Какие свойства называются технологическими

К технологическим свойствам металлов относятся такие свойства, кото-рые требуются при разработке технологических процессов их обработки раз-личными способами и получения из них художественных изделий на практи-ке.

Ковкость – свойство металла изменять свою форму в больших пределах при действии динамических или статических нагрузок. Ковкость металлов требуется собственно при ковке, а также других видах обработки давлением (прокатке, волочении, прессовании, штамповке). Ковкость определяется двумя показателями – пластичностью, то есть способностью металла подвергаться деформации под давлением без разрушения и сопротивлением деформации – то есть уровнем внешних нагрузок, которые надо приложить для осуществле-ния деформации. У ковких металлов (сталь, латунь, дюралюминий и некото-рые другие – медные, алюминиевые, магниевые, никелевые сплавы) относи-тельно высокая пластичность сочетается с низким сопротивлением деформа-ции. Степень ковкости зависит от собственно пластичности металла, степени его нагрева, величины прикладываемого усилия и скорости с которой это уси-лие прилагается, наличия примесей в металле, способствующих его хрупкости и т.д. Некоторые металлы показывают хорошую ковкость и в холодном состо-янии: медь, алюминий, свинец, олово и т.д. Другие (сталь) имеют высокую ко-вкость в горячем состоянии. Последний факт широко используется при изго-товлении художественных кованых изделий из малоуглеродистых марок ста-ли, которые ранее называли ковочным железом.

Свариваемость – способность металлов (и не только!) образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного/основ-ных металлов (материалов). При изготовлении художественных изделий из металлов иногда требуется сваривать их части, полученные методами обработ-ки давлением. Поэтому требуется, чтобы металлы хорошо сваривались станда-ртными способами (электросварка, пайка и т.д.). Кроме того, в процессе обра-ботки давлением, особенно в нагретом состоянии «свежие» (т.е. еще неокис-ленные на воздухе) поверхности металлов при соприкосновении также облада-ют свойством свариваемости (поверхностные слои атомов активно проникают друг в друга), образуя очень прочное соединение. Чистые металлы сваривают-ся легче, чем сложные сплавы. Отметим, что чем выше содержание углерода в стали, тем хуже ее свариваемость.

Закаливаемость – свойствометаллов значительно повышать свою тве-рдость и износостойкость после нагрева и последующего быстрого охлажде-ния в различных средах. В зависимости от скорости охлаждения, например, у стали можно получать различные структуры (см. далее), а следовательно и свойства. В качестве охлаждающих сред, как правило, используют воду и тра-нсформаторное масло. При температуре воды, равной 18 0С, а исходной темпе-ратуре металла 750 – 850 0С скорость охлаждения может достигать 600 0С/сек. При использовании масла скорость охлаждения существенно ниже – до 150 0С/сек. Естественно и структура и свойства получаются после этих видов зака-лки разными.

Жидкотекучесть – способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, воспроизводя в отливке контуры ее поверхности. При низкой жидкотекучести движение расплава в форме может прекратиться раньше, чем она будет заполнена. Таким образом, жидкотеку-честь сказывается на заполняемости формы расплавом, четкости воспроизве-дения рельефа полости формы.

Густоплавкость – свойство обратное жидкотекучести. Металлы и спла-вы, обладающие густоплавкостью, даже при высоком их нагреве остаются гус-тыми и при заливке форм плохо их заполняют. К густоплавким относятся чис-тое серебро, красная медь, сталь.

Литейная усадка – уменьшение объема при переходе из жидкого состо-яния в твердое. При охлаждении металла отливка сокращается по объему и как бы отходит от стенок формы. Т.е. отливка всегда меньше модели, по кото-рой сделана форма. Величина усадки для разных металлов различна. В табл. 4 приведены литейные усадки некоторых металлов и сплавов. Зная величину усадки можно рассчитать размеры модели с ее учетом, чтобы получить на выходе требуемые размеры изделия – отливки.

Спекаемость. Иногда изделия (и художественные, в частности) изготав-ливаются из металлического порошка. При этом металлы, предварительно из-мельченные в порошок, смешиваются и запрессовываются в специальные фор-

мы и подвергаются воздействию высокой температуры и давления до спека- ния. В конечном итоге из порошка получается твердое и прочное изделие. Ра-

зличные металлические порошки спекаются по разному – одни хуже, а другие лучше. Таким образом, желательно, чтобы порошок металла, в случае необхо-

димости, хорошо «спекался», как правило, при высокой температуре и доста-чном давлении. Такое технологическое свойство называют «спекаемостью».

Табл. 4. Величины усадки (%) для некоторых металлов и сплавов при

различных способах литья.

Обрабатываемость резанием на различных станках (токарном, фрезер-ном и пр.), а также способность шлифоваться и полироваться – свойства, иг-рающие важную роль при изготовлении художественных изделий и особенно в отделке. Хорошо режутся бронзы, латуни, некоторые марки сталей, алюми-ния и даже чугуна. Особенно плохо обрабатываются на станках красная медь и свинец и его сплавы.

Контрольные вопросы для самопроверки.

1. К какому виду искусства относится памятник Петру I в Санкт-Петербур-ге и из каких материалов он изготовлен?

2.Какие материалы используются для изготовления художественных изделий прикладного искусства?

3. Какие этапы в создании и внедрении художественных изделий можно выделить?

4. Классификация металлов для художественных изделий.

5. Классификация художественных изделий.

6. Перечислите физические свойства металлов.

7. Перечислите механические свойства металлов.

8. Какой способ определения твердости наиболее предпочтителен для художественных изделий и почему?

9. Перечислите технологические свойства металлов.

10. В каких случаях нужна хорошая свариваемость металлов?

11. В каких случаях нужна хорошая жидкотекучесть металлов?

12.В каких случаях надо учитывать усадку металла при его затвердевании?

13.Окисление металла – это хорошо или плохо?

14.Что такое спекаемость металлических порошков и для чего она необходима?

15. Приведите пример художественного изделия, для материала которого нужна высокая выносливость.

16. Почему для определения механических свойств материалов применяют стандартные образцы?

Технологические свойства материалов определяют возможность получения заготовок и деталей выбранными методами и способами при условии обеспечения минимума затрат на конечный продукт — минимальной трудоемкости, материалоемкости, а также обеспечения экологии и эргономики.

В зависимости от способа производства заготовок и деталей определяющими являются следующие свойства.

Литейные свойства — способность жидких материалов заполнять литейные формы и образовывать плотные отливки.

Эти свойства характеризуются жидкотекучестыо материала, его усадкой и ликвацией.

Жидкотекучесть — способность материалов заполнять полости литейной формы и точно воспроизводить очертания этой формы. Жидкотекучесть определяется в соответствии с ГОСТ 16438—70 по спиральной пробе. Материал заливается в форму, имеющую вид спирального прутка, и жидкотекучесть оценивается длиной в сантиметрах части канала, залитого сплавом.

Усадка — свойство материалов уменьшаться в линейных размерах и в объеме при охлаждении от температуры заливки до комнатной. С усадкой связано появление в отливках усадочных раковин, пористости, рыхлости, коробления, трещин. Усадка определяется по ГОСТ 16817-71.

Ликвация — это неоднородность химического состава сплава, возникающая при кристаллизации. Различают зональную, внутрикри- сталлическую (дендритную) ликвацию и ликвацию по плотности. Зональная ликвация в отливках возникает из-за разности температур затвердевания отдельных составляющих и разной плотности этих составляющих сплавов. В чугуне и стали ликвируют сера, фосфор, углерод, располагаясь в верхней и центральной частях отливок. В сплавах, затвердевающих с мелкозернистой структурой, зональная ликвация уменьшается. Внутрикристаллическая ликвация образуется при ускоренном охлаждении отливок, она может быть уменьшена термической обработкой (отжигом) отливки. Ликвация по плотности возникает в сплавах, содержащих тяжелые металлы (например, в свинцовых бронзах); такая ликвация предотвращается перемешиванием сплава перед заливкой и ускоренным охлаждением при кристаллизации.

Деформируемость (ковкость, штампуемость) — способность материалов к значительным пластическим деформациям без разрушения и образования пороков.

Деформируемость проверяется технологическими пробами. Технологические пробы проводятся в соответствии с ГОСТ 8817—82 — на осадку в горячем состоянии; ГОСТ 10702—78 — на осадку в холодном состоянии; ГОСТ 1579—80, 13813—68 — на перегиб; ГОСТ 10447—80 — на навивку проволоки и др.

Свариваемость — способность материалов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам свариваемых материалов. Контроль свариваемости проводят по ГОСТ 23870—79, 3242— 79, 6996-66, 13585-68.

Обрабатываемость резанием — характеризуется качеством обработки (шероховатостью обработанной поверхности и точностью размеров), стойкостью инструмента, сопротивлением резанию, видом стружкообразования. Практически обрабатываемость стали резанием определяют сравнительными испытаниями, путем обтачивания образцов испытуемой стали и стали 45 с определенными прочностными характеристиками (о„ 650 МПа, 170—180 НВ), принимаемой за эталон.

Закаливаемость — способность стали повышать твердость в результате термической обработай (закалки).

Прокаливаемость — способность стали получать при термической обработке (закалке) закаленный слой с определенной структурой на ту или иную глубину. Испытания на прокаливаемость проводят в соответствии с ГОСТ 5657—69.

Технологические свойства — это свойства, которые определяют способность конструкционных материалов подвергаться различным видам обработки в холодном и горячем состоянии. В основе этих свойств лежат физико-механические особенности конструкционных материалов, которые и определяют технологичность заготовок в процессе изготовления различных деталей и инструмента. К технологическим свойствам относятся обрабатываемость резанием, деформируемость (ковкость, штампуе- мость, способность к загибу, перегибу, отбортовке, получению двойного кровельного замка и т.д.), свариваемость, литейные свойства, паяемость, упрочняемость и др. Технологические свойства характеризуют поведение материалов в процессе изготовления из них деталей.

Свариваемость — способность конструкционных материалов образовывать прочные, неразъемные соединения путем местного расплавления соединяемых деталей и их последующего охлаждения. Вид сварки зависит от источника нагрева. Сварка бывает газовая, дуговая, электроконтактная, ультразвуковая, электро- шлаковая, кузнечная и др.

Деформируемость — способность заготовок воспринимать пластическую деформацию в процессе технологических операций: гибки, ковки, штамповки, волочения, проката и прессования без нарушения ее целостности. Деформируемость зависит от химического состава, механических свойств, скорости деформации, а также температуры и величины деформации при каждой операции. Оценка деформируемости при различных видах операций давлением проводится методом технологических проб, испытаний.

Технологические испытания не дают числовых данных по качеству деформированности конструкционных материалов.

Литейные свойства — способность конструкционных материалов образовывать качественные отливки без трещин, коробления, усадочных раковин и т.д. К ним относятся жидкотеку- честь, усадка и ликвация.

Жидкотекучесть — способность конструкционного материала в жидком состоянии заполнять полости, узкие и тонкие места литейной формы и давать четкое объемное изображение очертаний отливок. Жидкотекучесть зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости и поверхностного натяжения. На жидкотекучесть влияет также качество полости формы, шероховатость ее стенок, их теплопроводность и характер атмосферы в самой форме. Например, жидкотекучесть металла в песчаных сухих формах значительно выше, чем в сырых и металлических формах.

Усадка — свойство конструкционных материалов уменьшаться в объемных и линейных размерах при затвердевании отливок. Величина усадки выражается в процентах. Усадка зависит от химического состава конструкционных материалов и температуры их заливки. При повышении температуры сплава усадка отливки увеличивается. Усадка различных конструкционных материалов колеблется в пределах 1…2 %. Например, литейный серый чугун имеет величину усадки 1 %, сталь — 2 %, сплавы цветных металлов — 1,5 %. Усадка сопровождается образованием в отливках усадочных раковин и рыхлости. Для компенсации усадки, предотвращения усадочных раковин и рыхлости литейную форму конструируют таким образом, чтобы ее полость постоянно подпитывалась жидким металлом, т.е. делают дополнительные устройства — прибыли.

Ликвация — неоднородность по химическому составу в отливках, образуемая в процессе кристаллизации сплава. Химическая неоднородность наблюдается как в отдельных частях отливки (зональная ликвация), так и внутри отдельных зерен (внутри – кристаллическая ликвация).

Внутрикристаллическая ликвация устраняется путем термической обработки, а зональная — механическим перемешиванием жидкого металла в процессе его заливки в форму. Большое влияние на ликвацию оказывает также скорость охлаждения отливки. При быстром равномерном охлаждении отливки ликвация не наблюдается. Кроме того, практикуют охлаждение жидкого металла и его затвердевание по направлению прибыли. Разнородность по химическому составу в этом случае образуется в прибыли. Таким образом, прибыль является универсальным устройством, которое предотвращает явный брак в отливках, образуемый усадкой, короблением и ликвацией.

Паяемость — способность конструкционных материалов образовывать прочные и герметичные соединения путем паяния. В необходимых случаях (например, в радиотехнике и электротехнике) спаянные соединения должны обладать определенными физическими свойствами: электропроводностью, индуктивностью и т. д.

Упрочняемость — способность конструкционных материалов улучшать механические свойства в процессе термической и химико-термической обработки. К упрочняемости относятся закаливаемость, прокаливаемость и незакаливаемость.

Закаливаемость — способность конструкционных материалов воспринимать закалку. Этой способностью обладают все углеродистые и легированные стали с массовой долей углерода свыше 0,3 %, а также чугуны, сплавы цветных металлов, латуни, бронзы, силумины и другие сплавы.

Прокаливаемостъ — это способность конструкционных материалов воспринимать закалку на определенную глубину. Прокаливаемое™ характеризуется глубиной закалки, которая определяется на стандартных образцах по ГОСТ 5657—69. Испытанию подвергают цилиндрические образцы диаметром 25 мм, длиной 120 мм с заплечиками. Их закаливают с торца и через определенные размерные интервалы по методу Роквелла замеряют твердость. Прокаливаемое™ зависит от химического состава конструкционного материала, температуры нагрева и способа охлаждения. Например, углерод в конструкционных сталях, начиная от массовой доли 0,3 %, способствует увеличению прокаливаемое™. Хром, кремний и марганец также способствуют увеличению прокаливаемое™ легированных сталей. Высокую прокаливаемость имеют углеродистые инструментальные стали с массовой долей углерода 0,7… 1,3 %.

Примеры прокаливаемое™ стали в зависимости от их химического состава представлены на рис. 3.6 (заштрихованные элементы показывают глубину прокаливаемое™).

Незакаливаемость — способность конструкционных материалов в процессе термической обработки не воспринимать закалку (например, углеродистые и другие стали с массовой долей углерода менее 0,3 %). Свойство незакаливаемости отдельных конструкционных материалов широко используется при сварке. Чем выше незакаливаемость металла соединяемых деталей и электродов, тем выше качество сварного соединения. Если отдельные стали обладают устойчивым свойством незакаливаемости, то как бы их ни нагревали и ни охлаждали, детали из этих сталей закалку вообще не воспринимают.

Эксплуатационные свойства — это свойства, которые определяют долговечность и надежность работы изделий в процессе их эксплуатации. К ним относятся износостойкость, циклическая вязкость, жаропрочность, хладностойкость, антифрикционное™, прирабатываемое™ и др., которые определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы машин и механизмов. В основу эксплуатационных свойств положены физико-механические и химические свойства конструкционных материалов. Физико-химическая природа этих материалов определяет надежность и долговечность работы деталей и механизмов.

Износостойкость — способность конструкционных материалов сопротивляться абразивному износу трущихся поверхностей деталей и инструмента во время работы. Например, передняя

Рис. 3.6. Глубина прокаливаемости стали в зависимости от ее химического состава:

а — углеродистые стали (низкая прокаливаемость); б — хромоникелевые стали (средняя прокаливаемость); в — легированные стали (высокая прокаливаемость); г — хромоникелевые стали с повышенным содержанием хрома (повышенная прокаливаемость) поверхность режущих инструментов, по которой сходит стружка, при механической обработке (точении, сверлении, фрезеровании и т.д.) постоянно подвергается высокому трению, вследствие чего происходит изнашивание этой поверхности и режущей кромки резца. Режущие элементы затупляются. Чем выше износостойкость материала резца, тем выше стойкость режущего инструмента, т.е. непосредственное машинное время работы данным инструментом.

Требования высокой износостойкости предъявляются ко всем трущимся поверхностям деталей, инструменту и механизмам в процессе работы. Поверхности зацепления зубчатых передач, фрикционных муфт, кулачковых механизмов, зеркало цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т.д., как правило, должны иметь высокую износостойкость. Высокая износостойкость деталей, инструмента и механизмов достигается путем термической и химико-термической обработки.

Циклическая вязкость — способность конструкционных материалов выдерживать динамические знакопеременные нагрузки, не разрушаясь. Примером высокой циклической вязкости могут служить рессоры автомобиля, торсионы и пружины. Эти детали работают при высоких динамических нагрузках в сложных условиях и длительное время не разрушаются.

Постоянные толчки на стыках рельсов, неровностях автодорог и неравномерное движение поездов деформируют рессоры и пружины в прямом и обратном направлениях. Благодаря высокой циклической вязкости рессоры и пружины длительное время не разрушаются, что определяет их надежность.

Разновидностью циклической вязкости являются демпферные свойства некоторых конструкционных материалов.

Демпфирование — способность гасить, рассеивать колебания и направленные нагрузки. Особенно высокими демпферными свойствами обладают серые литейные и ковкие чугуны, благодаря чему они широко применяются в производстве высоко- нагруженных деталей машин и конструкций (станины станков, кронштейны, кожухи и т.д.).

Жаропрочность — способность конструкционных материалов выдерживать высокие механические нагрузки в процессе работы при температурах, начиная с 0,3 Тш и выше. Жаропрочность зависит от тугоплавкости химических компонентов конструкционных материалов. Многие детали современных двигателей, турбин, металлургических печей и силовых установок при высоких температурах несут большие нагрузки. При этом в конструкционных материалах ослабевают межатомные связи, уменьшаются упругость, твердость, вязкость, и детали постепенно разрушаются. Углеродистые стали практически не имеют жаропрочности. С добавлением в них алюминия, магния и титана в небольших объемах жаропрочность повышается до 300…600 °С. С добавлением в сплав никеля и кобальта жаропрочность повышается до 700… 1000 °С.

Жаростойкость (окалиностойкость) — способность металлов и сплавов противостоять образованию коррозии под действием температуры в среде воздуха, газа и пара. В практике принята эксплуатационная жаростойкость — стойкость при длительной работе деталей и конструкций при температуре 600…650 °С. Углеродистые стали и чугуны имеют низкую жаростойкость. Легированные стали, чугуны, сплавы, содержащие хром, никель, титан, вольфрам и ванадий, имеют жаростойкость 800… 1000 °С и выше. Жаростойкость определяют глубиной коррозии (окалиной). Кроме того, стандартом устанавливается продолжительность работы деталей и конструкций в газовой среде (воздухе) при повышенной температуре. Жаростойкость металлов и сплавов определяют по специальной методике согласно ГОСТ 6130-71.

Хладностойкостъ — свойство конструкционных материалов сохранять вязкость при отрицательных температурах от 0 до —269 °С. Воздействию низких температур подвергаются газо- и нефтепроводы, мосты, рельсы и другие сооружения, эксплуатируемые в северных районах, где температура может достигать —60 °С; летательные аппараты, работающие при температурах от 0 до —183 °С; детали, узлы и механизмы холодильной и криогенной техники, эксплуатируемые в условиях температур до —269 °С.

Хладноломкость — свойство материала хрупко разрушаться при пониженных температурах и терять вязкость. Понижение температуры приводит к хрупкому разрушению конструкционных материалов. Высокой хладноломкостью обладают углеродистые конструкционные стали и чугуны. Алюминий, титан и их сплавы, никелевые стали обладают более высокой хладностой- костью. Для деталей и конструкций, работающих при отрицательных температурах, с целью уменьшения хладноломкости и получения высокой хладностойкости применяют специальные легированные стали и новые материалы — композиты.

Антифрикционностъ — способность конструкционных материалов образовывать низкое трение соприкасающихся (трущихся) поверхностей деталей в процессе их работы. Низкий коэффициент трения и высокое скольжение обеспечивают анти- фрикционность конструкционных материалов. В практике выпускаются специальные материалы, которые идут на изготовление узлов трения. Эти материалы называются антифрикционными. Они широко применяются для изготовления подшипников скольжения в современных машинах, механизмах и приборах. Антифрикционные материалы обладают устойчивостью к вибрации, бесшумностью в работе и прирабатываемостъю. В качестве антифрикционных материалов широкое применение нашли чугуны, бронзы и баббиты. В целях устранения нагрева при трении и увеличения антифрикционности в механизмах используются смазывающие материалы.

Фракционность — способность конструкционных материалов к образованию высокого трения соприкасающихся поверхностей деталей в процессе их работы. Фрикционность используется в тормозных устройствах и механизмах и для передачи крутящего момента (фрикционные муфты, диски сцепления, тормозные барабаны и системы и т.д.).

Материалы, предназначенные для изготовления тормозных устройств, должны обладать высоким коэффициентом трения, минимальным износом, теплостойкостью, прирабатываемостью и высокой прочностью. В качестве фрикционных материалов применяются многокомпонентные металлические и неметаллические пластины, диски и накладки, спеченные или спрессованные с асбестом, графитом, металлической стружкой или проволокой.

Прирабатываемостъ — способность конструкционных материалов пластически деформироваться в процессе работы в узлах трения, увеличивать площадь контакта, снижать давление и температуру на трущихся поверхностях в узлах трения и сохранять граничную смазку.

Хорошая прирабатываемостъ обеспечивает надежную работу подшипников скольжения и качения при работе в паре с сырым или закаленным валом и других трущихся деталей и механизмов, повышая их долговечность. С целью обеспечения надежности и долговечности работы машин и механизмов после их изготовления проводится обкатка на холостом ходу. А после сдачи станка в эксплуатацию в первый период (рекомендуют для машин) осуществляют работу на малых оборотах или скоростях. В этих случаях происходит плавная прирабатываемостъ всех узлов и агрегатов машин, станков и механизмов.

Эксплуатационные свойства в технике еще получили название «триботехнические характеристики».