1.1 Латуні

Латуні – це подвійні та багатокомпонентні сплави, в яких основний легувальний елемент – Zn (його вміст не перевищує 50% мас.). Мінімальний вміст Zn в латунях – 4% (мас.).

Латуні мають добру корозійну стійкість в атмосфері та морському кліматі, в грунті. До харчових продуктів нейтральні. Латуні достатньо стійкі в розчинах луг (виключення – аміак) та в концентрованих розчинах нейтральних солей. Латуні із вмістом Zn до 15% за корозійною стійкістю близькі до міді промислової чистоти.

Латуні схильні до знецинкування та сезонного розтріскування [1]. Знецинкування спостерігається при контакті латуні з електропровідним середовищем (кислі та лужні розчини). При знецинкуванні поверхня латуні розчиняється в реагенті і концентрація цинку в розчині порівняно з концентрацією в міді зростає. В результаті обмінних реакцій на катодних ділянках електрохімічно осаджується мідь у вигляді губчатої плівки. Латуні стають пористими, на поверхні утворюються плями червоного кольору, погіршуються механічні властивості. Чим більше цинку в латуні тим більша схильність до знецинкування. Для усунення схильності до знецинкування додають P, As та Sb в невеликих концентраціях.

Сезонне або міжкристалітне розтріскування супроводжується появою міжкристалітної тріщини при одночасній дії розтягувальних напружень (залишкових та діючих) і специфічних хімічних реагентів (наприклад: розчини та пари аміаку, вологий сірчаний ангідрид, різні аміни, вологий діоксид вуглецю та інше). Латуні із вмістом Zn до 7% не чутливі до сезонного розтріскування. В латунях з 10…20% Zn сезонне розтріскування не спостерігається, якщо внутрішні залишкові напруження  60 МПа. Найбільш чутливі до сезонного розтріскування латуні з концентрацією цинку наближеною до граничної розчинності в -твердому розчині (39%) та двофазні +-латуні. Ці латуні стійкі до сезонного розтрікування, якщо розтягувальні напруження  10 МПа [1].

Для визначення фазового складу подвійних латуней користуються діаграмою стану Cu-Zn (рис.1.11). При вмісті цинку до 39% латуні мають однофазну структуру -фази. -фаза – твердий розчин заміщення на основі міді, має ГЦК гратку. Розчинність Zn в -фазі змінна, % (мас.): 32,5 (902°С), 39 (454°С), 34…35 (при кімнатній температурі). Рівноважна концентрація 34…35% Zn при промислових обробках не досягається, тому для оцінки фазового складу використовують максимальну розчинність 39%. -фаза – твердий розчин на основі електронної сполуки CuZn з електронним співвідношенням 3/2, має гратку ОЦК. Утворюється за перитектичною реакцією при температурі 902°С. Високотемпературна -фаза достатньо пластична. Тому для двофазних латуней використовують гарячу деформацію. При температурах нижче 454…468°С -фаза переходить у впорядкований стан  із формуванням більш твердої та крихкої -фази. -фаза – твердий розчин на основі електронної сполуки Cu₅Zn₈. Утворюється за перитектичною реакцією при температурі 834°С. -фаза дуже тверда та крихка.

1 – нагрівання під обробку тиском; 2 – рекристалізаційне відпалення;

3 – відпал для зменшення залишкових напружень

Рисунок 1.11 - Діаграма стану системи Cu-Zn та температурні інтервали

термічної обробки [1]

За структурою латуні ділять на: -латуні, ( + )-латуні та -латуні, рис.1.12.

З підвищенням концентрації цинку зменшується вартість латуні, покращується обробка різанням, здатність до припрацювання та зносостійкість але зменшується тепло- та електропровідність.

Вплив цинку на механічні властивості латуні показано на рис.1.13. Зі збільшенням вмісту цинку міцність зростає та досягає максимуму в області ( + )-латуні (45…47%Zn). При подальшому підвищенні вмісту Zn (однофазна область -фази) міцність різко знижується. Максимальне значення відносне видовження досягає при 30…32%Zn, а потім різко знижується, коли в структурі присутня -фаза. Сплави із структурою -фази в холодному стані не деформуються. В промисловості переважно використовують -латуні та ( + )-латуні (до 45…47%Zn).

За технологією виробництва латуні ділять на деформівні та ливарні. За хімічним складом на подвійні (система Cu-Zn) та спеціальні (система Cu-Zn-легувальні елементи).

Для маркування латуней використовують змішане позначення буквами та цифрами: буква Л – латунь, А – алюміній, О – олово, С – свинець, Ж – залізо, К – кремній, Мц – марганець, Н – нікель, Мш – миш’як; цифри вказують на середній вміст у відсотках міді або цинку та легувальних елементів. Приклад маркування: Л90 – подвійна деформівна латунь (90%Cu; 10%Zn); ЛЖМц59-1-1 – спеціальна деформівна латунь (59%Cu; 1%Fe; 1%Mn; решта – цинк); ЛЦ30А3 – ливарна латунь (30%Zn; 3%Al; основа – мідь). При маркуванні ливарних латуней, на відміну від деформівних, вказують концентрацію цинку.

а

в б

а – лита -латунь з 30%Zn (типу Л70), 250;

б – лита  + -латунь з 40%Zn (типу Л62), 150. Світлі подовжені зерна –

-фаза, між ними темні проміжки -фази;

в – -латунь з 47%Zn після деформації та відпалу, 100

Рисунок 1.12 – Мікроструктура латуней [2]

(при друкуванні зменшено в 1,5 рази)

Рисунок 1.13 – Механічні властивості мідноцинкових сплавів

в залежності від вмісту Zn [2]

1.1.1 Подвійні деформівні латуні (система Cu-Zn) в основному мають однофазну структуру (-фаза), якщо -фаза і присутня, то в невеликій кількості. Марки подвійних латуней: Л96, Л90, Л85, Л68 та інші. Хімічний склад та механічні властивості подвійних латуней наведені в додатку 1.

Вплив основних домішок на властивості подвійних латуней [1]. Залізо має незначну розчиняється в -твердому розчині та утворює самостійну фазу _Fe – твердий розчин на основі заліза. Ця фаза феромагнітна і це змінює магнітні властивості латуні. Залізо утруднює розвиток процесу рекристалізації латуней та подрібнює зерно, що покращує механічні та технологічні властивості латуні. Кремній покращує процес пайки та зварювання латуней, підвищує стійкість латуні до корозійного розтріскування. Шкідливі домішки Ві та Pb мають такий же негативний вплив на властивості латуні як і на властивості міді. Сурма – шкідлива домішка, погіршує технологічну пластичність як при гарячій так і холодній обробці тиском. Однак мікродобавки сурми (до 0,1%) частково локалізують корозію, пов’язану із знецинкуванням. Розчинність миш’яку в -твердому розчині при кімнатній температурі не перевищує 0,1%. При більших концентраціях утворюється крихка проміжна фаза (можливо As₂Zn). Тому при підвищенні концентрації As (вище 0,5%) латуні втрачають пластичність з причини виділення крихкої фази по межах зерен -фази. Однак миш’як в малих концентраціях (0,025…0,06%) підвищує стійкість латуні до корозійного розтріскування та до знецинкування при контакті з морською водою. В промислових марках латуні вміст фосфору становить 0,005…0,01%. При незначних концентраціях фосфор розчиняється в -твердому розчині, при більших концентраціях утворює проміжну фазу, яка підвищує твердість та знижує пластичність латуней. Невеликі концентрації фосфору позитивно впливають на механічні властивості латуні – подрібнюють зерно в литих латунях, підвищують механічні властивості, .

Подвійні -латуні дуже пластичні. Добре деформуються як в гарячому так і холодному стані. В температурному інтервалі 300…600°С, як і у міді, різко знижується пластичність, тому гаряча деформація латуні проводиться при 750…900°С (див.рис.1.11). Однофазні -латуні, що містять Pb, деформуються тільки в холодному стані. Однофазні латуні випускають, в основному, у вигляді холоднокатаних напівфабрикатів: стрічок, полос, дроту, листів з котрих виготовляють деталі методом глибокого витягування (радіаторні трубки, снарядні гільзи, сильфони, трубопроводи), а також деталі, які за умовами експлуатації мають низьку твердість (шайби, втулки, ущільнюючі кільця та інше).

Подвійні ( + )-латуні деформують в гарячому стані при температурах існування -фази. Причому при температурах гарячої деформації ці латуні більш пластичні ніж -латуні. Двофазні латуні менш чутливі до концентрації домішок ніж однофазні: внаслідок фазової перекристалізації  ( + )-латуні зі Pb добре деформуються в гарячому стані; при нагріванні включення Pb знаходяться всередині зерен -фази, а не по межах зерен -фази як в -латунях, тому їх оплавлення менш безпечно. Але на механічні властивості двофазної латуні впливає температурно-швидкісні умови охолодження з температури гарячої деформації та кількість -фази на різних ділянках гарячедеформованого напівфабрикату. Неоднорідність за структурою усувається відпалом з повною фазовою перекристалізацією. Двофазні латуні випускають у вигляді гарячекатаного напівфабрикату (листи, прутки, труби, штамповки), з якого виготовляють втулки, гайки, трійники, штуцери, струмопровідні деталі електрообладнання та ін.

Подвійні латуні мають невеликий інтервал кристалізації і тому вони мало схильні до дендритної ліквації, володіють доброю рідкотекучістю, малою розсіяною пористістю та доброю герметичністю. Але внаслідок того, що подвійні латуні мають велику усадкову раковину їх не використовують для фасонних відливок.

Термічна обробка подвійних латуней. В якості остаточної або проміжної термічної обробки для підвищення пластичності проводят рекристалізаційний відпал при температурах на 250…350°С вище за температуру початку рекристалізації (450…700°С), див.рис.1.11. Для зняття залишкових напружень, які можуть привести до сезонного розтріскування, латуні відпалюють при 250…350°С (дорекристалізаційний відпал), див.рис.1.11.

Механічні властивості латуней після відпалу (м’який стан): однофазних _в = 250…350 МПа,  = 45…60 % та двофазних _в = 400…450 МПа,  = 30…45 %. Холодна пластична деформація може суттєво підвищити міцність латуней: _в = 450…700 МПа.

1.1.2 Спеціальні деформівні латуні. Основні легувальні елементи в спеціальних латунях: Al, Mn, Fe, Ni, Si, Sn, Pb, As. Вміст кожного елементу, зазвичай, не перевищує 1…3%. Хімічний склад та механічні властивості спеціальних латуней наведено в додатку 1. Спеціальні латуні називають за основним легувальним елементом: алюмінієві, кремнієві, марганцеві, нікелеві, свинцеві, олов’яні.

Мета легування спеціальних латуней: 1. Підвищення характеристик міцності. 2. Покращення корозійної стійкості. 3. Підвищення кавітаційної стійкості, антифрикційних властивостей, покращення обробки різанням та інше [1].

Легувальні елементи (Al, Sn, Si, Mn, Ni) розчиняються в - та -фазі, збільшують міцність, твердість, але знижують пластичність та в’язкість. Найбільше зміцнення латуні спостерігається при легуванні Al, Sn, а менше – Si та Mn (див.рис.1.2). При легуванні Si, Al та Fe до певних концентрацій пластичність міді зростає. Цинк та марганець мало впливають на пластичність, а олово займає проміжне положення між цими двома групами легувальних елементів. Свинець – зменшує міцність, але покращує антифрикційні властивості та обробку різанням (латунь легована свинцем називається автоматною, наприклад ЛС64-2).

Комплексне легування спеціальних латуней найбільш ефективно підвищує міцність, але при цьому, порівняно з подвійною латунню, певною мірою знижує пластичність. Виключенням є латуні леговані Mn та Fe, які при вмісті до 2…3% підвищують пластичність.

Алюміній зменшує угар цинку завдяки утворенню на поверхні розплаву тонкої захисної оксидної плівки Al₂O₃.

Нікель підвищує температуру рекристалізації латуні.

Легувальні елементи Al, Si, Mn, Ni внаслідок утворення щільної захисної оксидної плівки підвищують корозійну стійкість латуні. Крім того, Ni та Si підвищують стійкість проти корозійного розтріскування.

Олово підвищує корозійну стійкість в морському середовищі (такі латуні, в яких основний легувальний елемент олово, називають морськими, наприклад: ЛО90-1).

Залізо майже не розчиняється в -твердому розчині та утворює самостійну фазу _Fe. Ця фаза сприяє отриманню дрібнозернистої структури як в ливарних так і в деформівних латунях.

Кремній та нікель дуже суттєво впливають на структуру латуней: Si однофазну латунь може перевести в двофазну, а Ni – навпаки.

Для визначення структури спеціальних латуней користуються діаграмами стану Cu-Zn-Al, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Ni, Cu-Zn-Mn, Cu-Zn-Pb, Cu-Zn-Si (рис.1.14–1.19).

Всі легувальні елементи, окрім Ni, зменшують розчинність Zn в міді (рис.1.20). Для оцінки фазового складу спеціальних латуней використовують коефіцієнт Гійє (К). Цей коефіцієнт показує, якій концентрації цинку відповідає 1% (мас.) легувального елементу за його впливом на фазовий склад спеціальних латуней (табл.1.5).

Таблиця 1.5 – Коефіцієнти Гійє [3]

елемент	Si	Al	Sn	Pb	Fe	Mn	Ni
К	10…12	4…6	2	1	0,9	0,5	-1,4

Для розрахунку еквівалентного вмісту цинку (Х), користуються формулою:

сс100,

де А – дійсний вміст цинку в сплаві,

В – вміст міді,

с – кількість елемента, що додається в латунь,

К – коефіцієнт Гійє.

Приклад розрахунку: латунь ЛМцА57-3-1

X=(39 + 0,5  3 + 61)/(39+ 57 + 0,5  3 + 61)  100%=45%,

отже така латунь є двофазною, зі значною кількістю -фази, хоча сплав з 39% цинку в двокомпонентній системі знаходиться поблизу граничної розчинності цинку в -фазі.

1 – ЛА85-5; 2 – ЛА77-2 Рисунок 1.14 – Ізотермічний переріз при 350°С діаграми стану Cu-Zn-Al [1]	1 – ЛО90-1; 2 – ЛО70-1; 3 – ЛО62-1; 4 – ЛО60-1 Рисунок 1.15 – Ізотермічний переріз діаграми стану Cu-Zn-Sn при 500°С [1]
1 – ЛН65-5 Рисунок 1.16 – Ізотермічний переріз діаграми стану системи Cu-Zn-Ni при 20°С [1]	1 – ЛМц58-2 Рисунок 1.17 – Ізотермічний переріз діаграми стану системи Cu-Zn-Mn при 400°С [1]
1 – ЛС74-3; 2 – ЛС64-2; 3 – ЛС63-3; 4 – ЛС60-1; 5 – ЛС59-1 Рисунок 1.18 – Ізотермічний переріз діаграми стану Cu-Zn-Pb при 20°С [1]	1 – ЛК80-3 Рисунок 1.19 – Ізотермічний переріз діаграми стану системи Cu-Zn-Si при 482°С [1]

Рисунок 1.20 – Ізотерми розчинності легувальних елементів

в -латуні при 450°С [1]

Алюмінієві латуні (ЛА85-0,5; ЛА77-2; ЛАМш77-2-0,005; ЛАН59-3-2; ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5) – це багатокомпонентні сплави, в яких основний легувальний елемент – алюміній. Завдяки легуванню Al, Ni, Fe та Si сплави мають високі характеристики міцності. Найбільш розповсюдженні алюмінієві -латуні (ЛА85-0,5; ЛА77-2), які добре оброблюються тиском. З алюмінієвих латуней виготовляють: фурнітуру; знаки відзнаки; художні вироби; втулки; шестерні; пружини та манометричні трубки (ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5); конденсаторні трубки і теплообмінники та інші деталі для морського кораблебудування.

Олов’яні латуні (ЛО90-1; ЛО70-1; ЛОМш70-1-0,5; ЛО62-1) називають морською латунню. Ці сплави добре протистоять корозії в умовах морського середовища. З них виготовляють різні напівфабрикати для виробництва деталей з підвищеною корозійною стійкістю (теплообмінники, конденсаторні труби та інші деталі морського кораблебудування; деталі теплотехнічної апаратури; труби для корозійноактивних рідин; деталі, що контактують з бензином).

Свинцеві латуні (ЛС74-3; ЛС64-2; ЛС59-1; ЛС60-1) добре оброблюються різанням та мають гарні антифрикційні властивості. З них виготовляють деталі, які працюють в умовах тертя (деталі годинників; деталі автотракторної промисловості; втулки; зубчасті колеса; гайки; кільця; прокладки та інше).

Кремнієві латуні (ЛК75В; ЛК62-0,5) добре оброблюються тиском як в гарячому так і в холодному стані, мають гарні антифрикційні властивості та добре зварюються зі сталлю. З кремнієвих латуней виготовляють деталі для морського кораблебудування.

Нікелева латунь (ЛН65-5) більш стійка до знецинкування та корозійного розтріскування порівняно з іншими латунями. Ця латунь характеризується високими антикорозійними та антифрикційними властивостями, підвищеною міцністю та в’язкістю, добре оброблюється тиском як в гарячому так і в холодному стані. З неї виготовляють манометричні і конденсаторні трубки та інші деталі для морського кораблебудування.

Марганцеві латуні (ЛМц58-2; ЛМцА57-3-1) мають високу корозійну стійкість у морській воді, в середовищі хлоридів та в перегрітому парі. Ці латуні добре оброблюються тиском в гарячому стані та задовільно в холодному. Марганцеві латуні використовують в слабкоточній електропромисловості, також з них виготовляють деталі для морського кораблебудування.

Залізомарганцева латунь (ЛЖМц59-1-1) має більш високу міцність ніж марганцева латунь. Характеризується підвищеною в’язкістю, високими антифрикційними властивостями та доброю хімічною стійкістю в атмосферних умовах та у морській воді. Добре кується, штампується та прокатується в гарячому стані. З залізомарганцевої латуні виготовляють деталі тертя (кільця, втулки); вкладиши вальниць; деталі морських кораблів та літаків.

Термічна обробка спеціальних латуней. Спеціальні латуні, як і подвійні, піддають рекристалізаційному відпалу та відпалу для зняття напружень. Проте деякі комплексно легуванні спеціальні латуні, такі як ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5, зміцнюються термічною обробкою: гартування (850°С) та старіння (500°С). В загартованому стані ця латунь має структуру пересиченого -твердого розчину. При старінні відбувається виділення метастабільних частинок (до складу котрих входять Ni, Al, Si та Mn) когерентно пов’язаних з матрицею. В загартованому стані сплав має високу пластичність (_в = 540 МПа; _0,2 = 220 МПа;  = 48%;  = 60%), а після старіння високу міцність (_в = 700 МПа; _0,2 = 470 МПа;  = 25%;  = 40%).

1.1.3 Ливарні латуні. Мають вузький інтервал кристалізації (50…60°С). Це обумовлює низьку схильність до дендритної ліквації, добру рідкотекучість, отримання щільних відливок з невеликою пористістю, схильність до утворення стовбчастої структури і транскристалізації. Найкращу рідкотекучість серед ливарних латуней має латунь ЛЦ16К4. Її використовують для виготовлення тонкостінних відливок складної конфігурації.

Ливарні латуні – це багатокомпонентні сплави. Хімічний склад та механічні властивості ливарних латуней наведено в додатку 1. Комплексне легування дозволяє підвищити не тільки механічні властивості та корозійну стійкість, а і спеціальні ливарні властивості. Кремній покращує механічні та ливарні властивості; Al підвищує міцність, корозійну стійкість та рідкотекучість; Mn – міцність, корозійну стійкість але погіршує рідкотекучість, Pb покращує обробку різанням та антифрикційні властивості.

Характерною особливістю ливарних латуней порівняно із деформівними є більш високий вміст цинку і легувальних елементів та допускається більший вміст домішок.

Недоліки ливарних латуней: утворення великих усадкових раковин; великі втрати Zn при плавці внаслідок його летючості (використовують захисні покриття); гірша корозійна стійкість в порівнянні з деформівними латунями (дуже схильні до знецинкування та сезонного розтріскування).

Ливарні латуні мають добрі механічні, технологічні та корозійні властивості, а деякі латуні – добрі антифрикційні властивості. Відливки з ливарних латуней отримують литвом в земляні форми, в кокіль, відцентровим литвом (деталі, які мають вісь обертання) та литвом під тиском (наприклад латунь ЛЦ40Сд, з якої виготовляють втулки, трійники, перехідники, сепаратори вальниць). Багатокомпонентні латуні (наприклад, типу ЛЦ23А6Ж3Мц2) мають високу зносостійкість і їх використовують для виготовлення вальниць, втулок, вкладишей та інших деталей, які працюють в умовах високих питомих навантажень та відносно високих швидкостях обертання.