Сплавы для художественных отливок. Сплавы для художественных отливок Содержание

• Название: Сплавы для художественных отливок Содержание
• Анкор: Сплавы для художественных отливок
• Дата: 26.12.2022
• Размер: 86.17 Kb.
• Имя файла: Сплавы для художественных отливок.docx
• Тип: Литература; #864799

Сплавы для художественных отливок


Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

Литейные металлы для художественных отливок……………………………...5

Сплавы для художественных отливок………………………………………….11

Литература………………………………………………………………………..20

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее распространенных на земле материалов является такой материал, как металл. Используя различные металлы и сплавы, и применяя при этом всевозможные способы и методы обработки, можно изготавливать различные изделия. Металл можно плавить, штамповать, скручивать, гравировать, лить, создавая при этом необходимые виды той или иной поверхности. Одним из самых распространенных способов получения необходимой поверхности деталей и заготовок является литье. История возникновения и развития литья как ремесла, достигшего позднее уровня искусства, уходит своими корнями намного тысячелетий вглубь истории. Литейное производство в начале третьего тысячелетия в промышленно развитых странах находится в стадии устойчивого развития и совершенствования. Но вначале индустриализации спрос на художественное литье понизился, а в 17-19 века на место высокохудожественных произведений стали приходить работы с низким качеством исполнения. В настоящее время стал расти интерес к истории, искусству, в том числе к художественному литью. Возобновление и увеличение производства скульптур малых форм и большой спрос на художественное литье высокого качества. Качество поверхности художественной отливки во многом определяет эстетическую ценность изделия. При этом приходится искать специальные технологические решения, позволяющие сочетать умеренные затраты на изготовление отливки с высоким качеством поверхности. Для решения данной задачи необходимо рассмотреть основные виды литья. Изделия из металла, к которым относятся: литье в землю, вакуумно-пленочное литье, литье по выплавляемым моделям, а также ряд специальных видов литья. К специальным видам литья относятся: оболочковое литье, литье под давлением, центробежное литье, литье в кокиль, литье по газифицируемым моделям. Наиболее распространенным методом литья для получения мелких художественных отливок и технологически сложных по конфигурации отливок в машиностроении является литье по выплавляемым моделям. Разновидностью данного вида литья является литье ювелирных изделий, которое представляет собой одно из ведущих направлений художественного литья.

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ

Чистые металлы для изготовления художественных отливок прак­тически не применяются, главным образом из-за неудовлетворитель­ных физико-химических и технологических свойств (чрезвычайно вы­сокой пластичности золота и серебра, низкой коррозионной стойкости железа, низких механических свойств меди и т. д.) Легирование суще­ственно изменяет эти свойства и позволяет значительно разнообразить цветовую гамму изделий, а стало быть, повысить их эстетическую ценность.

Тем не менее чтобы составить полное представление о свойствах литейных сплавов, влияющих на качество изделий, надо знать, какими физическими химическими и механическими свойствами обладают чистые металлы. Поэтому в первой части настоящей главы дана харак­теристика основных свойств тех металлов, сплавы которых применя­ются для художественного литья, а во второй части рассматриваются литейные свойства сплавов.

2.1. МЕТАЛЛЫ

2.1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Металл — слово греческого происхождения. Первоначально оно означало: рудник, руда, шахта, раскопки, материал, добытый из-под земли. М. В. Ломоносов металл определил как «светлое тело, которое ковать можно».

В средневековом трактате упоминаются семь известных европейцам металлов:

Семь металлов создал свет По числу семи планет. Дал нам космос на добро Медь, железо, серебро, Злато, олово, свинец. И спеши, мой сын, узнать: Всем им ртуть — родная мать!

К концу XX века человечество открыло для себя более 80 металлов, что составляет около 4/5 всех известных элементов.

В современных словарях металл определяется как тело, обладающее высокой тепло- и электропроводностью, специфическим блеском, обычно пластичностью и другими свойствами, обусловленны­ми большим количеством свободно перемещающихся электро-



нов (электронным «газом»). Металлы являются простыми ве­ществами.

Периодическая система использована в качестве основы для клас­сификации элементов, представленной на рис. 2.1.

Блок ). Легкие металлы, плотность которых не превышает 5 г/см . Самый легкий элемент блока — литий (0,536 г/см³).

Блох 2. Тугоплавкие металлы, температура плавления которых боль­ше 1600°С. Самый тугоплавкий из них — вольфрам (3430 °С).

Блок 3. Тяжелые металлы, плотность которых больше 5 г/см³. Самый тяжелый — осмий (22,38 г/см³).

Блок 4. Легкоплавкие металлы, температура плавления которых ниже 600°С. Самая легкоплавкая — ртуть (—38,89 °С).

Блок 5. Лантаноиды и актиноиды. Их свойства колеблются в широ­ком диапазоне. Они сравнительно редко встречаются в природе.

Блок б. Твердые неметаллы.

Блок 7. Газы.

Металлы и неметаллы на рис. 2.1 разделены жирной линией. Десять металлов, которые являются основой сплавов, применяе­мых в художественном литье, обведены кружочками. Это — маг­ний, алюминий, титан, железо, медь, серебро, золото, цинк, олово, свинец.
2.1.2. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛОВ

Среди факторов, определяющих возможность и целесообразность практического использования металлов и их сплавов, важнейшим яв­ляется стоимость. Стоимость, в свою очередь, зависит от распростра­ненности металлов в природе, химической устойчивости, определяю­щей способ производства, масштаба производства, степени совершенства технологии производства, хозяйственной и политической ситуации.

Основным источником добычи металлов является земная кора — литосфера.

В табл. 2.1 приведены данные о содержании в земной коре на глубине до 1 км металлов, которые являются основой сплавов, приме­няемых в художественном литье. Для сравнения укажем, что массовая доля кислорода в литосфере составляет 46,6%, кремния — 27,7%, платины — 5-10⁸%.
Однако в табл. 2.1 приве­дены усредненные по всей массе земной коры цифры, в то время как для практиче­ских целей важно знать сте­пень рассеянности элементов. Она оценивается числом ми­нералов, в которые входит металл. Чем меньше это чис­ло, тем выше степень рассе­янности. Объем переработки пустой породы при добыче, а значит, и стоимость металла тем больше, чем меньше он распространен и локализован.

Существует зависимость между числом минералов и распространенностью всех элементов таблицы Менде­леева. Зависимость имеет две области — локализованных (А) и рассеянных (Б) элемен­тов. На рис. 2.2 показана такая зависимость для металлов, которые входят в состав сплавов, ис­пользуемых в художественном литье, а также (для сравнения) — для кислорода, водорода и кремния.

Стоимость получения химически чистого металла определяется его химической активностью и может быть оценена по энтальпии его наиболее устойчивого оксида. Энтальпия характеризует изменение внутренней энергии вещества при различных преобразованиях, в том числе при образовании оксида металла, и соответствует энергозатра­там, необходимым для его разрушения.

Можно выделить четыре группы способов производства металлов.

Физические способы. Простейшим из них является прямое извлече­ние из природных источников. Примером может служить добыча самородного золота. Некоторые металлы (платину, мышьяк и др".) получают разложением природных соединений при нагревании. Физи­ческие способы — наиболее дешевые. Они приемлемы для металлов и соединений, имеющих очень низкую отрицательную энтальпию.

Восстановление неметаллами. Как правило, реакции восстановле­ния идут при высоких температурах. В качестве восстановителей при­меняют углерод или оксид углерода (для железа, олова и др.), сернис­тый газ или сульфиды (для меди, ниобия и др.) или водород (для вольфрама, молибдена, рения и др.). Способ пригоден для получения металлов со сравнительно невысокой энтальпией оксидов и обходится дороже, чем предыдущий.

Электролиз. Электролиз в водных растворах (меди, хрома, висмута и др.) или в расплавах солей (алюминия, магния и др.) применяется для получения химически активных металлов и стоит еще дороже.

Восстановление металлами (металлотермия). Этот способ требует предварительного получения химически чистых металлов — восстано­вителей. Металл восстанавливают из оксидов (ванадий, барий, галий и др.) или галогенных соединений (титан, цинк, бериллий и др). Это самый дорогой способ.

Общий объем производства металлов изменяется из года в год, но соотношение объемов производства разных металлов остается пример­но одинаковым. Так, годовые объемы производства железа (точнее, его сплавов — стали и чугуна) в промышленно развитых странах измеря­ются миллиардами тонн, алюминия и меди — десятками миллионов, цинка, свинца и хрома — миллионами тонн, никеля, магния и олова — сотнями тысяч тонн, титана, кобальта и кадмия — десятками тысяч тонн, ,| золота и ртути — тысячами тонн, платины — сотнями тонн, рения — десятками тонн.

Металлы, так или иначе используемые в художественном литье, можно разделить по стоимости следующим образом:

дешевые — алюминий, железо, магний, медь, свинец, цинк;

недорогие (в 2—10 раз дороже дешевых) — титан, никель, | хром, кадмий, сурьма;

дорогие (в 10—100 раз дороже дешевых) — вольфрам, ванадий, j кобальт, молибден, ниобий, олово, ртуть, цирконий;

дорогостоящие (в 100—1000 раз дороже дешевых) — серебро, бериллий, тантал;

драгоценные (в 1000 — 10 000 раз дороже дешевых) — золото, платина, рений, осмий, иридий.

С течением времени цены на металл меняются под влиянием двух противоположных тенденций — удешевления производства, связанного с техническим прогрессом, и удорожания сырья и энергии вследствие исчерпания доступных запасов.

После распада Советского Союза нарушение экономических связей между регионами поставило ценообразование в прямую зависимость от политических и социально-экономических факторов.

2.2. СПЛАВЫ

2.2.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Сплав — это макроскопически однородная система, сформиро­вавшаяся в результате совместного расплавления и затвердевания ком­понентов.

Компоненты сплавов — это химические элементы, образующие сплав. Они делятся на три группы:

1)основа — металлический элемент, доля которого в составе сплава наиболее велика;

2) легирующие добавки — элементы, вводимые в основу в определенных количествах в целях управления свойствами сплава;

3) примеси — элементы или химические соединения, попадаю­щие в сплав из руды, основы сплава, легирующих добавок, топлива, атмосферы, огнеупоров.

Примеси подразделяют на вредные, снижающие эксплуатаци­онные или технологические свойства сплава, и нейтральные, не оказывающие существенного влияния на свойства сплава.

Сплавы называются однородными (гомогенными), если они имеют однофазную структуру, и разнородными (ге­терогенными), если структура их состоит из нескольких фаз (гомогенных частей, ограниченных поверхностью раздела).

Графическое изображение фазового состояния сплава как функции температуры и концентрации носит название диаграммы со­стояния. Диаграммы строят для условий равновесия или близких к ним. Истинное равновесие в практических условиях достигается крайне редко.

Академик Н. С. Курнаков установил, что между химическим соста­вом сплавов и их свойствами существует определенная связь. Для разных типов диаграмм состояния им раскрыта закономерность изме­нения таких свойств, как плотность, твердость, удельное электрическое сопротивление и др.

Академик А. А. Бочвар на примере распределения усадочных де­фектов в виде концентрированной раковины и пористости, а также изменения трещиностойкости показал, что существует зависимость между составом и технологическими свойствами.

Дальнейшим развитием этих идей явились работы профессора О. Н. Магницкого, в которых установлена связь кинетики кристалли­зации сплавов различного состава с типом диаграммы состояния (рис. 2.4).

Кинетические диаграммы строились на основании термического анализа затвердевания реального слитка по показаниям одной термо­пары, расположенной в его центре. В частности, для сплавов с эвтек­тическим превращением фиксировалось время достижения центра слитка границами области затвердевания — ликвидуса (начала выпа-



дения первичных кристаллов) и солидуса (конца выпадения первичных кристаллов) и затвердевания эвтектики.

Как показали исследования, достижение центра слитка послед­ними двумя границами не совпадают по времени. Таким обра­зом установлено, что перемещение каждой границы области за­твердевания от поверхности слитка к его центру имеет свою законо­мерность.

Кристаллизация эвтектики в сплавах «алюминий — кремний» со­провождается выделением значительно большего удельного количест­ва теплоты по сравнению с первичными кристаллами (рис. 2.5).

Для литейного производства наибольший интерес представ­ляют диаграммы состояния спла­вов с эвтектическим превра­щением.



В отличие от твердых растворов, сплавы с эвтектическим превраще­нием обладают высокими литейными свойствами. Хорошо известно, что такие эвтектические сплавы, как силумины и чугун, обладают высокой жидкотекучестью.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава концентрации с, ха­рактеризующегося неограниченной взаимной растворимостью компо­нентов Л и В в жидком и твердом состояниях (рис. 2.6, а). При температуре tiначинают выделяться первичные кристаллы с кон­центрацией с[. При температуре 1г концентрация первичных
кристаллов соответствует с'г, жидкости — с£. Кристаллизация заканчи­вается при температуре f₃- Последние капли жидкост и имеют концентрацию сз'.

Если процесс протекает медленно, в результате диффузии в твердых кристаллах химический состав выравнивается.

Если же охлаждение происходит быстро, наблюдается явление внутрикристаллитной ликвации. В центре кристалла концентрация близка к c'i, а на поверхности — к концентрации сз.

Соотношение долей жидкой и твердой фаз в процессе кристаллиза­ции определяют по правилу отрезков. Так, при температуре hэто соотношение будет равно а/Ь.

В процессе кристаллизации сплава с эвтектическим превраще­нием концентрации с (рис. 2.6, б) при температурах, превышающих f_t. оба компонента — А и В — полностью взаимно растворимы. При температуре t\ появляются первые зародыши кристаллов А в жидкой фазе. При температуре t₃заканчивается выделение кристаллов А и происходит кристаллизация оставшейся жидкости в виде эвтектики.

Соотношение долей эвтектики и кристаллов А в затвердевшем сплаве равно отношению а/Ь.

2.2.3. ЦВЕТОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЛАВОВ

Цвет художественной отливки является одной из важнейших эсте­тических характеристик.

Несмотря на то что выбор цветового решения художественного произведения — прерогатива художника, материаловед-литейщик мо­жет помочь воплотить это решение благодаря знанию закономерностей формирования структуры литейного сплава, химизма взаимодействия сплава с различными реактивами, используемыми для тонирования поверхности литья.



Одним из важнейших аспек­тов оценки цветовых ха­рактеристик изделия являет­ся количественное измерение цвета.

Проблема цветовосприятия, воздействия цвета на психику человека волновала умы мно­гих деятелей науки и культуры. В течение нескольких веков де­лались попытки измерить цвет и дать ему количественную ха­рактеристику.

Еще в начале XVI11 века И. Ньютон перевел субъективное ощущение яркости и цвета на объективный язык меры, числа и физического закона.

И. В. Гете в книге «Учение о цвете» (1840 г.) описал физиологическое и психологическое воздействие цвета на человека. Он дал определение сочетанию цветов в цветовом круге. Сочетания противоположно рас­положенных цветов Гете назвал гармоничным, сочетания отдаленных соседних — характерным, сочетания соседних — негармоничным (рис. 2.13).

Развитие прикладного цветоведения связано с именем французского химика Эжена Шевреля (XIX век). Он оценивал цвет гобеленов, про­изводимых в принадлежащих ему красильных цехах.

Американский ученый и художник Мензелл предложил в конце 90-х годов прошлого века классификацию цвета, основанную на распозна­вании шести психологических первичных цветов: белого, черного, желтого, красного, синего, зеленого.

Немецкий химик В. Освальд в начале XX века создал нормирован­ную систематизацию цветов. Его цветовое тело включает 1536 цветов, каждый из которых определяется через строгое соотношение белого и черного и имеет цифровое и буквенное обозначение.

В 1966 г. в Японии разработано цветовое тело практической цветовой координатной системы. В ней каждый цвет обозначается номером цветовой фазы и названием тона цвета.

В России в настоящее время применяется принятая в 1931 г. Меж­дународная система МКО (Международного комитета по освещению). В основу оценки цвета по этой системе положены законы смешения. Цвет изменяется путем оптического смешения в различной пропорции трех основных цветов: красного, зеленого, синего. Любой цвет можно выразить через эти основные цвета. Измерение цвета основано на представлении, что цвет является функцией трех независимых величин и может быть интерпретирован как векторная величина. Полная харак­теристика цвета складывается из его цветности (длина волны), яркости (коэффициент отражения) и чистоты (насыщенности).




Для изучения цветовых характеристик материалов используют спектрографический метод, основанный на определении коэффициента отражения и координат цветности х и у.

На рис. 2.14 представлены схема и цветовой график системы МКО. Точкам кривой соответствуют цвета чистых спектральных излучений в видимой области спектра. Точки на графике характеризуют цветовые свойства чистых металлов — меди и золота.

С помощью этого метода во ВНИИ ювелирной промышленности было исследовано влияние легирования меди различными элементами на цветовые параметры сплавов. Визуально такое влияние наглядно иллюстрируется при введении в медь олова и цинка. Цвет сплавов меняется от красного до 'золотисто-желтого (табл. 2.19).
Очевидно, что системы количественной оценки цвета художествен­ных отливок могут быть использованы, например, для определения соответствия цвета изделия цвету эталона, как это было сделано во ВНИИ ювелирной промышленности при оценке качества имитаторов золота. Они могут также применяться для более качественного подбора цветовой гаммы литых изделий, в том числе для поиска цветовых нюансов, усиливающих эстетическое восприятие.

Проблема количественной оценки цвета до сих пор находится в ста­дии решения. Например, еще не раскрыта связь структуры сплава (кристаллической решетки, соотношения структурных фаз и др.) с цве­том.
ВЫБОР ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ

Выбор сплавов для художественного литья — довольно сложная задача. Ее решение зависит от замысла художника, определяющего форму и цвет изделия, особенностей технологии литья и окончательной обработки отливки, себестоимости изделия. Поэтому можно дать лишь общие рекомендации.

Литература

1. Художественное литье: Учебник для технических вузов и художественно-реставрационных училищ/ Магницкий О.Н.,Пирайнен В.Ю. -СПб.: Политехника, 1996.

2. Художественная ковка: учебное пособие/ Навороцкий А.Г .-М.: Металлургия, 1995.

3. Художественная обработка металлов/ Лямин И.В. - Политехника, 1995.

4. Словарь - справочник по литейному производству/ Иванов В.Н.- М.: Машиностроение, 2001.

5. Технология художественной обработки материалов/Литвииц В,Б. Куманин В.И. 2000.