Текст книги "Жестяницкие работы. Выбор материалов"

Жестяницкие работы
Выбор материалов

Рекомендации по выбору материалов

Качество и пригодность материалов, их пригодность к эксплуатации оценивается комплексом механических, технологических, физических и химических свойств.

К основным механическим свойствам материала относятся прочность, вязкость, твердость и пластичность. Эти параметры определяются в лаборатории на образцах материалов.

Под прочностью понимают свойство материала в определенных условиях и пределах, не подвергаясь разрушению, воспринимать те или иные воздействия на них.

О прочности материала судят по предельному значению напряжения, определяющего интенсивность внутренних сил, возникающих в каком-либо сечении детали, в характерные моменты нагружения. К предельным напряжениям относятся следующие параметры:

Предел текучести (сигма)т – напряжение, при котором происходит процесс деформации (изменение размеров и формы) детали без увеличения нагрузки. Различают предел текучести при растяжении (сигма)тр и сжатии (сигма)тс.

Временное сопротивление (сигма)в – максимальное напряжение, возникающее в детали до ее разрушения (условное напряжение, получаемое делением максимальной силы Fmax на первоначальную площадь So поперечного сечения детали)

Все конструкционные материалы можно условно разделить на хрупкие и пластичные. К пластичным материалам относятся: стали определенных марок, алюминий, медь и др. Для жестяницких изделий в подавляющем случаев используются пластичные материалы.

Пластичностью называют способность материала деформироваться в широких пределах без разрушений.

Повышение прочности и уменьшение пластичности материала при нагружении его за предел текучести называют наклепом. Как положительный эффект наклеп используется при изготовлении некоторых изделий, например проволочных канатов. При выполнении жестяницких работ наклеп нежелателен. Его устраняют с помощью специальной термической обработки изделия.

Важной характеристикой, определяющей способность материала (и изделий из него) сопротивляться действию ударных нагрузок, является ударная вязкость, определяемая как отношение работы. А, затраченной на разрушение образца, к площади S его поперечного сечения: a = A/S.

Твердостью называют способность материала сопротивляться механическому проникновению в него другого тела.

Износоустойчивость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения. При этом изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхностности твердого тела при трении, появляющийся в постепенном изменении его размеров и формы. Большинство изделий, в том числе жестяницких, выходят из строя вследствие износа.

Химические свойства определяют характер взаимодействия металлов с другими металлами и неметаллами. Эти свойства обуславливают степень активности материала или инертности по отношению к внешним средам и контактирующим телам.

В основном металлы и сплавы жестяницких изделий изменяют свойства под действием химически активных сред и обычных атмосферных условий – происходит их коррозия – процесс разрушения материала вследствие взаимодействия их с активной средой.

Возможна коррозия: химическая в горячих или сухих газах и в жидкостях, не являющихся электролитами, и электрохимическая, протекающая в средах, которые могут быть электролитами.

Важным химическим свойством материалов жестяницких изделий является их жаростойкость (окалиностойкость). Под жаростойкостью понимают способность материала противостоять высокотемпературной коррозии в воздушной и агрессивных газовых средах.

Технологические свойства – часть общих, присущих данному материалу физико-химических свойств, знание которых позволяет более обоснованно и интенсифицированно проектировать и вести технологический процесс и получать жестяницкие изделия с наилучшим, потенциально возможными для данного материала рабочими (функциональными) свойствами.

Для изготовления жестяницких изделий важны следующие технологические свойства материалов, как обрабатываемость металлов. Данный термин характеризует свойство или качество материала, которое может быть четко установлено и измерено для определения способности материала подвергаться обработке.

Материал может иметь хорошую обрабатываемость по одному критерию и плохую по другому, или при выполнении различных операций, или при изменении условий обработки или инструментальных материалов.

Обрабатываемость материала резанием может быть оценена одним или несколькими следующими критериями:

Стойкость инструмента. Количество материала, снятого инструментом при стандартных режимах обработки до тех пор, пока качество работы инструмента становится неприемлемым или не произойдет износ инструмента на стандартную величину.

Предельную скорость съема металла. Максимальная скорость, с которой материал может быть обработан при стандартной минимальной стойкости инструмента.

Силами обработки. Силы, действующие на инструмент, или потребляемая мощность.

Шероховатостью поверхности. Шероховатость поверхности, достигаемая при определенных режимах обработки.

Обрабатываемость металла давлением (деформируемость) – способность материалов пластически деформироваться в процессе видоизменения формы при гибке, ковке, штамповке, прокатке и прессовании без нарушения целостности.

Свариваемость – свойство материалов в нормированных условиях сварочных процессов (газовой, дуговой и других видов сварки) образовывалось сварное неразъемное соединение, соответствующее качеству основного металла, подвергнутого сварке. Свариваемость определяют при испытании натурных сварочных образцов по соответствующим стандартам.

Паяемость – свойство материалов образовывать неразъемные соединения с помощью промежуточного вещества – припоя (адгезива), который имеет температуру плавления ниже температуры плавления соединяемых материалов, что и препятствует нежелательным структурным изменениям, имеющим место при расплавлении и затвердевании во время сварки.

К каждому материалу, используемому в технологическом процессе предъявляются определенные требования. Не являются исключением и жестяницкие работы.

Материал жестяницких изделий должен иметь достаточно высокие механические, технологические и физико-химические свойства.

Кроме того, учитывая специфические свойства эксплуатации таких изделий, как воздуховоды и вентиляционные системы, материал должен быть:

Огнестойким.

Морозостойким.

Атмосферостойким.

Указанным требованиям наиболее полно удовлетворяют металлы и их сплавы, а также некоторые неметаллические материалы. При этом требуемый уровень качества изделия может быть обеспечен при использовании для изготовления изделия различных материалов. В этой связи возникает задача оптимизации выбора материала для конкретных условий изготовления и эксплуатации изделия.

При выборе материала для жестяницких изделий учитывают:

Требования к массе и габаритным размерам проектируемого изделия.

Соответствие механических и физико-химических свойств материала готового изделия (с учетом изменений этих свойств в процессе предшествующей обработки и покрытий) главному критерию работоспособности (жесткости, коррозионной стойкости, прочности, износостойкости и т.п.) и требуемому сроку службы (долговечности).

Специфические условия работы изделий (запыленность, повышение температуры и т.п.).

Соответствие технологических свойств материала (свариваемость, обрабатываемость на станках, штампуемость и т.п.) конструктивной форме, предлагаемому способу получения заготовки и готового изделия и требуемым параметрам качества поверхности.

Стоимость и дефицитность материала.

Требования эстетики.

Возможность унификации материала данной модели материалу других деталей проектируемого изделия.

Окончательное решение о выборе того или иного материала принимается на основе технико-экономического расчета с учетом возможности экономии материала и повышения эффективности производства.

Для изготовления жестяницких изделий используют черные сплавы (прежде всего, стали), которые обладают высокой прочностью (особенно после термохимической, механической и термической обработки), износостойкостью, огнестойкостью и морозостойкостью, жескостью, имеющие достаточно хорошие технологические свойства и невысокой стоимости, при этом.

Основными недостатками черных сплавов являются их низкая коррозионная стойкость (кроме специальных сталей) и большая плотность.

Цветные металлы и их сплавы применяют, прежде всего, для жестяницких изделий, к которым предъявляют требования высокой коррозионной стойкости и взрывопожарной безопасности в различных средах.

Большинство сплавов цветных металлов имеют хорошие и удовлетворительные технологические свойства. Основной недостаток цветных сплавов – сравнительно высокая стоимость.

Неметаллические материалы (резину, пластмассы, асбест и др.) широко используют при изготовлении систем вентиляции.

Современное развитие химии высокомолекулярных соединений позволяет получать пластмассы, которые обладают такими ценными свойствами, как прочность, стойкость, против действия агрессивных сред, теплоизоляционная и электроизоляционная способность, легкость и т.п.

Практически все пластмассы имеют хорошие технологические свойства. Эти материалы формуют при невысоких температурах и давлениях, что позволяет получить из пластмасс изделия любой сложной формы высокопроизводительными методами: штамповкой, вытяжкой и т.п.

Технико-экономическая эффективность применения пластмасс определяется в основном значительным снижением массы изделий и повышением их эксплуатационных качеств, а также экономией сталей и легких сплавов. Замена металла на пластмассу позволяет значительно снизить себестоимость и трудоемкость изделий.

Основным недостатком пластмасс является их склонность к так называемому старению, выражающемуся в постепенном изменении механических характеристик и размеров изделий в процессе эксплуатации.

Характеристики конструкционных материалов

Условные обозначения основных элементов в марках металлов и сплавов:

Черных: А – азот, Ви – висмут, Кд – кадмий, К – кобальт, Ш – магний, С – углерод, П – фосфор, Х – хром, Н – никель, С – кремний, Г – марганец, М – молибден, Ю – алюминий, Д – медь, Р – бор, В – вольфрам, Ф – ванадий, Т – титан.

Цветных: А – алюминий, Ж – железо, Кд – кадмий, Кр – кремний, Мг – магний, Мц (Мр) – марганец, М – медь, Н – никель, О – олово, С – свинец, Ср – серебро, Ф – фосфор, Х (Хр) – хром, Ц – цинк.

Основные характеристики материалов, используемых для жестяницких изделий

Для изготовления жестяницких изделий применяют различные материалы, в том числе сплавы черных и цветных металлов и неметаллы.

Стали. Основным конструкционным материалом для жестяницких изделий является сталь. Сталью называют сплав железа с углеродом и другими элементами.

Стали подразделяют:

По химическому составу – на углеродистые и легированные.

По способу получения – на бессемеровские, мартеновские, конверторные, электростали и т.д.

По качеству – на обыкновенного качества, качественные, повышенного качества и высококачественные.

По методам придания формы – литые, кованые, катаные (прокат), при этом различают холоднокатаные и горячекатаные стали.

Жестяницкие изделия изготовляют, в основном, из углеродистых сталей обыкновенного качества, используемых в виде проката. В технически обоснованных случаях применяют качественные углеродистые и легированные стали.

Таблица 1.

* Выбирают в зависимости от толщины заготовки.

Согласно ГОСТ 380 – 71 углеродистя сталь обыкновенного качества делится на три группы:

А – поставляемую по механическим свойствам (см. таблицу 1) и применяемую в основном в тех случаях, когда изделия из нее не подвергаются горячей обработке (ковке, сварке и т.п.), которая может изменить регламентируемые механические свойства.

Б – поставляемую по химическому составу и применяемую для деталей, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются, а уровень их, кроме условий обработки, определяется химическим составом.

В – поставляемую по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке.

По способу раскисления различают сталь: кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (сп).

Кипящая сталь (не подвергаемая раскислению в ковше) дешевле других сталей примерно на 12%, но такая сталь содержит пузырьки газов и менее однородна.

Сталь обозначается буквами Ст и цифрами 0, 1, 2…, 6. Увеличение номера указывает на содержание углерода и временного сопротивления (сигма)в. После цифр следуют буквы: кп, пс, сп. Слева от букв Ст ставят букву Б или В, которой обозначена группа стали (группа А в обозначении марки не указывается).

Качественная углеродистая конструкционная сталь по методам придания формы делится на горячекатаную и кованую, калиброванную круглую со специальной отделкой поверхности.

В зависимости от назначния горячекатаную и кованую сталь делят на подгруппы: а – для горячей обработки давлением; б – для холодной обработки резанием (обточки, фрезерования и т.п.) по всей поверхности; в – для холодного волочения (подкат).

Категории углеродистой качественной конструкционной стали.

По требованиям к испытанию механических свойств сталь подразделяется на категории: 1, 2,…, 5.

По состоянию материала поставляют сталь: без термической обработки; термически обработанную (Т); нагатованную [Н для калиброванной стали и со специальной отделкой поверхности (серебрянки)].

В обозначении марки стали двузначные числа указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента, буква Г указывает содержание марганца (около 1%).

Марки стали: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60, 60Г.

Легированная конструкционная сталь.

Существенный недостаток углеродистой стали – резкое уменьшение пластичности и вязкости с увеличением содержания углерода, который увеличивает ее твердость.

Вводимые в сталь легирующие элементы изменяют ее механические, физические и химические свойства.

Для легирования стали, чтобы улучшить ее свойства применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, алюминий, медь и другие элементы.

По отношению к углероду легирующие элементы разделяются на две группы:

Элементы, образующие с углеродом устойчивые химические соединения, такие как карбиды (хром, марганец, молибден, вольфрам ванадий, титан); карбиды могут быть простыми и сложными. Они обычно тверже карбида железа и менее хрупки.

Элементы не образующие в стали карбидов и входящие в твердый раствор – феррит (никель, кремний, кобальт, алюминий, медь).

Маркировка легированной стали по ГОСТу для обозначения легирующих элементов приняты следующие буквы: Х – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюминий, Д – медь, П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, А – азот, Е – селен, Ц – цирконий.

По методам придания формы сталь делят на горячекатаную и кованую диаметром (толщиной) до 250 мм.

В зависимости от назначения горячекатаную сталь подразделяют на подгруппы:

А – Для горячей обработки давлением и холодного волочения (подкат).

Б – Для механической обработки.

По состоянию материала сталь поставляют: без термической обработки и в термически обработанном состоянии (отожженную, нормализованную и высокоотпущенную).

В зависимости от химического состава и свойств сталь подразделяют на категории: качественную, высококачественную – А и особо высококачественную – Ш.

В обозначении марки стали двузначные числа слева указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы – на основные легирующие элементы. Цифры после букв означают примерное процентное содержание соответствующего компонента в целых единицах.

Отсутствие цифр свидетельствует о содержании легирующего элемента до 1.5%. Буква А в конце обозначения означает высококачественную сталь.

К высоколегированным относятся стали и сплавы:

Коррозионно-стойкие, обладающие стойкостью против коррозии (химической, электрохимической и т.п.);

Жаростойкие (окалиностойкие), обладающие стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температуре более 50`С, работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии;

Жаропрочные, работающие в нагруженном состоянии в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Термическая, химико-термическая и термомеханическая обработка стали.

Термическая обработка заключается только в термическом воздействии на сплав. Основными видами такой обработки являются отжиг, закалка, отпуск и старение.

Отжиг – термическая обработка, заключающаяся в нагреве до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры (состава сплава).

Вызывает уменьшение прочности и твердости стали, повышение пластичности и снятия остаточных напряжений. Используют несколько видов и разновидностей отжига сплава [13].

Для жестяницких изделий с рекристаллизацию целью ускорения наклепа, вызванного пластичной деформацией и затрудняющего дальнейшее деформирование, выполняют рекристаллизационный отжиг. Он используется как промежуточный между операциями холодного деформирования.

Температура рекристаллизационного отжига для различных материалов используемых при изготовлении жестяницких изделий,`С: стали 600-700; меди 450-500; латуни 400-500; алюминия 250-350; титана 540-760.

Закалка – термическая операция, заключающаяся в нагреве до определенной температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью в закалочной среде.

Цель закалки – повышение прочности и износостойкости ( за счет увеличения твердости) изделий.

Закалка может быть объемной (нагрев и превращения по всему объему изделия) и поверхностный (нагрев, например, токами высокой частоты и превращения в поверхностном слое).

Отпуск – окончательная термическая обработка, состоящая в нагреве сплава, предварительно подвергнутого закалке, до определенной температуры, выдержке и охлаждении. Цель отпуска – получение заданной структуры и требуемых свойств.

Разновидности отпуска стали: низкий (150-250 `С), средний (350-480 `С) и высокий (400-600`C). Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением.

Старение – термическая операция, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.

Цель старения – упрочнение некоторых сплавов или разупрочнение других сплавов за счет получения более равновесного состояния.

Различают естественное старение (при t=20`C в течение длительной выдержки) и искусственное старение, выполняемое при нагреве до определенной температуры.

Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в сочетании химического и термического воздействия.

Цель такой обработки – изменения химического состава и свойств поверхностного слоя изделия. Такая обработка состоит в диффузионном насыщении поверхностного слоя неметаллами (углеродом, азотом и др.) или металлами (алюминием, цинком и др.). В зависимости от насыщающего элемента различают следующие виды ХТО:

Цементацию – насыщение углеродом;

Азотирование – насыщение азотом;

Цианирование – насыщение углеродом и азотом в жидкой среде;

Нитроцементацию – насыщение углеродом и азотом в газовой среде;

Сицирование – насыщение кремнием;

Хромирование – насыщение хромом;

Алютирование – насыщение алюминием;

Цинкование – насыщение цинком.

В результате цинкования и силицирования повышается коррозионная стойкость стали, а при хромировании и алитировании – коррозионная стойкость, а также износостойкость и жаростойкость.

ХТО может применяться как окончательная обработка или как предварительная – перед последующим термическим воздействием.

Термомеханическая обработка (ТМО) заключается в сочетании пластической деформации и термического влияния. Применяют различные виды ТМО.

Рекомендации по применению конструкционной стали.

Сталь обыкновенного качества используют в основном для деталей не подвергаемых термической обработке. Из низкоуглеродистой стали изготавливают детали с применением операции гибки, резки, пробивки отверстий без последующего отжига или холодной высадки с большим деформированием материала.

Стали Ст3 и СТ3кп являются основными для строительных конструкций.

Среднеуглеродистые стали применяют для малонагруженных деталей.

Углеродистые качественные конструкционные стали применяют преимущественно для средненагруженных деталей, подвергаемой термической обработке.

Легированные стали используют в тех случаях, когда к деталям предъявляются требования высокой прочности или специфических свойств: коррозионная стойкость, жаропрочность и т.д. Эти стали, как правило, подвергаются термообработке, причем легирующие элементы повышают прокаливаемость сталей и их механические свойства.