Факторы, формирующие потребительские свойства металлической посуды

Потребительские свойства металлической посуды в значительной степени определяются свойствами применяемых для их изготовления металлов и сплавов, способами изготовления, декорированием.

Металлы – вещества, характеризующиеся высокой электро- и теплопроводностью, способностью отражать электромагнитные волны, деформироваться. Обладают специфическим “металлическим” блеском, непрозрачны. Этими свойствами обладают и металлические сплавы, состоящие из нескольких металлов или из металлов и неметаллов.

Материалы, из которых изготавливается посуда, могут быть самыми различными. Для различной посуды используются самые разнообразные материалы, каждый из которых имеет свои преимущества и свои недостатки.

Все металлы и сплавы принято делить на черные и цветные. Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют черными металлами, остальные металлы и сплавы - цветными.

Железо (технически чистое) – металл серебристо-белого цвета, содержит 99,8 – 99,9% чистого железа и 0,1 – 0,2% примесей. Со многими элементами желез способно образовывать твердые растворы: с металлами – твердые растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – твердые растворы внедрения.

Чугуны – сплав железа с углеродом с содержанием углерода:
от 2,14% до 6%. Кроме железа и углерода в чугуне есть и другие элементы (или примеси). Основные: фосфор, сера, марганец, кремний. Примеси могут быть как полезными (т. е. улучшать потребительские и технологические свойства), так и вредными.

Фосфор в чугунах является полезной примесью. Его содержание колеблется от 0,3 до 0,8%. Он увеличивает жидкотекучесть серого чугуна, повышает твердость и износостойкость.

Сера. В чугунах допускается не более 0,1% серы, Сера является очень вредной примесью, т. к. она ухудшает жидкотекучесть материала, повышает его хрупкость и отбеливает чугуны.

Марганец. Содержание марганца в чугунах обычно 0,4 – 1,3%. Он повышает твердость материала, но в больших количествах также отбеливает чугуны.

Кремний. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,5 – 4,5%. Он способствует графитизации чугуна, соответственно при получении белого чугуна кремния должно быть не более 0,5%.

Литейные чугуны подразделяются на белые и серые. В сером чугунепрактически весь углерод находится в форме графитовых включений. Серые чугуны с содержанием углерода до 3,8% можно обрабатывать режущими инструментами. Серый чугун обладает хорошей жидкотекучестью (способностью проникать в малые пространства, не остывая). Он обладает малой усадкой при затвердевании; относительно дешевый.

С целью снижения хрупкости и соответственно повышения прочности и пластичности чугуны модифицируют, т. е. при выплавке вводят в расплав специальные добавки (магний, алюминий). Такие чугуны называют высокопрочными или модифицированными.

В настоящее время чугун все чаще заменяется другими материалами, тем не менее, некоторые виды посуды (утятницы, казаны, сковороды для тушения) пользуются спросом. Чугунная посуда толстостенная (литье), она равномерно прогревается и пища не пригорает.

Сталь – сплав железа с углеродом, с содержанием последнего менее 2,14%. По содержанию углерода различают, стали низкоуглеродистые   (менее 0,25%), среднеуглеродистые (от 0,25 до 0,6%) и высокоуглеродистые      (0,6 – 2,14%). По сравнению с чугуном сталь имеет более высокие физико-механические свойства, она характеризуется большей прочностью и пластичностью, ее можно ковать, прокатывать, обрабатывать резаньем, она обладает достаточной жидкотекучестью для получения изделий и деталей методом литья. Стали имеют достаточную упругость, гибкость, твердость, легкость, хорошие магнитные свойства, относительно высокую коррозионную устойчивость. Так же как в чугуне, в стали, кроме железа и углерода, присутствуют примеси. Основные: фосфор, сера, марганец, кремний, кислород. Примеси могут быть как полезными, так и вредными.

Фосфор в сталях (в отличие от чугунов) является вредной примесью. Фосфор резко снижает, пластичность стали. Содержание фосфора не должно превышать 0,05%.

Сера признается очень вредной примесью, ее содержание в сталях не должно превышать 0,05%. Из-за высокого содержания серы стали приобретают “красноломкость”, т. е. снижается их способность обрабатываться металлорежущим инструментом.

Марганец всталях является полезной примесью. Содержание марганца обычно 0,4 – 0,8%. Марганец повышает твердость, и прочность стали, устраняет вредное воздействие серы, т. е. снижает хрупкость и красноломкость. “Марганцевая сталь” (т. е. сталь с высоким содержанием марганца), не теряет своих свойств даже при эксплуатации в условиях повышенных температур. 

Кремний. Содержание кремния в сталях колеблется от 0,1 до 0,5%.Кремний улучшает механические свойства, стали: прочность и твердость.

Кислород. Содержание кислорода в стали не должно превышать 0,05%. Он является вредной примесью – чем меньше в стали кислорода, тем она прочнее. Однако кислород очень тяжело удаляется.

К сталям с особыми свойствамиотносят в первую очередь нержавеющие стали. Основным легирующим элементом нержавеющих сталей является хром. При введении в сталь более 13% хрома сталь становится некоррозионной, однако при введении хрома более 20% резко возрастает ее хрупкость. Уменьшение концентрации углерода в хромистых сталях также способствует увеличению коррозионной стойкости. Основными марками являются 12Х18Н9Т, 04Х18Н10, 17Х18Н9. Данные сплавы используют для изготовления кухонной посуды (например, известная фирма “Цептер” для своей посуды использует хромоникелевые сплавы).

Алюминий – металл серебристо-белый, легкоплавкий (температура плавления – 659 °С), легкий (плотность – 2700 кг/М3). Обладает высокой электро- и теплопроводностью. Алюминий хорошо обрабатывается давлением в горячем и в холодном состоянии, хорошо полируется. Его отражательная способность близка к серебру (коэффициент отражения – порядка 90%). Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость, а также стойкость к действию морской и пресной воды, аммиака, практически не взаимодействует с кислотами и пищевыми продуктами. Высокая химическая стойкость алюминия обусловлена образованием на поверхности металла тонкой защитной пленки оксида алюминия. Эта пленка предохраняет изделие из алюминия от разрушения и окисления.

Медь – металл красно-бурого цвета, легкоплавкий (температура плавления – 1083 °С). По электро- и теплопроводности медь уступает только серебру, но она значительно дешевле серебра. Очень пластична (уступает только золоту и серебру). При взаимодействии с пищевыми кислотами медь образует токсичные соединения, поэтому посуду из чистой меди изготавливать нельзя. Однако в ассортименте товаров имеются медные тазы для варенья. Это связано с тем, что сахар тормозит процесс окисления меди и препятствует образованию токсичных веществ. Кроме того, традиционно восточные турки для варки кофе изготовляют из меди. Такая посуда безвредна только в течение определенного срока эксплуатации (пока не образуется патина).

Свойства меди сильно изменяются даже при наличии небольшого количества примесей. Основные примеси: свинец, мышьяк, фосфор, железо, серебро, цинк. Все эти примеси значительно снижают электропроводность.

Латунь – сплав меди с цинком, с содержанием последнего от 4 до 40%. Если латунь состоит только из меди и цинка, она называется двухкомпонентной. Латуни могут легироваться такими элементами, как марганец, железо, никель, кремний, свинец. Легированные латуни называют многокомпонентными. При введении в медь до 39% цинка повышается прочность и значительно увеличивается пластичность. При содержании цинка более 40% свойства латуни изменяются – резко возрастает хрупкость и снижается прочность. Латунь применяют при изготовлении изделий сложных форм: самоваров, посуды.

Нейзиальбер – сплав меди, никеля и цинка (никель – 13 – 17% цинк – 18 – 22%). Имеет серебристый цвет с синеватым отливом высокую плотность, прочность, твердость, коррозионную стой кость. Внешне изделия из нейзильбера очень похожи на серебряные. Сплав применяется для производства так называемой посеребренной посуды.

Никель. Металл серебристо-белого цвета, тяжелый (плотность 8900 кг/м³), достаточно пластичный, имеет высокую коррозионную стойкость, химическую стойкость к воде, воздуху и кислотам. Исключение составляют серосодержащие соединения. При взаимодействии с ними на поверхности металла образуются сульфиты и сульфаты (пленки зеленого и коричневого цвета). Чистый никель не токсичен, хорошо полируется, характерный металлический блеск сохраняется длительное время, поэтому используется в качестве защитно-декоративных покрытий посуды.

Цинк – металл светло-серого цвета с синеватым отливом, тяжелый (плотность – 7140 кг/м³). В цинке всегда присутствуют вредные примеси: свинец, мышьяк, сурьма, кадмий, от которых трудно избавиться. На воздухе покрывается оксидной пленкой, которая и предохраняет металл от коррозии. Более половины добываемого цинка используется в качестве защитно-декоративных покрытий стальных изделий, например, оцинкованная листовая сталь и оцинкованная посуда. Эта посуда предназначена для хранения продуктов, но не для приготовления пищи. Сейчас оцинкованные ведра, миски и лейки все более заменяются изделиями из пластмасс. Цинк применяют в качестве легирующих элементов многих сплавов, особенно медных (латунь, нейзильбер).

Олово – металл серебристо-белого цвета, тяжелый (плотность 7300 кг/м3), один из самых легкоплавких (232 °С). Олово устойчиво к действию большинства пищевыхпродуктов и не образует токсичных соединений, поэтому его широко применяют как защитное покрытие изделий из углеродистых конструкционных сталей, для лужения посуды и изготовления консервных банок. Правда, в последнее время олово стараются заменить другими материалами из-за его высокой стоимости.

Качество металлической посуды, т. е. совокупность их потребительских свойств, во многом зависит от свойств металлов и сплавов, применяемых при изготовлении изделий, а также от качеств технологических процессов, их полноты и последовательности проведения.

Совокупность и последовательность технологических процессов и операций, при изготовлении металлической посуды может предусматривать:

1. Получение черновых изделий или деталей (заготовок);

2. Обработку заготовок (механическую, термическую, физико-химическую, химико-термическую);

3. Сборку изделий;

4. Нанесение защитно-декоративных покрытий;

5. Заключительную отделку;

6. Контроль качества готовых изделий.

Какие именно технологические операции будут произведены, зависит от вида изделия, а также общих и специфических требований, предъявляемых к нему (например, производство чугунной сковороды без ручек, будет включать в себя литье заготовки и обработку ее поверхности).

Метод литьяявляется самым распространенным способом изготовления металлической посуды. Его сущность заключается в том, что расплавленный металл, залитый в форму, застывает в ней и приобретает заданные очертания и размеры. Заготовки, полученные методом литья, называют отливками. В настоящее время отливки получают литьем в песчано-глинистые (земляные) формы и специальным литьем.

К специальным способам литья относятся:

- литье в металлические формы (кокильное литье);

- литье в оболочковые (скорлупчатые) формы;

- центробежное литье;

- литье под давлением;

- литье по выплавляемым моделям.

Они позволяют получать полуфабрикаты и изделия с точными размерами и высокой чистотой поверхности. Применяются, как правило, для цветных металлов и сплавов.

Металлической посуде можно придать требуемую форму и размер, используя способности металла к пластической деформации под воздействием внешних сил. При этом изменяются структура материала и, соответственно, его свойства.

Металл может обрабатываться давлениемв горячем и в холодном состоянии. Горячая обработка улучшает структуру материала: за счет пе­рекристаллизации образуется мелкозернистая структура, завариваются усадочные пустоты и рыхлоты, иногда имеющиеся в слитках, что повышает механические свойства материала. При холодной обработке - зерна металла вытягиваются в направлении прокатки, металл приобретает характерную структуру типа волокнистой и анизотропность. Увеличивается твердость, но уменьшаются деформационные свойства.

Для бытовой посуды применяют следующие способы обработки металлов давлением.

Прокатка - пропускание металлической заготовки между двумя системами валков прокатного стана, вращающихся в противоположных направлениях. Прокат различают листовой и сортовой (или профильный). Прокатка может быть холодной и горячей. Прокатку используют для получения листовой стали, используемой в дальнейшем для корпусов посуды.

Ковка - получение изделий и заготовок сложных форм из сильно нагретого металла с помощью последовательных ударов кувалды или молота.

Штамповка - придание металлу определенной формы с помощью давления штампа. Различают объемную и листовую штамповку.

Листовая штамповка представляет собой формование деталей (преимущественно в холодном состоянии) из листового проката на прессах с помощью матрицы и пуансона. Листовая штамповка - один из самых высокопроизводительных методов обработки металлов давлением. Применяется для изготовления металлической посуды.

Волочение - процесс протягивания заготовки через отверстие волоки. При волочении уменьшается поперечное сечение заготовки и увеличивается длина. Изделие приобретает точные размеры, гладкую поверхность.

Чеканка - получение на листовой заготовке выпукло-вогнутого рельефа за счет незначительного перемещения металла под штампом.

Механическая обработка заготовок(или обработка резанием) - необходимый технологический процесс. В процессе обработки резанием заготовка приобретает окончательную форму, заданные размеры и требуемую чистоту поверхности. В общем виде обработка резанием заключается в снятии излишков металла (припуска) в виде стружки с заготовок, полученных литьем, прокаткой или ковкой.

Наиболее распространенными способами обработки металлов резанием являются точение, сверление, фрезерование, строгание, нарезание резьбы. Эти способы обработки различаются конструкцией применяемого режущего инструмента и характером относительных движений инструмента и обрабатываемой заготовки.

Физико-химическиеметоды обработки металлов применяют при изготовлении изделий из материалов, которые трудно или невозможно обрабатывать механическим способом, например, сверхтвердые металлы и сплавы. Этими методами можно с большой точностью и высокой эффективностью получать полости или отверстия очень малых размеров или сложных форм, изготовлять детали с узкими криволинейными пазами.

К физико-химическим методам обработки заготовок относят электроискровой, электроимпульсный, электроконтактный и анодно-механический. Такая обработка основана на явлении местного разрушения металла под действием электричества. Наиболее распространенной является электроискровая обработка, которую используют при получении отверстий в твердых сплавах, при изготовлении штампов, пресс-форм, при извлечении из заготовок сломанных сверл, метчиков и других работ.

Когда необходимо получить изделия, имеющие высокий класс точности обработки или высокую чистоту поверхности металлоизделия, используют следующие методы отделки: галтовку, крацовку, шлифование, полирование, притирку и другие.

Шлифование – это метод обработки поверхности с помощью вращающихся абразивных шлифовальных кругов или головок на шлифовальных станках. При вращении круга острые грани абра­зивных зерен срезают с поверхности металла микроскопическую стружку, что обеспечивает чистоту поверхности до 10-го класса.

Полирование – представляет собой процесс обработки поверхности с целью доведения изделий до требуемых размеров, повышения чистоты поверхности до 10-14-го классов точности и придания изделиям декоративного зеркального блеска. Полирование может производиться механическими, химическими и электрохимическими методами.

Механическое полирование проводят на станках с помощью войлочных или матерчатых кругов, на которые наносят полировочные мелкодисперсные порошки с водой или же специальные пасты. Механическое полирование обеспечивает 10-11-й классычистоты поверхности.

Химическое полирование - это обработка изделий в травильном растворе (смеси кислот) в течение определенного времени при комнатной температуре или при нагреве до 90 °С. При погружении изделия в ванну с кислотами металлическая поверхность начинает растворяться, причем, выступы растворяются быстрее, чем углубления. Растворение выступов выравнивает поверхности и обеспечивает 11-13-й классы чистоты и зеркальный блеск.

Электрохимическое полирование заключается в том, что в элек­тролитическую ванну в качестве анода погружается обрабатыва­емая деталь. При пропускании тока выступающие участки растворяются быстрее, поскольку на их поверхности более высокая плотность тока. Этот метод позволяет получить чистоту поверх­ности до 14-го класса с отражательной способностью на 40-50% выше, чем после механического полирования.

Крацовка – это обработка поверхности металлических изделий вращающимися с большой скоростью (порядка 3 тыс. об/мин) щетками из стальной проволоки. Концы проволоки, ударяясь о по­верхность изделий, очищают ее. Крацовку применяют для очистки литых изделий от формовочной смеси, для удаления ржавчины, окалины и других загрязнений. Этот метод применяют для литой чугунной посуды.

Галтовка – это обработка поверхности деталей и изделий в специальных барабанах. В барабан вместе с изделием загружают абразивный материал (песок, наждачную пыль, керамические и металлические шары) и вращают. Галтовка может быть сухой и мокрой, когда к абразивному материалу добавляют растворы мыла или щелочи.

Часто готовое изделие из металла представляет собой комплекс отдельных деталей и узлов, соединенных определенным образом. Технологический процесс соединения отдельных частей в готовое изделие называется сборкой.

Соединение деталей в металлоизделие может быть разъемным и неразъемным. Наиболее распространенными видами разъемных соединений, являются винтовые и болтовые соединения, основой которых является соединение деталей с помощью резьбы. Такие соединения обеспечивают возможность многократной разборки и сборки готового изделия, не нарушая целостности отдельных деталей.

К неразъемным соединениям относят: сварку, клепку, сшивку, пайку. Неразъемные соединения широко применяют при изготовлении металлохозяйственных товаров, например металлической посуды.

В зависимости от назначения различают покрытия защитные и защитно-декоративные. Первые выполняют только защитные функции (в основном защита от коррозии), вторые, кроме того, повышают эстетические свойства изделия, улучшая его внешний вид. Наносимые на металлоизделия покрытия по своей природе подразделяются на металлические и неметаллические, последние могут быть органическими и неорганическими.

Из металлических наиболее распространены покрытия оловом (лужение), цинком, никелем, хромом, латунью, медью, бронзой, серебром и золотом. Из неорганических неметаллических покрытий для бытовых металлотоваров чаще всего используют силикатное эмалирование. В качестве неметаллических покрытий органического происхождения используют лаки, краски, пленочные поли мерные материалы и смазки различной консистенции.

Цинковое покрытие имеет серый цвет и характерный рисунок, напоминающий морозный узор на стекле. Оцинковка проводи в электролитической ванне (тогда покрытие будет дозированным, т. е. определенной толщины, но ГОСТ не менее 12 мкм) или обычным окунанием. Применяется в качестве защитно-декоративных покрытий стальных изделий (оцинкованная посуда, оцинкованная листовая сталь, патроны электроламп). Оцинкованная посуда: миски и ведра обязательно должна иметь маркировку “Не для термической обработки: токсично!”. Эта посуда предназначена для хранения продуктов, но не для приготовления пищи.

Никелевое покрытие имеет белый цвет с чуть заметным желтоватым оттенком и сильно выраженный металлический блеск. Покрытие обеспечивает высокую коррозионную стойкость и декоративную отделку поверхности. Наносят гальваническим способом. Толщина покрытия не менее 9 мкм. Покрытие нетоксично, хорошо полируется, характерный ме­таллический блеск сохраняется длительное время, поэтому используется при производстве посуды.

Хромовое покрытие имеет белый цвет с чуть заметным голубоватым оттенком и сильно выраженный металлический блеск. Обеспечивает высокую коррозионную стойкость, твердость поверхностного слоя и сопротивление механическому износу. Наносят гальваническим способом на предварительно осажденное медное покрытие (для стали). Толщина покрытия не менее 9 мкм.

Оловянное покрытие - покрытие белого цвета с невысоким блеском. Наносят электролитическим способом или натиранием для изделий на основе сплавов меди (например, турки для варки кофе). Покрытие защитное. Использует для металлической посуды.

Воронение (химическое оксидирование) применяется для повышения антикоррозионных свойств стальных изделий. С целью образования защитного покрытия изделие погружают в раствор, состоящий из гидроксида, нитрита и нитрата натрия и выдерживают там при температуре 130-140 °С в течение 60-90 мин. В результате окисления на поверхности стального изделия образуется пленка магнитного оксида железа толщиной до 10 мкм.

Анодирование (электрохимическое оксидирование алюми­ниевых изделий) проводится в электролитической ванне с 20% раствором серной кислоты. В результате на поверхности изделий образуется пленка оксида алюминия (Аl₂О) толщиной до 200 мкм. Пленка может быть окрашена минеральными или органическими красителями в золотистый, красный, зеленый, синий или голубой цвета. Широко применяется в качестве защитно-декоративного покрытия столовой посуды.

Силикатное эмалирование - это получение эмалевых покрытий на основе стеклообразующих материалов с целью создания защиты от коррозии при повышенных температурах и придания декоративного вида. Эмалевое покрытие состоит из грунтовой и лицевой эмалей. Грунтовый слой (черного цвета) наносится непосредственно на очищенную металлическую поверхность и обеспечивает прочное сцепление покровного слоя с металлом. Лицевой слой выполняет защитно-декоративную функцию.

Эмали получают сплавлением кварцевого песка, глины, мела, полевых шпатов с плавнями (бура, сода, поташ). В грунтовые эмали вводят гидроксиды никеля и кобальта для увеличения сцепления с металлической поверхностью. В лицевые эмали для придания им непрозрачности и белизны вводят глушители (криолит, плавиковый шпат). Для получения требуемого цвета в лицевые эмали вводят красители и пигменты. Например, оксид хрома придает эмалям зеленый цвет, оксид хрома и кобальта - бирюзовый, смесь серы, селена и карбоната кобальта - красный.

После нанесения эмали (окунанием, набрызгиванием или пульверизацией) изделия проходят, обжиг при температурах порядка 800 °С. Далее эмалированные изделия могут быть декорированы Все декоративные разделки после просушивания обжигают. Эмалирование используется при изготовлении посуды.

Лакокрасочные покрытия используют для защиты от коррозии непищевой посуды.

Покрытия пленочными полимерными материалами осуществляется с помощью нанесения защитных эпоксидных смол, полипропилена или капрона. Такие пленки обладают не только коррозийной стойкостью, но и электроизоляционными свойствами.

Таким образом, материал из которого изготавливают посуду, технология производства и декорирование в значительной степени формируют качество готовых изделий.