Сплав латунь: состав, свойства и особенности производства

Латунь — это сплав меди с цинком. Золотистый оттенок придает ему схожесть с золотом, но такое соединение значительно дешевле. Чистая медь дороже латуни. Связано это с меньшей стоимостью цинка, входящим в состав латуни. В результате полученный сплав, обладает характеристиками, каких нет у меди при меньшей цене.

Сплав устойчив к воздействию внешней среды. Однако нуждается в нанесении на поверхность лака, поскольку с течением времени чернеет. Благодаря своей пластичности и твердости используется как на промышленном производстве, так и для изготовления бижутерии в качестве украшений.

Фитинги из латуни

Классификация латуней

В зависимости от химического состава различают:

• Простые (двухкомпонентные) латуни. В их составе только медь и цинк. Маркируются простые латуни буквой «Л» и цифрой, которая обозначает соотношение меди в процентах. Например: в состав Л85 входит 85% меди и 15% цинка.
• Специальные (многокомпонентные) латуни. Они содержат медь, цинк, свинец, алюминий, железо и другие элементы, улучшающие основные свойства материала. Такие элементы называются легирующими. Маркируются специальные латуни буквой «Л», а также буквами и цифрами, обозначающими легирующие дополнительные элементы и их количество в процентах. Например: ЛА77-2 содержит 77% меди, 2% алюминия и 21% цинка.

Специальные латуни подразделяются на классы, названные по главному легирующему элементу (марганцевые, алюминиевые, кремнистые, оловянные, никелевые, свинцовые).

По степени обработки латуни бывают:

• деформируемые (латунная лента, проволока, труба, латунный лист); • литейные (арматура, подшипник, детали приборов).

Подробнее о сплавах латуни

Латунь Л63, Латунь ЛС59-1

Существует также классификация по количеству цинка в сплаве:

• 5-20% цинка – красная латунь (томпак); • 20-36% цинка – желтая латунь.

Что представляет собой

Это один из самых узнаваемых материалов планеты. Как и бронза, латунь не металл, а сплав.

Бывает дву- либо поликомпонентным. Базовый компонент сплава – главный цветной металл планеты медь:

• В первом случае ее дополняет цинк (до 44%). На эту пару приходится основная доля по массе в сплаве.
• В многокомпонентных составах к цинку прибавляются олово, свинец, никель, железо, марганец, другие лигатуры.

Цинк улучшает потребительские свойства, попутно снижая цену конечного продукта.

Латунь не относится к металлам. Как и бронза, это конгломерат нескольких компонентов.

Основные свойства латуни

Латуни хорошо поддаются обработке давлением. Механические свойства сравнительно высокие, коррозионная устойчивость удовлетворительная. Если сравнивать латуни с бронзой, то их прочность, устойчивость к коррозии и антифрикционные свойства меньше. Они не очень устойчивы на воздухе, в соленой морской воде, углекислых растворах и растворах многих органических кислот.

Латунь красивого цвета и в сравнении с медью обладает лучшей коррозионной стойкостью. Однако с увеличением температуры растёт и скорость коррозии. Наиболее заметен этот процесс в тонкостенных изделиях. Спровоцировать коррозию могут: влажность, следы аммиака и сернистого газа в воздухе. Для предупреждения этого явления латунные изделия подвергают низкотемпературному обжигу после обработки.

Практически все латуни при понижении температуры (до гелиевых температур) остаются пластичными и не становятся хрупкими, что даёт возможность использовать их в качестве хорошего конструкционного материала. За счёт более высокого показателя температуры рекристаллизации (300-370°С), чем у меди, при высокой температуре ползучесть латуней будет меньше. При средней температуре (200-600°С) возникает явление хрупкости, так как нерастворимые при невысоких температурах примеси (например: свинец, висмут) образуют хрупкие межкристаллические прослойки. При повышении температуры снижается ударная вязкость латуней. В сравнении с медью показатели электропроводности и теплопроводности латуней ниже.

Похожие сплавы и материалы

От чистой меди легко отличить по цвету черты. Для этого нужна обычная фарфоровая тарелка. На ее нижней стороне есть неглазированный, то есть шершавый, не покрытый глазурью «ободок» — на нем тарелка стоит на столе, не позволяя скользить.

Если потереть медное изделие об этот участок, то он окрасится в медно-красноватый цвет. Латунь оставит серовато-желтоватый след. У золота цвет черты светлый золотистый.

Сходные стальные изделия магнитятся, серебряные имеют серовато-белый цвет черты.

Бронза получается сплавлением меди с оловом. Ее окраска сходна с латунной (кроме томпака), но визуально можно уловить еле заметный красноватый оттенок.

Если есть доступ к мощной горелке (но этот способ небезопасен), то металл следует прогреть до 600 градусов: латунь покроется сероватым налетом окислившегося цинка, будет гнуться (бронза сломается). Однако надежные отличия этих двух сплавов получают только путем спектрального анализа.

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).

В ювелирном деле

Обычно считается, что украшения должны быть выполнены из драгоценных металлов: золота, серебра, платины. Но у моды свои правила, и вот уже некоторое время в дневное время многие женщины предпочитают неброскую бижутерию. Латунь, цвет которой близок к золоту, в данном случае незаменима. Кроме того, она прекрасно поддается полировке, так что при должном составе и таланте ювелира украшение, выполненное из сплава, может выглядеть очень красиво и дорого. Так, что неспециалисты даже не заподозрят, что это не золото, а латунь. Фото обычно просто не передает красоту искусно выполненных изделий, так что лучше выбирать такие украшения лично.

Случается, что модницы страдают из-за аллергии и раздражения. На первый взгляд может показаться, что во всем повинна именно латунь. Но, как правило, это не так. В большинстве случаев патологическую реакцию вызывает никель, который делает цвет и общий внешний вид сплава гораздо красивее. Если есть склонность к аллергии на металлы, лучше выбирать украшения, в составе которых нет этого компонента. Обычно производители указывают это отдельно.

Способы получения

В технологии получения латуни задействованы процессы медной, цинковой промышленности, а также переработка вторсырья. Сырьём для производства сплавов являются заготовки меди, цинка и других металлов для получения многокомпонентных сплавов. Также используются собственные отходы производства и вторичное сырьё. Все заготовки изготовлены в соответствии с ГОСТ.

Для плавки латуни используют различные виды плавильных печей, применяющихся для плавки медных сплавов. Самыми эффективными являются электрические индукционные низкочастотные печи с магнитопроводом. Плавку проводят под вытяжной вентиляцией, поскольку некоторые элементы сплава интенсивно испаряются и могут навредить здоровью человека. Сплав нежелательно перегревать, из-за вероятности возгорания на воздухе некоторых компонентов. В качестве шихт для плавки латуни используют чистые и оборотные металлы.

Предварительно сырьё подготавливают, а печи очищают. Разогретую до красного каления медь помещают в печь, а затем добавляют кусковые заготовки цинка. Во время плавки медно-цинковых сплавов берут во внимание значительную окисляемость цинка. Для уменьшения окисляемости проводят ряд мероприятий. Для изготовления многокомпонентных сплавов в первую очередь добавляют медь, а затем с осторожностью остальные компоненты.

История

Документированная история латуни начинается за сто лет до нашей эры:

• В это время производство сплава освоили древние римляне.
• Спустя 900 лет с ним познакомились жители Ближнего и Среднего Востока. Источником сырья (медь, свинец) стали залежи на севере Персии (нынешний Иран).
• В этот же период по Шелковому пути его завезли на Кавказ.
• Первыми из европейцев сплав получили англичане в конце 18 века. Это был медно-цинковый материал.

Популярность материала на протяжении тысячелетий подкреплялась его сходством с золотом.

Применение

Из латуни производят охлаждающие системы для моторов, разнообразные втулки, переходники. Сплав используется в строительной сфере. Например, для изготовления сантехнического оборудования и элементов дизайна. Элементы для крепежа, такие как болты и гайки, также производят из латуни. Этот сплав применяется в судостроении и при изготовлении боеприпасов.

Различают несколько видов латунного проката:

• Латунный пруток
  – это длинномерное металлическое изделие, которое является заготовкой для различных деталей. Пруток имеет различную форму сечения: круглую, овальную, прямоугольную, квадратную, шестигранную, трапециевидную.
• Латунная плита
  – это плоский полуфабрикат с прямоугольным сечением толщиной более 25 мм, который изготавливается прокаткой или литьём. Плиты бывают мягкими, твёрдыми, полутвёрдыми и особо твёрдыми. Латунные плиты используются в промышленности, для декоративной отделки зданий.
• Латунная проволока
  – это вытянутый профиль небольшого диаметра. Применяется проволока в производстве электротехники и декоративных элементов, а также в машиностроении, авиастроении, при сварке и в обувной промышленности.
• Латунная труба
  – обладает высокой пластичностью, устойчивостью к коррозии, износу. Трубы применяются в жилищно-коммунальном хозяйстве, машиностроении, приборостроении, электроэнергетике.
• Латунный круг
  – это сплошной профиль круглого сечения. Применяется изделие в автомобилестроении, приборостроении, при изготовлении станков и механизмов.
• Латунный лист
  — незаменим в полиграфии, автомобилестроении, электроэнергетике, приборостроении, электротехнической, строительной и химической промышленностях.

Химический состав

Латунь изготавливают из меди и цинка. Зачастую ее сравнивают с бронзой, так как сплав латуни и бронзы объединяет одинаковый компонент – медь. Латунь, по составу отличающаяся от бронзы, имеет в качестве второго компонента не олово, а цинк.

Цинк – это химический составляющий элемент второстепенной подгруппы второй группы четвертого периода периодической системы Менделеева. При нормальных условиях
довольно хрупкий переходный материал ярко-голубого цвета (на открытом воздухе покрывается небольшим слоем оксида цинка и темнеет). В природе, как отдельный металл, цинк не существует.
Медь – это химический составляющий элемент одиннадцатой группы четвертого периода периодической системы Менделеева. Это пластичный переходный материал ярко-золотистого цвета (при появлении оксидного слоя медь становится красно-желтого цвета).

За счет цинка и меди (кроме главного α-раствора) появляется целый перечень электронных стадий типа β, γ, ε. Как правило, состав латуни имеет α- или α+β’ фазы:

• α-фаза – стабильный материал из меди и цинка с гранецентрированной кристаллической медной кубической решеткой.
• β’-фаза – структурный материал на основе химического сочетания CuZn с соотношением 3/2 и элементарной и простейшей ячейкой.

Зависимость от термообработки:

• Если температура высокая, то β-фаза имеет хаотичное расположение атомов и увеличенный объем однородного состава. В этом состоянии фаза становится довольно пластичной, если температура менее 453–469 C, то атомная структура меди и цинка обретает упорядоченность и указывается, как β’.
• β’ является более хрупкой и жесткой, γ-фаза имеет в составе электронное сочетание Cu5Zn8.

Составы с одной фазой отличаются повышенной пластичностью; β’-фаза менее пластичная и более прочная.

Разделение с учетом содержания в сплаве цинка:

• Когда сплав латуни имеет в составе до 35% цинка, одновременно увеличиваются и пластичность, и твердость. Затем пластичность снижается, в начале из-за уплотнения α – жесткого состава. После происходит моментальное ее снижение, это объясняется нахождением в составе хрупкой β’-фазы. Затем твердость повышается до уровня количества цинка не больше 40%. Потом резко снижается.
• Многие составы отлично поддаются обработке под давлением. Однофазный состав особенно характеризуется своей пластичностью. Латуни меняют структуру при пониженных и повышенных температурах. Хотя в условиях температуры 400-700 C появляется «хрупкая зона». Деформация при этих температурных условиях не происходит.
• Двухфазные сплавы довольно эластичны при нагревании больше температуры фазы β’-превращения (выше 700 C). Для увеличения химической стойкости и технических характеристик в них зачастую добавляют дополнительные компоненты, к примеру: марганец, алюминий, кремний, никель и так далее.

Производство латуни

Латунь отлично поддается ковке, податливо деформируется, довольно вязка, принимает разные формы под ударом молотка, штампуется в различные детали или растягивается в проволоку. Сплав относительно податливо отливается и плавится в условиях температуры меньше плавления меди.

Процесс изготовления выполняется:

• В тиглях, сделанных из огнеустойчивой глины. Тигли разогреваются в пламенных или шахтных печах.
• В отражательных печах.

Во время смешивания цинка и меди состав отливают в заранее приготовленные песочные формы. Некоторая часть цинка испаряется, что необходимо помнить во время формирования сплава металла.

Производные латуни

Томпак – вид деформируемого сплава. Имеет в составе цинк и медь на 2%-13% и 87–98% соответственно.

Томпак отличается:

• пониженной силой трения;
• стойкостью к ржавчине;
• высокой эластичностью.

Составы меди, состоящие на 11-22% из цинка, называются полутомпаками.

Томпак отлично поддается сварке с нержавейкой и иными благородными металлами. Томпак применяют для изготовления комбинированного состава латуни и стали. Благодаря золотистому цвету из томпака делают фурнитуры, различные медали и художественные изделия. Томпак отлично поддается эмалированию, золочению и обработке давлением в пониженных и повышенных режимах температуры.

Литейная латунь – используется для изготовления фасонных изделий и полуфабрикатов с помощью литья. Имеет 51–80% меди. В роли дополнительных элементов применяют: алюминий, кремний, марганец, железо, свинец и олово. Основные отличия:

• имеет устойчивость к трению с другими элементами;
• пониженная склонность к распаду элементов;
• не ржавеет;
• проста в обращении за счет жидкой консистенции;
• великолепные механические показатели.

Зачастую литейную латунь применяют для массового изготовления:

• червячных винтов;
• штуцеров;
• элементов арматуры;
• деталей, устойчивых к коррозии;
• гаек зажимных болтов;
• сепараторов;
• втулок;
• деталей, которые эксплуатируются при температуре выше 250C;
• подшипников.

Автоматная латунь — это свинцовая разновидность сплава. Имеет такой состав:

• 24,3-42,8% – цинк;
• 56-76% – медь;
• 0,4-0,9% – свинец.

Добавление свинца при механической обработке способствует появлению сыпучей и короткой стружки, что снижает износ разделяющего механизма и дает возможность применять скоростную обработку деталей.

Механические характеристики автоматной латуни напрямую зависят от ее агрегатного состояния и компонентов:

• нагартованное;
• мягкое.

Этот вид сплава изготавливается в форме:

• полос;
• лент;
• листов;
• прутков.

При этом из листов делают:

• детали для часов;
• болты;
• гайки и другие предметы массового производства.

Мировой рынок

Промышленное производство латуни началось практически сразу после ее повторного открытия. Оценив ее уникальные свойства, металлурги принялись развивать новое направление в отрасли. Сегодня производство и потребление латуни в основном зависит от состояния мирового рынка меди. Его стабильный рост дает основания полагать, что спрос на сплавы пока не падает. Более того, прогнозы относительно будущего этих отраслей более чем благоприятны, несмотря на такие проблемы, как снижение качества руд, недостаточное развитие инфраструктуры, социальная и политическая напряженность в крупнейших поставщиках меди – Чили и некоторых государствах Африки.

Основными потребителями меди, а значит и латуни, являются экономически развитые страны Европы, а также США, Китай, Япония и некоторые другие. В последние годы спрос на эти вещества только растет, прежде всего, за счет азиатов. Совершив гигантский скачок в середине 2000-х годов, цены на Cu остаются на прежнем рекордно высоком уровне. Однако в 2016 году ожидается пик предложения, который, вероятно, спровоцирует снижение котировок.

Аналоги

Поскольку латунь – это сплав меди с цинком, причем первой там больше, может показаться, что чистые металлы (каждый отдельно) обладают лучшими свойствами, а такие сложности используются для удешевления материала. На самом деле все не так. Медь в чистом виде обладает такими недостатками, как нестойкость к коррозии, меньшая пластичность по сравнению со сплавами, а цинк крайне хрупок. Латунь же органично соединяет в себе самые лучшие свойства, взавимокомпенсируя недостатки обоих компонентов.

Другие сплавы меди – бронза, мельхиор и т. д. – также нельзя в полной мере назвать аналогами. Первая менее пластична и более крупнозернистая, в то время как второе вещество довольно тугоплавкое и из-за содержания никеля может вызывать раздражение кожи. Кроме того, внешние характеристики тоже ставят на первое место латунь. Цвет, похожий на золото, выгодно отличается от не слишком привлекательной коричневой бронзы и серебристого мельхиора.