Физические свойства латуни, ее плотность и применение

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 3500 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 1400 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 1084 °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.