Диапазон температур плавления латуни

Какие характеристики имеет металл и как его обрабатывают

Латунь
Латунь – это сплав, полученный на основе меди. Кроме меди, в его составе присутствует несколько других компонентов. По прочности он тверже материнского металла, но обладает такой же хорошей электрической проводимостью. Металл более стоек к процессам окисления, имеет декоративно привлекательный желто-золотистый оттенок.

В зависимости от долевой части того или иного присутствующего в сплаве вещества, латунь приобретает определенные свойства. Наиболее распространенные марки имеют многокомпонентную структуру, либо состоят из двух компонентов. В двухкомпонентной латуни вторым после меди металлом является цинк, которого может быть до 45%. Многокомпонентный сплав содержит еще никель, железо, марганец, свинец.

Химический состав и свойства латуней

Химический состав определяет температуру плавления латуни. Главную роль здесь играет цинк. Чем его меньше, тем выше температура перехода вещества в жидкое состояние. Для богатых цинком соединений это +880 градусов, для бедных – примерно +950 градусов. В расплавленном состоянии металлы приобретают текучесть. Латунь хорошо течет тогда, когда в ней меньше висмута и свинца. Марки, где этих компонентов много при расплавлении, обладают повышенной рыхлостью.

Латунь поддается всем основным видам обработки. Как и бронза, латунь является универсальным металлом. Первое и основное, что с ней можно сделать – это расплавить и придать определенную форму при помощи литья. Удобно, что температуры плавления легко можно достичь в домашних условиях. Кроме этого, детали из латуни поддаются сварке, их соединяют при помощи пайки. На механический способ обработки материала токарным оборудованием сплав латуни также хорошо отзывается.

Термическая обработка цветных сплавов

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕДИ И ЛАТУНИ

Медь.

Это наиболее распространенный в технике и промышлен­ности цветной металл, обладающий высокой пластичностью, теп­лопроводностью и электропроводимостью. На основе меди образо­вывают технические сплавы — латунь и бронзу.

Медь применяют для производства листов, ленты, проволоки методом холодной деформации. В процессе деформации она теря­ет пластичность и приобретает упругость. Потеря пластичности затрудняет прокалку, протяжку и волочение, а в некоторых слу­чаях делает невозможной дальнейшую обработку металла.

Для снятия иагартовки или наклепа и восстановления пласти­ческих свойств меди проводят рекристаллизационный отжиг по режиму: нагрев до температуры 450—500° С со скоростью 200—220° С/ч, выдержка в зависимости от конфигурации и массы изделия от 0,5 до 1,5 ч, охлаждение на спокойном воздухе. Струк­тура металла после отжига состоит из равноосных кристаллов, прочность σв=190 МПа, относительное удлинение δ = 22%.

Латунь.

Сплав меди с цинком называют латунью. Различают двухкомпонентные (простые) латуни, состоящие только из меди, цинка и некоторых примесей, и многокомпонентные (специальные) латуни, в которые вводят еще один или несколько легирующих элементов (свинец, кремний, олово) для придания сплаву тех или иных свойств.

Двухкомпонентныелатуни в зависимости от способа обработки подразделяют на деформируемые и литейные.

деформируемые двухкомпонентные латуни (Л96, Л90, Л80, Л63 и др.) обладают высокой пластичностью и хорошо обрабаты­ваются давлением, их используют для изготовления листов, лен­ты, полос, труб, проволоки и прутков разного профиля.

Литейные латуни применяют для отливки фасонных деталей. В процессе холодной обработки давлением двухкомпонентные ла­туни, как и медь, получают наклеп, вследствие которого возраста­ет прочность и падает пластичность. Поэтому такие латуни под­вергают термической обработке — рекристаллизационному отжигу по режиму: нагрев до 450—650° С, со скоростью 180—200° С/ч, выдержка 1,5—2,0 ч и охлаждение на спокойном воздухе. Проч­ность латуни после отжига σΒ = 240-320 МПа, относительное уд­линение δ = 49-52%·

Латунные изделия с большим внутренним напряжением в ме­талле подвержены растрескиванию. При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, изделия перед длительным хранением под­вергают низкотемпературному отжигу при 250—300° С.

Наличие в многокомпонентных (специальных) латунях легирующих элементов (марганца, олова, никеля, свин­ца и кремния) придает им повышенную прочность, твердость и высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях и мор­ской воде. Наиболее высокой устойчивостью в морской воде обла­дают латуни, легированные оловом, например ЛО70-1, ЛА77-2 и ЛАН59-3-2, получившие название морской латуни, их применяют в основном для изготовления деталей морских судов.

По способу обработки специальные латуни подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые латуни используют для получения полуфабрикатов (листов, труб, ленты), пружин, деталей часов и приборов. Литейные многокомпонентные латуни применяют для изготовления полуфабрикатов и фасонных деталей методом литья (гребные винты, лопасти, детали арматуры и т.п.). Требуемые механические свойства специальной латуни обеспечи­вают термической обработкой их, режимы которой приведены в таблице. Для получения мелкого зерна перед глубокой вытяжкой деформируемые латуни для листов, лент, полос подвергают от­жигу при температуре 450—500° С.

Таблица

Режимы термической обработки специальных латуней *

* Охлаждающая среда — воздух.

ТЕРМИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ БРОНЗЫ

Бронза — сплав меди с оловом, свинцом, кремнием, алюмини­ем, бериллием и другими элементами. По основному легирующему элементу бронзы разделяют на оловянные и безоловянные (спе­циальные), по механическим свойствам — на деформируемые и литейные.

Деформируемые оловянные бронзы марок Бр.ОФ8-0,3, Бр.ОЦ4-3, Бр.ОЦС4-4-2,5 выпускают в виде прутков, лент, проволоки для пружин. Структура этих бронз состоит из α-твердого раствора. Основным видом термической обработки бронз является высокий отжиг по режиму: нагрев до 600—650° С, выдержка при этой температуре в течение 1—2 ч и быстрое охлаж­дение. Прочность после отжига σв — 350-450 МПа, относительное удлинение б= 18—22%, твердость НВ 70—90.

Литейные оловянные бронзы марок Бр.ОЦ5-5-5, Бр.ОСНЗ-7-5-1, Бр.ОЦСЗ,5-7-5 используют для изготовления анти­фрикционных деталей (втулок, подшипников, вкладышей и др.). Литейные оловянные бронзы подвергают отжигу при 540—550° С в течение 60—90 мин.

Безоловянные бронзы Бр.5, Бр.7, Бр.АМц9-2, Бр.КН1-3 идругие марки имеют высокую прочность, хорошие антикоррози­онные и антифрикционные свойства. Из этих бронз изготовляют шестерни, втулки, мембраны и другие детали. Для облегчения обработки давлением бронзы подвергают гомогенизации при 700—750° С с последующим быстрым охлаждением. Отливки, име­ющие внутренние напряжения, отжигают при 550° С с выдержкой 90—120 мин.

Наиболее часто в промышленности применяют двойные -алюминиевые бронзы марок Бр.А5, Бр.А7 и бронзы, до­бавочно легированные никелем, марганцем, железом и другими элементами, например Бр.АЖН10-4-4. Эти бронзы используют для различных втулок, фланцев, направляющих седел, шестерен и других небольших деталей, испытывающих большие нагрузки.

Двойные алюминиевые бронзы подвергают закалке и отпуску по режиму: нагрев под закалку до 880—900° С со скоростью 180—200° С/ч, выдержка при этой температуре 1,5—2 ч, охлажде­ние в воде; отпуск при 400—450° С в течение 90—120 мин. Струк­тура сплава после закалки состоит из мартенсита, после отпус­ка—из тонкой механической смеси; прочность бронзы σв = 550МПа, δ = 5%, твердость НВ 380—400.

Бериллиевая бронза Бр.Б2 — сплав меди с бериллием. Уникальные свойства — высокая прочность и упругость при одно­временной химической стойкости, немагнитность и способность к термическому упрочнению — все это делает бериллиевую бронзу незаменимым материалом для изготовления пружин часов и при­боров, мембран, пружинистых контактов и других деталей. Высо­кая твердость и немагнитность позволяют использовать бронзу в качестве ударного инструмента (молотки, зубила), не образующе­го искр при ударе о камень и металл. Такой инструмент применя­ют при работах во взрывоопасных средах. Бронзу Бр.Б2 закали­вают при 800—820° С с охлаждением в воде, а затем подвергают искусственному старению при 300—350° С. При этом прочность сплава σΒ=1300 МПа, твердость HRC37—40.

ТЕРМИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на неупрочняемые термической обработкой и упрочняемые. Кнеупрочняемым алюминиевым сплавам относят сплавы марки АМц2, АМг2, АМгЗ, имеющие невысокую прочность и высокую пластич­ность; их применяют для изделий, получаемых глубокой вытяж­кой, упрочняют холодной обработкой давлением (нагартовкой).

Наиболее распространены сплавы, упрочняемые термической обработкой. К ним относят дюралюминий марок Д1, Д16, Д3П, в состав которых входят алюминий, медь, магний и марганец. Ос­новными видами термического упрочнения дюралюминия являют­ся закалка и старение. Закалку проводят при 505—515° С с после­дующим охлаждением в холодной воде. Старение применяют как естественное, так и искусственное. При естественном старении сплав выдерживают в течение 4—5 сут, при искусственном — 0,8—2,0 ч; температура старения — не ниже 100—150°С; проч­ность после обработки σΒ = 490 МПа, 6=14%. Сплавы Д1 и Д16 применяют для изготовления деталей и элементов строительных конструкций, а также изделий для летательных аппаратов.

Авиаль (АВ, АВТ, АВТ1)—это деформируемый сплав, обла­дающий более высокой пластичностью, свариваемостью и корро­зионной стойкостью, чем дюралюминиевые; подвергают закалке в воде при 515—525° С и старению: сплавы АВ и АВТ — естествен­ному, сплав АВТ1 — искусственному при 160° С с выдержкой 12—18 ч. Применяют авиаль для производства листов, труб, ло­пастей винтов вертолетов и т. п.

Высокопрочные (σв=550-700 МПа) алюминиевые сплавы В95 и В96 имеют меньшую пластичность, чем дюралюминий. Термиче­ская обработка этих сплавов заключается в закалке при 465—475° С с охлаждением в холодной или горячей воде и искус­ственном старении при 135—145° С в течение 14—16 ч. Применяют сплавы в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при 100—200° С.

Ковочные алюминиевые сплавы марок АК1, АК6, АК8 подвер­гают закалке при 500—575° С с охлаждением в проточной воде и искусственному старению при 150—165° С с выдержкой 6—15 ч; прочность сплава σΒ = 380-460 МПа, относительное удлинение δ = 7-10%.

Литейные алюминиевые сплавы называют силуми­нами. Наиболее распространены термически упрочняемые сплавы марок АЛ4, АЛ6 и АЛ20 Отливки из сплавов АЛ4 и АЛ6 зака­ливают при 535—545° С с охлаждением в горячей (60—80° С) воде и подвергают искусственному старению при 175° С в течение 2—3 ч; после термической обработки σв=260 МПа, δ = 4-6%, твердость НВ 75—80. Для снятия внутренних напряжений отливки из этих сплавов отжигают при 300° С в течение 5—Ю ч с охлаж­дением на воздухе. Жаропрочные сплавы марок АЛ 11 и АЛ20, идущие для изготовления поршней, головок цилиндров, топок кот­лов, работающих при 200—300° С, подвергают закалке (нагрев до 535—545° С, выдержка при этой температуре в течение 3—6 ч и охлаждение в проточной воде), а также стабилизирующему отпус­ку при 175—180° С в течение 5—10 ч; после термической обработ­ки σв=300-350 МПа, δ=3-5%.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАГНИЕВЫХ И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Магниевые сплавы.

Основными элементами в магниевых спла­вах (кроме магния) являются алюминий, цинк, марганец и цир­коний. Магниевые сплавы делят на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы марок МА1, МА8, МА14 подвергают термическому упрочнению по режиму: на­грев под закалку до 410—415° С, выдержка 15—18 ч, охлаждение на воздухе и искусственное старение при 175° С в течение 15—16 ч; после термообработки σΒ = 320~430 МПа, δ = 6-14%. Сплавы МА2, МАЗ и МА5 термической обработке не подвергают; их при­меняют для изготовления листов, плит, профилей и поковок.

Химический состав литейных магниевых сплавов(МЛ4, МЛ5, МЛ12 и др.) близок к составу деформируемых, но пластичность и прочность литейных сплавов значительно ниже. Это связано с грубой литейной структурой сплавов Термическая обработка отливок с последующим старением способствует раство­рению избыточных фаз, сконцентрированных по границам зерен и повышению пластичности и прочности сплава.

Особенностью магниевых сплавов является малая скорость диффузионных процессов (фазовые превращения протекают мед­ленно), что требует большой выдержки под закалку и старение. По этой причине закалка сплавов возможна только на воздухе. Старение литейных магниевых сплавов проводят при 200—300° С; под закалку их нагревают до 380—420° С; после закалки и старе­ния σв = 250-270 МПа.

Магниевые сплавы можно применять, как жаропрочные, спо­собные работать при температурах до 400° С. Вследствие высокой удельной прочности магниевые сплавы широко применяют в авиа­ции, ракетостроении, автомобильной и электротехнической про­мышленности. Большим недостатком магниевых сплавов является низкая стойкость против коррозии во влажной атмосфере.

Титановые сплавы.

Титан является одним изважнейших совре­менных конструкционных материалов; обладает высокой проч­ностью, повышенной температурой плавления (1665° С), малой плотностью (4500 кг/м3) и высокой коррозионной стойкостью даже в морской воде. На основе титана образовывают сплавы повышен­ной прочности, широко применяемые в авиации и ракетостроении, энергомашиностроении, судостроении, химической промышленности и других областях промышленности. Основными добавками в ти­тановых сплавах являются алюминий, молибден, ванадий, марга­нец, хром, олово и железо.

Титановые сплавы марок ВТ5, ВТ6-С, ВТ9 и ВТ16 подвергают отжигу, закалке и старению. Полуфабрикаты (прутки, поковки, трубы) из сплава, дополнительно легированного оловом (ВТ5-1), проходят рекристаллизационный отжиг при 700—800° С в целях снятия наклепа. Листовые титановые сплавы отжигают при 600—650° С. Длительность отжига поковок, прутков и труб состав­ляет 25—30 мин, алистов — 50—70 мин.

Высоконагруженные детали из сплава ВТ14, работающие при температуре 400° С, закаливают с последующим старением по ре­жиму: температура закалки 820—840° С, охлаждение в воде, ста­рение при 480—500° С в течение 12—16 ч; после закалки и старе­ния: σв=1150-1400 МПа, 6 = 6—10%, твердость HRC56—60.

Какие инструменты необходимы, чтобы расплавить латунь

Плавка стали в индукционных печах

Чтобы осуществить плавку латуни перед последующим литьем, нужно нагреть ее почти до +900 градусов по Цельсию. Для этого понадобится приобрести или изготовить специальную печь. Эффективней всего раскаляет печь индукционного типа.

Каркас самодельного горна можно собрать из огнеупорного кирпича со связкой из огнеупорной глины, и обязательно стянуть металлом, чтобы избежать разрушения конструкции при повышенной температуре внутри. Сверху организуют съемную крышку.

Внутренняя отделка печки — электрическая спираль, равномерно закрепленная по всему периметру стенок при помощи керамических трубок. Приспособление, куда непосредственно закладывают части металла, называется тиглем. Это специальная емкость, способная выдержать большие термические нагрузки. Поэтому она изготовлена не из металла. Заводские модели тиглей чаще выполнены из графита. Для домашних нужд можно сделать тигель из шамотного кирпича.

Для создания внутри печи нужного накала, мощность электрической спирали должна быть рассчитана минимум на 20 киловатт. Изготавливая спираль самостоятельно при выборе проволоки из нихрома нужно учитывать этот момент. Дополнительные инструменты, которые необходимо иметь для работы с расплавленной латунью:

• Щипцы, чтобы вынимать раскаленный тигель с металлом из горнила печи;
• Стальную ложку для удаления пленки и шлака из расплава;
• Ковш для литья, куда переливают жидкую латунь перед заливкой формы;
• Индивидуальные средства защиты органов зрения, дыхания и кожных покровов;
• Средства пожаротушения (огнетушитель).

Кроме всего перечисленного, помещение, в котором проводится плавление латунного состава, должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией – пары цинка очень вредны для организма.

Плавка в домашних условиях

Сплав имеет довольно низкую по сравнению с другими металлами температуру расплавления, а потому возможна его обработка, изготовление и ремонт изделий даже дома. Для этого необходимо собрать специальное оборудование и иметь большую рабочую область, позволяющую соблюдать все меры безопасности, требующиеся при работе с раскалённым или расплавленным металлом.

Необходимые инструменты

Для плавки латуни в домашних условиях нужна печь. Собрать её можно из кирпича, обладающего достаточной огнеупорностью, соединив его таким же термостойким раствором. В качестве нагревательного элемента лучше всего использовать индукционные нагревательные элементы. Это керамические трубки, на которые намотана проволока из нихрома. Они могут разогреваться до больших температур (1000 градусов по Цельсию и больше) и пригодятся для работы с другими, более тугоплавкими металлами и сплавами.

Минимально требуемая мощность источника электричества, которое будет подаваться на нагрев должна быть около 25−30 киловатт. Он должен быть собран из достаточно качественных электротехнических деталей и иметь высокий показатель КПД.

Тигель — ёмкость, где будет, собственно, плавиться металл, можно изготовить из шамота — выпаленной до спекания глины. Для дополнительной жаропрочности и надёжности можно обмазать его раствором силиката калия, или просто «жидким стеклом» с примесью талька. Такой тигель прослужит намного дольше и выдержит большее количество расплавлений. Есть также и тигли, выполненные из графита, но они сильно уступают глиняным по надёжности. Для операций с тиглем необходимо изготовить или приобрести щипцы. Они должны обладать довольно длинными ручками и иметь закруглённые губки.

Описание процесса

В тигель помещается сплав, желательно в виде кусков. Чем мельче они будут, тем легче пойдёт процесс расплавления, так как тепло от нагревательных элементов будет быстрее распределяться между ними. Тигель, при помощи щипцов, помещается в печь, и только после этого начинается её разогрев. Вынимать его из печи можно только после того, как весь объём помещённого в него металла переходит в полностью жидкую форму. Это операция производится с помощью тех же щипцов. Если на поверхности расплавленной латуни образовалась плёнка, её следует с помощью предварительно подготовленной проволоки убрать.

Для изготовления литых изделий из сплава следует использовать специальные формы, вырезанные из дерева или распечатанные на 3D-принтере из материала, более жаропрочного, чем жидкая латунь. Деревянные формы в большинстве своём одноразовые. Алгоритм действий прост: вынимаем тигль, снимаем плёнку, заливаем и ждём полного остывания.

Температурные режимы, технология плавки

Нужно понимать, что температура плавления латуни и температура литья отличаются. Чтобы металл хорошо тек и мог заполнять мельчайшие полости формы, недостаточно просто его расплавить. Особенно это касается свинцовых латуней, ведь свинец, как упоминалось раньше, ухудшает текучесть вещества. Поэтому таблицы для разных марок латуни предоставляют несколько температурных режимов обработки.

Термическая обработка латуней со свинцом

В технологической таблице для марок свинцово содержащих латуней приводятся как показатели температуры плавления металла, так и показатели температуры литья:

• ЛС59-1В – плавление: 900 градусов по Цельсию, литье: 1030-1080 градусов;
• ЛС59-1 – плавление: 885-895 (литье: 1030-1080);
• ЛС60-1 – плавление: 885-900 (литье: 1040-1080);
• ЛС63-3 – плавление: 885-905 (литье: 1060-1100);
• ЛС64-2 – плавление: 885-910 (литье: 1060-1100);
• ЛС74-3 – плавление: 965 (литье: 1120-1160).

Термическая обработка простых латуней

Для простых сплавов указывают только температуру плавления латуни:

• Л60 – 885-895 градусов по Цельсию;
• Л63 – 900-910;
• Л68 – 909-938;
• Л70 – 915-950;
• Л80 – 965-1000;
• Л85 – 990-1025;
• Л90 – 1025-1045;
• Л96 – 1055-1070.

Простые латуни – химический состав и применение

Этапы плавильных работ

Подготовка рабочего места является предварительным и важным этапом для эффективного проведения работ плавки латуни в домашних условиях. Поверхность стола, где будет установлена печь, устилают асбестовым листом. Последний выполняет роль теплового барьера. Тут же располагают все необходимые инструменты. На отдельном столе должны быть разложены формы под заливку.

Следующим этапом работ является подготовка металла. Его очищают от грязи, сильных окислов и обезжиривают. Все это уменьшает количество шлака в расплавленной массе. Далее идет процесс измельчения материала. Чем меньше будут фракции, тем быстрее латунь достигнет текучего состояния. Полученные частицы засыпают в тигель и опускают в индукционную печь.

Процесс плавления латуни

После включения нагревательного элемента печи должно пройти определенное время, прежде чем куски металла превратятся в тягучую массу, а затем — в расплавленную жидкость. Нельзя допускать перегрева вещества, иначе произойдет интенсивное испарение цинка, что ухудшит химические показатели после отвердения. Поэтому за процессом постоянно следят, периодически приподнимая крышку печи. Готовый расплав должен иметь яркий желтый цвет, отдающий оранжевым оттенком.

С поверхности расплава снимают окислительную пленку, удаляют шлак, стараясь не перемешивать массу. Щипцами аккуратно берут тигель и переливают жидкий сплав в заранее приготовленные формы. Чтобы избежать образования раковин в застывшей детали, которые возникают при резком падении температуры плавления латуни, и невозможности выхода наружу пузырьков воздуха, формы перед заливкой желательно прогреть при помощи технического фена.

Требования техники безопасности

• Расплавление латуни желательно проводить на открытом воздухе под навесом. Если рабочее место находится в помещении, организуют хорошую вентиляцию;
• В непосредственной близости от печи не должно быть легковоспламеняемых предметов, взрывопожароопасных жидкостей, баллонов с газом;
• В доступном месте возле рабочего стола необходимо иметь огнетушитель, большую емкость с водой;
• Работу проводят в спецодежде из хлопчатобумажной ткани, обувь должна быть из плотной кожи;
• Органы зрения защищают очками, органы дыхания – респиратором;
• На подходе к рабочему месту, столам с литейными формами не должно быть посторонних предметов, проводов, за которые можно зацепиться;
• Заливая расплавленный металл в форму, нужно стараться избегать брызг;
• В помещении должна быть аптечка с наличием всего необходимого для оказания первой медицинской помощи.

Характеристики латуни

Изготовление изделий из этого сплава достигается преимущественно посредством литья. Поэтому очень важно знать, при какой температуре плавится латунь. Это сильно зависит от её химического состава, а конкретнее — от содержания в ней цинка, ведь чем больше этого металла, тем меньше требуется тепла для его расплавления. Если в латуни содержится значительное количество примесей висмута или свинца, это очень негативно влияет на её растекаемость, усложняя обработку изделий. Поэтому температура её плавления колеблется в пределах 880−950 градусов Цельсия.

Очень важно при изготовлении изделий из латуни покрывать их защитным слоем. Для этого можно использовать обычный лак. Несмотря на свою стойкость к коррозии, она очень подвержена процессам окисления на открытом воздухе. Многие незащищённые детали или предметы интерьера необходимо регулярно чистить, чтобы они не потемнели. Но сделать это легко, ведь латунь очень хорошо полируется.

Технические показатели сплава

Кроме температуры плавления, у латуни есть ещё несколько важных характеристик, благодаря которым она находит такое широкое применение в различных областях. Вот некоторые из них:

• Удельное электрическое сопротивление — в пределах 0,07−0,08 микроом на метр.
• Плотность — около 8,3−8,7 тонн на кубометр.
• Теплоёмкость — 0,377 килоджоулей на килограмм-Кельвин.

В зависимости от состава, латунь бывает:

• Двойной — сплав только с содержанием меди и цинка.
• Многокомпонентной — содержащей большое количество других металлов и примесей.