Материаловедение и технология художественной обработки материалов

М. М. Радкевич










                МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ХУДОЖЕСТВЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ





Учебное пособие













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 620.22:739
ББК 30.3:37.27
Р15

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор СПбГПУ
В. А.Дьяченко;
доктор технических наук, профессор СПбГИЭУ
В. К. Федюкин






      Радкевич, М. М.
Р15 Материаловедение и технология художественной обработки материалов : учебное пособие / М. М. Радкевич. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 384 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1393-0

          Изложены основные технологические свойства материалов. Даны описания технологических процессов изготовления художественных изделий различными методами и их технологические возможности.
          Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 54.03.01 «Дизайн» и 29.03.04 «Технология художественной обработки материалов». Также полезно всем, кто занимается технологией изготовления художественных изделий.

                                                                        УДК 620.22:739
                                                                        ББК 30.3:37.27















ISBN 978-5-9729-1393-0

                   © Радкевич М. М., 2023
                   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение................................................................7

1. Свойства металлов и сплавов..........................................8
    1.1. Механические и технологические свойства........................8
    1.2. Литейные сплавы...............................................27
    1.3. Материалы, применяемые при изготовлении знаков................37

2. Способы изготовления отливок........................................39
    2.1. Процесс формирования отливки..................................40
       2.1.1. Формирование усадочных пустот в отливках.................40
       2.1.2. Ликвация.................................................42
       2.1.3. Линейная усадка отливок..................................44
       2.1.4. Литейные дефекты.........................................45
       2.1.5. Пригар...................................................47
       2.1.6. Приливы..................................................48
       2.1.7. Специфические дефекты поверхности........................49
       2.1.8. Трещины..................................................51
       2.1.9. Газовые дефекты..........................................53
       2.1.10. Изменение структуры металла.............................54
       2.1.11. Изменение химического свойства..........................54
    2.2. Литье в песчано-глинистые формы................................55
    2.3. Формовочные материалы.........................................56
       2.3.1. Требования, предъявляемые к формовочным смесям............56
       2.3.2. Основные свойства формовочных смесей.....................57
    2.4. Модели........................................................59
    2.5. Опоки.........................................................63
    2.6. Стержни.......................................................64
    2.7. Технология изготовления песчано-глинистых форм................66
    2.8. Кусковая формовка.............................................68
    2.9. Формовка по шаблону...........................................70
    2.10. Вакуумно-пленочное литье.....................................71
       2.10.1. Технология изготовления отливки.........................71
       2.10.2. Материалы для формовки..................................73
       2.10.3. Оборудование............................................75
       2.10.4. Преимущества и недостатки метода........................77
    2.11. Литье по выплавляемым моделям................................77
       2.11.1. Изготовление пресс-форм.................................81
       2.11.2. Изготовление моделей и модельных блоков.................82
       2.11.3. Изготовление форм.......................................82
       2.11.4. Технология точного вакуумного литья по выплавляемым моделям.........................................88
    2.12. Плавка металла и заливка форм................................89
    2.13. Ювелирное литье..............................................89
       2.13.1. Мастер-модели...........................................91
       2.13.2. Эластичные пресс-формы..................................92


3

       2.13.3. Модельные составы.........................................95
       2.13.4. Изготовление литейных форм................................96
       2.13.5. Плавкаи заливка металла..................................100
    2.14. Литье мелких изделий из легкоплавких сплавов..................102
    2.15. Микролитье....................................................103
    2.16. Специальные виды литья........................................107
       2.16.1. Оболочковоелитье.........................................107
       2.16.2. Литье под давлением......................................110
       2.16.3. Центробежное литье.......................................113
       2.16.4. Литье в кокиль...........................................117
       2.16.5. Литье по газифицируемым моделям..........................121
       2.16.6. Литье на замораживаемом связующем........................123
       2.16.7. Шоу-процесс..............................................126
    2.17. Технологии быстрого прототипирования литейных изделий.........127
       2.17.1. Оборудование для быстрого прототипирования...............132
       2.17.2. Силиконовые формы........................................138

3. Технологические процессы художественной деформации...................141
    3.1. Исторические аспекты русской художественной ковки..............141
    3.2. Глазами современников..........................................144
    3.3. Основные положения ковки.......................................152
    3.4. Кузнечные инструменты..........................................156
    3.5. Основные операции ручной ковки.................................160
    3.6. Чеканка........................................................170
       3.6.1. Инструменты и приспособления..............................172
       3.6.2. Технология чеканки........................................175
    3.7. Тиснение.......................................................177
    3.8. Металлопластика................................................179
    3.9. Насечка........................................................181
    3.10. Филигрань.....................................................183
    3.11. Плетение из проволоки.........................................188
    3.12. Гравирование..................................................194
       3.12.1. Инструменты и приспособления.............................196
       3.12.2. Плоскостное гравирование.................................199
       3.12.3. Обронное гравирование....................................200
    3.13. Изготовление сусального золота................................201
    3.14. Кузнечная сварка..............................................201
       3.14.1. Соединение деталей хомутами..............................205
       3.14.2. Клепка...................................................207
    3.15. Листовая штамповка............................................209
    3.16. Выколотка.....................................................214
    3.17. Ручное резание листового металла..............................217

4. Обработка пластмасс и резины.........................................119
    4.1. Технологические характеристики реактопластов...................119
    4.2. Прессование пластмасс..........................................222
    4.3. Оборудование для прессования...................................223
    4.4. Прямое прессование пластмасс...................................225
    4.5. Литьевое прессование пластмасс.................................226
    4.6. Прессование слоистых пластиков.................................229


4

    4.7. Формование листовых термопластов..................................230
    4.8. Прессование резины................................................232
       4.8.1. Компоненты, входящие в резиновую смесь.....................232
       4.8.2. Свойства резины. Основные виды резины и их назначение......233
       4.8.3. Технология изготовления резины. Вулканизация...............235
       4.8.4. Типовые технологические процессы изготовления изделий из сырой резины, применяемые в приборостроении......................237
          4.8.4.1. Прессование изделий.....................................239
          4.8.4.2. Изготовление неармированных резиновых деталей с дополнительной вулканизацией в автоклаве.....................241
       4.8.5. Дефекты резиновых вулканизированных деталей и способы их устранения.....................................................241
    4.9. Изготовление резиновых надувных лодок...........................242
       4.9.1. Виды надувных лодок........................................242
       4.9.2. Материалы для надувных лодок...............................244
       4.9.3. Характеристики и технология изготовления надувных лодок......246
          4.9.З.1. Лодки весельные «ЯРТ».................................246
          4.9.3.2. Лодки моторные «ЯРТ»..................................247
          4.9.3.3. Лодки надувные «BRIG».................................248
       4.9.4. «BRIG» и высокие технологии................................249
          4.9.4.1. Лодки надувные «KORSAR»...............................249
          4.9.4.2. Лодки надувные «SEVYLOR»..............................251
          4.9.4.3. Лодки надувные «LOMAC»................................252
    4.10. Производство надувных батутов..................................253
       4.10.1. Детские батуты............................................254
       4.10.2. Материалы для изготовления надувных батутов...............256
    4.11. Производство гидрокомбинезонов для подводного плавания.........256
       4.11.1. Гидрокомбинезон для любителей подводного плавания ГКЛ ТУ 3830505321-91 .............................................256
       4.11.2. Гидрокомбинезон ГК-2М.....................................257
       4.11.3. Гидрокомбинезон ГК НВС....................................259
       4.11.4. Гидрокомбинезон СГПК-К-ОМУП40 ТО С347000..................260

5. Обработка глины и стекла..............................................262
    5.1. Керамические изделия............................................262
    5.5. «Седая» керамика................................................266
    5.3. Эффект Кракле...................................................272
    5.4. Керамические фантазии (время в глине)...........................275
    5.5. Обработка стекла................................................276
       5.5.1. Изделия декоративно-прикладного искусства..................277
       5.5.2. Витражи....................................................283
       5.5.3. Морозные узоры.............................................285

6. Изготовление знаков...................................................290
    6.1. Материалы, применяемые при изготовлении знаков..................290
    6.2. Защитно-декоративные покрытия, применяемые при изготовлени знаков.291
    6.3. Методы обработки, применяемые при изготовлении..................293
    6.4. Примеры изготовления знаков.....................................294

7. Обработка камня.......................................................297
    7.1. Индустрия камня.................................................297


5

    1.1. Возникновение промысла.........................................301
    7.3. Приносящие счастье.............................................302
    7.4. Материалы для производства.....................................305
    7.5. Классификация изделий..........................................310
       7.5.1. Уральские изделия.........................................311
       7.5.2. Красноясылские изделия....................................312
       7.5.3. Кунгурские изделия........................................312
       7.5.4. Свердловские изделия......................................313
       7.5.5. Алтайские (колывановские) изделия.........................314
       7.5.6. Горьковские (борнуковские) изделия........................315
       7.5.7. Архангельские изделия.....................................316
       7.5.8. Краснодарские изделия.....................................316
       7.5.9. Ходжохские изделия........................................317
       7.5.10. Отрадненские изделия.....................................317
    7.6. Художественные изделия из янтаря...............................318
       7.6.1. Калининградские изделия...................................319
       7.6.2. Литовские изделия.........................................320
       7.6.3. Латвийские изделия........................................321
    7.7. Обработка нефрита..............................................322
    7.8. Требования к качеству художественных изделий. Сортность........326
    7.9. Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение изделий.....327
    7.10. Технология изготовления изделий...............................328
    7.11. Добыча самоцветов.............................................329
    7.12. Обработка камня...............................................332
    7.13. Резка камня водой.............................................335
    7.14. Камень как явление культуры...................................342
    7.15. Камень в интерьерах Зимнего дворца............................350
       7.15.1. Георгиевский зал.........................................351
       7.15.2. Малахитовая гостиная.....................................351
       7.15.3. Павильонный зал..........................................352
       7.15.4. Зал Леонардо да Винчи....................................353
       7.15.5. Зал Колыванской вазы. «Царица ваз».......................353
       7.15.6. Просветы.................................................354
    7.16. Драгоценные и поделочные камни как материал для изготовления художественных изделий..............................................355
    7.17. От неолита до наших дней......................................366

8. Обработка дерева.....................................................369
    8.1. Древесина и ее производные.....................................369
    8.2. Изготовления изделий из дерева.................................372
    8.3. Лаки и лазури для обработки дерева..............................376
       8.3.1. Лак для паркета Elan - глянцевый, полуматовый.............377
       8.3.2. Лазурь для дерева Elan....................................377
    8.4. Художественная обработка дерева................................378

Список литературы.......................................................381

ВВЕДЕНИЕ


      Дисциплина «Материаловедение» является важнейшей составной частью основной образовательной программы подготовки бакалавров, магистров и специалистов в области промышленного дизайна. Дизайнер должен практически в той же мере, как и инженер, иметь познания о видах и свойствах различных машиностроительных материалов, покрытий, традиционных и новых технологий изготовления и отделки изделий. Работая над формой изделий, дизайнер должен знать технологические процессы и приемы, позволяющие экономически эффективно производить изделия из того или иного материала, и обеспечивать при этом требуемое качество и фактуру поверхностей изготавливаемого изделия. Сегодня в машиностроении и приборостроении используется огромное количество отечественных и зарубежных материалов, в том числе неметаллических, и разнообразных технологий их обработки.
      В данном пособии в систематизированном виде приводятся основные сведения о физико-механических и технологических свойствах различных металлов и сплавов, а также пластмасс, о технологиях производства из них изделий. Учитывая то, что подавляющее большинство сложнопрофильных изделий производственных машин и художественных изделий изготавливаются методами литья и обработки металлов давлением, основная часть пособия посвящена детальному рассмотрению именно этих технологий. Приведены особенности и приемы изготовления художественных изделий методами пластической деформации. Важно отметить, что в пособии вопросы производства литых изделий и изделий, получаемых методами пластической деформации, увязаны с эстетическими требованиями к ним. В этом плане весьма полезными являются сведения по окончательной отделке поверхностей.
      Другой важной особенностью учебного пособия является наличие в нем сведений о материалах и основных технологиях быстрого прототипирования, которые все более широко внедряются в различные отрасли машиностроения и становятся важнейшим современным инструментом дизайн-проектирования и быстрого выведения на рынок новых промышленных изделий.

7

1. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
1.1. Механические и технологические свойства

     Свойства металлов и сплавов определяются физическими, механическими, технологическими и химическими характеристиками.
     К физическим свойствам относятся плотность, температура плавления, цвет и блеск, непрозрачность, теплопроводность и электропроводность, тепловое расширение.
     По плотности все металлы разделяются на легкие (до 3000 кг/м³) и тяжелые (свыше 6000 кг/м³).
     По температуре плавления все металлы разделяются на легкоплавкие, (температура плавления не превышает 700 °С) и тугоплавкие, (температура плавления свыше 900 °С). К легкоплавким металлам относятся олово (232 °С), кадмий (321 °С), свинец (327 °С), цинк (420 °С), магний (650 °С), алюминий (658 °С). К тугоплавким относятся серебро (960 °С), золото (1060 °С), медь (1083 °С), никель (1453 °С), железо (1539 °С), самым тугоплавким является вольфрам (3410 °С).
     Самым легкоплавким считается сплав Вуда, который плавится при температуре 60 °С.
     Ртуть является примером металла, который при комнатной температуре находится в жидком состоянии. Она плавится при температуре около минус 39 °С.
     К декоративным характеристикам металлов относятся цвет и блеск. Каждый металл или сплав обладает присущим ему цветом. Однако большинство из них имеет довольно однообразную гамму серовато-белых, серебристых тонов, то более теплых, то холодных (даже серый цвет может быть, как теплым, например, у никеля, так и холодным, как у хрома). Исключение составляют два металла: золото, имеющее насыщенный желтый цвет, и медь, отличающаяся сильным оранжево-красным цветом. Добавка этих металлов в сплавы придает им желтые и красные оттенки.
     Часто готовые изделия, выполненные из одних металлов, покрывают тонким слоем других, более эффектных по цвету или блеску металлов. Например, золочение серебра и бронзы, хромирование и никелирование стали, серебрение меди и латуни и т. п.


8

      Иногда для обогащения цвета применяют не сам металл, а его окислы или другие химические соединения.
      При конструировании и производстве изделий из металлов и сплавов большое значение имеют механические свойства.
      К механическим свойствам металлов и сплавов относятся твердость, прочность, пластичность, ударная вязкость, предел выносливости.
      Широко применяется неразрушающий контроль прочности металлов и сплавов через твердость. Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него постороннего тела. Существуют различные методы определения твердости.
      По методу Бринелля (рис. 1.1, а) под действием силы F в испытуемое тело внедряется шарик диаметром D.


а)                                 б)                           в)

Рис. 1.1. Методы определения твердости: а - по Бринеллю; б - по Роквеллу; в - по Виккерсу

      Число твердости НВ представляет отношение силы F к площади отпечатка диаметром 3.
      По методу Роквелла (рис. 1.1, б) в испытуемую поверхность вдавливают индентор - алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик малого диаметра. Число твердости HR обратно пропорционально глубине внедрения индентора.
      В зависимости от шкалы прибора введены следующие обозначения чисел твердости: HRA, HRB и HRC₃. При нагрузках на алмазный конус по

9

шкале С и шкале А приводят измерения просто твердых или очень твердых и тонких материалов. Шкала В предназначена для испытания мягких материалов.
       Метод Виккерса (рис. 1.1, в) позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых материалов и сплавов. Твердость HV определяется по диагонали отпечатка d от вдавливаемой алмазной пирамиды,
       По результатам статических испытаний на растяжение образцов (рис. 1.2), проходимых на специальных машинах с малыми скоростями перемещении рабочих органов, находят механические свойства материалов.


Рис. 1.2. Используемыедля испытаний образцы: цилиндрический - для испытаний на растяжение; плоский - для испытаний на усталость

       Прежде всего, это прочностные характеристики. Напряжение аг (Ft/Sо), соответствующее возникновению площадки текучести на записанной в процессе испытаний диаграмме в координатах напряжение (а) - деформация (s) (рис. 1.3), называется физическим пределом текучести.
       При отсутствии площадки определяют условный предел текучести ао,2, которым является напряжение, приводящее к остаточной деформации 0,2 % от длины образца.
       Более высокие напряжения вызывают рост пластической деформации. Напряжение, предшествующее разрушению образца, называется временным сопротивлением или пределом прочности ае, (Fe/Sо).
       Пластические характеристики материалов находят, измеряя образцы до и после испытаний. Таким образом, определяется предшествующая разрушению пластическая деформация, выражаемая относительным удлинением


10

l -1                               , ,
5 = K-⁰- -100%                        (1-1)
10

или относительным сужением

у = Sо ⁻ S .100%,                     (1.2)
Sо

где lо, Ik — начальная и конечная после разрушения длины образцов;



£ = Д1 /I

Рис. 1.3. Диаграммарастяжения

       Помимо статических испытаний проводят динамические испытания на ударный изгиб.
       Специальные образцы с надрезом (концентратором) разрушают на маятниковом копре за один удар. Ударная вязкость (KCU) представляет собой работу, необходимую для разрушения, отнесенную к рабочей площади поперечного сечения образца.
       Детали машин могут подвергаться воздействию повторнопеременных (циклических) напряжений. В пределах цикла напряжения могут принимать наибольшее и наименьшее значения. Циклы характеризуются коэффициентом асимметрии Ra- = Omin/Стах, если Cmin = Стах, то цикл симметричный и Ra= ~1.


11

       Постепенное накопление повреждений в металле, возникающее при действии циклических нагрузок, приводит к образованию трещин и разрушению. Это явление называется усталостью. Свойство же металлов противостоять усталости называется выносливостью.
       Пределу выносливости (о 1 - при симметричном или or - несимметричном циклах) соответствует напряжение атах не вызывающее разрушения образцов при бесконечно большом числе циклов нагружений N. Введены базы испытаний: для стали 1 - не менее 10 • 10⁷ циклов и цветных сплавов 2 -не менее 100 • 10⁷ циклов. Некоторые цветные сплавы не могут иметь горизонтального участка на кривых усталости. В этих случаях определяется ограниченный предел выносливости - максимальное напряжение при заданном числе циклов.
       Существует разрушение металлов отрывом под действием растягивающих (нормальных) напряжений. При этом предварительная пластическая деформация отсутствует, поэтому такой вид разрушения называется хрупким. Склонность металлов к хрупкому разрушению увеличивается с ростом скорости деформации, при наличии концентраторов напряжений и создании крупногабаритных изделий.
       Разрушению срезом под действием касательных напряжений предшествует пластическая деформация, поэтому этот вид считают вязким разрушением. Характер разрушения можно определить визуально: вязкое разрушение обеспечивает волокнистый (матовый), хрупкое - кристаллический (светлый) излом.
       Железо, молибден, вольфрам и другие металлы в зависимости от температуры могут быть подвергнуты вязкому или хрупкому разрушению.
       При температурах ниже порога хладноломкости tₘ сопротивление отрыву Оотр (разрушающее напряжение) меньше, чем сопротивление пластической деформации ат. Таким образом создаются предпосылки для перехода вязкого разрушения в хрупкое. Для определения порога хладноломкости проводят специальные испытания ударным изгибом надрезанных образцов при различных температурах.
       Прочностные свойства, обеспечивающие работоспособность материалов в условиях эксплуатации конкретных изделий, составляют конструктивную прочность металлов.

12

       Механические свойства не могут служить достаточной характеристикой металлов из-за значительных различий между условиями испытаний и работы в реальной машине. Наиболее полно конструктивная прочность металлов может быть выявлена при проведении помимо механических стендовых, натурных эксплуатационных испытаний.
       Понятия надежности (сопротивления разрушению) и долговечности (способности разрушаться за многие акты нагружения) существуют применительно и к металлам.
       Надежность металлов оценивается рядом критериев.
       Порог хладноломкости является важнейшей характеристикой склонности металлов к хрупкому разрушению. Необходимо иметь значительный температурный запас вязкости, представляющий собой интервал между температурой t„x и рабочей температурой эксплуатации tₚₐe. Это снижает склонность металла к охрупчиванию и чувствительности его к концентраторам напряжении.
       Ударная вязкость, выявляющая склонность металлов к хрупкому разрушению, также может быть представлена суммой работ по зарождению и распространению трещины в металле. Чем выше значение этих работ, тем меньше хрупкое разрушение деталей машин.
       Проводя статические испытания надрезанных образцов с трещиной, определяют вязкость разрушения, характеризующую сопротивление распространению трещины, особенно в высокопрочных металлических материалах.
       Скорость развития трещины при циклическом нагружении является важным свойством, характеризующим конструктивную прочность материалов.
       Долговечность работы металла в конструкциях также оценивается в критериальной форме.
       Прежде всего, выявляют усталостную прочность. Здесь уместно отметить, что чем лучше обработана поверхность, тем выше предел выносливости изделия. Кроме того, проведение химико-термической или другой упрочняющей обработки, обеспечивающей наведение на поверхности остаточных напряжений сжатия, повышает предел выносливости и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений.

13

       Долговечность деталей машин во многом лимитируется износом, являющимся результатом трения, возникающего между их контактирующими поверхностями при относительном движении.
       Существует термин «изнашивание», под которым понимают процессы, ведущие к износу. Различают механическое, коррозионно-механическое, эрозионное, кавитационное и усталостное изнашивания. Последний вид изнашивания называется также контактной усталостью. Недостаточная контактно-усталостная прочность поверхностных слоев зубчатых колес, подшипников качения и других деталей машин часто является причиной их выхода из строя.
       Под технологическими свойствами понимают способность металлов и сплавов обрабатываться различными методами без особых затруднений. Наиболее существенными при изготовлении художественных изделий литьем являются литейные свойства. К литейным свойствам относятся: жидкотекучесть, заполняемость, объемная и линейная усадка, трещиноустойчивость.
       Жидкотекучесть. Способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее.
       Заполнение литейных форм является сложным гидродинамическим и физико-химическим процессом. Главным фактором, определяющим уровень жидкотекучести, являются свойства сплава в жидком состоянии: теплофизические свойства, особенности кристаллизации, вязкость, окисляемость.
       Влияние литейной формы связано главным образом с ее теплофизическими свойствами, со смачиваемостью жидким металлом, с условиями физикохимического взаимодействия «металл - форма».
       На жидкотекучесть влияют также условия плавки и заливки, перегрев металла, насыщение металла посторонними включениями, условия подвода металла к форме.
       Количественные значения жидкотекучести определяют по длине заполнения канала литейной формы с определенной площадью поперечного сечения. Наибольшее распространение получили технологические спиральные пробы.
       При теоретическом анализе характеристики жидкотекучести основным является определение условий остановки движущегося потока. Высказано несколько точек зрения на механизм остановки потока: выделение 20 % твердой фазы, образование на конце потока прочной твердой корочки, рост в канале

14