С бронзового века люди стали применять металлы. Раньше их было совсем немного - бронза, золото, серебро. Теперь десятки самых различных металлов и сотни сплавов используются в технике и повседневной жизни. Существование и развитие человеческого общества невозможно себе представить без применения металлов.
В этом разделе вы найдете необходимые сведения о том, как сделать отливку из свинца или олова, отковать полозья для финских саней, нарезать винт или гайку, произвести пайку, выточить ось, изготовить из жести ведро, а из проволоки - интересную головоломку, организовать производство простых металлических изделий.
Металлы и их свойства
Люди очень давно используют металлы для своих нужд. Сперва человек употреблял в дело только то, что природа давала ему в готовом виде: самородную медь, золото, серебро. Позже он научился выплавлять их из руд. Появились и другие относительно легкоплавкие металлы - свинец, олово, цинк. Основное место в обиходе заняли сплавы меди - различные бронзы. Еще позже, примерно около двух тысяч лет тому назад, начали появляться железные и стальные изделия.
Однако развитие металлургии до середины XIX века шло довольно медленно. Бурное развитие науки и промышленности в XIX и особенно в нынешнем веке потребовало больших количеств металла, заставило металлургов использовать новые металлы, готовить новые сплавы. Из таких металлов, появившихся в промышленности сравнительно недавно, но имеющих самое широкое применение, следует прежде всего назвать алюминий.
Сто лет назад, когда алюминий только еще учились добывать, он был редок так же, как и серебро. Теперь алюминий по количеству потребления в различных областях промышленности уступает только железу и его сплавам.
Можно отметить, что алюминия в земной коре больше, чем железа и других металлов. Вот каково содержание наиболее распространенных металлов (в весовых процентах): алюминий - 8,8; железо - 5,1; магний - 2,1; титан - 0,6; медь - 0,01.
Остальные металлы составляют совсем незначительную часть земной коры - тысячные (цинк, олово, свинец) и стотысячные (редкие металлы) доли процента.
В настоящее время в промышленности используют более 50 металлов в чистом виде и большое количество их сплавов с различными свойствами.
При слове «металл» прежде всего возникает представление о твердости, прочности материала. Эти качества действительно присущи большинству металлов и сплавов, и они, конечно, будут препятствовать большому разнообразию работ начинающего мастера-металлиста. Но, несмотря на некоторые трудности, все же найдется достаточно дел.
Чтобы работа шла успешно, нужно знать свойства материала, приемы обработки, правильно выбирать инструмент и соблюдать последовательность рабочих операций.
Сперва мы разберемся в материалах, с которыми может встретиться начинающий мастер. Это могут быть чистые металлы или их сплавы. Все они делятся на две основные группы: черные металлы и цветные металлы.
Черные металлы - это железо и его сплавы: чугун и сталь. Остальные металлы и их сплавы составляют группу цветных. Ее поделим еще раз на две группы: тяжелые цветные металлы с удельным весом больше 5 и легкие цветные металлы с удельным весом меньше 5.
Черные металлы
Железо - серебристо-белый блестящий металл, вязкий и пластичный. Плавится при температуре 1535°. В чистом виде встречается крайне редко. В виде сплавов с углеродом, различных чугунов, и сталей железо занимает ведущее место в промышленности. Если принять общее количество выплавляемых металлов за 100%, то железа (в сплавах) выплавляется до 90%.
Чугун - основа всей металлопромышленности и главной ее части, черной металлургии, - в практике мастера будет, вероятно, редким гостем. Обычно он встречается в отливках. В этом виде он может попасться и нам в виде какого-нибудь кронштейна, лапки, башмака для подшипника и тому подобных деталей. Различные сорта чугуна плавятся при температуре 1150° и выше. Самому построить печь для плавки чугуна нельзя, и потому отлить нам из него ничего не придется.
В промышленности употребляется несколько основных типов чугуна. Различие заключается в их структуре. Чугун - это сплав железа с углеродом; углерода в чугуне бывает 3-4%, но не меньше 1,7%. Он может входить в чугун в свободном состоянии в виде графита и может быть химически связан с железом, образуя цементит.
Белый чугун имеет в своем составе только связанный с железом углерод - цементит. Он обладает очень высокой твердостью и хорошо противостоит стиранию, но хрупок.
Серый чугун, кроме цементита, имеет вкрапления свободного углерода - графита. Он обладает достаточной прочностью, хорошо обрабатывается инструментами и достаточно износоустойчив. Из серого чугуна изготавливается основная масса отливок, благодаря его хорошим литейным свойствам и относительной легкости обработки.
Ковкий чугун получается из белого чугуна путем термической обработки. Готовую отливку из белого чугуна подвергают длительному обжигу или томлению в печах. В результате этого хрупкий белый чугун получается вязким и легко обрабатывается. По своей прочности ковкий чугун стоит между серым чугуном и сталью.
Из серого чугуна при меньшем содержании углерода получают сталь. В ней углерода от 0,25 до 1,6%. Сортов или марок стали очень много. В состав стали часто входят еще и другие металлы: никель, марганец, хром и другие.
Свойства различных сортов ее весьма различны, и для правильного применения стали надо знать ее марку. Для наших целей чаще всего может понадобиться обыкновенная углеродистая сталь, из которой делают всевозможные инструменты, зубила, напильники.
По сравнению с серым чугуном сталь в изломе более светлого цвета, мелкозерниста. Излом крепко закаленной стали матово-серый, гладкий. Крупное зерно служит признаком плохого качества стали. Кусок стали издает при ударе характерный звон. Сталь упруга и обладает способностью закаливаться. Нагретый до красного каления и опущенный в воду кусок стали приобретает различные степени твердости и упругости. При нагревании и медленном охлаждении сталь теряет эти свойства, или, как говорят, отпускается. Куется сталь хорошо, режется труднее, чем чугун. Закаленную сталь вообще нельзя обрабатывать инструментами, ее надо сначала отпустить. В закаленном виде она поддается обработке только так называемыми абразивными материалами - обточке и шлифовке на различных точильных камнях (естественных и, главным образом, искусственных).
При еще меньшем содержании углерода, от 0,25 до 0,05%, мы получаем сталь специального назначения, называемую в обиходе железом. Термин этот неточен, однако имеет большое распространение. Из малоуглеродистой стали делают жесть и кровельную сталь (кровельное железо), гвозди, проволоку, заклепки и другие изделия. Такая сталь мелкозерниста в изломе, имеет слегка волокнистое строение, светло-серого цвета, легко обрабатывается инструментами и куется.
Чем меньше в стали углерода, тем она мягче. Большая мягкость достигается ее отжиганием, которое состоит в том, что сталь нагревают докрасна и затем медленно охлаждают. Если куски стали мелки (например, мелкие заклепки), то их надо охлаждать в горячей золе или песке, иначе они быстро остынут и несколько закалятся.
В следующей таблице приведены некоторые сорта и марки сталей и их основное назначение.
|
Наименование стали |
Марка |
Основное назначение |
|
Конструкционная, или строительная сталь |
Ст. 3 |
Проволока, гвозди, шурупы, болты, |
|
Ст. 4 |
детали машин, арматура в железобетоне, металлические части в строительных конструкциях |
|
|
Инструментальная сталь |
У-7 |
Зубила, кузнечные штампы, кузнечный инструмент, молотки |
|
У-8 |
Ножницы, ножи, столярный инструмент, матрицы и пуансоны для холодной штамповки |
|
|
У-10 |
Метчики, развертки, сверла, фрезы |
|
|
У-12 |
Напильники, граверный инструмент, калибры |
|
|
Быстрорежущая сталь |
Р-9 P-18 |
Резцы, фрезы, сверла, развертки |
Чугун обыкновенно выпускается металлургическими заводами в чушках и слитках. С чушками чугуна имеют дело большие заводы и мастерские, которые имеют вагранки и пламенные печи (печи для переплавки чугуна). Обычному мастеру с ними делать нечего.
Сталь выпускается в виде так называемого сортового материала, в виде рельсов, полос, балок различного сечения, углового, таврового, двутаврового, коробчатого. Все эти материалы делают на сталепрокатных заводах. Там же делают из этих металлов материалы круглого сечения - круглую сталь, прутки, толстую проволоку-катанку, из которой на проволочных заводах тянут проволоку.
На трубопрокатных заводах из стали делают трубы разнообразных размеров. Сталепрокатные заводы выпускают листовую сталь, начиная от толстых плит и кончая тонкой жестью.
Начинающему мастеру эти материалы будут доступны главным образом в обрезках и в самых мелких размерах. Куски полосовой и угловой стали, труб, стержни, прутки и проволока, жесть - вот те материалы, с которыми придется иметь дело.
Тяжелые цветные металлы
Цветные металлы выпускаются в виде чушек, полос, лент, трубок, прутков, проволоки, листового материала. Посмотрим, каковы их свойства.
Медь - довольно мягкий, очень ковкий металл оранжево-красного цвета. На воздухе красная медь покрывается темным слоем окиси, который предохраняет ее от дальнейшего окисления. Плавится медь при температуре 1083°, и потому ее надо исключить из числа металлов, которые будет употреблять в своей литейной начинающий мастер. Обрабатывается медь всеми инструментами легко, но при этом надо иметь в виду ее большую вязкость, из-за которой тонкий и хрупкий инструмент (ножовочные полотна, сверла) может при сильном нажиме сломаться. Медь очень хорошо паяется оловом и твердым припоем, обладает большой электропроводностью и теплопроводностью.
Очень большое значение имеют также сплавы меди с другими металлами. Латунь (сплав меди - 60-70% - с цинком - 40-30%) - светло-желтого цвета, более тверда, нежели красная медь. Ковкость латуни значительно хуже. По сравнению с медью она хрупка и обладает некоторой упругостью. Поэтому из латунной проволоки и ленты делают иногда пружины. Окисляется латунь на воздухе слабо, сохраняя свой блестящий вид, паяется легко.
Сплавы меди с другими металлами вообще носят название бронз. Сортов бронзы очень много и с очень различными качествами, но в основном это сплавы меди с оловом. Все бронзы представляют собой отличный литейный материал, пригодный и для литейной начинающего мастера. Температура плавления бронз - от 900° и несколько выше. Так называемый медный припой - это кусочки более легкоплавкой бронзы.
Цинк - тяжелый металл серого цвета, плавится при температуре 419°. Куется он плохо, только при небольшом нагреве, легко паяется и обрабатывается инструментами, на воздухе в обычной температуре противостоит окислению. Очень хорош как материал для литья, как в чистом виде, так и в сплавах с другими металлами.
Свинец - мягкий, очень пластичный и тяжелый металл серого цвета, плавится при 327°. Хорошо противостоит окислению, а также с трудом разрушается кислотами. Окиси свинца ядовиты. Как самостоятельный материал для изделий употребляется редко, но зато часто входит в состав различных сплавов.
Олово - мягкий тяжелый металл серебристо-белого цвета, не окисляется, плавится при 232°. Чистое олово в палочках можно узнать по характерному хрусту при перегибе палочки. Оно идет для лужения посуды, для пайки как в чистом виде, так и в сплавах со свинцом (третник, половник). Иногда олово входит в состав различных бронз.
Легкие цветные металлы
Алюминий. Более ста лет назад Н. Г. Чернышевский писал об алюминии как о металле будущего. Теперь это металл настоящего, его сплавы по объему и широте применения уступают только сплавам железа.
Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета, плавящийся при температуре около 658°. Чистый алюминий мягок и легко обрабатывается. Литой алюминий довольно хрупок, а прокатанный и отожженный - пластичен. На воздухе он устойчив, так как покрывается защитной пленкой окисла, а в присутствии щелочей разрушается легко и быстро. Пайка алюминия в кружке или дома представляет известные трудности, но возможна. Некоторые алюминиевые сплавы в отливках дают много раковин, но при некотором навыке и эта работа будет вполне доступна начинающему мастеру.
Алюминий в чистом виде из-за своей мягкости используется сравнительно мало. Зато его сплавы получили очень широкое распространение во многих отраслях промышленности: авиационной, автомобильной, судостроительной, а также в производстве посуды и различных хозяйственных предметов.
В алюминиевые сплавы добавляют медь, магний, марганец, кремний и другие элементы. В зависимости от этих добавок свойства сплавов изменяются довольно сильно. Основное достоинство сплавов алюминия - легкость. Они легче стали почти в три раза, а прочность и твердость некоторых из них вполне сравнима с твердостью и прочностью углеродистых конструкционных сталей.
Приведем марки и свойства некоторых алюминиевых сплавов.
АЛ-12 имеет хорошие литейные свойства, тверд и прочен, но хрупок.
Сплав АЛ-2 (силумин) тоже обладает хорошими литейными свойствами и легко обрабатывается. Силумины имеют и другие марки.
Сплавы алюминия с магнием (АМг) и марганцем (АМц) при довольно высокой прочности легко обрабатываются и достаточно пластичны.
Дюралюминиевые сплавы (ДЗП, Д-1, Д-6 и другие) обладают высокой прочностью и жесткостью. Гнуть или выколачивать заготовки из дюралюминия можно только после отжига - нагрева до 400° и последующего охлаждения.
Магний - очень легкий и мягкий серебристо-белый металл (удельный вес - 1,75). В чистом виде химически очень активен - легко окисляется и даже способен самовоспламеняться. Используется магний в авиационной промышленности, но только в сплавах с другими металлами, повышающими его прочность и химическую стойкость.
Титан - легкий и твердый серебристо-серый металл с высокой температурой плавления 1680°. Благодаря большой твердости и прочности трудно обрабатывается режущим инструментом. Используется недавно в качестве основы для легких сплавов в судостроении, авиастроении и ракетостроении. Хотя титан - довольно распространенный элемент земной коры, его выплавка из руды очень сложна. Поэтому применение титановых сплавов пока еще ограничено, хотя свойства их очень высоки. Титановые сплавы примерно в полтора раза легче стали, однако не уступают ей в прочности. Они очень слабо окисляются даже в морской воде и сохраняют свои свойства при высоких температурах - до 500-600°.
Все металлы (кроме ртути) - в обычных условиях тела твердые и обладают большим удельным весом. Мы указали на некоторые свойства отдельных металлов и на качество, присущее в равной степени большинству из них, - твердость. Но, помимо этого свойства, они обладают и другими. Если мы начнем металлы нагревать, заметим, что одни из них, при одинаковой массе металла, нагреваются быстрее, другие медленнее. Значит, металлы обладают неодинаковой теплопроводностью. При нагревании металл размягчается и при определенной степени нагрева начинает плавиться. Степень эта для различных металлов и сплавов весьма различна. Есть сплавы, которые плавятся в горячей воде, например сплав Вуда, состоящий из висмута, свинца, олова и кадмия, плавится при 60,5° С, но есть и такие, которые выдерживают белокалильный жар (вольфрамовые нити электрических лампочек). Свойством металлов плавиться при нагревании пользуются весьма широко при изготовлении литых металлических изделий.
Почти все металлы обладают ковкостью и пластичностью. Они в большей или меньшей степени способны под влиянием ударов или давлением изгибаться, вытягиваться, сплющиваться.
Способность эта обычно повышается при нагревании. Под ударами молотка или под давлением металл становится жестким, гартуется. Его можно сделать мягким опять, если отжечь, разогревая на огне.
Ковкие пластичные металлы являются более мягкими, - их с меньшими усилиями можно обрабатывать режущими инструментами. Однако тут приходится считаться с их вязкостью, очень заметной при сверлении и резании. Кусок меди или свинца надо рубить зубилом и до конца, в то время как кусок латуни, цинка или стали можно надрубить и затем сломать. Более твердая латунь при обточке дает гладкую поверхность, медь или алюминий как бы тянется за резцом.
Противоположное ковкости свойство - хрупкость, неспособность выдерживать удары. Сильно закаленная сталь, многие сорта чугуна и бронз от удара разлетаются на куски. Вот почему нельзя колотить напильником по гвоздю, молотком по напильнику, нельзя изгибать сверло при сверлении.
Хрупкость металла не всегда является признаком его твердости. Цинковая отливка хрупка, но не тверда. Закаленный нож и хрупок и тверд. Затачивать лезвие ножа или конец сверла напильником - это значит портить напильник. Если после этого посмотреть на его поверхность, увидим, что она блестит, так как насечка притупилась.
Еще одно важное свойство металлов - это их упругость. В наибольшей степени этим свойством обладают специальные сорта стали. Рулетку из стальной ленты можно смять в кулаке, можно вязать из нее узлы, но даже следов каких-либо изменений от такого обращения на ней не будет.
Некоторые свойства металлов связаны с явлениями электричества и магнетизма. Мы знаем, что одни металлы лучше проводят электрический ток, другие хуже, одни металлы намагничиваются, сохраняют это свойство, другие - нет.
Многие свойства металлов, которыми они обладают при обычной температуре, изменяются при нагревании. Из всех свойств, связанных с изменением температуры, особенное значение имеет способность стали принимать закалку. Нагретая и быстро охлажденная сталь становится хрупкой, как стекло. При новом нагревании и медленном охлаждении - «отпуске» - эта хрупкость постепенно теряется и металл приобретает прежние качества.
Иногда бывает необходимо закалить деталь, сохранив в то же время вязкость металла. В этом случае пользуются специальными установками, в которых с помощью токов высокой частоты деталь закаливается только с поверхности, на глубину в несколько миллиметров. Вся остальная масса металла внутри изделия остается без изменения.
Свойства металла учитываются при его обработке. Прежде всего широко используют способность металла плавиться при нагревании. Это один из самых дешевых и простых способов получения изделий из металла. Части огромных машин и маленькие оловянные солдатики по существу изготовляются одинаковым способом.
Затем следует обработка металла в горячем цехе. Металл разогревают докрасна и придают ему желаемую форму расплющиванием, изгибанием, вытягиванием. Это будет кузнечная обработка, которой подвергают по преимуществу сталь.
И, наконец, металл можно обрабатывать в холодном виде, удаляя излишние частицы металла срезыванием на станках или вручную. На станках металлические части обтачивают, сверлят, строгают, фрезеруют, долбят. Вручную их обрубают, отпиливают, сверлят, клепают.
Начинающему мастеру главным образом будет доступна ручная и простейшая машинная обработка металла в холодном виде, несложные токарные и слесарные работы, работы из жести и проволоки. Но немножко придется познакомиться и с литьем и с кузнечным делом, так как без этого вряд ли удастся обойтись. Конечно, в отливках начинающего мастера не будет ни стали, ни чугуна; самое большее, с чем он справится, - это бронзы, а чаще даже цинк, свинец и их сплавы. Почти все то, с чем имеют дело при литье в больших заводских мастерских, будет в миниатюре и у начинающего мастера. Придется быть и кузнецом. Многие работы с металлами потребуют уменья работать молотком на наковальне.