Латунь: состав сплава, характеристики и применение

Латунь – состав, марки, характеристики сплава

Латунь, которая хорошо известна и активно применяется уже на протяжении многих лет, является сплавом меди с цинком. Изобретателем этого материала с целым рядом уникальных характеристик считается англичанин Джеймс Эмерсон, который и запатентовал его в 1781 году.

Латунный металлопрокат отличается хорошей коррозионной стойкостью и высокой прочностью

Латунный металлопрокат отличается хорошей коррозионной стойкостью и высокой прочностью

Элементы состава

Основу латуни составляют медь и цинк. В наиболее традиционном составе такого сплава медь содержится в количестве 70%, а цинк – 30%. Существуют марки технической латуни, в составе которой цинк содержится в количестве 48–50 процентов. Что характерно, больше 50% цинка, используемого для производства латунных сплавов, получают из отходов данного металла.

В зависимости от особенностей внутренней структуры различают латуни альфа- и альфа-бета-типа, которые также называют одно- и двухфазными.

Их основные отличия заключаются в следующем.

  • В химическом составе латунных сплавов, относящихся к альфа-типу, содержится 35% цинка.
  • Альфа-бета-латуни (двухфазные) на 47–50% состоят из цинка. В их составе также содержится свинец, количество которого не превышает 6%.

Несмотря на то, что латунь, также созданная на основе меди, внешне очень похожа на некоторые марки бронзы, по профессиональной классификации она не относится к бронзовым сплавам. В составе некоторых видов латуни содержится олово – основной легирующий элемент бронзы, но его добавляют в очень незначительных количествах, чтобы добиться улучшения отдельных характеристик сплава. Кроме олова, в химическом составе отдельных марок латуни могут содержаться такие элементы, как свинец, марганец, железо, никель и др., которые также позволяют улучшить ее свойства.

Содержание химических элементов в простых (двойных) латунях (нажмите для увеличения)

Содержание химических элементов в простых (двойных) латунях (нажмите для увеличения)

Содержание химических элементов в свинцовых латунях (нажмите для увеличения)

Содержание химических элементов в свинцовых латунях (нажмите для увеличения)

Изделия из латуни отличаются красивым золотисто-желтым цветом, хорошо поддаются полировке и другим видам механической обработки. В зависимости от марки сплава, из которого изготовлено изделие, последнее можно подвергать ковке в холодном или нагретом состоянии, но некоторые виды данного металла методами пластической деформации обрабатывать нельзя. Несмотря на то, что для латуни характерна высокая коррозионная устойчивость, поверхность изделий из данного металла при их длительном взаимодействии с окружающим воздухом покрывается окисной пленкой и темнеет. Чтобы избежать изменения цвета поверхности латунных изделий с течением времени, их часто покрывают защитным слоем бесцветного лака.

Химический состав и особенности внутренней структуры

Чтобы хорошо разбираться в характеристиках латуни, важно понимать, какими свойствами обладают химические элементы, из которых она состоит. Такими элементами, как уже говорилось выше, являются медь и цинк.

Классификация латуней по химическому составу

Классификация латуней по химическому составу

Медь – это один из первых металлов, которые человек начал использовать для изготовления изделий различного назначения. Данный элемент, входящий в 11-ю группу IV периода таблицы Менделеева, имеет атомный номер 29 и обозначается как Cu (сокращение от Cuprum). Медь, которая является переходным металлом, отличается высокой пластичностью и красивым светло-золотистым цветом. При образовании оксидной пленки металл приобретает не менее красивый желтовато-красный оттенок.

Цинк – второй основной элемент в химическом составе латуни – также является металлом, который, в отличие от меди, не встречается в природе в чистом виде. Цинк, имеющий атомный номер 30, входит в побочную подгруппу 2-й группы IV периода таблицы Менделеева. Данный металл, производить который начали еще в XII веке в Индии, отличается высокой хрупкостью в нормальных условиях. Без оксидной пленки, которая появляется на металле при его взаимодействии с открытым воздухом, его поверхность имеет светло-голубой цвет. Обозначается данный металл символом Zn (сокращение от Zincum).

Так выглядит микроструктура отшлифованной латунной поверхности под 400-кратным увеличением

Так выглядит микроструктура отшлифованной латунной поверхности под 400-кратным увеличением

Структура латуни в зависимости от содержания в его составе основных компонентов может состоять из одной α- или одновременно α+β-фаз. Такие состояния, которые может принимать внутренняя структура сплава, отличаются следующими особенностями:

  • α-фаза – это раствор меди и цинка, характеризующийся высокой стабильностью, в котором молекулы основного металла (меди) имеют гранецентрированную кубическую решетку;
  • α+β-фаза – также стабильный раствор, в котором медь и цинк содержатся в соотношении 3:2 (в таком растворе молекулы меди имеют простую элементарную ячейку).
Микроструктура α +β-латуни имеет меньшую пластичность и большую твердость, чем структура α-латуни

Микроструктура α +β-латуни имеет меньшую пластичность и большую твердость, чем структура α-латуни

В зависимости от температуры нагрева в латуни происходят следующие структурные преобразования.

  • При нагревании латуни до высоких температур атомы в ее β-фазе, имеющей широкую область гомогенности, отличаются неупорядоченным расположением. В таком состоянии нагрева β-фаза латунного сплава отличается высокой пластичностью.
  • При незначительном нагреве латунного сплава (454–468°) в нем формируется фаза, имеющая обозначение β’. Особенностью такой структурной фазы, которая отличается высокой твердостью и, соответственно, хрупкостью, является то, что атомы меди и цинка в ней располагаются упорядоченно.
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод о том, что латунные сплавы, внутреннюю структуру которых составляет только α-фаза (однофазные), отличаются хорошей пластичностью, а те, в которых присутствует и β-фаза (двухфазные), являются более прочными, но не предназначены для обработки методами пластической деформации.

Пластичность латуней с двухфазной структурой можно повысить, если нагреть их выше температуры, при которой происходит β’-превращение (700°). В таком состоянии в структуре сплава преобладает только одна β-фаза, соответственно, он отличается высокой пластичностью. Однако даже однофазные латуни с хорошей пластичностью могут практически не обрабатываться методами пластической деформации. Это происходит в температурном интервале их нагрева до 300–700°, который получил название зоны хрупкости.

Содержание цинка в латуни влияет на электропроводность сплава

Содержание цинка в латуни влияет на электропроводность сплава

На то, какими механическими свойствами обладает латунь той или иной марки, значительное влияние оказывает содержание цинка в ее химическом составе. Так, если содержание данного химического элемента составляет до 30%, то одновременно повышаются как прочность, так и пластичность сплава. Дальнейшее повышение содержания цинка приводит к тому, что латунь становится менее пластичной (усложнение α-фазы), а затем и более хрупкой (формирование в структуре латуни β’-фазы). Прочность латуни увеличивается до того момента, пока цинка в ее составе не будет 45%, с дальнейшим увеличением количества данного элемента латунь становится и менее прочной, и менее пластичной.

Способы производства

Такой сплав меди, как латунь, хорошо поддается различным методам обработки. Так, из этого сплава можно получать различные изделия методами ковки, штамповки и протяжки, а благодаря относительно невысокой температуре плавления и хорошей текучести в расплавленном состоянии его активно используют в литейном производстве.

Розлив латунного расплава по формам

Розлив латунного расплава по формам

Латунь, основным легирующим элементом в которой является цинк, получают плавкой:

  • в тиглях, изготовленных из огнеупорного материала (для нагрева тигли вместе с компонентами сплава помещают в шахтные или пламенные печи);
  • в отражательных печах (при использовании данного метода плавку выполняют без применения тиглей).
При выплавке латунного сплава следует учитывать тот факт, что цинк при осуществлении такой процедуры будет активно испаряться, поэтому количество данного металла следует рассчитывать с некоторым запасом.

Сферы применения

В зависимости от количественного содержания основных компонентов латунь может использоваться для изготовления изделий различного назначения.

Содержание основных элементов указывается в маркировке латунных сплавов

Содержание основных элементов указывается в маркировке латунных сплавов

Одной из наиболее распространенных разновидностей деформируемых латунных сплавов является томпак, в составе которого содержится 88–97% меди и не более 10% цинка. Наиболее значимыми характеристиками сплавов данного типа являются:

  • высокая пластичность;
  • высокая коррозионная устойчивость;
  • хорошие антифрикционные свойства.

Из характеристик, которые способствуют высокой популярности сплавов данного типа, надо отметить:

  • хорошую свариваемость со сталью и другими металлами, что позволяет использовать томпак для изготовления изделий из комбинированных материалов;
  • красивый золотистый цвет – характеристика, которая стала причиной активного использования томпак для производства изделий художественного назначения;
  • возможность покрывать поверхность изделий из томпака эмалью и лаком, золотить, а также использовать другие типы декоративных покрытий.
Так выглядит лента томпака, из которой потом делают изделия, в том числе и ювелирные украшения

Так выглядит лента томпака, из которой потом делают изделия, в том числе и ювелирные украшения

Специалисты при производстве томпака используют три основные формулы химического состава данного сплава, в котором медь, цинк, свинец и олово могут содержаться в следующих пропорциях:

  • 82/18/1,5/3;
  • 82/18/3/1;
  • 82,3/17,5/0/0,2.

Данные формулы, что примечательно, были выведены еще в XIX веке. Их автором является ученый из Шотландии Эндрю Юр.

Области применения деформируемых латуней

Области применения деформируемых латуней

Чтобы получить литейную латунь, в ее состав, кроме цинка, добавляют 50–81% меди, а также ряд других элементов: алюминий, железо, кремний, олово, марганец, свинец. Наиболее значимыми характеристиками, которыми обладает такая латунь, являются:

  • высокая устойчивость к коррозии;
  • антифрикционные свойства;
  • хорошие механические характеристики;
  • хорошая текучесть в расплавленном состоянии;
  • высокая устойчивость к распаду материала.
Сферы применения литейных латуней

Сферы применения литейных латуней

Благодаря таким характеристикам литейные латунные сплавы успешно используются для производства изделий, к механическим свойствам, коррозионной устойчивости и точности геометрических параметров которых предъявляются повышенные требования.

Для производства различных изделий методами резания металлов используются автоматные латуни, в химический состав которых входят:

  • 57–75% меди;
  • 24,2–42,7% цинка;
  • 0,3–0,8% свинца.
Автоматная латунь марки ЛС59-1 используется для изготовления метизов и декоративных элементов

Автоматная латунь марки ЛС59-1 используется для изготовления метизов и декоративных элементов

В составе сплавов данного типа обязательно содержится свинец, за счет чего обеспечивается формирование короткой и сыпучей стружки, что и позволяет выполнять скоростную обработку изделий из таких латуней.

Латуни данного типа производится в виде листового материала и прутков, из которых затем, используя тот или иной вид механической обработки, изготавливают изделия различного назначения.

Добавить комментарий