ГОСТ 15527 — 70 Сплавы медно цинковые (латуни)

Латунь представляет собой сплав с медью. Основной легирующей добавкой, определяющей технологические характеристики: прочность, гибкость, пластичность, хорошую устойчивость к коррозионным процессам и пр., является цинк. Дополнительно могут быть введены и другие легирующие элементы, в том числе и олово, с тем условием, что олова будет меньше, чем цинка. Помимо олова, латунь может содержать никель, свинец, марганец, железо и некоторые другие элементы в процентном соотношении, регламентированном ГОСТом 15527-2004.

По содержанию химических элементов латуни подразделяются на простые (состоящие из Cu и Zn) и специальные (включающие Cu+Zn, а также несколько легирующих элементов: Pb, Fe, Al, Sn и пр.), по типу обработки – на деформируемые для создания разного типа проволок, латунных листов, труб и пр., а также литейные для изготовления деталей путем литья.

Разновидности латунного металлопроката

Основные разновидности латунного металлопроката сводятся к следующему:

• латунные прутки – длинные детали с круглым, квадратным, прямоугольным сечением;
• латунные плиты – плоские заготовки толщиной 2,5 см и больше;
• латунная проволока для электротехники и прочих отраслей промышленности;
• латунная труба для проведения линий коммуникаций;
• латунные круги для изготовления станков, приборостроения и пр.;
• латунные листы для разных отраслей промышленности и пр.

Для каждого типа латунного металлопроката необходим металл определенной марки со строго регламентированным химическим составом.

Деформируемые сплавы латуни

Данная категория сплавов цинка и меди обрабатывается давлением. Характеристики и технология работы с ними регламентируется стандартом ГОСТ 15527. Поставляются они в виде металлопроката и заготовок для последующей обработки и изготовления деталей необходимой формы. Дополнительно выделяют две категории медно-цинковых сплавов: двойные (двухкомпонентные) и специальные (многокомпонентные). К деформируемым сплавам относятся две наиболее популярные марки: Л63 (двухкомпонентная) и ЛС59-1 (многокомпонентная, легированная свинцом).

По структуре выделяют также однофазные и двухфазные сплавы. Однофазная латунь имеет однородный неизменяемый цвет и обладает хорошей технологичностью. У двухфазных повышена плотность, они становятся более хрупкими и хуже поддаются холодной обработке. Температура плавления для всех медьсодержащих сплавов находится примерно в одном диапазоне.

Маркировка латуней

По содержанию компонентов принято выделять простые и специальные многокомпонентные латуни. Простые разновидности латуни имеют свою маркировку, которая позволяет сразу отличить наименование марки сплава в тексте. Маркировка включает в себя букву «Л» – латунь и цифру, равную среднему содержанию Cu. В латуни марки Л80 содержится 80% меди и 20% цинка.

Для многокомпонентных (специальных) латуней принята следующая маркировка. Сначала также идет буква «Л», за ней буквы, которые показывают все легирующие компоненты сплава, кроме основного компонента – цинка. Цинк в наименовании маркировки не указывается. За буквами, указывающими на то, какие элементы содержатся в сплаве, пишутся цифры, которые показывают содержания компонентов сплава. Первая цифра обозначает содержание меди, далее последовательность цифр соответствует последовательности букв в аббревиатуре марки. Содержание цинка не указывается, оно определяется разницей между 100% и суммарным содержанием всех прочих элементов.

ЛАЖМц66-6-3-2 – латунь со следующими содержаниями:

C – 66%,

A l – 6%,

Fe – 3%,

Mn – 2%.

Цинка содержится соответственно 23%.

В таблице ниже можно ознакомиться с основными марками латуни. Они могут быть литейные или деформируемые для производства проката. Также стоит отметить, что некоторые типы латунных сплавов подходят для пайки. Эти типы регламентируются ГОСТом 16130-90, они выделены в таблице цветом.

Каждая марка латуни предназначена для решения конкретных задач в соответствии с химическими составами и технологическими параметрами.

Примеры применения некоторых марок латуни приведены ниже.

Способы улучшения характеристик латунных сплавов

Значительно снизить хрупкость сплава можно при помощи отжига, осуществляемого в температурном диапазоне 240-260 °C. В процессе термической обработки улучшаются прочностные показатели материала, и устраняется остаточное напряжение. Основным способом влияния на эксплуатационные характеристики (прочность, плотность, пластичность, цвет и прочие) является введение легирующих компонентов.

Чистый сплав цинка и меди называется двухкомпонентным, если в составе присутствуют легирующие элементы – многокомпонентным. Чаще всего в качестве легирующих добавок выступает свинец, кремний, никель, железо, олово и марганец. Их процентное содержание обычно невелико (до 1-1,5%), но характеристики меняются кардинально. Если превысить норму, то качество латунного металлопроката может значительно ухудшиться.

Введение кремния и свинца позволяет улучшить прочностные и антифрикционные характеристики латуни, благодаря чему значительно возрастает износостойкость изготовленных из него механических деталей. Если массовая доля кремния превысит технические нормативы, характеристики латуни могут резко ухудшиться. Также свинец и кремний при соблюдении пропорций позволяют улучшить эстетические свойства материала.

Олово, алюминий и марганец повышают приспособляемость к растяжению, а добавление железа с марганцем позволяет увеличить показатель относительного удлинения. Здесь важно отметить, что все остальные легирующие добавки действуют на показатель удлинения отрицательно.

Для повышения антикоррозионных свойств в латунные сплавы добавляют никель, олово, марганец и алюминий. Добавление никеля позволяет избавиться от растрескивания в условиях повышенной влажности. Дополнительный положительный эффект от легирования оловом заключается в повышении прочности, плотности и стойкости к морской воде, а также соляным туманам. Поэтому такие материалы используются в приборах, предназначенных для судоходства.

Легирование свинцом повышает пластичность и технологичность, благодаря чему латунь легче поддается механической резке. При обработке на токарном станке заготовки не растрескиваются. Стружка получается мелкой, а поверхность – практически идеально гладкой, благодаря чему готовая деталь не нуждается в финишной обработке.

Мышьяк в качестве легирующего компонента для сплавов цинка и меди применяется редко. Обычно легированные им детали применяются для работы в агрессивных химических средах. Если одновременно с мышьяком в сплав добавляется железо и никель, стойкость готового изделия значительно возрастает, и оно может работать в контакте со слабыми растворами щелочей и кислот.

Типы латуней

Принято выделять латуни однофазные или так называемые латуни альфа-типа, содержащие до 30-35% цинка, и двухфазные разновидности альфа-бета типа с большим (до 47-50 %), чем в однофазных, содержанием основного легирующего компонента. Однофазные латуни более пластичны, с увеличением же добавок возрастает прочность латуни, но существенно снижается ее пластичность.

Двухфазные латунные сплавы существенно менее пластичны, чем однофазные. Такое изменение свойств в связи с изменением состава объясняется тем, что при увеличении числа легирующих добавок неизменно меняется и структура сплава. При этом прочность двухфазных латунных разновидностей существенно выше, чем у однофазных. Двухфазные латунные сплавы могут содержать до 6% свинца в качестве дополнительной легирующей добавки.

Латунные сплавы с относительно невысоким содержанием цинка до 10% принято называть томпаками, при содержании цинка 10-20% – полутомпаками.

Химический состав латуни

Латунь по своему химическому составу близка к бронзе, и латунь, и бронза имеют в своей основе медь. Существенное отличие заключается в том, что основным легирующим компонентом в латунных сплавах является цинк, содержание которого может достигать 45%.

Рассмотрим подробнее свойства основных компонентов латуни.

Zn (цинк) элемент таблицы Менделеева, атомный номер 30. Элемент относится к побочной подгруппе 2 группы IV периода. Металл является переходным, для него характерно такое свойство, как проявление в атомах электронов на d- и f-орбиталях. Металл имеет светло-голубой оттенок, который на воздухе темнеет, покрываясь оксидной пленкой.

Cu – основной компонент сплава. Элемент относится к 11 группе IV периода периодической системы Менделеева и имеет атомный номер 29. Металл как и цинк является переходным. У металла красивый желтовато-золотистый цвет. При образовании оксидной пленки медь приобретает красноватый оттенок.

Как говорилось выше, латунь может иметь структуру, которая состоит из альфа-фазы или из альфа-бета фазы.

В качестве легирующих компонентов латунь может включать в себя:

• Mn для повышения прочности сплавов, в том числе и антикоррозионной. Дополнительное введение помимо Mn еще Al, Sn, Fe усиливает прочностные и антикоррозионные характеристики металла.
• Sn для повышения устойчивости к соленой воде. Такие латунные сплавы приобрели «негласное» название – морская латунь и широко применяются в местах контакта с морской водой.
• Ni придает соединению высокие прочностные характеристики и также повышает антикоррозионные свойства.
• Pb применяется в том случае, если латунная деталь будет подвергаться резке. Этот элемент делает металл более податливым при механической обработке. Латуни, легированные свинцом называют автоматными.
• Si необходим для усиления антифрикционных характеристик сплава, что позволяет спокойно использовать его наряду с бронзой в некоторых технологических узлах, подшипниках и пр. Но, стоит отметить, что кремний существенно снижает твердость и прочность латунных изделий.

В таблице ниже приведены химические составы некоторых марок латунных сплавов. По таблице видно, что все марки имеют разный состав, содержание меди в некоторых марках может достигать 91%.

Свойства латуни в зависимости от процентного соотношения компонентов, температуры нагрева

При изменении процентного соотношения компонентов твердого раствора, введении дополнительных легирующих элементов меняются и свойства получаемого металла.

Попробуем проследить, как меняются свойства металла при изменении содержания Zn:

• При содержании цинка менее или равном 30% увеличиваются твердость и эластичность металла.
• При дальнейшем увеличении содержания цинка эластичность начинает снижаться в связи с уплотнением альфа-раствора. Твердость при этом увеличивается.
• Но при достижении содержания цинка 45% твердость тоже падает.

За счет своей эластичности латуни хорошо обрабатываются давлением. Особенно это относится к однофазным сплавам. Температурный режим для изменения формы не должен попадать в диапазон 300-700°C, это «хрупкая зона» металла. Альфа-бета разновидности проявляют повышенную пластичность при увеличении температуры нагрева выше 700°C.

Таким образом, содержание химических элементов в металле напрямую влияет на его технологические параметры, свойства. Альфа-латунные сплавы отличаются повышенной пластичностью, альфа-бета разновидности – прочные и крепкие, но они не подходят для деформационной обработки. Латунный сплав обладает повышенной устойчивостью к коррозии и морской воде за счет добавления легирующих компонентов, что позволяет использовать его в участках постоянного воздействия агрессивных сред.

Технологичность латуни

Металлы на основе меди и цинка хорошо поддаются механической обработке, благодаря чему из заготовок и предварительных отливок можно вытачивать любые детали. Кроме того, они хорошо поддаются пайке.

Основным недостатком можно назвать склонность к растрескиванию латуни с повышенным содержанием цинка (более 20%), особенно при использовании во влажной среде и при наличии паров аммиака. Первым признаком снижения прочности латунного металлопроката является потеря естественного цвета, постепенно ухудшаются и другие свойства.

Что такое мягкий, полутвердый и твердый латунный прокат

Данные состояния латуни реализуются только для холоднодеформированного проката (листов, прутков, полос и т.д.). Кроме указанных также существует особотвердое и пружинно-твердое состояние материала.

В чем различия этих состояний? При холодной деформации, в зависимости от ее степени, а также легирования возникает наклеп (упрочнение) различной величины. Чем больше степень обжатия, чем больше в структуре дисперсных упрочняющих частиц, тем сильнее наклеп. Произвести разупрочнение можно с помощью рекристаллизационного отжига, уменьшающего прочность и твердость, но повышающего пластичность.

Каждое из состояний латуни характеризуется своим комплексом механических свойств. Для примера, латунь марки Л68 в мягком состоянии (после отжига) имеет временное сопротивление разрыву 290-370 Н/мм2 и относительное удлинение – не менее 42%, в полутвердом состоянии эти цифры соответственно равны 340-470 Н/мм2 и 20%, в твердом – 430-540 Н/мм2 и 10%, в особотвердом – не менее 530 Н/мм2, пластичность не контролируется.

Чем отличаются однофазная и двухфазная латуни

Фаза – однородная часть сплава с одинаковой структурой и свойствами. Латунь в основе своей структуры имеет твердый раствор цинка в кристаллической решетке меди. Если строение латуни однородное (гомогенное), состоящее только из твердого раствора, то такая латунь относится к однофазным (т.н. α- и β-латуни). При определенных температурах и концентрациях цинка возможны двухфазные структуры (α+β), а также выделение из твердого раствора частиц с упорядоченным строением – интерметаллидов.

По механическим свойствам указанные латуни также различаются: α-латуни — более пластичные, мягкие, легко поддаются деформации с большими степенями, например, вытяжке. Типичные представители – Л68, Л80. β-латуни – более твердые и прочные, но также достаточно пластичны.

В промышленности обычно применяются двухфазные латуни, с дополнительным легированием для создания специальных свойств. Например, ЛС59-1 – двухфазный латунный прокат, цена которого несколько выше близкого по содержанию меди (Л60, Л63), содержит свинец, не растворяющийся в решетке меди и повышающий обрабатываемость резанием.

Производство латуни

Производство латуни — это сложный технологический процесс в котором задействована медная и цинковая промышленность, а также методы переработки вторсырья. В качестве сырья для получения сплавов применяются изготовленные по ГОСТ заготовки меди, цинка и других металлов для многокомпонентных сплавов, а также собственные отходы производства и вторичное сырьё.

Латунь получают сплавлением этого сырья в электродуговых печах или печах на твёрдом топливе в тиглях, или даже без тиглей в отражательных печах. Предварительно сырьё подготавливается, печи также очищаются. Медь разогревают до красного каления и помещают в печи в первую очередь, после чего добавляют цинковые кусковые заготовки. Для получения сложных сплавов медь также добавляют в первую очередь, после чего добавляют остальные элементы.