Технологии производства, состав и структура сплава латуни

Металлы и сплавы – в буквальном смысле слова основа человеческой цивилизации. Чистые металлы не так уж часто применяются в народном хозяйстве, а вот сплавы используются повсеместно. Это не удивительно, так как сплав объединяет в себе свойства нескольких веществ в самой лучшей пропорции. Данная статья рассказывает о производстве и обработке расплава латуни, подготовке материала, составе, свойствах и применении материала.

Классификация латуней

Так как в сплав меди и цинка добавляются и другие легирующие элементы, то различают:

• двухкомпонентные сплавы
• и многокомпонентные сплавы латуни.

Легирующие элементы сложных сплавов: Mg, Sn, Ni, Pb, Si, Fe, Al и другие. Все они определённым образом сказываются на свойствах изделий. Mg в сочетании с Fe и Al влияет на прочностные характеристики и коррозионную стойкость. Ni – положительно сказывается на устойчивости к окислительным процессам. Pb повышает пластичность и ковкость латуни. Такие сплавы часто используются ремесленниками, также такие сплавы называют автоматными, т.к. они хорошо поддаются обработке на станках. Si спорно, но влияет на прочностные характеристики сплава, а в сочетании с Pb может посоревноваться за первенство с оловянной бронзой по части антифрикционных качеств.

Не менее важной является классификация сплавов Cu и Zn по способу их обработке. Различают:

• литейные сплавы,
• сплавы обрабатываемые давлением,
• также можно выделить в эту группу специальные латуни.

В горячем виде обработке давлением при температуре от 300 до 700°C лучше поддаются латуни с высоким содержанием цинка, однако с повышением концентрации Zn выше 30 % пластичность и прочность сплавов падает, поэтому на практике для этих целей не применяются сплавы с содержанием Zn выше 39 %. В холодном же виде любые сплавы латуней обрабатываются хорошо.

Было уже сказано о различии в фазовых состояниях латуни, но для полноты картины следует ещё раз определить:

• латуни a-фазы
• и латуни b-фазы.

Первые — с содержанием Zn до 39 %, вторые (двухфазные) — выше. Латунь в а-фазе имеет более высокую пластичность и прочность, чем в фазе b, так как двухфазные сплавы имеют свойство слоиться, из-за того что медь с цинком не будут образовывать прочной связи.

Так как латуни различаются по содержанию цинка, принято также выделять:

• красную
• и жёлтую латуни

Содержание цинка в красной латуни (томпаке) составляет от 5 до 20 %, а в жёлтой — более 20 %. Чем выше содержание Zn в составе, тем ниже стоимость сплава.

Физические и химические свойства

Латунь не имеет формулы, так как это сплав. Она обладает высокой температурой плавления (порядка 900оС), но повышение количества цинка способно снизить ее.

Плотность составляет 8,6 г/см3, что чуть ниже удельного веса меди – основного компонента латунного сплава. Имеет самую высокую теплопроводность.

Значение удельной теплоемкости меньше, чем у меди (0,377 Дж/(кг*K)), поэтому способность к трещиноватости снижается.

Характеризуется способностью к полировке, обработке давлением, сварке, сопротивлению агрессивной атмосферной среды, устойчивостью при очень низких температурах.

Если сравнивать с бронзой, то у медно-цинкового металла хуже антикоррозионность и прочность, но относительно меди они лучше.

Выделяют две фазы: α (с кубической ячейкой в кристаллической структуре) и β.

Свойства сплавов

Для понимания того, как различные легирующие составы и пропорции влияют на качества латуней, ниже мы привели несколько таблиц и диаграмм. Но прежде обратимся к принципам маркировки латуней. Двухкомпонентные сплавы маркируют в России литерой Л и цифрами, обозначающими процентное содержание меди по химическому составу. (Л80 содержит 79-81 % Cu, до 0,3 % примесей и Zn в остатке). Многокомпонентные сплавы также маркируются литерой Л, после чего указываются литеры легирующих элементов, далее за ними следуют числовые обозначения, указывающие процентное содержание меди и легирующих составов, в указанном литерами порядке (ЛА77-2 — 77% Cu, 2%Al).

Плюсы соединения латунных деталей методом аргонно-дуговой сварки

Не зря специалисты считают аргонодуговую сварку лучшим методом для соединения латунных деталей. Она имеет множество преимуществ, среди которых особенно весомое – универсальность (можно соединять как мелкие, так и крупные элементы) и безопасность процесса. Есть и другие:

• не нужен флюс или особые дорогостоящие электроды;
• экологичность;
• высокая скорость проведения работ;
• шов не только прочный, но и эстетичный;
• отсутствие шлака на поверхности шва;
• в процессе сварки не возникают оксидные и нитридные корки;
• инертный газ, подаваемый к месту соединения деталей, вытесняет опасные соединения, возникающие при окислении цинка.

Инертный газ позволяет защитить очищенную кромку металлической детали от влияния внешней воздушной среды. Поток аргона не дает образовываться шлаку, коркам из оксидов и нитридов, вредным химическим соединениям.

Применение

Спектр выпускаемых в России латуней очень велик. Существует порядка 37 основных марок двух и многокомпонентных сплавов, не считая специальные и вторичные латуни. Так что спектр их применения чрезвычайно велик и более подробно будет рассматриваться нами в статьях, посвящённым конкретным сплавам. Однако, можно привести примеры использования латуней в рамках указанной выше классификации.

Двухкомпонентные деформируемые сплавы латуней Л96-Л80 применяются в основном для производства деталей в химической промышленности, радиаторных и капиллярных трубок, тепловой аппаратуры, и в машиностроении. Л68-Л60 — применяются в изготовлении штампованных изделий, фурнитуры и крепежа, деталей в автомобильной промышленности, труб конденсаторных, патрубков.

Сфера применения многокомпонентных деформируемых сплавов гораздо более широка и вписывается в рамки производства таких отраслей, как: судостроение, химическая промышленность, машиностроение, производство тепловой аппаратуры, точных приборов, авиационной промышленности и других. Примечательно то, что в основном многокомпонентные деформируемые сплавы применяются для производства небольших деталей с хорошими антифрикционными свойствами.

Литейные сплавы латуней применяются для изготовления ответственных деталей и элементов конструкций. Они обладают большой прочностью. Из них отливают арматуру, изготавливают гайки, червячные винты, а также подшипники, втулки и коррозиестойкие детали.

Состав и структура

Существует два типа латунных сплавов:

• Многокомпонентные.
• Двухкомпонентные.

Латуни многокомпонентного типа, помимо цинка и меди, могут в себя включать другие неметаллы и металлы. Они оказывают существенное влияние на итоговые свойства сплава. Так, внесение в состав олова повышает устойчивость материала к воздействию морской воды. А добавка, к примеру, никеля, повышает прочность латунного изделия.

Двухкомпонентные сплавы, как правило, включают в себя цинк и медь в различных пропорциях.

Иной способ классификации относится к методикам обработки:

• Деформируемые латуни можно изгибать, сворачивать, придавать различную форму даже в бытовых условиях. Эти сплавы выпускаются в виде проволоки, прутьев и листов, которые впоследствии применяются, например, в производстве труб.
• Литейные сплавы могут деформироваться лишь при воздействии высоких температурных показателей и существенном давлении. С помощью этой технологии делают автомобильные детали, подшипники и т. д.

История

Изготовлением латуни занимались ещё в Древнем Риме, позже в Египте, Греции и Китае. Согласно информации представленной в СБИЕ, древние римляне изготавливали латунь сплавлением меди и минерала галлия в виде карбона ZnCO3. Чистота такого сплава была не велика, поэтому настоящая качественная латунь появилась значительно позже, когда в 1746 году Андреас Сигизмунд Магграф нашёл способ извлекать чистый цинк прокаливанием оксида цинка в реторте из огнеупорной глины без доступа воздуха, и конденсировать цинк в газовой фазе в рефрижераторе.

Слово цинк восходит к германскому zinke (зубец), вероятно это название связано с формой кристаллов сфалерита (цинковой обманки) из которой впоследствии стали добывать в промышленных масштабах цинк. Сфалерит имеет в составе сульфид цинка ZnS. Из него получают концентраты по пирометаллургической схеме. Сначала минерал измельчается, а затем помещается в аппарат для селективной флотации, где вместе с цинковым концентратом извлекаются другие концентраты. Далее концентраты цинка обогащаются и восстанавливаются обжигом в кипящем слое, и далее спеканием. Дистилляционный метод ныне не применяется, для получения чистого цинка. Наибольшее распространение получил в наше время гидрометаллургический способ получения Zn электролизом.

Оборудование для литья латуни — Справочник металлиста

Медь — один из первых металлов, освоенных человечеством.

Медь

Благодаря низкой температуре плавления и высокой пластичности она не теряет своей популярности уже пятое тысячелетие. Красный металл широко используется как в промышленности, так и в домашних условиях для изготовления украшений, поделок и деталей путем литья из меди.

В промышленных условиях используются такие технологии, как

Литье меди

• Литье меди в формы
• Порошковая металлургия
• Гальваническое нанесение покрытия
• Горячий и холодный прокат
• Штамповка из листов
• Волочение проволоки
• Механическая обработка

Они требуют сложного и дорогого профессионального оборудования, высокой квалификации персонала и сопровождаются высокими энергозатратами.

Проволочное волочение меди

В домашних условиях небольшой мастерской применяются простые технологии, во многом повторяющие приемы работы мастеров медного века. Это медное литье и волочение проволоки, а также ковка и чеканка. Несмотря на простоту и древность технологических приемов, домашние мастера достигают высокого качества изделий. Достаточная точность литья обеспечивается тщательным изготовлением формы.

Характеристики меди

Медь — это металл с относительно низкой температурой плавления (1083С), плотностью 8 г/см3 и высокой пластичностью. Она встречается в природе в виде самородков.

Благодаря этим качествам она стала первым металлом, освоенным человечеством. Археологи находят инструменты и оружие, в захоронениях, датируемых III тысячелетием до н.э.

Скорее всего, человечество освоило медное литье еще раньше, в конце каменного века.

Основные свойства металлов подгруппы меди

Латинское название металла- Cuprum связывают с названием острова Кипр, известного античного центра производства бронзовых изделий. Сплавы на основе меди — бронза и латунь обладают высокой прочностью и меньше подвержены окислению. Бронза широко применялась как основной металл человечества вплоть до освоения массовых технологий производства стали.

Медь обладает отличной электро- и теплопроводностью. Это обуславливает ее широкое использование в электротехнике и теплотехнике.

Кроме того, медь обладает выраженными бактерицидными свойствами.

Оборудование для плавки и литья меди

Для литья меди в домашних условиях не требуется особо сложного или дорого оборудования. Приобрести его или изготовить самостоятельно вполне по плечу домашнему мастеру.

Потребуется

• Тигли — цилиндрические открытые сосуды.

Примеры графитовых тигелей

• Стальные щипцы для снятия и постановки тигля в печь.
• Муфельная печь или газовая горелка.
• Стальной крюк для снятия корки из окислов с поверхности расплава.
• Форма для литья.

Прежде всего, нужно расплавить медь. Чем лучше будет измельчено исходное сырье, тем быстрее произойдет расплав. Плавление будет происходить в тигле из керамики или огнеупорной глины.

Муфельная печь должна быть оборудована термометром и застекленным оконцем для визуального контроля.

Электронная система регулировки и поддержания температуры сделает медное литье проще и обеспечит лучшее качество отливки.

Формы для медного литья делается на основе модели. В зависимости от выбранной технологии формы бывают одноразовые (из специально отформованной в опалубке смеси) и многоразовые — стальные кокили. В последнее время получили распространение формы из высокотемпературного силикона.

В домашних условиях чаще применяют одноразовые формы. Модель изготовляют из воска или специальных сортов пластилина. Модель полностью повторяет пространственную конфигурацию будущего изделия. При заливке в форму горячего расплава воск плавится и вытесняется металлом, занимающим его место и повторяющим все детали рельефа формы. Такая форма называется выплавляемой.

Выжигаемая форма для литья меди

Существуют также выжигаемые формы. В них применяется модель, сделанная из горючего материала, например папье-маше. Модель в этом случае сгорает при заливке высокотемпературного расплава, продукты сгорания в виде газов выходят через заливное отверстие.

Применение медного литья

Медное литье применяется для изготовления широкого спектра изделий. В ювелирном деле легендарный металл чаще используют в составе сплавов. В небольших количествах ее добавляют в золотые изделия для повышения их прочности и стойкости к истиранию. Бронза, представляющая собой сплав меди с оловом, используется для создания авторских подвесок, цепочек, колец и сережек.

Ювелирные украшения из меди

Литье из меди применяется также для изготовления рыболовных блесен уникальной формы. Еще одна сфера применения — создание авторских масштабных моделей техники — кораблей, автомобилей, танков, самолетов и пр. Здесь кроме бронзы используется латунь — сплав с цинком.

Латунь и бронза применяются также для отливки элементов декора помещений, накладок и авторских дверных ручек. Здесь, кроме конструкционных достоинств — прочности, долговечности и внешнего вида, применяются и бактерицидные свойства меди и ее сплавов.

Процесс расплавки меди в домашних условиях

Процесс литья меди в домашних условиях несложен, но требует тщательной подготовки, планирования и четкого соблюдения временных и температурных параметров.

Начинается он с измельчения проволоки или лома и помещения ее в тигель. Одновременно следует включить муфельную печь на прогрев. Чем лучше будет измельчен металл, тем быстрее и эффективнее пройдут и расплав, и отливка.

Важно следить за температурой расплава. При превышении температуры расплав начинает активно поглощать кислород воздуха и окисляться, сто ведет к снижению качества отливок.

Чтобы снизить влияние кислорода воздуха, поверхность расплава присыпают толченым активированным углем.

Если муфельная печь недоступна, то тигель можно установить на сварную треногу и нагревать повернутой соплом вверх газовой горелкой.

Важно! Горелка обязательно должна быть надежно закреплена

Можно также сделать печь из шамотных кирпичей и стальной решетки, на которой будет рассыпан уголь. Такую печь необходимо обдувать мощным вентилятором или пылесосом.

После того как металл расплавился, нужно надежно захватить тигель щипцами и извлечь из печи, поставив на огнеупорное основание.

Используя стальной крюк, нужно сдвинуть к стенке образовавшуюся на поверхности расплава пленку из окислов, и, не допуская его остывания, тонкой струйкой вылить в отверстие формы. Если используется выплавляемая форма, следите за тем, чтобы струя наливаемого металла давала возможность для выхода материала модели.

Обязательно дайте отливке полностью остыть перед тем, как будете разбирать форму, очищать и дорабатывать изделие.

Важно! Обязательно использование защитных очков и перчаток с крагами. Не забудьте проверить наличие и работоспособность огнетушителя, пригодного для тушения электроустановок под напряжением.

Пусть ваше литье будет удачным, и медная отливка, изготовленная в домашних условиях, порадует вас и ваших заказчиков!

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Литье из бронзы: технология художественного бронзового литья

Литье бронзы позволяет изготавливать изделия, отличающиеся исключительной декоративной привлекательностью. Технология литья из данного сплава, основу которого составляет медь, известна на протяжении многих веков, но и в наше время она продолжает совершенствоваться.

Внешний вид бронзовых изделий говорит об кропотливом труде мастера, превращающего безликий металл в художественное произведение

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.

Способы получения

Процесс производства латуни требует наличия специального сырья – медных, цинковых, а также других металлических заготовок (свинцовых, алюминиевых, кремниевых, никелевых), которые служат как присадки для легирования.

Компоненты помещаются в плавильную печь с вытяжкой. Медь должна быть предварительно раскалена докрасна, к ней добавляют куски цинка, потом присадки.

Жидкий металл разливают по формам, получая литейные сплавы. Если их подвергнуть деформации, то на выходе будут деформируемые латуни.

Металлопрокат и литые заготовки

После получения однородной массы, сплав разливают в формы, если это литейная латунь, и из него получают:

• слитки плоской
• и слитки круглой формы.

Деформируемые же сплавы после отливки в изложницы проходят процедуру деформации. Из них получают: латунную ленту, латунные плиты, латунную проволоку, трубы из латуни, латунные круги, латунные листы, прутки латунные.

Полученные изделия могут различаться по степени дополнительной обработки (закалки, старения), а также по состоянию материала (мягкое, полутвёрдое, твёрдое и особотвёрдое). Дополнительная термическая подготовка заготовок способна значительно повысить их коррозионную стойкость и прочность.

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.