ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ХУДОЖЕСТВЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Материальное производство, в том числе изготовление художественных изделий, основано на применении различных технологических процессов, среди которых технология соединения материалов занимает важное место. Соединение деталей, узлов, фрагментов изделий является основой сборки и определяет долговечность, надежность, внешний вид и другие показатели качества изделия. Современное состояние технологии соединения материалов характеризуется разработкой множества способов, отличающихся физической сущностью процессов, технологическими возможностями, характеристиками оборудования и другими факторами.

Большое значение для практического использования современных способов соединения имеет изучение физико-химических основ и технологических особенностей, приобретение навыков разработки технологии соединения. Кроме того, необходимо умение пользоваться информацией о специфике поведения материалов при реализации технологических процессов и оценке качества изделий из различных сталей, цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов. Технологические процессы получения соединений, применяемые в таких художественных изделиях, как произведения скульптуры из металла, декоративные решетки, витражи и ограждения, изделия «кабинетной» металлопластики, ювелирные изделия, бижутерия и др., отличаются большим разнообразием технологических параметров, необходимостью использовать специальное оборудование и вспомогательные материалы, обеспечивающие необходимый уровень качества.

Классификация и общая характеристика способов соединения материалов в художественных изделиях

Технология соединения материалов при изготовлении художественных изделий с древнейших времен являлась предметом внимания мастеров оружейников, ювелиров, резчиков по дереву и др. Такие характеристики изделия, как прочность, долговечность, внешний вид, во многом определяются качеством соединений. Существует множество конструктивных решений и технологических процессов создания сборки изделия из входящих в его состав деталей. Общая классификация соединений, очевидно, предусматривает деление на подвижные и неподвижные.

Входящие в первую группу соединения, такие как шарнирные, телескопические, шлицевые и т. п., обеспечивают возможность перемещения деталей в соответствии с функциональным назначением изделия. Вторая группа соединений — неподвижные — включает два вида — разъемные и неразъемные. Резьбовые, замковые, штифтовые и другие соединения позволяют производить разборку изделий. При эксплуатации изделий с неразъемными соединениями невозможно разъединение деталей без дополнительного ввода энергии, затрачиваемой на разрушение материала.

В большую группу неразъемных соединений входят монолитные и немонолитные, получаемые на основе молекулярного и межатомного взаимодействия, неразъемные механические соединения, а также комбинированные, в которых сочетаются упомянутые способы. Понятие монолитности означает непрерывность и однотипность характера связей при переходе через границу раздела соединяемых деталей. Так, любой способ сварки и пайки обеспечивает получение монолитных неразъемных соединений, поскольку металлические межатомные связи возникают на границе раздела деталей. Клеевые соединения, в основе образования которых межмолекулярное взаимодействие, характеризуются резким изменением типа связей на границе раздела. Такие соединения относятся к группе неразъемных немонолитных. В комбинированных соединениях сочетание сварных участков, выполненных, например, точечной сваркой, с клеевыми позволяет улучшить качество изделий.

Неразъемные механические соединения, такие как клепка, развальцовка, соединение в загиб, в настоящем издании не рассматриваются.

Максимальной эксплуатационной надежностью и долговечностью обладают, как правило, неразъемные монолитные соединения, в которых по поверхности контакта деталей устанавливаются прочные металлические (химические) связи, аналогичные связям между элементарными частицами в материале деталей. Такие соединения получают методами сварки плавлением, давлением и пайкой. До наших дней сохранилось оружие, предметы быта, столовые приборы, ювелирные и другие изделия, в которых соединения выполнены сваркой давлением — кузнечной, высокотемпературной пайкой золотыми и серебряными припоями, склеиванием.

В настоящее время разработано и применяется в различных отраслях промышленности большое количество способов сварки и пайки, оборудование и вспомогательные материалы, использование которых при изготовлении художественных изделий обеспечивает повышение качества соединений и открывает перед художником широкие возможности по созданию оригинальных композиций из различных материалов.

Общий перечень технических требований предъявляемых к соединениям, включает:

  • а) механические свойства, характеризуемые прочностью при различных видах нагружения, пластичностью, твердостью и др.;
  • б) специальные характеристики работоспособности, такие как герметичность, коррозионная стойкость, цвет, фактура, внешний вид;
  • в) наличие допустимых или недопустимых дефектов, например газовых пор, трещин, подрезов, несплавлений и т. п.;
  • г) долговечность по сроку работы до отказа или по изменению свойств в процессе эксплуатации, приводящих к потере качества;
  • д) экономические показатели, обусловленные стоимостью основных и вспомогательных материалов, энергии, трудозатрат, стоимостью основного оборудования и приспособлений;
  • е) экологические характеристики, связанные с реализацией технологических процессов, — сварочные аэрозоли и защитные газы, вредные для здоровья химические соединения в составе флюсов для пайки и припоях, в современных быстротвердеющих клеевых составах и др.

Обобщенная характеристика современных способов сварки плавлением показывает широкие возможности этой группы технологических процессов.

Например, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в инертных газах позволяет получать соединения таких активных металлов и сплавов, как титан, алюминий, бронза и др. Так, при сооружении памятника Ю. А. Гагарину (Москва, площадь имени Ю. А. Гагарина) применен листовой титан, соединение которого выполнено аргонодуговой сваркой с последующей механической обработкой внешнего контура швов, что позволило добиться монолитности формообразующей поверхности.

Сжатая дуга — концентрированный источник нагрева — может использоваться как при создании крупногабаритных конструкций, так и при изготовлении изделий мелкой пластики. Высокая концентрация энергии источника позволяет успешно применять его для сварки, резки и раскроя металлов с высокой теплопроводностью. Размеры пятна нагрева при микроплазменной сварке можно регулировать в диапазоне 0,5—3,0 мм, что дает возможность сваривать тонколистовые изделия из меди и ее сплавов, драгоценных металлов и др.

Газовое пламя традиционно используется при изготовлении различных художественных изделий: сварка формообразующих элементов и опорных конструкций, наплавка и резка, пайка в ювелирном деле и т. п. Важным достижением в этой области является разработка установок типа ЭЛГА для получения горючей смеси на основе электролиза воды.

Водородно-кислородная смесь с добавками паров бензина при сгорании в сварочных безинжекторных горелках образует пламя с высокими технологическими свойствами. В то же время эксплуатация электролизных установок, по сравнению с газовыми постами, значительно безопаснее и экономичнее. К источникам нагрева такого же типа можно отнести низкотемпературную плазму, полученную по так называемой независимой схеме за счет дуговой диссоциации воды в аппаратах «Мультиплаз». Высокая температура и эффективность теплоотдачи факела позволяют использовать этот источник для различных процессов сварки, наплавки, разделительной резки и др.

Одним из наиболее важных достижений последних десятилетий в области сварки является применение концентрированных лучевых источников нагрева. Луч лазера, сфокусированный на поверхности свариваемого изделия, позволяет получать соединения с минимальным воздействием на основной металл, причем такие характеристики, как механические свойства, структура, остаточные напряжения и деформации, могут иметь оптимальные значения. С учетом широких возможностей изменения плотности мощности в пятне нагрева, кратковременности воздействия (несколько миллисекунд), чистоты источника, бесконтактности и др. представляется перспективным применение лазера при изготовлении и реставрации ювелирных изделий из драгоценных металлов, нейзильбера и мельхиора.

Наряду со сваркой плавлением разработаны и широко применяются в промышленности способы сварки давлением, из которых точечная электрическая контактная сварка находит наиболее массовое применение. Способ позволяет сваривать как силовые элементы конструкций с толщиной листа от 5 до 10 мм, так и тонколистовые изделия, причем, основным ограничением является высокая электро- и теплопроводность металла, т. е. способ не применяют для сварки меди, серебра и их сплавов. Наиболее перспективным является применение этого способа при изготовлении изделий металлопластики из сплавов на основе железа и никеля. Кроме того, находят применение способы сварки давлением без дополнительного нагрева, например, холодная сварка глубокой деформацией успешно используется для сборки декоративных решеток из однотипных модулей. Традиционно для получения многослойных заготовок используется кузнечная сварка.

Пайка, как способ получения монолитных неразъемных соединений, дает возможность изготовить сложные изделия из простых элементов, соединять однородные и разнородные металлы и сплавы, соединять металлы с неметаллами.

Современный уровень развития пайки характеризуется применением широкой номенклатуры припоев, отвечающих разнообразным техническим требованиям по прочности, технологичности, стоимости и др. Как и прежде, пайка является основным способом соединения при изготовлении ювелирных изделий.

Очевидной задачей разработки любого технологического процесса сварки, пайки или склеивания является получение «идеального» соединения, характеристики прочности и пластичности которого не отличаются от соответствующих свойств соединяемых материалов, а структурные и химические изменения в зоне соединения отсутствуют.

Схематическая модель образования «идеального» соединения основана на анализе взаимодействия абсолютно чистых ювенильных поверхностей и предусматривает описание взаимодействия по поверхности контакта, результатом которого является образование монолитного соединения на основе химических (металлических) связей.

Известно, что прочность связей зависит от их природы. Ковалентная химическая связь имеет прочность порядка 105 Дж/моль и образуется в результате спаривания валентных электронов, например, в молекулах водорода, азота и т. п. В металлических системах связи такого типа устанавливаются, например, при образовании интерметаллидных кристаллов.

Гетерополярная (ионная) связь возникает в ионных кристаллах, в которых образование катиона и аниона, например натрия и хлора в хлориде натрия, является результатом перехода электрона. Мерой способности элементов к образованию такого типа связей является сродство к электрону. Энергия связи составляет 105—107 Дж/моль. Следует учитывать возможность образования смешанных связей с любым процентом ионности.

Металлическая связь сходна с ковалентной, но обобщение происходит не отдельных парных электронов, а всех валентных орбит с образованием «облака» обобщенных электронов, а атомы соединяются в кристаллические образования. Такой тип связи допускает большее смещение атомов относительно устойчивого положения, что обусловливает пластичность металлов. Энергия металлической связи 105 Дж/моль.

Межмолекулярные связи имеют электростатическую природу (энергия связи 103 Дж/моль), действуют между любыми молекулами и обеспечивают, например, адгезию при растекании флюсов по поверхности паяемых металлов, при склеивании — смачивании клеем поверхности металлов и неметаллических материалов, при смачивании водой твердых поверхностей и т. п.

Рассматривая возможность получения «идеального» соединения, предполагают, что существуют абсолютно гладкие ювенильные (абсолютно чистые) поверхности двух металлических кристаллов, расположенные на расстоянии, величина которого значительно превышает параметр кристаллической решетки. Сила притяжения между кристаллитами в этом случае незначительна и по мере сближения поверхностей возрастает. Соединяемые системы атомов находятся в устойчивом состоянии, т. е. положению каждого атома соответствует минимальное значение потенциальной энергии («потенциальная лунка»). Переход из одного устойчивого состояния в другое требует преодоления энергетического барьера, а следовательно, введения дополнительной энергии — энергии активации. В результате сближения поверхностных атомов и преодоления энергетического барьера протекает химическая реакция, вследствие которой квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов приводят к образованию металлической связи, граница раздела между кристаллитами исчезает.

Таким образом, для образования «идеального» соединения необходимо сблизить абсолютно гладкие ювенильные поверхности на расстояние, равное параметру кристаллической решетки, и активировать поверхностные атомы. Процесс соединения условно разделяют на две стадии: 1) развитие физического контакта; 2) химическое взаимодействие контактирующих атомов. Следующей стадией такого процесса может быть, например, диффузионный массообмен через исчезнувшую границу, однако этот процесс отличается от предшествующих большой длительностью.

В реальных условиях соединяемые поверхности имеют шероховатость и покрыты оксидными, жировыми и другими слоями, что существенно затрудняет получение физического контакта. Величина шероховатости зависит от способа механической обработки: обдирка наждачными кругами дает величину микронеровностей 40—120 мкм; точение, строгание — 20—120 мкм; полирование — 0,3—1,0 мкм, тогда как для получения физического контакта по границе раздела эта величина должна составлять 1—10 А, т. е. должна быть в 1000 раз меньше.

Изучение строения реальной поверхности подтверждает необходимость соблюдения технологий обработки (табл. 3.1), облегчающих развитие физического контакта. Следует иметь в виду, что оксидный слой образуется на поверхности металла сразу после очистки. Например, на поверхности алюминия толщина слоя оксида достигает 12 • 10-8 см через 15 с после очистки. Толщина адсорбированного слоя воды может составлять 50—100 молекул, а при наличии смазок возможно образование жирового слоя, электростатическая связь молекул которого с поверхностью имеет высокую прочность.

Таблица 3.1

Схема разработки технологии соединения

Номер

этапа

Содержание этапа

Необходимая информация

1

Формулировка технических требований к соединениям

Назначение изделия, характеристики материалов, конструктивные особенности, условия эксплуатации, экономические и экологические требования

2

Выбор способа соединения и технологических параметров

Характеристика технологии способов соединения, физико-химические особенности поведения материалов в условиях различных способов соединения, характеристики качества соединений. Возможность механизации. Экономические и экологические характеристики

Номер

этапа

Содержание этапа

Необходимая информация

3

Выбор оборудования и вспомогательных материалов

Технические характеристики основного оборудования, оснастки, приспособлений, инструментов. Состав и свойства вспомогательных материалов — электродов, присадочной проволоки, защитных газов, флюсов и припоев для пайки, клеевых композиций и др. Экономические и экологические характеристики

4

Разработка последовательности операций (маршрута)

Конструктивные особенности изделия, количество комплектующих деталей, возможность последовательной или поузловой сборки изделия

4.1

Контроль входящих материалов и заготовок

Характеристики материалов (сертификаты, технические условия и др.), чертежи, эскизы изделия и заготовок. Оборудование и инструмент для выполнения контрольных операций

4.2

Подготовка поверхности

Влияние свойств поверхности — наличие оксидных и других слоев, микро- и макрогеометрии на качество соединений, характеристики механических, химических, электрохимических и других способов обработки поверхности

4.3

Сборка

Условия фиксирования соединяемых элементов — зазоры, пространственное положение, надежность крепления и пр. Характеристики приспособлений и оснастки

4.4

Соединение

Технологические параметры, реализация которых обеспечивает требуемое качество, характеристики основного и вспомогательного оборудования

4.5

Контроль качества

Виды дефектов соединений, причины возникновения, способы выявления дефектов и критерии качества изделия

Повторение операций 4.1—4.5 в зависимости от конструктивных особенностей изделия

5

Обработка соединений и окончательная обработка изделия

Технические требования к изделию, характеристики способов финишной обработки

6

Контроль качества изделия

Технические и потребительские свойства изделия, методы оценки качества

Технологические процессы получения неразъемных соединений основаны на реализации указанных стадий взаимодействия различными методами. Так, при сварке давлением развитие физического контакта достигается за счет пластического деформирования соединяемых поверхностей в твердом состоянии, а для их активации используют различные источники тепла. Способы сварки плавлением основаны на объединении (слиянии) расплавленных участков соединяемых деталей, тогда как при пайке физический контакт достигается за счет припоя, смачивающего паяемые поверхности. Энергия, затрачиваемая на плавление свариваемых материалов и на нагрев припоя и поверхностей под пайку, обеспечивает необходимый уровень активации. Получение качественных клеевых соединений основано на молекулярном, а в ряде случаев химическом взаимодействии клеевых составов с соединяемой поверхностью при смачивании.

Вопросы и задания для самопроверки

  • 1. Перечислите технические требования, предъявляемые к соединениям.
  • 2. Какую энергию имеет металлическая связь?
  • 3. Перечислите этапы разработки технологии соединения.
  • 4. Какая информация является основанием для выбора способа соединения?
  • 5. На какую информацию опирается выбор вспомогательных материалов, применяемых в процессах соединения?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >