Формирование свойств металлохозяйственных товаров в процессе производства

Качество металлотоваров, т. е. совокупность их потребитель­ских свойств, во многом зависит от свойств металлов и сплавов, применяемых при изготовлении изделий, а также от качества технологических процессов, их полноты и последовательности проведения.

Технологический цикл, т. е. совокупность и последователь­ность технологических процессов и операций, при изготовлении металл отоваров может предусматривать:

1) получение черновых изделий или деталей (заготовок);

2) обработку заготовок (механическую, термическую, физико-
химическую, химико-термическую);

3) сборку изделий;

4) нанесение защитно-декоративных покрытий;

5) заключительную отделку;

6) контроль качества готовых изделий.

Какие именно технологические операции будут произведены, зависит от вида изделия, а также общих и специфических требова­ний, предъявляемых к нему. Так, производство чугунной сковороды без ручек, будет включать в себя литье заготовки и обработку ее поверхности; а при производстве складного ножа будут задейство­ваны все группы технологических процессов и операций.

Черновые заготовки получают чаще всего либо литьем, либо ме­тодами пластической деформации. Существуют сплавы, обработка ко­торых возможна только методом литья, например чугун, силумин.

Метод литья является самым распространенным способом изготовления металлических деталей и изделий. Его сущность заключается в том, что расплавленный металл, залитый в форму, застывает в ней и приобретает заданные очертания и размеры. Заготовки, полученные методом литья, называют отливками.

В настоящее время отливки получают литьем в песчано-гли-нистые (земляные) формы и специальным литьем.

Литье в песчано-глинистые формы является наиболее тради­ционным, до настоящего времени это основной метод при произ­водстве отливок (около 80% всего литья) для бытовых металлоиз­делий. Литьем в песчано-глинистые формы получают изделия из чугуна, стали, латуни, бронзы, литейных сплавов алюминия. Это наиболее дешевый способ изготовления деталей сложной конфи­гурации, масса которых может быть от нескольких граммов до нескольких сотен тонн.

Однако метод имеет недостатки: низкую чистоту поверхности заготовок (не более 6), размерную неточность и большие припуски

__________________________ Глава 8

на механическую обработку, невозможность получения тонкос­тенных отливок, тяжелые условия труда рабочих (грязь и пыль в горячих цехах). Специальные способы литья не имеют многих из этих недостатков.

К специальным способам литья относятся:

- литье в металлические формы (кокильное литье);

- литье в оболочковые (скорлупчатые) формы;

- центробежное литье;

- литье под давлением;

- литье по выплавляемым моделям.

Они позволяют получать полуфабрикаты и изделия с точными размерами и высокой чистотой поверхности. Применяются, как правило, для цветных металлов и сплавов.

При операциях литья могут возникать следующие виды дефек­тов, снижающих уровень качества изделий.

Раковины - это открытые (наружные) или закрытые (внутрен­ние) полости в отливке. Внутренние полости могут быть заполнены газом или формовочной смесью. Горячие трещины возникают при неправильной заливке металла в форму, при заливке перегретого или остывшего металла, при разрушении формы и т. д. Раковины значи­тельно ухудшают внешний вид изделий и снижают прочность.

Трещины - сквозные или несквозные разрывы отливки. Мо­гут возникать в горячем и в холодном состоянии, соответственно могут быть горячие и холодные. У горячих трещин поверхность покрыта слоем окалины. Возникает при сильной усадке сплава, повышенной красноломкости и хладноломкости металла, при преждевременном извлечении отливок из формы, при небрежной обрубке литника. Они значительно снижают прочностные свойства и в изделиях не допускаются.

Недолив - отсутствие части отливки. Возникает из-за неполно­го заполнения формы расплавленным металлом, например из-за 3 скопления в литейной форме газов или из-за недостатка металла: в ковше при заливке.

Спаи - сквозные или поверхностные углубления и щели с за- кругленными краями. Возникают при заливке остывшего металла,. когда его отдельные струи уже не могут слиться.

_________________ Металле/хозяйственные товары

Коробление - искажение формы и размеров отливки под влия­нием внутренних напряжений, вызванных неравномерным охлаж­дением отдельных областей. Может возникать при неодинаковой влажности верхней и нижней частей формы, при сильной разно-стенности отливки.

Несоответствие размеров - несоответствие размера отливки чертежу. Возникает при неправильном изготовлении модели или же из-за износа формы.

Отбел - образование в поверхностном слое или по всему объему чугунной отливки цементита. Чаще всего возникает из-за неправильно выбранной скорости охлаждения отливки. Сильно затрудняет обработку отливок, делая их хрупкими.

Металлическим деталям можно придать требуемую форму и размер, используя способности металла к пластической дефор­мации под воздействием внешних сил. При этом изменяются струк­тура материала и, соответственно, его свойства.

Металл может обрабатываться давлением в горячем и в хо­лодном состоянии.

Горячая обработка улучшает структуру материала: за счет пе­рекристаллизации образуется мелкозернистая структура, заварива­ются усадочные пустоты и рыхлоты, иногда имеющиеся в слитках, что повышает механические свойства материала.

При холодной обработке - зерна металла вытягиваются в на­правлении прокатки, металл приобретает характерную структуру типа волокнистой и анизотропность. Увеличивается твердость, но уменьшаются деформационные свойства.

Для бытовых металлотоваров применяют следующие способы обработки металлов давлением.

Прокатка - пропускание металлической заготовки между дву­мя системами валков прокатного стана, вращающихся в противопо­ложных направлениях. Прокат различают листовой и сортовой (или профильный), последний имеет в поперечном сечении сложную форму. Кроме того, прокатка может быть холодной и горячей.

Прокатку используют для получения листовой стали, исполь­зуемой в дальнейшем для корпусов холодильников, газовых плит, электродвигателей и других изделий (например, посуды); а также

__________________________ Глава 8______________________

при получении профильных деталей: балок, швеллеров, толстой проволоки (толщина более 5 мм).

Ковка - получение изделий и заготовок сложных форм из сильно нагретого металла с помощью последовательных ударов кувалды или молота.

Штамповка - придание металлу определенной формы с по­мощью давления штампа. Различают объемную и листовую штам­повку.

Объемная штамповка осуществляется прессом (штампом), со­стоящим обычно из двух половинок. Металл помещают в нижнюю половину штампа и под давлением опускают верхнюю половину штампа. Объемная штамповка может быть горячей (т. е. подается сильно разогретый металл) и холодной. Горячая объемная штампов­ка применяется для изготовления деталей ножей, ножниц, приборов для окон и дверей, инструментов. Холодная объемная штамповка применяется для изготовления болтов, винтов, гаек, заклепок.

Листовая штамповка представляет собой формование деталей (преимущественно в холодном состоянии) из листового проката на прессах с помощью матрицы и пуансона. Листовая штампов­ка - один из самых высокопроизводительных методов обработки металлов давлением. Применяется для изготовления кузовных и облицовочных деталей автомобилей, тракторов, вагонов, мото­циклов, а также металлической посуды и столовых приборов.

Волочение - процесс протягивания заготовки через отверстие волоки. При волочении уменьшается поперечное сечение заготовки и увеличивается длина. Изделие приобретает точные размеры, глад­кую поверхность. Получают в основном прутки и проволоку.

Чеканка - получение на листовой заготовке выпукло-вогну­того рельефа за счет незначительного перемещения металла под штампом. Применяется в производстве монет, жетонов, медалей после операции штамповки.

Дефекты при обработке давлением могут возникать:

1) из-за неудовлетворительного качества металла: трещины, волосовины (неглубокие трещины, появляющиеся на прокате там, где на отливках были раковины), плены (застывшие и прокатанные брызги металла на поверхности отливок);

__________ Металпохозяйственные товары___________________________

2) нарушения технологии обработки: пережог, несоответствие формы и размеров, забоины (при попадании внутрь штампа ме­таллических частиц), вмятины, заусенцы, царапины.

Дальнейшая обработка заготовок может производиться меха­ническими, физико-химическими, термическими и химико-тер­мическими способами.

Механическая обработка заготовок (или обработка резани­ем) - необходимый технологический процесс. Как бы ни было совершенно литье или обработка металлов давлением, в большин­стве случаев этими способами не удается получить полностью готовые к сборке детали, поэтому необходима обработка резанием. В процессе обработки резанием заготовка приобретает окончатель­ную форму, заданные размеры и требуемую чистоту поверхности. В общем виде обработка резанием заключается в снятии излишков металла (припуска) в виде стружки с заготовок, полученных лить­ем, прокаткой или ковкой.

Обработку резанием производят на металлорежущих станках или вручную. В последнем случае обработку называют слесарной.

Наиболее распространенными способами обработки металлов резанием являются точение, сверление, фрезерование, строгание, нарезание резьбы. Эти способы обработки различаются конструк­цией применяемого режущего инструмента и характером относи­тельных движений инструмента и обрабатываемой заготовки.

Общие дефекты обработки резанием возникают чаще всего при работе на изношенных или неправильно настроенных станках, при неправильном креплении или небрежной заточке инструмента, при ошибках в измерениях. Наиболее часто встречаемыми дефектами являются: неправильные размеры и форма деталей, шероховатость поверхности, заусенцы, царапины. Кроме того, при каждом виде обработки резанием могут возникнуть специфические дефекты. При точении может появиться бочкообразность, овальность или конусность; при сверлении - смещение или наклон отверстий; при фрезеровании -разнотолщинность или волнистость поверхности; при нарезании резьбы - помятые или сорванные нитки резьбы.

Физико-химические методы обработки металлов применя­ют при изготовлении изделий из материалов, которые трудно или

__________________________ Глава б______________________________

невозможно обрабатывать механическим способом, например, сверхтвердые металлы и сплавы. Этими методами можно с боль­шой точностью и высокой эффективностью получать полости или отверстия очень малых размеров или сложных форм, изготовлять детали с узкими криволинейными пазами.

К физико-химическим методам обработки заготовок относят электроискровой, электроимпульсный, электроконтактный и анод-но-механический. Такая обработка основана на явлении местного разрушения металла под действием электричества. Наиболее распространенной является электроискровая обработка, которую используют при получении отверстий в твердых сплавах, при из­готовлении штампов, пресс-форм, волочильных досок, при извле­чении из заготовок сломанных сверл, метчиков и других работ.

Термической обработкой называют совокупность операций нагревания, выдержки и охлаждения металлов и сплавов с целью изменения их структуры и свойств.

Термическую обработку применяют преимущественно для углеродистых сталей и чугунов. Ее проведение позволяет полу­чить у стальных изделий не только улучшенные механические свойства, но и необходимые физико-химические характеристики таких параметров, как теплопроводность, электросопротивление, коррозионная стойкость и др.

Основными видами термической обработки, применяемыми в процессе производства металлотоваров, являются отжиг, нор­мализация, закалка и отпуск. Их проводят после механической обработки деталей и заготовок с целью восстановления и упоря­дочения внутренней структуры металла.

Отжигом называется операция, при которой изделие нагрева­ют до определенной температуры (около 600 °С), какое-то время выдерживают при заданной температуре и охлаждают с опреде­ленной скоростью (очень медленно). В результате отжига сталь приобретает устойчивую структуру, освобождается от внутренних напряжений, становится более пластичной.

Применяется для изготовления инструментов, строительных материалов, подшипников, проволоки.

_________________ Металлохозяйственныетовары _

Нормализацией называют вид термической обработки, при котором стальные заготовки нагревают сильнее, чем при отжиге (около 650 °С), определенное время выдерживают при этой темпе­ратуре и свободно охлаждают на воздухе. Нормализация снимает внутренние напряжения, улучшает обрабатываемость резанием, позволяет исправлять структуру сварного шва.

Нормализацию применяют при изготовлении посуды, инструмен­тов, деталей бытовых машин, автомобилей, мотоциклов, велосипедов и т. д. Она обязательно проводится перед операцией закалки.

Закалкой называется операция нагрева заготовки до темпера­тур порядка 800-950 °С, выдерживание в течение определенного времени и моментального (очень быстрого) охлаждения в специ­альных средах (вода, эмульсии и минеральные масла). Закалка способствует увеличению твердости, прочности и износостойкости поверхностного слоя изделий.

Отпуском называют операцию термической обработки, при которой стальные детали, прошедшие закалку, нагревают до тем­пературы около 650 °С и медленно охлаждают до комнатной тем­пературы (на воздухе или в минеральном масле). Отпуск умень­шает остаточные внутренние напряжения, повышает упругость и вязкость без снижения твердости.

Отпуск применяют для деталей, подвергающихся действию значительных нагрузок: оси автомобилей и мотоциклов, шатуны двигателей внутреннего сгорания, рессорные пружины и т. п.

К дефектам, возникающим при термической обработке, от­носят:

1) недостаточную твердость и мягкие пятна. Возникают при
недостаточной температуре нагрева или малой скорости охлажде­
ния при закалке. Устраняются повторной закалкой;

2) повышенную хрупкость. Возникает вследствие несоблюде­
ния температурных режимов при закалке. Устраняется повторной
закалкой;

3) коробление, деформации и трещины. Появляются при воз­
никновении существенных внутренних напряжений при наруше­
нии технологических режимов термической обработки. Дефекты
данной группы недопустимы и переводят изделие в брак.

Глава 8

Металлохозяйственные товары

Химико-термическая обработка изделий применяется в тех случаях, когда поверхность изделия должна обладать высокой твердостью и износостойкостью при сохранении мягкой и плас­тичной сердцевины. В процессе химико-термической обработки поверхность изделия насыщается (при температурах 600-900 °С) одним или несколькими химическими элементами, которые диф­фундируют в изделие. В результате меняется состав, структура и свойства поверхностного слоя. Химико-термическая обработка используется, как правило, для стальных заготовок.

Основными ее видами являются цементация, азотирование, цианирование и диффузная металлизация.

Цементацией называют процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Она позволяет увеличить твердость, изно­соустойчивость и усталостную прочность поверхностного слоя изделия. Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые пальцы, оси, кольца и ролики подшипников.

Азотирование - это процесс насыщения поверхности стальных изделий азотом, что повышает твердость, износостойкость и кор­розионную устойчивость поверхностного слоя изделий. Азотиро­ванию подвергают цилиндры моторов и насосов, пресс-формы, штампы, клапаны двигателей внутреннего сгорания. Азотирование является довольно дорогостоящей операцией (длительность - око­ло 60 ч), поэтому его применение ограничено.

Цианированием называют процесс, при котором поверхность стали одновременно насыщается углеродом и азотом, что повыша­ет твердость, усталостную прочность и коррозионную стойкость поверхности изделия. Применяют для изготовления изделий из быстрорежущих инструментальных сталей, например сверл.

Диффузной металлизацией называют процесс насыщения поверхности стальных деталей алюминием, хромом, кремнием и другими элементами. При насыщении стали алюминием процесс называют алитированием, при этом поверхность деталей приоб­ретает повышенную окалиностойкость. При насыщении хромом -хромированием, поверхность приобретает повышенную твердость и коррозионную устойчивость. Насыщение кремнием называют 446

силицированием, при этом поверхность металла приобретает кис­лотоупорность.

К дефектом, возникающим при химико-термической обработ­ке, относят: крупнозернистость покровного металла, мягкие пятна, отслаивание и растрескивание покровного слоя.

Поскольку многие изделия из металлов выполняются сбор­ными или же входят составными элементами в другие изделия (электротовары, электронные товары, автомобили, приборы и обо­рудование), при их изготовлении необходимо соблюдать определен­ную точность размеров. Кроме того, когда деталь входит в состав какого-то сложного изделия, с экономической точки зрения при ремонте целесообразнее заменять изношенные части, а не приоб­ретать новое изделие, поэтому к металлоизделиям предъявляются требования однотипности и взаимозаменяемости.

Взаимозаменяемость зависит от соблюдения точности разме­ров, указанных на чертеже, т. е. номинальных размеров. Действи­тельные размеры, получаемые при изготовлении деталей, всегда несколько отличаются от номинальных. Разница между действи­тельными и номинальными размерами называется отклонением от номинала и определяет точность обработки. Согласно стан­дарту имеются следующие классы точности обработки: 1, 2, 2а, 3, За, 4, 5, 6, 7, 8, 9-й. Самым высоким классом точности является первый, самым низким - девятый. Чем выше класс точности, тем меньше разрешаемые отклонения.

При изготовлении деталей литьем, ковкой и прокаткой могут быть получены 7-9-й классы точности. Для изготовления ряда ме-таллотоваров такая точность является достаточной. При изготов­лении деталей точением, сверлением, строганием, фрезерованием, сверлением можно обеспечить класс точности до 5-го.

Поверхность металлических изделий может иметь неровности, которые особенно хорошо видны при увеличении под микроскопом. Гребни и впадины на поверхности изделия называют микронеров­ностями или шероховатостью., Показатель шероховатости является обратным к показателю чистоты поверхности. Шероховатость ухудшает физико-механические свойства поверхностного слоя,

__________________________ Глава 6

снижает коррозионную стойкость, уменьшая, таким образом, срок службы; снижает металлический блеск.

Согласно стандарту различают 14 классов чистоты поверхно­сти. Первый класс указывает на наиболее шероховатую поверх­ность. При изготовлении деталей литьем, давлением или резани­ем практически невозможно получить поверхность чище 6-7-го класса.

Когда необходимо получить изделия, имеющие высокий класс точности обработки или высокую чистоту поверхности металлоиз­делия, используют следующие методы отделки: галтовку, крацовку, шлифование, полирование, притирку и другие.

Шлифование - это метод обработки поверхности с помощью вращающихся абразивных шлифовальных кругов или головок на шлифовальных станках. При вращении круга острые грани абра­зивных зерен срезают с поверхности металла микроскопическую стружку, что обеспечивает чистоту поверхности до 10-го класса. Шлифование используют для обработки деталей машин и меха­низмов, клинков ножей и ножниц.

Полирование представляет собой процесс обработки поверхно­сти с целью доведения изделий до требуемых размеров, повышения чистоты поверхности до 10-14-го классов точности и придания изделиям декоративного зеркального блеска. Полирование может производиться механическими, химическими и электрохимиче­скими методами.

Механическое полирование проводят на станках с помощью войлочных или матерчатых кругов, на которые наносят полиро­вочные мелкодисперсные порошки с водой или же специальные пасты. Механическое полирование обеспечивает 10-11-и классы чистоты поверхности.

Химическое полирование - это обработка изделий в травильном растворе (смеси кислот) в течение определенного времени (до 10 мин) при комнатной температуре или при нагреве до 90 °С. При погру­жении изделия в ванну с кислотами металлическая поверхность на­чинает растворяться, причем, выступы растворяются быстрее, чем углубления. Растворение выступов выравнивает поверхности и обес­печивает 11-13-Й классы чистоты и зеркальный блеск.

Метаплохозяйственные товары

Электрохимическое полирование заключается в том, что в элек­тролитическую ванну в качестве анода погружается обрабатыва­емая деталь. При пропускании тока выступающие участки рас­творяются быстрее, поскольку на их поверхности более высокая плотность тока. Этот метод позволяет получить чистоту поверх­ности до 14-го класса с отражательной способностью на 40-50% выше, чем после механического полирования.

Полирование применяют как завершающую отделку для ножей и столовых приборов, никелированных и хромированных покры­тий, а иногда для изделий перед нанесением на них защитных покрытий.

Крацовш - это обработка поверхности металлических изделий вращающимися с большой скоростью (порядка 3—4 тыс. об/мин) щетками из стальной проволоки. Концы проволоки, ударяясь о по­верхность изделий, очищают ее. Крацовку применяют для очистки литых изделий от формовочной смеси, для удаления ржавчины, окалины и других загрязнений. Этот метод применяют для литой чугунной посуды, корпусов мясорубок и т. т

Галтовка - это обработка поверхности деталей и изделий в специальных барабанах. В барабан вместе с изделием загружа­ют абразивный материал (песок, наждачную пыль, керамические и металлические шары) и вращают. Галтовка может быть сухой и мокрой, когда к абразивному материалу добавляют растворы мыла или щелочи. Галтовку чаще всего применяют для обработки поверхностей мелких деталей и изделий: болтов, шурупов, гаек. Также она может применяться для обработки вилок, ложек, што­поров и т. п.

Часто готовое изделие из металла представляет собой комплекс отдельных деталей и узлов, соединенных определенным образом (простой пример: мясорубка). Технологический процесс соедине­ния отдельных частей в готовое изделие называется сборкой.