Дельта-металл

В предыдущей статье про латунь обсуждались достоинства и недостатки этого сплава. Однако стоит отдельно упомянуть особый класс латуней, легированных железом.

Впервые влияние добавок железа на медные сплавы было отмечено Уильямом Кером, запатентовавшим в 1779 г. сплав, содержащий 54% меди, 40% цинка и 6% железа.
Оптимальным оказалось меньшее содержание железа, в диапазоне от 1 до 4.5%, и подобные сплавы под названиями стерро-металл, айх-металл и дельта-металл и др. нашли широкое применение в технике.
Первым из них был стерро-металл (55-60% меди, около 40% цинка и до 4.5% железа), предложенный бароном де Ростхорном в качестве пушечного металла в 1850-х гг. и отличавшийся от обычной желтой латуни высокой прочностью, доходящей до 600 МПа в тянутом виде, твердостью и вязкостью. Стерро-металл легко подвергался горячей и холодной ковке.
Сплав Айха (1860 год) содержал меньше железа, до 1.5%, был мягче и особенно подходил для прокатки в листы, которые использовались для облицовки кораблей благодаря отличной стойкости к коррозии в морской воде. Однако метод приготовления этих сплавов, при котором сначала сплавлялась медь с железом, приводил к недостаточно стабильному составу, что особенно сказывалось в крупных отливках. Эта проблема была решена 1886 г. Диком, который растворял железо в расплавленном цинке до насыщения (около 5% железа), в результате чего стало возможным получать сплавы с точно заданным составом.
Дик организовал Delta Metal Company, и начал производство сплавов, среди которых наибольшее распространение получил сплав No. IV, содержащий 56-58% меди, 40-42% цинка, по 1% железа и свинца, и раскисленный фосфором. Этот сплав собственно и получил известность как «дельта-металл».
Из дельта-металла отливали пароходные винты, высоконагруженные зубчатые колеса, валки, арматуру паровых котлов, цилиндры насосов и гидравлических прессов, подшипники, а также декоративные изделия.
Дельта-металл отлично подходит для литья пушек, поскольку хорошо заполяет форму, дает мелкозернистую струтуру и даже в виде простой отливки значительно превосходит оловянную и фосфористую бронзу, а после ковки или прокатки вполне может конкурировать со сталью.
С появлением алюминиевых бронз и улучшением технологии стального литья популярность железистых латуней снизилась, но тем не менее латунь ЛЖС58-1-1, практически идентичная металлу дельта, производится и применяется до сих пор.

Поскольку содержание цинка в дельта-металле и аналогичных сплавах превышает 35%, в них наряду с альфа-фазой присутствует бета-фаза, обеспечивающая повышенную прочность и твердость.
Легирование железом также повышает твердость и обеспечивает получение мелкозернистой структуры с повышенной вязкостью, а небольшая присадка свинца улучшает обрабатываемость.
Очевидное преимущество дельта-металла состоит а том, что цинк, в отличие от олова, достаточно широко распространен и легко выплавляется из руд

38 комментариев Дельта-металл

  • 4eshirkot

    DELTA METAL: ITS HISTORY, PROPERTIES AND USES. By WALTER REEKS 1890
    Приведены данные по механическим свойствам дельта-металла и его коррозионной стойкости по сравнению с другими медными сплавами и сталью.

    Предел прочности на разрыв (отливка в песок)
    Латунь 170 МПа, фосфористая бронза 221 МПа, дельта-металл номер 4 — 330 МПа.
    Для сравнения современные данные:
    Бронза БрО10 — 215 МПа (литье в песок), алюминиевые бронзы БрА10Ж3Мц2 и БрА10Мц2Л — 392 и 490 МПа соответственно (тоже литье в песок).
    Латунь ЛЖС58-1-1 350-450 МПа (отожженный прокат), 650-750 МПа (нагартованный).

    В другой книжке Henley’s Twentieth Century Formulas Recipes Processes Vol1 1916 года приводится интересное сравнение труб из сварочного железа и стерро-металла

    //The great value of this alloy lies in its strength, which is equaled only by that of the best steel. As an illustration of this, a wrought-iron pipe broke with a pressure of 267 atmospheres, while a similar pipe of sterro metal withstood the enormous pressure of 763 atmospheres without cracking. Besides its remarkable strength, it possesses a high degree of elasticity, and is, therefore, particularly suitable for purposes which require the combination of these two qualities, such as the construction of hydraulic cylinders. It is well known that these cylinders, at a certain pressure, begin to sweat, that is, the interior pressure is so great that the water permeates through the pores of the steel. With a sterro metal cylinder, the pressure can be considerably increased without any moisture being perceptible on the outside of the cylinder.//

    • molibden

      Никогда бы не поверил что латунь может быть прочнее стали. Тут скорее дело в чудесных качествах тогдашнего металл не отличающегося однородностью и адекватным содержанием углерода. А как у этлй латуни с твердостью? А то шестерни отливать конечно можно но долго ли они прослужат и как будут перенсить регулярные пуски/остановки.

      • 4eshirkot

        Дельта-металл не прочней стали, но вполне на уровне нелегированных конструкционных сталей. При этом обладает коррозионной стойкостью, хорошо отливается и обрабатывается.
        //не отличающегося однородностью и адекватным содержанием углерода//
        В 1880-1890 гг. уже вовсю производили бессемеровскую и мартеновскую сталь, так что вряд ли это причина.
        //А как у этлй латуни с твердостью?//
        Твердость зависит от степени нагартовки, в справочниках приводится 130 НВ для полутвердого прутка и 160-170 HB для твердого.

  • 4eshirkot

    История дуплексных латуней началась несколько раньше, в 1830-х.
    Одна из основных сложностей при выплавке таких сплавов — достаточно узкий диапазон содержания цинка, который проблематично выдерживать вследствие летучести цинка. Поэтому шихту составляли с несколько меньшим содержанием цинка, и добавляли порции цинка, одновременно отливая пробные образцы.
    //В 1832 году Джордж Мунц, производитель металлического проката из Бирмингема, Англия, патентует т. н. «металл Мунца», мунц-металл, представляющий собой медно-цинковый сплав (латунь) с содержанием 57-61 % меди, порядка 40 % цинка и следовых количеств железа[1]. Обшивка листами из этого сплава защищала столь же эффективно, как и медная, но при этом была крепче, долговечнее и, что существенно, обходилась на треть дешевле. Мюнц также запатентовал и производил крепёж из того же сплава. Мюнц-металл выглядит светлее меди, из-за чего иногда назывался «жёлтым металлом»[2]. Сплав в значительной степени потеснил чистую медь, на чём Мунц заработал состояние[3].//
    Клиппер «Кати Сарк» обшит листами мюнц-металла.

  • dan14444

    В статье не хватает линка на попаданческое получение цинка. Учитывая летучесть — совсем нетривиальная весч.

    • 4eshirkot

      Получение цинка хорошо описано в соответствующей статье ЭСБЕ, да и тут неоднократно обсуждалось.
      Летучесть цинка — не недостаток, а большое пркимущество.

      • dan14444

        Угу, только линк всё равно нужен. И металлургия летучего металла — таки нетривиальна. Это не недостаток, это именно нетривиальность, в сравнении…

        Кстати, помимо латуни — у цинка масса иных, не менее интересных попаданческих применений, от пиротехники до гальваники.

          • dan14444

            В приведённом виде — не попаданческая весч, раньше РИ — проблемно сделать. Соответственно, и все латуни — не попаданческие…

            • 4eshirkot

              И что же в описанной технологии такого сложного? Печь, дающая 1200-1300 градусов? Трубчатые реторты из глины? Или цинковые руды, известные и применяемые для выплавки датуни методом цементации с глубокой древности?

              • dan14444

                Запредельно сложного — ничего, а по сумме — 16-18й век и получается, как и в РИ.

                Температурный режим пред-отжига, разделённая печь, прогорающие реторты (а если уйти от железных аллонжей — то и не только они), чувствительный к воздуху продукт — из которого цинк ещё выплавлять, токсичный выхлоп, герметичность…
                Да, можно упростить хоть до реторты, но выход и цена…

                Не просто так как только смогли — ушли с цинком в электролиз, аналогично алюминию.

                И не совсем понятно, ради чего морока — прорывным на таком уровне технологий цинк уже не является, а цементационные латуни — на порядок проще.
                ИМХО попаданчески интереснее рассмотреть варианты с повышением содержания цинка в цементационных латунях, но реально ли римлян обогнать без заморочек — вопрос.

                • 4eshirkot

                  По сумме технологий — бронзовый век или даже раньше.
                  В реальности промышленное производство цинка началось с XII века.

                  • dan14444

                    Именно промышленное в 12 веке? В каких объёмах? Источник?

                    • 4eshirkot

                      У меня в принципе готова статья на эту тему, в скором времени ее выложу.

                    • 4eshirkot

                      Наверное, уже не буду выкладывать, по крайней мере здесь. Мои статьи уже месяцами болтаются на утверждении у Краза, похоже, потребности в них нет, хотя хотелось бы обсудить еще многие вещи.

  • А если в сравнение с мышьяковистой бронзой — насколько сплав лучше? Понятно что дешевле, чем без железа но с оловом. А мех свойства? По мышьяковистой мало сведений.
    Для примера бериллиевая бронза — это венец бронз и широко используется, несмотря на высокую ядовитость бериллия, именно из-за мех. свойств.

    • 4eshirkot

      Конкретные данные найти сложно, встречается только твердость, которая близка к твердости оловянных бронз. Плскольку твердость очень хорошо коррелирует с пределом текучести, эта хаоактеристика для мышьяковистой бронзы тоже должна быть близка оловянной.

      • Получается только бериллиевые бронзы хоть сколько могут приблизиться к сталям?
        Если так, то тогда в более раннем века нет смысла в дельт металле — обивка кораблей, единственное применение.

  • 4eshirkot

    В статье про латунь https://www.popadancev.net/latun/ обсуждалось, какое пагубное влияние оказывают свинец и особенно висмут на механические свойства медных сплавов.
    Однако такое влияние сильно проявляется только для однофазных альфа-латуней, в дуплексных (альфа-бета) примесь свинца не только допустима, но и специально добавляется в количестве до 2% для улучшения обрабатываемости. Даже висмут, наиболее вредная примесь, не портит свойства дуплексных латуней, и может добавляться вместо свинца в тех случаях, когда свинец недопустим из-за токсичности
    https://www.infona.pl/resource/bwmeta1.element.elsevier-f90720db-f864-398b-a521-8e1f3aed6fa4
    Латунь состава 40% цинка, 0.3% хрома, 0.2% железа, 0.6% железа и 1-3% висмута имеет предел прочности 600 МПа и предел текучести 288 МПа.

  • 4eshirkot

    Вопрос возможности раннего начала производства цинка вызывает споры, однако лучший способ разрешить такие споры – обратиться к истории.
    Сам по себе цинк – достаточно распространенный металл, встречающийся как в виде индивидуальных руд, так и в составе многих руд полиметаллических. Однако восстановление этого металла из оксида углем возможно только при температуре выше 1000 градусов, что превышает температуру кипения самого цинка. Поэтому обычно получающийся при плавке, например, серебряно-свинцовых руд, цинк улетал с дымовыми газами и при контакте с кислородом обратно окислялся в оксид, оседающий в виде белых хлопьев. Для улавливания оксида цинка и других летучих компонентов руд средневековые металлурги часто использовали специальные камеры, установленные над плавильными печами. Оксид цинка был хорошо известен древним металлургам, и давно нашел применение в медицине, для лечения кожных и глазных болезней (в этих же целях оксид цинка применяют и в наше время). Алхимики называли оксид цинка философской шерстью.
    Хотя металлический цинк в древности был практически неизвестен, сплавы его с медью выплавлялись и применялись с весьма глубокой древности. По крайней мере в середины первого тысячелетия до н.э. выплавляли латунь методом цементации, при нагревании смеси меди, оксида цинка и угля в закрытых тиглях. При этом пары цинка поглощались медью и образовывался сплав, содержащий до 30% цинка. В Древнем Риме из цементационной латуни чеканили монеты, позже же латунь, благодаря своей пластичности нашла широкое применение в технике и производство ее этим методом продолжалось до XVIII-XIX вв.

  • 4eshirkot

    Сложно сказать, когда был впервые получен сам металлический цинк, однако промышленная выплавка этого металла, по всей видимости, началась в Индии в XII в. на руднике Завар в Раджастане. В качестве руды использовалась цинковая обманка (ZnS), которая предварительно обжигалась до оксида. Смесь оксида цинка, угля, доломита, коровьего навоза и соли помещалась в глиняные сосуды-реторты с узким горлом, которые помещались в перевернутом виде в специальную печь с дырчатым подом, при этом реторты нагревались до высокой температуры и образующиеся тяжелые пары цинка опускались через горло в специально подставленные снизу сосуды, где и конденсировались. Весь процесс занимал около суток, а производительность батареи из 3-7 печей составляла от 50 до 100 кг цинка.
    Легко заметить сходство этого метода выплавки цинка с другим хорошо известным процессов – получением ртути нисходящей дистилляцией, известной алхимикам с середины первого тысячелетия.
    Несколько позже, в XV или XVI вв выплавка цинка началась в Китае, и вскоре достигла большого размаха. Технология при этом сильно отличалась от индийской, и, вероятно, была изобретена независимо. Смесь цинковой руды и антрацита помещалась в высокий керамический тигель, глазурованный раствором поташа для придания газонепроницаемости. Сверху устанавливался приемник в виде неглубокой чаши, и тигель закрывался крышкой. При накаливании нижней части тигля (в слое горящего каменного угля) пары цинка поднимались вверх, конденсировались в холодной части тигля и собирались в чаше-приемнике, откуда извлекались после охлаждения. Широко известное изображение процесса выплавки цинка, опубликованное в энциклопедии Tiangong Kaiwu (1637), по-видимому, неверно, поскольку нагреваться должа была лишь нижняя часть тигля, для чего использовались специальные печи в виде яслей.
    Впоследствии для нагрева тиглей стали печи несколько иной конструкции, приспособленные к длиннопламенному топливу. Печи располагались парами, что давало возможность заниматься загрузкой и выгрузкой одной печи во время плавки во второй.
    Удивительно, но производство цинка столь примитивным методом сохранилось в отдельных местах Китая вплоть до 1970-х гг, и было хорошо задокументированно.
    Производимый на Востоке цинк не только употреблялся на месте, но и с 1605 г. экспортировался в Европу, сначала индийский в Португалию, затем китайский в Голландию и Англию (к XVIII в производство в Индии практически прекратилось). Цинк продавался под названием «индийсое олово» или спельтер, и использовался для выплавки латуни и литья декоративных предметов. Закупочная цена в китайских портах составляла около 20-30 фунтов за тонну (примерно столько же, сколько хорошее железо из Швеции), продажная цена в Англии при этом доходила до 260 фунтов за тонну.

  • 4eshirkot

    В Европе же история производства цинка еще более запутанная. Цинк как случайный продукт иногда собирался в трещинах печей, в которых плавили серебряно-свинцовые руды. Первые упоминания об этом металле встречаются еще у Страбона, однако хорошо задокументированно его образование лишь в De Re Matallica Агриколы. Поначалу цтнк воспринимался как бесполезный побочный продукт, но вскоре его стали добавлять в олово и использовать для выплавки латуни (одно из названий нового металла – кантрафакт – связано с использованием его фальшивомонетчиками, современное же название – цинк – дал Парацельс в начале XVI в в связи с характерной острой формой кристаллов цинка). Поскольку ценность цинка стала очевидна, горняки Раммельсберга (Гарц) пытались собирать получающийся при выплавке серебра цинк целенаправленно, устраивая специальный карман-сборник в передней стенке плавильной печи, хотя большая часть этого металла по прежнему уносилась с дымовыми газами. Изображение подобной печи можно найти, например, в Энциклопедии Дидро. В целом производство цинка таки способом оценивается в несколько сотен килограммов в год.
    Промышленную же выплавку цинка в Европе начал Вильям Чампион в 1730-х годах в Бристоле. Бристоль в это время был центром производства цементационной латуни в Англии, а отец Вильяма — Нехемия Чампион — владел предприятием по выплавки латуни. Вильям Чампион, вероятно, знал в общих чертах о применяемом в Индии методе нисходящей дистилляции, но в качестве основы взял конструкцию местной стекловаренной печи. По методу Чампиона смесь каламина и древесного угля нагревалась в 6 больших тиглях с отверстиями в дне и примазанной железной трубой в качестве конденсатора. Цинк (около 400 кг за одну плавку, которая длилась 70 часов и требовала трех работников) при этом собирался в подставленные снизу сосуды с водой. Себестоимость производства 1 т цинка по этому методу составляла 30-35 фунтов, причем 18 стоил исходный каламин и 6 фунтов топливо. Однако импортеры азиатского цинка начали снижение цен, которая к 1750 г упала до 40 фунтов за тонну, что, вместе с некоторыми другими сложностями, привело предприятие Чампиона к банкротству.

    • 4eshirkot

      Выплавка цинка в Раммельсберге из Энциклопедии
      https://artflsrv04.uchicago.edu/images/encyclopedie/V23/plate_23_19_1.jpeg
      Процесс Вильяма Чампиона — в основе стекловаренная печь
      http://www.alexdenouden.nl/publicaties/mosselman/mosselman.htm

    • 4eshirkot

      //The gradual realization of the general usefulness of zinc, however, led to a better method of extraction at Goslar by the early years of the eighteenth century, judging by the first-hand description of the process by Neumann, who pointed out that the metal was obtained not from a zinc ore found at Goslar but from the lead and silver ores of Rammelsberg. During the smelting, zinc vaporized and passed into reservoirs made for the purpose in the front wall of the furnace above the gutter by which the lead was run off. These reservoirs were almost enclosed on the inside by a large flat stone, small chinks being left for the vapour to enter, and by another tightly luted stone on the outside. Throughout the 20-hour fusion the outer parts of these receivers were sprinkled frequently with cold water to cool and condense the fumes. Afterwards the outer stone was hit with an iron rod to loosen the luting, whereupon the molten zinc ran out like mercury. The German zinc was remelted in an iron pot and cast in hemispherical masses. By this time the principles of the process were more clearly understood, and it was realized that the successful extraction of zinc from its ores would depend primarily upon the design of the receivers and on an effective method for condensing the metallic vapour. With this knowledge it became possible, just after the period here considered, to attempt the smelting of zinc direct from calamine.//

  • 4eshirkot

    Некоторое время цинк производился в Австрии в вертикальных трубчатых ретортах по так называемому каринтийскому методу (очень напоминающего индийский) в отапливаемых дровами печах, однако большее распространение получили методы с использованием горизонтальных реторт (бельгийский) или муфелей (силезский), которые стали главными методами выплавки в XIX в и прекратили свое существование лишь в начале XX в. Оба этих метода отличались достаточно низкими затратами топлива, в 3-4 раза меньше, чем английский.
    Бельгийский метод предполагает нагрев смеси обожженной цинковой обманки с коксом (1/3 по массе от руды) в трубчатых ретортах (диаметром 16-17 см и длиной 1.2 метра), помещенных в рядами в печь и заменяемых по мере прогорания через несколько плавок.
    В силезском методе использовались более объемистые муфели, вмещающие до 100 кг руды и служащие большее количество плавок. Это отличие от бельгийского метода связано с местными особенностями — дефицитом глины для реторт и использованием угля, горящего коротким пламенем.
    Пары цинка конденсируются в керамических или железных приемниках, а угарный газ сгорает на выходе, предотвращая контакт цинка с воздухом.

  • 4eshirkot

    Как видно, все вышеописанные методы имеют очень низкий технологический порог входа, лимитирующими факторами являются лишь глина средней огнеупорности, топливо и собственно сама цинковая руда. Поэтому попаданец, обнаруживший цинковую руду (а сделать это очень просто с помощью паяльной трубки), сможет наладить этого металла, полезного в любой ситуации.

    • onosamo

      Интересно, на кусочке угля с дутьем королёк цинка из руды получить удастся?

      • 4eshirkot

        Нет, цинк кипит, окисляется (горит голубым пламенем) и оседает рядом на угле в виде характерного налета, желтого в горячем состоянии и белого после охлаждения.

        • onosamo

          А вот брешут, что смешав оксид олова SnO2 с угольным порошком, металл (по крайне мере, в виде королька) получить можно:

          SnO2 + 2C = Sn + CO2

          Почему бы не масштабировать на касситерит (SnO2 же)? Или с рудой такой номер не пройдёт?

          • 4eshirkot

            Можно, не только олово, но и свинец, и висмут получаются элементарно. В этом может убедиться любой, достаточно взять свечку, шприц на 10 мл без поршня и изогнутой иглой, и кусок угля для шашлыков. Только смесь сначала смочить каплей воды, чтобы все не разлетелось. Правда, с поиском оксидов олова и свинца проблемы могут возникнуть.
            //Почему бы не масштабировать на касситерит (SnO2 же)? Или с рудой такой номер не пройдёт?//
            Дак так и выплавляют олово вот уже 5000 лет

Leave a Reply

You can use these HTML tags

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>