Латунный крепеж: свойства и виды

Когда-то древние китайцы получили латунь, расплавив медь с цинком. Это случилось 5 тысяч лет до нашей эры. С тех пор латунь приобрела известность во многих древних цивилизациях, распространилась по странам Азии, Африки и Европы. Самое главное — латунь не потеряла востребованности и в наши дни.
Особой привилегированной нишей для латуни стали крепежные изделия из нее. В каких случаях их применение становится приоритетным? Какими свойствами обладает латунь? Чем латунь отличается от других металлов?

Несмотря на то, что латунь объединяет в себе медь и цинк, все же главным в этом содружестве является медь. По главенству этого компонента латунь причисляют к медным сплавам, куда входит также бронза (сплав меди с оловом), французское золото (медь с оловом и цинком), мельхиор (медь с никелем), абиссинское золото (медь с цинком и золотом) и другие сплавы.
Латунь не зря пользовалась популярностью с древних времен: цинк и медь в качестве компонентов сплава смогли усилить и дополнить качества друг друга. Например, латунь по сравнению с медью более прочная и твердая. Хотя она не теряет некой пластичности, унаследованной от меди. Поэтому из латуни в старину делали украшения и монеты, подсвечники и медали, скульптуры и самовары.
Латунь не склонна к процессам окисления, она проводит ток, обладает хорошей износостойкостью. С эстетической точки зрения людей во все времена привлекал золотисто-желтый оттенок металла. Все эти качества находят свое применение при изготовлении латунного крепежа.

Считается, что впервые человечество увидело латунь еще до нашей эры. По предположениям ученых, основой древнего сплава была медная руда с примесью цинка. Руда случайно попала под воздействие высоких температур, расплавилась и в таком виде была найдена древними китайцами.
Уже более осознанно и целенаправленно латунь стали получать плавлением меди с цинком в Древней Греции и Древнем Риме. Тогда римлянами была разработана технология изготовления латуни.
В промышленном XIX веке англичане подхватили древние разработки, усовершенствовали их и стали получать латунь производственным способом.

Современная латунь отличается от своих древних прототипов. Выверено оптимальное соотношение компонентов, когда сплав проявляет максимальные антикоррозийные свойства при достаточной твердости металла. Итак, сплав состоит из 2/3 Cu (меди) и 1/3 Zn (цинка) (67% и 33% соответственно).
Чтобы улучшить те или иные свойства сплава, в него могут добавить легирующие компоненты (никель, кремний, алюминий, олово и др.).
Каким образом добавки влияют на качества латуни — отражено в таблице.

Итак, на физико-химические и рабочие качества латуни влияет процентное соотношение основных компонентов, а также параметры легирующих добавок.

Изменение количественного и качественного компонентного состава латуни позволило создать 60 вариаций данного сплава. При таком количестве латуней пришлось ввести классификацию и разграничить сплавы на простые и специальные.
Простые сплавы латуни в своем составе содержат только два основных элемента (медь и цинк) — вариации возможны только в изменении процентного соотношения компонентов.
Специальные сплавы латуни имеют дополнительные легирующие компоненты, кроме основных. Данная группа латуни называется многокомпонентной.
В название многокомпонентной латуни принято включать указание на легирующую добавку. Например, оловянная латунь (если содержит олово), марганцовая латунь (содержат марганец), никелевая латунь (в составе есть никель) и так далее.

В классическом представлении латунь сияет как золото и имеет желтоватый оттенок. Однако добавки в составе многокомпонентной латуни меняют ее цвет от красного до серебристого.
Скажем, никелевая добавка придает сплаву серебристый отлив, а марганцовый элемент уводит цвет в коричневые тона.
Цветовая насыщенность латуни дает представление о процентном содержании меди в сплаве. Если меди в латуни мало — она светло-желтая; если много — сплав темный и насыщенный.

Древние викинги и китайцы, греки и римляне отметили пластичность латуни в процессе ее обработки. Податливость латуни позволяет формовать из сплава предметы со сложной геометрией, в том числе и крепежные элементы.
Существует два способа промышленной обработки латуни: с помощью литья и давления. Для каждого технологического процесса необходимы свои марки латуни, требования к которым прописаны в ГОСТ (для литья — 17711-93, для давления — 15527-2004).

Литейная латунь. На то, что перед вами маркировка литейной латуни, указывают первые литеры «ЛЦ», а также чередование в маркировке литер и цифр.
Строго говорят, «ЛЦ» означает две позиции: Л — латунь, Ц — цинк. После буквы «Ц» идет процентное указание содержания цинка в сплаве. Далее идет перечисление легирующих добавок и их процентное содержание.
Но где обозначение главного компонента латуни — меди? По договоренности, в маркировке литейных латуней процентное содержание меди не отмечается, оно определяется вычитанием из 100% всех указанных в маркировке процентных частей.

* В маркировке латуни могут встретиться обозначения следующих легирующих элементов: Ц (цинк); A (алюминий); H (никель); K (кремний); C (свинец); Мц (марганец); O (олово); Cу (сурьма); Ж (железо).

Образцы расшифровки: ЛЦ30А3 — (Л) литейная латунь , (Ц) цинка 30%, (А) алюминия 3%, остаток меди: 100% — 30% — 3% =67%. ЛЦ40Мц1,5 – (Л) литейная латунь , (Ц) цинка 40%, (Мц) марганца 1,5%, остаток меди: 100% — 40% — 1,5% = 58,5%.

Латуни, обрабатываемые давлением. Маркировка данной группы латуней отличается тем, что слева пишутся литеры, зашифровывающие компоненты сплава (кроме цинка), а потом идет череда цифр, определяющая процентное содержание компонентов сплава в соответствии с литерами. В данной группе латуней высчитывается остаточным принципом уже не содержание меди, а содержание цинка в сплаве.

Примеры расшифровки:
ЛС59-1 — (Л) латунь, обрабатываемая давлением; (С) легирующая добавка свинец; (59) — меди 59%; (1) — свинца 1%; остаток цинка: 100% — 59% — 1% = 40%. Л60 – (Л) латунь, обрабатываемая давлением; (60) — меди 60%; остаток цинка: 100% - 60% = 40%.

По системе DIN, а также EN, марки латуни зашифрованы латинскими буквами, обозначающими химические элементы.
Литерное обозначение «CuZn» в начале маркировки соответствует маркам латуни «ЛЦ», то есть далее будет указана доля цинка, затем могут быть перечислены легирующие добавки в процентном содержании. Если процент добавки слишком мал (меньше 1,5%), то он не указывается в формуле. Содержание меди в данном сплаве определяется, если вычесть из 100% процентное содержание других элементов.

Образец расшифровки:
CuZn39Pb3 – (CuZn) латунь; (Zn) цинк; (39) — цинка 39%; (Pb) свинец; (3) свинца 3%; остаток меди: 100% - 39% - 3% = 58%.

Остановимся на двух основных марках латуни, рекомендованных стандартом ГОСТ 1759.0 для изготовления винтов, резьбовых стержней и болтов.

Л63 относится к двухкомпонентным простым латуням. Марка имеет высокое содержание меди (63-65%).
Л63 используют для холодной обработки, формируя заготовку на прокатном станке через отверстие методом волочения, изгибая, вытягивая, чеканя.
Л63 ценится своей устойчивостью в водной среде, при контакте со слабыми щелочами и кислотами, а также растворами солей.
Полный химический состав Л63: медь 62,0-65,0%, свинец 0,07%, железо 0,2%, сурьма 0,005%, висмут 0,002%, фосфор 0,01%, цинк 35-38%.

ЛС59-1 — латунь, легированная свинцом. Доля меди в сплаве составляет 58-60%, свинца - от 0,7 до 1.9%.
Сплав ЛС59-1 является основой для гаек и болтов.
Способы обработки данной марки латуни преимущественно касается горячего способа под давлением. Однако ЛС59-1 может обрабатываться холодным способом, но с усредненным результатом.
Свинцовая добавка в сплаве позволяет работать с данной маркой латуни на токарных станках. Латунь Л63 образует стружку, которая накручивается на резец.
ЛС59-1 такой проблемы не имеет, за это ее в народе прозвали латунь сыпучка. При обработке в холодном виде у латуни ЛС59-1 стружка распадается на крошки и не образует волну и завитки. Таким образом ЛС59-1 можно фрезеровать, гравировать, сверлить без особых проблем.
Латунь ЛС59-1 имеет хорошую устойчивость к окислению в водной среде: ее противокоррозийные свойства выше, чем у Л63.
Полный химический состав ЛС59-1: медь 57,0-60,0%, свинец 0,8-1,9%, железо 0,5%, олово 0,3%, висмут 0,003%, фосфор 0,02%, сурьма 0,01%, цинк 37-41%.
***
DIN и EN предписывают производить крепежные элементы из латуни марок СuZn37, СuZn40Мn1Рb, CuZn39Pb3. По процентному содержанию основных и вторичных элементов, импортные латуни эквивалентны российским маркам.
CuZn37 совпадает по долевому составу с Л63;
CuZn40Mn1Pb имеет аналог по ГОСТу ЛМцС58-1-1;
CuZn39Pb3 можно заменить ЛС58-3.

Когда надо определить марку латуни, на производстве проводят тест царапиной. По поверхности заготовки проводят острым краем отвертки. Во время теста важно прислушаться к звуку.

• Если борозда на металле выскабливается ровной полосой, тихо, без звука и без образования стружки — это марка латуни Л63.
• Если контакт с металлом идет со скрипом, фактура царапины со ступенчатыми краями, образуется сыпучая крошка — перед вами свинцовая латунь ЛС59-1.

Любой крепежный элемент (и латунный не исключение) должен переносить заданные нагрузки. Какие нагрузки выдержит тот или иной металл/сплав определяет его предел текучести и прочности.
Какие именно нагрузки на разрыв и растяжение должны выдерживать латунные болты и другие резьбовые крепежи, определяет ГОСТ.

Таблица механических характеристик марок латуни по ГОСТ 1759.0.

Аналогичные требования к латуни предъявляет стандарт EN 28839. Однако предел прочности к эквивалентным маркам латуни EN определяет повышенные (440 Н/мм²). Также показатель удлинения после разрыва у латуней CU2, CU3, CU6 увеличивается на 18-19%.
Если ГОСТ не регламентируется условный предел текучести, то ЕN требует от сплавов показателей не меньше 180 Н/мм², а для некоторых марок латуни увеличивает требования вдвое.
Степень нагрузки зависит не только от марки латуни, но и от типоразмеров резьбовых элементов. Общая закономерность такова: чем больше размер винта/болта/шпильки, тем выше его разрушающая нагрузка.

Резьбовые элементы в размерном диапазоне М3-М48 и их разрушающие нагрузки.

Метод холодной штамповки. Холодный способ обработки латуни не подразумевает какой-либо нагрев и плавление металла, поэтому процесс является менее трудозатратным по сравнению с другими способами формовки.
У холодной штамповки есть еще несколько преимуществ:

• она позволяет выполнять элементы сложной геометрии;
• изделия при обработке холодным методом имеют бОльшую прочность;
• метод позволяет придерживаться высокой точности исполнения.

Метод литья под давлением. Технология литья под давлением подразумевает два производственных этапа: сначала латунь плавят, а затем запрессовывают в определенную форму.

Чтобы иметь представление о технологии изготовления латунного крепежа, стоит упомянуть два распространенных производственных этапа — термический и поверхностный.

Термическая обработка. Латунь подвергают нагреву до высоких температур (нагрев должен выходить за границы рекристаллизации металла) и потом охлаждают в медленном режиме. Как правило, нагрев происходит за счет отжига металла.
Данные технологические процессы улучшают характеристики латуни:

• снижается внутреннее напряжение;
• повышается эластичность, растяжимость, пластичность сплава;
• увеличивается предел текучести;
• повышается готовность к пластической деформации;
• повышается ударная вязкость.

Поверхностная обработка включает в себя нанесение защитного слоя на поверхность изделия из латуни. За счет поверхностной обработки улучшаются антикоррозийные свойства латуни. В зависимости от условий эксплуатации латунного элемента на поверхность металла наносится цинк, кадмий или никель.

Из латунных заготовок (проволоки, прутков различного сечения, трубок) изготавливают большой перечень крепежных изделий. Назовем самые ходовые: Болты.
Гайки.
Метрические шпильки.
Анкера забивные.
Винты.
Шурупы.
Шайбы.
Цанги.
Мебельные болты.
Заклепки.
Гайки-муфты.
Саморезы.
Фитинги.
Заглушки резьбовые.

В каких случаях актуально применение крепежных элементов из марок Л63 и ЛС59-1?
1. Латунный крепеж ценят за устойчивость к коррозии, что позволяет эксплуатацию изделий в условиях повышенной влажности, вплоть до регулярного взаимодействия с морской водой.
Нельзя сказать, что латунь абсолютна нейтральна к воздействую коррозии, однако скорость этого процесса крайне мала.

2. Эстетика крепежных элементов имеет большое значение в дизайне интерьера или облицовке здания. Если дизайнеру требуется сделать акцент на золотисто-красном оттенке металла, латунные винты применяют для крепления светильников, мебельных ручек, табличек и шильдиков, предметов декора и пр.
3. Латунный крепеж выбирают за высокую прочность изделий. В ряду металлического крепежа латунь занимает не первое место по прочности (нержавейка, сталь, бронза превосходят ее), однако латунные элементы прочнее алюминиевых или медных.
4. При минусовых температурах латунь не меняет свои механические свойства, а в частности, не приобретает ломкость и хрупкость. Поэтому деталями и крепежом из латуни монтируют холодильное оборудование. Также крепеж применяют в районах с суровым климатом.
5. Латунь имеет преимущество перед алюминиевыми и пластиковыми изделиями в термостойкости.
6. Заклепки, изготовленные из латуни, просто устанавливаются за счет пластичности металла. Так же удобно монтировать забивные цанги из латуни из-за мягкости сплава.
7. Если есть опасность слома крепежа, выбирают латунные болты. Они в силу податливости и пластичности металла деформируются под давлением и нагрузкой, но не ломаются.
8. Латунь используют в конструкциях и приборах, требующих деталей с высокой тепло- и электропроводимостью. Но несмотря на хорошую передачу тепловой и электрической энергии, латунь уступает в этом качестве чистой меди.
9. Латунный крепеж часто используют в электронных приборах, так как он не магнитится и не электризуется с образованием искр. Это является своего рода защитой от пересечения с другими магнитными полями.

Многие не верят, что латунный крепеж и в целом латунь не ржавеют. Если придерживаться научной точности — надо признать, что латунь корродирует. Но! С такой медленной скоростью, что ей можно пренебречь.
Итак, одно из главных преимуществ латуни перед железом, сталью и другими металлами — высокая устойчивость к коррозии. Латунь не ржавеет при воздействии атмосферного воздуха, влажности, воды, морской воды, щелочных растворов (кроме аммиака).
Латунь устойчива в температурном диапазоне +18°С-+27°С в контакте с антифризом, фреоном, пищевыми продуктами, спиртом.
Однако латунь не выносит взаимодействия с кислотами и вступает в реакцию с азотной, соляной и серной кислотами. Также замечена коррозия латуни в среде сероводорода.
Чаще всего использование латунного крепежа идет при высокой влажности или в водной среде. Цинк в составе латуни не дает сплаву окислиться.
Единственное предостережение касается жесткой воды с кальциево-магниевым составом. Использование крепежа из латуни в такой среде сопряжено с образованием налета, который требуется периодически убирать и счищать. В противном случае крепежные элементы со временем могут подвергнуться коррозийному разрушению.

Латунь может подвергаться специфическому виду коррозии — обесцинкованию. Суть процесса состоит в том, что цинк исчезает с поверхности латуни и металл становится пористым, как губка. Это разрушение негативно сказывается на прочности сплава.
Обесцинкование происходит при сочетании определенных условий:

• латунь содержит высокий процент цинка;
• латунь вступает в процесс электролиза в электропроводящих растворах (кислых или щелочных).

Предотвратить обесцинкование возможно, покрыв латунную деталь слоем никеля.

Еще одна уязвимость латуни — сезонное растрескивание. Суть явления заключается в том, что на латуни появляются трещины после длительного контакта с влагой (ускоряют процесс пары аммиака или соли ртути).
Сезонному растрескиванию подвержена латунь после холодного способа обработки и с процентным содержанием цинка более 20%. Дело в том, что после растяжения латуни холодным методом возникает внутреннее напряжение металла. К нему добавляется химическая реакция в активных средах. Металл не выдерживает такой нагрузки, вследствие чего появляется межкристаллическое растрескивание.
Избежать риска сезонного растрескивание латуни можно, если предварительно обрабатывать металл при температуре и 240–260 °C. Отжиг латуни убирает остаточное напряжение, которое является определяющим фактором растрескивания.
БОльший риск появления растрескивания имеет латунь марки Л63 по сравнению с ЛС59-1.

Латунь может вступать в электрохимическую реакцию при контакте с углеродистой сталью, алюминием и цинком. Поэтому следует избегать подобных сочетаний. Если сделать этого невозможно, то изолируйте металлы друг от друга с помощью слоя краски, пластиковой перегородки. И конечно, не допускайте попадания воды или влаги на соединение из разнородных металлов.
Например, стальную шпильку с оцинкованным покрытием устанавливают в анкер из латуни. Чтобы не спровоцировать контактную коррозию в этом случае, не допускайте попадания воды на узел соединения.
При соединении углеродистой стали с латунью в местах, где металлы прикасаются, начнется процесс коррозии. Причем у стали этот процесс будет протекать в ускоренном режиме.

Латунный крепеж используется в разных сферах деятельности, благодаря своим декоративным, антикоррозийным свойствам.
В электротехнике латунный крепеж ценится за высокую электропроводность. В сантехнике — за герметичность и устойчивость к водной среде. В изготовлении уличной мебели — за долговечность.

Нержавеющий крепеж — один из самых востребованных на строительном рынке. Однако и латунные изделия имеют свои преимущества. Если у вас стоит выбор между тем и этим видом метизов, сравните их механические характеристики.
Для сравнения мы выбрали самые популярные марки стали (А2, А4) и латуни (Л63, ЛС59-1).

Сравнительная таблица наглядно демонстрирует, что сталь проявляет большую прочность и твердость по сравнению с латунью. Однако латунь показывает лучшую свариваемость, пластичность, электропроводность.
По данным характеристикам стоит ориентировать свой выбор: какие качества крепежа вам необходимы в той или иной работе.
И нержавеющая сталь, и латунь устойчивы к воздействию атмосферы, воды и некоторых агрессивных сред. Например, крепеж из марки А4 используют для бассейнов и оснащения морских судов. Это сопоставимо с применением крепежа из латуни ЛС59-1.
Стоит отметить небольшой нюанс. В силу того, что сталь обладает большей прочностью, она имеет более высокий момент затяжки. А крепежные изделия из латуни устанавливаются соответственно с меньшими усилиями. Стоит помнить об этом различии на этапе монтажа и не перетягивать латунную резьбу во избежании ее срыва.

Если перед вами стоит выбор: купить крепеж из латуни или бронзы — сравним два вида сплавов и изделия из них.
По химическому составу, латунь и бронза близки друг другу, так как основа того и другого сплава — медь. Отличия связаны с вторым компонентом сплава: у латуни это цинк, а у бронзы — олово.
Бронза может быть двухкомпонентной (тогда она содержит 90% меди и 10% олова) или иметь добавки, кроме основных компонентов (таким образом в состав бронзы включается свинец, никель, кремний, алюминий или бериллий). Если сравнивать многокомпонентную бронзу с латунью — первая окажется более прочной.
Кроме прочности, есть еще несколько характеристик, которые отличают один сплав от другого.

Несмотря на то, что латунь и бронзу относят к группе цветных металлов (из-за красно-золотого оттенка), они во многих параметрах отличаются друг от друга:

• Бронза прочнее латуни, следовательно бронзовый крепеж прослужит дольше латунного.
• Бронза тверже латуни. В большинстве случаев это может служить преимуществом, однако при чрезмерной нагрузке бронза может сломаться, а латунь только погнется.
• Латунь превосходит бронзу по тепло- и электропроводности.
• Латунь более податлива при обработке холодным способом.
• Бронза более стойкая при контакте с агрессивными средами (кислотами, морской водой и пр.).

Если вы склоняетесь к выбору крепежа из бронзы из-за его прочностных характеристик и высоких антикоррозийных качеств, имейте в виду, что цена на бронзовый крепеж намного превосходит латунный.
Во-первых, в бронзе высока доля меди (до 90%), а она стоит дороже. Во-вторых, добавочные компоненты бронзы относятся к дорогостоящим. В-третьих, технологический процесс получения бронзы более сложный и соответственно дорогой. Из этого складывается высокая цена на сплав. Возможно, это обстоятельство изменит ваш выбор.
Латунь и бронза внешне похожи, хотя все же латунь при сравнении окажется более светлой, а бронза — более темной. Латунь уходит в желтый оттенок, а бронза — в коричневый.
Но если вам попался крепеж золотистого цвета и вы не можете определить: бронза это или латунь — подскажем, как это сделать.
Проверьте металл на магнитные свойства, для этого потребуется неодимовый магнит. Бронза будет «приставать» к магниту (ведь она в составе имеет до 10% железа), а латунь магнитится не будет.
Если изделие, которое вызвало сомнение, можно рассмотреть на излом — обратите внимание на зернистость сплава. Латунь мелкозернистая, а бронза — крупнозернистая.

Температуры плавления компонентов латуни (а именно — меди и цинка) разные, поэтому плавится латунь с трудом. При сильном нагреве сплава цинк начинает испаряться, вследствие чего появляется налет и газообразный оксид цинка, который считается ядовитым.
В такой ситуации как нельзя лучше подходит аппаратная сварка, либо дуговая, либо контактная.
Иногда возникает потребность сварки латуни со сталью. Задача это не из легких, потому что температура плавления латуни 900℃, а температура плавления стали 1400℃. Разрешить проблему поможет метод пайки. Латунь и сталь плавятся по отдельности в нужном температурном режиме. В дальнейшем металлы свариваются присадочным стержнем из кремниевой бронзы.
В случае соединения меди с латунью сварочный аппарат не понадобится. Достаточно будет паяльной лампы, припоя (идеально — серебряного) и флюса.
Серебро в виде припоя позволяет сделать соединение прочным, а флюс отвечает за чистоту металла во время пайки.

*** Болты и анкера, гайки и винты, стержни и клеммы из латуни — это долговечные крепежные изделия с хорошей эстетикой и высокой антикоррозийностью.
Латунный крепеж актуален для многих сфер производства, строительства, декорирования, творчества, для сборки техники, мебели, электроприборов.
Золотистый отлив благородной латуни напоминает нам далекие времена, когда сплав входил в обиход викингов или древних римлян. Поражает незыблемость этого изобретения, которое в наши дни не потеряло своей востребованности.