготовление украшений из латуни. Несмотря на то, что в ювелирном деле из нее изготавливается только бижутерия, спрос на такие изделия большой.
2. Благодаря своей пластичности из нее выковываются мебельные украшения. Также изготавливается фурнитура.
3. Если содержание цинка составляет 40%, сплав используется в судостроении, часовых механизмах и самолетостроении.
4. Из него изготавливаются водопроводные краны, смесители, фитинги.

Смеситель латунный

Сплавы, марки

По составу латуни делят на двухкомпонентные (лигатура в них цинк) и многокомпонентные. В этих сплавах металлов могут присутствовать олово Sn, Pb (свинец), Al (алюминий), никель Ni, марганец Mn.

По формуле маркировки легко определить, какие металлы содержит сплав, в каких количествах.

Маркировка двухкомпонентных сплавов состоит из буквы Л, к которой добавляют число — процент меди. Пример: Л59, Л75.

В маркировке многокомпонентных латуней указаны первые буквы металла и его процентное содержание. Пример: ЛЦ16К4 — содержание цинка 16%, кремния 4%, остальное медь.

Микроструктура отшлифованного и протравленного латунного сплава под 400-кратным увеличением

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.

Что дает лигатура

Содержание в твердом расплаве более 20% цинка приводит к деформации и коррозионному растеканию. Этот недостаток исправляют, отжигая изделия при температуре 250-300 градусов.

Важно: чем больше цинка в сплаве, тем он дешевле.

Классификация латуней

Существует несколько критериев, по которым осуществляют классификацию этого сплава:

• по степени обработки;
• по количеству легирующего металла;
• по особенностям химического состава.

По первому критерию выделяют следующие виды:

• литейные, используемые для изготовления деталей приборов, подшипников;
• деформируемые (лист, труба, проволока);
• автоматные (болты, гайки, часовые механизмы).

Легирующий элемент, который оказывает главное влияние на свойства сплава, дает название класса латуни: свинцовые, марганцевые, никелевые, алюминиевые.

В таблице представлена классификация латуни по химсоставу:

Цвет сплавов зависит от процентного содержания Zn:

• желтый – от 20% до 36%;
• красный (или томпак) – от 5% до 20%.

Здесь используются два критерия – цветовой и химического состава.

Применение

Хорошие механические свойства, относительная дешевизна — эти достоинства обеспечили бывшему орихалку постоянный спрос.

Латунные сплавы используют в деталях, для которых важны:

• пластичность;
• деформируемость;
• текучесть;
• способность к обработке.

У современного орихалка приятный золотистый цвет. Ее используют в производстве фурнитуры, художественных изделий (кубков, значков, знаков отличия, орденов и медалей).

Рекомендуем: ВИСМУТ — радиоактивный и безопасный

Однако к драгоценным металлам латунь не относится.

1. Сплав нашел применение в изготовлении трубопроводов, деталей для морских судов.
2. Незаменим в изготовлении приборов и деталей для химического производства.
3. Зубчатые колеса, гайки, втулки, болты — везде необходима латунь.
4. Применяется в гидросистемах автомобилей, полиграфических матрицах, деталях механических часов.

Литейные латуни

Ювелирные сплавы

Латунная игральная кость, рядом цинк и слиток меди.

Рекомендуем: ДРАГОЦЕННЫЕ (БЛАГОРОДНЫЕ) МЕТАЛЛЫ — редкость, красота и уникальность

Производство латуни, виды и свойства

Латунь производят при высоких температурах в специальных глиняных ёмкостях. При изготовлении сплава необходимо учитывать, что часть цинка испаряется.

Сплав делится на несколько видов:

1. Томпак — это сплав, в составе которого присутствует не более 13% цинка. Томпак отличается повышенной эластичностью, высокой устойчивостью к ржавчине и стиранию. Используют этот вид латуни при сварке с нержавейкой для получения ценного сплава, из которого в дальнейшем изготовляют медали, фурнитуру, бижутерию, художественные изделия и инструменты.
2. Полутомпак — это сплав, в составе которого цинк варьируется в пределах 10−20%. Сфера применения полутомпака аналогична томпаку, но он является менее ценным сплавом.
3. Литейная латунь — это сплав, имеющий в составе 50−80% меди, а также примеси иных металлов. Благодаря текучим свойствам используется в изготовлении полуфабрикатов и фасонных изделий методом литья. Обладает низкими показателями распада материалов, устойчив к трению и ржавчине также обладает прекрасными механическими свойствами. Литейную латунь применяют в производстве втулок, фрагментов арматуры, гаек, подшипников и иных фитингов устойчивых к ржавчине.
4. Автоматная латунь — это сплав, имеющий в составе свинец, в процентном соотношении не превышающий отметки в 0,8%. Свинец позволяет увеличить скорость обработки изделий за счёт образования короткой стружки. Он выпускается в виде листов, лент и прутков, в дальнейшем из них вытачивают детали часовых механизмов, метизы и гайки.

Достаточно часто латунь путают с бронзой, а многие даже считают, что это один и тот же материал — это в корне неверно. Отличить эти два металла можно и в домашних условиях, для этого необходимо пройти следующий алгоритм действий:

1. Хорошо почистить оба материала и рассмотреть их на солнечном свете. Цвет бронзы будет уходить в красный цвет, а латунь в жёлтый, иногда даже в белый.
2. Поместив изделие в ёмкость с водой, можно провести анализ на плотность. Молярная масса латуни находится в диапазоне 8350−8750 кг/м.куб, если масса выше, то это бронза.

Технология производства латунных сплавов

Поскольку основной частью латуни является медь, то состав приписывают к медным сплавам. Методика изготовления достаточно проста. Но сам технологический процесс сложный и трудоемкий, требует особой обработки сырья и соблюдения высоких температурных режимов.

В производстве латуни используют технологии медной и цинковой промышленности. Для плавки адаптируют разные виды плавильных печей. Чаще на заводах используют электрическое индукционное оборудование с магнитопроводом. Обязательным элементом является вытяжка, так как при нагревании вырабатываются опасные для человека элементы.

Схема получения сплава:

1. Плавка меди в специальных тиглях;
2. Добавление цинка;
3. Введение второстепенных компонентов;
4. Разливка в формы для получения литейной латуни;
5. Закалка методами штамповки или вытягивания.

Порядок маркировки

Принята следующая маркировка. Сплав латуни обозначают буквой «Л», после чего следует буквы основных элементов, образующих сплав. В марках деформируемых латуней первые две цифры после буквы «Л» указывают среднее содержание меди в процентах. Например, Л70 — латунь, содержащая 70 % Cu. В случае легированных деформируемых латуней указывают ещё буквы и цифры, обогащающие название и количество легирующего элемента, ЛАЖ60-1-1 означает латунь с 60 % Cu, легированную алюминием (А) в количестве 1 % и железом в количестве 1 %. Содержание Zn определяется по разности от 100 %. В литейных латунях среднее содержание компонентов сплава в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, латунь ЛЦ40Мц1,5 содержит 40 % цинка (Ц) и 1,5 % марганца (Мц).

Латуни — двойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основной легирующий компонент — цинк. По сравнению с медью латуни обладают более высокими прочностью, коррозионной стойкостью, литейными свойствами и температурой рекристаллизации. Это наиболее дешевые медные сплавы. Латуни широко применяют в машиностроении и многих отраслях промышленности.

Двойные(простые) латуни, содержащие 88—97% Си, называют томпаком, а содержащие 79—86% Си —полутомпаком. По структуре выделяют α -латуни, (α+ β)-латуни и β -латуни, причем α- и (α + β)-латуни пластичны в холодном и горячем состоянии, β-латуни только при высоких температурах. На рис. 11 показана зависимость свойств медно-цинковых сплавов от состава.

Медно-цинковые сплавы, легированные одним или несколькими элементами, называют специальными латунями. Наименование таких латуней дается по легирующим элементам, например, латунь, содержащую свинец, называют свинцовой. Простые латуни маркируют буквой Л, за которой пишут содержание меди в %. В специальных латунях после буквы Л пишут заглавную букву дополнительных легирующих элементов и через тире после содержания меди указывают содержание вводимых элементов в процентах. В зависимости от способа обработки латуни подразделяют на деформированные и литейные. Последние могут изготовляться из вторичного сырья (вторичные литейные латуни). Из деформированных латуней изготовляют листы, ленты, полосы, прутки. трубы, проволоку и поковки; из литейных фасонные отливки.

Где используют

Крепкий материал применяют в разных отраслях народного хозяйства. Двухкомпонентные сплавы с содержанием цинка до 20% используют при создании автомобильных запасных частей, теплового оборудования и змеевиков. Если в составе более 40% дополнительного ингредиента, то средство подойдет для штампованных изделий, фурнитуры.

Фурнитура из сплава Источник indonesian.alibaba.com

Сфера использования многокомпонентных видов шире, чем у простых аналогов. Прутки из латуни – длинномерный «полуфабрикат», который станет заготовкой для деталей летательных аппаратов, пружин, труб. Средство выпускают в разных геометрических формах.

Латунные плиты с прямоугольным сечением создают методом литья или проката. Виды различают по степени твердости. Изделия применяют при отделке строений и в промышленности. Проволока – вытянутый профиль, который уместен при производстве мелких деталей, крепежей, не боящихся агрессивных сред.

Из-за устойчивости к коррозии латунь используют при создании элементов сантехники. В домах премиум-класса трубы из металла применяют в отопительной системе. Смесители, краны-буксы бывают как лакированными, так и хромированными. Виды из сплава намного прочнее и долговечней моделей из нержавейки. Единственный недостаток – ограниченность форм.

Где используют медный сплав Источник aliexpress.ru

Латунь используют в декоративном направлении. Из желтого металла делают ободки зеркал, светильники и скульптуру, оформляя под бронзу. Из сплава создают как утварь для православных обрядов, так и самовары. Часовая промышленность делала из яркого сырья корпусы для часов.

Визуально латунь напоминает золото, особенно при соединении меди с цинком и алюминием. Из металла получаются предметы очень тонкой работы. Начинающие ювелиры часто тренируют мастерство на таких изделиях, используя сплавы с маркировкой «Л68» и «Л62».

Украшение тонкой работы Источник madeheart.com

Физико-химические свойства латуни

Латунные сплавы маркируют буквой ЛI и цифрами, которые указывают на количество дополнительных химических элементов в составе смеси. Характеристики медно-цинкового состава зависят от ингредиентов, входящих в томпак. Поэтому свойства сплавов могут отличаться.

Основные свойства латуни:

• Цвет — от золотисто-желтого до красного оттенков в зависимости от количества добавленного цинка. Благодаря красивым переливам, томпак часто используется при создании художественных украшений.
• Большинство медно-латунных сплавов при понижении температуры остаются пластичными, что делает возможным их использование в качестве конструкционного материала.
• Томпак хорошо поддается обработке давлением.
• Возможность проводить ковку и сварку.
• Высокая антикоррозийность позволяет эксплуатировать латунные изделия длительное время в условиях повышенной влажности.
• Способность свариваться с железом и другими компонентами позволяет применять материал для получения комбинированных сплавов.
• Устойчивость к износу при продолжительном трении.
• С понижением температуры предел текучести и предел прочности металлической смеси возрастают.

Как получают латунь в производстве

Изготовление латуни осузествляется по технологическим картам, разработанным в цинковой и медной промышленности. Нередко сплавы получают посредством вторичной переработки сырья: медных заготовок, цинковых отходов и пр. Особенно часто вторичное сырье используется во время литья латуни с дополнительными элементами.

Литье латуни — сложный процесс, обеспечиваемый наличием на производстве разных типов плавильных печей. Особым спросом среди технологов пользуются современные низкочастотные печи (индукционные), оснащенные дополнительно магнитопроводом.

Необходимо учитывать, что в процессе плавки металлов происходит их частичное испарение. Поэтому производить литье можно только при наличии мощной производственной вытяжной вентиляции. Существует также риск возгорания компонентов будущего сплава в процессе литья — необходимо постоянно следить за температурой в плавильной печи, чтобы исключить возможность перегревания.

Перед началом изготовления латуни определенного состава необходимо полностью очистить печь. Затем в ней будет разогреваться медь до состояния красного каления, после чего — добавляются цинковые заготовки. Чтобы предотвратить процесс окисляемости цинка, медь в сплавах всегда добавляется первой.

Для того, чтобы получить литейную латунь, расплавленный в печи сплав разливается в заранее подготовленные формы. В итоге сплав застывает и образует круглые, плоские слитки. После завершения процесса литья, можно производить со сплавом дальнейшие работы. К примеру, подвергать его термической обработке в целях увеличения показателей прочности, производить старение и закаливание сплава, деформировать слитки при необходимости.