Латунь - состав сплава, формула, виды, характеристика

Что такое латунь

Основными компонентами сплава латуни является медь и цинк. Пропорциональные составляющие этих металлов могут быть разные. Количество цинка колеблется. Минимальное его значение составляет 20 %. Максимальное достигает 50%. При этом сплав меняет свой цвет: бывает золотистым, желтым или зеленым.

Процентный показатель цинка настолько важен, что способен изменять характеристику материала. Это относится к его пластичности и твердости.

Структура и состав

Состав сплава формируется из фаз:

Альфа-фаза. Содержание цинка до 35 %
Бета-фаза. Присутствие цинка до 50 %. Также в состав входит олово — 6 %.

В некоторых случаях присутствует одна альфа-фаза. В зависимости от изменения процентного состава основных компонентов, структура латуни может состоять одновременно из 2 фаз — альфа и бета.

В химический состав латуни, кроме меди и основного легирующего элемента цинка, входят добавки. Сюда относятся легирующие элементы: алюминий, железо, марганец, свинец, кремний, никель. Они составляют небольшой процент соединения. Каждый из них влияет на показатели характеристик материала.

Свойства и характеристики

Основным качеством в характеристиках латуни является ее коррозионная стойкость. Но она обладает и другими свойствами:

Способность сплава противостоять агрессивным средам, особенно после покрытия поверхности лаком.
Прочность латуни.
Пластичность сплава.
Возможность материала поддаваться обработке давлением. Процесс ведется как в горячем виде при высоких температурах, так и в холодном.
Сплав можно подвергать контактной сварке и пайке.
Теплопроводность, которая повышается с увеличением процентного содержания меди.
Температура плавления, которая составляет 880–950 градусов. При меньшем добавлении цинка, температура плавления снижается.
Материал обладает немагнитными свойствами.

Основным фактором твердости и пластичности соединения является цинк. Увеличение его количественного содержания напрямую связано с повышением прочностных характеристик. Пластичность же возрастает только до количественного содержания цинка 36%. При последующем его увеличении до 45 % идет снижение этого показателя.

На эксплуатационные характеристики оказывают действия легирующие добавки. Их влияние указано в таблице:

Название легирующего элемента	Влияние на характеристики латуни
Кремний	Большое его присутствие ведет к снижению твердости латуни.
Свинец	Улучшает антифрикционные свойства.
Марганец, алюминий и олово	Усиливает сопротивление к разрыву. Идет повышение коррозионной стойкости.
Никель	Уменьшает риск растрескивания материала. Сплав приобретает своеобразный цвет. Такое соединение называется «белая латунь».
Мышьяк	У материала появляется возможность работать в жидких, пресных средах.

Маркировка

Существует 2 разновидности сплавов:

Двухкомпонентные. Основные составляющие — медь и цинк. Маркируются буквой Л. Дальше стоят цифры, указывающие количество меди процентах. Л60: содержит меди 60 %, а оставшиеся 40% — цинк.
Многокомпонентные. Кроме основных составляющих добавляются еще легирующие элементы. Так же впереди стоит буква Л. Потом следует перечисление добавок. В конце пишутся через черточку цифры, указывающие на процентное содержание каждой из составляющих. Количество цинка не указывается, а рассчитывается. Например: Марка ЛАЖМц66-6-3-2 имеет 66 % Cu, 6 %Al, 3 % Fe и 2 % Mn. Путем расчетов определяется количество цинка равное 23%.

Плюсы и минусы

Латунный сплав обладает характеристиками, которые в одном случае служат положительным моментом, а в другом отрицательным. Состоят они в следующем:

Небольшой вес. Это качество вместе с высокой прочностью используется в определенных отраслях промышленности.
Сплав обладает хорошей пластичностью.
Невысокая стоимость.
Коррозионная стойкость уменьшается с увеличением количества меди.
Показатели теплопроводности ниже, чем у чистой меди и бронзы.

Достоинства и недостатки

Всякий металл имеет особые свойства, которые можно отнести и к достоинствам, и к недостаткам. Тут все зависит от ситуации. В строительстве латунь используется крайне редко, что больше свидетельствует об актуальности иных материалов, а отнюдь не о минусах сплава.

Главное преимущество латуни — небольшая масса, которая обуславливает популярность материала в ракето- и самолетостроении. В бытовых условиях это нужно лишь в тех ситуациях, если нужна, к примеру, легкая система водоснабжения.

Также сплав отличается прекрасными декоративными свойствами. Он имеет очень разнообразную и привлекательную цветовую палитру. Аксессуары и фурнитура, предметы обихода и декора, сделанные с применением латуни, всегда будут красивыми, подчеркивая роскошность и элегантность интерьера. При этом цвет латуни сохраняется очень долго.

Материал отличается и небольшой теплопроводностью, чем часто пользуются для изготовления систем и предметов, для которых сохранность тепла очень важна. Речь идет о производстве ванн или мебели.

Латунь является металлом-диамагнетиком, то есть он выталкивается из любого магнитного поля. Этот сплав с давних времени использовался для производства оправ компасов. Сейчас же этим качеством активно пользуются в приборостроении.

Стойкость к коррозии материала даже больше, чем у обыкновенной меди, но она сильно снижается по мере увеличения температурных показателей. Потому очень выгодно пользоваться латунными трубами для водоснабжения. Для отопительной системы все-таки лучше брать трубопровод из меди.

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-% меди, 2% алюминия и 21% цинка.

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

Процесс плавки

Для того чтобы латунь быстрее перешла в жидкое состояние, лучше помещать ее в тигель в измельченном виде. Следует иметь в виду: чем меньше будут такие куски, помещенные в тигель, тем быстрее начнется процесс плавления.

После того как вы наполните тигель измельченным металлом, необходимо установить сосуд в печь и начать ее нагрев до температуры плавления латуни. Если для плавки латуни вы используете заводскую муфельную печь, то следить за процессами, протекающими в тигле, можно через специальное окошко. В том случае, если вы самостоятельно изготовили печь простейшей конструкции, вам понадобится крышка из огнеупорного материала, которой будет закрываться емкость для плавления латуни.

Плавку в компактной печке заводского изготовления можно производить прямо на кухне.

Тигель извлекается из печи только тогда, когда весь металл, который в него помещен, полностью расплавился. Для вынимания емкости с латунью следует пользоваться специальными щипцами и делать это максимально аккуратно. На поверхности латуни, подвергнутой плавлению, всегда присутствует пленка, которую в обязательном порядке надо убрать. Выполнить такую операцию совсем несложно, если взять для этого обычную стальную проволоку.

Для литья изделия из латуни вы должны подготовить форму, благодаря которой металл, переходя из жидкого расплавленного состояния в твердое, примет требуемые очертания. Заливка латуни в такую форму выполняется только после того, как удалена пленка, о которой говорилось выше. Затем вам останется только дождаться, когда латунь, залитая в форму, полностью перейдет в твердое состояние и остынет.

Заливка форм латунным расплавом

В домашних условиях можно использовать и более упрощенный вариант плавильной печи, применяя в качестве нагревательных элементов газовую горелку. Подвергнуть латунь плавлению таким образом можно, надежно закрепив газовую горелку под сосудом для плавки в вертикальном положении

При этом важно следить за тем, чтобы пламя, которое выдает горелка, равномерно охватывало всю нижнюю часть сосуда

Процесс плавки пойдет быстрее, если использовать вторую горелку

Используя такое простое приспособление, следует иметь в виду, что латунь, которая будет плавиться в тигле, подвергается значительному окислению. Чтобы минимизировать последствия этого процесса, который негативно отражается на характеристиках сплава, можно использовать обычный древесный уголь.

Таким образом, существует несколько способов, позволяющих эффективно расплавить латунь в домашних условиях. Выбирая один из них в зависимости от своих предпочтений и финансовых возможностей, вы сможете изготавливать из латуни методом литья изделия различного назначения.

Подготовка

Печь для плавки выкладывают из огнеупорного кирпича (лучше использовать марки с повышенной способностью). Ее необходимо надежно закрепить термостойким раствором, и некоторые мастера предпринимают меры, чтобы обезопасить ее от теплового воздействия – обмазывают снаружи специальными составами. Рекомендованное место возведения должно хорошо проветриваться, но при этом надежно укрыто от природных воздействий. Поэтому в мастерской устанавливают достаточно мощную вентиляцию, или размещают ее во дворе под навесом.

Нагревательным элементом служат индукционные трубки из керамики. Мощность источника энергии – не менее 30 КВт, с максимально возможным КПД, изготовление – только из качественных деталей. Дополнительные приспособления – тигель, щипцы с закругленными краями и длинной ручкой, ложку для разливания расплавленного металла лучше купить фабричные. Однако некоторые умельцы предпочитают вместо графитовой емкости делать свой собственный тигель из шамота с дополнительным защитным слоем – это может быть жидкое стекло с добавлением талька или раствор силиката калия.

При интенсивной работе с металлом длительность любого такого приспособления будет небольшой.

Шамот выдержит больше расплавлений, чем графит, но с покупным и возиться не придется.

Соотношение меди и цинка

Существует больше 30 разновидностей латуни. Их характеристики могут очень сильно отличаться, в зависимости от состава и пропорций элементов конкретного сплава. Основным компонентом всегда является медь. Чем ее больше, тем пластичнее латунь и выше ее способность проводить тепло и электричество. С увеличением количества цинка сплав становится тверже и прочнее, но его пластичность теряется. Когда его содержание превышает 45 %, латунь становится хрупкой и легко разрушается при обработке.

Наиболее пластичные сплавы состоят из меди и цинка в соотношении 70 %/30 %, 69 %/31 % или 68 %/32 %. Когда количество меди доходит до 88-97 %, а цинка – до 10 %, такая смесь называется томпак. Для нее характерны высокие антифрикционные, свойства, хорошая пластичность и устойчивость к окислению на воздухе. Сплавы, где цинк составляет 10-30 %, называются полутомпаками.

Химический состав и основные характеристики

Сплав меди с цинком, который всем хорошо известен под названием «латунь», люди начали использовать еще с античных времен, изготавливая из него оружие, орудия труда, посуду и многие другие изделия. Изначально вместо цинка, открытого учеными всего 5 столетий назад, для получения такого сплава применяли цинкосодержащую руду – галмей. Сам томпак был изобретен в XVII веке. Считается, что автором химического состава этого сплава стал англичанин Кристофер Пинчбеккер.

Благодаря своим характеристикам (в первую очередь, очень красивому цвету) томпак буквально за несколько десятков лет стал известен во всем мире. К слову сказать, огромную популярность данный сплав завоевал у мошенников, которые выдавали изделия из него за золотые, обманывая доверчивых граждан и зарабатывая на этом большие деньги. Как раньше, так и сейчас в обиходе и среди специалистов можно услышать разные названия томпака:

принцеталл;
хризохалк;
симилор;
ореид;
хризорин.

Холоднокатанная латунная лента Л90 – материал, из которого впоследствии изготавливают изделия из томпака

Томпак, как уже ясно из всего вышесказанного, является сплавом меди и цинка, при этом первого элемента в томпаке содержится 88–97%, а второго (цинка) – не более 10%. Существует еще такой материал, как полутомпак. Это сплав, в химическом составе которого 10–20% цинка.

Количество цинка в составе любой латуни, в том числе и томпака, влияет не только на характеристики сплава, но и на его цвет. Так, при увеличении содержания этого элемента в составе латуни цвет ее поверхности меняется от красного до светло-желтого. Увеличение количественного содержания цинка в химическом составе томпака позволяет добиться:

получения благородного золотого цвета;
улучшения антифрикционных характеристик;
хороших механических и технологических характеристик;
значительного снижения стоимости (если сравнивать ее с ценой чистой меди).

Химический состав медных сплавов, используемых для имитации золота

Томпак обладает целым перечнем достоинств, к числу которых следует отнести:

исключительно высокую устойчивость к коррозии;
повышенную износостойкость;
хорошую свариваемость с различными материалами (сталью, цветными и благородными металлами);
высокую пластичность (что позволяет использовать для обработки томпака методы пластической деформации, наносить на поверхность изделий из него гравировку);
подвергаемость эмалировке и золочению;
немагнитность.

Томпак также обладает следующими характеристиками:

твердость – до 145 МПа;
температура, при которой сплав начинает плавиться, – 10450 Цельсия;
коэффициент трения: без применения смазки – 0,44; при использовании смазочных материалов специального типа – 0,074;
предел прочности, измеряемый при растяжении, – 440–520 МПа;
относительное удлинение, которое материал получает после разрыва, – 3%;
плотность материала – 8780 кг/м3.

Современные производители выпускают томпак в виде листового проката или в брусках, что и предопределяет варианты дальнейшего использования такого материала. Точно узнать о том, какие элементы и в каком количестве входят в химический состав сплава, можно по его маркировке. Так, буква «Л», обязательно присутствующая в обозначении томпака, означает, что перед нами латунь. Цифры, стоящие после этой буквы, указывают на то, сколько в составе сплава содержится основного металла – меди. В такой латуни, кроме меди и цинка, обязательно есть примеси, точное количество которых можно узнать из специальных таблиц. Следует иметь в виду, что сплавы, в которых меди менее 90% (Л85, Л80 и др.), относятся к категории полутомпак.

Сравнение по техническим и пользовательским характеристикам

Срок службы. Гладкая внутренняя поверхность стальных труб, покрытых снаружи алюминиевой рубашкой, не способствует отложениям известковых и солевых отложений.

Обычный срок службы у биметаллических радиаторов составляет более 20 лет, и здесь соперником у них может быть только чугун.

Считается что из-за ненадежного лакокрасочного покрытия и недостаточной коррозиестойкойсти стали, срок эксплуатации стальных приборов ниже и находится в пределах 15-20 лет.

Теплоотдача радиаторов — понятие относительное. Алюминий отличается высоким коэффициентом теплоотдачи. Биметаллическая секция имеет теплоотдачу около 200 Вт. У стальных секций одинаковой площади этот показатель почти в два раза ниже.

Применение

Рассматривая применение латуни нужно уделить внимание ее составу. В него могут включаться различные легирующие элементы, которые способны существенно изменить эксплуатационные качества

Область применения латуни весьма обширна. Поэтому рассмотрим каждый тип сплава подробнее.

Посуда из латуни

Рассматриваемый сплав делиться на простую и специальные латуни. Оба варианта могут применяться для:

Производства деталей часов.
Получения деталей различных приборов и машин, высокоточной аппаратуры.
При наладке производства методом штамповки.
Получения деталей для автомобилей: болты, гайки, втулки.
При производстве труб для морских судов, самолетов и иного транспорта.

Эксплуатационные качества сплава определяют то, что при его использовании может оказываться самое различное воздействие: высокие температуры, влажность и химически агрессивные сферы, трение и другое. Именно поэтому изделия из латуни применяются при тяжелых эксплуатационных условиях, когда использование других металлов невозможно. При применении прутков из латуни могут изготавливаться детали электромашин.

Однако широкое распространение латунь не получила по причине достаточно высокой стоимости, так как его основой являются цинк и медь. Для улучшения эксплуатационных качеств также могут применяться другие легирующие вещества, имеющие высокую стоимость.

Свойства

От меди латунь унаследовала значительный удельный вес, в зависимости от содержания основного компонента в латуни, её плотность колеблется от 8,3 до 8,7 тонны на кубический метр. Вообще, многие физические свойства латуни как сплава зависят от соотношения его компонентов не только основных, но и добавляемых в небольших количествах – легирующих.

Пожалуй, более или менее стабильной характеристикой является удельная теплоёмкость, её показатель при комнатной температуре 380 Дж/(кг*К), что означает – для нагрева металла весом один килограмм на один градус Кельвина потребуется 380 Джоулей теплоты. Удельное электрическое сопротивление меняется от 0,025 до 0,108 Ом*кв. мм/м. Температура плавления латуни также меняется в широких пределах, от 870 до 990 градусов Цельсия. Медь – более тугоплавкий металл, чем цинк, поэтому меньшие значения относятся к сплавам с более высоким содержанием цинка.

Латунь хорошо поддаётся контактной сварке, но не сваривается плавлением, её легко прокатывать. Для защиты металла от окисления на воздухе, его поверхность покрывают лаком, предотвращая почернение, хотя стойкость к воздействию атмосферы у латуни выше, чем у меди. У латуни золотистый цвет и она хорошо поддаётся полировке. Добавки в сплав висмута и свинца уменьшают его сминаемость в нагретом состоянии, но улучшают поведение сплава при обработке режущим инструментом.

Содержание в сплаве цинка определяет такие важные свойства, как прочность и пластичность – эти два, казалось бы, взаимоисключающие понятия. Если цинка добавляется до тридцати процентов, то вместе с этим растут характеристики прочности и пластичности. После этого порога пластичность начинает снижаться, а прочность продолжает расти до отметки 45%, затем снижается, как и пластичность.

Многие марки латуни хорошо поддаются обработке давлением как при низких температурах, так и в нагретом состоянии, за исключением температуры от 300 до 700 градусов, которая является зоной хрупкости и в этом интервале температур сплав не деформируют. Улучшение механических и химических характеристик латуней, в их состав дополнительно включают легирующие присадки.

Состав и свойства сплава

Пропорции металлов в сплаве могу широко варьироваться, что влияет на создание материала с нужными свойствами. В индустриальных сплавах процентное содержание цинка всегда ниже 50%. Состав определяет следующие свойства материала:

плавкость;
способность к формовке;
ковкость;
способность к штамповке;
способность к механической обработке.

При низких температурах из латуни можно делать листы различной толщины либо вытягивать проволоку. Плотность латуни и температура плавления также зависят от состава. В общем случае удельный вес латуни меняется от 8,4 г/см3 до 8,7 г/см3, а точка плавления находится между температурами 900 °C и 940 °C.

Главным образом изделия из латуни используются в качестве декоративных украшений благодаря их внешнему виду и блеску, похожему на золото. Также используют этот сплав в устройствах, в которых требуется небольшое трение между рабочими деталями, например, в замках и различных вентилях. Находит сплав и свое применение в электрических приборах, а также благодаря своим акустическим свойствам он применяется в изготовлении некоторых музыкальных инструментов таких, как трубы и колокольчики.

Человечество знакомо с латунью с доисторических времен, еще до открытия самого цинка. Изначально этот сплав получали путем смешивания меди и минерала гемиморфита, который является естественным источником цинка. Шахта по добыче гемиморфита была открыта в одной из деревень современной Германии. Эта шахта функционировала во времена Римской империи. В процессе смешивания меди и гемиморфита при высокой температуре цинк выделяется из этого минерала и сплавляется с медью.

Физические свойства латуни включают в себя следующие характеристики:

способность подвергаться механической обработке как при низких, так и при высоких температурах;
высокая сопротивляемость процессам окисления и коррозии, даже в условиях агрессивных сред;
высокая износоустойчивость;
высокая электропроводность;
пригодность для многоразовой переработки;
способность сохранять свои свойства при воздействии высоких температур.

https://youtube.com/watch?v=CUWZiN_hp_c

Виды латуни

Виды латуни отличаются друг от друга различным содержанием цинка в составе. В зависимости от процентного содержания цинка в сплаве различают три основные группы:

Первая группа с процентным содержанием цинка меньше 34%.
Вторая группа с процентным содержанием цинка от 33 до 44%.
Сплавы третьей группы содержат больше 42% цинка и имеют ограниченное применение.

Классификация сплавов

Согласно такому делению на группы в зависимости от содержания цинка, вводят следующую классификацию обычных латуней:

Красные сплавы. В основном они используются в ювелирной промышленности благодаря внешнему виду (латунь может выглядеть как золото). Материал с 10% цинка подобен бронзе, поэтому используется в качестве ее имитации; 15% цинка придает материалу красноватый цвет, этот сплав используется в радиаторах автомобилей; сплав с 20% цинка обладает хорошей вытяжкой, поэтому используется для изготовления труб.
Желтые материалы. Цинка в них содержится от 25% до 35%. Применяются в основном для гильз и рессор.
Альфа-бета латуни с соотношением цинка от 36 до 42%. Они менее податливы, чем красные и желтые латуни, поэтому их не используют для изготовления пластин при низких температурах. Механическую обработку альфа-бета сплавы проходят при высоких температурах, поэтому в XIX использовались для некоторых корабельных конструкций.

Помимо основных элементов, в состав латуней входят другие элементы в минимальных количествах, поэтому эти сплавы являются податливыми и пластичными при низких температурах, а некоторые материалы не являются пластичными ни при каких температурах. Все типы этого материала становятся хрупкими вблизи температуры плавления.

Благодаря входящему в состав цинку, латунь является более твердой, чем чистая медь. В то же время сплав легче обрабатывать на различных механических станках, легче чеканить и выплавлять изделия. Также сплав устойчив к процессу окисления в условиях солевой среды, а его пластичность позволяет изготавливать тонкие металлические листы. Пластичность зависит от трех факторов: температуры, структуры и состава, причем даже минимальные количества других элементов могут значительно изменить это физическое свойство сплава.

Способность к механической обработке латуни значительно повышается, если в нее добавить небольшое количество свинца. Этот элемент практически не растворяется в ней и образует глобулярные частицы, которые значительно облегчают процесс механической обработки. Кроме того, свинец является хорошей смазкой из-за низкой температуры плавления, этот факт значительно снижает износ режущего инструмента при обработке материала. Латунь практически не подвергается термической обработке, для нее используют лишь процессы рекристаллизации и гомогенизационного отжига.

Специальные материалы

Специальными латунями считаются материалы, в которые, помимо меди и цинка, добавляют другие элементы в небольшом количестве с целью придания им соответствующих свойств. Самыми распространенными специальными латунями являются следующие:

с добавкой алюминия;
добавка железа увеличивает твердость и жесткость сплава по сравнению со стандартной латунью;
добавка свинца придает материалу механическую сопротивляемость и увеличивает способность к обработке;
добавка марганца увеличивает прочность материала и снижает его ковкость и тягучесть;
добавка олова придает прочность материалу при вытяжке, одновременно повышая его коррозионную стойкость. В данном случае существует два известных сплава: «металл адмирал», который обладает высокой стойкостью к коррозии, поэтому используется в качестве труб конденсаторов; «морская латунь» — содержит в своем составе 40% цинка и широко используется в сладкой и соленой воде;
добавка кремния (так называемый бронсил) повышает коррозионную стойкость и используется при изготовлении вентилей, насосов и шестерен;
сложная латунь с добавлением различных элементов, что придает ей высокую стойкость к окислению и кавитации, поэтому она входит в состав винтов кораблей.