Плавление латуни в различных условиях

В чем особенность процесса? Плавление латуни осуществляется в соответствии с определенными принципами из-за ее химического состава. Если говорить совсем просто, то время перехода отдельных элементов сплава в жидкое состояние неодинаково.

На что еще обратить внимание? Технология проводимых работ также будет зависеть от категории металла. Для плавки двухкомпонентных сплавов используется одна методика, для сложных не кремнистых – другая, для сложных кремнистых – третья.

Физические свойства латуни

Латунь – это сплав меди и цинка. Современные составы зачастую допускают присадки и других металлов. Медь в данном сплаве превалирует, а вот количество цинка может варьироваться в диапазоне 5–45 %.

Латунь обладает высокими декоративными свойствами. Она обладает антикоррозионными свойствами и на солнце сверкает так, что ее запросто можно перепутать с золотом. Этим свойством данного сплава пользовались еще в античные времена. Ученые считают, что первыми научились выплавлять латунные детали моссинойки – племена людей бронзового века, которые несколько тысяч лет назад населяли земли Причерноморья.

В Древнем Риме свойства латуни не оценили, но совсем не из-за сходства с золотом, благодаря которому фальшивомонетчики могли получить уникальный материал. Просто на Апеннинском полуострове практически нет месторождений цинка. Не разглядели в сплаве ничего полезного в Европе и во времена Средневековья: кузнецы больше отдавали предпочтение совершенствованию качеств выплавляемых типов стали (чтобы создавать из нее более прочные доспехи и оружие), а ювелиры – драгоценным металлам (наиболее распространенному серебру и, конечно же, редкому золоту). В те времена латунь эпизодически использовалась в Индии и Китае.

Признание латуни (ее ценнейших свойств) произошло лишь в XVIII веке. Промышленная революция к тому времени уже вовсю шагала по Европе. Цинк добывался в разных ее уголках, и предпринимательская инициатива в металлургии была направлена на изобретение все новых и новых сплавов, которые бы обладали требуемыми свойствами, к примеру, возможностью замены драгоценных металлов. В 1781 году Джеймс Эмерсон (из Бристоля) получил патент на изобретение сплава меди с цинком – отсюда и начинается «летопись» латунной металлургии.

В наше время из латуни изготавливают:

• музыкальные инструменты;
• сантехнические изделия;
• электронику и кабели всевозможного назначения;
• декоративные элементы.

Разберем физические свойства латуни:

• Плотность – 8 500–8 700 кг/м3 (латунь – это очень тяжелый металл, почти в 1,5 раза тяжелее железа).
• Температура плавления/кристаллизации латуни – 880 градусов Цельсия (данный показатель зависит от объемной доли цинка – чем больше его содержание, тем ниже температура).
• Удельная теплоемкость при +20 °C – 0,377 кДж·кг−1·K−1.
• Коэффициент теплопроводности – 97–111 Вт/(м·К).
• Удельное электрическое сопротивление – (0,07-0,08)⋅10−6 Ом·м (по данному показателю латунь стоит сразу после меди).
• Латунь, конечно, не является диамагнетиком, но и к магнитному взаимодействию она индифферентна (данный сплав – это не ферромагнетик).

Цветовые характеристики латуни, опять же, зависят от количества содержащегося в сплаве цинка:

• золотисто-красноватый оттенок появляется, если доля цинка не превышает 20 %;
• светло-желтый оттенок образуется при доле цинка в 20–36 %;
• латунь будет отливать зеленоватым цветом, если цинка в сплаве много – 36–45 %.

В зависимости от того, какое количество компонентов присутствует в сплаве, латунь условно подразделяют на:

• двойную (в сплаве присутствует только медь и цинк);
• многокомпонентную (когда в соединение добавляют другие металлы, что накладывает ряд ограничений на процедуру выплавления конечного продукта).

Особенности плавления латуни

При нагревании многокомпонентного состава потенциальная энергия отдельных атомов возрастает. Но при этом сохраняется прочность кристаллической решетки. Когда температура превышает критическую, потенциальная энергия атомов становится настолько высока, что кристаллическая решетка начинает распадаться.

Однако у разных металлов критическая температура различается, поэтому распад решетки у латуни осуществляется неравномерно и плавящийся металл будет, по сути, представлять собой амальгаму жидких и твердых элементов. Уровень температуры, когда в жидкую фазу начинают переходить атомы наиболее легкоплавких металлов в сплаве, называют точкой солидуса.

Если в процессе плавления уменьшить подачу тепловой энергии, атомы более тугоплавких металлов снова станут формировать кристаллическую решетку и сплав начнет частично «загустевать». У латуни точка солидуса составляет +880 °C (цинк здесь является наиболее легкоплавким материалом, поэтому именно эта температура считается точкой плавления всего соединения).

Таким образом, из-за особых физических свойств латунь не имеет единой температуры плавления. При плавке ее нагревают в несколько стадий, чтобы поэтапно плавились различные компоненты. Кристаллизация осуществляется по той же самой схеме (только в обратном порядке).

Плавка латуни на металлургических заводах

Латунный сплав в настоящее время формируют на металлургических комбинатах. Только там созданы все необходимые технологические условия для осуществления корректного смешения таких разных химических элементов, как медь и цинк. При заводском выплавлении готовая латунь обладает теми физическими свойствами, которые указаны выше (прочностные и электропроводные свойства, текучесть и пр.).

Двухкомпонентный латунный сплав

Алгоритм плавки латуни зависит от того, много- или же двухкомпонентным является сплав. Последний обычно производится в индукционной печи с кварцевым покрытием стен (это защищает печь от перегрева, а значит, от растрескивания и разрушения).

Двойной латунный сплав становится жидким полностью уже при +910…+950 °С. Для электродуговых печей здесь просто нет достойной работы – данная температура не так и высока. Вообще, данные мощные печи здесь не востребованы. Кроме того, расплав предохраняют, используя защитный слой из пережженного древесного угля (вместо него могут применять и флюс из стекла и полевого шпата в равных пропорциях). Во время плавки в состав соединения вводится до 0,1 % массовой доли криолита – он поможет избавиться от возникновения дефектов, свойственных металлам при выплавке.

Изготовление двухкомпонентной латуни подразумевает первоначальное расплавление меди, а затем цинка (при этом медь плавится при +1 100 °C). Раскисление латуни производить не нужно – с этой задачей прекрасно справляется цинк.

Сложные не кремнистые типы латуни

Производство таких сплавов осуществляется по аналогичному алгоритму. Цинк используется в минимальных дозах, а потому встает проблема дополнительного раскисления меди для сохранения ценных физических свойств соединения. Обычно в таких случаях используют фосфор. Сложные типы латуни при плавлении образуют мусорные фракции, для избавления от которых выполняется рафинирование получаемого сплава марганцем.

Сложные кремнистые типы латуни

Процесс их кристаллизации весьма затруднен, так как в составе сплава присутствуют кремний и различные алюминиевые присадки. В итоге соединение склонно поглощать водород, который образуется в воздухе при высокой (более +1 000 °C) температуре.

Если нагреть расплав еще больше (до +1 100 °C), то начнет выделяться растворенный в металле углерод. Это крайне нежелательный процесс, так как после застывания на поверхности материала будут видны так называемые «волдыри». Поэтому для того, чтобы данного процесса можно было избежать, переплавку производят в кислой среде: воздух перенасыщают кислотным флюсом (например, на основе карбоната натрия, оксида кремния и фторида кальция). Однако после достижения расплавом температуры +1 100 °C газовый окислитель становится намного менее эффективным.

После того как в защитной среде расплавятся все компоненты сплава, обязательно выполняется его проверка по таким главным показателям, как:

• прочностные характеристики при работе на излом;
• насыщенность;
• присутствие компонентов-загрязнителей.

Плавка латуни в домашних условиях

При сравнении с другими металлами латунь имеет относительно невысокую температуру плавления. Как следствие, изготовить и обработать данный сплав можно даже в домашних условиях.

Однако здесь возможны серьезные затруднения. К примеру, если расплавить латунную деталь, то, оказавшись в сепарированном состоянии, атомы меди и цинка начнут активно взаимодействовать с кислородом воздуха. При этом образуются не только оксиды, но и более сложные неорганические вещества, в состав которых входят азот и углерод. Эти «присадки» негативно влияют на физические свойства сплава, значительно повышая его хрупкость, что может сделать данный материал фактически бесполезным.

В заводских условиях для недопущения горения компонентов сплава при нагреве используется кислотный флюс, поэтому настоятельно рекомендуется не проводить столь энергозатратных плавок дома – в конце концов, это угроза с точки зрения правил пожарной безопасности.

Впрочем, у опытных мастеров такие плавки в домашних условиях оказываются вполне удачными. Из получаемого металла выходят заготовки с требуемыми характеристиками. Однако на объектах повышенной ответственности латунные детали, изготовленные кустарным способом (полностью или частично), использовать, разумеется, недопустимо. Это могут быть:

• автомобильные детали;
• элементы электрооборудования;
• арматура высотных зданий и сооружений.

Необходимые инструменты для плавления латуни в домашних условиях

Прежде всего, нужна соответствующая печь. Ее собирают из огнеупорного кирпича при помощи столь же термостойкого раствора. Нагрев производят индукционным способом. Главными элементами в данном случае являются керамические трубки с намотанной на них нихромовой проволокой. Такие катушки могут достигать температуры до +1 100 °C, при этом они не потеряют электропроводящей способности. Следует обеспечить такую печь энергией в объеме около 30 кВт.

Альтернативный способ расплавления латуни – с помощью газовой горелки. Ее нужно разместить под тиглем так, чтобы пламя было вертикальным и словно обнимало емкость с расплавом. Также подойдет и бензиновая паяльная лампа. Тигель (емкость, в которой будет плавиться латунь) можно самостоятельно изготовить из шамотной глины, но лучше купить уже готовый.

На тигель приходится основная термическая нагрузка, поэтому для того, чтобы придать ему еще больше стойкости и прочности, его обычно обмазывают силикатом калия или же «жидким стеклом» с добавкой талька. Графитовые тигли сильно уступают глиняным по продолжительности эксплуатации, так что их лучше не использовать для создания латунного сплава. Тигли перемещаются с помощью щипцов. У них должны быть длинные ручки и закругленные губки.

Описание процесса плавления

Сплав латуни в виде мелких кусков помещается в тигель. Чем меньше фракция дробленого металла, тем быстрее происходит процесс переплавки. С помощью щипцов тигель переправляется в печь, а вот вынимать емкость можно лишь после того, как весь без исключения металл перейдет в жидкую фазу. На поверхности жидкого сплава может образоваться оксидная пленка (вроде молочной пенки) – ее следует убрать заблаговременно подготовленной проволокой.

Для отлива новых изделий следует использовать формы из материала, более тугоплавкого, чем сама жидкая латунь. Впрочем, часто используются одноразовые деревянные формы. После того как тигель извлечен из печи, производится снятие пленки, затем заливка, а далее нужно только дождаться полного остывания.

Техника безопасности при работе

Работать с расплавлением любых металлов в домашних условиях весьма небезопасно. Обязательно нужно позаботиться о том, чтобы вашему не навредить здоровью.

Прислушайтесь к нескольким советам:

1. Работу следует выполнять только в защитных термических перчатках. Кроме того, на необходимо надеть одежду, которая плохо поддается горению (необязательно из асбестовой ткани – достаточно обычного хлопкового полотна). А вот синтетика крайне не рекомендуется – она быстро вспыхивает, а главное, пламя очень трудно погасить.
2. Глаза и лицо должны быть защищены с помощью специальных очков и маски. От любой, даже микроскопической капли металла может получить серьезные ожоги. Кроме того, следует предохранять глаза от сияния расплавленного сплава.
3. Любое вещество, переходящее из твердого состояния в жидкое, начинает испаряться. И латунь – не исключение. Причем испаряется не только металл, но и более «летучие» вредные примеси, содержащиеся в нем. Поэтому во время работы нужно обязательно предохранять дыхательные пути, а помещение, где происходит плавление, должно иметь качественную вентиляцию.
4. Поверхность, на которой располагается печь, должна быть застелена асбестовым листом.

Четко выполняя требования техники безопасности, можно обезопасить себя от получения тяжелых травм и не причинить вреда окружающим.

Итак, латунь представляет собой двух- или же многокомпонентный сплав меди с цинком. В качестве легирующих добавок используются кремний, хром, алюминий, и др. Уровень температуры плавления сплава составляет +880…+950 °C в зависимости от доли содержания цинка, при этом некоторые разновидности металла переходят в жидкую фазу при +1 000 °C.

Выплавлять латунь (с прицелом на высокое качество получаемого продукта) следует в заводских условиях, где присутствует полный комплекс необходимого оборудования. Но при неукоснительном соблюдении правил безопасности, а также при наличии опыта, сноровки и специального оборудования получать качественный латунный расплав можно и в домашних условиях.