Потребительские свойства цветных и драгоценных металлов : технологические процессы формирования потребительских свойств металлов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 
 
 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 338 

Кафедра металловедения цветных металлов

 
 
В.К. Портной 

Потребительские свойства 
цветных и драгоценных металлов 

Технологические процессы формирования  
потребительских свойств металлов 

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2010 

УДК 669.2/.8 
 
П60 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. В.С. Панов 

Портной В.К. 
П60  
Потребительские свойства цветных и драгоценных металлов: Технологические процессы формирования потребительских свойств металлов: Курс лекций. – М.: Изд. Дом МИСиС, 
2010. – 152 с. 
ISBN 978-5-87623-330-1 

Настоящий курс лекций состоит из шести глав. В первой главе рассматриваются характеристики качества полуфабрикатов, деталей и изделий, которые будут использованы для сопоставления эффективности разных технологических процессов, рассматриваемых в других главах. В остальных главах рассматриваются технологии литейного производства, обработки металлов давлением, термической обработки, производства изделий из порошков и 
обработки резанием.  
Курс предназначен для студентов, обучающихся по направлению 522000 
«Коммерция» и специализирующихся в области рынка цветных металлов 
(специальность 080301), а также может быть полезен студентам групп МЭ 
(специальность 060800) и АРМ (специальность 330201). 
 

УДК 669.2/.8 

ISBN 978-5-87623-330-1 
© Портной В.К., 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение.............................................................................................................5 
1. Характеристики качества размеров и формы деталей............................7 
1.1. Характеристики качества размеров....................................................7 
1.2. Характеристики качества формы деталей.......................................12 
1.3. Характеристики качества поверхности............................................12 
1.4. Свойства материала детали как характеристики ее качества.......13 
Контрольные вопросы................................................................................14 
2. Литейное производство..............................................................................15 
2.1. Фасонное литье....................................................................................15 
2.1.1. Получение отливок в песчано-глинистых формах .................16 
Назначение элементов формовочного комплекта .........................16 
Изготовление песчано-глинистых форм для фасонного литья.....18 
Способы снижения трудоемкости формовки.................................19 
Операции и оборудование для извлечения отливок .....................21 
Литейные дефекты и способы их устранения ................................22 
2.1.2. Литейные свойства сплавов........................................................22 
Жидкотекучесть ....................................................................................23 
Склонность к образованию усадочных пустот...............................25 
Линейная усадка....................................................................................27 
Ликвационные явления в отливках...................................................29 
2.1.3. Особенности плавки черных и цветных металлов  
и плавильные устройства для них........................................................30 
2.1.4. Специальные виды фасонного литья........................................35 
Литье в оболочковые формы..............................................................35 
Литье по выплавляемым моделям.....................................................37 
Литье в кокиль.......................................................................................39 
Литье под давлением............................................................................40 
Центробежное литье.............................................................................41 
Жидкая штамповка...............................................................................42 
2.1.5. Показатели эффективности фасонного литья..........................43 
2.2. Заготовительное литье........................................................................44 
Контрольные вопросы................................................................................50 
3. Обработка металлов давлением................................................................51 
3.1. Виды обработки металлов давлением..............................................51 
3.2. Прокатное производство ....................................................................54 
3.3. Прессование..........................................................................................60 
3.4. Волочение.............................................................................................63 
3.5. Ковка и штамповка..............................................................................65 
3.5.1. Ковка ..............................................................................................65 
3.5.2. Штамповка ....................................................................................69 

Горячая объемная штамповка............................................................ 69 
Холодная объемная штамповка......................................................... 72 
Холодная листовая штамповка.......................................................... 73 
3.5.3. Эффективность использования металла в ОМД.....................76 
Контрольные вопросы ...............................................................................78 
4. Термическая обработка..............................................................................80 
4.1. Диффузия в металлических материалах..........................................80 
4.2. Отжиг – гомогенизация отливок и слитков.....................................83 
4.3. Отжиг деформированного металла ..................................................91 
4.3.1. Изменение механических свойств сплавов в результате 
холодной деформации...........................................................................91 
4.3.2. Дорекристаллизационный отжиг ..............................................93 
4.3.3. Рекристаллизационный отжиг...................................................94 
4.3.4. Размер зерен отожженного металла..........................................97 
4.3.5. Изменение механических свойств при отжиге после 
холодной деформации.........................................................................100 
4.4. Закалка и старение цветных сплавов..............................................103 
4.4.1. Закалка цветных сплавов..........................................................103 
4.4.2. Старение......................................................................................106 
4.5. Термическая обработка стали..........................................................112 
4.5.1. Диаграмма состояния Fe – C....................................................112 
4.5.2. Структурная перекристаллизация стали ................................113 
4.5.3. Закалка стали ..............................................................................118 
4.5.4. Отпуск стали...............................................................................122 
Контрольные вопросы .............................................................................123 
5. Производство деталей из порошков ......................................................126 
5.1. Методы получения порошков.........................................................126 
5.2. Характеристики порошков ..............................................................129 
5.3. Формование деталей из порошков .................................................129 
5.4. Спекание.............................................................................................132 
5.5. Применение порошковых материалов...........................................133 
Контрольные вопросы .............................................................................134 
6. Обработка резанием .................................................................................136 
6.1. Движения заготовки и инструмента при резании........................136 
6.2. Углы проходного токарного резца .................................................138 
6.3. Физика резания..................................................................................143 
6.4. Требования к режущему инструменту...........................................144 
6.5. Обработка абразивными материалами...........................................145 
6.6. Физико-химические методы обработки поверхности.................147 
Контрольные вопросы .............................................................................149 
Библиографический список ........................................................................151 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В данном курсе лекций ставится цель изучить понятия и термины, 
используемые в технологических процессах; познакомиться с основами технологических процессов и принципами действия соответствующего оборудования; рассмотреть альтернативные способы производства деталей из металлов и сплавов и их показатели качества. 
Любое производство нацелено на изготовление конечного продукта – изделий в виде станков для тех или иных видов обработки 
материалов, разнообразных транспортных средств и подъемнотранспортных машин, приборов для измерения разных параметров 
в природе и технике, машин для облегчения труда, в том числе роботов, заменяющих человека в различных производственных процессах, и т.д. В дальнейшем все эти объекты производства для простоты 
будем называть машинами или изделиями.  
Любую машину или изделие собирают из деталей, которые, в 
свою очередь, производят из заготовок, получаемых разными способами. Заготовка всегда отличается от детали своей массой и размерами, так как заготовка всегда больше детали, она имеет припуски, 
напуски, плавные переходы – галтели, конусности и уклоны, которые 
обычно удаляются при обработке резанием. Припуск – излишек металла на обработку резанием, чтобы обеспечить либо повышенную 
точность размеров детали, либо особое качество поверхности детали. 
Напуск – лишний металл в том месте заготовки, где из-за сложности 
геометрии детали эти ее элементы легче и дешевле получить при обработке резанием. Галтели снижают риск возникновения трещин 
в местах резких переходов, конусности и уклоны облегчают манипуляции с моделью детали при изготовлении формы или при извлечении детали из штампа. Чем меньше припуски и/или напуски, галтели, 
конусности и уклоны, тем меньше расход металла, меньше стоимость обработки. При производстве заготовки и детали из нее выгодно, чтобы часть поверхности детали вообще не подвергалась обработке, оставалась такой, какая она была в заготовке. Чем больше 
поверхностей заготовки остаются без обработки, тем больше коэффициент необрабатываемых поверхностей (КНП = Sнеобр.пов /Sобщ, где 
Sобщ – площадь всей поверхности заготовки). 
Металлы и их сплавы в зависимости от температуры могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии. Все три агрегатных состояния используют для производства заготовок деталей. В 

газообразном состоянии плазменным напылением получают тонкостенные заготовки, оболочки и покрытия. Жидкое состояние является исходным для литейного производства, а из твердых металлов и 
сплавов производят заготовки и детали методами обработки металла 
давлением или, переводя твердый металл в порошок, делают заготовки и детали методом порошковой металлургии. Полученные этими способами заготовки деталей подвергаются соединению сваркой 
или пайкой в более крупные заготовки, которые затем после термической обработки, если это необходимо, поступают на обработку резанием и обработку (отделку) поверхности. 

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ КАЧЕСТВА РАЗМЕРОВ 
И ФОРМЫ ДЕТАЛЕЙ 

1.1. Характеристики качества размеров 

Современное машиностроительное производство является поточно-массовым. Это означает, что при сборке той или иной машины 
детали используются без дополнительной слесарной подгонки. Отсутствие специальной слесарной подгонки (так называемая бесподгоночная собираемость) является основой взаимозаменяемости.  
Взаимозаменяемость однотипных деталей обеспечивается регламентацией с помощью системы допусков несоответствия фактических размеров детали и ее номинальных размеров в чертеже. Другими 
словами, несоответствие фактических размеров детали и ее размеров 
в чертеже на том же чертеже заранее оговаривается. Номинальные 
размеры устанавливает в чертеже конструктор, исходя из назначения 
детали, конструктивных соображений, расчетов на прочность, опытных данных. Полученные из расчетов размеры детали всегда округляются, что обусловлено техническими и экономическими соображениями. Но, округляя тот или иной размер детали, конструктор не 
может задать его в чертеже произвольно. Например, диаметр отверстия не может быть задан как округленное до ближайшего целого 
значение диаметра, полученное из расчета. Конструктор должен согласовать этот диаметр с диаметрами существующих наборов сверл, 
которыми сверлят такие отверстия. Для того чтобы количество используемого инструмента (такого, как сверла и т.п.) было экономически разумным и технически достаточным, инструмент производят 
в соответствии с утвержденными Государственным стандартом 
(ГОСТом) размерными рядами. Поэтому при конструировании деталей их расчетные размеры округляют до значений, соответствующих 
тем же размерным рядам.  
Размерные ряды – это геометрические прогрессии, для которых 
ГОСТом приняты следующие множители: 5√10 = 1,58489; 10√10 = 1,2589; 
20√10 = 1,1220; 40√10 = 1,05925. Например, в случае первого размерного ряда с корнем пятой степени Ra5 часть размерного ряда выглядит следующим образом: …0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 
6,3; 10 … При выборе рядов размеров предпочтение отдается рядам с 
более крупной градацией: пятый ряд Ra5 предпочитается ряду деся

тому Ra10, десятый ряд – двадцатому, двадцатый – сороковому. Ряды 
размеров рассчитывают в интервале от 0,01 до 10000 мм. Назначение 
размеров из размерных рядов сокращает количество обрабатывающего инструмента, которым деталь изготовляют, и сокращает типоразмеры контрольно-измерительного инструмента, которым эти размеры проверяются. 
Точный, или номинальный, размер, проставленный в чертежах, 
в производстве постоянно получать невозможно из-за изменения качества оборудования по мере износа как самого станка, так и обрабатывающего инструмента, квалификации рабочего, вида материала 
и особенностей процесса производства. Точность измерений современными средствами всегда высокая, всегда можно найти инструменты, точность измерения которыми превосходит неточность изготовления деталей. 
Действительный размер – то, что имеет место в реальности, отличается от точного (или номинального) и лежит в поле допуска, т.е. 
действительный размер меньше наибольшего и больше наименьшего 
допустимого размера или равен одному из них. В чертежах указываются точные (номинальные) размеры с допустимыми отклонениями 
(допусками). 
Взаимозаменяемость – это применение однотипных деталей 
с регламентируемыми отклонениями размеров, с допустимыми отклонениями, которые называют допусками. 
Допуск размера – разность между наибольшим и наименьшим 
предельными размерами. Эта величина регламентируется – имеются 
ряды допусков, называемые квалитетами, их 19 – от 01, 0, 1, 2…до 
17. Величины допусков возрастают по мере снижения требований 
к точности детали к 17-му квалитету. Так, для сопрягаемых деталей 
назначают квалитеты 5…12, для несопрягаемых деталей 13…17. Запись JТ7 означает допуск по седьмому квалитету. Квалитеты от 12 до 
17 назначают интервалы допусков от долей до целых миллиметров. 
Квалитеты от JT 01 до JT 11 назначают величину поля допуска в 
микрометрах или их долях. 
У любой детали имеются три вида размеров, различающихся по 
своей значимости. Те элементы детали, размеры которых конструктор без расчета выбирает из эстетических или опытных соображений 
(эти размеры обычно называют открытыми или свободными), могут 
быть изготовлены с любой степенью точности, поэтому используют 
самые большие допуски JT13...JT17, исходя из соображений наименьшей трудоемкости. Также выбирают квалитеты для элементов 

детали, размеры которых получены в результате расчета на прочность и округлены в соответствии с ближайшим большим членом 
размерного ряда, если этот элемент детали не сопрягается с другими 
деталями данной конструкции. Для сопрягаемых деталей обычно назначают квалитеты 5…12, поскольку сопряжения или посадки требуют повышенной точности. 
Посадки необходимы, когда две детали сопрягаются одна с другой, 
причем одна из них может передавать движение другой или перемещаться внутри отверстия в другой детали, либо, соединяясь с этой 
другой деталью, передавать ей усилие. В такой паре всегда, независимо от конфигурации деталей, одну деталь, охватываемую другой, называют валом, а другую, охватывающую, называют отверстием.  
Посадки используют трех типов. Ходовые, или подвижные, посадки необходимы для подвижных соединений. Например, шестерня, перемещающаяся по валу в редукторе переключения скоростей, должна 
иметь ходовую посадку. Это означает, что отверстие в шестерне и 
диаметр вала должны быть изготовлены с зазором между ними. Зазор 
должен быть между максимально допустимым размером вала и минимально допустимым размером отверстия. Иными словами, зазор должен быть между полями допусков отверстия и вала. Таким образом, у 
сопрягающихся деталей необходимо согласование допусков.  
Переходные посадки используются для осуществления качественного центрирования оси одной детали относительно оси другой. 
Поля допусков в этом случае касаются или слабо перекрываются, 
образуя малые зазоры или натяги. Неподвижность вала относительно 
отверстия в случае переходных посадок обеспечиваются крепежными элементами – шпонками, шплинтами и т.п., позволяющими быстро разобрать конструкцию. Неподвижные посадки – тугие, прессовые, глухие и т.п. соединения – необходимы для превращения соединяемых деталей в одно целое, которое может передавать силовые 
нагрузки. Такие посадки осуществляют всегда принудительной запрессовкой при большом натяге. Для этого предварительно вал охлаждают до отрицательных температур, а деталь-отверстие нагревают. На чертежах сопрягающиеся детали имеют одинаковый номинальный (точный) диаметр вала и отверстия. Для осуществления необходимых посадок введены ряды основных отклонений (рис. 1.1), 
ряды, определяющие смещенное положение поля допуска вала или 
отверстия относительно нулевой линии номинального размера. При 
этом приняты две системы: система вала и система отверстия. Система вала означает, что диаметр вала производят в соответствии  

Рис. 1.1. Расположение основных отклонений для вала (а) и отверстия (б) 

с номинальным размером, обозначенным на чертеже, и с точностью 
этого размера в соответствии с допуском по заданному квалитету. 
Отверстие в этой системе изготовляют с диаметром, отличающимся 
от номинала на величину основного отклонения в большую или 
меньшую сторону (с зазором или с натягом) в зависимости от заданного вида посадки.  
В системе отверстия диаметр отверстия изготовляют по номинальному значению на чертеже с допуском по заданному квалитету, 
а диаметр вала изменяют от номинального значения в чертеже на 
величину основного отклонения, соответствующего заданному виду 
посадки. Система отверстия считается предпочтительной, так как 
осуществление подгонки диаметра вала к изготовленному по чертежу отверстию производить и измерять дешевле и точнее.  
Для назначения квалитетов и основных отклонений, с которыми 
должны быть изготовлены вал или отверстие, введены условные обозначения на чертежах. Основные отклонения обозначают латинскими 
буквами, для обозначения разных основных отклонений валов – 
строчные (маленькие), для основных отклонений отверстий – про