Металлообработка: обрабатываемые материалы

За тысячи лет человечество накопило грандиозный опыт в сфере обработки металлов. И сегодня мы предпримем попытку обобщить его в этой статье, дать представление о свойствах и применении основных видов материалов, которые используются в современной металлообрабатывающей промышленности.

Чугун

Чугун – это сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14%). В зависимости от химического состава и термообработки, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Как правило, чугун хрупок.

Белые чугуны обладают настолько высокой твердостью, что не могут обрабатываться режущим инструментом. В основном они используются для получение более применимых в металлообработке серого и ковкого чугуна, а также стали.

Для получения высокопрочного чугуна используются легирующие добавки (никель, хром, магний и др.).

Свойства:

• невысокая стоимость
• хорошие литейные свойства
• достаточно высокая прочность
• износостойкость на трение

Применение:

• художественное (парковая скульптура, решётки, ограды, садовая мебель и пр.)
• конструкционное (колонны, отопительные батареи, водопроводные и канализационные трубы, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и блоки двигателей, зубчатые колеса и другие детали)

Сталь

Сталь – это основной материал в современной металлообработке. От других металлов сталь отличается разнообразием уникальных свойств, которые обеспечивают ее широчайшее применение и востребованность. Как правило, сталь различают на конструкционную и инструментальную. Первая отличается ярко выраженными механическими свойствами и используется для изготовления различных металлоконструкций, а главное качество второй – значительное сопротивление износу, которое позволяет успешно применять ее для производства всех типов инструментов.

С помощью термообработки (нагрев, охлаждение) сталь может менять свою кристаллическую структуру и механические свойства, что влияет на ее податливость при шлифовке и резке.

Классификация стали в соответствии с легирующими элементами

Добавляя в сплав различные элементы, можно изменять свойства стали. По составу стали делятся на углеродистые и легированные, которые также классифицируются в зависимости от содержания углерода и легирующих элементов.

Углеродистые

• низкоуглеродистые (до 0,25% С)
• среднеуглеродистые (0,3-0,6% С)
• высокоуглеродистые (от 0,7% С и выше)

Легированные

• низколегированные (до 4% легирующих элементов)
• среднелегированные (до 11% легирующих элементов)
• высоколегированные (свыше 11% легирующих элементов)

Легированная сталь, к которой относятся быстрорежущие, твердосплавные и жаропрочные стали, применяется для изготовления различного инструмента: ударно-штампового, измерительного, режущего.

Нелегированная сталь с менее чем 2% углерода и других элементов в составе обычно используется как конструкционная или термообрабатываемая сталь.

Нержавеющая сталь (INOX)

К нержавеющим сталям относят сплавы, стойкие к коррозии на открытом воздухе и в агрессивных средах. Легирующим элементом в данном случае выступает хром. Нержавеющие стали разделяют на хромированные (12-18% Cr) и хромоникелевые (17-20% Cr, 8-25% Ni).

Хромированные стали применяются для изготовления деталей, подверженных воздействию воды или пара. Например, бытовых приборов, деталей внутреннего интерьера, стальных конструкций трубопроводов в нефтяной промышленности, пружин, винтов, поршневых штоков, ножей, ножниц, лезвий бритв и хирургических инструментов.

Хромоникелевые стали остаются устойчивыми к коррозии даже в сильных агрессивных средах. Их используют для изготовления продукции особо высокой ответственности. К ней относятся изделия, применяемые в пищевой, химической, молочной, бумажной, текстильной промышленности, производстве безалкогольных напитков, потребительских товаров.

Обработка нержавеющей стали

Нержавеющая сталь отличается плохой обрабатываемостью, в частности, она требует большего количества энергии для резания и шлифовки, повышает температуру инструмента и заготовки, увеличивает износ абразивного зерна и способствует возникновению прижогов из-за низкой теплопроводности.

Именно поэтому для обработки нержавеющей стали рекомендуется использовать специальные абразивные инструменты, разработанные непосредственно для этого материала. Благодаря особенностям зерна и связки они успешно справляются с сопротивлением нержавеющей стали, не оставляют прижогов и, в отличие от обычных отрезных и шлифовальных кругов, исключают дальнейшую коррозию обрабатываемой заготовки.

Алюминий и сплавы

Алюминий – серебристо-белый лёгкий металл, хорошо поддающийся штамповке и стойкий к коррозии.

Различают литейные и деформируемые алюминиевые сплавы. Деформируемые сплавы предназначены для холодной штамповки, прессования, ковки и обработки резанием, они сохраняют свойства при высоких механических нагрузках.

Литейные сплавы позволяют создавать сложные фасонные заготовки и хорошо поддаются обработке.

Главный недостаток алюминия – малая прочность, для увеличения которой этот металл обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (дюралюминий) или кремнием (силумин).

Свойства

• малый вес
• хорошая обрабатываемость
• стойкость к коррозии
• высокая удельная теплопроводность
• склонность к деформации
• высокая электропроводность

Применение

• теплоотводные устройства
• изделия, применяемые в пищевой промышленности
• электротехника
• трубный, листовой прокат
• металлоконструкции

Обработка алюминиевых сплавов

Алюминий хорошо поддается обработке, однако при его шлифовке и резании образуется крупная стружка, которая налипает на инструмент, вызывая его засаливание. Поэтому при работе с алюминиевыми заготовками используются специальные абразивные материалы, предотвращающие засаливание, или обычные материалы, но на более низких скоростях.

Особое внимание при обработке алюминия необходимо уделять безопасности, так как образующаяся в процессе алюминиевая пыль – чрезвычайно горючий материал, который в смеси с атмосферным воздухом может взрываться.

Медь и медные сплавы

Медь – золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии, низким коэффициентом трения.

Применение

• теплоотводные устройства
• электротехника
• трубный, листовой прокат
• ювелирные изделия

Существует ряд сплавов меди: латунь (медь+цинк), бронза (медь+олово и другие элементы), мельхиор (медь+никель), бабит (медь+свинец) и пр.

Латунь

Латунь – это металл (медно-цинковый сплав) с хорошими свойствами полирования.

Различают литейные и деформируемые медно-цинковые сплавы. Литейные отличаются хорошей обрабатываемостью, высокими литейными свойствами, прочностью на растяжение. Деформируемые также хорошо обрабатываются, подходят для холодной обработки деформацией, отличаются прочностью и жесткостью, которые усиливаются операциями холодной деформации.

Применение

• крепеж
• арматура
• детали машин
• конденсаторные трубы
• судостроение
• художественные изделия
• фурнитура

Бронза

Бронза – сплав меди с оловом как основным легирующим элементом. Также бронзу получаются соединением меди с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами кроме цинка и никеля. По сравнению с латунью, бронза имеет высокую стойкость к коррозии.

Различают литейные и деформируемые медно-оловянные сплавы. Литейные сплавы отличаются хорошей обрабатываемостью, высокими литейными свойствами, стойкостью к морской воде, низким трением. Деформируемые сплавы подходят для холодной и горячей обработки, в зависимости от метода обработки изменяют уровень прочности на растяжение и удлинение.

Применение

• художественные изделия
• фурнитура
• прецизионные детали
• кораблестроение
• крепеж
• подшипники скольжения

Титан и сплавы

Титан – легкий серебристо-белый металл. Преимущество титана как металла в его огромной прочности, легкости (на 66% меньше стали) и сопротивлении коррозии.

При обычной температуре титан покрывается защитной пассивирующей пленкой оксида TiO₂, что делает его устойчивым к коррозии в большинстве сред (кроме щелочной).

Титановые сплавы, содержащие 2-20 % алюминия, ванадия, олова, хрома или циркония, имеют следующие свойства:

• легкость
• высокие механические свойства
• высокая стойкость к коррозии
• стойкость к агрессивным химическим средствам
• совместимость с организмом человека

Особые свойства и применение титана

Титан характеризуется быстротой химической реакции с кислородом, азотом, водородом и углеродом при высоких температурах; материал становится хрупким.

Низкая удельная теплопроводность титана вызывает концентрацию тепла в зоне образования стружки и, тем самым, увеличивает температуру заготовки и абразива.

Титан отличается высокой вязкостью. При механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, поэтому при работе с титаном требуется нанесение специальных покрытий и различных смазок на инструмент.

Применение

• производство турбинных лопаток
• аэрокосмическая промышленность
• автомобильная промышленность
• оптическая промышленность
• морская промышленность
• ядерная промышленность
• химическая промышленность
• изготовление протезов и имплантатов
• изготовление измерительных инструментов
• изготовление ювелирных изделий
• изготовление клюшек для гольфа