книги из ГПНТБ / Березин, Борис Иванович. Полиграфические материалы учебник для учащихся полиграфических техникумов

Раздел второй. Металлы и сплавы, применяемые в полиграфии

±0,1 мм, а в пределах одного и того же листа ±0,08 мм. Откло­ нения по длине и ширине листа не должны быть более ±5 мм.

Алюминий — серебристо-белый металл с синеватым оттен­ ком. Металлический алюминий получают путем переработки руд, называемых бокситами. Залежи бокситов имеются в СССР

на Урале, Украине и в районе Тихвина близ Ленинграда. Чистый алюминий имеет удельный вес 2,69, температуру плавления 658°.

При нагревании алюминия до 200° он становится ломким, а при 540° начинает размягчаться. Алюминий прочнее цинка, он хорошо поддается ковке в холодном состоянии, а еще лучше— при температуре 100—150°, хорошо прокатывается, но плохоподдается сварке.

Механические свойства алюминия в известной степени зави­ сят от предшествующей его обработки: они, например, могут вдвое улучшиться в результате прокатки алюминия. Изменение механических свойств алюминия в процессе холодной обработ­ ки происходит вследствие изменения структуры его кристаллов. Технический чистый алюминий в литом виде состоит из агрега­ тов равноосных кристаллов, которые после холодной механиче­ ской обработки вытягиваются в направлении прокатки или волочения.

Вследствие большого сродства алюминия с кислородом на воздухе поверхность алюминия легко окисляется с образованием тончайшей пленки окиси алюминия AI2O3, предохраняющей ме­ талл от дальнейшего окисления и от действия воды.

Технология производства алюминия состоит в переработке бокситов на сернокислый глинозем (сернокислый алюминий)

А12(5О4)з-18Н2О и в выделении из него алюминия путем элек­ тролиза. Способ получения глинозема из бокситов, применяемый в наши дни мировой алюминиевой промышленностью, разрабо­ тай Н. Н. Бекетовым в 1865 г. Теория электрометаллургии алю­ миния создана профессором Петербургского политехническогоинститута П. П. Федотьевым в 1910 г.

В полиграфической промышленности алюминий применяется для изготовления литографских и офсетных форм в виде плас­ тин из алюминия марокА1,А2и или АЗ. Алюминий маркиА! со­ держит не менее 99,5% чистого алюминия и не более 0,5% при­ месей меди, железа, кремния; алюминий марки А2 содержит не менее 99% чистого алюминия и не более 1% примесей; алюми­ ний марки АЗ содержит не менее 98% чистого алюминия и не более 2% примесей, указанных выше.

Алюминиевые пластины для полиграфии получают прокат­ кой литого алюминия с последующей шлифовкой и полировкой.

Офсетные пластины вырабатываются толщиной 0,6—0 8 мм

и размерами 1100X1200, 1150x1400 и 1250 Х1400 мм из алю­ миния указанных марок. Пластины должны быть ровно обреза­ ны по всей длине и ширине. Допустимые отклонения по длине и ширине ±5 мм, а по толщине ±0,05 мм.

Никель — серебристо-белый металл с сильным блеском, не тускнеющим на воздухе. Удельный вес никеля 8,8—8,9, темпера­ тура плавления около 1455°. Никель тверд, гибок, ковок и тягуч, в результате его прокатки можно получить очень тонкие листы и проволоку, никель легко полируется.

Благодаря своей стойкости к атмосферным воздействиям и достаточной твердости никель применяется как антикоррозий­ ное покрытие. Никелирование осуществляется почти исключи­ тельно гальваническим путем.

В полиграфической промышленности никелирование, т. е. осаждение тончайших слоев никеля, производится: а) для повы­ шения тиражеустойчивости стереотипов и типографских клише, изготовленных из типографского свинцового сплава; б) в ка­ честве промежуточного слоя при меднении стальных цилиндров и хромировании стереотипов; в) в процессе изготовления биме­ таллических офсетных форм.

Никелевые покрытия характерны двумя ценными для поли­ графии свойствами: твердостью, придающей печатным формам механическую износоустойчивость, и химической стойкостью,

которая позволяет применять никелевые покрытия в офсетной печати.

Хром — голубовато-белый металл с высоким блеском. Удель­ ный вес 6,8—7,2; температура плавления в зависимости от сте­ пени чистоты технического металла 1520—1830°. Хром настоль­ ко тверд, что им можно резать стекло. В сухом и влажном воз­ духе хром не окисляется, кислоты на него почти не действуют.

Вприроде хром встречается в виде минерала хромита, после переработки которого получается чистый металлический хром.

Хром находит широкое промышленное применение в произ­ водстве различных сплавов, которым он придает большую твер­ дость и химическую стойкость. Наиболее важны из числа хромо­ содержащих сплавов нержавеющие и кислотоупорные стали, а также сплавы хрома с никелем, называемые нихромом и приме­ няемые в качестве нагревательных приборов в электротехнике.

Вчистом виде хром идет на электрохимические покрытия раз­ личных металлов и металлических изделий.

Вполиграфической промышленности хромирование повы­ шает тиражеустойчивость типографских стереотипных форм, типографских клише, медных форм глубокой печати, а также

ванические покрытия наращиваются на пробельные элементы биметаллических печатных форм, сообщая им высокую тиражеустойчивость.

Железо — точнее, низкоуглеродистая сталь — применяемое в технике, представляет собой сплав железа с незначительным ко­ личеством углерода (0,5—0,2%) и содержанием примесей: крем­

низкоуглеродистой стали изготовляют проволоку для сшивания книг и брошюр.

ния магниевых соединений — сернокислого магния и углекис­ лого магния. Удельный вес магния 1,738. Температура плавле­ ния 615°, температура кипения 1120°. На воздухе тускнеет вслед­ ствие образования окисной пленки, а при температуре 550—600° воспламеняется и горит ослепительно белым пламенем. В чистом виде магний в технике не применяется. Сплавы магния с алюми­ нием, цинком и марганцем из-за небольшого удельного веса, вы­ соких механических свойств и специфических химических свойств находят широкое применение в технике. В частности, прочный легкий сплав магния с алюминием — электрон применяется в авиационной технике как конструктивный материал при изготов­ лении самолетов и моторов. В полиграфической промышленности магниевые сплавы с алюминием и цинком идут для изготовления типографских клише и офсетных печатных форм. Добавки лития, кадмия, висмута улучшают свойства магниевых сплавов, приме­ няемых в офсетном производстве. Железо, медь, кремний, никель ухудшают эти свойства.

§46. СПЛАВЫ

Втехнике металлы редко применяются в чистом виде, а почти всегда в виде сплавов.

Сплавом называют продукт соединения двух или нескольких металлов с возможными примесями небольших количеств метал­ лоидов (например, чугун — сплав железа с углеродом). Чтобы

изготовить сплав, нужно расплавить составляющие его металлы и хорошо перемешать их между собой.

От механической смеси сплав отличается тем, что его нельзя разделить простыми механическими приемами, например измель­

чением и просеиванием. От химического соединения сплав отли­ чается тем, что составляющие его металлы, за сравнительно редкими исключениями, могут содержаться в нем в любых соот­ ношениях, тогда как в химических соединениях существуют стро­ го определенные весовые отношения веществ.

В большинстве случаев свойства сплавов сильно отличаются от свойств составляющих их металлов. Например, температура плавления сплава нередко значительно ниже температуры плав­ ления входящих в него металлов. Так, сплав из 65 частей олова и 35 частей свинца плавится при температуре 190°, в то время как более легкоплавкая составная часть его — олово — плавится при температуре 231,8°.

Очень часто, несмотря на малое количество примесей к основ­ ному металлу, они все же оказывают большое влияние на его свойства. Например, присутствие в свинце небольших количеств меди, олова или сурьмы значительно повышает его твердость. По мере увеличения содержания сурьмы в свинце от 0 до 13% температура плавления сплава понижается с 327,4° (температу­ ра плавления чистого свинца) до 247°; при дальнейшем увели­ чении количества сурьмы в сплаве температура плавления его повышается пропорционально содержанию сурьмы и достигает 630° (т. е. температуры плавления чистой сурьмы).

Для изготовления шрифтов и стереотипов применяются типо­ графские свинцовые сплавы, состоящие из свинца, сурьмы и оло­ ва. Совсем недавно были разработаны и внедряются в промыш­ ленность (например, в типографии газеты «Известия») типо­ графские цинковые сплавы, состоящие из цинка, алюминия и магния.

В свое время были предложены мышьяковистые типограф­ ские сплавы, состоящие из свинца, сурьмы и мышьяка, но эти сплавы в настоящее время не применяются, так как гораздо более эффективными оказались цинковые сплавы. Попытки из­ готовления типографских печатных форм из сплавов свинца с щелочными и щелочноземельными металлами (литий, натрий, калий, магний) пока не увенчались успехом из-за сравнительно высокой температуры плавления этих сплавов и большого их угара.

Сплавы, состоящие из двух и более металлов, в отличие от чистых металлов плавятся и затвердевают в некотором интерва­ ле температур. Исключение в этом отношении составляют только некоторые сплавы вполне определенного состава, плавящиеся и затвердевающие, как и индивидуальные металлы, при одной для данного сплава температуре. Такие сплавы, о которых будет сказано ниже, называются эвтектическими (от греческого слова

«эвтектос» — легкоплавящийся).

Двойные сплавы, т. е. сплавы, состоящие из двух металлов,

сплава кристаллов того составляющего металла, которого боль­ ше в сплаве (каким металлом пересыщен сплав). Вторая крити­ ческая точка соответствует концу затвердевания сплава и связа­ на с одновременным образованием кристаллов обоих металлов в виде тесной однородной смеси. Эта (вторая) критическая точка

ческую точку (эвтектический), получается из сплавляемых ме­ таллов только при строго определенном их соотношении, раз­ личном для разных металлов (рис. 45). Например, для сплавов сурьмы и свинца эвтектическая точка равна 246°, при которой кристаллизуется только сплав, состоящий из 87% свинца и 13% сурьмы. Микроструктура такого сплава показана на рис. 40.

Структура затвердевшей сурьмы, как мы видели, однородна и представляет собой скопление более или менее правильных кристаллов. Структура затвердевшего свинца также однородна. Затвердевший эвтектический сплав из 87% свинца и 13% сурьмы дает очень мелкую полосатую структуру, довольно однородную во всей массе. Сурьма имеет вид светлых, а свинец — темных полосок.

Таким образом, эвтектические сплавы представляют собой однородную смесь чрезвычайно мелких кристалликов с однород­ ным строением; сплавы эти отличаются сравнительно высокой прочностью и хорошими литейными свойствами.

Два металла в сплаве могут быть не только в виде однород­ ной механической смеси кристаллов исходных металлов, но и в

виде кристаллов твердого раствора, а также химического соеди­ нения.

Твердые растворы двух металлов образуются тогда, когда эти металлы неограниченно растворимы друг в друге как в жидком, так и в твердом состоянии. В этом случае в твердом состоянии оба компонента (металла) образуют однородные кри­ сталлы, в которых атомы обоих металлов связаны в совместную систему, или кристаллическую решетку. Такое кристаллическое состояние двух металлов получило название твердого раствора. Микроструктурный анализ не позволяет установить, состоит ли данный сплав из кристаллов твердого раствора или из кристаллов

чистых металлов. Это удается

ряться в промежутки кристаллической решетки между атомами растворителя. В первом случае образуются твердые растворы замещения, во втором — внедрения (рис. 46).

Некоторые металлы при сплавлении образуют химиче­ ские соединения: например, олово и мышьяк дают со­ единение SnAs и ЗпзАэг; олово с сурьмой — химическое соеди­ нение SbSn. Кристаллы химических соединений являются одной из основных частей механической смеси, или образуют с други­ ми металлами твердые растворы, или находятся в сплаве в виде избыточных кристаллов. Кристаллы химических соединений, как правило, более тугоплавки, имеют большую твердость и хруп­

кость.

Два металла, например свинец и сурьма, образуют много сплавов с различным соотношением исходных компонентов. Такой ряд сплавов называют системой сплавов. На основании кривых охлаждения ряда сплавов с различным содержанием свинца и сурьмы можно построить диаграмму состояния (плав­ кости) сцлавов из этих металлов. На рис. 47 показано построение диаграммы состояния (плавкости) системы свинец — сурьмапо кривым охлаждения. Диаграмма состояния системы свинец—

сурьма является типичным примером диаграммы состояния пер­ вого рода.

Диаграмма состояния первого рода характерна тем, что оба компонента (т. е. исходных металла) неограниченно растворимы в жидком состоянии, а в твердом — нерастворимы (образуют механическую смесь кристаллов исходных металлов) и не обра­ зуют химических соединений. Диаграмма состояния дает воз-

Рис. 47. Построение диаграммы состояния системы свинец — сурьма по кри вым охлаждения.

можность представить механизм образования структуры сплава при его затвердевании и плавлении. Рассмотрим подробнее ди­ аграмму состояния системы свинец—сурьма (рис. 48). Диаграм­ ма справа и слева ограничена двумя вертикальными линиями, на которых отложена температура от 0 до 700° (630° — темпера­ тура плавления чистой сурьмы), и нижней горизонтальной лини­ ей, показывающей содержание в сплаве свинца и сурьмы. Край­ няя левая точка соответствует нулевому содержанию в сплаве сурьмы, т. е. чистому свинцу. Крайняя правая точка соответству­ ет содержанию чистой сурьмы, т. е. нулевому содержанию свин­ ца. Между этими двумя точками расположены все сплавы свин­ ца с сурьмой. Так, например, точка N на нижней горизонтальной линии соответствует сплаву из 60% сурьмы и 40% свинца. На ди­ аграмме имеется вторая горизонтальная линия МН и две кри­ вые АЕ и BE. Начало кривой АЕ находится в точке плавления чистого свинца (327,4°) и оканчивается в точке Е на прямой МН, в этой же точке оканчивается линия BE, берущая начало от точки плавления чистой сурьмы (630°). Линии АЕ и BE харак­ теризуют начало затвердевания сплавов, они называются линия­

336 Полиграфические материалы

ми затвердевания или линиями ликвидуса. Начало затвердева­ ния у сплавов с разным содержанием свинца и сурьмы происхо­ дит при разных температурах. Конец же затвердевания у всех сплавов свинца и сурьмы одинаков, при температуре 246°, и обозначается горизонтальной линией МН, которая называется линией конца затвердевания сплава или линией солидуса. Точ­ ка Е на линии МН, где сходятся линии ликвидусов, соответству-

Рис. 48. Диаграмма состояния сплавов свинец — сурьма.

ст эвтектическому сплаву свинца с сурьмой. Диаграмма состоя­ ния позволяет получить исчерпывающее представление о свойст­ вах сплава, т. е. дает возможность знать, что происходит со спла­ вом при его нагревании или охлаждении; при какой температуре у сплава данного состава начинается и заканчивается затверде­ вание; какая у него после затвердевания будет структура; из ка­ ких кристаллов будет состоять его структура и в каком количе­ стве эти кристаллы будут входить в структуру сплава. Так, в на­ шем примере сплавы, содержащие менее 13% сурьмы, состоят из кристаллов свинца и эвтектики; сплавы с содержанием 13% сурьмы имеют только кристаллы эвтектики и, наконец, сплавы с содержанием более 13% сурьмы состоят из кристаллов сурьмы и кристаллов эвтектики. Избыток сурьмы или избыток свинца кристаллизуется отдельно в виде островков, вкрапленных в ос­ новную кристаллическую массу эвтектики. Кристаллы избыточ­ ной сурьмы значительно повышают, а кристаллы избыточного свинца понижают механические свойства сплава (рис. 49).

Диаграмма состояния второго рода характерна тем, что оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом со­ стояниях и не образуют химических соединений.

Пример диаграммы состояния второго рода сплавов, образую­ щих твердые растворы, приводится на рис. 50 для сплавов висму­ та Bi и сурьмы Sb, имеющих полную взаимную растворимость как в жидком, так и в твердом состоянии. Температуры ликви­ дус и солидус в случае образования твердого раствора зависят от состава сплава.

Линия АаВ показывает начало затвердевания сплавов; выше этой линии сплавы представляют собой жидкий раствор сурьмы и висмута. Линия АЬВ показывает конец затвердевания сплавов (или начало плавления); все сплавы ниже этой линии находятся в твердом состоянии и представляют собой твердый раствор од­ ного металла в другом. Чем больше в сплаве тугоплавкого ком­ понента, т. е. имеющего более высокую температуру плавления, тем выше у этого сплава температура ликвидус и солидус. Когда металлы взаимно растворяются в неограниченных количествах, растворителем условно можно считать тот металл, которого в данном сплаве больше. В температурном промежутке АаВ и АЬВ сплавы находятся в полужидком состоянии — кристаллы твер дого раствора взвешены в жидком растворе (рис. 51). При дальнейшем понижении температуры до нормальной кристаллы твердого раствора устойчивы и не подвержены распаду, как это наблюдается у некоторых сплавов.

Диаграмма состояния третьего рода характерна тем, что оба компонента неограниченно растворимы и в жидком состоянии, ограниченно — в твердом и не образуют химических соединений. Приводим диаграмму состояния третьего рода (рис. 52) для сплавов олово—свинец, имеющих ограниченную растворимость в