Основы дизайна. Художественная обработка металла. Учебное пособие - Михаил Ермаков

У всех металлов и сплавов имеются определенные механические, технологические и физические свойства. Немного подробнее о каждом из них.

Механические свойства – это прочность сплава, твердость, пластичность, вязкость, упругость.

К технологическим относятся литейные свойства сплавов, их свариваемость и способность к обработке резанием.

Физическими свойствами являются температура плавления сплава, цвет, плотность, расширение при нагревании, магнитные свойства, электро– и теплопроводность.

Также у сплавов есть литейные свойства. К ним относятся такие, как: жидкотекучесть, ликвация и усадка. Ниже приводятся объяснения по каждому свойству.

Жидкотекучесть – качество заполнения металлом литейной формы. Когда мы изготовляем ажурную художественную отливку со сложной поверхностью, хорошая жидкотекучесть просто необходима. Химический состав сплава и температура заливки – показатели жидкотекучести. У чугуна она увеличивается при повышении содержания кремния, фосфора и углерода, а сера и марганец понижают жидкотекучесть. Существует специальная литейная форма со спиралевидным каналом, при помощи которой и определяют жидкотекучесть.

Залитый в форму сплав при охлаждении теряет объем. Это называется усадкой, которая бывает объемной и линейной. Если в отливках возникает внутренние напряжения, вызывающие трещины, пористость, усадочные раковины, то причиной этому стала усадка.

Она также негативно влияет на объем и размеры изготовляемых отливок.

При кристаллизации сплава возникает неоднородность химического состава – это ликвация, которая наиболее выражена в массивных сечениях изделия.

Употребляемые литейные сплавы. Теперь нам необходимо подробнее остановиться на рассмотрении сплавов, применяемых при художественном литье. Как уже говорилось выше, их несколько.

Медные сплавы. Современные исследования историков и археологов свидетельствуют о том, что медь, вероятнее всего, была первым металлом, которым овладел человек, научившись выплавлять его из руд. Произошло это, судя по возрасту найденных в последнее время археологами древнейших изделий из меди, почти 10 тысяч лет назад.

С открытием металлургии медь и ее сплавы на много веков стали материальной основой техники. Затем люди научились выплавлять железо, и медь на целые тысячелетия утратила свое первостепенное значение в производстве орудий труда. Со временем наука и техника подготовили новые сферы использования меди. Медь стала одним из самых важных и широко распространенных легирующих элементов в десятках новых сплавов. Да и в электротехнике медь всегда являлась материалом номер один.

Если изделие будет работать в условиях повышенного трения, во влажной среде (морская вода), то такие детали необходимо изготавливать из медных сплавов. Также они имеют хорошие литейные свойства и их используют в художественном литье. Существуют два вида медных сплавов – бронза и латунь. Расскажем немного о каждом. Олово, свинец (см. описание выше), марганец, алюминий, добавленные к меди, – это и есть бронза. В свою очередь и бронза бывает двух видов – оловянная и безоловянная. Оловянные бронзы имеют как достоинства (высокое сопротивление износу и действию воды, хорошая жидкотекучесть), так и недостатки (высокая стоимость, низкая прочность при повышенной температуре, склонность к образованию усадочной пористости). Безоловянные бронзы обладают хорошей коррозийной прочностью и стойкостью, недороги, но в то же время отливки из них получаются с усадочными раковинами, не очень плотными.

Латунь – это сплав меди с цинком (см. применение цинка ниже). Иногда при плавке латуни добавляют и другие химические элементы. Эти сплавы чаще всего используют при изготовлении отливок со сложной поверхностью, потому что они имеют более плотную структуру и малую газовую пористость.

Алюминиевые сплавы. Бокситы – главная руда алюминия. Своим названием этот вид минерального сырья обязан местности Ле-Бо на юге Франции, XIX веке впервые были обнаружены его крупные залежи. Однако знакомство человека с этой рудой произошло гораздо раньше – в самом начале нашей эры. Сохранилось письменное свидетельство Плиния Старшего о том, как безыменный мастер изготовил для императора Тиберия серебристый сосуд из «глины». Император, отличавшийся недоверчивостью, подозрительностью и вероломством, приказал казнить мастера, так как побоялся, что доступное «глиняное серебро» обесценит его серебряные сокровища. Загадочная глина осталась безвестной еще на восемнадцать столетий.

XIX век, прославившийся крупными научными открытиями, дал путевку в жизнь многим химическим элементам, полезным ископаемым, металлам. Промышленная революция требовала новых материалов – прочных, легких, красивых. Но, как это нередко случается, путь нового материала от лаборатории до промышленного производства занимает десятилетия. Так было и с алюминием. От удачного эксперимента датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, которому удалось получить чистый алюминий в виде тонкого порошка в 1825 году, а через 20 лет удалось получить новый металл в виде мелких зерен, до электролитического способа получения алюминия из глинозема прошел 61 год! В 1886 году в США студент Холл и во Франции химик Эру независимо друг от друга запатентовали этот способ, заложивший фундамент бокситодобывающей и алюминиевой промышленности.

В те годы выдающемуся русскому ученому Д. И. Менделееву на юбилей преподнесли брошку в виде маленькой ящерицы. Этот подарок считался сенсацией, так как ящерица была выполнена из совершенно нового, чрезвычайно редкого и дорого материала – алюминия.

В основном этот новый металл – алюминий, получали в небольших количествах химическими методами, и стоил он ненамного дешевле золота. Наряду с золотом и серебром алюминий шел на изготовление ювелирных изделий. Так, в 50-х годах XIX века из алюминия и золота сделали погремушку для сына французского императора Наполеона III (рис. 2.11).

Центральный шар погремушки и корона на нем сделаны из золота, а ангелочки и ручка в виде ангела – из алюминия. Погремушка украшена драгоценными камнями. (Коллекция сведений не слишком известных // Наука и жизнь. № 2, 1979).

А в 1884 году из алюминия сделали верхушку памятника Вашингтону в столице США. Пирамидка весом около 25 кг перед установкой на вершине обелиска была выставлена в витрине крупного ювелирного магазина в Нью-Йорке на удивление прохожим, никогда в жизни не видевших таких количеств драгоценного металла. Собственно, по своим качествам алюминий и сейчас заслуживает этого звания – необычайная легкость, красивый блеск после шлифовки и благородная матовость в окисленном виде, устойчивость к химикатам и легкость обработки делают его хорошим материалом для ювелирных и чеканных изделий. Но распространенность алюминия в горных породах и легкость получения в больших количествах почти совершенно лишили его этой роли. Зато в технике и строительстве алюминий – поистине драгоценный металл.

Из года в год стоимость алюминия снижается, а сфера применения расширяется. Почему? Этот металл имеет ряд уникальных свойств – он устойчив к коррозии, легок, весьма просто обрабатывается. Алюминий и его сплавы можно резать, штамповать и даже прессовать через специальные фильеры, выдавливая словно крем. Все эти свойства привлекают внимание инженеров, дизайнеров к широкому применению металла и его сплавов в строительстве, художественном литье и т. д.

Алюминиевые сплавы делятся на группы и марки, обладают хорошими литейными свойствами, великолепно обрабатываются, имеют малую плотность и довольно прочны. Наибольшее применение имеет группа сплавов кремния с алюминием. Их называют силуминами.

Серый чугун. Если учесть дефицитность и высокую стоимость медных сплавов, то лучшей замены им, чем серый чугун, не найти. Он обладает хорошими технологическими свойствами, высокой коррозийной стойкостью и низкой стоимостью. Поэтому широко применяется при изготовлении малых форм.

2.7.1. Плавильные печи

Чтобы приготовить металл для заливки в форму, существуют плавильные печи, в которых он расплавляется. Есть несколько разновидностей печей – это дуговые и индукционные электрические, пламенные и тигельные, вагранки, электрические печи сопротивления. Они должны обеспечивать: низкий расход топлива и хорошую производительность, небольшой угар расплава и минимальное насыщение его ненужными примесями, выход расплава заданной температуры, жидкотекучести и химического состава. Совсем немного поясним вопрос по поводу этих печей.

Рис. 2.11. Погремушка из алюминия, золота и драгоценных камней.