- •Специальные технологии художественной обработки материалов. Часть 2 (Технология изготовления художественных изделий обработкой давлением)
- •Оглавление
- •Введение
- •Лекция 1. Из истории обработки металлов давлением
- •1.1. Ковка металлов в древности
- •1.2. Кованые изделия средневековья
- •1.3. Изделия конца хviii - начала хх веков
- •Лекция 2. Элементы теории напряжений и деформаций
- •2.1. Связь между деформацией и напряжением
- •2.2. Плоское напряжённое состояние и плоская деформация
- •2.3. Главные напряжения и их основные схемы
- •2.4. Взаимосвязь обобщенного напряжения и обобщенной деформации. Испытание металлов на растяжение
- •Заключение
- •3.2. Типы дефектов кристаллического строения и их основные свойства
- •3.3. Структурообразования при пластической деформации металлов
- •3.4. Причины деформационного упрочнения
- •Упрочнение от взаимодействия дислокаций
- •Взаимодействие дислокаций с примесями
- •Упрочняющее действие межзеренных и межфазных границ
- •3.5. Разрушение металлов при пластической деформации
- •3.6. Пластичность металлов. Влияние напряжённого состояния
- •Заключение
- •4.2. Взаимосвязь предела текучести и пластичности металла
- •4.3. Термическое разупрочнение деформированного металла
- •4.4. Движущие силы и кинетика термического разупрочнения
- •4.5. Сопротивление деформации металлов. Релаксация напряжений
- •4.6. Охлаждение деформированного металла. Фазовые превращения
- •Заключение
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 5. Основные виды пластической деформации
- •5.1. Сжатие
- •5.2. Вытяжка
- •5.3. Прошивка
- •5.4. Закручивание
- •5.5. Листовая штамповка
- •5.6. Прокатка
- •5.7. Волочение
- •5.8. Гибка
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 6. Средства нагрева металлов
- •6.1. Источники нагрева
- •6.2. Пламенные нагревательные устройства
- •6.3.Электрические нагревательные устройства
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 7. Технологические процессы художественной деформации, ч. 1
- •7.1. Художественная ковка Основные положения
- •Кузнечные инструменты
- •Основные операции ручной ковки
- •7.2. Выколотка (дефовка)
- •7.3. Чеканка
- •Инструменты и приспособления
- •Технология чеканки
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 8. Технологические процессы художественной деформации, ч. 2
- •8.1. Тиснение (басма)
- •8.2. Металлопластика
- •8.3. Насечка (тауширование)
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 9. Технологические процессы художественной деформации, ч. 3
- •9.1. Филигрань (скань)
- •9.2. Гравирование Общие положения
- •Инструменты и приспособления
- •Плоскостное гравирование
- •Обронное гравирование
- •9.3. Изготовление сусального золота
- •9.4. Листовая штамповка
- •9.5. Ручное резание
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Список литературы
- •Специальные технологии художественной обработки материалов. Часть 2 (Технология изготовления художественных изделий обработкой давлением)
Введение
Настоящий конспект лекций составляет основу учебной дисциплины «Специальные технологии художественной обработки материалов. Часть 2.» (технология художественной обработки металлов давлением) и предназначен для студентов очной формы обучения квалификации бакалавр, обучающихся по направлению 261400 «Технология художественной обработки материалов».
Целью изучения дисциплины является получение студентами знаний в области теории и практики ремесленного и промышленного производства художественных металлических изделий методами пластической деформации.
Задачи изучения дисциплины – освоение студентами основ теории пластической деформации и технологических аспектов обработки металлических материалов давлением с целью получения декоративных художественных изделий.
Подавляющее большинство художественных изделий формируется только двумя способами: либо литьём из жидкого металла, либо деформацией твёрдой заготовки с применением давления. Есть и другие способы, например гальванопластика, металлизация, но их объёмы в изготовлении художественных изделий из металла чрезвычайно малы. В настоящем учебном пособии к процессам изменения формы твёрдой заготовки с применением давления также отнесены такие способы как ручное резание и вырубка.
В отличие от учебно-методической литературы, предназначенной сугубо для художественных учебных заведений, в которой рассматриваются различные приёмы техники изготовления художественных изделий, в данном учебном пособии изложены основы теории пластической деформации металлов с учётом положений, сформировавшихся на конец ХХ – начало ХХI веков .
Художественная деформация металла имеет целый ряд специфических особенностей, отличающая её от деформации в металлургическом и машиностроительном производстве.
Прежде всего, это применение специфических технологических приёмов, таких как выколотка, басма, тауширование, гравирование и др. Практически все художественные произведения изготавливаются вручную. Исключение составляют некоторые виды ширпотреба, например монеты, значки. При изготовлении одного изделия различные процессы деформации идут последовательно один за другим . Процессы отделки изделий (механические, химические, электрохимические, электрофизические и др.) часто являются доминирующими в придании изделию потребительской ценности.
Настоящий учебный материал изложен с учётом необходимой предварительной подготовки студентов в области основ высшей математики, физики, химии, металловедения, механических свойств металлов в соответствии с государственным общеобразовательным стандартом по направлению 2614000 « Технология художественной обработки материалов».
Лекция 1. Из истории обработки металлов давлением
1.1. Ковка металлов в древности
История развития цивилизации неразрывно связана с освоением материалов. В этом плане трудно переоценить роль металла. Американский этнолог Генри Льюис Морган писал о том, что, когда варвар научился получать и применять металл, тогда «девять десятых борьбы за цивилизацию было выиграно». Появление орудий из металла способствовало не только техническому прогрессу (в земледелии, строительстве, ремеслах), но и социальному – образование первых государств совпадает с началом бронзового века.
С металлом первобытный человек познакомился несколько тысячелетий тому назад. Имеются сведения, что примерно за 92 века до н. э. племена, населявшие территорию Анатолии (азиатскую часть современной Турции), употребляли медь, найденную в самородном виде. Золотые изделия появились примерно за 60 веков до н. э., а изделия из метеоритного железа – примерно в XXX веке до н. э.
Первым технологическим процессом обработки металла была его деформация. Первобытный человек с помощью каменных инструментов стал отковывать различные орудия труда, предметы быта, оружие, стараясь придать этим изделиям красивые формы. Таким образом, деформацию металла можно назвать одним из самых древних способов изготовления художественных изделий, применяемых и по сей день.
Как только древний человек расплющил камнем самородок металла, кузнец на долгое время стал единственным специалистом по металлообработке. Потребность в его мастерстве была столь высока, что вскоре эта профессия распространилась повсеместно. Недаром, по утверждению статистики, фамилия Кузнецов – самая распространенная на земле (ср. Smith, Schmidt, Коваленко, Kowac, Kowalsky, Ferrant и другие производные от этих фамилий).
Кузнецы были уважаемыми людьми у всех народов. В средние века вождям африканских государств на юге Сахары и на территории современного Конго необходимо было знать кузнечное дело. У бурят кузнецом мог стать только тот человек, среди предков которого уже были кузнецы. Кузнецы принадлежали к высшему классу общества, их освобождали от уплаты налогов и считали посланцами богов. У монголов дархаты – это кузнецы в звании, соответствующем рыцарскому. История Англии знает примеры, когда в средние века удачливые кузнецы становились лордами.
В старинной французской книге «Зрелище природы и художеств» (1788) написано: «Ни который художник [ремесленник – Авт.] столько в обществе человеческом не нужен, как кузнец». Кузнечным ремеслом увлекался даже французский король Людовик XVI, физически очень сильный человек. Он устроил в Версале собственную кузнечную мастерскую.
Единственным «рабочим» среди богов различных религий был бог- кузнец: Гефест – у греков, Вулкан - у римлян, Сварог – у славян, Ильмаринен – у финнов.
Бог-кузнец Гефест, сын Зевса и Геры, – один из ярчайших персонажей греческой мифологии. Бог огня и художественного ремесла был уважаем на Олимпе не только потому, что создал другим богам дворцы из металла, но и потому, что был художником высочайшего уровня. Гефест не только умел ковать мечи, но и в совершенстве владел техникой выколотки, чеканки, инкрустации (рис. 1.1). Древний мастер был одновременно и автором, и исполнителем своих творений. Можно утверждать, что художественная обработка металла имеет тот же возраст, что и металлообработка.
Рис. 1.1. Кузница Гефеста. Помпеи. Барельеф. И век до н. э.
Гефест сидит и с циклопами выковывает щит Ахилла, слева стоит Афина – богиня мудрости, справа (у горна) – жрица, которая следит за огнем
Первым металлом, который освоил первобытный человек, была медь. Она пришла на смену кости и камню. Хотя медь относится к мягким металлам и не поддается закалке, при холодной ковке она становится достаточно твердой.
Величайшим достижением древней металлургии было получение сплавов на медной основе, давшее название целой эпохе – бронзовый век. Введение олова в медь резко увеличило прочность и твердость металла.
При раскопках в Фивах были найдены рукописи, в которых сообщался секрет изготовления золота из меди. Но он был довольно прост: в медь нужно было всего лишь добавить определенное количество цинка. Речь шла об изготовлении латуни, напоминающей золото цветом и блеском.
О технике обработки металлов, достигнутой в Египте примерно 40 веков назад, можно судить по изображениям, найденным в гробнице фараона Мереруба (рис. 1.2). Чиновник отвешивает металл (золото), и писец записывает его количество. На следующем рисунке шесть человек раздувают плавильный горн трубками. Дальше мастер разливает металл из тигля в форму, а помощник задерживает шлак. Слиток отбивают камнями и доводят до готового изделия.
Примером высокого уровня обработки металлов в Древнем Египте служит золотой саркофаг, обнаруженный в гробнице фараона Тутанхамона, умершего около 1350 г. до н. э. На изготовление саркофага ушло 110,4 кг золота.
Рис. 1.2. Сцена, изображающая обработку металла. Гробница фараона Мереруба. 2315-2190 гг. до н. э.
Первым железом, которое попало в человеческие руки, было метеоритное. Это железо было большой редкостью и стоило очень дорого. Например, у хеттов, живших в I и II тыс. до н. э. на территории Малой Азии, железо стоило в пять раз дороже золота и в 15-20 раз дороже меди, а изделия из железа стоили еще дороже. Метеоритное железо, содержащее никель, кобальт и некоторые другие элементы, хорошо ковалось только в холодном состоянии.
Первые предметы из железа хранили в храмах среди наиболее дорогих сокровищ.
Самое древнее железное изделие, найденное в Египте и отнесенное также к IV тыс. до н. э., – это ожерелье из прокованных полосок метеоритного железа. В древности люди приписывали железу сверхъестественные свойства. Шумеры, например, называли его «небесной медью». Поэтому к мастерам по обработке металлов относились не только почтительно, но и боязливо.
С изобретением сыродутного горна стало возможным получение железа из руд. Основным материалом, необходимым для восстановления железа, был древесный уголь. Для его получения была отработана специальная технология. В лесу выбирали площадку недалеко от воды и защищенную от ветра. На ней устанавливали три кола, которые в дальнейшем формировали дымовую трубу. Вокруг этих кольев укладывали рядами дрова и затем всю «кучу» покрывали дерном (рис. 1.3). Далее дрова поджигали и следили, чтобы горение проходило с незначительным доступом воздуха. По окончании горения и остывания углей «кучу» разбирали. По объему древесного угля получали в два раза меньше, чем было дров, а по массе – в четыре раза.
Кричный горн представлял собой яму, над которой возвышалась куполообразная шахта с воздушными каналами для дутья (рис. 1.4).
Кричное железо получали следующим образом: в рабочее пространство горна слоями загружали древесный уголь и измельченную руду. Горновой управлял дутьем, регулируя поток воздуха, поступающего из кузнечного меха. Из горна через боковые отверстия стекал шлак. Через 4-8 ч рабочие с помощью железных стержней извлекали из горна слипшуюся губчатую массу, содержащую железные зерна вместе со шлаковыми включениями – крицу. Она могла иметь массу до 150 кг. Затем крицу долго обрабатывали молотами, чтобы уплотнить ее и выдавить часть шлака.
Далее крицу разделяли на части, которые протягивали на наковальне, и получали требуемое изделие.
После того как для дутья стали применять мехи с приводом от водяного колеса, температура возросла настолько, что наряду со шлаком стало накапливаться и жидкое железо, насыщенное углеродом. Это был не поддававшийся ковке чугун, который вначале просто выбрасывали. Позднее его стали применять для литья. В Китае литейный чугун был известен на несколько столетий раньше, чем на Ближнем Востоке и в Европе.
Сыродутный процесс прямого восстановления железа из руды просуществовал в Европе до 1850 г., а в Америке – до 1890 г.
Начиная с VIII столетия до н.э. в Европе наступил расцвет железного века, когда железо стало важнейшим и наиболее распространенным металлом, применяемым в хозяйственной и военной деятельности человека.
Кельтские племена, населявшие территорию Европы, достигли совершенства в обработке металла к V-I векам до н. э. Они научились оснащать железные инструменты (топоры, лемехи, мечи, ножи) стальными лезвиями. Чтобы получить особенно хорошую сталь, кельты закапывали в землю железные полосы, откованные из криц. Эти полосы состояли из мягкого и упрочненного железа. Ржавчина разрушала в первую очередь мягкие части заготовок. Последующей обработкой изготавливали однородные твердые изделия. Кельты применяли закалку и отпуск, владели технологией насечки.
Впечатляющие шедевры были созданы металлургами древней Индии. В Дели стоит знаменитая колонна Чадрагупты массой 6,5 т, высотой 7,5 м и диаметром 40 см. Она сооружена в 380-300 гг. до н. э. До сих пор вызывает удивление тот факт, что на ней нет следов ржавчины, хотя эта колонна длительное время находилась в условиях влажного тропического климата, а в последнее время к ним добавились скопления вредных соединений от выбросов огромного города.
Самым удивительным достижением индийских кузнецов, прославившим их на многие века, явилось открытие способа изготовления булатной стали (I век до н. э.).
Булатная сталь – углеродистая литая сталь, которая благодаря особому способу изготовления отличается своеобразной структурой и видом («узором») поверхности, высокой твердостью и упругостью.
Тайну булатной стали первый раскрыл русский металлург П. П. Аносов в середине XIX века. Он доказал, что качество стали неразрывно связано с рисунком и что чем ярче и крупнее узор, т. е. чем больше макро-структурная неоднородность, тем выше качество клинка.
Крупным считался узор, элементы которого достигали размеров нотных знаков, а мелким – узор, который хотя и с трудом, но все-таки можно различить. Особенность булатной стали (в отличие от дамасской) состоит в том, что рисунок ее узора никогда не повторяется (рис. 1.5).
Основой производства булатной стали в Индии, по мнению Аносова, могло быть только непосредственное восстановление руды углеродом в процессе выплавки. Аносов разработал четыре метода производства булатной стали:
первый – непосредственное восстановление железа из руды и соединение железа с углеродом;
второй – переплавка чугуна с окалиной;
третий – отливка стали в форму и продолжительный отжиг без доступа воздуха;
четвертый - сплавление железа непосредственно с графитом.
Металл выплавляли в тиглях без доступа воздуха и в конечном итоге получали литые заготовки (вутцы) в виде лепешек диаметром примерно 13 см и толщиной около 1 см. Масса такой заготовки составляла чуть больше 1 кг.
Термообработка состояла из закалки в сале с последующим отпуском.
Одной из самых ответственных операций была ковка металла. Вот как Аносов описал особенности ковки булатной стали: «Сплавок нагревают при слабом дутье в горне до светло-красного каления, относят под молот и кладут на наковальню широким основанием. Проковку начинают на тихом ходу молота, поворачивают сплавок кругом в одну сторону».
При первоначальной проковке повторяли нагревы от трех до девяти раз. Если сплавок не получил трещины, то его рассекали на три части зубилами. Чем медленнее проковывался булат и чем чище отсекался, тем он был лучше.
Разрубленные части поступали опять в ковку под молот, где их сначала проковывали в правильные бруски, а потом в полосы: чем медленнее стыл металл под молотом, тем выше было его достоинство. Лучшие булаты, несмотря на твердость, проковывались из бруска в полосу с двух нагревов.
Булатная сталь, которую можно рассматривать как композиционный материал, продолжает вызывать интерес и в наше время.
Издревле мастера применяли обработку металлов давлением при изготовлении кованой проволоки, используемой для филигранных изделий. Проволоку ковали мелкими отрезками и в случае необходимости припаивали.
Наиболее древние памятники филигранного искусства, относящиеся к XX веку до н. э., найдены в странах Малой Азии, Египте, на Кавказе. При археологических раскопках на реке Цалке (Кавказ) найдены золотое ожерелье и кубок, украшенные витыми шнурами и зернью.
Одним из способов обработки металлов, посредством которого в древнем мире украшали различные изделия, была насечка. В Древней Греции эту технологию называли хризографией. Сохранились бронзовые изделия, инкрустированные золотом и серебром.