Физические свойства латуни, ее плотность и применение

Расчетная плотность указана для расчета справочной теоретической массы изделий и может отличаться по результатам взвешивания.

Расчетная плотность простых (двойных) латуней

Марка

Расчетная плотность, г/см3

Нормативный документ

Л96

8,9

ГОСТ 15527-2004

Л90

8,7

ГОСТ 15527-2004

Л85

8,7

ГОСТ 15527-2004

Л80

8,7

ГОСТ 15527-2004

Л70

8,5

ГОСТ 15527-2004

Л68

8,5

ГОСТ 15527-2004

Л63

8,5

ГОСТ 15527-2004

Л60

8,4

ГОСТ 15527-2004

Расчетная плотность свинцовых латуней

Марка

Расчетная плотность, г/см3

Нормативный документ

ЛС74-3

8,5

ГОСТ 15527-2004

ЛС64-2

8,5

ГОСТ 15527-2004

ЛС63-3

8,5

ГОСТ 15527-2004

ЛС59-1В

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛС59-1

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛС58-2

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛС58-3

8,45

ГОСТ 15527-2004

ЛС59-2

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛЖС58-1-1

8,4

ГОСТ 15527-2004

Расчетная плотность сложнолегированных латуней

Марка

Расчетная плотность, г/см3

Нормативный документ

ЛО90-1

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛО70-1

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛОМш 70-1-0,05

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛОМш 70-1-0,04

8,4

ГОСТ 15527-2004

Л062-1

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛКБО62-0,2-0,04-0,5

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛО60-1

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛОК59-1-0,3

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛАМш77-2-0,05

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛАМш77-2-0,04

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛА77-2

8,3

ГОСТ 15527-2004

ЛА77-2у

8,3

ГОСТ 15527-2004

ЛАНКМц 75-2-2,5-0,5-0,5

8,3

ГОСТ 15527-2004

ЛК75В

8,4

ГОСТ 15527-2004

Л75мк

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛМш68-0,05

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛК62-0,5

8,4

ГОСТ 15527-2004

ЛАЖ60-1-1

8,3

ГОСТ 15527-2004

ЛАН59-3-2

8,2

ГОСТ 15527-2004

ЛЖМц59-1-1

8,3

ГОСТ 15527-2004

ЛМц58-2

8,3

ГОСТ 15527-2004

Латунь, как известно, представляет собой сплав меди с цинком, в который в незначительных количествах могут добавляться и другие химические элементы. Химический состав определяет свойства латуни, которые следует обязательно учитывать, подбирая материал для решения конкретных технологических задач.

Пруток латунный – один из полуфабрикатов, поставляемый для различных отраслей промышленности

Общие свойства

Добавление цинка к меди (а именно так производят латунь) позволяет получить сплав, отличающийся от основного металла не только своими свойствами и цветом, но также и более низкой стоимостью. При этом плотность итогового сплава, в котором цинк может содержаться в количестве 5–45%, незначительно отличается от аналогичного параметра основного металла – меди. Для увеличения твердости латуни, а также улучшения ее антифрикционных и других механических свойств в процессе производства ее подвергают различным видам дополнительной обработки.

Основные виды латуней. Желтым цветом выделены сплавы, используемые для пайки и сварки

Если говорить о наиболее значимых свойствах латуни, то к ним следует отнести:

  1. высокую устойчивость к коррозии в обычных условиях эксплуатации;
  2. достаточно хорошую стойкость к воздействию агрессивных сред, таких как водно-солевые растворы, углекислый газ, органические кислоты;
  3. красивый светло-золотистый цвет, что позволяет использовать этот материал для изготовления предметов декоративного назначения (которые даже на фото выглядят очень привлекательно);
  4. подверженность обработке методами пластической деформации как в горячем, так и в холодном состоянии (при этом, что немаловажно, цвет готового изделия практически не изменяется);
  5. невысокую электро- и теплопроводность;
  6. простоту и невысокую стоимость производства;
  7. возможность применять пайку с использованием как мягких, так и твердых припоев.

Благодаря своей высокой декоративности и практичности латунь часто применяется для отделки кухонной мебели

Отдельные марки латуни, в частности те, в химическом составе которых содержится более 20% цинка, плохо переносят повышенную влажность: в таких условиях поверхность изделий из них может растрескиваться. Ситуация еще более усугубляется, если во влажной атмосфере, в которой эксплуатируются такие изделия, содержится значительное количество аммиака. Тогда латунь не только покрывается трещинами и утрачивает первоначальный цвет, но и теряет свои хорошие эксплуатационные характеристики.

Между тем можно улучшить свойства латунных сплавов данной категории, если изделия из них после производства одним из методов пластической деформации подвергнуть отжигу при температуре 240–260°. Такая процедура, которую часто называют нагартовкой, приводит к повышению прочности и твердости латуни, а также снятию остаточных напряжений в ее внутренней структуре.

Улучшение эксплуатационных характеристик

Чтобы улучшить такие свойства латунных сплавов, как плотность, цвет, твердость, антикоррозионная стойкость и другие, в них, кроме меди и цинка, добавляют легирующие элементы, к числу которых относятся олово, железо, мышьяк, алюминий, никель, марганец и др. Количество таких элементов, добавляемых в состав латуни, очень незначительно. Как правило, оно не превышает нескольких процентов. Самыми значимыми свойствами, которые удается улучшить в процессе легирования латуни, являются кавитационная плотность, износостойкость и устойчивость к коррозии.

По диаграммам видно, насколько латуни прочнее и тверже меди благодаря легирующим элементам

Легирующие элементы, добавляемые в химический состав латуни, по-разному влияют на ее свойства. Так, кремний при превышении его содержания в сплаве, уменьшает его плотность и, соответственно, ухудшает его прочностные характеристики. Если же в дополнение к кремнию в латунь добавить свинец, то она окрасится в красивый цвет, а ее антифрикционные свойства усилятся.

Чтобы улучшить такое свойство латуни, как временное сопротивление на разрыв, в ее состав добавляют олово, алюминий или марганец. Если латунь легировать марганцем и железом, количество которых не должно превышать 2–3%, можно значительно улучшить ее коэффициент относительного удлинения. Что характерно, другие химические элементы, используемые для легирования латуни, ухудшают данный показатель.

Физические свойства простых латуней (нажмите для увеличения)

Для повышений коррозионной устойчивости латуни в ее состав добавляют такие элементы, как никель, алюминий, олово и марганец. Особенно стоит отметить никелированную латунь, которую из-за цвета называют белой. Поверхность изделий из таких сплавов за счет содержания в их составе никеля не подвержена растрескиванию даже при эксплуатации в условиях повышенной влажности.

Добавление олова в состав латуни позволяет увеличить ее плотность и, соответственно, такое ее свойство, как прочность. Изделия из таких сплавов можно успешно эксплуатировать в соленой воде. Среди большого разнообразия марок латуни есть специально созданные для применения в условиях постоянного воздействия морской воды.

Химический состав и примеры применения латуней, содержащих олово (нажмите для увеличения)

Свинец в латунь добавляют преимущественно для того, чтобы обеспечить ей хорошую обрабатываемость резанием. Этот элемент обеспечивает формирование короткой и хорошо ломающейся стружки в процессе обработки на токарном, фрезерном или сверлильном оборудовании. Кроме того, содержание свинца при обработке латуни металлорежущими инструментами гарантирует получение поверхности с небольшими показателями шероховатости.

Достаточно редким элементом, при помощи которого выполняют легирование латуни, является мышьяк. Изделия, изготовленные из такой латуни, успешно эксплуатируются в пресных высокоагрессивных жидких средах, находящихся в состоянии нормальной или повышенной температуры. Если в химический состав латуни, легированной мышьяком, добавить железо и никель, то изделия из нее можно успешно эксплуатировать в кислотных и щелочных средах.

Хорошо поддаются резке, в том числе лазерной, латуни с содержанием цинка менее 42%

Преимущества и недостатки литейных латуней

Латуни, относящиеся к категории многокомпонентных, делятся на две большие группы:

  • литейные;
  • обрабатываемые методами пластической деформации.

Медно-цинковые сплавы, относящиеся к литейной категории, активно используются в современной промышленности. Высокой популярности таких материалов способствует то, что они демонстрируют низкую склонность к газонасыщению, что, в свою очередь, позволяет получать из них отливки с высокой плотностью и достойной устойчивостью к коррозии. Хорошему раскислению таких латуней, происходящему в процессе литья, способствует то, что некоторая часть цинка при выполнении плавки испаряется.

Химический состав литейных латуней (нажмите для увеличения)

К наиболее значимым свойствам латуней, относящихся к литейной категории, следует причислить:

  • высокую текучесть в расплавленном состоянии;
  • незначительную усадку в процессе выполнения литья;
  • механические характеристики, во многом схожие с аналогичными параметрами оловянных и алюминиевых бронз;
  • простоту и невысокую стоимость производства, если проводить сравнение с технологией получения бронзовых сплавов.

Области применения литейных латуней

Металлы данной категории имеют и некоторые недостатки.

  • В процессе выполнения литья в изделиях могут формироваться кристаллизационные раковины достаточно большого размера.
  • В латунь необходимо добавлять специальные флюсы, чтобы минимизировать потери цинка, которые происходят в результате испарения данного металла.

Исправление таких недостатков, связанных с плавлением латуни, сопряжено со значительными финансовыми затратами. Если не предпринимать таких мер, повышающих себестоимость готового сплава, то большую его часть придется отправить на вторичную переработку.

Деформируемые латунные сплавы

Латуни, готовые изделия из которых и заготовки для дальнейшей обработки, производят методами пластической деформации, могут относиться к одно- или двухфазным. Сплавы первой категории содержат в своем химическом составе не более 30% цинка, вторые – 40–45%.

Области применения деформируемых двойных латуней

Двухфазные латуни хорошо поддаются пластической обработке только в горячем состоянии, при этом цвет их поверхности остается неизменным. В холодном состоянии они демонстрируют очень невысокую пластичность. Латуни однофазной группы, также отличающиеся постоянством цвета, можно подвергать обработке методами пластической деформации как в холодном, так и в горячем состоянии.

Сферы применения деформируемых многокомпонентных латуней

Предметы из латуни отличаются не только своим привлекательным внешним видом, о чем можно судить даже по фото, но и отличными механическими свойствами, что позволяет успешно использовать их не только в декоративных, но и в практических целях.

В заключение небольшое видео об особенностях латуни и нюансах ее производства.

Из сплава меди и цинка производят сплав, который получил название латунь. При этом от процентного соотношения этих чистых металлов изменяются многие свойства сплава, например, плотность латуни, ее пластичность, электропроводность и другие. Помимо основных металлов, в состав сплава входят другие элементы, влияющие на получение специальных свойств латуни, необходимых для конкретного применения.

Историческая справка

Согласно историческим сведениям, первыми металлами, которые использовал человек, были медь и золото. Оба металла являются очень мягкими в чистом состоянии, поэтому их использование в жизнедеятельности человека является достаточно ограниченным. В частности, медь использовалась древними людьми с момента начала использования ими огня, а со времен Римской империи этот металл стал более интенсивно применяться в изготовлении труб, военного оружия, украшений для статуй и для других целей.

Для улучшения характеристик чистых металлов, например, большей твердости и прочности, со временем человеку пришла мысль смешивать их. Так, приблизительно в 2019 году до нашей эры в Месопотамии получили бронзу — сплав меди с оловом, который обладал высокой сопротивляемостью к коррозии и был более прочной, чем каждый чистый металл по отдельности. Благодаря этим свойствам бронзу стали использовать для производства оружия и орудий труда.

Около 2019 года до нашей эры была открыта латунь — сплав цинка и меди, который демонстрировал великолепную устойчивость против деформации, обладал высокой пластичностью при низких и высоких температурах и имел высокую устойчивость к коррозии и механическому износу. Однако ее использование приобрело массовый характер только в 250 году до нашей эры с началом производства монет в Римской империи.

С этого времени применение латуни стало осуществляться в самых различных областях человеческой деятельности начиная от вооружения и заканчивая ювелирными украшениями. В XV веке она стала использоваться для производства астрономических инструментов, а с появлением печати сплав стал активно применяться в типографии. С середины XVI века в Европе болты и гайки изготавливались главным образом из латуни, меди и бронзы. Этот сплав использовали для изготовления шестерен часовых механизмов, а в XVII веке в Голландии латунь использовали для изготовления оптического телескопа.

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.

Чистая медь имеет плотность 8,96 г/см3 и температуру плавления 2019 °C, а чистый цинк обладает плотностью 7,14 г/см3 и температурой плавления 420 °C, то есть эти два свойства латуни близки к свойствам меди, ввиду ее большего относительного количества в сплаве в сравнении с цинком.

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.

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.

Некоторые сплавы получили название специальных, например, сплав «симилор». Симилор состоит из 80% меди и 20% цинка. Другими специальными материалами являются «металл принца Альберта» (меди 86%, цинка 14%), «крисокола» (82% меди, 6% цинка, 6% олова).

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.

Области применения

Использование латуни охватывает самые разнообразные сферы человеческой деятельности. Так, золотистый цвет сплава обусловил его использование в бижутерии и в различных декоративных элементах. Также его используют в котельном деле, при производстве военного снаряжения и амуниции, при изготовлении проволок и труб конденсаторов, электрических терминалов и денежных монет.

Благодаря устойчивости к разрушению в соленой воде металл используется при изготовлении снаряжения различных морских судов, а его акустические свойства позволяют делать духовые инструменты: трубы и аккордеоны. Благодаря бактерицидным свойствам, сплав используется для изготовления дверных ручек в больницах и госпиталях.

Если говорить о применении в качестве декора, то следует выделить производство ламп, светильников, карнизов и некоторых ювелирных изделий. Такого рода вещи производятся в основном в странах восточной Европы, на территории стран СНГ, а также во многих арабских и некоторых государствах Азии.

Одно из интересных свойств латуни, которое является необычным для металлов, заключается в отсутствии искр при механическом воздействии на изделие. Эта уникальная характеристика дает возможность использовать материал в качестве сосудов для хранения и транспортировки легковоспламеняющихся жидкостей.

Благодаря легкости механической обработки, высокой износостойкости и невысокой цене, материал используется для изготовления разнообразных вентилей. Из-за высокой сопротивляемости коррозии и кавитации используется латунь для изготовления винтов судов. Также материал использует при производстве некоторых деталей современных компьютеров.