Характеристики латуни: как выбрать латунный крепеж?

Латунь — это сплав цветных металлов, широко применяемые в различных отраслях промышленного производства

Рассмотрим состав, свойства и области применения латуни. Латунь представляет собой сплав меди и цинка, содержание которого варьируется в пределах от 5 до 45%. Соотношение этих двух компонентов определяет физико-механические характеристики и вид сплава.

Если в составе присутствуют только медь и цинк, а количество других элементов незначительно (следовые примеси), такой сплав относят к двухкомпонентным латуням.

При наличии дополнительных легирующих добавок — таких как железо, мышьяк, свинец, никель, марганец, олово, алюминий или кремний — в концентрациях до нескольких процентов, сплав классифицируется как многокомпонентная латунь. Эти элементы вводятся целенаправленно для улучшения технологичности, коррозионной стойкости, прочностных и антифрикционных свойств.

Химические свойства латуни и влияние легирующих элементов

Обозначение латуней в системе ГОСТ начинается с заглавной буквы Л, указывающей на медно-цинковую природу сплава. Для двухкомпонентных латуней далее следует числовое значение, соответствующее процентному содержанию меди; остальная доля приходится на цинк. Пример — Л63 (медь — 63%, цинк — ~37%).

Многокомпонентные латуни обозначаются с добавлением буквенных индексов, указывающих на легирующие элементы (например, С — свинец, Ж — железо, О — олово). После цифры через тире указывается массовая доля каждого из них. Например, ЛС59-1 содержит 59% меди и 1% свинца; оставшаяся часть — цинк.

• Цинк повышает прочность и пластичность латуни. Максимальная пластичность достигается при содержании цинка около 30%. При концентрации более 39% пластичность снижается, а прочность увеличивается.
• Мышьяк вводится для предотвращения децинкификации — электрохимического разрушения цинка в составе сплава при контакте с агрессивной средой (пресная вода при комнатной и повышенной температуре).
• Свинец усиливает антифрикционные качества латуни и способствует лучшей обрабатываемости заготовок резанием. Этот элемент играет роль смазки и снижает износ режущих инструментов. Стружка становиться хрупкой, ломкой и не налипает на фрезы или резцы. Поверхность деталей получается гладкой, с требуемыми параметрами шероховатости.
• Железо уменьшает размер зерна, повышает твёрдость и увеличивает температуру рекристаллизации.
• Олово, алюминий и никель придают сплаву дополнительную коррозионную стойкость в морской воде и на воздухе, одновременно увеличивая механическую прочность.

Латунь, как сплав меди и цинка, при воздействии электролитов образует гальваническую пару, где более активный металл — цинк — подвергается разрушению. Этот процесс, называемый децинкификацией, приводит к локальной коррозии с потемнением поверхности и образованием белых окислов.

❗По этой причине не допускается использование латунного крепежа в сочетании с деталями из стали, бронзы или алюминиевых сплавов. Разрешено только соединение латунь–латунь либо латунь–инертный пластик (например, полиамид).

Для предотвращения коррозии при хранении изделия из латуни должны содержаться в сухих помещениях с положительной температурой без резких колебаний. Недопустимы повышенная влажность и наличие конденсата.

Плотность латуни, как одного из цветных сплавов на основе меди, незначительно отличается от плотности самой меди и зависит от процентного содержания легирующих элементов. При превышении допустимой концентрации кремния наблюдается снижение как плотности, так и прочности сплава.

Увеличение временного сопротивления на разрыв достигается введением в состав марганца, олова и алюминия. Для повышения коэффициента удлинения целесообразно легирование железом, способствующим улучшению пластических свойств.

Благодаря высокому содержанию меди и присутствию цинка латунь обладает хорошими электротехническими характеристиками, что позволяет использовать её при изготовлении электродов для электроэрозионной обработки.

Температура плавления латуни варьируется в пределах:
– 855–965 °C — для свинцовых латуней;
– 885–1070 °C — для двухкомпонентных медно-цинковых сплавов.

При увеличении доли цинка температура плавления снижается.

Латуни, предназначенные для обработки давлением (прокатка, гибка, прессование, ковка, чеканка), подразделяются на однофазные и двухфазные. К однофазным (α-фаза) относятся сплавы с содержанием цинка до 30% (например, Л63); они хорошо деформируются в холодном и тёплом состоянии. Двухфазные латуни (α+β-фаза), содержащие от 40 до 45% цинка (например, ЛС59-1), поддаются обработке преимущественно в горячем виде, так как при низких температурах проявляют повышенную хрупкость.

Для снятия внутренних напряжений, повышения твёрдости и прочности после операций штамповки, волочения и аналогичных видов пластической деформации, изделия из латуни подвергаются термической обработке — нагартовке — при температуре 240–260 °C.

По внешнему виду латунь может напоминать бронзу, однако различия между этими сплавами принципиальны. Бронза, в отличие от латуни, может проявлять слабую магнитную активность в зависимости от содержания железа, тогда как латунь практически не притягивается к магниту.

Плотность латуни, как правило, выше, чем у большинства бронз, поэтому при одинаковых габаритах латунная заготовка будет тяжелее. При нагреве до 600–650 °C на поверхности латуни появляется характерный пепельный налёт — результат окисления цинка, входящего в состав сплава. Для бронзы такая окалина не характерна.

Латунь обладает большей пластичностью, однако уступает бронзе по износостойкости и прочности. При эксплуатации в условиях морской воды бронза демонстрирует более высокую коррозионную стойкость. Сопоставимую устойчивость в этих условиях показывает только оловянная латунь марки ЛО.

На изломе латунь имеет светлый цвет и мелкозернистую структуру, тогда как бронза характеризуется более тёмным оттенком с крупнозернистым строением.

К основным преимуществам латунных деталей относятся следующие свойства:

• Коррозионная стойкость. Латунь устойчива к окислительным процессам в атмосферных условиях, морской воде, а также в большинстве органических и углекислых сред. По сопротивляемости коррозии в ряде случаев превосходит нержавеющую сталь, особенно в средах без активных хлоридов.
• Хорошая обрабатываемость давлением. Однофазные латуни без содержания свинца легко поддаются ковке, вытяжке, штамповке и другим видам пластической деформации — как в холодном, так и в нагретом состоянии.
• Стабильность свойств при пониженных температурах. Благодаря относительно низкой теплопроводности латунь сохраняет механические характеристики в условиях охлаждения.
• Отсутствие остаточной намагниченности. После воздействия электрического тока или электромагнитного поля латунные изделия не сохраняют намагниченность, что делает их пригодными для использования в электронных и измерительных приборах, чувствительных к электромагнитным помехам (например, марка Л63А).

Латуни устойчивы в следующих средах (при нормальных температурах):

• атмосферный воздух, включая морской;
• сухой водяной пар при низкой скорости потока (однако наличие кислорода, углекислоты или аммиака ускоряет коррозионные процессы);
• пресная вода, при условии отсутствия агрессивных примесей (аммиак, сероводород, хлориды и кислоты существенно снижают стойкость);
• морская вода при малой скорости движения;
• сухие галогенсодержащие газы;
• технические жидкости, включая антифризы, спирты и фреоны.

Относительно устойчивы:

• щелочи без перемешивания

Латуни демонстрируют низкую коррозионную стойкость в следующих средах:

• влажный насыщенный пар при высоких скоростях потока;
• рудничные и шахтные воды, содержащие агрессивные компоненты;
• окислительные растворы и среды с высоким содержанием хлоридов;
• минеральные кислоты (соляная, серная, азотная и др.);
• сероводородосодержащие среды;
• жирные кислоты, особенно при повышенных температурах.

Изделия из латуни применяются в различных отраслях промышленности. Основными направлениями являются: химическая, авиационная и судостроительная промышленность, холодильное машиностроение, электротехника и энергетика — в частности, для изготовления контактных групп, токопроводящих шин, элементов силовых трансформаторов.

Латунь широко используется в производстве высокоточных электронных приборов, сенсоров и измерительных устройств, где требуются стабильные физико-механические и электрические характеристики.

В бытовом и строительном секторе латунь применяют для санитарно-технической арматуры, декоративной отделки интерьеров, мебельной фурнитуры, изготовления музыкальных инструментов, а также в производстве рекламных и информационных табличек, сувенирной продукции и элементов деревянных конструкций.

К основным маркам латуни, получившим широкое применение в промышленности, относятся:

— двухкомпонентные сплавы (например, Л63, Л68, Л70), содержащие только медь и цинк в различных соотношениях;
— многокомпонентные латуни, легированные дополнительными элементами для улучшения эксплуатационных свойств:

• алюминиевые (ЛА77-2, ЛА85-0.5);
• кремнистые (ЛК80-3);
• марганцевые (ЛМц58-2);
• оловянные (ЛОК59-1-0.3, ЛО60-1);
• никелевые (ЛН65-5);
• свинцовые (ЛС59-1, ЛС63-3).

К латуням, применяемым для производства крепёжных изделий, относится марка ЛС59-1 — многокомпонентный сплав с содержанием меди до 60%, цинка около 42,2%, свинца до 1,9% и примесей не более 0,75%. Температура плавления составляет 885–895 °С.

ЛС59-1 хорошо поддаётся обработке давлением, однако основное применение находит в производстве деталей, изготавливаемых резанием. Наличие свинца улучшает обрабатываемость сплава: облегчает сверление, фрезерование и токарную обработку, способствует формированию короткой, хрупкой стружки и снижает износ режущего инструмента.

В сортамент изделий из латуни ЛС59-1 входят прутки различного сечения, проволока, профильный прокат, а также полоса, плита, лист и круглая труба. Заготовки поставляются в мягком, полутвёрдом или твёрдом состоянии.

Сплав обладает высокой износостойкостью, поэтому применяется для изготовления направляющих, втулок подшипников скольжения и других деталей, работающих в условиях трения. В то же время, повышенная хрупкость ограничивает его применение в ударонагруженных и несущих элементах конструкции.

Для декоративной фурнитуры, заклёпок и крепёжных изделий, подвергаемых пластической деформации, используют двухкомпонентную латунь Л63 (содержание меди — 65%, цинка — около 35%), с температурой плавления до 910 °С. Сплав характеризуется хорошей пластичностью и пригоден для холодной штамповки и других видов обработки давлением.

Из латуни марки Л63 изготавливают листовой прокат, проволоку, трубы круглого сечения и прутки различных профилей. Благодаря однофазной (α-фаза) структуре кристаллической решётки, сплав обладает высокой пластичностью и хорошо поддаётся деформации всеми основными методами — волочением, вытяжкой, штамповкой и пр.

Для обеспечения стабильной коррозионной стойкости детали, полученные из Л63 методом резания, предварительно подвергаются отжигу. Изделия из этого сплава устойчивы к воздействию жидких и газообразных хладонов, галогенсодержащих соединений, водных растворов антифризов, спиртов, а также сухого водяного пара.

Латунный крепеж

К крепежным изделиям из латуни относятся болты, винты, гайки, шайбы, шпильки, саморезы, анкеры, заклёпки, разводные шплинты и финишные гвозди. Такие элементы применяются в соединениях, где требуется коррозионная стойкость, декоративный внешний вид и отсутствие остаточной намагниченности.

Латунные болты DIN 933 применяют для:

• сборка мебели и лёгких металлических конструкций;
• монтажные и дорожные работы (исполнения с полукруглой головкой и квадратным подголовком);
• производство станков, приборов и строительных систем (откидной с круглой проушиной);
• авиационная и атомная промышленность (полная резьба + шестигранная головка);
• машиностроение и сборка электронных устройств (в комплекте с шестигранной гайкой);
• точная механика и приборостроение (прецизионные соединения для посадки в отверстия после развертки).

Винты из латуни изготавливаются в различных исполнениях: установочные, декоративные, нажимные, мебельные с пресс-шайбой. Варианты головок включают: квадратную, полукруглую, потайную, полупотайную, плоскую, цилиндрическую (в том числе с накаткой) и полусферическую. Конструктивные исполнения шлица — прямой, крестовый или внутренний шестигранник.

Ассортимент латунных гаек DIN 439 включает следующие типы:
– шестигранные стандартной и уменьшенной высоты;
– круглые с накаткой (с отверстием под штифт и без);
– колпачковые высокие (для защиты резьбы от коррозии и механических повреждений);
– барашковые (с лепестками для ручной сборки);
– самоконтрящиеся (с нейлоновым кольцом, предотвращающим самопроизвольное отворачивание при вибрации).

Гайки применяются в сочетании с болтами, винтами, шпильками и другими резьбовыми элементами для формирования надёжных разборных соединений.

Круглые латунные шайбы DIN 125 предохраняют поверхности сопрягаемых деталей от повреждения при затяжке и увеличивают площадь контакта резьбовых элементов. Есть изделия плоской формы следующих исполнений – класса точности А (с фаской), с уменьшенным/увеличенным внешним диаметром.

Для крепления крышек, перил, поручней, подвесных потолков, полок, карнизов и лотков, кабельных каналов, инженерных коммуникаций, ящиков управления, бойлеров, мебельных панелей, ручек, кронштейнов применяют латунные забивные анкеры с разрезной цангой - ALC Цанга. Эту деталь вставляют в предварительно выполненное отверстие и разжимают там, вкручивая винт, шпильку либо болт.

При сборке деревянных конструкций или мебели, отделочных работах удобно использовать латунные саморезы. Они бывают с разной длиной нарезки, форма шляпки – полукруглая, потайная и полупотайная. Есть исполнение с прижимной шайбой. Шлиц – прямой или крестовый.

Чтобы смонтировать воздуховоды, системы пожаротушения, газо- и водопроводы на потолках или стенах, стянуть между собой различные конструкции и детали, необходимы прочные латунные шпильки DIN 975. У всех этих изделий – полная резьба, полный выбор диаметра и длины.

Латунь отличается неплохими антифрикционными качествами и хорошо противостоит силе трения. Поэтому латунные изделия применяют для изготовления узлов вращения, эксплуатируемых на высоких оборотах и небольших осевых/радиальных нагрузках. Такой деталью является шплинт, ограничивающий скольжение или вращение втулок, гаек и муфт.