Латунный сплав

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к сплавам на основе меди с цинком и свинцом, и может быть использовано для изготовления прутков, предназначенных для изготовления деталей, являющихся составными частями трубопроводной арматуры. Латунный сплав содержит, мас.% Cu 61-62, Pb 1,5-3, Fe≤0,4, Sn≤0,5, Al 0,1-0,2, Ni 0,2-0.5, Si≤0,07, Sb≤0,02, Bi≤0,003, P≤0,02, Zn - остальное, сумма примесей 0,2, при этом сплав имеет структуру с соотношением долей α-фазы к β-фазе от 60/40 до 70/30. Технический результат заключается в повышении стойкости к коррозии, в частности к обесцинкованию, и повышении пластичности сплава. 2 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к сплавам на основе меди с цинком и свинцом, и может быть использовано для изготовления прутков предназначенных для изготовления деталей, являющихся составными частями трубопроводной арматуры.

Латунь является материалом, имеющим множество возможностей и областей применения. Основными компонентами являются медь (Cu) и цинк (Zn). Путем добавления различных легирующих материалов, таких как, свинец (Pb), олово (Sn), железо (Fe), алюминий (Al), никель (Ni), марганец (Mn), кремний (Si) и/или мышьяк (As), латуни можно придавать уникальные свойства. Существует множество разных видов латуней для различных типов обработки и различных конечных продуктов. Латунь может также включать сурьму (Sb), фосфор (Р), бор (В) и/или серу (S).

Латунь можно получить в форме заготовок (прутков) различного по конфигурации и сложности профильного сечения (квадрат, круг, прямоугольник, шестигранник, восьмигранник и др.) для дальнейшей обработки и получения деталей трубопроводной арматуры, крепежных изделий (винты, шайбы, гайки и др.), электротехнические изделия, декоративные изделия и др.

Латунные заготовки рентабельно производить, потому что почти 80 процентов сырья находится в форме латунного лома, частично в виде возвратных отходов обрабатывающей промышленности и частично вовлекается с предприятий по переработке отходов.

Из уровня техники известен латунный сплав ЛС59-1 по ГОСТ 15527-2004, содержащий, мас.%: медь 57-60, свинец 0,8-1,9, железо ≤ 0,5, олово ≤ 0,3, сурьма ≤ 0,01, висмут ≤ 0,003, фосфор ≤ 0,02, цинк - остальное, прочие менее 0,75.

Вследствие широких диапазонов основных химических элементов сплав может иметь различные прочностные свойства и коррозионную стойкость.

Из уровня техники известен сплав латуни для изготовления прутков (патент RU 2768921, МПК C22C 9/04, опубл. 25.03.2022), содержащий, мас. %: медь 56 - 58, свинец 1,5 - 2,41, железо 0,01 - 0,45, никель 0,04 - 0,43, олово 0,03 - 0,42, кремний 0,02 - 0,26, алюминий 0,022 - 0,41, марганец 0,02 - 0,40, сурьма 0,003 - 0,03, висмут ≤ 0,003, неизбежные примеси ≤ 1,5, цинк - остальное. Латунь по указанному патенту сожержит 56-58 мас.% меди, при этом наличие α-фазы или полностью исключается, или возможно в малых количествах (менее 10%) и то в случае минимального содержания примесей. Данная латунь непригодна для работы в напряженных состояниях, особенно в агрессивных средах, эта латунь не пригодна для изготовления трубопроводной арматуры. Она подходит только для изделий декоративного характера или изделий, работающих без внешних нагрузок в сухой, неагрессивной среде.

Также, из уровня техники известен сплав латуни (CN104451248, дата публикации 25.03.2015, прототип), который содержит, мас.%: медь 57 - 62, цинк 35 - 39, свинец 1 - 3, алюминий 0,1 - 0,3, железо 0,1 - 0,5, никель 0,3 - 0,6, олово 0,5 - 0,8, марганец 0,03 - 0,05, кремний 0,02 - 0,05, сурьма ≤0,005, фосфор ≤0,01, висмут ≤0,002.

Сплав латуни с количеством меди 57% и тем количеством примесей, что показаны в патенте CN104451248, по структуре в основном состоит из β-фазы, которая является хрупкой и некоррозионностойкой, а также имеет недостаточно высокую механообрабатываемость (при содержание свинца менее 1,5%).

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение латунного сплава с повышенной структурной стабильностью, высоким уровнем физико-механических, технологических и служебных свойств, что обеспечит повышение ресурса работы трубопроводной арматуры.

Технический результат заключается в повышении стойкости к обесцинкиванию (коррозии) и повышении пластичности сплава при сохранении хороших пластических свойств при горячем деформировании, горячей штамповке и обрабатываемости резанием.

Заявляется латунный сплав, содержащий медь, цинк, свинец, алюминий, железо, никель, олово, марганец, кремний, сурьму, фосфор, висмут, при следующем соотношении компонентов, мас.% Cu 61-62, Pb 1,5-3, Fe≤0,4, Sn≤0,5, Al 0,1-0,2, Ni 0,2-0.5, Si≤0,07, Sb ≤0,02, Bi≤0,003, P≤0,02, Zn остальное, сумма прочих примесей 0,2%, при этом соотношение между долей α-фазы к β-фазе составляет от 60/40 до 70/30.

Поставленная в заявке задача решается уточнением процентного содержания и введением в состав заявляемой композиции оптимального количества железа, олова, алюминия и никеля. Важность состоит именно в точном соотношении легирующих элементов. Как следствие это позволит получить латунь с гарантированными стабильными прочностными характеристиками и стойкостью к коррозии.

Особенным преимуществом состава сплава латуни является такое соотношение между α-фазой и β-фазами от 60/40 до 70/30%, что обеспечивает получение пластичного сплава с относительным удлинением 20-30% и пределом прочности 390-400 МПА, а это достигается при содержании меди 61-62 %.

Наличие в составе латуни заявленного количества железа Fe≤0,4% и олова Sn≤0,5% способствует получению более мелкозернистой структуры сплава, что оказывает влияние на повышение коррозионной стойкости.

Диапазон по содержанию свинца в пределах 1,5 - 3% в заявляемом сплаве направлен на улучшение механообрабатывающих свойств, обеспечивает латунному сплаву хорошую обрабатываемость на металлорежущих станках, а также снижает коэффициент трения при механическом контакте подвижных деталей. Количество свинца менее 1,5% значительно ухудшает обрабатываемость резанием. Стружка становится менее ломкой и может наматываться на режущий инструмент. При наличии свинца более 2% могут возникнуть проблемы с горячей обработкой давлением, вследствие малой температуры плавления свинца. Для горячей штамповки желательно выбирать содержание Pb<2%, для автоматной обработки, без горячей штамповки до 3% (при автоматной обработке стружка будет более рассыпчатая при содержании Pb более 2%).

Более узкий диапазон алюминия в пределах 0,1-0,2% необходим для удовлетворительной горячей обрабатываемости. Количество алюминия 0,2-0,3% создает проблемы с горячей штамповкой из-за сужения температурного диапазона горячего деформирования в сторону пониженных температур.

Последующие примеры дополнительно описывают и демонстрируют применение сплава в рамках объема настоящего изобретения.

Изобретение объясняется ниже на основе специальных показательных вариантов реализации изобретения со ссылками на фигуры, на которых изображено следующее: на фиг. 1 изображена световая микрофотография поверхности испытуемого образца из сплава номер 1, фиг. 2 изображена световая микрофотография поверхности испытуемого образца из сплава номер 2, фиг. 3 изображена световая микрофотография поверхности испытуемого образца из сплава номер 3.

Прутки из заявляемого латунного сплава изготавливают плавкой в индукционных канальных плавильных печах, полунепрерывным и непрерывным литьем, прессованием, волочением.

Отливку заявляемого сплава производят на индукционной канальной печи GYT. Сырьем для получения отливок является лома латуни, меди, свинца, цинка, ЦАМа (ЦАМ - сплав Zn, Al, Cu, Al - 4%, Cu - 1%, Zn - остальное). Все латунные лома делятся по группам по проценту содержания Cu, легирующих элементов. Например, группа 1 - латуни Л63-68, группа 2 - ЛС 59-1, CW 617 и ее аналоги, группа 3 все латуни содержащие более 70% Cu. Формируется шихтовая карта, в которой описаны пропорции различных групп и рекомендации, что делать, если тот или иной элемент вышел за пределы пределов обозначенных в тех. процессе. В шихтовую карту так же входит и количество свинца и цинка и ЦАМа, которые необходимо добавлять в расплав для получения необходимого химического состава. Описаны покровные и рафинирующие флюсы, применяемые для выплавки латуни. Описан нормативный угар сплава. В качестве неизбежных примесей заявляемый сплав содержит фосфор, серу, азот, кислород, мышьяк и другие элементы, находящиеся в шихте в незначительных количествах, суммарное количество которых не превышает 0,2%.

Оборудованием являются печи непрерывного литья типа GYT. Они состоят из 2-х основных частей: верхняя печь для приготовления сплава емкостью 500 кг, нижняя раздаточная такой же емкости. Из нижней печи выходят от 4 до 6 кристаллизаторов. Из них специальным вытягивающим устройством вытягивается расплав.

В верхнюю печь первым загружается отсортированный лом латуни mix. После расплавления лома берется первая проба новой плавки для определения химического состава. Проба отбирается из расплава с помощью специального ковша (черпака), выливается в пробницу, после чего извлекается из пробницы, охлаждается и нижнее основание пробы зачищают на шлифовальной машинке до ровной поверхности. Далее проба отправляется на оптико-эмиссионный спектрометр для анализа металлов ДФС-500. По результатам анализа принимается решение о дальнейших действиях согласно шихтовой карте.

Верхняя печь наплавляется возвратами производства до уровня 90% от полного, далее берется вторая проба на хим. анализ. По результатам анализа второй пробы согласно шихтовой карте в верхнюю печь добавляют возвраты производства до полного заполнения печи, медь корректируется вводом цинком, металл разогревают до температуры 1050 - 1070°С и переливают в нижнюю печь.

Если количество примесей (Fe, Sn, Al, Si) превышает заявленные значение, то согласно шихтовой карте в печь загружаются корректирующие шихтовые материалы (Л63, Л68 150, ЛС59). Далее печь наплавляется до уровня 80% от полного возвратами производства, и берется вторая проба на хим. анализ. По результатам анализа второй пробы сплав наплавляется до полного объема печи возвратами производства, содержание меди корректируется добавлением цинка, металл разогревают до температуры 1050 - 1070°С и переливают в нижнюю печь. Если результаты анализа второй пробы неудовлетворительные, в печь согласно шихтовой карте загружаются корректирующие шихтовые материалы (лом меди) и возвраты производства до полного заполнения печи, металл разогревают до температуры 1050 - 1070°С и переливают в нижнюю печь.

После перелива металла из верхней в нижнюю печь из нижней печи берется третья проба на определение хим. состава. В нижней печи происходит поддержание температуры на уровне 1040-1060°С и не допускается никакой дошихтовки расплава. На этом процесс плавки завершен, и металл вытягивается через кристаллизатор в прутки или трубы различных сечений.

Литые прутки и трубы непрерывно вытягиваются из кристаллизатора шаговым способом системой вытяжки типа ДТМ. При вытягивании в кристаллизаторе расплав охлаждается до 650°С. Этого достаточно для непрерывного вытягивания прутков различных сечений и толстостенных труб.

Пройдя через систему вытяжки ДТМ, достигнув определенной длины (в нашем случае 6м), прутки и трубы поступают к автоматической отрезной машине Cooper, посредством которой отрезаются, после чего падают в накопитель, остывают и перемещаются к скальпировочным машинам с помощью кран-балки. Под скальпированием понимается снятие оксидной пленки специальным алмазным резцом на скальпировочном стане.

В таблице 1 приведены варианты предлагаемого сплава в сравнении с известным аналогом.

Таблица 1 - Химический состав исследуемых материалов
Состав	№ состава	Cu	Pb	Fe	Sn	Al	Ni	Si	Sb	Bi	P	Zn
Заявляемый	1	61,951	2,14	0,38	0,21	0,15	0,3	0,02	0,02	0,02	0,003	ост.
	2	61,047	2,9	0,31	0,29	0,18	0,3	0,01	0,02	0,01	0,002	ост.
3	61,571	1,7	0,30	0,23	0,13	0,4	0,02	0,02	0,01	0,002	ост.
Известный ЛС59-1 по ГОСТ15527-2004	4	57,0-60,0	0,8-1,9	до 0,5	до 0,3	-	-	-	до 0,01	до 0,003	до 0,02	ост.

Соотношение указанных элементов выбрано таким, чтобы сплав после соответствующей термической обработки обеспечивал требуемый уровень и стабильность важнейших физико-механических свойств, определяющих высокую работоспособность материала в сложных условиях эксплуатации трубопроводной арматуры.

Данная латунь (состав № 1-3) отличается от латуни ЛС59-1 (состав №4) по ГОСТ 15527-2004 большим содержанием меди и уточненным количеством легирующих элементов. Цель разработки данного сплава была следующая: повышение стойкости к обесцинкованию (коррозии) и повышение пластичности сплава при сохранении присущей ЛС59-1 хорошей горячей обработке и обрабатываемости резанием.

Результаты опытов на обесцинкование по ГОСТ 28057-89 показывают увеличение стойкости до трех раз благодаря наличию легирующих элементов в определенных пропорциях и более высокому содержанию меди. Алюминий, имея высокий коэффициент Гийе, увеличивает количество β-фазы и уменьшает влияние меди на сплав.

Результаты проведенных исследований показали (таблица 2), что при уточненном химическом составе по основным компонентам и примесям получается более стабильные показатели стойкости материала к обесцинкованию. Стойкость к обесцинкованию улучшилась. Показатели механических свойств также имеют более узкий и стабильный диапазон.

Таблица 2 - Результаты исследований прочностных и пластических характеристик исследованных материалов
Состав	Условный № состава	Предел прочности	Предел текучести	Относительное удлинение	Сужение	Обесцинкование по ГОСТ
МПа	МПа	%	%	мкм
Заявляемый	1	405-415	215-220	20-25	19,8-23,4	220-230
	2	410-420	225-230	19-24	19,9-23,5	220-240
3	410-420	220-225	21-26	19,7-23,2	220-235
Известный ЛС59-1 по ГОСТ15527-2004	4	350-420	170-225	8-30	12-20	300-1500

Таким образом, решена задача получения сплав с фиксированными механическими свойствами, коррозионной стойкостью и стойкостью к межкристаллидной коррозии для выпуска трубопроводной арматуры методом горячей штамповки, работающей в агрессивных средах. В отличие от запатентованного сплава в Китае (CN104451248) заявленный латунный сплав имеет более узкий диапазон меди, что обеспечивает сохранение физических и коррозионных свойств. Известно, что количество меди кардинально меняет фазовое состояние латуни, следовательно, механические свойства и коррозионную стойкость. Для примера, латунь с количеством меди 57% и тем количеством примесей, что приведены в китайском патенте будет β-латунью (хрупкой и некоррозионностойкой).

В заявленном сплаве количество железа и олова меньше, чем в CN104451248. Это сделано для лучшей коррозионной стойкости, что подтверждают опыты по обесцинкованию. Более узкий диапазон алюминия необходим для удовлетворительной горячей обрабатываемости.

Заявленный сплав латуни обладает фиксированными механическими свойствами, коррозионной стойкостью и стойкостью к межкристаллидной коррозии для выпуска трубопроводной арматуры методом горячей штамповки, работающей в агрессивных средах. Данная латунь в связи с низким содержанием Si практически никогда не будет иметь силицидов. Силициды железа ввиду высокой твердости и тугоплавкости негативно сказываются на процессе горячей штамповки и механической обработки. При механической обработке они до двух раз снижают стойкость инструмента.

Латунный сплав, характеризующийся тем, что содержит медь, цинк, свинец, алюминий, железо, никель, олово, марганец, кремний, сурьму, фосфор, висмут, при следующем соотношении компонентов, мас.%

Медь 61-62,

Свинец 1,5-3,

Железо ≤0,4,

Олово ≤0,5,

Алюминий 0,1-0,2,

Никель 0,2-0.5,

Кремний ≤0,07,

Сурьма ≤0,02,

Висмут ≤0,003,

Фосфор ≤0,02,

Неизбежные примеси 0,2%,

Цинк - остальное, при этом соотношение между долей α-фазы к β-фазе составляет от 60/40 до 70/30.