Краткие сведения о металлах и сплавах

Все деревообрабатывающие тяпки, режущий инструмент, ножи для ручного инструмента, скрепы (шурупы, болты, гвозди, стяжки), приборы (петли, ручки, шпингалеты, замки, крючки, задвижки), значительную часть мебельной фурнитуры, а также строительные поковки изготовляют из черных и реже цветных металлов. Наибольшее применение имеет сталь. Из цветных металлов и их сплавов изготовляют только мебельную фурнитуру и часть приборов.

Железоуглеродистые сплавы.Чугун выплавляют из железных руд в доменных печах. Он представляет собой сплав железа с углеродом. Количество углерода в чугуне составляет от 2 до 6,67%. В состав чугуна входят также со­держащиеся в руде кремний, марганец, фосфор, сера. Сера и фосфор в чугуне — вредные примеси: они придают чугуну хрупкость.

Чугун является первичным материалом металлургической переработки железных руд. Его подразделяют на литейный, предельный и специальный (ферросплавы).

Литейный чугун (серый) применяют для отливки изделий, в частности ста­нин для станков, шкивов, зубчатых колес и др. Предельный чугун (белый) перерабатывают в сталь. Специальные чугуны (сплавы железа с марганцем – ферромарганец, с кремнием — ферросилиций и др.) применяют при получении стали как легирующие[3] добавки или как раскислители.

Сталь содержит углерода до 2%. В отличие от чугуна, хрупкого металла, сталь обладает упругостью и другими высокими показателями механических свойств.

В зависимости от содержания углерода стали подразделяют на мягкие низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и твердые высокоуглеродистые.

Мягкие низкоуглеродистые стали содержат до 0,3% углерода. Эти стали отличаются пластичностью, поддаются ковке и сварке, имеют широкое и разнообразное применение.

Среднеуглеродистые стали содержат от 0,3 до 0,65 % углерода. По сравнению с мягкими они менее пластичны, но более тверды и обладают боль­шей прочностью. Эти стали используют в машиностроении и строительстве. Они называются конструкционными. Твердые высокоуглеродистые стали содержат от 0,65 до 1,7% углерода и отличаются большой твердостью. Чем больше в стали углерода, тем выше ее твердость, но ниже пластичность. Высо­коуглеродистые стали используют для изготовления инструментов, поэтому их называют инструментальными.

Современный дереворежущий инструмент работает с высокой скоростью резания и подвергается ударной нагрузке; его применяют для обработки как цельной древесины, так и прессованной слоистой, склеенной синтетическими клеями. Для изготовления дереворежущего инструмента используют сталь инструментальную углеродистую, легированную, быстрорежущую.

Инструментальная углеродистая сталь делится на два класса: качественная марок У7, У8, У9, У10 и высококачестванная марок У7А, У8А, У9А, У10А. Вы­сококачественная сталь отличается от качественной меньшим содержанием серы (до 0,03%) и фосфора (до 0,03%). Высокое качество стали в марке обозна­чают буквой А, например У7А. Если качественную углеродистую инстру­ментальную сталь применяют для ручного режущего и другого малоответ-ственного инструмента, то высококачественную сталь, которая меньше выкрашивается при шлифовании и меньше образует трещин при закалке, используют для изготовления станочного режущего инструмента, работающего с большой нагрузкой при очень высоких скоростях резания.

Основная примесь стали, определяющая ее свойства, — углерод. Он придает стали свойство закаливаемости. С повышением содержания углерода в стали понижается ее пластичность (другими словами, способность сопротивляться ударной нагрузке), но возрастает ее твердость, прочность, упругость, износостойкость.

Марганец очищает сталь от серы, делает ее белее агатной, повышает твердость, прочность, упругость и прокаливаемость, т. е. значительно улуч­шает свойства металла. Вместе с тем марганец способствует росту зерен, что служит причиной появления трещин при закалке. Поэтому содержание марганца в высококачественной стали не должно превышать 0,35%.

Кремний снижает пластичность стали, но увеличивает ее твердость, прочность и особенно упругость и стойкость против коррозии. Содержание кремния и высококачественной стали ограничивается 0,3%. Сера и фосфор — вредные примеси стати. Сера делает сталь «красноломкой», т. е. хрупкой при высоких температурах. В стали для дереворежущего инструмента влияние фосфора самое вредное, так как делает сталь хрупкой даже при нормальной температуре, поэтому содержание его не должно превышать 0,03%.

Инструментальная легированная сталь содержит легирующие элементы (присадки) — хром, вольфрам, никель, ванадий, кобальт, молибден и прочие, специально вводимые в необходимых количествах. Наличие хрома повышает пределы прочности, упругости и твердости, износостойкость и стойкость против коррозии стали.

Весьма полезной присадкой стали служит вольфрам. Даже в малых количе­ствах он повышает твердость, предел прочности и улучшает режущие свойства стали, не снижает ее пластичность. В стали для дереворежущего инструмента содержание вольфрама колеблется в пределах 1—2%.

Никель снижает твердость, не увеличивает пластичность стали. В стали для пил никеля содержится 1—1,5%.

Одна из лучшие присадок инструментальной стали — ванадий. Даже в малых количествах он повышает прочность, упругость, твердость и пластич­ность стали, делает металл мелкозернистым. В стали для дереворежущего инструмента ванадия содержится не более 0,3%.

По своему влиянию на свойства стали молибден равноценен вольфраму, да­же в малых количествах он повышает твердость и режущие свойства металла, не снижает пластичности его и понижает чувствительность стали к образова­нию трещин.

Добавка кобальта улучшает механические и режущие свойства стали, повышает износостойкость и пластичность, но увеличивает чувствительность стали к перегреву при термической обработке.

Легирующие элементы оказывают также влияние на режимы термической обработки стали. В сталь вводят одновременно несколько легирующих элементов, что позволяет получить металл определенных свойств. Инстру­ментальная легированная сталь обладает лучшими режущими и другими свойствами, поэтому применяется для изготовления инструмента, работающе­го на высокопроизводительных станках или требующего специальных ее свойств (резцы, ножи, пилы).

Быстрорежущую сталь применяют для изготовления металлорежущего инструмента. Высокие режущие свойства стали придает вольфрам, содержание которого колеблется в пределах 6—18%. Такая сталь дает возможность значительно увеличить скорость резания металла без разрушения лезвия инструмента от нагрева. Режущие свойства такого инструмента в 3—3,5 раза превосходят такие же свойства инструмента из углеродистой стали. Целесообразно применять быстрорежущую сталь лишь для дереворежущего инструмента, подверженного сильному нагреву поверхностных слоев (резцы, ножи), и для инструмента, применяемого для обработки клееной древесины. Быстрорежущую сталь экономически целесообразно использовать только для режущей части инструмента в вице наварной пластинки или вставных зубьев.

Для изготовления высокопроизводительного дереворежущего инструмента отечественная промышленность вырабатывает сталь легированную и быстро­режущую следующих марок: 65ХФ (хромованадиевая), ОХС (хромокремнистая), ХВГ (хромовольфрамовая), В2 (вольфрамовая), XI2Ф (высокохроми­стая), Р18 (быстрорежущая), Р9 (быстрорежущая малолегированная).

Твердые сплавы в деревообработке применяют потому, что клеевая прослойка в слоистых древесных пластиках, действуя как абразив, очень быстро затупляет и изнашивает стальное лезвие инструмента. Инструмент из твердых сплавов отличается высокой износостойкостью (она в 15—20 раз больше износостойкости инструмента из легированной стали); твердые сплавы образуются в результате спекания прессованных порошков карбидов редких металлов. К ним относятся металлокерамические сплавы: вольфрамокарбид­ные и вольфрамотитанокарбидные. Вольфрамокарбидными сплавами марок ВК6, ВК8, ВК11, ВК15, ВК20 называются сплавы вольфрама и углерода, осно­вой которых является карбид вольфрама, а цементирующей связкой — металлический кобальт (6—20%). Твердые вольфрамотитанокарбидные сплавы содержат также карбид; наиболее приемлемой маркой из них для дереворежу­щего инструмента является Т5К10.

Твердые сплавы весьма хрупки, поэтому для обеспечения стойкости лезвия дереворежущего инструмента важно правильно выбрать марку твердого сплава в зависимости от вида древесного материала, скорости подачи и угла резания. Твердые сплавы выпускаются в виде пластинок различных форм и размеров, ко­торые припаивают тугоплавким припоем к телу резца или зуба инструмента. Заточка твердых сплавов осуществляется на специальных шлифовальных кругах.

Для изготовления станочного режущего инструмента применяются следующие марки стали: для дисковых пил — 9ХФ или 65ХФ; строгальных ди­сковых пил — 9Х5ВФ или Х6ВФ, 9ХФ; ножей — Х6ВФ, 9Х5ВФ, Р9 и др.; фрез — Х6ВФ, 9Х5ВФ, Х12Ф и др.; сверл — 9Х5ВФ, Х6ВФ, Р9; стамесок — У7А; сверл (ручных) — У7А; пил (ручных) — 9ХФ.

Сталь для дереворежущею инструмента подвергают термической обра­ботке (закалке, отпуску, отжигу и цементации) с целью получения металла максимальной прочности, твердости и высокой ударной вязкости.

Закалка стали заключается в нагревании ее до температуры 800—900°С и быстром охлаждении ь воде или минеральном масле. Закалка придает стали повышенную твёрдость.

Отпуск состоит в нагревании закаленного инструмента для обработки древесины до температуры 220—260°С с последующим охлаждением на воздухе. Отпуск снимает в инструменте внутренние напряжения, устраняет закалочную хрупкость, но износоустойчивость закаленного инструмента сохраняется.

Отжиг закаленной стали производят нагреванием ее от 700 до 900⁰С (в за­висимости от состава-стали) с последующим медленным охлаждением внутри остывающей печи или в сухом, предварительно нагретом песке. Отжиг повышает прочность стали к вместе с тем делает ее более пластичной. Отож­женную сталь легче обрабатывать.

Цементация стали заключается в насыщении углеродом ее поверхностного слоя, отчего этот слой становится более твердым. Для цементации сталь нагревают от 860 до 920°С в цементаторе, т. е. среде, содержащее углерод. На­иболее дешевый и простой по составу цементатор — порошок из дробленого березового угля (90%) и соды (10%) или угля (60%) и углекислого бария (40%). Глубина цементации может доходить до 5 мм и зависит от температуры нагре­ва и продолжительности выдержки.

Цветные металлы и сплавы.Алюминий по обширности применения в строительстве и мебельном производстве занимает первое место. Это легкий металл серебристого цвета, на воздухе покрывается пассивирующей пленкой А1₂О, защищающей его от коррозии. Его применяют в чистом виде и в мно­гочисленных сплавах с другими металлами. Многие сплавы обладают большей прочностью и твердостью, чем чистый алюминий. Из сплавов алюминия изготовляют некоторые строительные детали, в частности оконные переплеты и др. Широкое применение имеет листовой дуралюмин. В мебели из алюминия и его сплавов делают обкладки, полозки, направляющие, некоторые изделия фурнитуры.

Другие цветные металлы в чистом виде и в сплавах в столярном производ­стве применяют при ремонте оборудования и для изготовления мебельной фурнитуры. Медь (красную) используют при ремонте электрооборудования, цинк листовой — при облицовывании деталей.

Бронзу оловянистую (сплав меди 77—81% и олова 19—23%) применяют для изготовления деталей станков, подвергающихся трению при больших скоро­стях. Бронза никелевая (сплав меди 86%, олова 11% и никеля 3%) отличается большой твердостью; используют ее при изготовлении подпятников й вклады­шей для подшипников. Латунь (сплав меди 80—60% и цинка 20—40%) служит для изготовления разных изделий, в частности мебельной фурнитуры. Баббит (белый металл) — сплав меди, олова, свинца и сурьмы; применяют для заливки подшипников.

Для спайки оборванных ленточных пил используют припои, приведенные в табл. 11.

Таблица 11 Припои для пайки ленточных пил, %

Припои	Серебро	Медь	Цинк	Примесь
П-С-45			24,5	0,5
F1-C-65			14,5	0,5
Ц-Мц	—		56,5	0,5

Все металлы учитывают по массе. Хранить их следует в закрытых сухих складах, так как стали подвержены коррозии (ржавлению).

Металлические изделия, применяемые в столярно-строительном производ­стве, обычно подразделяют на крепежные изделия, приборы для окон и дверей и мебельную фурнитуру. Такое подразделение условно, так как некоторые изделия применяют в мебели, а отдельные виды фурнитуры употребляют для столярно-строительных изделий.