Металл как конструкционный материал играет огромную роль в жизни человека.
В 5 классе вы ознакомились с тонколистовым металлом и проволокой, с технологиями их получения и обработки, изготовили изделия из этих материалов. Однако не все задуманные вами в 6 классе творческие проекты можно выполнить, опираясь лишь на полученные ранее знания и умения.
Чтобы изготовить проектное изделие из металла, вам необходимо продолжить изучение свойств чёрных и цветных металлов, способов и приёмов резания, рубки и опиливания металлических заготовок.
Прежде чем приступить к изготовлению какого-либо изделия, нужно выбрать наиболее подходящий для него материал. Металлы в технике применяют, как правило, не в чистом виде, а в виде сплавов. Сплавы получают путём смешивания в расплавленном состоянии двух или нескольких металлов в точно определённом соотношении. Правильно выбрать для изготовления изделия металл или сплав можно лишь зная его свойства.
Одним из важнейших металлов, применяемых в современной технике, является железо. Чистое железо обладает невысокой прочностью, поэтому оно используется очень редко. Широкое применение имеют сплавы железа с углеродом — чугун и сталь. Сплавы, содержащие более 2% углерода, относятся к чугунам. Чугун обладает хорошей жидкотекучестью, поэтому его используют для изготовления оснований (станин) станков, производства деталей архитектурных сооружений и оград, скульптур. Сплав, содержащий менее 2% углерода, называют сталью.
Каждый металл и сплав обладает определёнными механическими и технологическими свойствами.
К механическим свойствам относят прочность, твёрдость, упругость, пластичность.
Прочность — способность металла или сплава воспринимать действующие нагрузки не разрушаясь. Например, если сделанные вами подвески для стенда не разрушаются от его веса при закреплении на стене, значит, они обладают достаточной прочностью.
Твёрдость — свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого материала. Например, если в стальной или медной пластине сделать лунки с помощью кернера, ударив по нему молотком с одинаковым усилием, то в медной пластине глубина лунки будет больше, чем в стальной. Это свидетельствует о том, что сталь твёрже меди.
Упругость — свойство металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия на него внешних сил. Если положить на две опоры металлическую линейку и в центре её поместить небольшой груз, то она немного прогнётся, а после снятия груза примет первоначальное положение. Это доказывает, что материал, из которого сделана линейка, обладает упругостью.
Пластичность — способность изменять форму под действием каких-либо нагрузок не разрушаясь. Это свойство используют при правке, гибке, прокатке, штамповке заготовок.
К технологическим свойствам относят ковкость, жидкотекучесть, обрабатываемость резанием, свариваемость и др.
Ковкость — свойство металла или сплава получать новую форму под действием удара. Это свойство основано на использовании механического свойства — пластичности.
Жидкотекучесть — свойство металла в расплавленном состоянии хорошо заполнять литейную форму, что позволяет получать плотные отливки.
Обрабатываемость резанием — свойство металла или сплава поддаваться обработке резанием разными инструментами.
Свариваемость — свойство металлов соединяться в пластичном или расплавленном состоянии.
Коррозионная стойкость — свойство металлов и сплавов противостоять коррозии (ржавчине).
Все металлы и сплавы подразделяют на чёрные и цветные (рис. 1). К чёрным относят железо и сплавы на его основе — сталь и чугун. Все остальные металлы и сплавы — цветные.
Часто сплавы обладают лучшими свойствами, чем их составные части. Например, чистое железо имеет очень низкую прочность, а сплавы железа с углеродом — более высокую. Если углерода в сплаве меньше 2 %, то такой сплав называется сталью (см. рис. 1, в). Если углерода от 2 до 6,7 %, то это — чугун (см. рис.1, г).
В зависимости от свойств стали делят на конструкционные и инструментальные. Из конструкционной стали делают детали машин и конструкций. Инструментальные стали имеют в своём составе хром, вольфрам и другие металлы, поэтому они обладают очень высокой твёрдостью. Из них изготовляют режущие инструменты для обработки металлов.
Чугун — хрупкий сплав, в связи с чем его используют для производства изделий, которые впоследствии не будут подвергаться ударам. Чугун отличается хорошей жидкотекучестью, поэтому из него получают сложные и качественные отливки: станины станков, радиаторы отопления и другие изделия.
Наиболее распространённые цветные металлы — это алюминий и медь (см. рис. 1, а, б).
Алюминий — лёгкий металл серебристого цвета, широко используемый. Он хорошо сопротивляется коррозии и его легко обрабатывать. Алюминий является самым распространённым металлом в природе. Его прочность сравнительно невелика, но в результате добавления в него различных компонентов — кремния, магния, меди, цинка — прочность получаемого таким образом материала значительно повышается. Алюминий обладает превосходными физико-химическими свойствами: малым весом; высокой плотностью; способностью хорошо проводить электричество и тепло; устойчивостью к коррозии и воздействию агрессивных веществ; высокой пластичностью. Если сравнить одинаковые по объёму алюминиевую и стальную заготовки, то окажется, что алюминиевая заготовка значительно легче стальной. При этом по прочности алюминиевые сплавы не уступают стали. Эти свойства определяют широкое применение алюминия в самолётостроении. Кроме того, алюминий и его сплавы применяют в электротехнике, строительстве, быту и т. п.
Медь — металл красного цвета. Это пластичный материал, хорошо проводящий электрический ток. Он легко поддаётся обработке и устойчив к коррозии. Из меди делают электрические провода и другие электротехнические изделия.
Из цветных сплавов широко используются в технике латунь, бронза (см. рис. 1, д, е), дюралюминий и др.
Латунь — сплав меди с цинком, жёлтого цвета. Обладает высокой пластичностью, твёрдостью и коррозионной стойкостью. Применяется для изготовления деталей, работающих в условиях повышенной влажности, и в электротехнике.
Бронза — сплав меди со свинцом, алюминием, оловом и другими элементами, жёлто-красного цвета. Бронза, известна человечеству очень давно. Так, целая эпоха в истории человечества носит название «бронзовый век». Самыми распространёнными являются оловянные бронзы — сплавы меди и олова. Имеет высокую прочность, твёрдость, хорошо режется и обладает коррозионной стойкостью. Применяется для изготовления водопроводных кранов и зубчатых колёс, в электротехнике, для отливки художественных изделий (например, скульптур, украшений и других изделий).
Дюралюминий — сплав алюминия с медью, магнием, цинком и другими элементами, серебристого цвета. Хорошо поддаётся обработке, обладает высокой коррозионной стойкостью. Применяется в авиации, машиностроении и строительстве, где требуются лёгкие и прочные конструкции.
В настоящее время промышленность выпускает металлические заготовки различных форм — профилей, из которых путём последующей обработки изготавливают необходимые детали и изделия. Существует насколько групп профилей металлов: листовой металл, сортовые профили, трубы (Рис.2).
Свойства искусственных материалов. В 5 классе вы кратко ознакомились с искусственными материалами — пластмассами, состоящими из сложных веществ — полимеров, получаемых на предприятиях химической промышленности. Эти материалы при изготовлении (формовании) изделий нагревают, в результате чего они становятся пластичными, а при охлаждении — стеклообразными.
Кроме полимера, пластмассы содержат добавки: наполнители, пластификаторы, красители и др. Наполнители необходимы для придания пластмассе таких свойств, как прочность и устойчивость к высоким температурам. Пластификаторы повышают пластичность материала, а красители позволяют окрасить пластмассу в разные цвета.
Пластмассы хорошо обрабатываются, поэтому из них изготовляют разнообразные изделия: посуду, бытовые приборы, мебель, трубы, спортивный инвентарь, предметы интерьера и многое другое.
Способы обработки металлов. Первый способ обработки металлов, который мы рассмотрим, — это обработка металлов давлением. Одним из свойств металлов является пластичность, т. е. способность изменять форму под действием давления, в том числе ударов, не разрушаясь. Есть металлы, которые можно обрабатывать давлением в холодном состоянии, например золото, медь, алюминий; а есть те, которые обрабатывают давлением в горячем состоянии, например малоуглеродистая сталь. Раскалённая докрасна, она становится такой пластичной и податливой, что из неё можно изготавливать детали самой сложной формы. Процесс обработки металлов давлением состоит в том, что давящий инструмент придаёт металлической заготовке требуемую форму. К обработке металлов давлением относятся прокатка, штамповка, ковка (рис. 3).
Штамповка — это деформация металла с помощью специального инструмента — штампа, рабочая поверхность которого повторяет конфигурацию изготовляемой детали. Штамповкой изготавливают такие сложные по форме изделия, как детали кузовов автомобилей, корпуса бытовых приборов, различные товары повседневного спроса и т. д. Штамповку деталей выполняют в холодном и горячем состоянии (рис. 4). Применение штамповки обеспечивает высокую производительность труда, даёт возможность изготавливать большие серии одинаковых деталей при минимальных затратах. Это объясняет её широкое распространение в промышленности.
Поковка — черновая заготовка, получаемая в процессе штамповки или ковки металла, по своим размерам и форме близкая к требуемому изделию.
Ручная ковка осуществляется последовательными ударами кузнечного молота (кувалды) по нагретой или холодной заготовке, расположенной на наковальне, до приобретения ею желаемой формы. Кузнечное производство является одним из древнейших способов изготовления изделий из металла. Ещё одним способом изготовления металлических деталей является литьё. Его применение основано на свойстве металлов, которое называется жидкотекучесть. Это свойство обеспечивает хорошее заполнение формы расплавленным металлом. После затвердевания металла в форме получается литая деталь-отливка. Литьё позволяет во многих случаях получать готовую деталь, которую в дальнейшем необходимо лишь незначительно доработать. Многие окружающие нас предметы изготовлены методом литья: водопроводные краны, дверные ручки, водосточные решётки на улицах.
Существует искусство художественного литья. Таким способом изготовляют скульптуры, украшения, церковные колокола, декоративные ограды. Хорошими литейными свойствами обладают чугун, бронза, олово, цинк и некоторые другие металлы и сплавы.
Существует ещё один способ обработки металлов — обработка металлов резанием. Несмотря на высокий процент отходов материала, данный способ получил распространение при производстве деталей и изделий на различных технологических станках — токарных, фрезерных, строгальных. Этот способ применяют при изготовлении единичных деталей сложной формы с высокой точностью, при доработке заготовок после литья или обработки давлением. Ранее на уроках технологии в 5 классе вы выполняли некоторые технологические операции резания материалов: сверление, опиливание, резание ножницами, пиление и т. д. Все эти операции производятся специальными режущими инструментами: ножницами по металлу, свёрлами, напильниками, ножовками по металлу. Рабочая часть этих инструментов имеет общую форму — клин. Существует несколько основных видов резания. На рисунке 5 показаны различные виды резания металлов: с помощью клинообразных инструментов, раздвигающих частицы металла (рис. 5, а); посредством двух режущих лезвий (рис. 5, б); путём снятия стружки (рис. 5, в).
Режущие инструменты должны обладать высокой прочностью и твёрдостью, для того чтобы выдерживать большие нагрузки, которые возникают при обработке металлов. Не все металлы одинаково хорошо поддаются обработке резанием. Например, на станках трудно обрабатывать заготовки из красной меди, свинца, алюминия. Таким образом, при изготовлении изделия необходимо рационально выбирать способ обработки материала: важно учитывать свойства металла, количество деталей (одна или серия), трудоёмкость операций и затрачиваемое время.
Источники информации:
1. Учебник «Технология» 6 класс. В.Д.Симоненко. М., «Вентана-Граф», 2016
2. Учебник «Технология» 6 класс. Е.С.Глозман и др. М., «Дрофа», 2019