 |
|
МЕТАЛЛОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ТОВАРЫ
1.Черные металлы и сплавы
2.Цветные металлы и сплавы
3.Формирование свойств металлохозяйственных товаров в процессе производства
4.Нанесение защитных и защитно-декоративных покрытий
5.Ассортимент и качество металлохозяйтвенных изделий
6.Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение металлохозяйственных товаров
Введение
Металлы - вещества, обладающие высокой тепло- и электропроводностью, ковкостью, блеском и другими характерными свойствами.
Классификация металлов может осуществляться по различным признакам.
Например, по характеру компонентов металлы и сплавы разделяются на черные и цветные. Черные металлы имеют серый и темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. К ним относят железо (и ферросплавы). Цветные металлы чаще всего имеют характерный цвет (красный, желтый, белый). К ним относят медь, алюминий, цинк и др. Физические свойства этих металлов очень разнообразны. Двадцать лет назад более 95% всех бытовых металло-товаров изготовлялось из черных металлов и сплавов. В настоящее время все более очевидна тенденция использовать для производства бытовых металлоизделий цветные металлы и сплавы.
По плотности металлы и сплавы классифицируют на легкие (плотность менее 5000 кг/м3) и тяжелые (плотность более 5000 кг/м3). К легким металлам относят алюминий, магний, титан, к тяжелым - медь, никель, цинк и другие.
В зависимости от температуры плавления металлы подразделяют на тугоплавкие - температура плавления выше, чем у железа (температура плавления железа - 1539 °С) и легкоплавкие. Среди тугоплавких можно выделить вольфрам, молибден, титан, платину. К легкоплавким относят олово, свинец, цинк, магний, алюминий, серебро.
В соответствии с химической активностью металлы и сплавы относят к благородным (золото, платина, палладий) и неблагородным (алюминий, медь, олово и др.). Для благородных металлов и сплавов характерна высокая химическая стойкость, для неблагородных высокая химическая активность.
Для рационального применения металлов в производстве тех или иных товаров необходимо знать и учитывать их свойства. Свойства металлов принято подразделять на физические, механические, химические и специальные.
К физическим свойствам относят плотность, температуру плавления, теплопроводность, электропроводность, магнитную проницаемость, тепловое расширение, оптические характеристики и др. К наиболее важным механическим свойствам - прочность, упругость, пластичность, твердость, вязкость, выносливость (усталостную прочность).
К химическим свойствам относят химическую стойкость к действию кислот, щелочей, пресной и морской воды, воздуха, различных газов и т. д. Металлы обладают неодинаковой стойкостью к различным средам. Например, свинец стоек к щелочам, а медь быстро разрушается в этой среде. Никель стоек к растворам кислот органического происхождения, но быстро разрушается под действием неорганических кислот.
Специальные свойства характеризуют поведение металлов в специфических условиях, например, при действии повышенных или пониженных температур, давления и т. п.
Перечисленные свойства проявляются у металлов в неодинаковой степени. Так, металлический блеск наиболее характерен для серебра - оно применяется в производстве зеркал. Смотрясь в зеркало, человек видит свое отражение от тонкой пленки серебра, нанесенной на заднюю поверхность стекла. По электропроводности первое место занимают золото и серебро, за ними следуют медь и алюминий. В электротехнике используют именно эти металлы или же, наоборот, металлы с очень низкой электропроводностью (например, вольфрам, электропроводность которого в 340 раз ниже, чем у серебра). Теплопроводность металлов пропорциональна их электрической проводимости, поэтому по теплопроводности металлы располагаются так же, как по электропроводности: золото, серебро, медь, алюминий.
Характерное для металлов свойство - пластичность - проявляется в том, что под ударами металлы не распадаются на отдельные куски, а расплющиваются, деформируются, т. е. металлы ковки. По ковкости первое место среди металлов занимает золото. Золото можно прокатывать в проволоку толщиной меньше человеческого волоса. Среди хрупких металлов можно назвать хром и вольфрам.
Из вышеупомянутых свойств металлов на практике наиболее важны плотность, температура плавления и твердость. У металлов плотность изменяется в очень широких пределах от 500 кг/м3 (у лития) до 22 000 кг/м3 (у осмия). Как уже отмечалось, металлы с плотностью менее 5000 кг/м3 называются легкими, с плотностью более 5000 кг/м3 - тяжелыми. Наиболее используемые среди легких металлов - алюминий, магний, титан. Если требуются металлы с максимально большой плотностью (например, для изготовления дроби), используют свинец, хотя его плотность в два раза меньше, чем у осмия, но он самый дешевый из тяжелых металлов.
Температуры плавления металлов также изменяются в широких пределах. От-39 °С у ртути до 3416 °С у вольфрама.
В широких пределах изменяется и твердость металлов. Наименее твердые щелочные металлы - они мягки как воск и легко режутся простым ножом. К наиболее твердым относят хром. Он не поддается обработке даже закаленным инструментом.
Чистые металлы широко используются в радиотехнике, электронной промышленности, но в производстве бытовых металлот-варов их применение ограничено. Это связано с тем, что, во-первых, что чистые металлы очень дороги, т. к. их получение часто связано с применением сложных технологий очистки от примесей и загрязнений. Из известных 83 металлов в чистом виде пока удалось получить только 75. Во-вторых, чистые металлы не всегда имеют требуемые свойства. Например, алюминий очень легкий металл, но он не обладает достаточной твердостью и прочностью. Чтобы повысить твердость и прочность, алюминий сплавляют с медью, марганцем и магнием, получая сплав - дюралюминий; или же с кремнием - получая силумин. Золотые украшения никогда не выполняют из чистого золота, поскольку золото легко деформируется и истирается. Для изготовления золотых ювелирных изделий обычно используют сплав золота с серебром и медью.
Металлический сплав - это вещество, получаемое при соединении двух или более элементов, называемых компонентами сплава, из которых основным является металл. Остальные компоненты сплава (лигатура) могут быть представлены как металлами, так и неметаллами: углеродом, азотом, фосфором или серой. Например, латунь - сплав меди с цинком, сталь - сплав железа с углеродом, силумин - сплав алюминия с кремнием.
Сплавы получают чаще всего из жидких расплавов смеси компонентов. Имеются и другие способы получения сплавов - электролиз, сублимация, спекание.
Сплавы, используемые при производстве бытовых металло-товаров, имеют кристаллическое строение и обладают всеми свойствами, присущими металлам: металлическим блеском, электро- и теплопроводностью, прочностью, твердостью и др.
Широкое применение сплавы получили из-за возможности сравнительно легко и в широких пределах изменять их свойства, варьируя состав или изменяя размер и форму зерен компонентов.
Сплавы, так же как и металлы, принято подразделять на черные и цветные. К черным относят ферросплавы: сталь и чугун; к цветным - все сплавы, основным компонентом которых является цветной металл, т. е. сплавы алюминия, меди, цинка, никеля и другие.
По числу компонентов сплавы делят на двухкомпонентные (бинарные) и многокомпонентные (сложные).
По наличию специальных примесей сплавы подразделяются на легированные и нелегированные. Легированными называют сплавы, в состав которых преднамеренно введены легирующие добавки для придания сплаву требуемых свойств. По содержанию легирующих компонентов сплавы подразделяются на высоколегированные (более 10% легирующих добавок), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и низколегированные (менее 2,5% легирующих добавок). В качестве примера высоколегированной стали можно привести сплав быстрорежущей стали марки Р18, в которой кроме железа и углерода (0,8%) присутствуют следующие легирующие компоненты: магний (0,4%), кремний (0,4%), хром (4,4%), вольфрам (18-19%), ванадий (1,0-1,4%), молибден (0,3%) и никель (0,03%).
Глава 1
Черные металлы и сплавы
К черным металлам и сплавам относят ферросплавы, т. е. сплавы на основе железа;
Железо (технически чистое) - металл серебристо-белого цвета, содержит 99,8-99,9% чистого железа и 0,1-0,2% примесей. Плотность железа - 7860 кг/м3, температура плавления - 1539 °С, при комнатной температуре предел прочности при растяжении -25 кгс/мм2, твердость НВ 80. В твердом состоянии железо может находиться в а- и у-модификациях. Со многими элементами железо способно образовывать твердые растворы: с металлами - твердые растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - твердые растворы внедрения.
Основное промышленное значение имеют стали и чугуны, которые являются сплавами железа с углеродом с различным содержанием последнего.
Чугуны
Чугуны - сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 2,14% до 6%.
Чугуны выплавляют в доменных печах. Они подразделяются на предельные и литейные. Первые предназначены для передела в сталь. Вторые (литейные) применяют для изготовления различных изделий.
В производстве черных металлов и сплавов есть такое понятие, как передел:
-первый передел: из руды выплавляют чугун;
-второй передел: из чугуна выплавляют сталь;
-третий передел: из стали получают прокат (листы, проволоку,
сортовые профили: уголок, тавр, двутавр, швеллер, трубы);
-четвертый передел: из проката получают готовое изделие.
В этой схеме отдельные этапы могут быть исключены.
Литейные чугуны подразделяются на белые и серые. Дело в том, что при охлаждении чугуна после выплавки большое значение имеет скорость охлаждения. При медленном охлаждении получается серый чугун, при быстром охлаждении - белый. Передельные чугуны - белые.
В белом чугуне практически весь углерод находится в форме химического соединения с железом - цементита (карбида железа). Свежий излом имеет светло-серый цвет и характерный металлический блеск. Белый чугун обладает повышенной твердостью (в 10 раз тверже железа), но он очень хрупок, не поддается обработке режущим инструментом, что является большим недостатком.
В сером чугуне практически весь углерод находится в форме графитовых включений. Серые чугуны с содержанием углерода до 3,8% можно обрабатывать режущими инструментами. Серый чугун обладает хорошей жидкотекучестью (способностью проникать в малые пространства, не остывая). Он обладает малой усадкой при затвердевании; относительно дешев.
Кроме железа и углерода в чугуне есть и другие элементы (или примеси). Основные: фосфор, сера, марганец, кремний. Примеси могут быть как полезными (т. е. улучшать потребительские и технологические свойства), так и вредными.
Фосфор в чугунах является полезной примесью. Его содержание колеблется от 0,3 до 0,8%. Он увеличивает жидкотекучесть серого чугуна, повышает твердость и износостойкость.
Сера. В чугунах допускается не более 0,1% серы. Сера является очень вредной примесью, т. к. она ухудшает жидкотекучесть материала, повышает его хрупкость и отбеливает чугуны.
Марганец. Содержание марганца в чугунах обычно 0,4-1,3%. Он повышает твердость материала, но в больших количествах также отбеливает чугуны.
Кремний. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,5 до 4,5%., Он способствует графитизации чугуна, соответственно при получении белого чугуна кремния должно быть не более 0,5%.
Чугуны обрабатываются только в горячем состоянии, поэтому товары широкого потребления из чугуна изготавливают, как правило, методом литья.
Серые чугуны в зависимости от их механических свойств выпускают И марок: СЧОО, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и т. д. Буквы обозначают "серый чугун", две первые цифры - разрушающее напряжение при растяжении, две вторые - предел прочности при изгибе (в кгс/мм2). Для чугуна СЧОО механические свойства не определяются. Серые чугуны применяются для изготовления методом литья деталей и изделий, испытывающих небольшие механические нагрузки. Это - чугунная посуда, корпуса мясорубок, корпуса замков, художественное литье (например, каслинское).
С целью снижения хрупкости и соответственно повышения прочности и пластичности чугуны модифицируют, т. е. при выплавке вводят в расплав специальные добавки (магний, алюминий). Такие чугуны называют высокопрочными или модифицированными.
Высокопрочные (модифицированные) чугуны выпускают девяти марок: ВЧ38-17, ВЧ45-5 и т. д. Буквы обозначают "высокопрочный чугун", две первые цифры - разрушающее напряжение, в кгс/мм2, две вторые - относительное удлинение, в процентах. Высокопрочные чугуны применяют в основном в машиностроении для изготовления деталей, подвергающихся механическим нагрузкам: коленчатых валов, зубчатых колес, станин, молотов, прессов, прокатных валиков, корпусов насосов паровых турбин, отдельных деталей станков и автомобилей.
Ковкий чугун получается при специальной обработке белого чугуна. Если белый чугун подвергнуть длительному отжигу при температурах порядка 1000 °С, то цементит распадается на феррит (твердый раствор углерода в а-железе), перлит (механическая смесь феррита и цементита) и графит. При этом графитовые включения имеют небольшие размеры (меньше, чем у обычного серого чугуна) и хлопьевидную форму. Ковкие чугуны также изготавливаются девяти марок; КЧ12, КЧ35-10, КЧ38-8 и т. д. Буквы означают "ковкий чугун", а цифры то же, что и у высокопрочного чугуна. Применяют для изготовления деталей, эксплуатируемых при значительных статических и динамических нагрузках: крюки подъемников, вентили и крестовины для водопровода, гаечные ключи, гайки и др.
В настоящее время чугун все чаще заменяется другими материалами, тем не менее некоторые виды посуды (утятницы, казаны, сковороды для тушения) пользуются спросом. Чугунная посуда толстостенная (литье), она равномерно прогревается и пища не пригорает. Однако для предотвращения коррозии, чугунная посуда должна "работать" постоянно.
Стали
Сталь - сплав железа с углеродом, с содержанием последнего менее 2,14%, По содержанию углерода различают стали низкоуглеродистые (менее 0,25%), среднеуглеродистые (от 0,25 до 0,6%) и высокоуглеродистые (0,6-2,14%). От процентного содержания углерода в стали зависит такое важнейшее свойство, как прочность и пластичность. При содержании углерода более 1,4% прочность стали начинает резко уменьшаться, поэтому в практике редко используют стали с содержанием углерода более 1,4%.
По сравнению с чугуном сталь имеет более высокие физико-механические свойства, она характеризуется большей прочностью и пластичностью, ее можно ковать, прокатывать, обрабатывать резаньем, она обладает достаточной жидкотекучестью для получения изделий и деталей методом литья. Стали имеют достаточную упру-гость, гибкость, твердость, легкость, хорошие магнитные свойства, относительно высокую коррозионную устойчивость.
Так же как в чугуне, в стали, кроме железа и углерода, присутствуют примеси. Основные: фосфор, сера, марганец, кремний, кислород. Примеси могут быть как полезными, так и вредными.
Фосфор в сталях (в отличие от чугунов) является вредной примесью. Фосфор резко снижает пластичность стали. Содержание фосфора не должно превышать 0,05%.
Сера признается очень вредной примесью, ее содержание в сталях не должно превышать 0,05%. Из-за высокого содержания серы стали приобретают "красноломкость", т. е. снижается их способность обрабатываться металлорежущим инструментом.
Марганец в сталях является полезной примесью. Содержание марганца обычно 0,4-0,8%. Марганец повышает твердость и прочность стали, устраняет вредное воздействие серы, т. е. снижает хрупкость и красноломкость. "Марганцевая сталь" (т. е. сталь с высоким содержанием марганца), не теряет своих свойств даже при эксплуатации в условиях повышенных температур. Такая сталь используется, например, для деталей двигателей внутреннего сгорания, для лопастей турбин, для лабораторного оборудования, которое должно работать при повышенных температурах и т. п.
Кремний. Содержание кремния в сталях колеблется от 0,1 до 0,5%. Кремний улучшает механические свойства стали: прочность и твердость.
Кислород. Содержание кислорода в стали не должно превышать 0,05%. Он является вредной примесью - чем меньше в стали кислорода, тем она прочнее. Однако кислород очень тяжело удаляется.
С целью удаления кислорода проводят специальную технологическую операцию, которая называется раскислением. В зависимости от условий раскисления сталь разделяют на "кипящую" КС, "полуспокойную" ПС и "спокойную" СС. Больше всего кислорода содержит КС. СС - наиболее качественная и дорогая сталь.
Кипящая сталь (КС), как правило, прокатывается. Пузырьки кислорода удаляются при прокатке (как из теста для пельменей). КС дает наибольший выход металла.
Сталь выплавляется при втором переделе из чугуна тремя способами: в конвертерах, в мартеновских и электрических печах. Методы получения: бессемеровский, томасовский, кислородно-конвертерный.
Стали подразделяют на углеродистые (обычные) и легированные (имеющие специальные добавки, которые придают сплаву заданные свойства).
Углеродистые стали по содержанию углерода делят:
-на низкоуглеродистые (содержание углерода до 0,25%);
-среднеуглеродистые (от 0,25 до 0,65%);
-высокоуглеродистые (от 0,65 до 1,4%).
По назначению углеродистые стали делят на конструкционные (обычного качества и качественные) и инструментальные (качественные и высококачественные).
Конструкционные стали (например, для изготовления труб, деталей мебели) относят к низко- и среднеуглеродистым (содержание углерода до 0,65%). Конструкционные стали обыкновенного качества по назначению делят на три группы: А, Б, В, каждая из которых содержит определенные марки.
1.Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества группы А имеют гарантированные механические свойства (прочностные и упругопластичные) и предназначены для изготовления различных товаров строительного назначения. Марки стали в группе А обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами от 1 до 7, которые являются условными порядковыми номерами. С увеличением номера марки стали увеличивается ее прочность, но снижается пластичность. Марки Ст1 и Ст2 характеризуются высокой пластичностью и применяются для изготовления заклепок в металлоконструкциях; марки СтЗ и Ст5 - для изготовления несущих металлоконструкций и арматуры железобетона. Марка Ст4 - основная для изготовления шурупов и болтов.
2.Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества группы Б имеют гарантированный химический состав и минимальное содержание фосфора и серы. Марки сталей группы Б обозначаются МСт!, где первая буква обозначает способ выплавки (М - мартеновский, Б — бессемеровский, К - кислородно-конвертерный). Стали группы Б используют для изделий и деталей, в процессе изготовления или эксплуатации которых необходим нагрев (например, для изделий, получаемых методом литья).
3.Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества группы В имеют гарантированные химический состав и физико-механические свойства. Стали группы В маркируются так же, как и стали группы Б, но с добавлением впереди буквы В (ВМСт2). Стали группы В применяют при изготовлении сварных изделий или при использовании горячей пластической деформации.
Углеродистые конструкционные качественные стали выпускают двух групп - I и П. Марки обозначают цифрами 08, 10, 15и до 85. Цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Ко второй группе относят марки с повышенным содержанием марганца (от 0,8% до 1%).
В конце марок второй группы ставится буква Г (например, 15Г, 25Г). Качественные конструкционные стали применяют для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки: шестерни, валы и т. п.
Углеродистые инструментальные стали делятся на качественные и высококачественные, Их маркируют буквой У и цифрами от 7 до 13, которые обозначают содержание в стали углерода в десятых долях процента. Марки высококачественной стали дополняются буквой А в конце маркировки. Углеродистые инструментальные стали могут содержать повышенное количество марганца, тогда к их маркировке прибавляется буква Г. Инструментальные стали применяются для изготовления инструментов. При этом из сталей марок У7, У8, У7А, У8А, У7ГА, которые обладают умеренной твердостью и прочностью, изготовляют инструменты для обработки древесины, слесарные молотки, монтажные инструменты, ножи, ножницы. Стали марок У12, У12А и У13 применяют для производства инструментов, которые должны обладать высокой твердостью, но в процессе эксплуатации не подвергаются ударным нагрузкам: напильники, метчики, плашки, инструменты для гравировки.
Основным недостатком углеродистых инструментальных сталей является их красноломкость и подверженность коррозии. При нагреве выше 200 °С их твердость резко снижается, что не позволяет использовать эти стали, например, для сверл. В таких случаях применяют легированные стали. .
Легированными называют стали, в которые специально вводят легирующие элементы, позволяющие наделять стали необходимыми специфическими свойствами. К легирующим элементам относят кремний, хром, никель, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан и др. Легированием можно повысить прочность и пластичность стали, увеличить красностойкость, повысить износостойкость и сопротивление коррозии, придать стали какие-либо особые физические или химические свойства.
Свойства легированных сталей зависят от природы легирующих элементов, их концентрации и характера взаимодействия с железом и углеродом.
Кремний повышает прочность и твердость стали, но уменьшает пластичность.
Марганец повышает прочность стали.
Хром повышает механические свойства стали, увеличивает коррозионную стойкость.
Никель увеличивает упругость стали, снижает ее коробление при термической обработке.
Ванадий, молибден, титан увеличивают твердость и износостойкость стали.
В маркировке легированных сталей первые две буквы обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Далее буквой обозначают легирующие элементы: Г - марганец, С - кремний, X - хром, Н - никель, В - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, К - кобальт, Б - бор. После буквы, обозначающей легирующий элемент, ставится цифра, указывающая на его содержание в процентах. Если легирующего компонента содержится менее 1%, то после буквы цифру не ставят.
Например, маркировка 12Х18Н9Т читается следующим образом: легированная качественная сталь с содержанием углерода 0,12%, хрома 18%, никеля 9%, титана менее 1%.
Если инструментальная сталь является высококачественной, то добавляется буква А. Например, 50ХГА - легированная сталь высококачественная с содержанием углерода 0,5%, марганца менее 1%.
В маркировке легированных сталей есть еще один нюанс: иногда, чтобы не писать очень большие формулы, некоторые постоянно используемые марки стали договорились обозначать определенными символами:
Ш - шарикоподшипниковые стали (обладают высокой прочностью и выносливостью, а также повышенной износоустойчивостью); Э - электротехнические стали.
К сталям с особыми свойствами относят в первую очередь нержавеющие стали.
Основным легирующим элементом нержавеющих сталей является хром. При введении в сталь более 13% хрома сталь становится некоррозионной, однако при введении хрома более 20% резко возрастает ее хрупкость.
Уменьшение концентрации углерода в хромистых сталях также способствует увеличению коррозионной стойкости. Нержавеющие хромистые стали марок 08X13, 12X13 и 20X13 применяют для изготовления ложек и вилок. Стали ЗОХ13 и 40Х13 имеют чуть меньшую коррозионную устойчивость, но гораздо большую твердость и прочность (особенно после термической обработки),, их применяют для производства ножей и хирургических инструментов.
Введение в хромистую сталь никеля повышает упругость, не ухудшая коррозионную стойкость. Хромоникеливые стали лучше свариваются, штампуются, не теряют пластичности при низких температурах. Основными марками являются 12Х18Н9Т, 04Х18Н10,17Х18Н9. Данные сплавы используют для изготовления кухонной посуды, баков стиральных машин, деталей холодильников, галантерейных изделий.
Известная фирма "Цептер" для своей посуды использует хромоникелевые сплавы.
Кроме нержавеющих, к сталям и сплавам с особыми свойствами относят сплавы с высоким электросопротивлением или нихромы (ХН80ТБЮ, ХН70ВМТЮ), магнитные сплавы (ЕХЗ - для магнитов, 79МНА - для элементов ЭВМ), инвар (Н36) - сохраняет постоянным коэффициент линейного расширения, платинит (Н48) - имеет коэффициент линейного расширения, как у стекла, эленвар (Н42ХТЮ) -сохраняет коэффициент расширения постоянным и имеет одинаковые упругие свойства в интервале температур от -50 до 100 °С.
Глава 2
Цветные металлы и сплавы
Из цветных металлов при изготовлении бытовых металло-товаров чаще всего используют алюминий, медь, никель, хром, цинк, свинец, олово, титан, а также благородные (драгоценные) металлы.