Как плавят латунь на металлургических заводах и в домашних условиях

Латунь — это сплав на основе меди и цинка. Из него делают различные детали — болты, шурупы, крепления, детали для электрических инструментов, микросхемы и другие. При необходимости латунь можно переплавить в специальной печи, чтобы изготовить из расплава нужную деталь. Но какая температура плавления латуни? Можно ли ее переплавить в домашних условиях? И о чем нужно помнить металлургу во время работы с этим сплавом? В статье эти вопросы будут рассмотрены.

Физические особенности плавки однородных металлов

Латунь — многокомпонентный сплав на основе меди и цинка. В его состав могут входить и некоторые другие компоненты — олово, свинец, железо, никель, марганец. Медь выступает в качестве основного вещества, тогда как дополнительные компоненты улучшают физические свойства материала (прочность, упругость, электропроводность, коррозийный потенциал). Плавление однокомпонентных и многокомпонентных сплавов имеет много отличий. Поэтому перед рассмотрением вопроса расплавки латуни нужно рассмотреть особенности плавления однородного металла на основе меди.

В физике плавкой называют процедуру, при которой твердый металл переходит в жидкое состояние. Чтобы расплавить медь, ее необходимо нагреть до температуры 1.085 градусов по шкале Цельсия. Обычно нагрев осуществляется с небольшой температурной надбавкой (~1150 градусов), поскольку на практике часто применяются медные сплавы с добавлением легирующих веществ, из-за которых повышается температура плавления.

Нагрев на химико-физическом уровне

1. Атомы меди до нагрева находятся в твердом состоянии. На химическом уровне это значит, что они формируют прочную кристаллическую решетку, которая устойчива к деформации и сохраняет форму при ударе.
2. При нагреве потенциальная энергия медных атомов увеличивается, что приводит к ухудшению прочности кристаллической структуры материала. Однако материал сохраняет свою твердость, поскольку кристаллическая решетка не разрушается (хотя она становится менее плотной).
3. При достижении температуры 1.085 градусов атомы меди получают избыточное количество энергии, что происходит к распаду кристаллической решетки сплава. На физическом уровне сплав переходит из твердого состояния в жидкое.
4. Теперь возможно несколько ситуаций. Рассмотрим первую ситуацию. Если материал продолжать нагревать, то он будет сохранять свое жидкое состояние. При температуре 2.567 градусов медь переходит в газообразное состояние (то есть жидкость начинает кипеть). В металлургии испарение меди выполняют очень редко, поскольку в этом нет практической пользы.
5. Но возможна и другая ситуация. Если жидкую медь не нагревать после расплавления, то постепенно жидкость начнет остывать. Это приведет к тому, что материал вновь примет твердую форму. На химическом уровне произойдет повторное формирование кристаллической решетки.

Из этих теоретических выкладок можно сделать один простой вывод. Для однокомпонентных составов температура кристаллизации и температура плавления совпадают. На практике регулировать процедуру расплавки просто — нужно лишь уменьшать или увеличивать температура огня. Во время работы также необходимо следить за распределением огня по всей площади металлического объекта. В случае неравномерного распределения температуры отдельные компоненты будут находиться в жидком состоянии, а другие — в твердом.

Физические особенности плавки многокомпонентных сплавов

Многокомпонентные составы состоят из нескольких элементов. Это налагает ряд особенностей плавления таких материалов:

1. Многокомпонентные сплавы состоят из нескольких элементов. Вместе они также формируют прочную кристаллическую решетку. По свойствам такой материал идентичен однокомпонентным сплавам, а иногда и может превосходить их. Основные примеры — более высокая прочность, низкий риск коррозии, более высокий срок хранения и так далее.
2. При нагреве многокомпонентного сплава увеличивается потенциальная энергия отдельных атомов. Но кристаллическая решетка сохраняет свою прочность, поэтому вещество сохраняет первоначальную форму.
3. При достижении критической температуры нагрева происходит постепенный распад кристаллической решетки. Но так как в состав сплава входят атомы разных категорий, то распад решетки происходит неравномерно (у разных атомов своя температура кипения). На физическом уровне такое вещество будет представлять собой смесь твердых и жидких фрагментов.
4. Температура, при которой легкоплавкие атомы начинают переходить в жидкую фазу, называют точкой солидуса. Если уменьшить подачу топлива, то легкоплавкие атомы начнут вновь формировать кристаллическую решетку, что приведет к затвердеванию сплава. Для латуни точка солидуса равна 880 градусов по Цельсию (цинк является более легкоплавким материалом).
5. Температура, при которой все атомы начинают переходить в жидкую фазу, называют точкой ликвидуса вещества. Точка ликвидуса указывает, как сильно нужно нагреть материал, чтобы он полностью расплавился. Динамика здесь стандартная — при уменьшении подачи огня будет происходить постепенная кристаллизация расплавленных атомов. Для латуни точка ликвидуса составляет 950 градусов по Цельсию.

Плавка сплава

Из предыдущей выкладки можно сделать сложный комплексный вывод о плавке латуни. Главный вывод заключается в том, что латунь не имеет единой температуры выплавки из-за особенностей состава сплава. Температура плавления латуни будет находиться в пределах от 880 до 950 градусов по Цельсию (точки солидуса и ликвидуса). Нагревать металл нужно в несколько этапов — сперва расправляется одни компоненты, потому начинает плавиться основное вещество. Кристаллизация латуни будет также происходить по той же схеме — сперва будут затвердевать более легкоплавкие элементы, а потом — более тугоплавкие.

Некоторые другие особенности плавки латуни:

• Основным видом латуни являются двухкомпонентные сплавы на основе меди и цинка. Именно для эти сплавов температура плавления латуни будет составлять 880-950 градусов. Однако существуют также и другие марки латуни — кремниевые, многокомпонентные и другие. Для этих сплавов точки солидуса и ликвидуса могут отклоняться от заданных значений (а чем больше содержание легирующих добавок, тем сильнее будет отклонение).
• Удельная теплота плавления латуни составляет примерно 380 килоджоулей энергии. По факту это значит, что для нагрева 1 килограмма латуни на 1 градус следует сообщить детали энергию, размер которой составляет 380 килоджоулей. Для более серьезного нагрева следует пропорционально увеличить количество сообщаемой энергии. На практике чаще всего расплав латуни обычно осуществляется в электрических печах. Поэтому при подборе нагревателя важна его мощность. По факту он должен составлять не менее 25 киловатт — в противном случае металлургу не получится нагреть сплав до нужной температуры.

Как плавят латунь на металлургических заводах?

Сплав обычно плавят на металлургических заводах, поскольку там созданы благоприятные условия для переплавки. При заводской плавке материал сохраняет все свои физические свойства — прочность, электропроводность, сохранение формы при деформации и так далее. Технология переплавки латуни на заводе зависит от того, к какой категории латуней относится материал. Двухкомпонентные сплавы (с добавлением цинка) обычно плавят в индукционных печах, которые имеют кварцевое покрытие стен. Такое покрытие минимизирует перегрев печи, а также защищает стенки от деформации и растрескивания.

Двойные латуни расплавляются при относительно невысоких температурах (точка ликвидуса для них находится в районе 910-930 градусов по Цельсию). Поэтому двойные сплавы нет смысла расплавлять в мощных электродуговых печах. Для расплава рекомендуется использовать защитный слой на основе древесного угля. Также рекомендуется введение в расплав небольшого количества криолита (порядка 0,01-0,1%) — это способствует снижению металлических дефектов при выплавке. Вместо древесного угля можно использовать флюс, состоящий из стекла и шпата в пропорции 1 к 1.

Для переплавки двухкомпонентных латуней необходимо сперва выполнить расплав меди, а потом цинка. Чтобы расплавить металл, нужно нагреть его до температуры порядка 1000-1100 градусов. После этого следует добавить цинк и легирующие добавки при их наличии. Обратите внимание, что раскисление латуни производить не нужно, поскольку эту функция прекрасно выполняет цинк.

Сложные не кремнистые латуни

Переплавляют по аналогичному алгоритму. В состав таких сплавов цинк входит в небольших количествах. Поэтому такой металл нужно раскислить, чтобы сохранить его все полезные физические свойства. Для раскисления подходит фосфор, хотя можно использовать и другие раскислители. При расплавлении в сложной латуни часто образуются крупные мусорные фракции — чтобы избавиться от них, следует выполнить рафинирование марганцем или фильтрацию.

Сложные кремнистые латуни

Имеют сложную динамику кристаллизации, что объясняется наличием в составе сплава кремния и алюминиевых присадок. Из-за наличия этих компонентов у сплава повышается склонность к поглощению атмосферного водорода при высоких температурах (более 1000 градусов).

При нагреве сплава до температуры выше 1100 градусов могут происходить порционные выделения растворенного углерода, что может приводит к образованию «волдырей» на сплаве после его застывания. Поэтому к переплавке кремнистых сталей подойти ответственно. Чтобы избежать выделения растворенного углерода, следует вести переплавку в кислой среде. Хорошо подойдет насыщение воздуха кислотным флюсом на основе карбоната натрия, фторида кальция и оксида кремния. Важно следить за температурой нагрева, поскольку защитные свойства газового окислителя заметно снижаются при достижении температуры 1100 градусов.

После расплавления всех компонентов в защитной среде необходимо выполнить обязательную проверку металла по всем основным показателям (излом, насыщенность, наличие загрязняющих компонентов и так далее).

Можно ли расплавить латунь в домашних условиях?

Сплав в домашних условиях плавить не рекомендуется.

Основные проблемы:

• Температурные ошибки. Для полного расплавления меди и цинка придется довести объект до температуры не менее 950 градусов. Сделать такую печь на практике не слишком легко, поскольку для этого понадобятся огнеупорные детали. Также Вам придется поддерживать высокую температуру в течение длительного времени, что приведет к большому расходу топлива.
• Коррозия и образование оксидов. При расплавлении латунной детали частицы меди и цинка начнут активно вступать в реакцию с воздухом. Это может привести к образованию сложных соединений. В состав которых помимо меди и цинка входят кислород, азот, углерод, другие вещества. Из-за этих добавок значительно повышается хрупкость выплавленной детали, что может сделать ее бесполезной.

Именно поэтому латунь рекомендуется переплавлять на специальных фабриках или заводах, где созданы необходимые условия (температура, защитная среда и так далее). Однако на практике многие люди все же выполняют переплавку латуни и в домашних условиях. В результате домашнего литья можно получить деталь среднего качества. Такие детали не рекомендуется использовать на объектах, сопряженных с опасностями (автомобильные детали, электрическое оборудование, арматура на больших зданиях).

Советы

Однако такие детали можно применять в домашнем хозяйстве (скажем, можно сделать латунные болты, шурупы или уголки для крепления объектов интерьера). Для выплавки латуни в домашних условиях нужно сделать печь, которая способна выдерживать до температуры выше 1000 градусов по цельсию (температура плавления в домашних условиях стандартная — 880-950 градусов). Чтобы укрепить печь, рекомендуется установить на печь металлический каркас (оптимальный сплав — легированная сталь).

Также Вам нужно будет изготовить или купить тигель, в котором будет происходить выплавка металла. Тигель следует делать из графита или шамотного кирпича. Эти материалы не плавятся при высоких температурах (температура расплава латуни в домашних условиях составляет 950 градусов). Также эти материалы не крошатся и не вступают в контакт с воздухом, что хорошо влияет на качество выплавки. Делать такую печь рекомендуется из огнеупорного кирпича, а для соединения отдельных элементов друг с другом следует использовать термостойкий раствор.

Для нагрева можно использовать древесный уголь. Главный плюс угля заключается в том, что его применение минимизирует риск образования вредоносных добавок, ухудшающих качество выплавленной детали. К сожалению, применение угля для переплавки латуни — очень дорогое мероприятие. Поэтому для переплавки следует применять электрические индукторы-нагреватели. Минимальная мощность тока должна составлять 25 киловатт, поскольку в противном случае не удастся получить нужную температуру для расплавления латуни.

Процедуру плавления следует проводить в хорошо вентилируемом помещении. Причина — расплавленный цинк будет вступать в реакцию с кислородом, что приведет к образованию оксидов. Цинковые оксиды в больших количествах могут представлять опасность. Для расплавки Вам также понадобятся инструменты — перчатки, мощная маска и щипцы для перемещения тигла с расплавленным металлом. Щипцы рекомендуется покупать из инструментальной стали, поскольку такая сталь устойчива к воздействию высоких температур.

Заключение

Подведем итоги. Латунь — это сплав на основе меди и цинка, в состав которого иногда входят легирующие добавки (хром, алюминий, кремний и другие). Температура плавления стандартного латунного сплава составляет 880-950 градусов. Некоторые марки латуни имеют более высокую температуру расплавления (до 1000 градусов), что связано с особенностями их состава. Расплавку латунного сплава рекомендуется делать на заводе в специальных печах. Теоретически расплав можно сделать и в домашних условиях, однако это чревато различными проблемами (низкое качество выплавки, растрескивание, отравление газообразными цинковыми оксидами).

Используемая литература и источники:

• Скрышевский А. Ф. Структурный анализ жидкостей и аморфных тел. — 2-е изд., перераб. и доп.. — М.: Высшая школа, 1980.
• Джуа М. «История химии», перевод с итальянского Г. В. Быкова под редакцией С. А. Погодина. — Москва: Мир. Редакция литературы по химии, 1975.
• Статья на Википедии