Глава 8 Металлохозяйственные товары

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.

Металле/хозяйственные товары

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

Товароведение И экспертиза промышленных товаров.

Глава 8

Металлохозяйственные товары

 

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 металлото-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 метал-лотоваров, 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

Глава 8

Металлохозяйственные товары

 

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%).

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 передельные 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.

Глава 8

Металлохозяйственные товары

 

 

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 ре-заньем, она обладает достаточной жидкотекучестью для получения изделий и деталей методом литья. Стали имеют достаточную упру­гость, 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%. Пз-за высокого содержания серы

Глава 8

Металлохозяйственные товары

 

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 ка­
чества группы А имеют гарантированные механические свойства
(прочностные и упругопластичные) и предназначены для изго­
товления 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 закле­
пок 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 ка­
чества группы Б имеют гарантированный химический состав и ми­
нимальное содержание фосфора и серы. Марки сталей группы Б
обозначаются МСт!, где первая буква обозначает способ выплавки
(М - мартеновский, Б — бессемеровский, К - кислородно-конвер­
терный). Стали группы Б используют для изделий и деталей, в про­
цессе изготовления или эксплуатации которых необходим нагрев
(например, для изделий, получаемых методом литья).

3. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного ка­
чества группы В имеют гарантированные химический состав и фи­
зико-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, 15

Глава 8

Металлохозяйственные товары

 

и 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.

Глава 8

Металлохозяйственные товары

 

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 хро-моникелевые 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.

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.

Алюминий и его сплавы

Алюминий - серебристо-белый, легкоплавкий (температура плавления - 659 °С), легкий (плотность - 2700 кг/м³). Разрушаю­щее напряжение при растяжении алюминия особой чистоты (т. е. 99,996%) - порядка 6 кг/мм², твердость по Бринеллю (НВ) состав­ляет 17 единиц, относительное удлинение порядка 50%. Обладает высокой электро- и теплопроводностью. Алюминий хорошо обра­батывается давлением в горячем и в холодном состоянии, хорошо полируется. Его отражательная способность близка к серебру (ко­эффициент отражения - порядка 90%). Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость, а также стойкость к действию морской и пресной воды, аммиака, практически не взаимодействует с кис­лотами и пищевыми продуктами.

Высокая химическая стойкость алюминия обусловлена образо­ванием на поверхности металла тонкой защитной пленки оксида алюминия (А1₂О₃). Эта пленка предохраняет изделие из алюминия от разрушения и окисления.

Образование защитной оксидной пленки характерно не только для алюминия. Этот процесс можно наблюдать у меди (патина), хрома, титана. При нарушении защитной пленки начинается быст­рое окисление поверхностного слоя металла, пленка образуется вновь, но металл становится чуть тоньше.

Для производства алюминия требуется высокая культура про­изводства. Алюминий выпускается:

- особой чистоты, марка А999, т. е. чистого алюминия в металле
содержится 99,999% (остальное примеси);

- высокой чистоты, марки А995 - А95, где содержание алюми­
ния от 99,995% до 99,95%.

- технической чистоты, марки А8, А7, А5 (содержание чистого
алюминия - от 99,8 до 99,5%).

Для перечисленных выше марок алюминия примеси нежела­тельны, их содержание нормируется соответственно в десятых, сотых и тысячных долях процента.

Примеси железа сильно снижают коррозионную стойкость алюминия, препятствуя образованию оксидной пленки.

Глава 8

 

Металпохозяйственные товары

 

Кремний уменьшает пластичность алюминия.

Магний снижает электропроводность, алюминия. Так, содер­жание в алюминии примеси магния более 5% снижает электро­проводность вдвое.

Промышленность выпускает алюминий перечисленных марок в виде листов, фольги, прутков, проволоки и сортовых профилей (уголок, тавр, полутавр, швеллер). •

Чистый алюминий применяют в производстве зеркал и отра­жателей.

Чистый алюминий также используют при изготовлении элек­трических конденсаторов, выпрямителей, полупроводниковых приборов, электрических проводов и шнуров. В последнее время алюминий все больше вытесняет дефицитную и более дорогую медь. Между тем алюминий может заменить медь только в прово­дах и шнурах-, используемых стационарно. Шнуры бытовых элект­роприборов, испытывающих значительные деформации (например, шнур от фена), не допускают замены меди на алюминий. Медь бо­лее пластична и более стойка к деформациям кручения и изгиба.

Еще одним недостатком алюминия является его малая проч­ность, поэтому для производства бытовых металлотоваров приме­няют алюминиевые сплавы.

Все алюминиевые сплавы по способу переработки их в изделия подразделяют на деформируемые (подвергаемые обработке дав­лением) и литейные (для получения деталей и изделий методом литья).

Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на упрочняемые и неупрочняемые.

К неупрочняемым относят сплавы алюминия с магнием и мар­ганцем. Марки АМГ-2 и АМГ-4. Эти сплавы имеют высокую кор­розионную стойкость, относительно пластичны. Используются для изготовления металлической посуды: миски, сковороды (магний и марганец снижают теплопроводность алюминиевых сплавов).

Из деформируемых упрочняемых сплавов наиболее распро­странены сплавы алюминия с медью - дюралюмины ("дюр" - от фр. "твердый", т. е. твердый алюминий).

Сплав маркируется буквой Д и цифрой, указывающей номер сплава: Д1, Д6, Д18. Состав дюралюмина следующий: медь - от 3,8 до 4,8%, магний - от 0,4 до 2,3%, марганец - от 0,4 до 0,8%, ос­тальное - алюминий.

Прочность и твердость дюралюмина более чем вдвое превосхо­дит прочность и твердость чистого алюминия. Так, сплав Д1 (после отжига) имеет прочность порядка 21 кгс/мм² и твердость - НВ45. За счет меди значительно повышается пластичность сплава.

Существенным недостатком дюралюминов является их низкая коррозионная стойкость, поэтому для изделий из дюралюминов проводят операцию плакирования, т. е. сплав покрывают тонким слоем алюминия высокой чистоты и нагревают. В результате этого на поверхности сплава образуется тонкий слой (3-5% общей тол­щины) коррозионно-стойкого чистого алюминия.

Деформируемые алюминиевые сплавы являются наряду со сталью основным конструкционным материалом, их используют в машино- и самолетостроении, для изготовления оборудования и аппаратов пищевой промышленности, в строительстве, в из­готовлении металлической мебели, а также столовых приборов: алюминиевые ложки и вилки, ручки ножей и очень редко клинки (например, кабинетный нож для вскрывания конвертов).

Литейные алюминиевые сплавы используются для фасон­ного литья. Они обладают хорошей жидкотекучестью, высокой прочностью и малой усадкой.

Литейные алюминиевые сплавы делят на пять групп. В состав всех пяти групп, кроме алюминия, входит кремний и могут входить медь, цинк, магний, в различных сочетаниях. Медь увеличивает пластичность, цинк и магний - прочность. Маркируются литейные сплавы буквами АЛ (алюминий литейный) и порядковым номером, например АЛ 5.

Для изготовления бытовых металлотоваров из литейных спла­вов наибольшее применение нашел сплав, называемый силумином (от "силициум" - кремний), содержащий в своем составе кремний в количестве от 4 до 13%. Прочность силуминов немного ниже, чем у дюралюминов, но значительно больше, чем у алюминия.

Глава 8

Металлохозяйственные товары

 

Сплав обладает хорошей жидкотекучестью, не дает трещин при остывании, имеет достаточную коррозионную стойкость.

Силумин применяется для изготовления посуды (казаны, утят­ницы), приборов для окон и дверей (петли), деталей бытовых ма­шин и холодильников, велосипедов, мотоциклов, автомобилей.

После цифр в литейном сплаве может стоять буква В (напри­мер, АЛ 17В). Это означает, что используется вторичный сплав, т. е. этот сплав получен из металлолома. По составу и свойствам вторичные сплавы близки к первичным, но содержат большее ко­личество примесей.

Если к маркировке алюминиевого сплава добавлена буква "П", значит, сплав достаточно безопасный и может быть использован для изготовления изделий, контактирующих с пищей.

Безопасность и безвредность для сплавов не являются тождест­венными понятиями. Безопасными считаются сплавы, в которых содержание мышьяка не более 0,015%, свинца не более 0,15%, цинка не более 0,3%.

Медь и ее сплавы

Медь - металл красно-бурого цвета, легкоплавкий (темпера­тура плавления - 1083 °С), тяжелый (плотность - 8940 кг/мм³), разрушающее напряжение при растяжении - 22-24 кгс/мм², твер­дость - НВ45. По электро- и теплопроводности медь уступает толь­ко серебру, но она значительно дешевле серебра. Очень пластична (уступает только золоту и серебру).

На воздухе (особенно если в атмосфере присутствуют сернис­тые соединения) на поверхности меди появляется тонкая пленка сульфита меди (Си8О₃) и поверхность изделия приобретает черный оттенок (патина). Окисляясь на воздухе, сульфит меди переходит в сульфат (Си8О₄) и патина приобретает зеленоватый оттенок.

При взаимодействии с пищевыми кислотами медь образует ток­сичные соединения, поэтому посуду из чистой меди изготавливать нельзя. Однако в ассортименте товаров имеются медные тазы для варенья. Это связано с тем, что сахар тормозит процесс окисле­ния меди и препятствует образованию токсичных веществ. Кроме

того, традиционно восточные турки для варки кофе изготовляют из меди. Такая посуда безвредна только в течение определенного срока эксплуатации (пока не образуется патина).

Свойства меди сильно изменяются даже при наличии неболь­шого количества примесей. Основные примеси: свинец, мышь­як, фосфор, железо, серебро, цинк. Все эти примеси значительно снижают электропроводность. Например, содержание фосфора в количестве 0,5% снижает электропроводность в пять раз.

Промышленностью выпускается медь 10 марок. Маркировки: МОО (99,99% меди), М4 (99% меди).

Большую часть всей добываемой меди потребляет электронная и радиотехническая промышленность. Также медь используется как гальваническое покрытие в порошковой металлургии, при про­изводстве отдельных деталей велосипедов, машин, мотоциклов. В велосипедах: руль и ручки педалей изготовляются из конструк­ционной стали и хромируются (характерный цвет и блеск). Но железо и хром взаимно не растворяются, поэтому между ними наносят слой меди, с которым хорошо взаимодействуют оба ме­талла. Медь в данном случае является скрепляющим элементом (своего рода клеем). При длительной эксплуатации таких изделий хромированное покрытие может стираться, и тогда на поверхности становится видна медь.

Медь широко используется при получении латуней, бронз и медно-никелевых сплавов.

Латунь - сплав меди с цинком, с содержанием последнего от 4 до 40%. Если латунь состоит только из меди и цинка, она называется двухкомпонентной. Латуни могут легироваться таки­ми элементами, как марганец, железо, никель, кремний, свинец. Легированные латуни называют многокомпонентными.

При введении в медь до 39% цинка повышается прочность и значительно увеличивается пластичность. При содержании цинка более 40% свойства латуни изменяются - резко возрастает хруп­кость и снижается прочность. Поэтому латунь не содержит более 40% цинка. Максимальная пластичность латуней достигается при содержании цинка в количестве 32%.

Глава 8

Металлохозяйственные товары

 

Цинк также оказывает влияние на цвет латуни. При содержании цинка до 20% латунь имеет желто-красный цвет, при 20-30% -буро-желтый, выше 30% - светло-желтый.

Двухкомпонентные латуни обозначают буквой Л и цифрой, указывающей на среднее содержание меди в сплаве (например: Л70 - латунь, содержащая 70% меди и 30% цинка). В многоком­понентных (легированных) латунях после буквы Л перечисля­ются буквы русского алфавита, соответствующие компонентам, затем цифра, обозначающая содержание меди, а затем цифры, указывающие концентрацию легирующих элементов (например, ЛАЖ60-1-1 - латунь, содержащая 60% меди, 1% - алюминия, 1% - железа и 38% цинка).

Латунь применяют при изготовлении изделий сложных форм: духовых музыкальных инструментов, самоваров, а также посу­ды, галантерейных изделий, гильз для охотничьих патронов, для рыболовных блесен. Кроме того, латунь может применяться для изготовления изделий станковой скульптуры. Хотя для станковой скульптуры традиционно предпочтительнее бронзовое литье.

Бронза - сплав меди с оловом. По цвету бронза напоминает латунь с небольшим содержанием цинка. Бронзы имеют малую усадку и хорошую жидкотекучесть, высокую усталостную проч­ность и коррозионную стойкость.

Маркируют бронзы буквами Бр и О, после чего могут стоять буквы основных легирующих элементов и цифры, показывающие содержание этих элементов в процентах. Например, БрОЦ 4-3 -бронза, содержащая 4% олова, 3% цинка и 93% меди. Обратите внимание: маркировка латуни - медь плюс все остальное, марки­ровка бронзы - все элементы плюс медь (остальное).

Из бронзы изготовляют станковую скульптуру и литые изделия сложных конфигураций: барельефы, подсвечники, канделябры, люстры, корпуса настольных часов, колокола и колокольчики.

По содержанию олова бронзы делят на пять групп:

1. Скульптурная или монетная (медные пятикопеечные монеты
советского времени) бронза. Содержание олова - 4-5%.

2. Машинная бронза: в основном подшипники и вкладыши.
Содержание олова - до 10%.

 

3. Колокольная бронза. Содержание олова-до 25%. Чем боль­
ше содержание олова, тем громче и чище колокольный звон, однако
чрезмерное увеличение содержания олова повышает хрупкость
бронзы.

4. Курантная бронза. Содержание олова - до 35%. Использу­
ется для колоколов с так называемым "дозированным ударом":
католические храмы и башенные часы.

5. Зеркальная бронза. Содержание олова - до 40%. Эта брон­
за имеет уже белый цвет и может использоваться для зеркал как
заменитель серебра.

Кроме оловянистых, т. е. истинных бронз, существует понятие безоловянных бронз, хотя к бронзам данные сплавы могут быть отнесены чисто условно.

В таких сплавах олово заменяется каким-либо другим эле­ментом: алюминием, кремнием, бериллием. Они обладают широ­ким спектром свойств (в зависимости от легирующего элемента), и соответственно, разнообразным применением. Название такие сплавы получают по основному легирующему компоненту. Напри­мер, алюминиевую бронзу БрА5 применяют для чеканки монет, бериллиевую бронзу БрБ2 для изготовления ответственных деталей в приборостроении (прочность до 150 кгс/мм²) и т. д.

Мельхиор - сплав меди с никелем, с содержанием последнего 18-20%. Имеет серебристый цвет. Маркируется буквами МП (медь и никель) и цифрами, означающими процентное содержание ни­келя. Например, МН19 - мельхиор с содержанием никеля порядка 19%.

Применяется для изготовления чайной посуды, предметов для сервировки стола и медицинских инструментов. Столовые прибо­ры из мельхиора часто золотят или серебрят (покрывают тонкой пленкой из драгоценного металла). Постепенно мельхиор вытес­няется столовыми приборами из нержавеющей стали.

Мельхиор - любимый недрагоценный сплав ювелиров, по­скольку прочен, пластичен, хорошо вытягивается в нити. Он по­зволяет изготовлять сканные изделия, мельхиоровая скань хорошо сочетается с ростовской эмалью. Применяется для предметов ук­рашения одежды: брошей, булавок и т. п.

Глава 8

Металлохозяйственные товары

 

Нейзильбер - сплав меди, никеля и цинка (никель - 13-17%, цинк - 18-22%). Имеет серебристый цвет с синеватым отливом, высокую плотность, прочность, твердость, коррозионную стой­кость. Маркируется буквами МНЦ (медь, никель, цинк) и цифрами, означающими процентное содержание никеля и цинка. Например: МНЦ15-20, нейзильбер с процентным содержанием меди - 65%, никеля - 15, цинка - 20%. Внешне изделия из нейзильбера очень похожи на серебряные.

Сплав применяется для производства так называемой посереб­ренной посуды и столовых приборов, "серебряных" монет, метал-логалантереи, сувениров, медицинских инструментов и т. д.

Легирующие металлы

Никель. Металл серебристо-белого цвета, тяжелый (плотность 8900 кг/м³), температура плавления чуть меньше, чем у железа (1453 °С), прочность - 40-50 кгс/мм², твердость - НВ80, доста­точно пластичный, имеет высокую коррозионную стойкость, химическую стойкость к воде, воздуху и кислотам. Исключение составляют серосодержащие соединения. При взаимодействии с ними на поверхности металла образуются сульфиты и сульфаты (пленки зеленого и коричневого цвета).

Чистый никель не токсичен, хорошо полируется, характерный металлический блеск сохраняется длительное время, поэтому ис­пользуется в качестве защитно-декоративных покрытий столовых приборов и посуды, а также для изготовления инструментов, метал­лической мебели, деталей автомобилей, мотоциклов, велосипедов.

Никель хорошо сохраняет свои свойства при работе в агрессив­ных средах, поэтому применяется для производства химической аппаратуры.

Из никеля изготовляют металлогалантерею: пряжки одежные и обувные, заколки, зажимы, металлические пуговицы.

Никель широко используется в качестве легирующего элемента в сплавах с железом и медью.

Хром. Металл серо-стального цвета, тяжелый (плотность -7140 кг/м³), температура плавления (1910 °С) выше, чем у железа.

Металл химически малоактивен, устойчив даже к атмосферному кислороду, но имеет высокую хрупкость, поэтому не применяется в качестве конструкционного материала.

В основном используется в качестве защитно-декоративных покрытий. Хромовые покрытия обеспечивают высокую износо­стойкость и стойкость к коррозии. Хромируют инструменты (бе­лые, блестящие), корпуса и детали часов. Часто хромированные часы изготовляются вместе с браслетом. Иногда хромированные часы с браслетом имеют на корпусе крышку, тогда они выглядят как блестящий браслет.

Хромируются детали велосипедов, мотоциклов, машин (бам­перы, решетки радиаторов) и др.

В металлургии хром используется в качестве легирующего элемента, особенно в легированных сталях, в нихромах (сплавах железа, никеля и хрома).

Хром является необходимым элементом при получении дубите­лей для производства кож в кожевенно-обувной промышленности, а также красителей для тканей в текстильной промышленности.

Цинк - металл светло-серого цвета с синеватым отливом, тяжелый (плотность - 7140 кг/м³), легкоплавкий (419 °С), проч­ность - не более 15 кгс/мм², пластичен.

Марки: ЦО (99,975% цинка) и ЦЗ (97,5% цинка). В цинке всегда присутствуют вредные примеси: свинец, мышьяк, сурьма, кадмий, от которых трудно избавиться.

На воздухе покрывается оксидной пленкой, которая и предох­раняет металл от коррозии.

Более половины добываемого цинка используется в качестве защитно-декоративных покрытий стальных изделий, например, оцинкованная листовая сталь и оцинкованная посуда. Оцинковке подвергаются днища кузовов автомобилей.

Оцинковка проводится в электролитической ванне (тогда по­крытие будет дозированным, т. е. определенной толщины) или обычным окунанием (тогда покрытие будет недозированным).

Оцинкованная посуда (миски и ведра) обязательно должна иметь маркировку "Не для термической обработки: токсично!".

Глава 9

Металпохозяйственные товары

 

Эта посуда предназначена для хранения продуктов, но не для при­готовления пищи.

Сейчас оцинкованные ведра, миски и лейки все более заменя­ются изделиями из пластмасс.

Цинк применяют в качестве легирующих элементов многих сплавов, особенно медных (латунь, нейзильбер).

Олово - металл серебристо-белого цвета, тяжелый (плотность 7300 кг/м³), один из самых легкоплавких (232 °С), очень мягкий и пластичный, легко прокатывается в фольгу, прочность -2-3 кгс/мм², твердость - НВ5. Олово устойчиво к действию большинства пище­вых продуктов и не образует токсичных соединений, поэтому его широко применяют как защитное покрытие изделий из углеродистых конструкционных сталей, для лужения посуды и изготовления кон­сервных банок. Правда, в последнее время олово стараются заменить другими материалами из-за его высокой стоимости. Олово входит в состав бронз и многокомпонентных латуней.