Свойства металлов и сплавов

В этой главе будет рассказано о металлах, сплавах и их свойствах, что полезно не только для мастеров слесарного дела, но для всех, кто занимается чеканкой, ковкой, художественным литьем (этому посвящены последующие главы).

Металл относится к таким материалам, которые нельзя встретить в природе в готовом виде. Поэтому, чтобы получить его из богатых природных кладовых, нужно иметь большие знания и опыт в столь нелегком деле. Металлы бывают разные. В таблице Менделеева металлические элементы насчитываются десятками; конструкторы, техники могут назвать сотни необходимых им марок сталей, сплавов и т. п.; ученые соединяют широко распространенные и редчайшие металлы в тысячи сочетаний.

Между тем еще не так уж давно, лет триста назад, по научной классификации насчитывалось всего семь основных металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, ртуть и железо. Именно развитие ремесел было причиной появления новых сплавов, проведения исследований и опытов: умельцам нужны были материалы с определенными свойствами. Кому – твердая и прочная сталь для оружия, кому – мягкие и не теряющие блеска металлы для украшений, которые были бы дешевле золота.

Даже древних фальшивомонетчиков можно считать металлургами. Полученные ими в корыстных целях сплавы меди до сих пор широко используются не только в ювелирном деле, но и в самой современной технике.

Сейчас все металлы принято делить на черные и цветные. Черные – это различные металлические соединения и сплавы железа. Наиболее распространены из них чугун и сталь. Именно черные металлы составляют 95 % всей продукции мировой металлургии. Впрочем, по прогнозам некоторых ученых, эта цифра может существенно уменьшиться: развитие техники может сделать XXI век не «железным», а скорее «алюминиево-титаново-пластиковым». Все большее распространение получают легкие и прочные сплавы, композитные и синтетические материалы. Однако народным умельцам скорее всего и через сто лет придется иметь дело с «железками». Сталь, в зависимости от марок и добавок, может иметь самые различные свойства, достаточно хорошо обрабатывается и не слишком дорого стоит.

Цветные металлы – это все металлы, кроме железа, и их сплавы. Данная группа очень многочисленная, классифицируют ее по различным признакам (залегание в земной коре, химические и физические свойства и т. д.). Но нас интересуют лишь немногие металлы. С благородными, или драгоценными, металлами (золото, серебро, платина и т. д.) в нашей стране имеют дело в основном специалисты-ювелиры. Тугоплавкие металлы (титан, вольфрам, молибден и т. д.) в домашних условиях обработать невозможно. Поэтому наибольший интерес представляют достаточно распространенные: алюминий, медь, свинец и различные сплавы на их основе. Рассмотрим подробнее металлы, с которыми имеют дело те, кто занимается слесарным делом, ковкой, чеканкой, художественным литьем и т. п.

Железо

Оно было известно уже в древности. А в Средневековье различали не только сталь, железо и чугун, но и различные их марки. Например, клинки оружия могли изготавливаться из обычной стали или из дамасской – знаменитого булата. Кузнецы того времени, конечно же, не знали, что особые свойства железу придает прежде всего различное содержание углерода, но варили сталь с древесным углем.

Сейчас содержание углерода служит одним из основных показателей, по которому определяются сорт и марка черного металла. Различают низко-, средне– и высокоуглеродистые стали. Самая низкоуглеродистая сталь в практике называется железом. В ней меньше 0,1 % углерода, она очень мягкая (по сравнению с другими марками), хорошо поддается ковке, гнется, сваривается кузнечным способом, но закалить ее крайне сложно.

Наилучшей сталью для ручной ковки и изготовления художественных изделий считается низкоуглеродистая (до 0,3 %). Ее называют еще поделочной. Она хорошо куется и сваривается, ее можно закалить для придания прочности изделию.

Конструкционная сталь среднеуглеродистая (до 0,85 %). Она средней твердости, хорошо куется при нагреве и закаливается, но кузнечной сварке поддается плохо.

Высокоуглеродистая сталь наиболее твердая, даже при специальном нагреве куется с трудом и почти не сваривается. Содержание углерода в ней может достигать 1,35 %. Используется она для изготовления различных инструментов и их рабочих частей, поэтому называется также инструментальной.

Чугун – это черный металл с содержанием углерода свыше 2 %. Он твердый, но хрупкий, ковать или варить его нельзя. Чугунные детали изготавливаются литьем, провести которое в условиях обычной домашней мастерской невозможно.

Самый распространенный слесарный материал, конечно же, сплав железа и углерода – сталь (удельный вес 7,8 г/см²). Но сталь стали рознь: есть твердые, высокопрочные стали, которые, как правило, не поддаются ручной обработке. (В мастерской такие стали присутствуют в виде инструмента.) А вот мягкие стали, их еще называют ковкими, вполне пригодны для обработки в домашних условиях. Однако следует помнить, что такая сталь особенно сильно подвержена коррозии.

Для домашней обработки наиболее подходит поделочная сталь. Согласно стандарту ГОСТ 380–71 к этому виду относится сталь с маркой от 0 до 6. В профессиональных кругах они называются просто тройкой, пятеркой и т. д. В специальной же литературе обозначаются буквами Ст и номером марки.

Ст 0 (до 0,23 % углерода), Ст 1 (0,07–0,12 %), Ст 2 (0,09–0,15 %) и Ст 3 (0,14–0,22 %) не закаливаются, хорошо свариваются и применяются в виде различных прутков, полос, листов и проволоки. Из них получаются различные кованые, гнутые и чеканные изделия.

Ст 4 (0,18–0,27 % углерода) используется для изготовления заклепок, болтов, труб, уголков, швеллеров и т. п. Она тверже, слабо закаливается, но достаточно хорошо сваривается. Чеканить по ней трудно, однако при должном нагреве ее можно использовать для ковки. Одно из основных ее достоинств в наше время – широкая распространенность и доступность.

Из Ст 5 (содержание углерода 0,28–0,37 %) изготавливаются в основном крупные детали. Она слабо закаливается и хорошо варится.

Ст 6 (0,38–0,50 % углерода) хорошо закаливается, но из-за большой твердости редко употребляется для ручной ковки и других художественных работ.

Заводские заготовки с указанием марки стали на клейме встречаются не так уж часто. Обычно в дело идут какие-то старые, пришедшие в негодность, случайно найденные и т. п. изделия и детали. В этом случае определять сорт стали придется самостоятельно.

Один из самых простых способов определения сорта стали – с помощью зубила. Нужно взять заготовку или деталь, марку стали которой нужно определить, зажать в тисках и попробовать снять зубилом стружку. Если стружка снимается легко, получается длинной и завивается в спираль, то сталь низкоуглеродистая. Чем тверже сталь, тем более короткой и ломкой будет стружка. Инструментальную сталь стругать зубилом почти невозможно.

Малоуглеродистую сталь (Ст 0 – Ст 3) можно определить при закалке. Следует надпилить сталь напильником. После этого нагреть заготовку докрасна и быстро охладить в воде. Если закалки не произошло, пилить будет так же легко, если сталь выше Ст 4 – закалка затруднит надпиливание.

Один из наиболее распространенных способов определения марки стали – по искре от точильного (наждачного) круга. С помощью специальных таблиц можно определить марку довольно точно, но будет достаточно и приблизительного определения пригодности заготовки для намеченного дела.

Надо взять деталь, прижать ее к вращающемуся на большой скорости кругу и наблюдать за искрами (рис. 14).

Рис. 14. Определение сорта стали по искре: а – низкоуглеродистая; б – среднеуглеродистая; в – высокоуглеродистая.

 

Поделочная сталь образует длинный и светлый пучок, искры прямые, с несколькими утолщениями светлого и темно-красного цвета (рис. 14, а). Среднеуглеродистая сталь даст светлый и короткий пучок искр, распадающихся звездочками после первого утолщения (рис. 14, б). Если искры красноватые, их сноп короткий и широкий, почти сразу же разлетающийся множеством звездочек (такую картину видел каждый, кто затачивал нож или другой инструмент), то деталь из высокоуглеродистой стали (рис. 14, в).

Если необходимо обработать небольшую заготовку из твердой стали, то ее можно несколько размягчить, отпустить. Для этого надо раскалить заготовку добела с помощью газовой горелки или паяльной лампы и дать ей постепенно остыть при комнатной температуре. При необходимости (если заготовка не стала достаточно мягкой) эту операцию можно повторить еще один раз.

В некоторых случаях не обязательно определять марку стали. При занятиях чеканкой, выпиливанием или гравировкой можно просто попробовать заготовку инструментом. Если она поддается, то ее можно пускать в дело. Лучше запомнить, какие изделия изготавливаются из нужной для работы марки, и использовать их в качестве заготовок.

Для чеканки вполне подойдут листы кровельного железа, автомобильная жесть и даже консервные банки. Главное – металл должен быть чистым, без ржавчины, пробоин и трещин. Иногда даже незначительная на первый взгляд царапина способна ослабить заготовку, и при работе с ней материал либо изменит форму не так, как планировалось, либо вообще прорвется в слабом месте. Поделка, на которую до этого было затрачено немало времени и сил, будет безнадежно испорчена.

При гравировании или выпиливании по металлу требования могут быть не такими высокими, но трещин, пробоин и раковин от ржавчины необходимо избегать и в этом случае. При полировке поверхности изделия их обычно не удается зачистить или замаскировать.