А. С. КОНОНЕНКО
А. В. СЕРОВ
В. М. СОКОЛОВА
Н. В. СЕРОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛИТЬЯ, СВАРКИ

И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Учебное пособие

Москва
ООО «Мегаполис»
2024

УДК 621.791+621.73+621.74
ББК 34.6
Т 38
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Оборудование
и технологии сварочного производства» ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет», Р. А. Латыпов
доктор технических наук, профессор, главный специалист Управления перспективных технологий Центра сельскохозяйственного машиностроения Государственного научного центра Российской Федерации ФГУП «Центральный
ордена Трудового Красного Знамени научно­исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ» (ФГУП «НАМИ»),
А. В. Коломейченко
Кононенко А. С., Серов А. В., Соколова В. М., Серов Н. В.
Т 38
Технологические основы литья, сварки и обработки металлов давлением:
Учебное пособие / А. С. Кононенко, А. В. Серов, В. М. Соколова, Н. В. Серов /
ФГБОУ ВО «МГТУ имени Н. Э. Баумана» (НИУ); ФГБОУ ВО РГАУ−МСХА
имени К. А. Тимирязева. – М. : ООО «Мегаполис», 2024. – 157 с.
ISBN 978-5-6051290-7-3
В учебном пособии рассмотрены: технологическая оснастка (приспособления
и инструменты), материалы и оборудование, используемые в литейном и сварочном
производстве, а также при обработке металлов давлением, обеспечивающие повышение качества и долговечности изделий машиностроения, снижение их себестоимости. Приведен необходимый минимум теоретических сведений и подробные инструкции для самостоятельных и аудиторных занятий.
Учебное пособие позволяет познакомиться с практическими приемами формовки, сварки и ковки, изучить основы технологии литейного, сварочного и кузнечного производства. В процессе работы с учебным пособием при выполнении практических и решении теоретических заданий по литейному и сварочному производствам, а также обработке металлов давлением, у студентов формируется навык работы с учебно-методической литературой.
Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: «Машиностроение», «Наземные транспортнотехнологические средства», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и
комплексов», «Агроинженерия», «Теплоэнергетика и теплотехника», «Электроэнергетика и электротехника». Будет интересно специалистам предприятий общего и
специального машиностроения.
УДК 621.791+621.73+621.74
ББК 34.6
ISBN 978-5-6051290-7-3
© Коллектив авторов, 2024
© ООО «Мегаполис», 2024

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие....................................................................................................
Введение..........................................................................................................
1. Основные сведения о конструкционных материалах......................
1.1. Свойства конструкционных материалов..............................................
1.2. Металлические конструкционные материалы.....................................
1.3. Дефекты кристаллического строения...................................................
1.4. Термическая обработка..........................................................................
1.5. Классификация и маркировка сталей....................................................
1.5.1. Классификация сталей...................................................................
1.5.2. Конструкционные стали................................................................
1.5.3. Инструментальные стали...............................................................
1.6. Классификация и маркировка чугунов.................................................
1.7. Цветные металлы и сплавы....................................................................
1.7.1. Алюминий и его сплавы................................................................
1.7.2. Медь и ее сплавы............................................................................
Вопросы для самопроверки.........................................................................
2. Основы литейного производства..........................................................
2.1. Литейные свойства материалов.............................................................
2.2. Проектирование отливки........................................................................
2.3. Литейная оснастка..................................................................................
2.4. Изготовление моделей............................................................................
2.5. Литниковая система, ее назначение, устройство и расчет..................
2.6. Приспособления и инструменты
для изготовления литейных форм................................................................
2.7. Формовочные и стержневые материалы...............................................
2.8. Формовка.................................................................................................
2.8.1. Изготовление стержней..................................................................
2.8.2. Формовка в парной опоке по неразъемной модели.....................
2.8.3. Формовка в двух опоках по разъемной модели..........................
2.8.4. Формовка в двух опоках с подрезкой...........................................
2.8.5. Механизация и автоматизация процессов формовки........................
2.9. Плавка литейного сплава.......................................................................
2.10. Заливка форм.........................................................................................
2.11. Охлаждение, выбивка, обрубка и очистка литья...............................
2.12. Термическая обработка отливок..........................................................
2.13. Специальные способы литья................................................................
2.14. Дефекты отливок...................................................................................
Вопросы для самопроверки...........................................................................
3. Сварка и резка металлов........................................................................
3.1. Классификация сварочных процессов..................................................

3

5
6
7
7
8
10
15
18
19
23
24
26
32
33
36
39
41
44
45
48
49
51
52
55
58
59
60
63
64
66
66
67
68
68
69
79
84
86
86

3.2. Сварные соединения...............................................................................
3.3. Свариваемость материалов....................................................................
3.4. Электродуговая сварка...........................................................................
3.4.1. Источники сварочного тока...........................................................
3.4.2. Сварочный пост...............................................................................
3.4.3. Электроды для ручной дуговой сварки.........................................
3.4.4. Технология и техника ручной дуговой сварки.............................
3.5. Газовая сварка.........................................................................................
3.5.1. Оборудование для газовой сварки.................................................
3.6. Резка металлов.........................................................................................
3.7. Дефекты сварных швов..........................................................................
Вопросы для самопроверки...........................................................................
4. Обработка металлов давлением............................................................
4.1. Физические основы ОМД ......................................................................
4.1.1. Закономерности пластической деформации................................
4.1.2. Холодная и горячая пластическая деформация..........................
4.2. Влияние различных факторов на пластичность металла....................
4.2.1. Влияние химического состава.......................................................
4.2.2. Влияние температуры на пластичность металла........................
4.3. Устройства для нагрева заготовок.........................................................
4.4. Способы ОМД.........................................................................................
4.5. Ковка........................................................................................................
4.5.1. Деформация при ковке...................................................................
4.5.2. Организация рабочего помещения кузнечной мастерской........
4.5.3. Оборудование, инструменты и приспособления.........................
4.5.4. Операции ковки..............................................................................
4.5.5. Охлаждение поковок.....................................................................
4.5.6. Очистка поковок.............................................................................
4.5.7. Дефекты поковок............................................................................
Вопросы для самопроверки..........................................................................
Библиографический список.......................................................................

4

88
89
91
93
95
99
105
110
112
116
118
120
121
121
122
123
125
125
126
128
129
132
132
132
135
144
150
151
153
153
155

Предисловие
Издание предназначено для студентов высших технических учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: «Машиностроение», «Наземные транспортно-технологические средства», «Эксплуатация транспортно-технологических
машин и комплексов», «Агроинженерия», «Теплоэнергетика и
теплотехника», «Электроэнергетика и электротехника», для
изучения дисциплины «Учебная технологическая практика».
Целью пособия является приобретение обучающимися
теоретических знаний для работы на технологическом оборудовании (с учетом правил техники безопасности) на основе
изучения методов и средств воздействия на материал для придания ему необходимой формы, размеров и свойств; повышение культуры речи обучающихся при использовании впервые
вводимых технических терминов и понятий в объеме изучаемой дисциплины; изучение сущности основных процессов формообразования и формоизменения заготовок, деталей машин и
приборов технологическими методами литья, сварки и обработки металлов давлением.
Учебное пособие включает в себя основные сведения о
конструкционных материалах, их классификации, маркировке,
строении и свойствах. В пособии описаны литейные свойства
материалов и способы литья, а также основные дефекты отливок. Информация о сварке и резке металлов включает классификацию сварочных процессов, сведения о типах сварных соединений, свариваемости материалов, дефектах сварных швов,
а также особенностях технологий ручной дуговой и газовой
сварки. Также в пособии представлена информация об обработке металлов давлением и, в частности, о технологии ковки.
После изучения и практического применения описанных в
учебном пособии технологических процессов литья, сварки и
обработки металлов давлением, у обучающихся будут систематизированы и углублены теоретические знания, сформированы
компетенции, а также получены опыт и навыки практической
деятельности, связанные с будущей профессиональной деятельностью.
5

Введение
значение
при
подготовке
инженеровБольшое
конструкторов и технологов, а также специалистов других профессий имеет «Русская школа практического обучения». Именно практическое применение полученных в процессе обучения
теоретических знаний направлено на их сохранение и развитие
и является базой для изучения многих дисциплин.
Инженер, создавая машины и оборудование в любой отрасли производства, должен обеспечивать их требуемые характеристики в соответствии с техническим заданием. Для этого
необходимо учитывать технологические возможности и особенности изготовления деталей машин тем или иным способом, а также трудности и ограничения, присущие производственным процессам.
Важной особенностью данного учебного пособия является
тот факт, что представленный материал создает необходимый
запас знаний о методах и способах получения заготовок и деталей машин в лабораториях литья, сварки и обработки металлов
давлением, об основных конструкционных материалах, применяемых в машиностроении, что позволит студенту научиться
выбирать как предпочтительные марки материалов, так и рациональные технологические способы получения заготовок, а
также обеспечит формирование у обучающихся компетенций,
необходимых для решения практических задач при конструировании и изготовлении продукции машиностроения. Этому
также способствует последовательное изложение в одном
учебном пособии вопросов материаловедения, термической обработки и технологических процессов, используемых для изготовления и формоизменения заготовок.
Студенты смогут изучить и применить на практике вопросы, присущие производственным процессам, что является
подготовительным этапом для изучения теоретических курсов
и курсового проектирования по технологическим дисциплинам, основными из которых являются: материаловедение, технология конструкционных материалов и технология машиностроения.
6

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
О КОНСТРУКЦИОНННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Конструкционные материалы предназначены для изготовления деталей и конструкций, работающих под нагрузками.
1.1. Свойства конструкционных материалов

Физические: температура плавления Тпл и температура кристаллизации Ткр, электро- и теплопроводность, магнитные свойства, полиморфизм и др.
Химические: сродство к кислороду, склонность к образованию карбидов, нитридов, интерметаллидов и др.
Механические подразделяют на прочностные и пластические свойства.
Прочностные свойства:
• предел прочности при растяжении – нагрузка, которую
может выдержать единица сечения материала при его растяжении
σв (МПа); предел прочности при изгибе σи (МПа); усталостная
прочность σ–1 (МПа); предел прочности при кручении τ (МПа);
• твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого материала: по Бринеллю
(НВ, МПа), по Роквеллу (HRC, HRB, HRA, HRN), по Виккерсу
(HV, МПа).
Пластические свойства:
• относительное удлинение – увеличение начальной длины
образца из данного материала при его растяжении до разрушения
– δ (%);
• относительное сужение – уменьшение площади поперечного сечения образца из данного материала при его растяжении
до разрушения – ψ (%);
• ударная вязкость – работа, необходимая для разрушения
единицы площади поперечного сечения материала: KCU, KCV
или KCT (кДж/м2).
Эксплуатационные свойства: коррозионная стойкость, износостойкость, хладостойкость, жаропрочность.
Технологические свойства: литейные (жидкотекучесть,
склонность к усадке, дегазация), ковкость, свариваемость, закаливаемость и прокаливаемость, обрабатываемость резанием.
7

1.2. Металлические конструкционные материалы

Металлы

В современной технике используются следующие группы
конструкционных материалов:
• металлы и их сплавы;
• полимеры (пластмассы);
• керамика;
• стекла;
• композиционные материалы;
• наноматериалы.
Металлы и их сплавы в наибольшей степени удовлетворяют
потребностям промышленности на современном этапе развития
техники благодаря их прочности, долговечности, технологичности и экономичности. Поэтому они составляют до 80 % объема
используемых материалов.
Металлы – это простые кристаллические вещества, имеющие атомарно-кристаллическое строение и обладающие особыми
металлическими свойствами (пластичность, высокая электро- и
теплопроводность, металлический блеск, непрозрачность и др.).
Классификация металлов по физико-химическим свойствам
представлена на рисунке 1.1.
тугоплавкие

Температура плавления выше, чем у Fe (1539 °С):
W, Ta, Mo, Cr, Pt, Ti и др.

легкоплавкие

Температура плавления ниже 500 °С:
Zn, Pb, Cd, Tl, Bi, Sn, In, Na, Hg и др.

легкие

Плотность не более 2,75 мг/м³:
Al, Cs, Be, Mg, Rb, Na, Li и др.

магнитные

Обладают ферромагнитными свойствами:
Fe, Co, Ni, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm

благородные

Обладают высокой химической стойкостью:
Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru

редкоземельные

Лантаноиды, которые применяют как присадки

Рисунок 1.1 − Классификация металлов
по физико-химическим свойствам

Благородные или драгоценные металлы очень трудно поддаются окислению, при обычных условиях не вступают в химические реакции.
8

Легкие металлы имеют малый удельный вес и, соответственно, высокую удельную прочность.
Легкоплавкие металлы имеют низкие температуры плавления, применяются обычно для литых изделий. Самый легкоплавкий металл – ртуть (Tпл = –39 °C), при комнатной температуре является жидкостью.
Тугоплавкие металлы имеют температуру плавления выше, чем у железа. Самый тугоплавкий металл – вольфрам (Tпл ≈
3422 °C).
Кристаллическими называются тела, в которых элементарные частицы расположены различно, но закономерно, и образуют кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка имеет
ионно-электронное строение, при котором в узлах решетки расположены положительные ионы, а пространство решетки занимают обобществленные электроны (электронный газ). Все основные свойства металлов объясняются наличием в них общих легкоподвижных электронов проводимости.
Основные типы кристаллических решеток и металлы, которые ими обладают, представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 − Основные типы кристаллических решеток
ОЦК
(объемноцентрированная
кубическая решетка)

ГЦК
(гранецентрированная
кубическая решетка )

ГПУ
(гексагональная
плотноупакованная)

Na, Li, Ba, Cs, Rb, Cr, Mo,
W, V, Ta, Nb, Tiβ, Feα

Sn, Cu, Ni, Ag, Au, Pb,
Pt, Al, Feγ

Os, Mg, Coα, Zn, Cd,
Hf, Re, Be, Zr, Tiα

Некоторые металлы обладают полиморфизмом.
Полиморфизм (аллотропия) – свойство материалов при изменении внешних факторов (температура, давление) образовывать
разные типы кристаллических решеток. Около 30 металлов обладают этим свойством, и оно сохраняется в большинстве сплавов на
их основе.
9

Полиморфные модификации металлов обозначают греческими буквами, начиная с низкотемпературной: Meα → Meβ →
Meγ → Med.
1.3. Дефекты кристаллического строения

Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные
дефекты.
Точечными дефектами называют дефекты, которые малы
во всех трех пространственных направлениях, т. е. соизмеримы с
межатомным расстоянием. Это вакансии, межузельные атомы,
атомы (примеси) замещения и внедрения.
Вакансия – это отсутствие атома в узле кристаллической
решетки (рисунок 1.2 а, п. 1).
Дислоцированный или межузельный атом – это собственный атом металла, находящийся между узлов кристаллической
решетки (рисунок 1.2 а, п. 2).
Примесный атом – это атом другого вещества, попавшего в
металл. Примесные атомы могут замещать атомы в узлах кристаллической решетки – атом замещения (рисунок 1.2 а, п. 3) или занимать поры между ними – атом внедрения (рисунок 1.2 а, п. 4).
Линейными называют дефекты, которые малы только в
двух пространственных направлениях, а в третьем имеют протяженность в тысячи и миллионы межатомных расстояний.
Дислокация – незавершенная (недостроенная) атомная полуплоскость – экстраплоскость в металле, имеющая в двух измерениях размеры порядка атомных, а в третьем – больший размер (рисунок 1.2 б). Дислокация может проходить через весь
кристалл.
Винтовая дислокация – это атомная плоскость, закрученная в спираль и ставшая винтовой поверхностью (рисунок 1.2 в).
Поверхностными называют дефекты, которые малы в одном направлении, а в двух других – намного больше межатомного расстояния. Это границы зерен (рисунок 1.2 г) в поликристаллах, границы субзерен и двойников.
Объемные дефекты представляют нарушение сплошности
материала: поры, трещины и микровключения других фаз.

10

а

б

в

г

Рисунок 1.2 − Дефекты кристаллического строения:
а – точечные; б – краевая дислокация; в – винтовая дислокация; г – границы
зерен; 1 – вакансия; 2 – дислоцированный атом; 3 – атом замещения;
4 – атом внедрения

Кристаллизация металлов – переход металла из жидкого
состояния в твердое кристаллическое, происходит в процессе образования и последующего роста центров кристаллизации (рисунок 1.3), в результате чего все реальные металлы имеют зернистое строение.

Рисунок 1.3 − Кристаллизация металлов
11

Зерно – объем металла с определенным направлением роста
кристаллической решетки.
Граница зерна – область искаженной решетки в месте стыка зерен, возникающая из-за случайной ориентации образовавшихся центров кристаллизации.
Монокристаллические материалы и кристаллиты анизотропны.
Анизотропия – различие свойств в зависимости от направления в кристаллической решетке. В поликристаллах это свойство не наблюдается из-за случайной ориентации первичных центров кристаллизации и образования вследствие этого зернистой
структуры.
Чистые металлы пластичны, но не достаточно прочны, более
высокими механическими свойствами обладают сплавы.
Сплавы – соединения металлов с металлами или неметаллами.
Сплавы получают сплавлением – смешиванием компонентов в жидком состоянии, а также спеканием порошков компонентов при высокой температуре и давлении. Металлические
сплавы делят на черные и цветные (рисунок 1.4).
В сплавах железа с углеродом могут присутствовать фазы
(однородные по химическому составу, структуре и свойствам области сплава, отделенные от других границами раздела) и сложные структуры (совокупность нескольких различных фаз).
Стали
Черные
сплавы
Чугуны
Конструкционные
материалы

Латуни
На основе
меди

Цветные
сплавы

Бронзы
На основе
алюминия

Рисунок 1.4 − Основные металлические сплавы,
применяемые в машиностроении

12

Фазы железоуглеродистых сплавов: жидкий раствор (Ж),
феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц) и графит (Г).
Феррит – это ограниченный твердый раствор внедрения углерода в Feα (ОЦК решетка) с предельной растворимостью 0,02 % С.
Феррит непрочен и пластичен: σв = 300 МПа, HB = 800…1000 МПа,
d = 40 %.
Аустенит – это ограниченный твердый раствор внедрения
углерода в Feγ (ГЦК решетка) с предельной растворимостью
2,14 % С. Аустенит пластичнее и прочнее феррита: σв = 600 МПа,
HB = 1600…2000 МПа, d = 60 %.
Цементит (Fe3C) – это химическое соединение углерода с
железом – карбид железа, содержащий 6,67 % C, твердый и хрупкий: σв = 2000 МПа, HB = 8000 МПа, d = 0.
Графит – это чистый углерод, имеющий гексагональную
решетку: хрупкий, непрочный, химически стойкий, хорошо проводит электричество: HB = 20 МПа.
Сложные структуры, которые эти фазы могут образовывать:
перлит (П), ледебурит (Л) и ледебурит перестроенный (ЛП).
Перлит-эвтектоид – механическая смесь пластинчатых
кристаллов феррита и цементита, образуется при температуре
727 °C и концентрации углерода 0,8 %: HB = 2000 МПа, σв = 600
МПа, d = 20 %.
Сорбит и троостит также являются механическими смесями феррита и цементита, но более дисперсными.
Ледебурит-эвтектика – легкоплавкая механическая смесь
аустенита и цементита, имеющая сотовое строение, образующаяся при температуре 1147 °С и концентрации углерода 4,3 %: HB =
5500 МПа, σв = 1000 МПа, d = 1…2 %.
Ледебурит перестроенный (ЛП) – механическая смесь перлита и цементита, имеющая сотовое строение и образующаяся из
ледебурита при эвтектоидном превращении аустенита в перлит
(при 727 °С).
Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в
Feα (тетрагональная решетка). Мартенсит имеет высокую твердость: при содержании углерода 0,8 % она составляет 65НRC
(670НВ) и высокую хрупкость, т. е. относительное удлинение и
ударная вязкость близки к нулю. Он пластически не деформиру13

ется, обрабатывается в основном абразивным инструментом.
Схематически взаимодействие перечисленных фаз и структур
представлено на рисунке 1.5.
Аустенит
(до 2,14% С)
Feγ
(ГЦК)
911°С

Fe

26

Ледебурит
(4,3% С)
Цементит Fe3C
(6,67% С)

C

6

ЛП(4,3% С)

727 °С

Feα
(ОЦК)

Перлит
(0,83% С)
Феррит
(до 0,02% С)

Рисунок 1.5 − Схема фаз и структур железоуглеродистых сплавов

Зависимость структуры сплавов от температуры и химического состава представляют в виде диаграмм состояния.
Диаграмма (состояния) железо-цементит строится в координатах «температура – концентрация углерода» (рисунок 1.6) и
заканчивается ординатой, соответствующей 100 % химического
соединения железа с углеродом – цементита, образующегося при
6,67 % C.

Рисунок 1.6 − Диаграмма состояния железо-цементит:
1 – электротехническое железо; 1–2 – строительные и цементуемые стали;
2 – улучшаемые стали; 2–3 – рессорно-пружинные стали;
3–4 – инструментальные стали; 5 – износостойкие чугуны; 6 – передельные
и литейные чугуны; 7 – применяются редко (для наплавки)
14

По структуре, в соответствии с диаграммой состояния, различают следующие группы сталей:
• техническое (электротехническое) железо с содержанием
углерода менее 0,02 %, структура сплава однофазная – феррит;
• доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02
до 0,8 %, структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает;
• эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8 %, структура стали – перлит (чередующиеся пластинки феррита и цементита);
• заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до
2,14 %, структура состоит из зерен перлита, разделенных хрупкими цементитными прослойками;
• доэвтектические белые чугуны с содержанием углерода
от 2,14 до 4,3 %, структура сплавов состоит из перестроенной эвтектики (ледебурита перестроенного), цементита вторичного и
участков перлита;
• эвтектический белый чугун содержит 4,3 % углерода,
структура сплава – ледебурит перестроенный, имеет сотовое
строение и состоит из цементита и перлита;
• заэвтектические белые чугуны содержат от 4,3 до 6,67 %
углерода, структура состоит из кристаллов цементита первичного
и ледебурита перестроенного.
1.4. Термическая обработка

Для придания сталям (сплавам) требуемых свойств, их выравнивания, создания локальных областей или градиента, а также стабилизации химического состава проводится термическая обработка.
Термической обработкой называется технологический
процесс, включающий операции нагрева, выдержки и охлаждения заготовки (детали) по определенному режиму для получения
определенных свойств за счет изменения структуры.
Различают упрочняющую термическую обработку, при которой повышаются твердость, прочность и износостойкость, и
разупрочняющую обработку, повышающую пластические свойства и вязкость, но снижающую твердость и сопротивление деформации и разрушению.
15

Различные скорости охлаждения металлов и сплавов получают за счет применения разных охлаждающих сред. Наиболее
быстро сталь охлаждается в холодной воде, но при этом велика
вероятность образования трещин. Теплая вода и масло охлаждают сталь медленнее.
В зависимости от химического состава сталей, размеров заготовок и требований, предъявляемых к готовым деталям машин,
применяют приведенные ниже виды термической обработки сталей.
Отжиг – термическая обработка, состоящая в нагреве сталей до определенной температуры, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении, чаще всего вместе с печью (горном). Получаемые структуры: для доэвтектоидной стали – перлит и феррит, для эвтектоидной – перлит, для
заэвтектоидной – перлит и цементит вторичный (рисунок 1.7, п.
1). Отжиг проводится для снятия внутренних напряжений, измельчения зерна, выравнивания химического состава, рекристаллизации и получения равновесной (получаемой при равномерном
медленном охлаждении) структуры.
Нормализация – термическая обработка, состоящая в
нагреве заготовок до температуры образования устойчивого
аустенита – выше линии GSE (рисунок 1.6), выдержке и последующем охлаждении на воздухе. Нормализацию, как правило,
применяют для устранения крупнозернистой структуры, образовавшейся в результате вынужденного или случайного увеличения
времени нахождения заготовок в печи (исправления структуры
перегретой стали), избавления от сетки цементита вторичного,
измельчения зерна, смягчения стали перед обработкой резанием
и получения при этом более чистой поверхности, а также общего
улучшения структуры перед закалкой. В результате нормализации сталь получается несколько более твердой и менее пластичной, чем после отжига. Нормализация по сравнению с отжигом
является более экономичной операцией, поскольку не требует
нахождения деталей в горнах или печах при охлаждении, что повышает коэффициент использования оборудования.
Получаемые структуры: для доэвтектоидной стали – сорбит
и феррит, для эвтектоидной – сорбит, для заэвтектоидной – сорбит и цементит вторичный (рисунок 1.7, п. 2).

16

GS – точка A3
при нагреве:
T↑ – Ac3
при охлаждении:
T↓ – Ar3
PSK – точка A1
при нагреве:
T↑ – Ac1
при охлаждении:
T↓ – Ar1
SE – точка Acm
при нагреве:
T↑ – Accm

Рисунок 1.7 − Основные виды термической обработки
и критические точки сталей:
1 – отжиг; 2 – нормализация; 3 – закалка; 4 – высокотемпературный
отпуск; 5 – среднетемпературный отпуск; 6 – низкотемпературный отпуск;
Мз и Мот – мартенсит закалки и отпуска; Аост – аустенит остаточный;
С, Т и Сот, Тот – сорбит, троостит и сорбит отпуска, троостит отпуска
соответственно; ЦII и ЦIII – цементит вторичный и третичный;
□ – применяемые на практике

Закалка – термическая обработка, состоящая в нагреве углеродистых сталей, содержащих углерода от 0,3 до 0,8 %, до температуры выше линии SG (Ac3) на 30...50 °С (рисунок 1.7 п. 3), а
сталей с содержанием углерода более 0,8 % – до температуры
выше линии SK' (Ac1) на 30...50 °С, выдержке при этих температурах и охлаждении со скоростью выше критической скорости
закалки (скорость при которой аустенит полностью превращается
в мартенсит).
Получаемые структуры: до 0,6 % С – мартенсит закалки;
0,6…0,8 % С – мартенсит закалки и аустенит остаточный; > 0,8 %
С – мартенсит закалки, аустенит остаточный и цементит вторичный. Проводится для повышения твердости и прочности, но при
этом понижается пластичность.
17

Для уменьшения внутренних закалочных напряжений и получения требуемых прочностных свойств детали после закалки
подвергают отпуску.
Отпуск – термическая обработка, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ac1 – PSK (рисунок 1.7, п. 4–
6), выдержке при этой температуре и охлаждении, как правило,
на воздухе.
В процессе отпуска уменьшаются закалочные напряжения,
твердость и прочность, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются. В зависимости от марки стали и от предъявляемых к
детали требований применяют: низкий отпуск – структура мартенсит отпуска, средний отпуск – троостит отпуска и высокий
отпуск – сорбит отпуска. Троостит отпуска и сорбит отпуска –
зернистые структуры.
1.5. Классификация и маркировка сталей
Сталью называется сплав железа и углерода с содержанием
углерода от 0,02 до 2,14 %. Для улучшения технологических
свойств сталей в них могут вводить химические элементы в
определенных сочетаниях. Добавление в сталь химических элементов с целью изменения ее свойств называется легированием.
В обозначениях марок качественных, высококачественных и
особовысококачественных сталей первые цифры указывают среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента для конструкционных и в десятых долях процента – для инструментальных сталей. Если в начале марки легированной стали число не стоит, это означает, что содержание углерода составляет около 1 %.
Содержание легирующих элементов в сталях обозначается
буквами. Цифры, стоящие после букв, указывают примерную
массовую долю легирующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифры означает, что в марке содержится до 1,5 % (около 1 %) этого легирующего элемента.
Буква «А» в начале марки означает, что данная сталь по
назначению относится к автоматным сталям с улучшенной обрабатываемостью резанием, имеющим повышенное содержание
серы, в середине марки – указывает примерное содержание азота
в целых долях процента, в конце марки означает, что данная
сталь по качеству – «высококачественная».
18

Обозначение легирующих элементов в черных сплавах: Б –
ниобий, В – вольфрам, Ви – висмут, Г – марганец, Ги – галлий,
Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Кд – кадмий, М – молибден, Н –
никель, П – фосфор, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – РЗМ (редкоземельные металлы: лантан, празеодим,
церий и пр.), Ю – алюминий.
Буква «Л» в начале марки – «конструкционная лемешная»
(для изготовления лемехов плугов, в настоящее время в соответствии с ГОСТ 12492.0–90, существует только одна марка Л53
(0,47…0,57 % C; 0,5…0,8 % Mn, 0,15…0,35 % Si)) в середине –
бериллий, в конце марки означает, что по назначению данная
сталь «конструкционная литейная».
Буква «Р» в начале марки указывает на то, что сталь по
назначению «инструментальная быстрорежущая», в середине и
конце – бор.
Буква «С» в начале марки – строительная сталь, в середине
и конце – кремний.
Буква «У» в начале марки – углеродистая инструментальная
сталь, за ней следует содержание углерода в десятых долях процента.
Буква «Ш» в начале марки – сталь шарикоподшипниковая
после буквы «Ш» идет Х (ШХ15) и содержание хрома в десятых
долях процента, в середине – магний, в конце через тире «–Ш» –
особовысококачественная, полученная электрошлаковым переплавом.
В зависимости от химического состава различают углеродистые и легированные стали.
1.5.1. Классификация сталей
а) по содержанию углерода стали могут быть:
• низкоуглеродистыми – содержание углерода менее 0,3 %;
• среднеуглеродистыми – содержание углерода составляет
0,3…0,6 %;
• высокоуглеродистыми – содержание углерода превышает 0,6 %.
Закалке подвергаются только средне- и высокоуглеродистые
стали, у низкоуглеродистых сталей прочность и твердость после
закалки не увеличиваются.
19

б) по степени легирования стали подразделяются на:
• низколегированные – объемная доля содержания легирующих элементов до 5 %;
• среднелегированные – в их состав входят от 5 до 10 %
легирующих элементов;
• высоколегированные – содержат свыше 10 % легирующих элементов.
в) по качеству стали в зависимости от содержания вредных
примесей: серы (вызывает красноломкость – снижение прочности при высоких температурах) и фосфора (вызывает хладноломкость – снижение прочности при пониженных температурах),
подразделяют на стали:
• обыкновенного качества – содержат до 0,06 % серы (S) и
до 0,07 % фосфора (P). Обозначаются «Ст» далее следует номер
сплава. Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов;
• качественные – содержат до 0,035 % серы и фосфора каждого в отдельности. Стали качественные по химическому составу
бывают углеродистые или легированные (08кп, 10пс, 20, 45Х);
• высококачественные – содержат до 0,025 % серы и фосфора. Стали повышенной чистоты химического состава получают
в дуговых электропечах. Применяются для изготовления ответственных деталей машин и механизмов, работающих в особых
условиях и средах, а также для изготовления инструмента и
оснастки.
Особовысококачественные – содержат до 0,025 % фосфора и до 0,015 % серы. Получают в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП), что гарантирует повышенную чистоту
по неметаллическим включениям и содержанию газов, улучшение механических свойств. Из них изготавливают особо ответственные узлы и детали машин, авиационной космической отрасли, особо нагруженные механизмы, детали, работающие в экстремальных температурных, химических, физических условиях и
средах.
г) по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице углеродистые стали обыкновенного качества и
качественные делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.
20

Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота
и водорода. Так, в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов:
• кипящие стали – слабо раскисленные, маркируются буквами «кп», раскисляют марганцем;
• спокойные стали – полностью раскисленные, раскисляют
марганцем, кремнием и алюминием, обозначаются буквами «сп»
в конце марки (как правило, буквы опускаются);
• полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими, обозначаются буквами
«пс», раскисляются марганцем, а затем алюминием;
д) по назначению стали бывают конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.
Конструкционные стали предназначены для изготовления
строительных и машиностроительных изделий. Их принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые,
улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и износостойкие.
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего инструмента и штампов.
Стали с особыми физическими свойствами могут обладать, например, определенными магнитными характеристиками
или заданным коэффициентом линейного расширения.
К сталям с особыми химическими свойствами относятся,
нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.
Классификация и примеры марок сталей представлены на
рисунке 1.8.

21

ШХ15-Ш
40ХН-Ш
У8А
50ХФА
45ХГС
35ХН
20
Ст1
Ст6

По качеству

Особовысококачественные
Высококачественные
Качественные

По химическому
составу

По степени
раскисления

Обыкновенного качества

Ст3сп
20
10сп
Ст5пс
08пс
Ст2кп
05кп

Спокойные (сп)
Полуспокойные (пс)
Кипящие (кп)

Высоколегированные(>10 %)

По содержанию
легирующих элементов

Среднелегированные(5...10 %)
Низколегированные (<5 %)
Высокоуглеродистые (0,6…2,14 %)

По содержанию углерода

Среднеуглеродистые (0,3…0,6 %)
Низкоуглеродистые (0,02…0,3 %)
Лемешные

Л53, Л65

Быстрорежущие стали

Р18, Р6М5

Автоматные

По назначению

Стали с особыми
обозначениями

Литейные
Шарикоподшипниковые

Углеродистые
Инструментальные
Легированные

Углеродистые
Конструкционные
Легированные

А40ХЕ
АЦ30ХН
А40Г, АС14
55Л
15ХЛ
ШХ15СГ
ШХ4
ШХ15
У13
У11А
У7
9ХС
Х
5ХФ
65
08 кп
05 пс
18Х12Н10Т
65Г
50ХФА

Рисунок 1.8 − Классификация и обозначение сталей
22

1.5.2. Конструкционные стали

Конструкционные углеродистые стали обыкновенного
качества
Обозначают по ГОСТ 380–2005 буквами «Ст», цифры – номер марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава. Чем
выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем
больше ее номер. Буква «Г» в марке стали – марганец, если его
содержание более 0,80 %. Примеры: Ст0, Ст1кп, Ст2пс, Ст3сп,
Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.
Конструкционные углеродистые качественные стали
В соответствии с ГОСТ 1050–2013 эти стали маркируются
двухзначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 05кп, 10пс, 15пс, 40, 60 и т. д.
Конструкционные легированные стали
Маркируют в соответствии с ГОСТ 4543–2016. Наименования таких сталей состоят из цифр и букв. Первые цифры марки
обозначают среднее содержание углерода в стали в сотых долях
процента. Буквы указывают на основные легирующие элементы,
включенные в сталь, в процентах. Примеры: 12ХН2, 20ХМФА,
30ХГСН2А, 50ХН.
Строительные стали
Основное требование к строительным сталям – их хорошая
свариваемость и высокая прочность.
Строительные стали маркируются по ГОСТ 27772–2015
буквой «С» например: С235, С355-1, С355К, С355П, С590 и т. д.,
где буква «С» означает «сталь строительная», цифры 235…590
условно обозначают предел текучести проката в Н/мм2, цифра 1 –
вариант химического состава, буква «К» – сталь с повышенной
коррозионной стойкостью, «П» – сталь с повышенной огнестойкостью.
К строительным условно можно отнести стали обыкновенного качества (Ст4пс, Ст6), а также качественные низколегированные и низкоуглеродистые стали марок: 09Г2С, 14Г2, 15ГФ,
15ХСНД, 10ХНДП, 10Г2С1, 17ГС, 12Г2СМФ. В перечисленных
сталях низкое содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость, а комплексное легирование – требуемую прочность,
что необходимо для строительных конструкций и трубопроводов.

23

Шарикоподшипниковые стали
Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокие прочность, твердость, износостойкость и контактную выносливость, необходимые при производстве подшипников качения.
К подшипниковым сталям предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1 %) и наличием хрома (ШХ9,
ШХ15).
Согласно ГОСТ 801–78, шарикоподшипниковые стали маркируют буквами «ШХ», после которых указывают содержание хрома
в десятых долях процента. Например: ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ.
Для сталей, подвергнутых электрошлаковому переплаву, в конце их
марки добавляется «–Ш» (ШХ4–Ш).
Автоматные стали
Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием (автоматные) используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.) на станкахавтоматах, станках с числовым программным управлением с большой скоростью. Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы
(до 0,2 %), селена, теллура, а также свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а также уменьшает трение
между резцом и стружкой. Недостаток автоматных сталей – пониженная пластичность. Марки сталей высокой обрабатываемости
резанием начинаются с буквы «А» (автоматная). Для отражения
содержания в сталях остальных элементов используются те же правила, что и для легированных конструкционных сталей. По химическому составу различают:
• сернистые: А11, А20, А40Г;
• свинцовосодержащие: АС14, АС40, АС40ХГНМ;
• кальцийсодержащие: АЦ20, АЦ30ХН;
• селеносодержащие: А35Е, А40ХЕ.
1.5.3. Инструментальные стали
Инструментальные стали предназначены для изготовления
режущего, измерительного инструмента и штампов. К инстру24

ментальным сталям предъявляют следующие требования: высокую твердость, износостойкость и теплостойкость.
Углеродистые инструментальные стали
Данные стали в соответствии с ГОСТ 1435–99 делятся на
качественные (У7…У13) и высококачественные (У7А…У13А).
Обозначаются буквой «У» (углеродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента от
0,7 до 1,3 % соответственно, в сталях с повышенным содержанием марганца после содержания углерода добавляется буква «Г»
(У8Г), а в конце марок высококачественных сталей ставится буква «А» (У8ГА).
Из углеродистых инструментальных сталей изготавливают
молотки, кернеры, отвертки, зубила, кузнечный инструмент, косы, ножницы, ножи рубильных машин, ручной столярный инструмент, рамные пилы, сверла, фрезы малого диаметра, ленточные пилы, развертки, токарные резцы по дереву, ножовочные полотна по металлу, надфили, напильники, граверный инструмент.
Инструментальные легированные стали
В инструментальных легированных сталях процентное содержание углерода указывается в начале марки стали в десятых
долях процента. Если же в инструментальной легированной стали
содержание углерода составляет около 1,0 %, то соответствующую цифру в начале ее марки обычно не указывают. Правила
обозначения легирующих элементов по ГОСТ 5950–2000 те же,
что и для конструкционных легированных сталей.
Легированные инструментальные стали имеют повышенную
(по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями)
теплостойкость – до 300 °С. Наиболее широко используют стали
9ХС (сверла, фрезы, зенкеры), ХВГ (протяжки, развертки), ХВГС
(фрезы, зенкеры, сверла больших диаметров).
Штамповые стали
Штамповые стали (5ХНМ, 5ХНВ, 4Х3ВМФ, 4Х5В2ФС,
3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5В3МФС,
7ХГ2ВМ) применяются для изготовления штампов. Штамп – инструмент для получения идентичных изделий (деталей, заготовок, поковок) методом пластической деформации.
Штамповые стали должны обладать высокой прокаливаемостью (глубиной упрочнения при термической обработке), тепло25

стойкостью, износостойкостью, твердостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью.
Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали применяют для изготовления различного режущего инструмента, работающего на высоких скоростях
резания, так как они обладают высокой теплостойкостью до
650 °С. Обозначают буквой «Р», следующая за ней цифра указывает на процентное содержание вольфрама. В обозначениях марок быстрорежущих сталей процентное содержание хрома не
указывается, его содержание составляет около 4 %, содержание
углерода пропорционально содержанию ванадия и может составлять от 0,7 до 1,55 % C и от 1,0 до 2,5 % V соответственно. Буква
Ф указывается только в том случае, если содержание ванадия составляет более 2,5 %. Наибольшее распространение получили
быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5, Р9Ф5, Р10К5Ф5.
Инструментальные стали

Режущие стали

Углеродистые

Быстрорежущие стали

Легированные

Качественные
У7…У13

9ХФ, 9ХС, 9ХВГ,
ХВГ, XВГС

Высококачественные
У7А…У13А

P18, Р12, Р6М5, Р6М5К5,
Р10К5Ф5, Р9К10

Штамповые
стали
4ХС4, 5ХНМ, 5ХГМ,
6Х6В3МФС, 8Х4В2МФС2

Рисунок 1.9 – Инструментальные стали

1.6. Классификация и маркировка чугунов
Чугун – сплав железа и углерода с содержанием углерода от
2,14 до 6,67 %. Углерод в чугуне содержится в феррите, входит в
состав цементита (Fe3C) или образует графит.
Чугуны, изображенные на диаграмме состояния Fe–Fe3C (см.
рисунок 1.6), называются белыми. В них большая часть углерода
26

находится в связанном состоянии – в виде химического соединения карбида железа Fe3C – цементита.
По степени графитизации чугун подразделяют на белый
(практически не графитизированный), отбеленный или половинчатый (частично графитизированный) и серый (в значительной
степени или полностью графитизированный).
Графитизированные чугуны маркируется буквами СЧ,
ВЧ, КЧ, ЧВГ и числом, которое показывает предел прочности
при растяжении (временное сопротивление) – σв [кгс/мм2] или
[×10 МПа]. В марках ковких чугунов присутствует число, показывающее относительное удлинение δ в процентах.
Например, обозначение чугуна СЧ30 означает, что он относится к серым чугунам с пластинчатым графитом и имеет σв = 30
кгс/мм2 = 300 МПа. Марка ВЧ60 означает, что он относится к высокопрочным чугунам с шаровидным графитом, σв = 60 кгс/мм2 = 600
МПа. ЧВГ45 – чугун с вермикулярным графитом, σв = 45 кгс/мм2 =
450 МПа. КЧ37–12 означает, что эта марка ковкого чугуна с хлопьевидным графитом, σв = 37 кгс/мм2 = 370 МПа и δ = 12 %.
В структуре графитизированных чугунов большая часть углерода находится в виде графита различной формы (таблица 1.2).
Наибольшее применение нашли доэвтектические чугуны, содержащие 2,4…3,8 % С. Чем выше содержание С, тем больше образуется
графита и тем ниже его механические свойства. Классификация и
примеры маркировки чугунов представлены на рисунке 1.10.
Таблица 1.2 – Форма графита в графитизированных чугунах
Серый
(СЧ)

Вермикулярный
(ЧВГ)

Ковкий
(КЧ)

Высокопрочный
(ВЧ)

пластинчатая

червеобразная

хлопьевидная

шаровидная
(глобулярная)

27

Износостойкий

Специальные
легированные чугуны

Коррозионностойкий
Жаропрочный
Жаростойкий

ПВК – высококачественный

Белый (П)

ПФ – фосфористый
ПЛ – для литейного
производства
П – передельный
АВЧ
АКЧ

Антифрикционный (АЧ)

АСЧ

ЧГ7Х4
ЧХ32
ЧХЗТ
СЧЩ2
ЧС15М4
ЧС15
ЧН11ГШ
ЧН19ХЗШ
ЧН15Д7
ЧН15ДЗШ
ЧС5
ПВК3
ПВК2
ПВК1
ПФ3
ПФ2
ПФ1
ПЛ2
ПЛ1
П2
П1
АЧВ-2
АЧВ-1
АЧК-2
АЧК-1
АЧС-6
АЧС-2
АЧС-1

Вермикулярный графит

ЧВГ35
ЧВГ40
ЧВГ45

Высокопрочный (ВЧ)

Шаровидный графит

ВЧ100
ВЧ80
ВЧ60

Ковкий (КЧ)

Хлопьевидная форма
графита

КЧ33-8
КЧ30-6
КЧ35-10

Вермикулярный (ЧВГ)

Серый (СЧ)

Пластинчатая форма графита

СЧ18
СЧ25
СЧ15

Рисунок 1.10 − Маркировка и классификация чугунов
28

Белый чугун
В белых чугунах большая часть углерода находится в химически связанном состоянии – в виде цементита. Излом такого чугуна блестящий и имеет белый цвет. Из-за большого количества
цементита белые чугуны имеют высокую твердость, низкую пластичность и из-за этого практически не обрабатываются режущим инструментом. Высокая твердость белого чугуна (НВ =
4000…5000 МПа) обеспечивает его высокую износостойкость, в
том числе и при воздействии абразивных частиц.
Белый чугун применяют, главным образом, для получения
износостойких покрытий или отливки деталей с последующим
отжигом на ковкий чугун.
Серый чугун
Серый чугун широко используется для изготовления литых
деталей машин.
Серый чугун (СЧ) – это сплав системы Fe–C–Si, содержащий в
качестве примесей марганец, фосфор, серу. Углерод в серых чугунах
преимущественно находится в виде графита пластинчатой формы.
Излом детали, изготовленной из серого чугуна, проходит по
включениям графита и имеет темно-серый цвет.
Согласно ГОСТ 1412–85, серый чугун маркируют буквами
«С» – серый и «Ч» – чугун. Число после буквенного обозначения
показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, СЧ20 – чугун серый, предел прочности при растяжении – 200 МПа.
Серый чугун имеет невысокие механические свойства:
• предел прочности при растяжении σв = 100…350 МПа;
• твердость 140…260 НВ;
• относительное удлинение d = 0,4…0,6 % (высокая хрупкость).
Однако серый чугун отличается хорошими литейными свойствами:
• высокой жидкотекучестью;
• малой усадкой и склонностью к образованию усадочных
раковин и пористости;
• толщина стенок у крупных фасонных отливок может быть
доведена до 3…4 мм.
29

Из серого чугуна изготавливают отливки в песчаноглинистых формах без применения прибылей, в оболочковых формах, в кокилях, по выплавляемым моделям, центробежным литьем.
Высокопрочный чугун (ВЧ)
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом обладает не
только высокой прочностью, но и пластичностью.
Получение шаровидного графита обеспечивается модифицированием расплавленного чугуна добавками магния (Mg) или
церия (Ce), а затем и ферросилиция.
Высокопрочный чугун маркируют буквами «В» – высокопрочный, «Ч» – чугун, а также цифрами. Например, ВЧ38, ВЧ120
(всего девять марок). Цифры показывают предел прочности при
разрыве [×10 МПа]. Например, ВЧ100 – высокопрочный чугун,
предел прочности при растяжении − 1000 МПа.
Высокопрочный чугун отличается высокими механическими
свойствами:
• предел прочности при растяжении σв = 370…1200 МПа
(37…120 кгс/мм2);
• твердость 130…360 НВ;
• относительное удлинение d = 17…2 %.
Это обусловлено тем, что шаровидный графит не создает концентраторов напряжения в металлической основе в отличие от пластинчатого в серых чугунах. Кроме того, наличие графита шаровидной формы обусловливает хорошую обрабатываемость, высокую
циклическую вязкость, хорошую работу в условиях динамических
нагрузок и высокую износостойкость.
Отливки из высокопрочного чугуна изготовляют в песчаноглинистых формах, в оболочковых формах и формах, изготовленных по выплавляемым моделям, и широко применяются для
изготовления деталей автомобилей, тракторов и другой сельскохозяйственной техники (поршневые кольца, коленчатые валы, детали газораспределительного механизма, рычаги, кронштейны и
др.). В тяжелом машиностроении применяются для изготовления
многих деталей прокатных станов, кузнечнопрессового оборудования (для шабот-молотов, траверс-прессов, прокатных валов), в
химической и нефтехимической промышленности – для изготовления корпусов насосов, вентилей и т. д.
30

Ковкий чугун (КЧ)
Ковкий чугун получают из белого чугуна с пониженным содержанием графитизирующих элементов (2,4…2,9 % С и
1,0…1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить
полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что
обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе
отжига. Белый чугун обладает значительно худшими литейными
свойствами, чем серый чугун. Это приводит к повышенным температурам заливки, особенно при получении тонкостенных отливок, и возникновению усадочных раковин, пористости и трещин.
Отливки из белого чугуна, которые получают в металлических формах (кокилях), после обрубки и очистки загружают в
стальные контейнеры, герметично закрывают и помещают в специальные печи на отжиг.
Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна регламентирует ГОСТ 1215–79. Ковкие чугуны маркируют буквами «К» – ковкий, «Ч» – чугун, а также
цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении [×10 МПа], вторая – относительное удлинение при разрыве δ, %. Например, КЧ33–8 означает: ковкий чугун
с пределом прочности при растяжении σв = 330 МПа и относительным удлинением при разрыве δ = 8 %.
Ковкие чугуны обладают хорошими технологическими
свойствами (высокой жидкотекучестью, малой усадкой, хорошей
обрабатываемостью на металлорежущих станках), могут работать
в условиях динамических и знакопеременных нагрузок, имеют
высокие износостойкость и механические свойства: σв =
300…630 МПа (30…63 кгс/мм2), d = 2…12 %, 149…269 НВ.
Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок.
Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ)
Чугун с вермикулярным графитом – это чугун, в котором
большая часть графита имеет вермикулярную (от лат. vermiculus
– червячок) форму (см. таблица 1.1).
От пластинчатого вермикулярный графит отличается округлыми краями, меньшими размерами и меньшим отношением

31

длины лепестка к его толщине (у вермикулярного графита это
отношение находится в пределах 2…10, а у пластинчатого − значительно больше 10). Поэтому у вермикулярного графита концентраторов напряжений меньше, чем у пластинчатого. Его можно рассматривать как переходную форму от пластинчатого к шаровидному графиту.
Вермикулярный графит получают путем обработки расплава
серого чугуна лигатурами, содержащими редкоземельные металлы и силикобарий.
Сохраняя хорошие литейные свойства, чугун с вермикулярным графитом отличается от серого чугуна более высокой прочностью, большей стабильностью качеств, при увеличении толщины отливок повышенной теплопроводностью.
Вермикулярные чугуны маркируют буквами и цифрами:
ЧВГ30, ЧВГ35, ЧВГ40, ЧВГ45 (всего четыре марки). Например,
ЧВГ35: буквы – чугун с вермикулярным графитом, цифры – предел прочности при растяжении σв [×10 МПа].
В авто- и тракторостроении освоена большая номенклатура
литых деталей из вермикулярного чугуна небольшой массы (от 1
до 25 кг): маслопроводы для тракторов, опорные детали головки
цилиндров для тяжелых грузовиков, тормозные рычаги тракторов, корпуса промежуточных зубчатых передач, соединительные
вилки, несущие и тормозные кронштейны, цепные звездочки,
корпуса коробок передач, тормозные колодки, ступицы ротора,
коробки передач рулевого управления и т. п.
1.7. Цветные металлы и сплавы
Именно с цветных металлов началось использование металлов человеком, поскольку они встречались в виде самородков
(медь, золото, серебро, затем олово и свинец).
В цветных сплавах ряд легирующих элементов имеют отличные от сталей обозначения.
Обозначение легирующих элементов в цветных сплавах: А –
алюминий; О – олово; Н – никель; Ж – железо; К – кремний; С –
свинец; Мг – магний; Мц – марганец; Мш – мышьяк; Ц – цинк;
Б – бериллий; Т – титан; Х – хром; Ф – фосфор; Цр – цирконий;
Нб – ниобий; М – медь, Кд – кадмий, Су – сурьма, Ср – серебро,
Ко – кобальт.
32

Цифра за буквой указывает содержание легирующего элемента в процентах, если цифра за буквой не стоит, то содержание
легирующего элемента не превышает 1,5 %.
По способу изготовления заготовок и деталей медные и
алюминиевые сплавы делятся на литейные (детали изготавливают способами литья) и деформируемые (детали получают пластическим деформированием).
1.7.1. Алюминий и его сплавы
Алюминий относится к легким металлам, имеет ГЦК решетку:
γ = 2,7 Мг/м3, Tпл = 660 °C. Достоинствами алюминия являются:
• малая плотность;
• высокая электропроводимость (четвертое место после серебра, меди и золота);
• большая удельная прочность.
По объему производства алюминий и его сплавы занимают
второе место в мире после железа.
Алюминий применяется для:
• получения тонкой фольги (упаковка, обкладки конденсаторов, декоративное применение);
• в электротехнике (линии электропередач, жилы кабелей);
• хранения продуктов питания, агрессивных жидкостей;
• изготовления прожекторов, рефлекторов, мультимедийных экранов;
• изготовления теплообменников в холодильниках и радиаторов систем охлаждения автомобилей.
Алюминий с большинством легирующих элементов образует химические соединения и ограниченные твердые растворы.
Деформируемые сплавы алюминия, не упрочняемые термической обработкой
Это сплавы с магнием и марганцем. Марки обозначаются АМг
и АМц. Применяются для изделий, получаемых глубокой вытяжкой
и сваркой. При сварке этих сплавов применяют электроконтактную
или сварку неплавящимся вольфрамовым электродом в аргоне.
Данные сплавы пластичные и коррозионностойкие. Они
упрочняются за счет наклепа (см. п. 4.1.2) и способны к структурному упрочнению за счет пресс-эффекта – выделения мелких
интерметаллидных частиц при обработке давлением.
Примеры изделий: сварные емкости, трубопроводы бензина
и масла, рамы, кузова, корпуса и мачты судов.
33

Деформируемые сплавы алюминия, упрочняемые термической обработкой
Это, прежде всего, самые распространенные алюминиевые
сплавы – дуралюмины. Обозначаются дуралюмины буквой «Д»
и порядковым номером марки. Кроме того, в эту группу входят
авиали (АВ), высокопрочные алюминиевые сплавы (В) и ковочные алюминиевые сплавы (АК).
Марки дуралюминов: Д1 – нормальный, Д16 – «супердуралюмин», Д18 – заклепочный. Все они содержат медь (около 4 %),
магний и марганец.
Сплав авиаль (АВ) – менее прочный, чем дуралюмин, но
более пластичный (содержит ≤ 0,5 % Cu и Si).
Высокопрочные алюминиевые сплавы (В95, В96) после
термической обработки имеют σв = 600…700 МПа; предел текучести почти равен пределу прочности при растяжении.
Ковочные алюминиевые сплавы (АК6, АК8) широко применяют в промышленности, строительстве, транспортном машиностроении, авиации для изготовления штампованных и кованых деталей сложной формы, для деталей типа рам, фитингов и других.
Литейные алюминиевые сплавы
В качестве литейных алюминиевых сплавов широко применяют силумины.
Силумины – сплавы алюминия с кремнием – имеют
наилучшие литейные свойства. Для измельчения зерна их модифицируют натрием (смесью солей натрия NaCl + NaF).
Маркируют литейные алюминиевые сплавы буквами и цифрами, например, АК7, АК9, АК12 и т. д. Первая буква «А» означает – алюминиевый сплав, последующие – легирующие элементы (К – легирующий элемент кремний), за буквой − количество
легирующего элемента в целых процентах.
Литейные алюминиевые сплавы, в соответствии с ГОСТ
1583–93, могут быть упрочняемые (АК9, АК7, АК8М, АК8л) и
не упрочняемые термической обработкой (АК12). Для разных
видов литья разработаны различные сплавы (например, специально для литья под давлением).
Применяют для сложных тонкостенных отливок деталей автомобильных двигателей (картеры и блоки цилиндров, корпуса
компрессоров).
Классификация и примеры маркировки сплавов на основе
алюминия представлены на рисунке 1.11.
34

Al + Mg + л.э.

АМг3
АМг1
Д12

Al + Mn + л.э.

АММ
АМц

Ковочные

АК4
АД31

Упрочняемые термической обработкой

Деформируемые

Сплавы на основе алюминия

Не упрочняемые термической
обработкой

АМг6

Авиали

АД33
АВ

Высокопрочные
алюминиевые
сплавы

В96
В95
Д18

Дуралюмины

Д16

Неупрочняемые
термической
обработкой

АК7Ц9

Упрочняемые
термической
обработкой

Литейные

Д1

АК8М

АК18
АК12

АК7
АК9

Рисунок 1.11 − Классификация и маркировка сплавов на основе алюминия
35

1.7.2. Медь и ее сплавы
Медь – тяжелый металл (γ = 8,9 Мг/м3) с ГЦК решеткой;
полиморфных превращений не имеет. Температура плавления
1083 °C. Поверхность красная, излом розовый.
Чистая медь применяется чаще всего в электротехнике и
электронике. Медь обладает высокой электропроводностью (второе место после серебра), поэтому используется как проводник
тока, из нее изготавливают шины, жилы кабелей, обмотки электродвигателей, контакты и т. д. Хорошая теплопроводность меди
используется в технике при изготовлении водоохлаждаемых тиглей, кристаллизаторов, поддонов, изложниц, радиаторов. Медь
проявляет коррозионную стойкость в атмосфере, морской, речной и водопроводной воде, а также в других агрессивных средах.
Технологические свойства меди невысоки, она пластична и
легко обрабатывается давлением, но плохо поддается обработке резанием, литейные свойства низкие из-за большой усадки, плохо сваривается, но зато хорошо паяется. Прочность меди низкая, от
160 МПа в литом состоянии до 240 МПа после горячей деформации,
но проволока при волочении может наклепываться до 450 МПа.
Для изготовления деталей машин широко используют сплавы на основе меди – бронзы и латуни. Они и прочнее, и пластичнее чистой меди. Прочность медных сплавов соответствует прочности низкоуглеродистых сталей в отожженном состоянии (до
600 МПа).
Латуни
Латуни – сплавы на основе меди, где цинк – основной легирующий элемент. Если латунь состоит только из меди и цинка,
такая латунь называется простой, если есть другие легирующие
элементы – специальной.
Латуни имеют удовлетворительную жидкотекучесть, сравнительно высокую линейную усадку (1,6…2,2 %), склонны к образованию усадочных раковин и пористости, так как затвердевают в достаточно широком интервале кристаллизации (30…70 °С).
Литейные латуни маркируют буквами и цифрами, например: ЛЦ40Мц3, ЛЦ23А6Ж3Мц2, ЛЦ23С2, ЛЦ40С, ЛЦ16К4, и др.
Буква «Л» определяет принадлежность данного сплава к латуням,
остальные буквы обозначают элементы, входящие в состав латуни (цинк, марганец, алюминий, железо и др.). Цифры, стоящие
36

после букв, указывают на процентное содержание соответствующих элементов.
Маркировка деформируемых латуней показывает содержание меди в процентах. Если латунь специальная, далее следуют обозначение легирующих элементов, а их процентное содержание, начиная с меди, приводится в конце марки, в качестве
разделяющего знака используется тире: Л96 (96 % Cu), Л80,
ЛАН59-3-2 (59 % Cu, 3 % Al, 2 % Ni, остальное − цинк), Л96,
ЛС59-1, ЛАМш77-2-0,05; ЛМцА57-3-1 и т. д.
Применяют латуни с содержанием цинка до 45 %.
Однофазные (α) латуни (до 39 % Zn) пластичны; изделия
из них получают холодным деформированием. Это всевозможные детали, получаемые листовой штамповкой, а также проволока, ленты, радиаторные трубки, гильзы патронов, электротехнические детали.
Двухфазные (α+β) латуни (39…46 % Zn) прочнее и тверже,
но менее пластичны; изделия получают литьем или горячей пластической деформацией. Это различные литые и штампованные
заготовки, которые затем обрабатываются резанием (паровая и
водяная арматура).
Латунь с содержанием цинка до 10 % называются томпак,
до 20 % – полутомпак. Это пластичные сплавы красивого золотистого цвета, используются для художественных и ювелирных
изделий.
Добавки никеля и железа повышают прочность латуни до
550 МПа.
Латунь сохраняет пластичность и вязкость при отрицательных температурах.
Бронзы
Бронза – сплав на основе меди с другими легирующими
элементами, может содержать цинк, но его должно быть меньше,
чем других легирующих элементов.
По химическому составу бронзы делят на оловянные, алюминиевые, кремнистые, свинцовые и бериллиевые.
Оловянные бронзы отличаются хорошей жидкотекучестью,
сравнительно высокой литейной усадкой (1,4…1,6 %), склонны к
образованию усадочных раковин и пористости, так как затвердевают в широком интервале кристаллизации (150…200 °С).
37

Литейные бронзы маркируют буквами и цифрами, например: БрО10Ф1, БрО5С25, БрО5Ц5С5, БрС30, БрА9Ж4Н4Мц1,
БрА9ЖЗЛ и т. п.
Первые две буквы указывают на принадлежность сплава к
бронзам, последующие буквы обозначают легирующие элементы,
(олово, цинк, свинец, алюминий, железо), цифры после букв указывают процентное содержание данного элемента в сплаве. В
конце марки может стоять буква «Л», указывающая, что бронза
используется в качестве литейной.
В марках деформируемых бронз после букв «Бр» даются
обозначения всех легирующих элементов, а их процентное содержание приводится в конце марки, в качестве разделяющего знака
используется тире: БрОФ7-0,2, БрОЦС4-4-4, БрА5, БрАЖ9-4,
БрАЖНМц9-4-4-1, БрБ2, БрКН1-3 и т. д.
Классификация и примеры маркировки сплавов на основе
меди представлены на рисунке 1.12.

Сплавы на основе меди

Рисунок 1.12 – Классификация и маркировка сплавов
на основе меди
38

ЛАМш77-2-0,05

ЛС59-1

Деформируемые

ЛЦ16К4

ЛЦ40С

ЛЦ23С2

Литейные

БрА5

БрОЦС4-4-4

БрОФ7-0,2

Деформируемые

БрО5Ц5С5

БрО5С25

БрО10Ф1

Литейные

Латуни (Cu + Zn + л.э.)

Л96

Бронзы (Cu + л.э.)

Вопросы для самопроверки
1. По каким признакам классифицируют металлы?
2. Что из себя представляет атомно-кристаллическое строение металлов?
3. Перечислите дефекты кристаллического строения металлов.
4. Что такое анизотропия и аллотропия металлов?
5. Перечислите основные группы и свойства металлов.
6. Назовите основные технологические свойства металлов.
7. Дайте определение основных фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов.
8. По каким признакам классифицируются стали?
9. Углеродистые стали обыкновенного качества. Классификация, маркировка, область применения.
10. Охарактеризуйте углеродистые качественные стали.
Опишите их классификацию, маркировку, применение для деталей машин.
11. Охарактеризуйте легированные стали. Опишите их
классификацию, получение, маркировку, область применения для
деталей машин.
12. Охарактеризуйте инструментальные стали. Как они
маркируются и где применяются?
13. По каким признакам классифицируют чугуны?
14. Как маркируются и где применяются чугуны?
15. Назовите основные сплавы на основе меди и укажите,
по каким признакам они классифицируются.
16. Как маркируются и где применяются бронзы?
17. Как маркируют и где применяются латуни?
18. По каким признакам классифицируются сплавы на основе алюминия?
19. Как маркируют и для чего используют деформируемые
сплавы на основе алюминия, не упрочняемые термической обработкой?
20. Как маркируются и где применяются деформируемые
сплавы алюминия, упрочняемые термической обработкой?
21. Какое название имеют и для каких изделий применяются литейные алюминиевые сплавы?

39

22. Что называется термической обработкой? Опишите ее
назначение и применение.
23. Дайте характеристику основным видам термической обработки сталей: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
24. Расшифруйте марки сплавов: Ст3, 05кп, 08пс, 20, 35Л,
60С2, 12Х18Н9, 35Х18Н9ТЮА, С235, А40Г, ШХ15-Ш, У12А,
ХВГ, Р9Ф5, СЧ20, КЧ37-12, ВЧ100, ЧВГ45, Д16, В95, АК6,
АК12, АМг3, ЛС59-1, ЛЦ23С2, БрОЦС4-4-4, БрО10Ф1.

40

2. ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСВА

Литейное производство – это процесс получения изделий,
заключающийся в изготовлении деталей или заготовок путем заливки жидкого (расплавленного) металла в форму, полость которой повторяет конфигурацию детали (заготовки). После затвердевания металла в форме получается отливка – литая деталь или
заготовка, подвергаемая в дальнейшем механической обработке.
Литьем можно получать детали простой и сложной конфигурации, массой от нескольких грамм до сотен тонн, а также отливки из материалов с низкой пластичностью и твердых сплавов, обработка давлением которых затруднена. Литьем изготавливаются
многие ответственные детали машин: блоки цилиндров и головки
блоков, поршни, задние мосты, корпуса коробок передач, станины
станков, роторы и лопатки газовых турбин и др. Во многих случаях деталь можно изготовить только литьем, в особенности это касается деталей сложной конфигурации, изготовление которых обработкой давлением или сваркой трудно или невозможно.
Удельный вес литых деталей в металлорежущих станках составляет около 80 %, в текстильных машинах – 72 %, в прокатных
станах – 68 %, в паровых турбинах – 65 %, в тракторах – 58 %, в
электровозах – 26 % и т. д. В среднем литые детали составляют
примерно половину массы всех машин и механизмов. Коэффициент
использования металла достигает 75…95 %. Стоимость литой детали, как правило, ниже стоимости аналогичной детали, изготовленной другим способом.
Большая часть отливок (до 80 %) получается литьем в песчано-глинистые формы и разовые формы из холоднотвердеющих
смесей.
Основные преимущества песчано-глинистых форм – их
универсальность при недлительном цикле изготовления отливок,
малая себестоимость, возможность механизации и автоматизации
изготовления форм для литья деталей малой и средней массы.
Способ литья в песчано-глинистые формы имеет и ряд недостатков:
• трудоемкость получения отливок;
• недостаточная точность и чистота поверхности отливок;
• повышенный уровень дефектности отливок.
41

Однако, несмотря на отмеченные недостатки, этот способ
имеет широкое распространение в литейных цехах.
Схему технологического процесса изготовления отливки
можно представить в следующем виде (рисунок 2.1):
1. Проектирование отливки (по чертежу детали).
2. Разработка чертежа модели по чертежу отливки.
3. Изготовление модельного комплекта (модель, литниковая
система и стержневой ящик).
4. Изготовление литейной формы.
5. Заливка литейной формы.
6. Выбивка отливки из формы, очистка отливки от остатков
формовочной и стержневой смеси, обрубка элементов литниковой системы.
7. Контроль качества отливки.
8. Механическая и термическая обработка.

Рисунок 2.1 − Схема процесса изготовления отливки

Таким образом, чтобы получить отливку, необходимо:
• иметь опоку;

42

• инструменты;
• изготовить модель по чертежу (рисунок 2.2 a);
• приготовить формовочную и стержневую смеси; из них
изготовить литейную форму (рисунок 2.2 б) и стержни (рисунок
2.2 в);
• установить стержни и собрать форму; залить ее расплавленным металлом (рисунок 2.2 г);
• после остывания металла форму выбить из опоки; удалить
литниковую систему и стержни (рисунок 2.2 д);
• полученную отливку очистить от пригоревшей к ее поверхности формовочной и стержневой смеси (рисунок 2.2 е);
• провести термическую и механическую обработку (если
необходимо).

Рисунок 2.2 − Схема процесса литья в песчано-глинистые формы:
а, б, в, г, д, е – этапы получения отливки

43

2.1. Литейные свойства материалов
В промышленности в качестве литейных сплавов широко
используют чугуны, стали, бронзы, латуни, алюминиевые, цинковые, магниевые и другие сплавы.
При выборе материала для детали необходимо учитывать
условия работы будущего изделия, а также механические и физические свойства сплава, которые должны быть стабильными в течение всего срока эксплуатации. Сплавы должны обладать высокими технологическими свойствами.
Литейные свойства сплавов – это технологические характеристики, определяющие возможность получения качественных
отливок с заданными механическими свойствами:
Жидкотекучесть – способность сплава в жидком состоянии
заполнять полость литейной формы, воспроизводя полностью и
точно ее очертания.
Усадка – это уменьшение линейных и объемных размеров
отливки при ее затвердевании и охлаждении. Различают линейную и объемную усадку.
Линейной усадкой называют разность линейных размеров
полости литейной формы, заполненной жидким металлом, и отливки после охлаждения, отнесенную к линейному размеру литейной формы.
Объемной усадкой называют разность между объемом полости формы и объемом отливки после ее полного охлаждения в
процентах. При получении отливок уменьшение их линейных
размеров происходит при затрудненной усадке, которая вызвана
выступающими частями формы и стержнями, поэтому в ряде
случаев действительная усадка меньше свободной. Такая усадка
носит название литейной и выражается в процентах. Значение
литейной усадки всегда меньше свободной. При этом разница
тем больше, чем сложнее и крупнее отливка. В таблице 2.1 приведены значения усадки сплавов.
Ликвация – это неоднородность химического состава в
различных частях отливки или слитка.
Трещиностойкость – способность сплава сопротивляться
образованию трещин. Образование внутренних напряжений, которые могут привести к образованию трещин в отливках, имеет
различные причины.
44

Таблица 2.1 − Линейная усадка некоторых сплавов
Группа сплава
Стали
• низкоуглеродистые и низколегированные
• хромоникелевые
• высокомарганцевые
Чугуны
• серые
• белые
• высокопрочные
Цветные сплавы
• оловянные бронзы
• безоловянные бронзы
• кремнистые бронзы
• марганцевая латунь
• алюминиево-магниевые
• алюминиево-кремниевые
• алюминиево-медные
• магниевые

Усадка, %
Линейная
Литейная
2,0…2,4
2,5…2,8
2,8…3,0

1,8…2,0
2,2…2,4
2,2…2,5

0,9…1,3
1,6…2,3
0,7…1,2

0,8…1,0
1,5…1,8
0,6…1,0

1,4…1,6
1,7…2,3
1,6…1,8
2,0…2,3
1,3…1,5
0,9…1,2
1,3…1,5
1,35…1,9

1,2…1,4
1,4…2,0
1,5…1,7
1,8…2,0
1,0…1,2
0,8…1,0
1,2…1,3
1,0…1,6

Различают следующие виды литейных напряжений:
• термические σт – проявляются в процессе охлаждения с
неодинаковой скоростью различных частей отливки;
• фазовые σф – обусловлены фазовыми превращениями,
происходящими в разное время в различных сечениях отливки;
• усадочные σу – возникают в отливке в результате механического торможения усадки малоподатливой формой или стержнем.
Если напряжения превысят предел прочности литейного
сплава в данном участке отливки, то в ее теле произойдет разрушение и появится трещина. Условие появления трещин:
σ ò + σô + σ ó ≥ σâ .

Склонность к поглощению газов – способность сплавов
поглощать газы, приводящая к образованию газовых раковин и
пористости в отливках.
2.2. Проектирование отливки
В соответствии с ГОСТ Р 53464–2009 «Отливки из металлов
и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механиче45

скую обработку» под нормами точности отливок понимают
классы размерной точности, степень коробления, степень точности поверхностей, классы точности масс, а также ряды припусков
на обработку для различных технологических процессов и условий изготовления и обработки отливок. Данный стандарт также
дает соотношение между классом точности отливок и шероховатостью поверхности. Технолог, зная возможности конкретного
производства, определяет точностные показатели (класс точности
размеров, класс точности массы и шероховатость и т. д.).
Конструирование детали производится с учетом выбранного
сплава, его свойств, технологии изготовления, серийности производства и наличия оборудования для последующей механической
обработки.
Исходным документом для разработки чертежа отливки является чертеж детали. Отливка отличается от детали увеличенными размерами вследствие наличия припусков на механическую
обработку, формовочных уклонов, галтелей и напусков.
Конфигурация отливки должна обеспечивать простоту изготовления модельного комплекта, литейной формы, процессов заливки металла и очистки литья. Технологичными конструкциями
считаются такие, которые позволяют при помощи недорогой
оснастки быстро и дешево изготовить качественные отливки.
При конструировании отливки, прежде всего, необходимо
выбрать метод ее изготовления (литье в песчаные формы, под
давлением, в кокиль и т. д.) Правильный выбор метода может
дать большой экономический и технологический эффект.
Минимальная толщина стенок отливки зависит от материала, свойств применяемого сплава, температуры перегрева, состояния поверхности формы и ее пространственного положения.
Так, для мелких отливок из серого чугуна она составляет 3…4
мм, из стали – 8 мм, из оловянной бронзы – 3…5 мм, из алюминиевых сплавов – 3…5 мм.
Формовочные уклоны служат для удобства извлечения
модели из формы. Уклоны выполняют в направлении извлечения
модели из формы (рисунок 2.5), при их отсутствии может произойти разрушение формы вследствие осыпания формовочной
смеси. Рекомендуемые формовочные уклоны, в зависимости от
высоты отливки, представлены в таблице 2.2.
46

Таблица 2.2 – Формовочные уклоны на отливках
Высота отливки
от плоскости разъема,
мм
До 20
21…50
51…100
101…200

Величина
уклона
град.
мм
3°
1
1° 30’ 1,3
1° 1,5
0° 45’
2

Высота отливки
от плоскости
разъема, мм
201…300
301…800
801…2000
св. 2000

Величина
уклона
град.
мм
0° 30’ 2,5
0° 30’ 4,5
0° 20’
9
0° 15’
11

Литейные радиусы и радиусы сопряжений. В местах перехода от одной поверхности к другой следует избегать прямых
углов. Место перехода необходимо выполнять по радиусу – галтели (скругление угла изделия). При слишком малых радиусах
затрудняется формовка и заполнение металлом формы, при
слишком больших – возможно образование усадочных раковин.
Требования по литейному радиусу указываются на чертеже
отливки надписью типа: «Неуказанные литейные радиусы R 3 мм».
Для уменьшения внутренних напряжений и коробления деталей со стенками, толщина которых различна, необходимо при конструировании предусматривать постепенный переход от одной толщины к другой. Если различие в толщинах стенок находится в соотношении до 1:2, то переход можно выполнить в виде галтелей. При
малой толщине стенок не следует делать отливки большой длины,
поскольку это может затруднить заполняемость формы при заливке.
Наличие в отливках карманов и больших горизонтальных поверхностей может привести к образованию скопления газовых пузырей,
шлака и других неметаллических включений.
Напуск служит для упрощения изготовления отливки.
Например, отверстия небольшого диаметра нецелесообразно получать в отливке, их проще просверлить при последующей механической обработке.
Припуск на механическую обработку – слой металла на отливке, подлежащий удалению путем механической обработки для
получения чистоты поверхности и размеров, заданных чертежом.
Припуск на механическую обработку назначают на те поверхности, где стоит знак механической обработки (
). Величину припуска с для литья в песчано-глинистые формы назначают по ГОСТ Р 53464–2009.
47

2.3. Литейная оснастка
Для изготовления отливок применяют различные приспособления, которые называются литейной оснасткой. Часть
оснастки, включающую все приспособления, необходимые для
получения в форме отпечатка модели отливки, называют модельным комплектом.
Модельный комплект состоит из моделей отливки и элементов литниковой системы, стержневых ящиков, модельных
плит для установки и крепления моделей отливки, опок, сушильных плит, приспособлений для доводки и контроля форм и
стержней (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 − Деталь чугунная втулка (а), литейная модель (б), стержневой ящик (в), литейная форма (г), отливка (д) и модельная плита (е):
1 – половины стержневого ящика; 2 – стержень; 3 – нижняя опока;
4 – верхняя опока; 5 – выпоры; 6 – литниковая чаша; 7 – стояк;
8 – шлакоуловитель; 9 – питатель; 10 – формовочная смесь; 11 – модель;
12 – штырь; 13 – плита; 14, 15 – верхняя и нижняя полумодели;
16 – модель стояка; 17 – знаки

При формовке кроме модельного комплекта также используют опоки и различные приспособления: наполнительные рамки, плиты, штыри, скобы, шаблоны и т. д. Поэтому наряду с понятием «модельный комплект» существует понятие «формовочный комплект» – полный комплект оснастки, необходимый для
получения разовой формы.

48

Литейная модель (рисунок 2.3 б) – приспособление, при
помощи которого в литейной форме получают полость, соответствующую по размерам и форме конфигурации отливки. Модель
копирует отливку, отличаясь от нее размерами. Наружные размеры увеличиваются, а внутренние уменьшаются на величину литейной усадки сплава (см. таблицу 2.1). С торцов модели располагаются знаки 17, аналогичные знакам на стержне, предназначенные для получения гнезд, в которые устанавливаются стержни
при сборке форм.
Модели бывают разъемными, неразъемными, с отъемными
частями и др. Плоскость разъема формы и модели определяется
конструкцией отливки.
Стержневой ящик (рисунок 2.3 в) – приспособление, служащее для изготовления стержней, необходимых для получения
отверстий, полостей и других внутренних поверхностей отливки.
Стержневые ящики могут быть металлическими или деревянными, разъемными, неразъемными, вытрясными с отъемными частями и др.
При машинной формовке модели крепят на специальных модельных плитах, изготовленных из чугуна или стали (см. рисунок
2.3 е), имеющих гладкую поверхность, на которую устанавливаются модели, прикрепляемые к плите винтами. По бокам плиты установлены центрирующие штыри, фиксирующие опоки на плите.
2.4. Изготовление моделей
Изготовление модели начинают с разработки эскиза отливки. Для этого на чертеж детали наносят:
1. Плоскость разъема модели и формы. Положение плоскости разъема модели и формы указывают на чертеже: рядом с проекцией детали проводят сплошную толстую линию с буквенным
обозначением МФ (разъем модели, формы). Положение отливки
в форме показывают стрелками и обозначают буквами В (верх) и
Н (низ) (рисунок 2.4).
2. Припуски на механическую обработку.
3. Отверстия, впадины, выемки, не выполняемые при литье,
зачеркивают сплошными тонкими линиями, которые допускается
выполнять красным карандашом.

49

50

а − чертеж детали; б − литейный чертеж (отливки) с литейными уклонами, радиусами, напусками и припусками;
в − эскиз модели (с учетом линейной усадки металла); г − разборная деревянная модель;
1 – знаковая часть; 2 – центрирующие штифты в верхней и отверстия в нижней; 3 – полумодели

Рисунок 2.4 − Последовательность разработки модели:

4. Контуры стержня со стержневыми знаками изображаются
сплошной тонкой линией, которую допускается выполнять синим
цветом. Стержни в разрезе штрихуются только у контура (рисунок 2.4 б). Размеры знаков стержней и зазоры между знаками
стержней и модели принимаются по ГОСТ 3212–92.
5. Формовочные уклоны на вертикальных стенках выбираются в зависимости от высоты отливки относительно плоскости
разъема и изображают тонкими линиями.
Помимо этих обозначений указывается процент усадки
сплава, из которого изготавливают отливку, наносятся литниковая система, прибыли, выпоры. По эскизам отливок выполняются
эскизы моделей. Далее по разработанным эскизам (чертежам) изготавливают модель отливки.
Деревянные модели изготавливают из сосны, ели, лиственницы, сложные стержневые ящики – из липы, для облицовки моделей
используют бук, клен.
2.5. Литниковая система, ее назначение, устройство и расчет
Литниковая система – система каналов и элементов литейной формы, обеспечивающих подвод расплавленного металла в
полость формы, ее качественное заполнение и питание отливки
при затвердевании. Основными элементами литниковой системы
являются (рисунок 2.5): литниковая чаша 1, стояк 2, шлакоуловитель 3, питатели 4, выпоры 5.

Рисунок 2.5 − Элементы литниковой системы:
1 – литниковая чаша; 2 – стояк; 3 – шлакоуловитель;
4 – питатели; 5 – выпоры; 6 – отливка

51

Литниковая чаша – элемент литниковой системы для приема расплавленного металла из ковша и подачи его в форму.
Стояк – элемент литниковой системы в виде вертикального
или наклонного канала, служащий для подачи расплавленного
металла из литниковой чаши к другим элементам системы или
непосредственно в рабочую полость формы.
Шлакоуловитель – элемент литниковой системы для задерживания шлака, кусочков формовочной смеси и для подвода расплавленного металла из стояка к питателям.
Питатель – элемент литниковой системы для подвода расплавленного металла в полость литейной формы.
Выпор – элемент литниковой системы для вывода газов из
формы при заливке, контроля заполнения формы расплавленным
металлом, питания отливки в момент ее затвердевания, смягчения
удара струи металла в верхнюю стенку полости формы в конце ее
заливки, для выпуска избытка металла из верхней части полости
формы.
2.6. Приспособления и инструменты
для изготовления литейных форм
Для удобства изготовления, разборки при удалении модели,
сборки, переноски форм и для преодоления усилий, возникающих в форме при заливке, литейную форму изготавливают в специальных ящиках, называемых опоками.
Опока (рисунок 2.6) – ящик без дна и крышки, предназначенный для удержания формовочной смеси. Литейную форму
обычно собирают из двух опок (верхней и нижней), которые соединяются (центрируются) штырями, закрепленными в ушках,
расположенных на их боковых стенках.
Формовочный инструмент можно разделить на две группы. К
первой группе относятся инструменты, необходимые для
набивки формы и удаления из нее модели (рисунок 2.7): лопаты,
сита, ручные и пневматические трамбовки, линейки, вентиляционные иглы, деревянные молотки (киянки), бруски, пульверизаторы, кисти, подъемы для извлечения модели, мешочки для припыла, щетки для обметания модели.

52

Рисунок 2.6 − Опоки:
1 – верхняя; 2 – нижняя

Рисунок 2.7 − Формовочный инструмент для набивки формы:
а – лопаты и совки; б – сито; в – набойки; г – набойки-трамбовки;
д – пневматические трамбовки; е – киянки формовочные;
ж, з – деревянные молотки для набивки кусков; и – бруски; к – линейки;
л – вентиляционные иглы; м – кисти; н – мешочки для припыла

Ко второй группе относятся инструменты, применяемые
для отделки формы (рисунок 2.8): гладилки, подрезные и отде53

лочные ланцеты, крючки для извлечения кусочков смеси из глубоких частей формы, цилиндрические, плоские и угловые оправки, двойные и одинарные иголки для снятия частей (кусков) формы с модели, кисти из перьев птиц для обметания лицевой стороны формы, кисти-примочки и т. д.

Рисунок 2.8 − Формовочные инструменты для отделки формы:
а – гладилки; б – ланцеты; в – подъемы; г – примочки; д – мешочки
с припылом; е – проводки; ж – иглы; з – съемники; и – крючки; к – кисти

Формовочное сито представляет собой деревянную рамку,
обтянутую сеткой, из стальной, а лучше из латунной проволоки с
ячейками величиной от 1 до 1,5 мм. Обычно сита для формовки
художественных отливок имеют диаметр 300…400 мм, высоту −
100…150 мм.
Трамбовки. Формовочная смесь уплотняется трамбовками
различных размеров и форм.
Линейки деревянные или металлические используют для
срезания лишней смеси с опоки.
Вентиляционные иглы используются для увеличения газопроницаемости формы. Формовщик перед разборкой накалывает ими в форме каналы для выхода газов.
Кисти используются перед извлечением модели для смачивания водой стенок формы вокруг модели, чтобы придать им
большую прочность.
54

Подъемы – стальные заостренные стержни или стержни,
имеющие на конце резьбу, при помощи которых из формы извлекаются модели.
Мешочки для припыла применяют для припыливания поверхности модели перед формовкой и готовой формы перед
сборкой.
Щетки применяются для обметания поверхности модели и
ее чистки.
Гладилки. При извлечении модели из формы возможны небольшие повреждения последней, обрыв стенки, шероховатость
поверхности и т. д. Формовщик исправляет такие повреждения в
форме с помощью инструментов, называемых гладилками.
Отделочные ланцеты применяют для исправления повреждения в труднодоступных местах форм.
Кроме перечисленных инструментов, формовщик пользуется
пульверизатором для опрыскивания поверхности модели, формы
и стержня, переносными электролампами для просмотра глубоких
частей формы, слесарным инструментом, необходимым для резки
и гибки прутков, применяемых для приготовления каркасов
стержней и крепления частей формы.
2.7. Формовочные и стержневые материалы
Основные исходные формовочные материалы – песок и
глина, а вспомогательные – специальные связующие вещества,
опилки, торф, мазут, угольная пыль, олифа и другие добавки.
Формовочные пески – основной материал для приготовления формовочных и стержневых смесей, состоят из зерен кварца
(SiO2) и глинистой составляющей. Глинистой составляющей
называют ту часть песка, расчетный диаметр зерен которой менее
22 мкм. Качество и состав формовочных песков должны соответствовать требованиям ГОСТ 2138–91.
Формовочные пески в зависимости от массовой доли глинистой составляющей (частиц глинистых материалов и обломков
зерен кварца и других минералов размером менее 0,02 мм) подразделяют на кварцевые (К) – до 2,0 % глинистой составляющей,
тощие (Т) – от 2,0 до 12,0 % глинистой составляющей и жирные
(Ж) – от 12,0 до 50,0 % глинистой составляющей. В маркировке
кварцевых формовочных песков также указывается массовая до55

ля диоксида кремния, коэффициент однородности и средний размер зерна.
Формовочные глины – материалы с содержанием глинистой составляющей свыше 65 %. Их, как связующее вещество,
вводят в состав формовочной или стержневой смеси в виде порошка, суспензии или пасты.
Формовочные глины имеют существенные недостатки:
• снижают газопроницаемость текучесть и податливость
смесей;
• повышают их осыпаемость и пригораемость, поэтому
необходимо снижать содержание глины в смесях.
При этом она должна заменяться специальными связующими
материалами, крепителями.
В качестве связующего материала для приготовления формовочных и стержневых смесей используют органические и неорганические крепители.
Широко применяемые для приготовления формовочных и
стержневых смесей органические связующие материалы (крепители): льняное масло, олифа-оксоль, декстрин, сульфитная
барда, патока и др. Основной недостаток этих крепителей – медленная скорость твердения (упрочнения).
Неорганические крепители, применяемые для приготовления формовочных и стержневых смесей: формовочные глины,
жидкое стекло, цемент и др. Наиболее распространено натриевое
жидкое стекло. Одним из основных свойств жидкого стекла является его способность постепенно твердеть на воздухе.
В формовочные смеси вводят противопригарные добавки:
каменоугольную пыль, иногда мазут. При нагреве формы залитым в нее металлом эти добавки сгорают, образуя газовую прослойку между стенками формы и отливкой, благодаря чему
уменьшается возможность образования на ее поверхности пригара (слоя пригоревшей формовочной смеси).
Распространение получили также противопригарные покрытия полостей форм и стержней припылами – тонкоизмельченными порошками графита, пылевидного кварца, древесного угля и
красками, состоящими из графита, размолотого кокса и древесного угля с добавками глины и воды.

56

Наиболее распространенные песчано-глинистые смеси классифицируют:
а) по применению при формовке (облицовочные, наполнительные и единые);
б) в зависимости от состояния формы перед заливкой (для
сырых, сухих, подсушенных и самотвердеющих);
в) по роду сплава (для чугуна, стали и цветных сплавов).
Облицовочной называют формовочную смесь повышенного
качества, из которой формируют рабочую поверхность формы
толщиной 10…40 мм, соприкасающуюся с расплавом. Эта смесь
должна иметь высокую пластичность, газопроницаемость, прочность и огнеупорность. Она содержит 50…90 % свежих формовочных материалов (остальное – регенерированная оборотная смесь).
От общего количества формовочной смеси при изготовлении формы на долю облицовочной приходится 10…20 %; остальное – на
долю наполнительной формовочной смеси. Она приготавливается
из оборотной смеси (50 %), кварцевого песка (42 %), глины (до
6 %) и сульфитно-спиртовой барды (до 2 %).
Наполнительную формовочную смесь (она более низкого
качества) используют для заполнения объема формы, оставшегося после нанесения облицовочного слоя. Облицовочные и наполнительные смеси используют при ручной формовке для изготовления сложных и крупных отливок.
Единая формовочная смесь занимает по качеству среднее
положение между облицовочной и наполнительной. Применяется
в серийном и массовом производстве при машинной формовке
мелких форм, предназначенных для тонкостенных отливок.
Для приготовления единой формовочной смеси оборотную
смесь (88…98 %) освежают добавками (кварцевый песок
(3…5 %), формовочная глина (0,5…1,0 %), молотый уголь, крепители) с целью обеспечения газопроницаемости и податливости
в смесь также вводят древесные опилки, торф и другие вещества,
которые, выгорая, образуют дополнительные поры.
Стержневая смесь состоит из формовочного кварцевого
песка различного зернового состава и различных горячетвердеющих или холоднотвердеющих органических (льняное масло,
олифа-оксоль и др.) или неорганических (жидкое стекло) крепителей. Изготовленные стержни приобретают прочность после
сушки при 160…220 °С.

57

Качество получаемых отливок напрямую зависит от свойств
формовочных и стержневых смесей.
Основные свойства формовочных и стержневых смесей
Прочность – способность формовочной смеси не разрушаться при извлечении модели из формы, ее транспортировке и
заливке жидким металлом.
Пластичность – способность формовочной смеси деформироваться при уплотнении и точно воспроизводить отпечаток модели.
Податливость – способность формовочной смеси деформироваться под действием термического сжатия (усадки) отливки.
Плохая податливость форм и стержней часто приводит к появлению в отливках «горячих» трещин.
Газопроницаемость – способность формовочной смеси
пропускать через себя воздух из формы и газы, образующиеся
при взаимодействии жидкого металла с поверхностью формы,
для дегазации металла при затвердевании.
Огнеупорность – способность смеси и формы сопротивляться размягчению или расплавлению под действием высокой
температуры жидкого металла.
Противопригарность – способность смесей и формы не
спекаться с расплавленным металлом.
Долговечность – способность формовочной смеси сохранять рабочие свойства при неоднократном использовании для изготовления форм и заливки жидким металлом.
2.8. Формовка
Формовкой называется совокупность операций по изготовлению форм, служащих для получения отливок.
Технологический процесс изготовления разовых литейных
форм и стержней включает следующие операции:
• подготовку модельно-опочного комплекта (оснастки);
• дозирование смеси и введение ее в рабочую полость
оснастки;
• уплотнение смеси в оснастке;
• выполнение вентиляционных каналов;
• извлечение модели из формы и стержня из стержневого
ящика;
58

• отделка элементов литейной формы, сборка, сушка и
установка под заливку.
Более 80 % всех отливок получают в разовых литейных формах. Эти формы служат один раз, так как при выбивке отливок их
разрушают. Средняя трудоемкость формовочных работ, в зависимости от степени механизации процесса и сложности литья, составляет
30…60 % общей трудоемкости изготовления отливок.
При формовке следует руководствоваться следующими рекомендуемыми расстояниями между моделью и элементами формы
(рисунок 2.9):
а) от верха модели до верха опоки – 50 мм;
б) от низа модели до стенок опоки – 50 мм;
в) от модели до стенок опоки – 40 мм;
г) от кромки стояка до стенки опоки – 40 мм;
д) от кромки шлакоуловителя кромки модели – 30 мм.
11

Рисунок 2.9 − Эскиз разреза песчано-глинистой формы
для отливки чугунного фланца:
1, 2 – нижняя и верхняя опоки, соответственно; 3 – литниковая чаша;
4 – стояк; 5 – шлакоуловитель; 6 – выпор; 7 – питатель; 8 – стержень;
9 – полость формы; 10 – наколы; 11 – штырь

2.8.1. Изготовление стержней
Стержнем называют элемент литейной формы, служащий
для образования внутренних полостей или других поверхностей
отливки. Стержни изготавливают ручным или машинным способами из стержневых смесей в специальных стержневых ящиках.
Затем подготовленные стержни закрепляются в опоках и готовые

59

формы собираются. Для обеспечения правильной установки и
фиксации стержня в форме выполняют гнезда, называемые знаками, которые образуются выступами – знаками модели (рисунок 2.10 а, б, в).
При невозможности установки стержней в знаках, например
при получении несквозных отверстий (углублений), используют
жеребейки (рисунок 2.10 г, д).
Жеребейка – металлическая опора, поддерживающая стержень внутри литейной формы.
1

1

1

3
3

3
1

а

б

в
2

2
1
3

3
2

1

г

д

Рисунок 2.10 − Пример установки стержней:
а − с опорой на два знака; б − консольно; в − с нижним опорным знаком;
г, д − с помощью жеребеек; 1 – знаки; 2 – жеребейки; 3 – стержни

2.8.2. Формовка в парной опоке по неразъемной модели
Последовательность операций при ручной формовке в парных
опоках по неразъемной модели представлена на рисунке 2.11.
При формовке выполняют следующие операции. На модельную
плиту устанавливают модели отливки и питателя 1. На плиту устанавливают нижнюю опоку, которую располагают приливами вниз.
Поверхность модели припыливают серебристым графитом (ликоподием, тальком, графитом) 2. Через сито на модель насеивают облицовочную смесь толщиной 10...15 мм. Просеивание смеси необхо60

димо для увеличения ее однородности и удаления посторонних
металлических предметов 3. После нанесения слоя облицовочной
смеси опоку заполняют наполнительной смесью 4.

Рисунок 2.11 − Последовательность операций
при ручной формовке в парных опоках по неразъемной модели

Смесь в опоке сначала уплотняют острым концом трамбовки, чтобы увеличить равномерность уплотнения в зоне, прилега61

ющей к плоскости разъема и модели 5. После смесь утрамбовывают плоским концом трамбовки, что способствует равномерному ее уплотнению в верхних слоях формы 6. Излишек смеси
снимают вровень с краями опоки плоской деревянной линейкой
7. Затем в полуформе прокалывают вентиляционные каналы,
вдавливая металлическую иглу на определенную глубину, не доводя ее до поверхности модели 8.
Далее выполняют операции поворота нижней полуформы на
180° таким образом, чтобы модель и приливы опоки оказались
вверху. Полуформу устанавливают на стол верстака на модельную доску, контролируют уплотнение формы твердомером. Заглаживают плоскость разъема формы гладилкой и устанавливают
знак модели 9. Разъем формы присыпают сухим кварцевым разделительным песком 10; излишний песок удаляют с плоскости
разъема формы 11. Верхнюю опоку по штырям устанавливают на
нижнюю, припыливают поверхность модели графитом 12.
На модель питателя, заформованного в нижней полуформе,
устанавливают модель шлакоуловителя и стояка, а на полумодель
− выпор. Через сито насеивают слой облицовочной смеси 13;
уплотняют вручную (обминают) смесь вокруг стояка, заполняют
опоку наполнительной смесью лопатой или из бункера 14. Затем
уплотняют смесь острым концом трамбовки 15, добавляют в опоку наполнительную смесь и уплотняют плоским концом трамбовки 16.
Излишек смеси снимают вровень с краями опоки линейкой
17. Далее в верхней полуформе выполняют вентиляционные каналы (как в нижней); прорезают литниковую воронку (чашу) инструментом для отделки форм, расталкивают и извлекают стояк и
выпор 18; производят разделение полуформ – верхнюю полуформу снимают с нижней, удаляют щеткой разделительный песок.
Извлекают шлакоуловитель и знак. Качество уплотнения
смеси в плоскости разъема верхней полуформы контролируют
твердомером, заглаживают разъем формы гладилкой 19.
Для местного увеличения пластичности формовочной смеси, чтобы предупредить ее подрыв при извлечении модели, смесь
вокруг модели смачивают водой пеньковой кистью 20. В модель
ввинчивают подъем, расталкивают модель ударами молотка по
подъему 21.
62

Осторожно, без поперечных движений, извлекают модель
отливки и питатели из нижней полуформы 22. После извлечения
моделей осматривают готовые полуформы, отделывают поврежденные места и устанавливают стержень в нижнюю полуформу
23, сушат. Сборку полуформ проводят по штырям 24, после чего
форму ставят на постель из формовочной смеси, нагружая ее грузом. Форма готова к заливке.
2.8.3. Формовка в двух опоках по разъемной модели
Этот способ формовки распространен широко. Модель
должна иметь плоскость разъема, обеспечивающую извлечение
из полуформы. Для центрирования ее половинок в верхней полумодели выполняют центрирующие штифты, в нижней – отверстия. По конфигурации модель отличается от отливки наличием
знаковых частей, выполненных в форме полости, которые служат
для установки стержней.
Формовка выполняется в следующей последовательности
(рисунок 2.12):
1 – для изготовления нижней полуформы на подмодельную
доску устанавливают нижнюю половину модели 2 и накрывают
нижней опокой 1 (а);
2 – на модель наносят слой облицовочной и затем наполнительной смеси, трамбовкой уплотняют ее, излишки срезают линейкой на уровне верхней кромки опоки и накалывают душником
вентиляционные каналы 4 (б);
3 – готовую нижнюю полуформу переворачивают на 180°,
устанавливают верхнюю полумодель 8, модели шлакоуловителя
9, стояка 6, выпора 5 и верхнюю опоку 7, соединив ее с нижними
штырями 10 (в);
4 – при набивке верхней полуформы в той же последовательности повторяют операции, проделанные для нижней полуформы, а затем вырезают литниковую чашу 11, удаляют из формы модели стояка 6 и выпора 5 (г);
5 – для удаления полумоделей из полуформ верхнюю полуформу 12 снимают с нижней 13 и переворачивают ее на 180°;
формовочную смесь вокруг полумоделей смачивают водой; в полумодели забивают подъемники 14, легкими ударами по подъемнику полумодели расталкивают в стороны и затем вертикально
63

вверх удаляют из полуформ; таким же образом удаляют из формы модель шлакоуловителя 9 (д);
6 – разрушенные участки полуформ исправляют; прорезают
питатели 17 в нижней полуформе; устанавливают на стержневые
знаки стержень 15; нижнюю полуформу накрывают верхней и
нагружают грузами 16 (е);
7 – после заливки формы металлом и его кристаллизации
форму разрушают и освобождают готовую отливку вместе с литниковой системой 17 (ж).

Рисунок 2.12 − Формовка в двух опоках по разъемной модели

2.8.4. Формовка в двух опоках с подрезкой
Такая форма применяется при изготовлении по неразъемной
модели форм для отливок сложной конфигурации, а также при
изготовлении отливки без модели – по образцу (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 − Формовка с подрезкой:
а – отливка; б – модель; в, г, д – операции формовки
64

Последовательность операций при формовке в двух опоках
с подрезкой:
1 – установить модель на модельную доску так, чтобы она
прилегала к ней своей широкой поверхностью;
2 – установить нижнюю опоку;
3 – покрыть поверхность модели графитом (для отливок из
чугуна) или тальком (для отливок из стали);
4 – покрыть модель слоем облицовочной смеси толщиной от
20 до 40 мм в зависимости от размеров отливки (указывается в
технологической карте);
5 – насыпать в опоку наполнительную смесь и уплотнить
трамбовкой (рисунок 2.13 в);
6 – срезать излишек смеси вровень с краями опоки;
7 – наколоть иглой вентиляционные каналы;
8 – заформованную нижнюю опоку перевернуть;
9 – сделать подрезку, т. е. вырезать смесь, препятствующую
извлечению модели (рисунок 2.13 г);
10 – место подрезки тщательно загладить гладилкой в плоскость разъема. Углубление, образовавшееся в нижней опоке, после подрезки будет заполнено при набивке верхней опоки;
11 – поверхность разъема посыпать сухим песком или закрыть бумагой;
12 – установить на нижнюю опоку верхнюю опоку, пользуясь центрирующими штырями;
13 – в верхнюю опоку установить модели стояка и выпоров,
а также модели шлакоуловителя и питателей в случае изготовления их формованием;
14 – верхнюю половину модели отливки покрыть облицовочной смесью;
15 – в верхнюю опоку насыпать наполнительную смесь (эта
смесь заполнит подрезанную полость в нижней опоке);
16 – смесь уплотнить трамбовкой;
17 – лишнюю смесь удалить вровень с верхней опокой;
18 – наколоть иглой вентиляционные каналы;
19 – извлечь из верхней полуформы модели стояка (предварительно вырезав литниковую чашу) и выпора;
20 – снять верхнюю опоку (полуформу);
21 – прорезать в ней канал шлакоуловителя (или вынуть модели шлакоуловителя и питателей в случае их формования);

65

22 – смочить края формы по контуру модели;
23 – произвести удаление модели из нижней полуформы
(благодаря ранее сделанной подрезке в полуформе);
24 – удалить модель из нижней полуформы;
25 – полуформы осмотреть и исправить повреждения;
26 – рабочие поверхности полуформ припылить графитом
или тальком;
27 – установить стержни в полуформы;
28 – собрать форму, установив верхнюю полуформу на
нижнюю (рисунок 2.12 д);
29 – скрепить полуформы или уложить на собранную форму
груз.
2.8.5. Механизация и автоматизация процессов формовки
В массовом и серийном производствах литейные формы изготавливают на машинах. Формы и отливки получаются более
точными, чем при ручном способе. Применение машин позволяет
механизировать и автоматизировать процесс формовки. Машинная формовка характеризуется той же последовательностью операций по изготовлению литейных форм, что и при ручной формовке. Методы уплотнения форм с помощью машин различны.
2.9. Плавка литейного сплава
Плавку металлов и сплавов в литейных цехах производят в
вагранках, электропечах, пламенных печах, конверторах и
тиглях. Отливки из серого чугуна получают плавкой (главным
образом в вагранках) шихты, состоящей из доменных чушковых
чугунов, чугунного машинного лома, стальных отходов и ферросплавов. Топливом для плавки в вагранках служит кокс и газ.
Применяются вагранки закрытого типа, оснащенные специальными системами высокоэффективной очистки и дожигания
ваграночных газов. Операции загрузки вагранки шихтою, плавка
чугуна, выпуск из вагранки металла и шлака проводятся в автоматическом режиме с центрального пульта управления. Вагранки
имеют поворотные копильники с подогревом в них жидкого металла. Кроме того, применяется водяное охлаждение шахты вагранки и подогрев дутья.
66

Для плавки чугуна служат также дуговые трехфазные печи,
главным образом при дуплекспроцессе «вагранка – электропечь»,
при получении высокопрочного чугуна – индукционные электропечи, выплавляющие синтетический чугун из стальных отходов.
Плавка стали для производства фасонного литья осуществляется в мартеновских печах, электрических – дуговых и индукционных, в конверторах с боковым дутьем. Основная масса стали для
производства фасонных отливок плавится в дуговых электропечах.
Плавка сплавов на медной основе производится в тигельных, пламенных печах, в дуговых и индукционных электропечах.
Алюминиевые и магниевые сплавы плавят в электропечах
сопротивления, индукционных печах, тигельных горнах. Помимо
обычной заливки земляных форм алюминиевыми сплавами, применяется заливка форм с кристаллизацией жидкого металла под
давлением воздуха 0,5…0,6 МПа для получения отливок повышенной плотности.
Для плавки титановых сплавов применяют специальные тигельные печи; плавку и заливку их производят в специальной атмосфере (большей частью в среде аргона).
Плавильные агрегаты обеспечивают получение жидкого металла требуемого химического состава при минимальном угаре,
экономном расходе топлива и электроэнергии. Размеры плавильных агрегатов, их производительность соответствуют потребности литейного цеха в жидком металле.
Механические и физические свойства сплава отливки в значительной степени зависят от содержания в нем газов и неметаллических включений и их распределения в теле отливки. Содержание газов и неметаллических включений в литейном сплаве зависит от выбора плавильных печей и процесса плавки.
2.10. Заливка форм
Заливку литейных форм производят из ручных, барабанных,
чайниковых, конических или стопорных ковшей. Емкость ковшей
составляет от 25 кг до 10 т и более. Ковш с жидким металлом транспортируют к месту заливки с помощью грузоподъемных устройств.
Перед заливкой ковши сушат и подогревают. На качество
получаемой отливки оказывают влияние условия заливки. Заливка формы сплавом производится плавно, непрерывной струей.
67

В современных литейных цехах применяют автоматическую
заливку литейных форм с точной дозировкой металла. Такая заливка повышает производительность труда и облегчает труд литейщиков.
2.11. Охлаждение, выбивка, обрубка и очистка литья
После заливки металла в форму, затвердевания и охлаждения его (от 5 мин до нескольких суток в зависимости от массы
отливки) производят выбивку и очистку отливки. Отливку охлаждают в форме до температуры, которая исключает ее разрушение или образование «холодных трещин» при выбивке. В механизированных цехах чугунные и мелкие стальные отливки выбивают при температуре 500…800 °С.
Крупные и средние по массе отливки – при более низкой
температуре. В единичном производстве выбивка отливок осуществляется вручную.
Выбивка отливок является трудной операцией, так как при
этом выделяется большое количество теплоты, газов и пыли. Поэтому ее механизируют, а место выбивки изолируют. Выбивку
производят на специальных выбивных решетках с механическим
или пневматическим приводом.
Стержни из отливок удаляют с помощью пневматических
молотков, вибраторов, вибрационных машин и специальных гидравлических установок гидравлическим ударом, возникающим
при электрическом разряде в воде.
При обрубке отливок удаляют литники, прибыли, выпоры, заливы (облой по месту соединения полуформ) пневматическими зубилами, ленточными и дисковыми пилами, газовой резкой, на прессах, на металлорежущих станках и другими способами. Литники и
прибыли отрезают газовой или плазменной резкой, от чугунных отливок отбивают молотками сразу после их выбивки из форм.
Очистка отливок заключается в удалении с поверхностей
отливок остатков формовочной смеси и пригара.
2.12. Термическая обработка отливок
Отливки в литом состоянии имеют крупнозернистую структуру, низкие прочностные и пластические свойства. В них сохраняются значительные внутренние напряжения. Для улучшения
68

структуры и свойств отливки подвергают термической обработке.
Операции и режимы термической обработки назначают с
учетом марки сплава и требований к механическим свойствам отливок согласно техническим условиям.
Стальные отливки подвергают термической обработке в два
этапа. Сначала проводят предварительную термообработку для
снятия внутренних напряжений, измельчения зерна, снижения
твердости перед механической обработкой. Отливки, склонные к
образованию значительных внутренних напряжений, отжигают.
Отливки простой конфигурации подвергают нормализации. Для
отливок ответственного назначения назначают нормализацию и
отпуск. При окончательной термической обработке стальные отливки подвергают нормализации и отпуску или закалке и отпуску.
Термическую обработку чугунных отливок проводят для
снятия внутренних напряжений, стабилизации размеров, снижения твердости и улучшения обрабатываемости, повышения
механических свойств или износостойкости. При низкотемпературном отжиге (500…630 °С) снимаются внутренние напряжения и стабилизируются размеры отливки. При низкотемпературном графитизирующем отжиге (680…750 °С) происходит
графитизация и частичная сфероидизация эвтектоидного цементита, что приводит к улучшению обрабатываемости. Высокотемпературный графитизирующий отжиг (850…980 °С)
применяют для графитизации первичных карбидов в чугунах.
При нормализации и закалке улучшаются механические свойства отливок. Закаленные отливки требуют дополнительной
термической обработки для снятия внутренних напряжений.
Качество отливок из алюминиевых и магниевых сплавов
улучшают путем старения, отжига, закалки и закалки с последующим искусственным старением. Отливки из медных сплавов в
отдельных случаях отжигают для снятия внутренних напряжений.
В соответствии с изложенным выше, полный технологический процесс производства детали методом литья можно представить в виде схемы (рисунок 2.14).
2.13. Специальные способы литья
В машиностроении существует множество видов и способов
получения деталей литьем. Специальные виды литья отличаются
69

от литья в песчаные формы тем, что после удаления отливки из
литейной формы, она не требует последующей механической обработки, отливки подвергаются только доводочным операциям
(шлифование, полирование).

Рисунок 2.14 − Общая технологическая схема изготовления отливки

70

Одно из основных преимуществ – отсутствие или малый
расход формовочной смеси, более высокая точность и чистота
поверхности.
Литье в кокиль (металлические формы)
Кокиль – многоразовая металлическая форма, используемая
для получения отливок путем заливки в нее жидкого металла.
Литье в кокиль осуществляют путем свободной заливки
расплавленного металла под действием гравитационных сил. Кокиль служит для образования наружных очертаний отливки;
внутренние полости и отверстия образуются при помощи стержней, устанавливаемых в кокиль перед заливкой его металлом.
Формы изготавливают из чугуна, стали, иногда из алюминиевых сплавов, рабочую поверхность которых для повышения
стойкости покрывают тонким слоем тугоплавкой и прочной окиси Al, а также наносят теплоизоляционную краску или обмазки.
Стойкость кокилей позволяет использовать каждый из них
несколько сот тысяч раз для получения отливок из легкоплавких
сплавов, до 10 000 – для чугунных и до 1000 – для мелких стальных. Стержни для отливки чугунных и стальных деталей изготавливают из стержневой смеси, а при отливке легкоплавких металлов (Al, Mg) – из металла (составные).
Конструктивно формы могут быть выполнены неразъемными – вытряхными и разъемными – с несколькими разъемами в
горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Преимущество кокильного литья – получение плотных, герметичных отливок без усадочных раковин с более точными размерами, высокой чистотой поверхности, меньшими припусками
на механическую обработку, меньшим расходом металла на прибыли и выпоры, высокими механическими свойствами металла
вследствие его мелкозернистости.
Литье в кокили имеет свои недостатки. Вследствие быстрого охлаждения заливаемого металла стенками кокиля ухудшается
жидкотекучесть. В связи с этим рекомендуется температуру заливки сплава поддерживать на 30…50 °С выше, чем при заливке
в песчаную форму, а сам кокиль перед заливкой подогревать до
100…300 °С. Высокая теплопроводность кокилей затрудняет получение сложных тонкостенных отливок больших габаритов. Изза большой жесткости формы в сложных отливках возможно об71

разование трещин. Отсутствие газопроницаемости может вызвать
появление газовых раковин и пористости.
Стоимость металлических форм относительно велика, а изготовление сложно, поэтому их применяют при массовом или серийном производстве. Способ себя оправдывает, если количество
отливок составляет миллионы штук в год.
Центробежное литье
При центробежном литье залитый во вращающуюся форму
металл подвергается действию центробежных сил, под влиянием
которых равномерно распределяется по ее внутренней поверхности. Наружные очертания получаемой отливки соответствуют
внутренним размерам формы, металла.
Детали, отлитые этим способом, получаются плотными благодаря действию центробежных сил. Металл при вращении формы очищается от неметаллических включений и газов, а зерна его
измельчаются, что способствует улучшению качества отливок и
повышению механических свойств.
Центробежные машины бывают, как правило, двух типов: с
горизонтальной (рисунок 2.15 а) и вертикальной осью вращения
(рисунок 2.15 б). Длинные втулки и трубы небольшого диаметра,
гильзы отливают на машинах с горизонтальной осью вращения.
На машинах с вертикальной осью вращения отливают колеса,
шестерни и др. Скорость вращения − от 250 до 1500 об/мин.
На рисунке 2.15 в показана комбинированная форма для
производства фасонных отливок на машине с вертикальной осью.
При сложной наружной поверхности отливки применяют металлические формы, футерованные изнутри песчано-глинистой или
песчано-смоляной смесью.
Недостатками центробежного литья являются трудность получения качественных отливок из сплавов, склонных к ликвации,
так как при вращении компоненты разделяются на тяжелые и
легкие; отбел при заливке чугуна; загрязнение внутренней поверхности отливок неметаллическими включениями; получение
неровной внутренней поверхности, поэтому для этой поверхности необходимо назначать увеличенные припуски на механическую обработку.

72

а

б
в
Рисунок 2.15 − Центробежное литье:
а − горизонтальная ось вращения; б − вертикальная ось вращения;
в − комбинированная форма

Литье под давлением
При литье под давлением форму принудительно заполняют
металлом под давлением для получения тонкостенных (1…5 мм)
отливок, которые невозможно или трудно изготовить другими
методами. Высокое давление до 700 МПа способствует лучшему
заполнению формы. Жидкий металл поршнем выдавливается в
пресс-форму, предварительно нагретую до 150…180 °С (рисунки
2.16 и 2.17).

Рисунок 2.16 – Схема процесса
литья под давлением на машине
с горячей камерой прессования:
1 – камера прессования;
2 – отверстие для подачи металла
в камеру прессования; 3 – плунжер;
4 – пресс-форма

Рисунок 2.17 – Схема литья
под давлением на машине
с холодной горизонтальной камерой
прессования:
1 – выталкиватель; 2, 6 – левая
и правая части пресс-формы;
3 – ковш; 4 – поршень; 5 – камера прессования; 7 – полость пресс-формы
73

Благодаря давлению на металл отливки получаются с очень
чистой поверхностью и точными размерами. Эти отливки подвергаются лишь незначительной механической обработке или
подают на сборку без обработки.
Обработка деталей сводится в основном к чистовому фрезерованию, развертке отверстий и нарезанию мелких резьб.
Этим способом в массовом и серийном производстве изготавливают отливки из алюминиевых, цинковых, магниевых и медных
сплавов массой от нескольких граммов до десятков килограммов.
Литье по выплавляемым моделям
Литье по выплавляемым моделям – способ, основанный на
применении модели из легкоплавкого материала, изготовленной с
большой точностью и специальных облицовочных материалов,
наносимых в жидком состоянии на модель.
Технология изготовления отливки:
1. Изготавливается эталон 1 (рисунок 2.18 а).

Рисунок 2.18 − Схема процесса литья по выплавляемым моделям
74

2. По этому эталону изготавливают форму 2, имеющую полость с конфигурацией, соответствующей очертаниям будущей
отливки. В эту полость запрессовывают или заливают парафиностеариновый состав. Образуется легкоплавкая модель будущей
отливки 3. Если необходимо, то собирают несколько моделей
вместе с литниковой системой (рисунок 2.18 б).
3. По модели изготавливают форму, опуская модель в раствор этилсиликата и жидкого стекла (рисунок 2.18 в), затем обсыпают маршалитом и кварцевым песком (рисунок 2.18 г), сушат
и повторяют 3−4 раза (рисунок 2.18 д).
4. Литейную форму с моделью устанавливают в печь с температурой 100…120 °C или в горячую водяную ванну. Модель
плавится и удаляется из полости формы (рисунок 2.18 е).
5. Готовую форму прокаливают в электрической печи при
температуре 900…1000 °C, при этом остатки материала модели
выгорают, и поверхность формы становится гладкой и твердой
(рисунок 2.18 ж).
6. Горячую форму заформовывают в опоку, применяя нагретый сухой песок (рисунок 2.18 з, и), и затем заливают соответствующий сплав (рисунок 2.18 к).
7. После затвердевания и охлаждения отливок форму выбивают (рисунок 2.18 л), отливки очищают от остатков керамической оболочковой формы и отрезают от них литники.
Этот способ позволяет получать сложные и точные по размерам отливки практически из всех металлических сплавов, в том
числе из тугоплавких.
Процесс применяют для изготовления таких деталей, как
челноки швейных машин, лопатки газовых турбин, сверла, фрезы
и т. д., массой от 1 г до 100 кг, с отверстиями диаметром до 2 мм,
с толщиной стенки до 0,3 мм и размерами отливок до 1000 мм.
Процесс дорогостоящий, но оправдывается для ответственных
деталей и в массовом производстве.
Корковое литье или литье в оболочковые формы
При этом способе расплавленный металл заливают в форму,
состоящую из двух скрепленных оболочек с толщиной стенки от
7 до 15 мм. Для получения в отливках внутренних полостей в эти
формы устанавливают пустотелые или сплошные стержни.

75

Оболочковые формы изготавливают в следующей последовательности (рисунок 2.19):
• металлическую полумодель 3 и подмодельную плиту 2
нагревают в электрической печи до 200…300 °С;
• модельную плиту с полумоделью устанавливают на бортах бункера 1 (рисунок 2.19 а), в котором находится формовочная
смесь 5 из песка (95 %) и фенолформальдегидной смолы (5 %);
бункер опрокидывают, из-за того что полумодель нагрета, смола
оплавляется и склеивает между собой зерна песка, образуется полутвердая корка 6 (рисунок 2.19 б);
• бункер снова переворачивают и на полумодели остается
полузатвердевшая оболочка (рисунок 2.19 в);
• модельную плиту вместе с полумоделью помещают в печь с
температурой 350 °С и оболочка окончательно твердеет; после извлечения из печи затвердевшую оболочку 7 снимают с модельной
плиты при помощи толкателей 4 и охлаждают (рисунок 2.19 г);
• таким же образом изготавливают вторую половину оболочки, затем оболочки склеивают в форму 8, помещают в опоку 10
и засыпают формовочной смесью 11 или пружинной дробью для
прочности, если нужно вставляют стержень 9 (рисунок 2.19 д);
• делают литниковую систему и заливают металл (рисунок
2.19 е).
Оболочковая форма из песчано-смоляной смеси после заливки металла легко разрушается, освобождая отливки. Оболочковые
формы обладают высокой газопроницаемостью, имеют высокую
прочность, негигроскопичны и их можно хранить длительное время. Применение оболочковых форм увеличивает выход годного
литья за счет снижения брака в 1,5–2 раза по сравнению с литьем в
песчано-глинистые формы. При выбивке формы оболочка легко
разрушается, что уменьшает затраты труда на обрубку и очистку
отливки. При замене песчано-глинистых форм оболочковыми,
расход формовочных смесей сокращается до 20 раз.
Основным недостатком этого вида литья является сравнительно большая стоимость песчано-смоляных смесей. Этот вид
литья наиболее рационально применять в условиях серийного и
массового производства.

76

Рисунок 2.19 − Последовательность изготовления оболочковых форм:
1 – поворотный бункер; 2 – металлическая модельная плита;
3 – металлическая полумодель; 4 – блок выталкивателей; 5 – формовочная
смесь; 6 – полутвердая оболочка; 7 – затвердевшая оболочка; 8 – склеенная
оболочковая форма; 9 – оболочковый стержень; 10 – контейнерная опока;
11 – наполнительная формовочная смесь; 12 – расплав

Литье по газифицируемым моделям
Модели отливок при литье данным способом изготавливаются из пенопласта (пенополистирола). Пенопластовая модель не
извлекается из формы, при заливке жидким металлом за счет
теплоты расплавленного металла она газифицируется (рисунок
2.20). Пенопласт разлагается при температуре 300…350 °С.
Модель и элементы литейной системы можно изготовить в
металлической форме из гранул или механической обработкой
вручную или на станках.
Затем модель с литниковой системой формуют обычным
способом формовочной смесью и заливают жидким металлом.
Подвод металла осуществляют снизу, так как это обеспечивает
последовательную газификацию моделей снизу вверх, хорошее
газоудаление и спокойное заполнение формы.
Изготавливают отливки массой от 0,2 кг до нескольких тонн
из стали, чугуна и цветных сплавов. При производстве крупных
отливок в единичном производстве достигается значительная
экономия за счет упрощения процесса изготовления модели.

77

Преимуществами данного способа являются простота и дешевизна формовки, а также высокое качество и экономическая эффективность в производстве крупных сложных отливок.

Рисунок 2.20 − Схема процесса получения отливок
по газифицируемым (выжигаемым) моделям:
а – набухание гранул полистирола; 1 – гранулы полистирола; 2 – поддон;
3 – закрытая емкость; б – задувание гранул в формы; 4 – алюминиевая
пресс-форма; в – вспенивание и спекание полистирола в автоклаве;
5 – автоклав; г – извлечение модели из пресс-формы и нанесение обмазки;
6 – модель; д – сборка выплавляемых моделей в опоку; е – заливка металла
в формы размещенного в опоке блока моделей осуществляется засыпкой
сухого песка и уплотнением его на вибрационном устройстве,
на которое устанавливается опока; 7 – опока; 8 – песок

Литье в разъемные керамические формы
Основой способа изготовления разъемных керамических
форм является способность этилсиликатной суспензии затвердевать через некоторое время после добавки в нее водного раствора
щелочи. Процесс изготовления форм сводится к следующему.
Наполнитель – зернистые материалы, имеющие небольшой коэффициент теплового расширения и высокую огнеупорность (циркон, корунд, пылевидный кварц, зернистый и пылевидный дистен78

силлиманит), засыпают в бак с гидролизованным раствором этилсиликата (из расчета 1 кг наполнителя на 250…300 см3 раствора
этилсиликата) при постоянном перемешивании. Полученную
смесь доводят до консистенции густой сметаны и добавляют к ней
15 %-ный раствор NаОН из расчета 10…12 см3 на 1 кг смеси.
Полученной суспензией после перемешивания заливают опоку
с установленной в ней моделью. Когда залитая смесь примет резинообразное состояние, из опоки удаляют модель (при таком состоянии форма позволяет удалить модель без повреждения отпечатка,
если даже на поверхности модели имеются небольшие поднутрения
и выступы). Удалив модель, на поверхности полости формы выжигают спирт, выделяющийся в форме в процессе затвердевания смеси, что вызывает образование на поверхности формы паутинообразной сетки – трещин, увеличивающих газопроницаемость и податливость формы. После выжигания спирта полученную полуформу
прокаливают. Повторяя перечисленные операции, изготавливают
вторую полуформу. Готовые полуформы собирают для заливки.
Для сокращения расхода дорогостоящей этилсиликатной
суспензии применяют двухслойные формы с облицовочным керамическим слоем. В таких формах дорогостоящую керамическую массу используют только для облицовочного слоя, остальную часть формы заполняют смесью на жидком стекле. Керамические разъемные формы дают отливки с чистой поверхностью и
высокой точностью размеров. Кроме того, они просты в изготовлении, прочны и позволяют отливать детали большой массы.
2.14. Дефекты отливок
Контроль качества отливок проводится на специально выделенных для этого участках, обеспеченных необходимыми контрольно-измерительными приборами, инструментами, приспособлениями и оборудованием.
Качество отливок в решающей мере определяется уровнем
их дефектности. По ГОСТ 15467−79, дефектом называют каждое
отдельное несоответствие продукции установленным требованиям. Изделие, имеющее хотя бы один дефект, называют дефектным. Это означает, что как минимум один из показателей качества отливки вышел за предельно допустимые значения.
Дефекты отливок бывают явными и скрытыми.
79

Явный дефект – обнаруживаемый при внешнем осмотре
(визуальном контроле), или дефект, выявляемый определенными
инструментальными средствами и методиками, предусмотренными в нормативной документации.
Скрытый дефект – это дефект, не обнаруживаемый при
указанных выше условиях и невыявляемый предусмотренной для
контроля аппаратурой.
В зависимости oт степени пораженности дефектами все отливки подразделяют на четыре группы:
1 – годные, полностью отвечающие всем установленным
требованиям технической документации и стандартов;
2 – условно годные, имеющие небольшие отклонения от
установленных требований (малозначительные дефекты), не оказывающие существенного влияния на эксплуатационные показатели отливки или изделия в целом, такие отливки допускаются к
дальнейшей обработке и используются по своему назначению с
разрешения главных специалистов промышленных предприятий
после тщательной оценки дефектов;
3 – исправимый брак – отливки, имеющие один или несколько
дефектов, после исправления которых они могут быть допущены к
дальнейшей доработке и использованию по назначению;
4 – неисправимый или окончательный брак – отливки, имеющие такие дефекты, исправление которых технически невозможно или экономически нецелесообразно, либо качество исправления которых невозможно проконтролировать.
Бракованной (непригодной к эксплуатации) называют такую отливку, которая имеет хотя бы один неисправимый и недопустимый по техническим условиям дефект.
Все дефекты делятся на пять основных групп, основные виды которых представлены ниже.
Группа дефектов «Несоответствие геометрии»
Эти дефекты проявляются в отклонении размеров отливок
от их размеров в технической документации.
Недолив – неполное образование тела отливки вследствие
частичного незаполнения полости формы металлом.
Обжим – дефект в виде нарушенной конфигурации отливки,
возникающей вследствие деформации формы из-за механических
воздействий до или во время заливки.
80

Подутость – местное утолщение тела отливки.
Перекос – смещение одной части отливки относительно
осей или поверхности другой части по плоскости разъема модели
или формы.
Разностенность – увеличение или уменьшение толщины
стенок отливок.
Коробление – искажение конфигурации отливок под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении отливки в форме и после выбивки из формы.
Вылом – нарушение сплошности отливки, образовавшееся
при выбивке, отделении литников и прибылей, обрубке, очистке.
Стержневой перекос – дефект в виде смещения отверстия,
полости или части отливки, выполняемых с помощью стержня.
Стержневой залив – залитые металлом отверстия или полости в отливке.
Незалив – несоответствия конфигурации отливки чертежу
вследствие износа модели или недостаточной отделки формы.
Зарез – искажения контура отливки при отрезке литников,
обрубке и зачистке.
Прорыв металла – дефект в виде неполного образования
или неправильной формы отливки, возникающий при заливке
вследствие недостаточной прочности формы.
Уход металла – пустоты в теле отливки, ограниченные тонкой коркой затвердевшего металла.
Группа «Дефекты поверхности»
Пригар – образование грубой поверхности отливки вследствие физического и химического взаимодействия формовочного
материала и металла отливки.
Спай – углубление на поверхности, образовавшееся не полностью слившимся потоком металла.
Ужимина – заполненное формовочным материалом и прикрытое слоем металла углубление в отливке с пологими краями,
образовавшееся из-за отслоения формовочной смеси при заливке.
Нарост – выступ произвольной формы на поверхности отливки, образовавшийся из загрязненного формовочным материалом металла при местном разрушении формы.
Залив – металлический нарост, возникший в результате
проникновения жидкого металла в зазоры.
81

Засор – дефект в виде формовочного материала, внедрившегося в поверхностные слои отливки, захваченного потоками жидкого металла.
Плена – самостоятельный металлический или оксидный
слой на поверхности отливки, образовавшийся при недостаточно
спокойной заливке.
Просечка – дефект в виде невысоких прожилок на поверхности отливки, возникших вследствие затекания металла в трещины на поверхности формы или стержня.
Поверхностное повреждение – искажения поверхности,
возникшие при выбивке отливки из формы, очистке и транспортировании.
Складчатость – дефект в виде незначительных гладких
возвышений и углублений на поверхности отливки, возникающих вследствие пониженной жидкотекучести металла.
Грубая поверхность – шероховатость поверхности с параметрами, превышающими допустимые значения.
Газовая шероховатость – сферообразные углубления на
поверхности отливки, возникающие вследствие образования газовых раковин на поверхности раздела металл-форма.
Группа дефектов «Несплошности в теле отливки»
Эти дефекты наиболее многочисленны и наиболее опасны
из-за последствий, возникающих при эксплуатации.
Горячая трещина – разрыв или надрыв тела отливки усадочного происхождения, возникающий в интервале кристаллизации сплава. Поверхность излома в горячих трещинах всегда
окислена, поскольку они появляются при высоких температурах.
Холодная трещина – разрыв или надрыв тела отливки после затвердевания в результате неравномерного охлаждения и
возникающих внутренних напряжений (поверхность металла
трещины обычно чистая или имеет цвета побежалости).
Межкристаллическая трещина – разрыв тела отливки на
границах первичных зерен аустенита в температурном интервале
распада при охлаждении отливки в форме.
Газовая раковина – полость сферической формы в теле отливки с чистой и гладкой, иногда окисленной поверхностью.
Ситовидная раковина – дефект в виде удлиненных тонких
раковин, ориентированных нормально к поверхности отливки,
82

вызванных повышенным содержанием водорода в кристаллизующемся слое.
Усадочная раковина – открытая или закрытая полость с
грубой шероховатой иногда окисленной поверхностью, образовавшейся вследствие усадки при затвердевании металла.
Графитовая пористость – дефект отливок из серого чугуна
в виде сосредоточенных или паукообразных выделений графита.
Залитый шлак – дефект в виде частичного заполнения литейной формы шлаком.
Усадочная и газовая пористость – скопление газовых или
усадочных раковин, а также структурная неплотность металла.
Рыхлота – местное скопление мелких усадочных раковин
при крупнозернистой структуре металла.
Утяжина – углубление с пологими краями на массивной части отливки, образовавшееся вследствие усадки металла при затвердевании и недостатка питания отливки, а также из-за высокой температуры заливаемого металла и нетехнологичности отливки.
Вскип – скопление газовых, песчаных и шлаковых раковин
и наростов.
Песчаная раковина – полость в теле отливки, полностью
или частично заполненная формовочным материалом.
Шлаковая раковина – полость в теле отливки, полностью
или частично заполненная шлаком.
Группа дефектов «Включения»
Дефекты этой группы часто встречаются в отливках из
сплавов, склонных к повышенному окислению (алюминиевые,
магниевые, цинковые сплавы, хромистые стали и другие).
Неметаллические и инородные металлические включения, попавшие в металл механическим путем или образовавшиеся вследствие химического взаимодействия компонентов при
расплавлении и заливке металла.
Королек – шарик металла, образовавшийся из-за брызг при
неправильной заливке, застывший и несплавившийся с отливкой.
Группа дефектов «Несоответствие по структуре»
Ликвация – неоднородность химического состава по сечению отливки.

83

Отбел – образование структуры белого чугуна в отливке из
серого чугуна.
Флокен – линзообразный внутренний разрыв тела стальной
отливки в результате избытка содержания водорода в металле и
под действием внутренних напряжений.
Половинчатость – дефект в виде проявления структуры серого чугуна в отливках из белого чугуна.
К дефектам отливок также относятся несоответствия химического состава, механических и технологических свойств.
Исправление дефектов в отливках
Для незначительных дефектов в неответственных местах
отливок проводят декоративное исправление бакелитовым лаком
или замазкой, состоящей из графита и масла, незначительных поверхностных дефектов отливок. Пористость чугунных деталей,
работающих при небольших гидравлических давлениях, устраняют погружением их в раствор хлористого аммония. Пористость
деталей, работающих под более значительным давлением, устраняют запрессовыванием в поры крепкого раствора хлористого
железа и затем водного раствора аммиака. Для уплотнения отливок из медных сплавов их пропитывают концентрированным
водным раствором жидкого стекла или бакелитовым лаком.
Наплавку применяют в случае больших раковин или трещин
на поверхности отливок. Перед наплавкой раковину или трещину
очищают, формуют вокруг раковины чашу из глины, равномерно
подогревают отливку и наполняют чашу металлом. После
наплавки отливку медленно охлаждают.
Холодная заварка трещин, раковин и других дефектов допускается на необрабатываемых поверхностях отливки. Холодную заварку можно производить газовой или электрической
сваркой.
Газовую заварку применяют для устранения больших трещин в деталях из серого чугуна.
Кроме того, при исправлении дефектов отливок используются методы холодного газодинамического напыления.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое отливка?
2. Изобразите технологическую схему получения отливок.
84

3. Чем модель отличается от отливки?
4. Что такое модельный комплект?
5. Перечислите основные элементы литниковой системы и
объясните их назначение.
6. Что входит в состав формовочных материалов?
7. Перечислите свойства формовочных материалов. Какое
значение они имеют?
8. Перечислите основные операции технологического процесса формовки.
9. Какие инструменты применяются для ручной формовки?
Укажите назначение каждого инструмента.
10. Для чего в литейном производстве нужны стержни и как
их изготавливают?
11. Какие литейные свойства материалов рассматриваются и
как они влияют на качество отливок?
12. Что такое жидкотекучесть и как она определяется?
13. Что такое усадка?
14. В чем состоит отличие линейной усадки от объемной?
15. Что является основными причинами появления трещин в
отливках?
16. Какое оборудование используется для плавки сплавов?
17. Как и чем осуществляется заливка литейных форм?
18. Как происходит охлаждение, выбивка и обрубка литья?
19. Что понимают под специальными способами литья?
20. Что такое литье в кокиль?
21. В каких случаях и почему применяется центробежное
литье?
22. Какие преимущества имеет литье под давлением?
23. Что такое корковое литье и литье по выплавляемым моделям?
24. Перечислите основные дефекты отливок и опишите, на
какие группы они делятся.

85

3. СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Сваркой материалов называют процесс соединения двух деталей и более, в результате которого получают неразъемное соединение материала (ов) заготовок с помощью нагрева и (или) давления с применением или без применения присадочного материала.
Сварка является наиболее важным технологическим процессом получения неразъемных соединений из различных материалов (металлы и сплавы, керамика, стекло, пластмассы и различные сочетания этих материалов) в строительстве, машиностроении, судостроении, а также в ремонтном производстве из-за эффективности, высокой производительности и экономической целесообразности ее применения.
Другие технологические процессы соединения материалов,
такие как пайка и склеивание, этого не обеспечивают.
3.1. Классификация сварочных процессов
Сварные соединения можно получать сваркой плавлением и
сваркой давлением.
Сварка плавлением – это сварка местным сплавлением сопрягаемой(ых) поверхности(ей) без приложения внешнего давления.
При сварке плавлением атомно-молекулярные связи между
деталями создают, оплавляя их примыкающие кромки так, чтобы
получилась общая смачивающая их сварочная ванна, которая при
охлаждении кристаллизуется и соединяет детали в одно целое.
Присадочный металл – металл для введения в сварочную
ванну в дополнение к расплавленному основному металлу.
Сварочная ванна – часть металла сварного шва, находящаяся при сварке плавлением в жидком состоянии.
Сварка давлением – это сварка с приложением внешней
силы, достаточной для того, чтобы вызвать большую или меньшую степень пластической деформации двух прилегающих поверхностей, как правило, без присадочного материала.
При сварке давлением необходимо осуществлять совместную пластическую деформацию деталей в зоне соединения, что
обеспечивает очистку свариваемых поверхностей от пленок и загрязнений, изменение их рельефа и сближение поверхностей на
расстояние, необходимое для образования атомно-молекулярных
86

связей. Поскольку с ростом температуры уменьшается значение
деформации, необходимой для сварки и повышается пластичность металла, сварку давлением обычно производят с предварительным или сопутствующим нагревом.
Нагрев свариваемых деталей может осуществляться различными способами: электрической дугой, газокислородным пламенем, пропусканием тока, лазером и т.д.
В качестве одного из обобщающих признаков классификации сварочных процессов в ГОСТ Р 58905–2020 принят энергоноситель: твердое тело, жидкость, газ, электрический разряд, излучение, движение массы, электрический ток, прочие.
Энергоноситель – это физический объект, который доставляет необходимую для сварки энергию путем ее передачи или
выделения внутри детали (ей).
Существует множество видов технологических процессов
сварки (более 70).
По ГОСТ 19521–74 сварочные процессы классифицируют
по физическим, техническим и технологическим признакам.
По физическим признакам (виду вводимой энергии в изделие) все сварочные процессы классифицируются на термические
(Т), термомеханические (ТМ) и механические (М).
К термическим относятся процессы сварки, осуществляемые
плавлением с использованием тепловой энергии без давления (дуговая, газовая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная и др.).
К термомеханическим относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).
К механическим – виды сварки, при которой используется
механическая энергия и давление (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).
По техническим признакам сварочные процессы классифицируют в зависимости от способа защиты металла в зоне сварки,
непрерывности процесса и степени его механизации.
По способу защиты металла различают сварку в воздухе, в
вакууме, в защитных газах, под флюсом, в пене и с комбинированной защитой.
По характеру защиты металла в зоне сварки: со струйной
защитой, в контролируемой атмосфере.
87

По типу защитного газа: в активных газах, в инертных газах,
в смеси активных и инертных газов.
По непрерывности процесса: прерывистые и непрерывные.
По степени механизации: ручные, механизированные, автоматизированные и автоматические.
Ручная сварка – сварка, при которой электрододержатель,
ручной сварочный пистолет или горелка управляются вручную.
Частично механизированная сварка – ручная сварка, при
которой подача проволоки механизирована.
Полностью механизированная сварка – сварка, при которой все главные операции (исключая погрузку-разгрузку деталей)
механизированы.
Классификация по технологическим признакам устанавливается для каждого вида сварки отдельно.
3.2. Сварные соединения
Соединение – сочленение деталей, которые уже соединены
или должны быть соединены. Основные типы сварных соединений представлены на рисунке 3.1.
Стыковое соединение – тип соединения, при котором детали лежат в одной плоскости и примыкают друг к друг торцовыми
поверхностями.
Параллельное соединение – тип соединения, при котором
детали параллельны друг другу, например, при плакировании
взрывом.
Нахлесточное соединение – тип соединения, при котором
детали параллельны друг другу и частично перекрывают друг
друга.
Тавровое соединение под прямым углом – тип соединения, при котором детали сопрягаются под прямым углом (образуя
Т-образную форму).
Крестообразное соединение – тип соединения, при котором
две детали, лежащие в одной плоскости, примыкают под прямым
углом к третьей детали, лежащей между ними (образуя двойную
Т-образную форму).

88

Рисунок 3.1 − Основные типы сварных соединений
по ГОСТ Р ИСО 17659–2009

Тавровое соединение под острым углом – тип соединения,
при котором одна деталь примыкает к другой под острым углом.
Угловое соединение – тип соединения, при котором угол
между поверхностями двух деталей в месте примыкания кромок
от 30 до 135°.
Торцовое соединение – тип соединения, при котором угол
между поверхностями двух деталей в месте примыкания кромок
составляет от 0 до 30°.
Соединение нескольких деталей – тип соединения, при котором не менее трех деталей примыкают друг к другу под любым
углом.
Перекрестное соединение – тип соединения, при котором две
детали (например, проволоки) лежат друг на друге пересекаясь.
3.3. Свариваемость материалов
Свариваемость – свойство металлов образовывать соединение, отвечающее конструктивным и эксплуатационным требованиям. Свариваемость материалов – комплексное свойство и
определяется составом (прежде всего содержанием углерода) и
физическими свойствами материала, способом и режимом сварки, конструкцией сварного узла. Для оценки склонности металла
89

к появлению холодных трещин чаще всего используется углеродный эквивалент Сэкв, который является одним из основных
показателей, характеризующих свариваемость (таблица 3.1).
Таблица 3.1 − Группы свариваемости сталей
Группа
свариваемости

I – хорошая

II – удовлетворительная

III – ограниченная

IV – плохая

Марки сталей
углеродистые легированные
15Г, 20Г, 15Х,
Ст1, Ст2, Ст3,
15ХА, 20Х,
Без ограничений Ст4, 08; 10, 15,
15ХМ, 14ХГС,
≤ 0,25 выбора способов 20, 25, 12кп,
10ХСНД,
сварки
15кп, 16кп,
10ХГСНД,
18кп, 20кп
15ХСНД
12ХН2,
12ХНЗА,
Правильно
14Х2МР,
выбранный режим
0,25…
10Г2МР,
сварки, иногда
Ст5; 30, 35
0,35
20ХН3А, 20ХН,
предварительный
20ХГСА,
подогрев
25ХГСА, 30Х,
30ХМ
35Г, 40Г, 45Г,
40Г2, 35Х, 40Х,
45Х, 40ХН,
Предварительный
40ХМФА,
подогрев
0,35…
ЗОХГС,
до 250…400 °С
Ст6; 40, 45, 50
0,45
30ХГСА,
и отпуск после
30ХГСМ,
сварки
35ХМ,
20Х2Н4А, 4ХС,
12Х2Н4МА
Предварительный
50Г, 50Г2, 50Х,
и сопутствующий
50ХН,
подогрев, специ- 65, 70, 75, 80,
45ХНЗМФА,
>0,45 альные технологи- 85, У7, У8, У9,
6ХС, 7X3, 9ХС,
ческие процессы У10, У11, У12
8X3, 5ХНТ,
и последующая
5ХНВ
термообработка

Сэкв, % Условия сварки

ГОСТ 27772–2021 рекомендует для оценки свариваемости
проката для строительных конструкций следующую формулу:
90

Сэкв = С +Mn/6 + Si/24 + Сr/5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + Р/2,

(1)

где С, Mn, Si, Cr, Ni, Си, V и Р – массовые доли соответственно углерода,
марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %.

Если речь идет об опасности образования горячих трещин в
металле сварного шва, то оценить свариваемость стали по этому
критерию можно при помощи показателя HCS, вычисляемого по
формуле
Si Ni 

C  S+P+ + 
25 25 
HCS = 
.
3Mn+Cr+Mî+V

(2)

Если получившаяся величина HCS > 4, то возникает риск
образования горячих трещин. Однако, если выполняется сварка
высокопрочных сталей большой толщины, то риск возникновения данного дефекта сварного шва возникает уже при показателе
HCS > 1,6…2.
3.4. Электродуговая сварка
Электродуговая сварка – это технологический процесс, при
котором для расплавления кромок основного и присадочного материала используется тепло горения сварочной (электрической)
дуги, возникающей в месте сварки, схема процесса представлена
на рисунке 3.2.
Сварочная дуга – это стабильный электрический разряд в
ионизированной газовой среде. Ионизация дугового промежутка
происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения.
Процесс зажигания дуги состоит из нескольких этапов: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на
определенное расстояние, возникновение устойчивого разряда и
плавление материала электрода и заготовки.
Для зажигания дуги в воздухе необходимо определенное
электрическое напряжение: для стального электрода – 45…50 В;
для угольного – 55…65 В. После зажигания дуги напряжение падает до 16…20 В и 30…40 В соответственно.

91

Рисунок 3.2 – Схема процесса ручной дуговой сварки
(для прямой полярности):
1 – электрод; 2 – стержень электрода; 3 – обмазка электрода;
4 – катодная область (катодное пятно) при прямой полярности тока;
5 – капли расплавленного металла; 6 – столб дуги; 7 – анодная область
(анодное пятно) при прямой полярности тока; 8 – сварочная ванна;
9 – наплавленный металл c шлаковой коркой (шов); 10 – газовое облако;
11 – основной металл (свариваемые заготовки)

Температура столба дуги доходит до 6000…7000 °С, а в
анодно-катодных пятнах для металлических электродов –
2000…3000 оС.
Сварку электрической дугой подразделяют:
• по схеме воздействия дуги на металл: зависимые, независимые и комбинированные;
• по характеру участия электрода: с неплавящимся электродом, с плавящимся электродом;
• по характеру защиты от атмосферы (воздуха): открытые, в среде защитных газов, закрытые.
Питание сварочной дуги осуществляется от источника постоянного или переменного тока.
Сварка неплавящимся электродом (графитовым, вольфрамовым или угольным) – способ Бенардоса (рисунок 3.3 а) – применяется для сварки тонколистового материала, сварки чугуна,
наплавки твердых сплавов, дуговой резки.
Сварка металлическим плавящимся электродом с покрытием – способ Славянова (рисунок 3.3 б) применяется для сварки
конструкций и ремонтно-восстановительных работ с питанием от
источника переменного или постоянного тока (прямой или обратной полярности).
92

При сварке на постоянном токе прямой полярности (рисунок 3.4 в), когда изделие (анод) имеет положительный заряд,
электрод (катод) – отрицательный заряд, 48 % тепловой энергии
выделяется на изделии (аноде), 31 % – на электроде (катоде) и
21 % – в межэлектродном пространстве.
При применении прямой полярности деталь нагревается
больше, чем электрод, поэтому ее рекомендуют для сварки углеродистых и низколегированных сталей.
Сварка, с подсоединением минуса к изделию, а плюса к электроду, называется сваркой на обратной полярности (см. рисунок 3.4
в). При таком способе сварке большее количество тепла выделяется
на электроде. Применение схемы сварки с обратной полярностью
рекомендуется при сварке легированных сталей, чугуна, медных и
алюминиевых сплавов, а так же деталей малой толщины.

а

б
в
Рисунок 3.3 − Способы сварки:
а – Н. Н. Бенардоса; б – Н. Г. Славянова;
в – подключение при прямой и обратной полярности тока;
1 – дуга; 2 – электрод; 3 – электрододержатель; 4 – источник тока;
5 – заготовки; 6 – сварочная ванна; 7 – присадочный пруток

При сварке на переменном токе изделие и электрод попеременно служат то анодом, то катодом. Дуга, питаемая переменным
током, менее устойчива, так как ток в сети имеет частоту 50 Гц,
это означает, что он 100 раз в секунду меняет свое направление.
3.4.1. Источники сварочного тока
Источники для сварки на переменном токе
Сварочные трансформаторы преобразуют сетевое напряжение 220 или 380 В с частотой 50 или 60 Гц в пониженное, необходимое для сварки.
Достоинством трансформаторов является их низкая стоимость, они в 2−4 раза дешевле выпрямителей и в 6−10 раз дешевле
93

сварочных агрегатов одинаковой мощности. Они дешевле и в эксплуатации, имеют высокий коэффициент полезного действия
(около 0,7…0,9) и низкий удельный расход электроэнергии (около
2…4 кВт·ч на 1 кг расплавленного электродного металла). Трансформаторы проще в эксплуатации, легко поддаются ремонту.
Недостаток – низкая устойчивость горения дуги переменного тока.
Источники питания постоянного тока
Для сварки на постоянном токе применяются сварочные агрегаты, преобразователи, выпрямители и инверторы.
Сварочный агрегат состоит из сварочного генератора и
двигателя внутреннего сгорания.
Сварочный преобразователь состоит из сварочного генератора постоянного тока и асинхронного трехфазного двигателя.
Сварочный выпрямитель представляет собой аппарат,
преобразующий переменный ток в постоянный.
Инверторные источники тока
Инвертор представляет собой устройство, преобразующее
постоянный ток в переменный. Сварочный инверторный источник тока преобразует переменный ток в постоянный, далее − в
переменный ток повышенной частоты, и затем в постоянный.
Инверторные источники сварочного тока (рисунок 3.4 а) в сравнении с трансформаторами и выпрямителями имеют меньшую
инерционность, размеры и массу, улучшенные динамические
свойства.

Рисунок 3.4 − Принципиальная схема инверторного
сварочного источника тока

94

3.4.2. Сварочный пост
Сварочный пост – это рабочее место сварщика, оснащенное комплектом технологически связанного между собой оборудования, необходимыми приспособлениями и инструментом.
Сварочные посты могут быть стационарными (рисунок 3.5) или
передвижными.

Рисунок 3.5 − Схема планировки стационарного сварочного поста:
1 – источник питания дуги; 2 – заземление; 3 – рубильник (автоматический
выключатель); 4 и 5 – сварочные кабели (прямой и обратный);
6 – сварочный стол; 7 – вытяжная вентиляция; 8 – резиновый коврик;
9 – ящик для огарков; 10 – сварочный щиток (маска);
11 – электрододержатель; 12 – стул; 13 – электроды

Пост для сварочных работ имеет следующий комплект оборудования: стол для электродов и приспособлений; источник тока
для сварки; стул для сварщика; рубильник; вытяжная камера;
ящик для специального инструмента; сварочные кабели; горелку
или держатель электродов (в зависимости от способов сварки);
необходимые инструменты и приспособления; комплект средств
защиты для самого сварщика.
К сварочным постам предъявляется ряд требований:
• хорошее освещение;
• площадь не должна быть меньше 3 м2, а высота стен
должна превышать 2 м;
• стол для проведения работ сидя должен быть высотой
500…600 мм, а для работы стоя – примерно 900 мм;

95

• крышка стола должна иметь площадь 1 м2 и изготавливаться из стали толщиной 15…20 мм или чугуна 25 мм.
К столу прикрепляется токопроводящий кабель от источника питания. Неповоротные сварочные столы предназначены для
работы с мелкими и средними изделиями. Сварочные стационарные посты с вращающейся столешницей удобны при работе с мелкими деталями или при наложении швов по периметру.
Необходимо обязательно производить заземление всего
оборудования. Пол под ногами сварщика должен быть устлан резиновым ковриком. Кабину оборудуют местной вентиляцией,
обеспечивающей воздухообмен 40 м3/ч. Вентиляционный отсос
должен быть расположен так, чтобы выделяющиеся при сварке
газы отводились от сварщика.
Основным рабочим инструментом сварщика при ручной
сварке служит электрододержатель, который предназначен для
зажима электрода и провода сварочного тока. Применяют электрододержатели различных типов (рисунок 3.6). Для подвода тока
от источника питания к электрододержателю и изделию используют сварочные провода и токоподводящие зажимы (рисунок 3.7).

Рисунок 3.6 − Основные типы конструкций электрододержателей:
а – вилочные; б – пружинные; в – зажимные; г – безогарковые;
д – двухэлектродные; е – со стопорным кольцом

Технологические приспособления, используемые сварщиком, служат для:
• сборки деталей под сварку и фиксации их;
• сварки заранее собранных деталей;
• совмещения операции сборки и сварки.
96

а

б

в

Рисунок 3.7 − Токоподводящие зажимы:
а − пружинный; б − винтовой; в − приварной к столу

К вспомогательным инструментам для ручной сварки (рисунок 3.8) относятся:
• зачистной инструмент;
• пригоночный инструмент для подгонки соединяемых деталей;
• инструмент для перемещения и кантовки горячих деталей;
• инструмент для наладки сварочного и технологического
оборудования;
• средства измерений;
• зубило, набор шаблонов для проверки размеров швов,
стальное клеймо для клеймения швов, метр, стальная линейка,
отвес, угольник, чертилка, мел, а также ящик для хранения и переноски инструмента.

Рисунок 3.8 − Вспомогательный инструмент сварщика:
а – металлическая щетка; б − зубило; в − молоток-шлакоотделитель;
г − молоток; д − шаблон; е − секач; ж − клеймо; з − щетка;
и − угловая шлифовальная машина

Для защиты лица и глаз сварщика от лучей сварочной дуги и
брызг расплавленного металла во время сварки используются
сварочные щитки и маски, оборудованные светофильтрами и защитным стеклами, с градационными шифрами, представленными
в таблице 3.2.
97

98

Параметр
Расход газа,
дм3/ч
Градационный
шифр

Электроды
с покрытием
Дуговая сварка
в среде
активного газа
Дуговая сварка
вольфрамовым
электродом
в среде
инертного газа

Процесс

9

9
9

10

10

10

11

11

70…200
5

4

6

200…800
7

более 500

Газовая сварка и резка
газовая сварка (ацетиленовая)

8

до 70

8

8

12

5

900…2000

11

12

13

6

2000…4000

кислородная резка

12

13

14

7

4000…8000

13

14

Дуговая сварка
Ток, А
1,5 6 10 15 30 40 60 70 100 125 150 175 200 225 250 300 350 400 450 500 600

Таблица 3.2 – Градационные шифры сварочных светофильтров

3.4.3. Электроды для ручной дуговой сварки
Покрытые металлические электроды для ручной дуговой
сварки (далее электроды) изготавливают в соответствии с ГОСТ
9466−75 или ГОСТ ИСО 2560−2009, которыми установлены
классификация, размеры и общие технические требования. Электроды изготавливают из сварочной проволоки диаметром d
(1,6…12 мм) и длиной L (250…450 мм), на которую наносится
покрытие (рисунок 3.9). Составляющие этих покрытий стабилизируют горение дуги, увеличивая ионизацию межэлектродного
пространства, создают газовую и шлаковую защиту расплавленного металла от воздействия воздуха, раскисляют и легируют металл шва.
Покрытие электродов состоит из следующих компонентов:
• ионизирующие – стабилизируют горение дуги (мел, мрамор, полевой шпат, гранит и др.);
• газообразующие – создают газовое облако, защищающее
сварочную ванну от воздействия воздуха (мрамор, магнезит, древесная мука, крахмал, целлюлоза, декстрин и другие органические соединения);
• шлакообразующие – основа покрытия, защищают и очищают сварочную ванну от примесей, образуют шлаковые оболочки вокруг капель и на шве (марганцевая руда, титановая руда,
рутиловый концентрат, полевой шпат, кремнезем, каолин и другие окислы металлов и металлоидов);
• раскисляющие – служат для восстановления оксидов металлов сварочной ванны – элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо (ферросилиций, ферротитан, алюминий и др.);
• легирующие – могут добавляться для придания специальных свойств сварному шву, таких как жаростойкость, износостойкость, сопротивляемость коррозии (кобальт, никель, хром и
различные ферросплавы (ферромарганец, феррохром, ферросилиций);
• связывающие – жидкое стекло, применяют для связывания составляющих покрытия между собой и закрепления его на
стержне электрода.

99

Рисунок 3.9 − Электрод с покрытием (обмазкой):
1 – стержень; 2 – участок перехода; 3 – покрытие; 4 – контактный торец
без покрытия; d – диаметр электрода, мм; l – длина стержня без обмазки
для установки в держак; L – общая длина электрода;
D – диаметр электрода с обмазкой

Классификация электродов
1. По назначению:
У – для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с σв ≤ 600 МПа;
Л – для сварки легированных конструкционных сталей с σв >
600 МПа;
Т – для сварки легированных теплоустойчивых сталей;
В – для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами;
Н – для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами.
2. Разделение на типы и марки. При сварке углеродистых
и легированных конструкционных сталей электроды в соответствии с ГОСТ 9467−75 подразделяются на типы. Тип электродов
обозначается буквой «Э», затем следуют цифры, которые указывают прочность при растяжении наплавленного металла (σв в
кгс/мм2). Каждому типу электродов может соответствовать одна
или несколько марок электродов. Марка электрода дается разработчиком, и соответствует определенному типу обмазки.
3. По толщине покрытия. Электроды подразделяют по толщине покрытия в зависимости от отношения П = D/d (рисунок 3.10):
М – с тонким покрытием (П ≤ 1,2);
С – со средним покрытием (1,2 < П ≤1,45);
Д – с толстым покрытием (1,45 < П ≤1,8);
Г – с особо толстым покрытием (П > 1,8).
Тонкие покрытия электрода обеспечивают только устойчивое горение сварочной дуги, поэтому такие электроды применя100

ются для сварки неответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей. Электроды с остальными покрытиями обеспечивают устойчивое горение и получение сварных соединений с высокими механическими свойствами и поэтому называются качественными.

Рисунок 3.10 − Положения сварного шва при сварке
по ГОСТ Р ИСО 6947−2017:
РА – нижнее; PB – горизонтальное тавровых соединений и горизонтальное
при вертикальном положении осей труб; PC – горизонтальное;
PD – потолочное тавровых соединений и потолочное при вертикальном
положении осей труб; PE – потолочное; PF – вертикальное снизу вверх;
PG – вертикальное сверху вниз; PH – вертикальное снизу вверх (труба
неповоротная); PJ – вертикальное сверху вниз (труба неповоротная);
J–L045 – полувертикальное сверху вниз;
H–L045 – полувертикальное снизу вверх

4. На группы. В зависимости от требований к точности изготовления электродов, состоянию поверхности покрытия,
сплошности выполненного данными электродами металла шва и
содержания серы и фосфора в наплавленном металле электроды

101

разделяют на группы 1, 2 и 3. Требования растут от группы 1 к
группе 3.
5. По видам покрытия:
А – кислое, в основе которого оксиды железа и марганца,
кремнезем, ферромарганец. Такими электродами можно сваривать металл со ржавыми кромками, но при этом увеливается разбрызгивание металла ванны, в шве могут образовываться горячие
трещины;
Б – основное, содержащее плавиковый шпат, мрамор, мел.
Электроды с основным покрытием применяются для сварки металлов большой толщины и работающих в тяжелых эксплуатационных условиях; обеспечивается высокая пластичность, ударная
вязкость, пониженное содержание водорода;
Ц – целлюлозное, состоит в основном из органических материалов (целлюлоза, древесная мука, крахмал) и ферросплавов.
При сварке эти покрытия в основном создают газовую защиту;
пригодны для сварки во всех пространственных положениях, но
пластичность металла шва пониженная;
Р – рутиловое, содержит двуокись титана в виде рутила,
ильменит, ферромарганец и др. Электроды с рутиловым покрытием отличаются высокими технологическими свойствами, ими
можно сваривать во всех пространственных положениях, переменным и постоянным током;
П – покрытия прочих видов.
При покрытии смешанного типа используют соответствующее двойное обозначение. При наличии в составе покрытия железного порошка в количестве более 20 % к обозначению вида
покрытия электродов добавляется буква Ж.
6. По пространственному положению (рисунок 3.10). По
допустимым пространственным положениям сварки или наплавки электроды подразделяют:
1 – для всех положений;
2 – для всех положений, кроме вертикального;
3 – для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх;
4 – для нижнего.
7. По роду и полярности применяемого тока, а также по
номинальному напряжению холостого хода источника питания.
102

По этим показателям электроды обозначают цифрами от 0 до 9.
Например, цифрой 0 обозначают электроды, предназначенные для
сварки или наплавки только на постоянном токе обратной полярности; 4 – означает любую полярность постоянного тока и напряжение холостого хода источника переменного тока 70 В.
Условное обозначение электродов
Структура условного обозначения электродов приведена на
рисунке 3.11. Приведенное на схеме условное обозначение указывается на этикетках или в маркировке коробок, пачек и ящиков
с электродами. В документации на электроды их условное обозначение должно состоять из марки, диаметра, группы электродов и обозначения стандарта (ГОСТ 9466−75).

Рисунок 3.11 − Условное обозначение электродов

Пример условных обозначений:
Ý46À–ÓÎÍÈÈ–13/45–3,0–ÓÄ2
ÃÎÑÒ 9466 − 75, ÃÎÑÒ 9467 − 75
Å432(5)–Á10

Электроды типа Э46А по ГОСТ 9467–75, марки УОНИИ–
13/45, диаметром 3,0 мм, У – для сварки углеродистых и низколегированных сталей, Д – с толстым покрытием, 2-й группы, с
103

установленной по ГОСТ 9467–75 группой индексов 43 2(5), указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва
(σв – не менее 43 кгс/мм2, δ – не менее 22 %, критическая температура хрупкости Тх = –40 °С), Б – с основным покрытием, 1 –
для сварки во всех пространственных положениях, 0 – на постоянном токе обратной полярности.
Маркировка сварочных электродов по ГОСТ Р ИСО
2560−2009
По ГОСТ Р ИСО 2560−2009 используются два метода классификации для указания свойств металла шва при растяжении и
ударе:
• классификация по пределу текучести и энергии удара 47 Дж;
• классификация по пределу прочности при растяжении и
энергии удара 27 Дж.
Примеры обозначения при классификации по пределу
текучести и энергии удара 47 Дж
Обозначение покрытого электрода включает номер стандарта ГОСТ Р ИСО 2560−2009 и букву «А».
Обозначение такого электрода:
ГОСТ Р ИСО 2560–А–Е 46 3 1Ni B 5 3 H5.
Обязательная часть: ГОСТ Р ИСО 2560–А–Е 46 3 1Ni В, где
ГОСТ Р ИСО 2560–А – номер стандарта (классификация по пределу текучести и энергии удара 47 Дж); Металл шва, наплавленный покрытым электродом для ручной дуговой сварки (Е), имеет
минимальный предел текучести 460 МПа (46) и минимальное
среднее значение энергии удара 47 Дж при температуре минус
30 °С (3), химический состав: 1,1 г/100 г Mn и 0,7 г/100 г Ni (1Ni).
Покрытие электрода – основное (В). Электрод может быть использован на переменном и постоянном токах с эффективным переносом металла электрода 140 % (5) при сварке стыковых и угловых швов в нижнем положении (3). Содержание диффузионного
водорода в наплавленном металле определяется согласно ИСО
3690 и не превышает 5 мл/100 г наплавленного металла (Н5).
Пример обозначения при классификации по пределу
прочности при растяжении и энергии удара 27 Дж
Обозначение такого электрода:
ГОСТ Р ИСО 2560–B–E5518–N2 A U Н5.

104

Обязательная часть: ГОСТ Р ИСО 2560–В – E5518–N2 А,
где ГОСТ Р ИСО 2560–В – номер настоящего стандарта (классификация по пределу прочности при растяжении и энергии удара 27 Дж); металл шва, наплавленный покрытым электродом для
ручной дуговой сварки (Е), имеет минимальный предел прочности при растяжении 550 МПа (55) и отвечает требованию по
энергии удара в 47 Дж при температуре минус 40 °С (U) в состоянии после сварки. Энергия удара превышает 27 Дж при температуре минус 40 °С в состоянии после сварки (А). Химический состав: 1,1 г/100 г Mn и 1 г/100 г Ni (N2). Покрытие электрода – основное с железным порошком. Электрод может быть использован
на переменном и постоянном токе обратной полярности во всех
положениях, за исключением вертикального сверху вниз (18).
Содержание диффузионного водорода в наплавленном металле
определяется согласно ГОСТ 34061−2017 (ISO 3690:2012) и не
превышает 5 мл/100 г наплавленного металла (Н5).
3.4.4. Технология и техника ручной дуговой сварки
Свариваемое изделие укладывают на сварочный стол. Электрод голым концом зажимается в электрододержателе.
Техника зажигания дуги, следующая: при включенном токе
сварщик касается концом электрода заготовки, а затем быстро
отводит его на расстояние 2…4 мм, удерживая конец электрода
на требуемом расстоянии от изделия, добивается устойчивого горения дуги.
Дугу зажигают также скользящим движением конца электрода по поверхности свариваемого изделия (чирканьем) с быстрым отводом его на необходимое расстояние.
При медленном отрыве электрода он приваривается к изделию, при быстром отрыве – не успевает разогреть место контакта
и ионизировать межэлектродное пространство, и поэтому дуга не
загорается.
Режим сварки: диаметр электрода dэ, сила сварочного тока I,
длину дуги l, рабочее напряжение дуги U и скорость сварки V.
Диаметр электрода ориентировочно определяется по формуле
dý =
d / 2 + 1, ìì,

(3)

где d – толщина свариваемого металла.
105

Вертикальные, горизонтальные, потолочные швы и первый
слой многослойных швов независимо от толщины свариваемого
металла рекомендуют выполнять электродами диаметром до
4 мм. Если расчетный диаметр электрода получился больше 5 мм,
его принимают 3…4 мм, при этом необходимо выполнить разделку кромок соединяемых деталей (рисунок 3.12). Сила сварочного тока зависит от толщины свариваемого металла, от диаметра
электрода, типа сварного соединения, скорости сварки и при
сварке в нижнем положении выбирается по формуле
I = kdý , À,

где k – коэффициент плотности тока, равный при ручной электродуговой
сварке для металлических электродов 40…50 А/мм, для угольных – 5…8
А/мм, для графитовых – 18…20 А/мм.

Для электродов диаметром от 3 до 6 мм расчет производится
по эмпирической формуле академика Н. Н. Хренова:
=
I (20 + 6dý )dý , À.

При сварке на вертикальной плоскости ток уменьшают на
10…15 %, в потолочном положении – на 15…20 % по сравнению
с нижним положением.
Величина сварочного тока влияет не только на глубину провара, но и на форму шва. При ширине шва, равной 3…4 диаметрам электрода, форма шва наиболее благоприятна.
Длина дуги существенно влияет на качество шва. При увеличении длины дуги увеличивается разбрызгивание, ухудшается
защита сварочной ванны, металл шва интенсивно насыщается
кислородом и азотом воздуха, из-за чего могут появиться поры.
Длина дуги определяется по формуле
lд = (0,5…1,1)dэ, мм или lд = dэ/2 + 1, мм.

Напряжение при электродуговой сварке рассчитывается по
формуле
=
U U àê + U älä , В,
где Uак – падение напряжения в анодно-катодных пятнах, не зависящее от
длины дуги, равное 12…17 и 2…11 В на катодном и анодном пятнах соответственно; Uд – падение напряжения в дуге, зависящее от длины дуги и
равное 2…3 В на 1 мм длины дуги; lд – длина дуги в мм.
106

107

Fэ =δb+0,25(πR)2+
R(δ–R–c)+
0,5(δ–R–c)2tgβ+0,75eq
Fэ=δb+0,5(δ–
c)2tgβ+0,75qe

Fэ = δb+
0,25(δ–c)2tgβ+
+1,5qe

Fэ=0,5k2+1,05kq

Fэ=δb+(δ–c)2tgβ+0,75qe

Fэ = δb+0,75eq

Fэ=0,5k2+1,05kq

Рисунок 3.12 − Конструктивные элементы сварных швов (з, и, к)
и разделки кромок (а, б, в, г, д, е, ж) при сварке:
а – односторонняя одной кромки (δ < 10 мм); б – V-образная (δ < 16 мм); в – U-образная (δ < 20 мм); г – X-образная
(δ > 16 мм); д − двухсторонняя одной кромки; е − односторонняя одной кромки; ж − односторонняя двух кромок;
з, и, к − конструктивные элементы угловых, нахлесточных и стыковых соединений: α – угол разделки кромок (60…90°);
β – угол скоса кромок (30…50°); b – зазор (0…3 мм); c – притупление кромок (2…4 мм); 𝛿𝛿 – толщина свариваемого
металла; e – ширина шва; q – выпуклость шва; h – глубина провара; t – толщина шва (t = q + h); k – катет углового шва;
p – расчетная высота углового шва, a – толщина углового шва; Fо и Fэ – площадь основного и присадочного металла шва

Fэ =δb+
0,5(δ–c)2tgβ+1,5eq

Fэ=δb+(δ–c)2tgβ+0,75eq

Fэ=δb+0,5(δ–c)2tgβ+0,75qe

Скорость сварки для однопроходного шва находится как:
v=

KíI
, м/ч,
γFa

где Kн – коэффициент наплавки для качественных электродов составляет
8…12 г/А·ч; Fэ – площадь шва, наплавляемая за проход, мм2; γ – плотность
наплавленного металла, для стали 7,8 г/см3.

Для большинства марок электродов, используемых при сварке
конструкционных углеродистых и легированных сталей, напряжение дуги составляет 20…28 В. Напряжение зажигания дуги для постоянного тока равно 40…60 В; для переменного – 50…70 В.
Электрод во время сварки отклоняют в сторону движения на
угол 15…30º. Изменяя угол наклона электрода, можно регулировать глубину расплавления основного металла и влиять на скорость сварки и охлаждения наплавленного металла. При сварке
тонких листов накладывают шов в виде узкого валика (шириной
0,8…1,5 диаметра электрода).
Схема различных колебательных движений конца электрода
при обычных швах показана на рисунке 3.13. При таких швах конец электрода совершает три движения: поступательное вдоль
оси электрода, поступательное вдоль линии шва и поперечноколебательные движения. Последние улучшают прогрев кромок
шва, замедляют остывание ванны расплавленного металла,
устраняют непровар и обеспечивают получение однородного
шва. При сварке толстых листов применяют уширенные валики.
При обрыве дуги в металле образуется кратер, поэтому при
повторном зажигании дуги, например, при смене электрода, следует переплавить застывший металл кратера и только после этого
продолжать процесс сварки.
Заканчивают сварку заваркой кратера. Для этого электрод
держат неподвижно до естественного обрыва дуги или быстро
укорачивают дугу вплоть до частых коротких замыканий, а затем
быстро обрывают.
Сварку стыковых или угловых швов большого сечения выполняют несколькими слоями (рисунок 3.14). При этом каждый
слой средней и верхней части шва может выполняться за один проход (рисунок 3.14 б) или за два и более прохода (рисунок 3.14 в).

108

а

б

Рисунок 3.13 − Движения электрода при дуговой сварке:
а – движения торца электрода при сварке: 1 – поступательное – вдоль оси
электрода со скоростью его плавления для поддержания определенной
длины дуги; 2 – прямолинейное – вдоль оси шва со скоростью,
обеспечивающей качественное формирование шва; 3 – колебательное –
поперек оси шва для прогрева и проплавления кромок; б – колебательные
движения торца электрода

а

б

в

Рисунок 3.14 − Сварные швы:
а – однослойный однопроходный; б – многослойный (каждый слой за один
проход); в – многослойный (слой за несколько проходов);
I–IV – количество слоев сварных швов; 1−7 – количество проходов;
8 – подварочный шов

Стыковые швы без подготовки кромок сваривают наложением с одной стороны соединения уширенного валика с проплавлением кромок стыка по всей толщине. С обратной стороны после
удаления натеков металла и шлака шов подваривают узким валиком (подварочный шов).
Сварка вертикальных и горизонтальных швов на вертикальной плоскости труднее сварки швов в нижнем положении. Расплавленный металл шва под действием силы тяжести стремится
стекать вниз. Вертикальные швы сваривают главным образом
снизу вверх. Диаметр электрода не должен превышать 4…5 мм.
Электрод наклоняется вниз на 10…15°. Сварочный ток снижается
на 15…20 % по сравнению со сваркой в нижнем положении.
Сварка горизонтальных швов сложнее, чем сварка вертикальных,
и выполняется сварщиками высокой квалификации.
109

При сварке швов в потолочном положении опасность стекания металла увеличивается. Удержание ванночки расплавленного
металла достигается благодаря давлению дуги и силам поверхностного натяжения. Перенос капель металла с электрода на основной металл при потолочной сварке возможен только при короткой дуге с применением электродов диаметром 3…4 мм.
Наклон электрода к поверхности заготовки должен составлять
70…80° в направлении сварки.
3.5. Газовая сварка
Газовая сварка – процесс получения неразъемных соединений, при котором для расплавления кромок и присадочного материала используют теплоту реакций сгорания горючих газов в
кислороде (без внешнего давления).
Применяется для сварки тонколистовых материалов, углеродистых и цветных сплавов, цветных металлов, для пайки и
наплавочных работ. При увеличении толщины металла производительность газовой сварки резко снижается, а за счет медленного нагрева свариваемые изделия значительно деформируются.
Это ограничивает применение газовой сварки.
Качественный шов обеспечивается правильным выбором
режима сварки, к которому относятся:
• тепловая мощность (расход ацетилена);
• вид сварочного пламени (соотношение расхода ацетилена
и кислорода);
• расход кислорода;
• тип горелки;
• номер наконечника;
• диаметр присадочного прутка;
• способ сварки;
• угол наклона горелки;
• скорость сварки;
• марка (химический состав) присадочного материала и флюса.
Форма и строение пламени зависит от объемного соотношения компонентов в горючей смеси β (для ацетилена):
β = О2/С2Н2,

(1)

где О2 и С2Н2 – расход кислорода и ацетилена соответственно, л/ч.
110

По соотношению газов пламя подразделяют на нормальное
(β = 1…1,1), окислительное (β = 1,2…1,5), науглероживающее (β
≤ 1). Нормальное пламя используют для сварки большинства
низкоуглеродистых и низколегированных сталей, окислительное
– для сварки латуней, науглероживающее (восстановительное) –
для сварки высокоуглеродистых и высоколегированных сталей,
чугуна и наплавки быстрорежущих сталей и твердых сплавов.
Мощность сварочного пламени (или часовой расход горючего газа) М оценивают по расходу горючего газа – ацетилена:
М = kа𝛿𝛿, дм3/ч (л/ч),

где 𝛿𝛿 – толщина свариваемых кромок, мм; kа – коэффициент пропорциональности, представляющий удельный расход ацетилена, необходимый
для сварки данного металла толщиной 1 мм, дм3/ч⋅мм (л/ч⋅мм).

Коэффициент kа определяется экспериментально и зависит
от физико-химических свойств свариваемых металлов. Для нержавеющей стали kа = 70…80 дм3/ч⋅мм, для низкоуглеродистой
стали – 100…130 дм3/ч⋅мм, для высоколегированной стали и чугуна – 75…100 дм3/ч⋅мм, для меди – 160…200 дм3/ч⋅мм, для алюминия – 100…150 дм3/ч⋅мм.
По мощности пламени выбирают тип горелки и номер наконечника в соответствии с требуемым удельным расходом ацетилена в
дм3/ч на 1 мм толщины металла (таблица 3.3). Зная расход ацетилена
и тип пламени, можно определить расход кислорода по формуле (1).
По способу перемещения горелки вдоль шва различают левый и правый способы сварки (рисунок 3.15).
При левом способе (рисунок 3.15 а) горелку перемещают
справа налево, пламя направлено в сторону перемещения (от
шва), присадочная проволока должна находиться перед горелкой.
Левый способ применяется при толщине металла до 4…5 мм и
для металлов с пониженной (по сравнению со сталью) температурой плавления, а также при сварке вертикальных швов.
При правом способе (рисунок 3.15 б) горелку перемещают
слева направо, пламя направляют на шов навстречу перемещению,
что значительно повышает качество шва вследствие меньшей скорости охлаждения. Правая сварка применяется при толщине металла
более 5 мм. Производительность процесса сварки при правом спо111

собе на 20…25 % выше, а расход ацетилена на 15…25 % ниже и коробление металла меньше, чем при левом, за счет лучшего использования теплоты пламени и большей сосредоточенности нагрева.
Диаметр присадочной проволоки d выбирают в зависимости
от применяемого способа сварки и толщины 𝛿𝛿 свариваемого металла по следующим формулам:
• для левого способа:
d = 𝛿𝛿/2 + 1, мм;
• для правого способа: d = 𝛿𝛿/2, мм.

а

б

в

Рисунок 3.15 − Способы газовой сварки:
а – левый; б – правый; в – наклон горелки

При сварке изделий толщиной 𝛿𝛿 > 15 мм диаметр присадочного прутка принимают не более 6…8 мм.
Скорость нагрева металла регулируется изменением угла
наклона мундштука горелки (рисунок 3.15 в). Угол больше в
начале сварки, когда изделие «холодное», затем он уменьшается
до 30…40о. К концу сварки, когда кромки изделия сильно прогреты, во избежание пережога металла угол еще меньше.
Скорость сварки vсв, м/ч, может быть представлена в виде:
vсв = А/𝛿𝛿, м/ч,
где А, м·мм/ч – коэффициент, зависящий от свойств свариваемого материала и от его толщины, например, для стали средних толщин – 12…15, для
никеля – 9…11.

3.5.1. Оборудование для газовой сварки
Газосварочные посты, как и посты для ручной дуговой сварки, делятся на подвижные и стационарные, в зависимости от их
габаритов и мощности. Подвижные посты, в свою очередь, под112

разделяются на переносные и передвижные. Схема сварочного
поста для газовой сварки представлена на схеме (рисунок 3.16).

Рисунок 3.16 − Схема газопитания передвижного сварочного поста:
а − от ацетиленового генератора; б – от газовых баллонов;
1 – кислородный баллон; 2 – кислородный редуктор; 3 – ацетиленовый
генератор;4 – предохранительный затвор; 5 – шланги; 6 – горелка;
7 – ацетиленовый баллон; 8 – ацетиленовый редуктор

В состав средств технологического оснащения для осуществления газовой сварки входит описанное ниже оборудование, приспособления и инструменты.
Ацетиленовые генераторы – это устройства, для получения ацетилена (С2Н2), в результате реакции карбида кальция с водой (рисунок 3.17 а).
Предохранительные затворы применяют для предохранения
от взрыва ацетиленовых генераторов, а также газопроводов газосварочных постов в случае возникновения обратных ударов (рисунок
3.17 б).
Обратным ударом называется распространение горения газокислородной смеси внутрь горелки, а затем по шлангам к ацетиленовому генератору из-за понижения в нем давления.
Газовые баллоны. Ацетилен транспортируют в баллонах
емкостью 40 дм3 при давлении 1,9 МПа. Баллоны заполнены активированным березовым углем, пропитанным ацетоном (рисунок 3.17 в). В одном объеме ацетона растворяется ~23 объема
ацетилена. В баллоне содержится 5,5…6 м3 ацетилена. Максимальный отбор газа составляет 1,0 м3/ч. Баллоны с ацетиленом
окрашиваются в белый цвет.
Кислород перевозят в пустотелых цельнотянутых баллонах
вместимостью 40 дм3 под давлением 15 МПа. Кислородные баллоны окрашиваются в голубой цвет (рисунок 3.17 в).

113

114

Рисунок 3.17 − Оборудование для газовой сварки:
а – ацетиленовый генератор; б – предохранительный затвор;
в – газовые баллоны; г – ацетиленовая безинжекторная горелка; д – редуктор; е – манометр

Баллоны снабжены вентилями – запорными устройствами, которые позволяют сохранить в баллоне сжатый или сжиженный газ.
Редукторы (рисунок 3.17 д) предназначены для понижения
давления газа, отбираемого из баллона, до рабочего давления,
подаваемого в горелку или резак. Они бывают прямого и обратного действия. Более удобны в эксплуатации редукторы обратного действия. Корпус редуктора окрашивается в тот же цвет, что и
баллон: кислородный – в голубой, ацетиленовый – в белый.
Манометры служат для измерения давления газа (рисунок
3.17 е).
Соединительные рукава (шланги) служат для транспортировки газов от источников к горелке.
Газовые горелки. Из баллонов через редукторы кислород и
горючий газ раздельно поступают в сварочную горелку. Сварочной горелкой называется устройство, служащее для смешивания
горючего газа с кислородом и получения сварочного пламени.
Каждая горелка позволяет регулировать мощность, состав и форму сварочного пламени. Горелки классифицируются по назначению для сварки, резки, пайки, закалки, а по характеру смешивания топлива с кислородом бывают инжекторного и безинжекторного типа (рисунок 3.17 г). Характеристики ацетиленовых газовых горелок по ГОСТ 1077−79 представлены в таблице 3.3.
Таблица 3.3 − Технические характеристики газовых горелок
Рабочее давление
газов, МПа
Толщина
Тип горелки Мундштук
стали, мм Ацетилен Кислород
С2Н2
О2
0
0,2…0,5
Малой
1
0,5…1
мощности
2
1…2 0,001…0,1 0,15…0,25
Г2-04
3
2…4
4
4…6
Средней
5
7…11
мощности
6
11…18 0,001…0,1 0,15…0,35
Г3-03
7
18…30

115

Расход
горючего
газа, л/ч
30…50
60…125
125…230
230…400
400…620
700…950
1350…1750
1800…2500

3.6. Резка металлов
Резка металлов производится окислением (кислородная) или
плавлением.
Кислородная резка основана на способности некоторых металлов гореть в струе кислорода с выделением большого количества тепла. При резке нагревание производят газокислородным
пламенем. В качестве горючих газов при резке используют
ацетилен, пропан-бутан, природный газ, а также пары керосина.
Для протекания процесса термической резки окислением
необходимо выполнение следующих условий:
1) температура горения металла должна быть ниже
температуры его плавления;
2) температура плавления образующихся оксидов должна
быть ниже температуры плавления металла;
3) оксиды должны обладать хорошей жидкотекучестью и
легко удаляться из зоны реза продувкой воздухом или
кислородом;
4) количество теплоты, выделяющееся при оксидировании
металла, должно быть достаточным для поддержания процесса
резки;
5) для концентрации тепла теплопроводность металла
должна быть низкой.
Этим методом можно резать углеродистую сталь с содержанием до 0,7 % С и низколегированные конструкционные стали.
При резке высокоуглеродистых сталей требуется предварительный нагрев до 650…700 °С. Не поддаются газовой резке чугун; высоколегированные хромистые и хромоникелевые стали, цветные
сплавы, так как температура плавления оксидов выше температуры плавления металла.
Различают три типа кислородной резки: разделительная,
поверхностная и кислородным копьем.
При разделительной резке струя режущего кислорода
направлена перпендикулярно поверхности металла; используется
при раскройных работах. Сущность кислородной резки показана
на рисунке 3.18 а. Металлическая заготовка 3 предварительно
нагревается пламенем горелки 2 до температуры воспламенения
данного металла в кислороде. Затем на нагретое место направляют струю кислорода.
116

Процесс горения металла – образование оксидов, выдуваемых кислородом из зоны резки 4. Мощность подогревающего
пламени должна обеспечить быстрый нагрев металла до температуры воспламенения в начале резки и необходимый подогрев
этой зоны в процессе резки.
Мощность характеризуется расходом горючего газа в единицу времени и зависит от теплопроводности и химического состава металла, а также от его толщины. С увеличением толщины
реза расход горючего газа также увеличивается.
При оптимальных мощностях подогревающего пламени
длительность предварительного подогрева до пуска режущей
струи кислорода и начала горения составляет при толщине реза
10…20 мм примерно 3…10 с, а при толщине 100…200 мм –
25…40 с. Подогревающее пламя при резке заготовок толщиной
до 300 мм – восстановительное (нормальное). Резка проводится
при помощи универсального резака со сменными мундштуками
(рисунок 3.18 б). Основное отличие резака от газовой горелки в
том, что он имеет дополнительную часть, предназначенную для
подачи режущего кислорода.

а
б
Рисунок 3.18 − Схема газокислородной разделительной резки (а)
и ацетиленового резака (б):
1 – мундштук; 2 – головка; 3 – смесительная трубка; 4, 6 – трубка
и вентиль режущего кислорода; 5 – инжектор; 7 – накидная гайка;
8 и 9 − кислородный и ацетиленовый вентили

Для удаления дефектов на поверхности металлических заготовок применяют поверхностную резку, при которой струя
наклонена под малым углом к поверхности. Давление кислорода

117

для горелок − 0,3…1,4 МПа, а ацетилена − 0,2…1,0 МПа. В безинжекторных горелках кислород и ацетилен поступают под давлением регулируемым редуктором.
Резка плавлением – электродуговая производится угольными или стальными электродами при прямой полярности и повышенной силе тока (400…800 А). В отличие от газокислородной
резки разрез (рез) широкий и неровный. Применяется при монтажно-сборочных и ремонтных работах.
3.7. Дефекты сварных швов
Сварочные дефекты делятся на шесть групп: 1 – трещины;
2 – полости, поры; 3 – твердые включения; 4 – несплавления и
непровары; 5 – нарушение формы шва; 6 – прочие дефекты, не
включенные в вышеперечисленные группы.
Рассмотрим наиболее распространеные дефекты данных
групп.
Горячие трещины – хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердожидком состоянии в процессе кристаллизации (кристаллизационные трещины), а также в твердом состоянии при температурах
ниже температуры солидуса (подсолидусные трещины).
При кристаллизации жидкий металл шва сначала переходит
в жидко-твердое, а затем в твердо-жидкое и, наконец, в твердое
состояние.
Температурный интервал, в котором металл находится в
твердо-жидком состоянии, характеризуется очень низкой прочностью и пластичностью и называется температурным интервалом хрупкости. При охлаждении в этом температурном интервале, в связи с усадкой и линейным сокращением нагретого
металла, в шве начинают накапливаться внутренние деформации,
которые приводят к образованию горячих трещин. Образованию
горячих трещин в металле шва способствуют сера, углерод,
кремний, водород.
Холодные трещины получили свое название в связи с тем,
что их появление наблюдается при относительно низкой температуре. Для них характерен блестящий кристаллический излом
без следов высокотемпературного окисления.

118

Причины холодных трещин при сварке:
охрупчивание металла вследствие закалочных процессов
при быстром его охлаждении;
остаточные напряжения, возникающие в сварных соединениях;
повышенное содержание водорода в сварных швах;
большая толщина свариваемых элементов.
Методы борьбы с холодными трещинами основываются на
уменьшении степени подкалки металла, снятии остаточных
напряжений, ограничении содержания водорода.
Порами в сварном шве называют полости, заполненные газами.
Твердые включения ослабляют сечение шва, снижают его
прочность и становятся зонами концентрации напряжений. Твердыми включениями могут быть шлак и посторонние металлы
(например, вольфрам от неплавящегося электрода).
Несплавление – отсутствие соединения между металлом
сварного шва и основным металлом или между отдельными валиками сварного шва.
Непровар (неполный провар) – это несплавление основного металла по всей длине шва или на участке, возникающее
вследствие неспособности расплавленного металла проникнуть в
корень соединения.
Нарушение формы шва − отклонение формы наружных
поверхностей сварного шва или геометрии соединения от установленного значения.
Прожог – вытекание металла сварочной ванны, в результате
которого образуется сквозное отверстие в сварном шве.
При перегреве металл имеет крупнозернистое строение.
Чем крупнее зерна, тем меньше поверхность их сцепления и ниже
прочность и пластичность металла. Перегретый металл плохо сопротивляется ударным нагрузкам. Этот дефект можно исправить
термической обработкой.
Пережог характеризуется наличием в структуре металла
шва окисленных границ зерен, обладающих малым взаимным
сцеплением. Пережженный металл хрупок и не поддается исправлению.

119

Вопросы для самопроверки
1. Что называется сваркой материалов?
2. Что понимают под сварным соединением и какие типы
сварных соединений существуют?
3. По каким признакам классифицируются сварочные процессы?
4. Что понимают под свариваемостью материалов и что на
нее влияет?
5. На какие группы свариваемости в зависимости от Сэкв
подразделяют стали?
6. Что такое электрическая дуга и какое строение она имеет?
7. Какое оборудование применяется для ручной дуговой
сварки?
8. Как классифицируются и маркируются электроды для
ручной дуговой сварки?
9. Объясните назначение компонентов покрытий электродов.
10. Как назначаются основные технологические параметры
ручной дуговой сварки?
11. Какие положения сварного шва при сварке существуют?
12. Какие операции включает процесс подготовки кромок
соединяемых поверхностей заготовок под сварку?
13. Что такое газовая сварка и в чем ее отличия от ручной
дуговой?
14. Какой газ используется для сварки и почему?
15. Как устроены газовые баллоны для сварки?
16. Как выбрать тип сварочного пламени?
17. Опишите оборудование, необходимое для газовой сварки?
18. Какова технология и техника газовой сварки?
19. В чем отличие резки металлов плавлением и окислением?
20. Перечислите распространенные дефекты сварных соединений.

120

4. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Обработка металлов давлением (ОМД) – это процессы
получения заготовок и деталей машин из металлов методами пластического деформирования.
До 90 % металлических деталей в процессе изготовления
подвергаются обработке давлением. Продукция прокатнопрессового производства включает как самые тяжелые и сложные
изделия (роторы турбогенераторов, гребные винты морских судов, корпуса реакторов АЭС), так и мелкие товары повседневного
спроса (гвозди, крепеж, аэрозольные баллончики, заклепки и пуговицы).
Ответственные детали, например, колеса и оси железнодорожных вагонов, детали турбин самолетов, обязательно подвергаются обработке давлением.
Преимущества ОМД перед другими видами обработки металлов:
1) минимальный расход металла;
2) высокая производительность (особенно важно в массовом
производстве деталей металлорежущих станков, автомобилей,
сельскохозяйственной техники, товаров народного потребления);
3) достаточно высокая точность размеров поковок и качество поверхности;
4) улучшение структуры и повышение механических характеристик поковки.
4.1. Физические основы ОМД
Обработка металлов давлением возможна благодаря уникальной способности металлов к пластической деформации, т. е. к изменению формы без разрушения под действием внешних сил.
Под действием нагрузки в металле возникают напряжения.
Напряжением в механике называют отношение силы P к
площади сечения F, на которое она действует:
P
σ= .
F

Растущее напряжение вызывает в металле вначале упругую
деформацию, затем пластическую и, наконец, разрушение. К
121

хрупкому разрушению склонны металлы с ОЦК и ГПУ решетками, а с ГЦК – к вязкому (высокая пластичность).
Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки. Под
действием внешних сил атомы смещаются из положений равновесия в кристаллической решетке, а после снятия нагрузки возвращаются на свои места.
Пластическая деформация остается после снятия нагрузки. Атомы смещаются на значительные расстояния и занимают
новые устойчивые положения, что проявляется в виде сдвига одной части кристалла по отношению к другой.
Деформацию металла характеризует величина степени относительной деформации ε (рисунок 4.2):
ε = (hо – h1) / hо⋅100 %,
где hо – исходная высота образца, мм; h1 – высота образца после пластической деформации, мм.
4.1.1. Закономерности пластической деформации

Закон постоянства объема – объем тела до деформации равен его объему после деформации (рисунок 4.1):
Vçàãîòîâêè = Vïîêîâêè = h0 × l0 × b0 = h1 × l1 × b1 ,

где h0, l0, b0 и h1, l1, b1 − высота, длинна, ширина заготовки и поковки соответственно.

Этот закон используется для определения размеров заготовок.

Рисунок 4.1 − Постоянство объема

Закон наименьшего сопротивления – каждая точка деформируемого тела перемещается в направлении наименьшего
сопротивления. Используется для определения формы изделия
122

после обработки давлением. Бочкообразная форма поковки объясняется действием сил трения между заготовкой и бойками молота (см. рисунок 4.2).
h0

h1
а)

б)

Рисунок 4.2 − Закон наименьшего сопротивления:
теоретическая (а) и фактическая (б) формы поковки

Закон сдвигающего напряжения: в процессе обработки
металлов давлением необходимо достичь напряжения, достаточного для начала пластической деформации (предел текучести σт),
но меньшего, чем величина напряжения, при котором начинается
разрушение (предел прочности при растяжении σв): σт < σ < σв.
Закон подобия: при осуществлении в одинаковых условиях
одних и тех же процессов пластического деформирования геометрически подобных тел из одинакового материала отношение усилий деформирования равно квадрату, а отношение работ – кубу
отношений соответствующих линейных размеров (рисунок 4.3).

ℎ1 𝑙𝑙1 𝑏𝑏1
= =
ℎ2 𝑙𝑙2 𝑏𝑏2

Рисунок 4.3 − Иллюстрация к закону подобия

Этот закон позволяет приближенно определить усилия деформирования и работу, затраченную на деформацию.
4.1.2. Холодная и горячая пластическая деформация

В зависимости от температуры деформирования, различают
холодную и горячую обработку давлением.
123

Существует определенная температура, своя для каждого
металла и сплава, называемая температурой рекристаллизации
Тр, зависящая от температуры плавления Тпл:
• для металлов
Тр = 0,4∙Тпл
Тр = (0,6…0,7)∙Тпл,
• для сплавов

где Тпл – температура плавления (Тпл = tпл + 273), K; tпл – температура плавления, °С.

Температура рекристаллизации является границей между
областями горячей и холодной пластической деформации. Деформация при температурах ниже Tр называется холодной, а выше Tр – горячей.
В результате холодной пластической деформации возрастает
прочность и снижается пластичность (рисунок 4.4 а). Это явление
называется наклеп (нагартовка). Наклеп сопровождается изменением внутреннего строения металла. Зерна дробятся, меняют форму и вытягиваются в направлении течения металла (рисунок 4.4 в),
такая структура называется волокнистой. При этом, чем выше степень деформации, тем заметнее волокнистая структура.

а

б

в

г

Рисунок 4.4 − Влияние степени относительной деформации (а)
температуры нагрева (б) и на механические свойства, изменение
структуры при деформации (в) и рекристаллизации (г)
124

Для холодной пластической деформации (ХПД) нужно более
мощное оборудование, поскольку при этом возрастают прочностные
свойства. Поэтому ХПД при изготовлении деталей применяется в
основном только для пластичных металлов, заготовок малого сечения (листы, проволока), или в случае, если необходимо упрочнение.
При нагреве происходит переход наклепанного металла в
более стабильное состояние. Процессы, происходящие при
нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию.
При нагреве упрочненного чистого металла до температур
(0,25…0,30) Тпл происходит явление, называемое возвратом или
отдыхом. Возврат обеспечивает частичное снятие внутренних
напряжений, небольшое восстановление пластических свойств,
восстановление искаженной кристаллической решетки без изменения размеров и формы зерен (рисунок 4.4 б).
При нагреве упрочненного металла до температуры выше Тр
протекает процесс рекристаллизации, в результате которого образуются и растут новые равноосные зерна за счет деформированных
(рисунок 4.4 г). Свойства наклепанных металлов после рекристаллизации возвращаются в исходное (до деформации) состояние.
При горячей пластической деформации можно получить
большую степень деформации, поскольку прочность металла не
возрастает из-за непрерывного процесса рекристаллизации, при
этом уменьшается предел текучести σт, а сопротивление металла
деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при ХПД.
Прокатка, ковка, прессование, объемная штамповка обычно
выполняются способом горячей деформации. Однако в процессе
нагрева на металле образуется окалина (слой оксидов), что снижает качество поверхности и точность размеров.
4.2. Влияние различных факторов на пластичность металла
4.2.1. Влияние химического состава
Чистые металлы обладают более высокой пластичностью,
чем их сплавы. Компоненты сплава также влияют на его пластичность. С повышением содержания углерода в стали пластичность уменьшается (рисунок 4.5). Высокоуглеродистые стали
поддаются ковке хуже.
125

4.2.2. Влияние температуры на пластичность металла
Влияние температуры различно. Низко- и среднеуглеродистые стали с повышением температуры становятся более пластичными. При температурах, близких к температуре плавления,
пластичность резко снижается из-за возможного перегрева и пережога. Для углеродистых сталей в интервале температур
100…300 оС, называемом зоной синеломкости, пластичность несколько уменьшается, а прочность возрастает.
Температурный режим при горячей ОМД
Горячую пластическую деформацию необходимо начинать,
и заканчивать при температуре выше температуры рекристаллизации Tр. В процессе ковки или прокатки металл непрерывно
остывает, важно не дать ему остыть ниже Tр. Поэтому для каждого металла и сплава определяют температурный интервал обработки давлением: температуру начала и окончания горячей
пластической деформации (таблица 4.1).
Таблица 4.1 − Температурные интервалы начала и окончания ОМД
Марка материала
Ст1
Ст2
Ст3
Сталь У7, У8, У9
Сталь У10, У12, У13
Титановые сплавы
Медь
Медные сплавы
Дуралюмин

Температура ковки, °C
начала
окончания
1300
900
1250
850
1200
850
1150
800
1130
870
1100
900
1000
800
900
700
470
400

Температура начала деформации Тн должна быть на
100…200 ºС ниже температуры плавления. При нарушении этого
правила (завышении температуры) возможен брак: перегрев –
рост зерна в металле заготовки сверх допустимых значений, исправляемый термической обработкой – отжигом и пережог –
окисление границ зерен металла, неисправимый брак.

126

Температура начала ОМД ориентировочно подсчитывается
по формуле
Tí = (0,85...0,95)Ò ïë ,

где Tпл – температура плавления, ºС.

Температура окончания деформации Тк должна на
50…100 ºС превышать температуру рекристаллизации, чтобы не
допустить упрочнения металла.
Рассчитать температуру окончания деформации можно по
формуле
=
Tê 100(9,1 − 1,1Ñ)Ò ïë ,

где С – содержание углерода, %.

Температурный интервал обработки давлением углеродистых сталей представлен на рисунке 4.6. При этом температуру
нагрева заготовок ориентировочно определяют визуально по цветам каления. Цвета каления стали, соответствующие определенной температуре нагрева, приведены в таблице 4.2.

Рисунок 4.5 – Влияние углерода
на механические свойства стали

127

Рисунок 4.6 − Температурный
интервал горячей обработки
сталей давлением

Таблица 4.2 – Цвета каления при нагреве стали
Цвет каления
Температуpa, °C
темно-красный
680
темно-вишневый
740
вишневый
770
светло-вишневый
800
светло-красный
850

Цвет каления
Температуpa, °C
оранжевый
900
светло-оранжевый
980
желтый
1100
белый
1200
ярко-белый
1300

При нагреве и последующем охлаждении на чистой поверхности металлов появляются цвета побежалости – радужная
окраска, возникающая в результате образования на нем тонкого
слоя оксидов. Цвета побежалости, характерные для углеродистой
стали при нагреве от 220 до 350 ºС, меняются от бледносоломенного через бронзовый до пурпурного и фиолетового. На
легированных сталях эти цвета побежалости появляются при более высоких температурах.
4.3. Устройства для нагрева заготовок
Для нагрева заготовок при обработке металлов давлением в
машиностроении применяются следующие основные устройства.
Горн (рисунок 4.11) – устройство, в котором металл нагревается в непосредственном контакте с горящим топливом (коксом, древесным или каменным углем).
Камерная пламенная печь (рисунок 4.7 а) − нагревательное устройство, в котором источником тепла является факел, получаемый при сгорании природного газа или мазута. Имеет одинаковую температуру во всем рабочем пространстве.
Методическая пламенная печь (рисунок 4.7 б) состоит из
нескольких зон с постепенно повышающейся температурой. Заготовки в печи продвигаются с помощью толкательных механизмов или конвейера.
Щелевые печи – печи периодического действия для нагрева только концов прутков, имеют загрузочные окна в виде круглых отверстий.
Электрические печи сопротивления имеют нагревательные элементы в виде лент или спиралей вдоль всего рабочего
пространства (рисунок 4.7 в). Температурный режим поддерживается автоматически. По конструкции они могут быть как ка128

мерными, так и методическими. Окалины в них образуется
меньше, чем в пламенных печах.

а

б

в

г

д

Рисунок 4.7 – Устройства для нагрева заготовок:
а – камерная печь; б – методическая печь; в – электрическая печь
сопротивления; г – устройство индукционного нагрева; д – устройство
контактного нагрева; 1 – заготовки; 2 – индуктор; 3 – медный контакт;
4 – нагревательный элемент; 5 – огнеупорная кладка; 6 – теплоизоляция;
7 – подовая плита; 8 – форсунки; 9 – дымоход; 10 – окно; 11 – толкатель

Установки индукционного (рисунок 4.7 г) или контактного нагрева (рисунок 4.7 д) используются для нагрева больших
партий одинаковых заготовок, обычно простой геометрической
формы. Нагрев осуществляется наводимыми электрическими токами (индукционные) или проходящим непосредственно через
заготовку током (контактного типа).
4.4. Способы ОМД
Среди продукции ОМД наибольший объем приходится на
машиностроительные профили – это изделия с определенной
формой поперечного сечения. Длина профиля значительно больше поперечных размеров. Примеры профилей: рельсы, балки,
прутки, трубы, проволока. Классификация способов ОМД представлена на рисунок 4.8.
129

Прокатка (рисунок 4.9 а) – способ получения изделий 3 при
пластическом деформировании нагретой заготовки 1 между вращающимися валками 2. При этом силы трения между валками и
заготовкой втягивают ее в межвалковый зазор, а нормальные силы, перпендикулярные к поверхности валков, производят работу
по деформированию.
Выдавливание (прессование) (рисунок 4.9 б) – процесс
получения изделий 5 путем выдавливания нагретого металла 2 из
замкнутой полости (контейнера 3) через отверстие инструмента
(матрицы 4) пуансоном 1.
Волочение (рисунок 4.9 в) – изготовление профилей 3 путем протягивания заготовки 1 через постепенно сужающееся отверстие в инструменте – волоке 2.
Горячая объемная штамповка (рисунок 4.9 д) – процесс
получения изделий пластическим деформированием нагретой заготовки 2 с помощью специального инструмента – штампа 1 и 3.
При этом течение металла ограничено углублениями, выполненными в половинках штампа, которые, смыкаясь, образуют единую замкнутую полость – ручей.
Холодная листовая штамповка (рисунок 4.9 е) – это получение плоских и объемных изделий из заготовки 2 (листа, полосы
и ленты) пуансоном 1 в матрице 3.
ОМД
Получение заготовок
и деталей

Получение машиностроительных
профилей

Ковка

Прокатка

Горячая объемная штамповка

Прессование

Холодная листовая штамповка

Волочение

Рисунок 4.8 – Классификация способов обработки металлов давлением

130

Рисунок 4.9 − Способы ОМД

131

Ковкой (рисунок 4.9 г) называют получение изделий путем
последовательного деформирования нагретой заготовки 2 на
опорном инструменте 3 воздействием ударного инструмента 1.
Получаемую заготовку или готовое изделие называют поковкой.
Исходной заготовкой служат слябы или блюмы, сортовой
прокат простого сечения. Нагревают заготовки обычно в печах
камерного типа.
4.5. Ковка
4.5.1. Деформация при ковке
В процессе ковки деформация происходит по схеме свободного пластического течения металла между поверхностями инструмента. Деформирование может выполняться последовательно на отдельных участках заготовки, поэтому ее размеры могут
значительно превышать площадь ударного инструмента.
Ковка нашла наибольшее применение в единичном и мелкосерийном производстве, особенно для получения тяжелых поковок. Из слитков весом до 300 т можно получить изделия только
ковкой, например валы гидрогенераторов, турбинные диски, коленчатые валы судовых двигателей, валки прокатных станов.
Преимущества способа ковки:
• универсальность процесса, позволяющая получить самые
разнообразные изделия;
• простота инструмента;
• улучшение структуры металла в ходе ковки (волокнистая
деформированная структура в поковке при эксплуатации лучше
выдерживает нагрузку, чем зернистая литая).
Недостатки ковки:
• низкая производительность процесса;
• необходимость значительных припусков на механическую
обработку из-за невысокой точности способа;
• большая шероховатость поверхности получаемых деталей.
4.5.2. Организация рабочего помещения
кузнечной мастерской
Расположение оборудования в кузнице может быть различ132

ным, но оно должно обеспечивать удобство и безопасность работы. Ниже рассмотрим примеры расположения оборудования с
одним и четырьмя нагревательными устройствами для небольших, например, ремонтных производств.
Кузница на одну наковальню показана на рисунке 4.10 а.
У стены напротив входа устраивается горн с вентилятором. На
расстоянии 1,5…2 м от горна устанавливается наковальня, которую следует располагать так, чтобы ее рог находился слева от
кузнеца, когда он стоит спиной к горну. Вокруг наковальни
должно быть достаточно свободного места для работы молотобойца. Рядом с наковальней располагают бачок с водой для
охлаждения кузнечного инструмента и закалки изделий. Кузнечный инструмент размещается на металлическом столике с двумя
полками.
В углу около горна устанавливают ящик для хранения угля. У стенки размещают стуловые тиски, на которых производят высадку, гибку, закручивание. Рядом устанавливают слесарный верстак. В удобном месте хранят сухой песок для засыпки
мокрых мест на полу участка и тряпичные концы (ветошь) для
обтирки инструмента и других целей.
Расположение основного и вспомогательного оборудования,
а также инструмента в более крупной кузнице показано на рисунке 4.10 б.
Заточной станок (обдирочно-шлифовальный) располагают у стенки на достаточно большом расстоянии от наковальни.
Современные кузнечные мастерские обычно снабжаются небольшим пневматическим молотом с массой падающих частей
50, 75 или 100 кг.
Кузнечные участки часто оснащаются передвижными ручными ножницами для резки листового металла, правильной
чугунной плитой размером 1500×1000 мм, настольным сверлильным станком, сборочным столом, стеллажом для заготовок, а иногда и механической ножовкой для отрезки мерных заготовок из проката. Желательно иметь электросварочный аппарат
и угловую шлифовальную машину.
Техника безопасности
Все кузнечные работы относятся к работам повышенной
133

опасности, поэтому к одежде кузнецов, а также к инструментам и
оборудованию, используемым при ковке, предъявляются особые
требования.

а

б

Рисунок 4.10 – Пример размещения оборудования
и инструмента в кузнице:
а – с горном на одну наковальню; б – с горном на четыре огня:
1 – вентилятор; 2 – горн; 3 – стол для инструмента; 4 – бачок с водой;
5 – наковальня; 6 – шкаф; 7 – заточной станок; 8 – верстак; 9 – стуловые
тиски; 10 – ящик для угля; 11 – механическая ножовочная пила;
12 – стеллаж для заготовок; 13 – отрезной станок; 14 – пневматический
молот; 15 – щит пожарный; 16 – ящик с песком; 17 – вешалки для клещей;
18 – правильная плита

Одежда кузнеца делается из плотной ткани, куртка должна
закрывать поясную часть, брюки – верхнюю часть ботинок, фартук – грудь (длина фартука немного ниже колен). При работе
обязательны рукавицы, головной убор и предохранительный щиток для глаз.
На ударных инструментах и на их рукоятках не допускается наличие трещин, сколов и заусенцев. Пол на рабочем месте
должен быть ровным и сухим, не следует загромождать его заготовками, отходами и изделиями. В бачке для охлаждения инструмента всегда должна быть чистая вода, а в ящике с песком –
сухой песок.
На рабочем месте недопустимо присутствие лиц, не участвующих в работе. При выполнении работы надо быть внимательным, не отвлекаться на посторонние дела или разговоры и не отвлекать от работы других.
134

Инструмент, нагревшийся во время работы, охлаждают водой, а затем просушивают.
Перед ковкой удаляют окалину с заготовки металлической
щеткой, скребком или легкими ударами молотка. Поковку берут
клещами так, чтобы губки клещей плотно прилегали к ней. Укладывают заготовку на наковальню всей ее поверхностью.
При работе с молотобойцем следят, чтобы он стоял к кузнецу вполоборота, а не напротив него. Команды подают четко,
громким голосом и показывают ручником место удара.
Запрещены удары кувалдой по клещам, ручкам инструмента,
холостые удары кувалдой по наковальне. Окончание ковки производят по команде «стой», а не выносом поковки с наковальни.
Класть какой-либо инструмент на поковку или изменять ее положение разрешается только после предупреждения молотобойца.
При рубке металла зубило устанавливают строго вертикально. Рубку производят на краю наковальни, первые и последние удары делают слабыми. Отрубаемый конец поковки следует
направлять от себя.
4.5.3. Оборудование, инструменты
и приспособления
Оборудование кузницы
Кузнечный горн является устройством, служащим для
нагрева заготовок (рисунок 4.11). Горны могут иметь различную
конструкцию.
Основа стационарного горна – стол, где устраивается очаг
для нагрева заготовок (рисунок 4.11 б). В кузнице горн обычно
устанавливают по центру стены, противоположной входу (основной стены). Высота стола горна определяется ростом кузнеца,
удобством переноса заготовки из горна на наковальню и принимается равной 700…800 мм; обычные размеры поверхности стола
− 1,0×1,5 или 1,5×2,0 м. Поверхность стола горна выкладывается
из кирпича, пиленого камня или железобетона.
Центральное место стола занимает очаг, или горновое
гнездо (иногда предусматриваются два или более очагов). Центральное гнездо имеет в плане круглую или квадратную форму
размером 200×200 или 400×400 мм и глубиной 100…150 мм.
135

б

а

в

Рисунок 4.11 − Кузнечный горн (а), фурма с заслонкой (б)
и с заслонкой на воздухопроводе (в):
1 – стол; 2 – закладная плита; 3 – чаша горна (очаг);
4 – сито горна (колосниковая решетка); 5 – зольник; 6 – воздушная заслонка;
7 – рукоятка подачи воздуха; 8 – воздушная магистраль; 9 – вытяжка;
10 – кнопка пуска; 11 – рычаг управления подачей воздуха;
12 – заслонка; 13 – зольная камера; 14 – груз; 15 – фланец

На рисунке 4.11 б представлена принципиальная схема
устройства обычной фурмы нижнего дутья: воздух (от вентилятора или мехов) подводится через патрубок в корпус фурмы и через чугунную колосниковую решетку попадает в зону горения.
Регулирование количества подаваемого воздуха осуществляется
заслонкой в фурме или в воздухопроводе (рисунок 4.11 в). Для
очистки корпуса фурмы от золы и других отходов горения предназначена донная крышка.
Над стационарным горном для сбора и отвода из кузницы
дыма и газов устанавливается вытяжной зонт (рисунок 4.11).
Размеры нижнего входного отверстия зонта обычно соответствуют размерам стола горна. Зонты, как правило, изготавливают из
листового железа толщиной 0,5…1,5 мм.
Для нагрева заготовок кузнецы применяют различные виды
топлива: твердое, жидкое и газообразное.

136

Чаще всего для нагрева заготовок в кузницах используется
каменный уголь (антрацит). Причем желательно, чтобы уголь
был черного цвета, блестящий, размеры его кусков приблизительно должны соответствовать размерам грецкого ореха. Часто
применяется и кокс, который имеет высокую температуру сгорания. Можно использовать и дрова лиственных пород деревьев
(дуб, ясень, береза и др.), древесный уголь. В настоящее время в
кузнечных цехах широко применяются электропечи и печи, работающие на жидком или газообразном топливе.
Для ухода за горном необходимы угольная лопата, кочерга,
пика или ломик для пробивки спекшегося угля, метелка для
очистки горна от мелкой угольной и шлаковой пыли, брызгало
для смачивания угля при спекании купола (шапки) над очагом,
щипцы для угля. Перед началом работы горн следует хорошо вычистить, горновое гнездо или колосники, а также зольную камеру
освободить от остатков несгоревшего топлива и золы. В горновое
гнездо укладывают древесную щепу, бересту или другой легковоспламеняющийся материал, а сверху – дрова. Когда дрова разгорятся, включают поддув и небольшими порциями подкладывают топливо до тех пор, пока не образуется жаровой массив.
Кузнечные молоты пневматические, паровоздушные,
гидравлические и механические относятся к числу самого необходимого оборудования кузницы. Ковочный пневматический
молот – это машина ударного типа. Сжатие и разжатие молота
происходит за счет воздуха, подаваемого из компрессорного цилиндра, приводимого в движение электродвигателем. При машинной ковке используется специальный машинный инструмент,
приведенный на рисунке 4.12.
Наковальня – основной (опорный) инструмент кузницы
(рисунок 4.13). Современные наковальни изготавливают из стали 45Л методом литья массой от 10 до 270 кг.
Наковальни бывают разных типов: безрогие, однорогие,
двурогие. Наиболее удобна и универсальна в работе так называемая двурогая наковальня, приведенная на рисунке 4.13 (а)
(вверху слева). Верхняя горизонтальная шлифованная плоскость
у наковальни имеет термическое упрочнение (закалена) и называется лицом, или наличником, на ней выполняются все основные кузнечные работы. Боковые грани наковальни образуют с
137

лицевой поверхностью угол 90°, ребра наковальни должны быть
довольно острыми, без сколов и заминов. На ребрах проводят
гибку и раздачу материала, а также некоторые вспомогательные
операции.

Рисунок 4.12 – Пневматический кузнечный молот
и инструмент для машинной ковки:
а – плоские бойки; б – вырезные бойки; в – закругленные бойки;
г – обжимки; д – раскатки; е – пережимки; ж – патроны

Конический рог наковальни предназначен для радиусной
гибки полос и прутков, а также для раскатки и сварки кольцевых
заготовок. Между лицом и рогом имеется незакаленная площадка для рубки.
С противоположной стороны от рога расположен хвост, используемый для гибки и правки замкнутых прямоугольных изделий. В районе хвоста квадратное отверстие размером 35×35 мм,
которое применяется для установки подкладного инструмента –
нижняков. Около рога расположено круглое отверстие диаметром 15…25 мм для пробивки отверстий в заготовках.
Снизу у наковальни лапы, необходимые для крепления
наковальни (с помощью скоб) к деревянной колоде (рисунок 4.13 г)
или металлической подставке (рисунок 4.13 в).
Качественная наковальня издает высокий и чистый звук при
легком ударе молотком, а молоток при этом отскакивает со звоном.
Эскизно-графические работы выполняют на больших столах, так как некоторые элементы приходится прорисовывать в
натуральную величину. Для вычерчивания отдельных узлов и деталей может применяться кульман, а также различные подставки
для планшетов, шкафы для хранения эскизов и рисунков.
138

Кузнечные инструменты и приспособления
Шпераки являются опорным кузнечным инструментом, но
с меньшей массой, и имеют разнообразные формы. Их обычно
изготовляют сами кузнецы для определенного вида работ (рисунок 4.13 г).
Способы крепления шпераков также разнообразны: их можно вставлять в квадратное отверстие наковальни, зажимать в кузнечных тисках, а также забивать в деревянную колоду.

Рисунок 4.13 − Наковальни и шпераки:
а – безрогая, однорогая и двурогая наковальни; б – наковальня,
укрепленная на колоде; в – переносная наковальня; г – шпераки; 1 – лицо;
2 – квадратное отверстие; 3 – хвост; 4 – скобы; 5 – деревянная колода;
6 – лапы; 7 – конический рог; 8 – незакаленная площадка; 9 – круглое
отверстие; 10 – шперак, устанавливаемый на наковальню; 11 – шперак,
вбиваемый в колоду; 12 – шперак для мелких работ

К ударному инструменту относят ручники и кувалды
(рисунок 4.14).
Ручник (кузнечный молоток) – основной инструмент кузнеца, с помощью которого он кует небольшие изделия или
управляет процессом ковки с молотобойцами.
Рукоятки ручников делают из древесины лиственных пород
деревьев (граба, клена, кизила, березы, рябины, ясеня).

139

Кувалда – тяжелый (до 16 кг) ударный инструмент с плоскими бойками применяется при тяжелых кузнечных работах, при
необходимости значительных деформаций.
При работе кувалдой используют три вида ударов: легкие
(локтевые), средние, или плечевые (удар с плеча), сильные
(навесные), когда инструмент описывает в воздухе полный круг.
Навесными ударами работают молотобойцы при проковке заготовок большой массы и при кузнечной сварке массивных деталей.

Рисунок 4.14 − Ударный инструмент:
а − ручники; б, в – фасонные молотки; г − кувалда
1 – с шаровым задком; 2 – задок; 3 – бой; 4 – с клиновидным односторонним
задком; 5 – с двусторонним поперечным задком; 6 – клин

Для улучшения качества изготовляемых изделий и повышения производительности кузнецы часто применяют различный
подкладной инструмент, устанавливаемый под ударный инструмент или на наковальню. В качестве подкладного инструмента используются простые и фасонные кузнечные зубила,
пробойники, гладилки и раскатки (рисунок 4.15). На наковальню устанавливаются подсечки, конусные оправки, вилки для
гибки, гвоздильни, различные скобы и приспособления для
специальных видов ковки.
Применяется и парный подкладной инструмент, к которому относятся обжимки, подбойники, гвоздильни с шляпочными молотками, специальные штампы для фигурных изделий.
Кузнечные зубила бывают для рубки нагретых и холодных
заготовок. Зубила для холодной рубки делают более массивными, с углом заточки ножа 60°, ножи у зубил для горячей рубки
делаются более тонкими, с углом заточки 30° (рисунок 4.15 а).
140

Пробойники (бородки) предназначены для пробивки отверстий, создания различных углублений в сравнительно тонких
заготовках и для орнаментации изделий. В зависимости от формы
пробиваемых отверстий сечение бородка (рабочей части пробойника) может быть круглым, овальным, квадратным, прямоугольным или фасонным (рисунок 4.15 б).

Рисунок 4.15 − Подкладной инструмент:
а – зубила (1 – для поперечной рубки холодного металла;
2 – для поперечной рубки горячего металла; 3 – для продольной рубки;
4 – для рубки по радиусу; 5 – для фасонной рубки); б – пробойник
(изготовляют с круглым, квадратным и другими сечениями);
в – прошивни (конический и цилиндрический); г – гладилки; д – раскатки

Для пробивки отверстий в толстых заготовках применяют
прошивни и специальные пуансоны, которые отличаются от пробойников тем, что не имеют рукояток и удерживаются клещами
(рисунок 4.15 в).
Гладилки (рисунок 4.15 г) служат для выравнивания неровностей на поверхности поковки после обработки ее кувалдой или
ручником. Гладилки бывают с плоскими и цилиндрическими рабочими поверхностями различных размеров и формы. Для выравнивания больших плоскостей обычно применяют гладилки с
рабочей поверхностью размером 100×100 мм, для выравнивания
небольших поверхностей – гладилки размером 50×50 мм.
141

Раскатки предназначаются для ускорения раздачи (удлинения) металла вдоль и поперек оси заготовок, а также для выбивания цилиндрических пазов на заготовках и для орнаментации изделий (рисунок 4.16 д).
Подкладной инструмент, устанавливаемый на наковальню, снабжается хвостовиком квадратного сечения, который вставляется в соответствующее гнездо в наковальне (рисунок 4.16).

Рисунок 4.16 − Подкладной инструмент,
устанавливаемый на наковальне:
1 – подсечки; 2 – конусные оправки; 3 – вилка; 4, 5 – оправки

Подсечки применяют для рубки заготовок при помощи
ручника. Заготовку накладывают на лезвие подсечки и, ударяя по
ней ручником, отрубают необходимую часть. Угол заточки лезвия подсечки − 60°.
Конусные оправки служат для расширения отверстий в поковке, раздачи колец и выполнения гибочных операций.
Вилки используют для гибки и завивки заготовок. Кроме
того, к подкладным инструментам относятся различные оправки
для ковки уклонов, гибки и кузнечной сварки звеньев цепи.
Парный подкладной инструмент включает в себя нижний
инструмент (нижняк), который хвостовиком квадратного сечения вставляется в отверстие наковальни, и верхний инструмент
(верхняк), имеющий рукоятку для держания (рисунок 4.17 а).
К подкладному инструменту можно отнести и гвоздильную
плиту со специальными сквозными отверстиями разных размеров
для высадки головок гвоздей, болтов и заклепок (рисунок 4.17 б).
К этой группе относят обжимки (для придания предварительно откованной заготовке правильной цилиндрической, прямоугольной или многогранной формы) и подбойки (для продольной или поперечной раздачи металла).

142

Рисунок 4.17 − Парный подкладной инструмент:
а – обжимки (1–3) и подбойка (4); б – приспособления для высадки
гвоздей, болтов, заклепок

Для зажима раскаленных заготовок служат стуловые тиски
(рисунок 4.18 б) и различные струбцины.
Для работы с раскаленным металлом используют клещи. По
форме губок клещи делятся на продольные, поперечные, продольно-поперечные и специальные. Кузнечные клещи (рисунок
4.18 а) должны быть легкими, с пружинящими рукоятками, для
надежного удержания поковок во время работы рукоятки клещей
могут стягиваться специальным зажимным кольцом – шпандырем. Если клещи неплотно захватывают заготовку, то губки клещей нагревают в горне и, захватив ими заготовку, обжимают
ручником.
Средства измерений
Меры и измерительные приборы, применяемые в кузнечном
деле, подразделяют на универсальные, специальные и шаблоны.
Для измерения заготовок и изделий в кузнице применяют
стальные линейки длиной 250, 500 и 1000 мм, металлические метры, штангенциркули, угольники и др. При выполнении массовой
продукции широко используют различные шаблоны и калибры.
К специальным приборам для измерения длин и диаметров
поковок относятся кронциркули, а для определения внутренних
размеров – нутромеры.
143

Рисунок 4.18 − Кузнечные клещи (а) и стуловые тиски (б):
1 – рукоятка; 2 – зажимное кольцо; 3 – заклепки; 4 – губки;
5 – заготовка; 6 – петля

4.5.4. Операции ковки
Процесс придания заготовке требуемой формы при ковке
состоит из элементарных действий – технологических приемов
(переходов), каждый из которых может являться отдельной операцией.
Разделительные операции
К разделительным относятся операции ковки, в результате
которых происходит полное или частичное отделение одной части заготовки от другой.
Разрубка (рисунок 4.19) – кузнечная операция, с помощью
которой поковку разделяют на части. Для этого используют кузнечные и слесарные зубила, а в некоторых случаях и другие кузнечные инструменты и приспособления. Рубку металла выполняют как в нагретом, так и в холодном состоянии. Различают: обрубку – отделение металла по наружному контуру; вырубку –
отделение металла по внутреннему контуру.
Обрезка – удаление излишков (устранение заусенцев и других подобных дефектов) металла путем сдвига.
Пробивка – образование в заготовке отверстия или паза путем сдвига с удалением части металла в отход. Операцию выпол144

няют с помощью пробойников (бородков), имеющих различную
форму рабочей части, в некоторых случаях используют зубила и
оправки (рисунок 4.20).
Проколка – образование в заготовке отверстия без удаления металла в отход (рисунок 4.21).

Рисунок 4.20 − Пробивка

Рисунок 4.19 − Разделительные
операции:
а – отрубка при помощи зубила;
Рисунок 4.21 − Проколка
б – отрубка при помощи зубила и подсечки;
отверстий:
в – разрубка отщепов в тисках;
1 – предварительная проколка;
г – продольная разрубка;
2 – раздача; 3 – калибровка
д – вырубка (просечка)

Формоизменяющие операции
Ниже представлены операции ковки, в результате которых изменяется форма заготовки путем пластического деформирования.
Прошивка – образование несквозной полости в заготовке за
счет свободного вытеснения металла. Прошивка и проколка осуществляется специальными прошивнями обычно с двух сторон
заготовки на подкладном кольце.
Осадка (рисунок 4.22 а) – это операция уменьшения высоты
заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения. При
осадке заготовку нагревают, ставят вертикально на наковальню и
наносят удары по верхнему концу (торцу).
Высадка – осадка части заготовки (рисунок 4.22 б, в, г, д, е).
Длина поковки или нагретой части заготовки при высадке не
должна превышать 2…2,5 диаметра заготовки, иначе она изогнется.
145

Разгонка – увеличение размеров в плане (ширины) заготовки или ее части за счет уменьшения толщины.
В процессе кузнечной протяжки (рисунок 4.23) увеличивают длину заготовки.

Рисунок 4.22 − Осадка и высадка:
а – осадка цилиндрической заготовки;
б, в – высадка верхней и нижней
частей заготовки; г – высадка конца
плоской заготовки;
д – высадка средней части заготовки;
е – высадка головки в гвоздильне

Рисунок 4.23 − Кузнечная
протяжка:
а – на ребре наковальни;
б – при помощи задка кувалды;
в – на подбойке; г – на парной
подбойке; д – с верхней
подбойкой; е – при помощи
гладилки; ж – в оправках

Гибка – операция, при которой заготовке или ее части придают изогнутую форму. Заготовка может быть как в холодном,
так и в горячем состоянии, в зависимости от ее толщины и профиля, а также формы изгиба. Гибку выполняют на наковальне
(рисунок 4.24, 1), в тисках или на иных приспособлениях (рисунок 4.24, 2–6 и рисунок 4.25). При гибке заготовки под прямым
углом ее нагревают и укладывают на край наковальни, прижимают кувалдой и загибают выступающий конец ручником. При
этом в месте изгиба уменьшается поперечное сечение.

146

Рисунок 4.24 − Гибка
под прямым углом:
1 – на наковальне; 2 – на V-образной
оправке; 3 – на скобе; 4 – на выступе;
5 – на вилке; 6 – на плите со съемными
штырями
Рисунок 4.25 − Гибка по радиусу:
1 – на роге наковальни;
2 – в приспособлении;
3 – в вилке; 4 – в вилке;
5 – на радиусной вставке;
6 – на спирали с приподнятой
центральной частью
(на кондукторе); 7 – на оправке;
8 – на клине

Рисунок 4.26 − Раздача колец
на роге наковальни

а
б
Рисунок 4.27 − Передача (а) и скручивание заготовок (б)

Раскатку на оправке, роге шперака или наковальни применяют при изготовлении неразъемных колец, обечаек, обручей
(рисунок 4.26). В процессе раздачи увеличивается внутренний и
внешний диаметр колец, но уменьшается их поперечное сечение.
Мелкие заготовки можно раздать на конусах и оправках, вставляемых в отверстие наковальни.
Передача – операция, при выполнении которой смещают одну
часть заготовки относительно другой при сохранении параллельности осей или плоскостей частей заготовки (рисунок 4.27 а).
147

Для заготовок небольшой толщины эту операцию выполняют с помощью двух пластин. Пластину 1 кладут на наличник
наковальни, а на нее нагретую заготовку 2, которую удерживают
кувалдой 3. На зависшую часть кладут другую пластину 4, по ней
ударяют молотком или кувалдой и получают требуемое смещение одной части заготовки относительно другой.
Скручиванием (торсировкой) осуществляют поворот части заготовки вокруг продольной оси (рисунок 4.27 б). Скручиванием получают поковки спиральной формы из плоских заготовок,
например спиральные сверла и т. п.
Скручивание, как кузнечная операция, часто выполняется
после операции передачи. Например, при ковке коленчатых валов
сначала выполняют передачей смещение шеек вала, а затем эти
шейки скручивают на требуемый угол.
Перед скручиванием заготовку отжигают, охлаждая в золе
или дав ей остыть вместе с горном в угле. Затем размечают место
скручивания, один конец зажимают в тисках или вставляют в паз
гребенки соответствующего размера, а на другой надевают вороток и проворачивают на нужное количество оборотов.
Свивание. К операции скручивания относится и свивание
нескольких тонких, сваренных по концам прутков, и разрубленных вдоль оси заготовок.
Пережимом формируют углубления или уменьшают сечения в заготовках путем внедрения инструмента.
Обкатка – сбивка углов с помощью кузнечного инструмента. Деформируют углы у заготовок квадратного или прямоугольного сечения до образования формы сечения, близкой к
окружности.
Правкой устраняют искажения форм заготовки пластическим деформированием. Поковки правят в горячем или холодном
состоянии, для чего кладут их на наличник наковальни или на
правильную плиту и наносят удары молотком или кувалдой по
соответствующим местам и в требуемом направлении.
Проглаживанием устраняют неровности поверхностей заготовки с помощью гладилок. При этом заготовки должны быть
нагреты не выше 900 °С. На них ставят гладилки, по гладилкам
наносят быстрые несильные удары с перестановкой их в направлении, перпендикулярном направлению протяжки. Проглажива148

ние следует заканчивать при температуре несколько выше температуры рекристаллизации, чтобы избежать наклепа.
При калибровке проглаживают внутренние поверхности
путем деформирования кузнечным инструментом и правят их.
Операция калибровки выполняется так же, как операция раздачи
отверстий после их прошивки или пробивки.
Кузнечная сварка
Кузнечная сварка – сварка давлением, при которой заготовки нагреваются в печи, а шов получается в результате ударов
ручником, кувалдой, молотом или приложением другой импульсной силы, достаточной для пластической деформации сопрягаемых поверхностей. Этим способом лучше свариваются стали, содержащие менее 0,3 % С. При сварке высокоуглеродистых сталей
необходимо добавлять к сварочному флюсу опилки низкоуглеродистой стали.
Существует несколько способов кузнечной сварки: внахлест, вразруб, встык и врасщеп (рисунок 4.28). Перед сваркой
необходимо подготовить свариваемые кромки заготовок, т. е. высадить концы заготовок. Температура нагрева стальных заготовок
− примерно 1300…1350 °С, этой температуре соответствует цвет
белого каления. При таком нагреве с поверхности металла начинают разбрызгиваться блестящие звездочки, а поверхность металла как бы увлажняется – железо «потеет». Для уменьшения
образования окалины, препятствующей сварке, а также для
предохранения металла от пережога заготовку посыпают флюсом: кварцевым песком, бурой или поваренной солью. Для улучшения свариваемости к флюсу добавляют порошок марганца.
Нагретые под сварку заготовки извлекают из горна, сбивают с
них шлак, окалину и, сложив подготовленными местами, начинают наносить по этим местам легкие и частые удары от середины к краям, постепенно увеличивая силу удара. При кузнечной
сварке необходимо соблюдать особую осторожность, так как горячие шлак и окалина при ударах разлетаются.

149

Рисунок 4.28 − Способы сварки:
а − внахлест; б – вразруб; в – встык; г – вращеп;
д, е – сварка взамок

4.5.5. Охлаждение поковок
Охлаждение поковок после ковки является таким же важным процессом, как и их нагрев. Охлаждение поковок начинается
сразу же после выемки их из очага горна или нагревательной печи и происходит постоянно в процессе ковки и после ковки до
температуры окружающей среды.
Поковки, получаемые ручной ковкой из углеродистых сталей обыкновенного качества, после ковки обычно охлаждают на
спокойном воздухе. Иногда их охлаждение ускоряют с помощью
струй воздуха или помещая в воду (рисунок 4.29) после предварительного охлаждения до температуры 700 °С (темно-вишневый
цвет каления). При термической обработке (рисунок 4.29) скорость охлаждения поковок можно регулировать, используя различные охлаждающие среды.

Рисунок 4.29 − Способы погружения деталей в охлаждающую жидкость:
1 – зубило; 2 – зуб барабана молотилки; 3 – топор; 4 – лемех; 5 – сверло;
6, 9, 10 – фрезы; 7 − напильник; 8 – плоскогубцы; 11 – дисковые пилы

Поковки сложной конфигурации и больших размеров из углеродистых и легированных качественных, инструментальных
сталей необходимо охлаждать медленно, так как из-за их габаритов при быстром охлаждении в них могут образоваться трещины.

150

Снизить скорость охлаждения поковок можно, охлаждая их
в песке или под шлаком сразу же после ковки.
4.5.6. Очистка поковок
Окалина, образовавшаяся на поверхности поковок в процессе нагрева на воздухе и при термической обработке, скрывает
внешние дефекты поковок. При последующей механической обработке окалина действует как абразив и вызывает быстрое изнашивание режущего инструмента, загрязнение станков и увеличивает скорость изнашивания соприкасающихся с ней деталей.
Поэтому окалину с поверхностей поковок удаляют различными
способами.
Простейшим способом очистки поковок от окалины является сбивание окалины молотком с помощью зубила и металлической щетки.
При галтовке поковки несложной формы и массой до 20 кг
загружаются в цилиндрический барабан. Барабан закрывается и
вращается, поковки ударяются друг о друга, и окалина с них сбивается. Для смягчения ударов и активизации очистки в барабан
часто добавляют специальные металлические звездочки, шарики,
гравий, щебень, фарфоровую крошку и др.
Дробеметная (дробеструйная) очистка заключается в использовании кинетической энергии чугунной или стальной дроби
диаметром 0,5...2 мм, которая из дробеметного (дробеструйного)
аппарата вылетает с большой скоростью, сильно ударяется о поверхности поковок и сбивает окалину. Способ эффективен даже
при очистке поковок сложной конфигурации.
В настоящее время наиболее широко используемым инструментом в штучном и мелкосерийном производстве для
очистки деталей является угловая шлифовальная машина (далее – УШМ), которая состоит из пускового выключателя 1 (рисунок 4.30 а) или тягового преобразователя, служащих для управления включением асинхронного электродвигателя, вращение с
которого передается через коническую зубчатую передачу (редуктор 2) на шпиндель 3. Кроме того УШМ состоит из кнопки
фиксации шпинделя 4, корпуса 5, защитного кожуха 6, рукоятки
манипулирования 7 и шнура питания 8. Некоторые модели оснащены регулятором угловой скорости.
151

В качестве сменного инструмента используются специальные диски (круги) 9 (рисунок 4.30 б, в, г, д) и щетки (рисунок
4.30 ж), закрепляемые резьбовым креплением на шпиндель
УШМ.

б

в

г

д

е

ж

а

Рисунок 4.30 – УШМ и сменные диски к ней:
а – УШМ; б − абразивный; в – с абразивом на основе сетки из нейлонового
волокна; г − лепестковый; д – фибровый, закрепляемый на опорной
тарелке; е – резиновая опорная тарелка; ж – корщетка

Существуют круги для обработки различных материалов, в
том числе сталей, алюминиевых сплавов, камня, керамической
плитки и др.
Торцевые лепестковые круги предназначены для шлифования поверхностей деталей. Щетки предназначены для чистки поверхностей от загрязнений, выполняются из стали, латуни или
нейлона. Латунные щетки мягче и быстрее истираются, но они не
искрят и не оставляют царапин на стальных поверхностях. Работать с УШМ необходимо в защитных очках, соблюдая технику
безопасности.
Травление – химическое воздействие водных (спиртовых)
растворов соляной и серной кислот на окалину и металл под ним,
окалина растворяется, как и небольшой слой основного металла
под ним. При этом различные фазы, входящие в структуру стали,
имеют различную скорость растворения, в результате чего на поверхности поковок образуется микрорельеф. Для травления углеродистой стали используют следующие составы.
152

Первый состав: 200 г серной кислоты, 50 г поваренной соли
и 10 г кровяной соли (гексацианоферрат (III) калия) на 1 л воды.
Второй состав: 150 г соляной кислоты и 10 г кровяной соли
на 1 л воды.
Наилучшие результаты получают при подогреве первого состава до 50...60 °С, второго до 30...40 °С. После удаления окалины поковки промывают в горячей воде при 85...90 °С, нейтрализуют в щелочном растворе и снова промывают в воде.
4.5.7. Дефекты поковок
Дефекты могут быть зависящие и независящие от кузнеца, исправимые и неисправимые.
Зависящими от кузнеца называются дефекты, которые появляются в результате несоблюдения режимов нагрева и охлаждения поковок, применения неисправного инструмента и нарушения приемов ковки и режимов термообработки.
К независящим от кузнеца дефектам относятся внешние
(волосовины) и внутренние (флокены и неметаллические включения).
К исправимым дефектам относятся небольшие трещины,
зажимы, складки, вмятины, плены с глубиной в пределах припусков на механическую обработку, а также перегрев и небольшие
коробления.
К неисправимым дефектам относятся глубокие трещины,
крупные складки и зажимы, вмятины глубже припусков, пережог
металла, получение поковок с уменьшенными размерами, относительно заданных на чертеже, растрескивание после термообработки и др.
Вопросы для самопроверки
1. Что понимают под термином «напряжение» в механике?
2. В чем отличие упругой деформации от пластической?
3. Назовите закономерности пластической деформации.
4. Чем отличается холодная и горячая обработка металлов
давлением?
5. Что такое наклеп?
6. Для чего применяется рекристаллизационный отжиг?

153

7. Какие факторы влияют на пластичность сплавов и сопротивление деформированию?
8. Перечислите и дайте характеристику способов обработки
металлов давлением.
9. Что такое температурный интервал обработки металлов
давлением?
10. Как выбирают температуру начала и конца горячей обработки стали давлением?
11. Как по цветам каления определить температуру нагрева
стали?
12. Что такое цвета побежалости стали и что можно по ним
определить?
13. Какие устройства применяются для нагрева сплавов при
обработке давлением?
14. Что такое перегрев и как его устранить?
15. Что такое пережог?
16. Чем ковка отличается от других способов обработки давлением?
17. Какие преимущества и недостатки имеет способ ковки?
18. Перечислите оборудование необходимое для ковки.
19. Какие инструменты применяются при ковке?
20. Дайте характеристику основным операциям ковки.
21. Какова технология кузнечной сварки?
22. Какими способами поковки очищаются от окалины?

154

Библиографический список
1. Гини Э. Г. Технология литейного производства: Специальные виды литья : учебник для студентов высших учебных заведений. М. : Издат. центр «Академия», 2005. 350 с.
2. Джемилев Н. К., Илюшин В. В. Разработка технологии
получения отливок в песчано-глинистых формах: методические
указания. Екатеринбург : УГЛТУ, 2012. 23 с.
3. Зотов Б. Н. Художественное литье : Учебное пособие для
сред. ПТУ. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1988.
302 с.
4. Лосев В. А., Юхин Н. А. Иллюстрированное пособие
сварщика. М. : Соуэло, 2000. 60 с.
5. Молчанов Б. А., Латыпов Р. А. Технология сварки плавлением, наплавки и термической резки: Учебное пособие для вузов. М. : МГВМИ, 2011. 208 с.
6. Навроцкий А. Г., Белоглазова М. В. Наследники Гефеста. М. : Знание, 1990. (Новое в жизни, науке, технике. Сер.
«Сделай сам»; № 1).
7. Основы производства и обработки металлов. Версия 1.0
[Электронный ресурс] : лаб. практикум / А. И. Булгакова, И. Л.
Константинов, Т. Р. Гильманшина, Т. Н. Степанова. Электрон.
дан. (3 Мб). Красноярск : ИПК СФУ, 2008.
8. Оськин В. А., Евсиков В. В. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по специальности
110300 «Агроинженерия». М. : КолосС, 2007. 446 с.
9. Оськин В. А., Серов А. В., Соколова В. М. Пособие по
проведению сварочных работ: методические указания. М. : Издво РГАУ–МСХА им. К. А. Тимирязева, 2015. 64 с.
10. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов: Учебное пособие для студентов, осваивающих образовательные программы бакалавриата по направлению
подготовки «Агроинженерия» / [В. А. Оськин и др.]; Под ред. В. А.
Оськина, В. Н. Байкаловой. М. : Бибком: Транслог, 2015. 397 с.
11. Серов А. В., Соколова В. М. Ковка: методические рекомендации. М. : Изд-во РГАУ–МСХА, 2016. 56 с.

155

12. Серов А. В., Соколова В. М. Литейное производство:
Учебное пособие. М. : Изд-во РГАУ–МСХА, 2016. 140 с.
13. Серов А. В., Соколова В. М. Разработка технологических процессов ручной дуговой и газовой сварки: Методические
указания. М. : Изд-во РГАУ–МСХА, 2016. 56 с.
14. Справочник электрогазосварщика и газорезчика: учебное
пособие / [Г. Г. Чернышов и др.]; под ред. Г. Г. Чернышова. 5-е
изд., стер. М. : Академия, 2014. 393 с.
15. Технологические основы сварки и пайки: учебное пособие / Р. А. Латыпов, Г. Р. Латыпова, Е. В. Агеев, Е. В. Агеева.
Курск : Университетская книга, 2016. 247 с.
16. Технология литейного производства. Литье в песчаные
формы : учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Машины и технологии литейного производства»
направления подготовки дипломированных специалистов "Машиностроит. технологии и оборудование" / [А. П. Трухов и др.] ;
под ред. А. П. Трухова. М. : ACADEMIA, 2005 (ГУП Сарат. полигр. комб.). 523 с.
17. Хворова И. А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учебное пособие. Томск : Изд-во
Томского политехнического университета, 2011. 212 с.
18. Шмаков В. Г. Кузница в современном хозяйстве. М. :
Машиностроение, 1990. 287 с.
19. Юсипов З. И., Ляпунов Н. И. Ручная ковка: Учебник для
ПТУ. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Высшая школа, 1990. 303 с.

156

Учебное издание

Кононенко Александр Сергеевич
Серов Антон Вячеславович
Соколова Вера Михайловна
Серов Никита Вячеславович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛИТЬЯ, СВАРКИ
И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Учебное пособие
Издается в авторской редакции
Оригинал-макет Светлана Должикова
Дизайн обложки Роман Бурак

Подписано в печать 20.08.2024. Формат 60х90/16
Усл.-печ. л. 9,81. Тираж 500 экз. Заказ № 81
ООО «Мегаполис»
www.mmegapolis.ru
Тел. 8 (495) 643-28-71
E-mail: mmegapolis-zakaz@yandex.ru
127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 23 А
Отпечатано в ПАО «Т8 Издательские Технологии»
Тел.: +7 (499) 322-38-31
109316, Москва, Волгоградский проспект, д. 42, корп. 5