Производство и использование сплава меди и цинка

Особенности бронзы и свойства

Основные свойства всех бронзовых сплавов — это пластичность и твёрдость. В зависимости от соотношения основных и дополнительных компонентов, можно получать большое разнообразие новых свойств. Кроме того, количество меди в сплаве определяет его цвет.

Так, золотистая бронза получится, если в составе сплава будет около 85% меди, а при уменьшении её количества до 50% получится сплав, имеющий серебристый цвет. Уменьшение же количества меди до 35% и ниже приведёт к получению на выходе серой и даже чёрной бронзы, а увеличение количества меди до 90% и выше приведёт к образованию красной бронзы.

Одной из старых марок бронзовых сплавов является колокольная бронза, применяемая и поныне для литья колоколов. Она содержит 20% олова и 80% меди. Её недостаток — повышенная хрупкость из-за наличия в сплаве большого содержания олова.

Как уже было упомянуто выше, наиболее используемыми являются сплавы меди и олова с добавлением небольшого количества других компонентов. Широкое применение таких сплавов обусловлено, прежде всего, исторически сложившимися причинами, которые привели к вытеснению мышьяковой бронзы из производства.

Такими причинами являются следующие:

• выработка за многие века месторождений теннантита и других блёклых руд, богатых медью и мышьяком. Такие руды были наиболее удобны для выделки мышьяковой бронзы, так как залегали не очень глубоко, что делало процесс производства более дешёвым по сравнению с другими источниками меди и мышьяка;
• высокая токсичность производства такой бронзы, вызванная наличием в месторождениях мышьяка, что с неизбежностью приводило к потере здоровья и дальнейшей способности трудиться у опытных металлургов и кузнецов;
• непригодность металлургического брака и сломанных изделий из мышьяковой бронзы для дальнейшей переплавки на сортовой металл. В лучшем случае такие изделия шли на изготовление бижутерии или неответственных деталей.

Пришедшие на смену мышьяковым бронзам сплавы меди и олова хоть и отличались большей дороговизной производства, но были экономически предпочтительны, так как развитие гужевого транспорта и налаживание вследствие этого торговых связей между городами и странами приводило к увеличению импорта немышьяковой бронзы.

Виды бронзы и характеристики

Развитие же крупного промышленного производства вообще привело к тому, что оловянные бронзы стали чуть ли не самым массовым видом бронз. И лишь в последние сто лет этот вид стали вытеснять сплавы меди с заменителями олова, такие как алюминиевые, кремниевые и, особенно, бериллиевые бронзы.

Таким образом, существуют следующие виды:

1. безоловянная. К ней относят бронзу, в которой вторыми компонентами являются алюминий, кремний, бериллий и другие металлы и неметаллы. Каждый из этих компонентов придаёт ей особые свойства. Например, алюминий наделяет сплав повышенными антифрикционными свойствами и высокой коррозионной устойчивостью, бериллий повышает прочность и твёрдость, а кремний и цинк улучшают её текучесть и устойчивость к истиранию;
2. оловянная. Медно-оловянный сплав, в котором медь преобладает. Является одним из первых, освоенных человеком. Обладает высокой, по сравнению с чистой медью, твёрдостью и прочностью, а также более легкоплавка. В таких сплавах олово всегда является вторым по количеству после меди и основным легирующим компонентом.

Третьими же по количеству являются такие дополнительные компоненты, как мышьяк, цинк и свинец. Этот металл из-за очень низкой усадки в основном предназначается для литья, так как с трудом поддаётся обработке давлением, резанию и заточке. Даже склонность к ликвации и низкая текучесть не мешают использовать этот сплав для изготовления конфигурационно-сложных отливок, в том числе и в художественном литье.

Бронза с добавлением цинка носит название «адмиралтейской» и используется для изготовления деталей, имеющих частый или постоянный контакт с морской водой (судостроение). Такая особенность связана с тем, что цинк придаёт сплаву повышенную коррозионную стойкость в указанной среде.

Однако, для придания бронзе коррозионной стойкости в солёной морской воде её всё чаще обогащают алюминием и никелем. Такие сплавы, часто называемые «морскими», идут на изготовление элементов нефтяных платформ, работающих на морских и океанских шельфах.

Чтобы придать бронзе дополнительные характеристики, в неё легируют небольшие количества фосфора, серебра, цинка, мышьяка, марганца и других компонентов. Так, внесение небольшого количества серебра повышает электропроводность бронзы и делает её сравнимой с электропроводностью меди.

Историческая справка

В чистом виде металл удалось получить лишь в первой половине XVIII века в 1738 году в Великобритании при помощи дистилляционного способа. Его открывателем стал Уильям Чемпион. Промышленное производство началось через 5 лет, а в 1746 году в Германии химик Андреас Сигизмунд Маргграф разработал и в деталях описал собственный способ получения цинка. Он предлагал использовать метод прокаливания смеси окиси металл с углем в огнеупорных ретортах из глины без доступа воздуха. Последующая конденсация паров должна была проходить в холодильнике. Из-за подробного описания и кропотливых разработок Маргграфа часто называют первооткрывателем вещества.

В начале XIX века был найден способ выделения металла путем прокатки при 100 C о-150 C о. В начале следующего века научились добывать цинк электролитическим способом. В России первый металл получили только в 1905 году.

Латуни

Латуни — это медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк.

В зависимости от содержания цинка латуни промышленного применения бывают:

1. однофазные a — латуни, содержащие до 39 % цинка (это предельная растворимость цинка в меди);
2. двухфазные (a+b|)- латуни, содержащие до 46 % цинка;
3. однофазные b|- латуни ,содержащие до 50 % цинка.

Однофазные a- латуни пластичны, хорошо обрабатываются резанием, давлением при температурах ниже 300 0 С и выше 700 0 С (в интервале от 300 0 С до 700 0 С — зона хрупкости). С увеличением содержания цинка прочность латуней повышается. В латунях b|- фаза представляет собой упорядоченный твердый раствор на базе электронного соединения СuZn с решеткой ОЦК, она хрупкая и прочная. Поэтому, чем больше в латунях b|- фазы, тем они прочнее и менее пластичны. Практическое применение имеют латуни с содержанием цинка до 42…43 %.

Латуни, обрабатываемые давлением, маркируются буквой Л (латунь), после которой ставятся буквенные обозначения легирующих элементов; цифры, следующие за буквами, указывают содержание меди и количество соответствующего легирующего элемента в процентах. Содержание цинка определяется по разности от 100 %. Например, латунь Л62 содержит 62 % Сu и 38 % Zn. Литейные латуни маркируются буквой Л, после которой ставится содержание цинка и других легирующих элементов в процентах. Количество меди определяется по разности от 100 %. Например, латунь ЛЦ36Мц20С2 содержит 36 % Zn, 20 % Mn, 2 % Pb и 42 % Сu.

К однофазным a — латуням относятся Л96 (томпак), Л80 (полутомпак), Л68, имеющая наибольшую пластичность (d = 56 %). Двухфазные (a+b|) — латуни марок Л59 и Л60 имеют меньшую пластичность в холодном состоянии, но большую прочность и износостойкость. Однофазные имеют после отжига s_в = 250…350 МПа и d = (50…56) %, двухфазные — s_в = 400…450 МПа и d = (35… 40 %).

Для повышения механических свойств и коррозионной стойкости латуни могут легироваться оловом, алюминием, марганцем, кремнием, никелем, железом и др.

Введение легирующих элементов (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди и способствует образованию b|- фазы, поэтому такие латуни чаще двухфазные (a+b|). Никель увеличивает растворимость цинка в меди, и при достаточном его содержании латунь из двухфазной становится однофазной. Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают Al, Zn, Si, Mn, Ni, Sn.

В морском судостроении применяются оловянистые ”морские” латуни, например, ЛО70-1 (70 % Сu, 1 % Sn, 29 % Zn). Она используется для изготовления конденсаторных трубок, деталей теплотехнической аппаратуры.

Алюминиевые латуни используют для изготовления конденсаторных трубок, цистерн, втулок, а также для изготовления коррозионно-стойких деталей, работающих в морской воде. Марки латуней: ЛА77-2, ЛАЖ60-1-1, ЛАН59-3-2 (в электрических машинах, в хим. машиностроении). Из латуни ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 изготовляют цельнотянутые круглые трубы для производства манометрических трубок и пружин в приборах повышенного класса точности. С помощью закалки и старения sв достигает 700 МПа.

Марганцевые латуни кроме хороших механических и технологических свойств (обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии) обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде, хлоридах и перегретом паре. Латуни ЛМц 58-2 и ЛМцА 57-3-1 применяются в основном для изготовления крепежных изделий арматуры.

Кремнистые латуни характеризуются высокой прочностью (s_в до 640 МПа), пластичностью и вязкостью до минус 183 0 С. Латунь ЛК80-3 применяют для изготовления арматуры, деталей приборов в судо- и общем машиностроении.

Свинцовистые латуни отлично обрабатываются резанием и обладают высокими антифрикционными свойствами. Латуни ЛС60-1, ЛС59-1 применяют для изготовления крепежных деталей , зубчатых колес, втулок.

Никелевая латунь обладает повышенными механическими (s_в до 785 МПа) и коррозионными свойствами, обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Латунь ЛН65-5 применяется для изготовления манометрических и конденсаторных трубок, различного вида проката.

Литейные латуни содержат те же элементы, что и латуни, обрабатываемые давлением; от последних литейные отличает, как правило, большее легирование цинком и другими металлами. Вследствие этого они обладают хорошими литейными характеристиками.

Свойства латуни

Температура плавления латуни составляет 880–950 °C, причём, чем выше содержание цинка, тем ниже будет температура плавления. Она отлично поддаётся обработке давлением, имеет высокие механические свойства, неплохую устойчивость к коррозии. Однако, например, бронза выигрывает у латуни в прочности и коррозийной устойчивости. А также она неустойчива в морской воде, углекислых растворах и в органических кислотах. Неприятным свойством сплава является его потемнение на открытом воздухе, для предотвращения этого латунные изделия покрывают лаком. Латунные детали не теряют пластичность при понижении температуры, что делает их хорошим конструкционным материалом.

Латунь и медь очень схожи внешне, и непрофессионалу будет сложно разграничить их. Первая имеет повышенную твёрдость и износоустойчивость, но является менее тугоплавкой. При этом латунный сплав значительно удобнее в обработке за счёт высокой ковкости и вязкости. Он превосходит медь и по коррозийной стойкости, причём более высокая температура повышает скорость образования коррозии, источником которой могут стать высокая влажность, повышенное содержание аммиака и сернистого газа в воздухе. Для её предупреждения латунные изделия подлежат обжигу при низких температурах после обработки.

Свойства отдельных видов латуней

Деформируемые латуни — такие сплавы, в которых содержание цинка менее 10%, их ещё называют томпак. Томпак пластичен, не ржавеет и обладает низкой силой трения. Томпак хорошо сваривается со сталью и имеет золотистый оттенок.

Литейная латунь предназначена для создания изделий путём литья. Содержание меди в ней варьируется от 50 до 80%. Такой сплав не подвержен ржавчине, не подвержен деформации посредством трения с другими материалами, хорошо сопротивляется силовому внешнему воздействию (высокие механические свойства), не имеет склонности к распаду. А также, благодаря жидкому состоянию, металл удобен в обработке, что позволяет залить его в любую форму.

Автоматная латунь — сплав, обязательным элементом которого является свинец, позволяющий получать короткую стружку при обработке изделия в автоматизированном режиме, что снижает износ разделяющего механизма, повышая скорость работы.

Влияние легирующих элементов на свойства сплава

Легирующий элемент — такой элемент, который добавляется в металл, для изменения его структуры и химического состава.

• За счёт алюминия достигается снижение летучести сплава, так как на поверхности расплавленной латуни появляется защитный слой из оксида алюминия.
• Магний используют, как правило, в сочетании с железом и алюминием для достижения повышенной прочности и коррозийной стойкости изделия.
• Никель защищает сплав от отрицательного влияния процессов окисления
• Свинец является самым распространённым легирующим элементом, который повышает пластичность и ковкость, а также качество резки металла.
• Кремний влияет на прочность и твёрдость сплава, а в сочетании со свинцом повышает антифрикционные свойства, что делает такой сплав конкурентноспособным даже с оловянной бронзой.
• Добавление олова обусловлено использованием латуни в морской воде, так как оно повышает прочность и антикорозийность металла.

Свойства латуни

В зависимости от количества цинка цвет и качества латуни варьируются. Чем его меньше, тем цвет материала более красный и насыщенный. Если сплав меди с цинком не содержит других элементов, он называется простой латунью, которая разделяется на два вида: томпак (цинка до 20 %) и желтая латунь (цинка от 20 %).

Материал латунь является очень пластичным и проявляет большую стойкость к коррозии, чем медь. Температура плавления составляет от 880 оС до 950 оС, с большими пропорциями цинка она уменьшается. Металл отлично поддается сварке, прокату и обработке давлением.

На влажном воздухе желтая латунь растрескивается. Исправить это можно при помощи отжига при температуре 250 оС. Многокомпонентная латунь лучше противостоит коррозии и является прочнее. Добавление в состав олова способствует стойкости к морской воде.

Содержание примесей в сплаве можно найти на маркировке изделия. Заглавные буквы указывают на название компонентов. Вначале идет букв «Л», затем остальные добавочные (легирующие) элементы. После них в соответствии с буквенным порядком указано процентное содержание веществ, причем первые две цифры говорят о количестве меди в сплаве. Так, маркировка ЛАЖ60-1-1 означает, что латунь состоит из 60 % меди, 1 % алюминия и 1 % железа, остальное количество приходится на цинк.

Свойства меди и место в жизни человека

В чистом состоянии, элемент таблицы Менделеева, именуемый Cu, встречается крайне редко. Это – пластичный металл с легким розовым оттенком. Человеку же он знаком под другим цветом: желто-красным, чаще коричнево-красным. Это связано с высокой окислительной способностью вещества. Попадая на воздух, медь покрывается тонкой оксидной пленкой, что и делает цвет металла ближе к красному.

медь в чистом виде

Первобытная тяга человека к меди основывалась на свойстве пластичности, позволяющей придавать этому металлу требуемую форму путем несложной обработки. Медь легко поддается гравировке, нанесению резьбы, оставаясь при этом достаточно прочным. Современная ценность меди, как металла – высокие показатели проводимости: электрической и тепловой. Подобная информация позволяет выделить основные направления поиска этого цветного металла в виде отходов и лома.

Удельный вес меди, составляющий округленно 8.9 г/см3, также полезен сборщику металлолома. Зная объем собранного лома, в частности проводов, жил, легко рассчитать его оценочный вес.

Изготовление

В процессе производства латуни используются специальные карты с указанием технологии плавления, ее разрабатывают в промышленных бюро. Часто сырьем для сплава служат заготовки из меди, а также лом из цинка. Операция плавки данного материала — сложный процесс, для которого используют печи разной модификации. Чаще используются индукционные агрегаты, работающие в сети низкой частоты тока при наличии магнитного сердечника.

При плавлении вещества могут улетучиваться из состава. Так как цинк считается вредным для здоровья металлом, в производственных помещениях рекомендуется устанавливать вентиляцию высокой мощности. В течение всего цикла ведут контроль за температурными показателями, из-за чего предотвращается возгорание сплава.

Предварительно рекомендуется очищать полости печей от продуктов предыдущего литья. Далее разогревают медные заготовки до ярко красного оттенка, после добавляют цинковый лом. Такая последовательность предотвращает образование окислительных реакций. Латунь литейного типа разливают в формы круглого плоского вида, для удобства при последующей обработки.

Для улучшения качества сплава используют:

• олово и марганец, при этом повышается прочность и устойчивость к разрушению в агрессивной среде;
• свинец, в результате заготовка из латуни может быть подвержена обработке резцами на станке;
• высокая стойкость к кислотной и щелочной среде достигается при добавлении никеля;
• алюминий защищает сплав во время литья от испарения цинка;
• кремнием улучшают свойство сваривания с металлами, но понижают прочность.

Маркировка

Все изделия из сплава меди и цинка обладают маркировкой, которая помогает определить его состав. Ее принцип довольно прост: буквы обозначают присутствующие элементы, а цифры – их процентное содержание.

Абсолютно всегда первой стоит заглавная буква «Л», сообщающая о том, что этот сплав – латунь. Если состав двухкомпонентный, то далее следует только одно число, обозначающее количество меди. Содержание же цинка в таком случае определяется по остатку от 100 %.

В многокомпонентном сплаве после буквы «Л» следуют буквы легирующих элементов. Дальше идут числа: первое указывает на количество меди, а остальные, через дефис, показывают содержание других компонентов, в том же порядке, в каком расположены буквы.

Медные сплавы

Медные сплавы – продукция металлургического производства, процесс изготовления которой человечество освоило с давних времён. Первый медный сплав – сплав меди с оловом – дал начало целой технологической эпохе истории цивилизации, получившей название «бронзовый век».

Мягкий, пластичный металл розовато-золотистого цвета. Его красота издревле привлекала человека, поэтому первыми изделиями из меди были украшения.

В присутствии кислорода медные слитки и изделия из меди приобретают красновато-жёлтый оттенок за счёт образования плёнки из оксидов. Во влажной среде в присутствии углекислого газа медь становится зеленоватой.

Медь имеет высокие показатели теплопроводности и электропроводности, что обеспечивает ей использование в электротехнике. Не меняет свойств в значительном диапазоне температур от очень низких до очень высоких. Не магнитная.

В природе залежи медной руды чаще, чем других металлов, находятся на поверхности. Это позволяет вести добычу открытым способом. Встречаются крупные медные самородки с высокой чистотой меди и медные жилы. Помимо этого медь получают из таких соединений:

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).

4 Деформируемые и литейные латуни

Деформируемые сплавы (томпак и другие) характеризуются высокими антифрикционными характеристиками, большой антикоррозионной стойкостью и пластичностью. Кроме того, они очень легко и надежно соединяются со сталью посредством сварки. По этой причине их используют для выпуска различных биметаллических конструкций и изделий. А непосредственно томпак, имеющий благородный золотистый оттенок, применяется для производства всевозможной фурнитуры и художественных элементов (его пайка, как и пайка медных труб, а также других изделий из меди достаточно проста).

Деформируемые марки латуни идут на изготовление:

• конденсаторных труб (ЛМш68-0,05, ЛО60-1, ЛО62-1, ЛО70-1, ЛО90-1, ЛА77-2);
• не поддающихся ржавлению элементов машин (ЛК80-3), речных и морских судов (ЛМцА57-3-1, ЛАЖ60-1-1);
• изделий, производимых резкой (ЛЖС58-1-1);
• втулок, болтов, гаек (ЛС59-1, ЛМц58-2, ЛС60-1);
• матриц для полиграфических комбинатов (ЛС64-2).

Двойные латуни (не томпак) используются для выпуска деталей машин и патрубков с большой толщиной стен (Л60), штампованных деталей (Л68), компонентов химических и теплотехнических агрегатов (Л80, Л90) и других изделий.

Латуни литейного класса за счет своих свойств (высокая жидкотекучесть, отличные технологические и механические показатели, стойкость к коррозии, отсутствие склонности к ликвации) рекомендовано применять для изготовления далее указанных деталей:

• штуцеров автомобильных гидравлических механизмов (ЛЦ25С2);
• подшипников, сепараторов (ЛЦ40С);
• винтов червячной конструкции с большой массой (ЛЦ23А6ЖЗМц2);
• ответственных изделий, функционирующих при температурах в районе +300 градусов (ЛЦ40МцЗЖ);
• стойких к ржавлению изделий (ЛЦЗОАЗ).

Как отличить в домашних условиях?

На практике есть несколько простых и проверенных способов, помогающих определить металлы.

Как отличить бронзу от латуни при помощи магнита?

• Если дело доходит до разнообразных сплавов, то различить бронзу от латуни бывает довольно сложно, потому как они могут быть практически идентичными. Многие специалисты считают, что бронза тяжелее латуни. Это действительно так и связано с содержанием в составе олова, и свинца, которые являются довольно тяжелыми.
• Латунь гораздо легче из-за наличия в составе цинка. Можно провести несколько простых опытов, для того чтобы выяснить, какой из металлов находится перед вами. Практически всегда бронза магнитится, из-за наличия в составе олова.
• То есть, если поднести достаточно сильный магнит, вы увидите значительное намагничивание. Чем выше содержание олова в металле, тем сильнее намагничивается. Латунь в свою очередь не проявляет магнитных свойств, то есть при поднесении магнита она совсем не прилипает.

Обработка материалов

Определение по весу

Это еще один из методов отличия металлов. Для выявления разницы достаточно просто взвесить в руках одинаковые объемом бруски из разных сплавов. Бронзовый экземпляр будет весить намного тяжелее заготовки из латуни.

Однако на массу изделия влияет и плотность соединений. Поэтому использовать вес как четкий критерий отличия металлов рекомендуется не всегда. Например, бронза с низким содержанием олова (2-8%) отличается тем, что будет весить легче латунного аналога.

Как проверить бронзу нагреванием, опиливанием в домашних условиях

Мы предоставляем вам еще два варианта проверки:

• Используйте газовую горелку, так как она дает наиболее высокие температурные значения (до 600 градусов). Для этой операции домашней плиты будет недостаточно. Кроме того, опыт придется производить в отдельном помещении (мастерской или гараже). Возьмите заготовку и долго подержите её над огнем. Бронзовая не изменит внешнего вида. А на поверхности латунного изделия появятся темные пятна.
• Если у вас существует возможность полного расплавления исходного образца, то проведите такой опыт. При перегреве появилось белое пламя и разбрасывающие хлопья такого же цвета. Значит, выгорает Zn и перед вами латунь. Она обладает хорошей пластичностью. Во время деформации она не потеряет своих физических свойств, а бронза обязательно при перегреве раскрошится и сломается.
• Опиливание является наиболее доступным методом, который вы можете провести дома без финансовых затрат. Возьмите ножовку и попробуйте отпилить образцы. Латунное изделие хорошо и легко поддается распиловке, образуя при этом пласты. Стружка будет иметь витиеобразный вид. Металл с содержанием олова под воздействием острого предмета будет ломаться на маленькие кусочки, давая мелкую пыль. Попытавшись согнуть или расплющить образец, вы не добьетесь положительного результата, только испортите заготовку.

Это интересно: Нержавеющая сталь магнитится или нет: как определить нержавеющую сталь

Использование сверла и маркировка

При помощи дрели можно легко определит латунь

Но важно помнить, что инструмент повредит металлический предмет. Дело в том, что во время работы дрели из-под сверла выходит стружка, которая у меди довольно длинная и витиеватая, а у латуни она, наоборот, короткая и игольчатая

Ведь металл значительно мягче своего сплава.

Иногда на куске исследуемого материала можно увидеть маркировку, которая легко подскажет, что находится перед человеком. Так, отметка на меди начинается с буквы «М», а на латуни — с «Л». Но в других странах маркировка изделий несколько отличается от российской:

1. В США можно на латунном сплаве увидеть значки С2, С3, С4.
2. В Евросоюзе на меди и на латуни ставится буква C, но после неё на металле можно увидеть A, B, C, D, а на сплаве — L, M, N, P, R.