Метали і сплави у процесах поліграфічного виробництва

1. Метали і сплави у процесах поліграфічного виробництва 

     Метали  в друкарських процесах почали застосовуватись  ще в XV столітті, коли виникла різьблена  гравюра на міді, витіснивши ксилографію. На сьогоднішній  день процеси поліграфічного виробництва неможливо уявити без використання металів та їх сплавів.

      Розглянемо  окремі види друку та метали, що в  них застосовуються. 

      1.1.Високий друк

      Високий друк – найдавніший вид друку. Минулого століття високий друк був  провідним, зараз він поступився місцем офсетному способу друку, але на деяких підприємствах ще має застосування.

      Форми високого друку бувають металічними  або полімерними. Для виготовлення металевих кліше найкращим металом  є цинк, на другому місці –  сплави магнію, менше значення має  латунь (сплав міді з цинком), мідь, алюміній. Нижче коротко наведені властивості кожного з цих металів, їхні “плюси” і “мінуси” при виготовленні форм. 

      Цинк. Цей метал широко застосовується для отримання форм високого друку. Чистий (100%-вий) цинк непридатний, оскільки при термічній обробці відбувається рекристалізація його структури – із дрібнокристалічної вона стає крупнокристалічною. При травленні крупнокристалічного цинку спотворюється передача дрібних деталей, знижується міцність, а отже і тиражостійкість кліше, і стійкість його щодо сильного тиску при матрицюванні.

      Для підвищення температури рекристалізації  до чистого цинку додають кадмій або титан. Успішно використовується так званий мікроцинк. Для нього  характерною є дрібна однорідна  кристалічна структура і висока температура рекристалізації. Його отримують, додавши до чистого цинку 0,07 – 0,10% алюмінію та 0,03 – 0,07% магнію. 

      Магній. Магній має як безперечні переваги, так і недоліки. Почнемо з переваг.

1. З-поміж  усіх металів, придатних для  виготовлення кліше, магній найлегший (в 4 рази легший за цинк). Це полегшує конструкції друкарських машин і підвищує швидкість друку.

2. Магній  має більш дрібнокристалічну  структуру ніж цинк. Це забезпечує  рівний контур та міцність  друкарських елементів, здатність  відтворювати високолініатурні зображення.

3. Сплави  магнію відрізняються високою  температурою рекристалізації, отже  в процесі термообробки копій  структурні та фізико-хімічні  властивості магнієвих пластин  не змінюються.

4. Висока  міцність магнію (близька до міцності  прокатаної міді) забезпечує високу тиражостійкість.

5. Швидкість  травлення магнієвих кліше вдвічі  вища, ніж цинкових кліше.

6. Магній  – один з найбільш розповсюджених  елементів у природі (вміст  магнію у земній корі становить  2,1% , тоді як вміст цинку лише 0,0015%).

      Разом з перевагами магній має і ряд  недоліків у порівнянні з цинком:

• низька корозійна стійкість;
• пожеженебезпечні відходи (легкозаймисті магнієві стружки);
• ускладнене виготовлення комбінованих і вигнутих друкарських форм.

Алюміній.  Переваги алюмінієвих друкарських форм:

1. Можливе оксидування поверхні форми, що підвищує її міцність.
2. Висока тиражостійкість.
3. Невелика маса форми (в 2,6 раз менша за масу цинкової форми).
4. Розповсюджений в природі.

Найліпшим сплавом для виготовлення форм є  сплав наступного складу: алюміній – основа, магній – 1%, мідь – 0,25%, хром – 0,25%, кремній – 0,6%, також додається незначна кількість титану й заліза. 

      Мідь. Як матеріал для виготовлення кліше мідь має ряд переваг над цинком. Мідні кліше мають високу тиражостійкість,  термообробка копій не викликає рекристалізацію, можливе відтворення високолініатурних зображень. Але міль більш дорогий матеріал, тому її застосовують  мало. 

      Латунь (сплав міді з цинком) дає можливість отримати  форми високої тиражостійкості, але застосування її обмежене через високу собівартість. 
 

      1.2. Глибокий друк.

      У глибокому друці друкувальні елементи заглиблені відносно поверхні форми. При друці заглиблені елементи заповнюються рідкою фарбою, що наноситься на всю форму, а потім ракелем повністю видаляється з пробільних елементів, що лежать в одній площині. В процесі друку рідка фарба вбирається папером із заглиблень.

     Для досягнення високої якості друку  ракель має повністю знімати фарбу  з пробільних елементів, аби не утворювати зайві крапки і штрихи на відбитку. Це досягається при ідеально гладенькій поверхні пробільних елементів без тріщин і пор, а також при добре заточеному ракелі (без загублин).

     Формні  циліндри глибокого друку мають  сталеву основу. На поверхні сталі (рис.1) нанесені гальванічним способом два шари міді: основний шар товщиною 1,5 – 3мм і так звана мідна тиражна сорочка товщиною 0,08 – 0,12мм. Якщо основний шар утворений не із  електроліту, що містить ціан, то на сталеву поверхню для кращого утримування основного шару попередньо наносять тонкий шар нікелю.

     Тиражна мідна сорочка наноситься гальванічним методом із мідних електролітів, після  чого її ретельно шліфують і полірують. Нарощування із мідних електролітів з органічними добавками для  утворення блиску зменшує час  поліровки, або навіть усуває її необхідність.

     Для підвищення зносостійкості формні циліндри після травлення хромують. 

Рис.1. Шари формного циліндру глибокого друку: 1 – сталь; 2 – шар нікелю;  3 – основний шар міді (1,5 – 3мм); 4 –  роздільний шар (1мкм); 5 – тиражна сорочка (0,1мм).  

      1.3. Офсетний друк

      Плоский офсетний друк – найбільш перспективний  та швидко прогресуючий спосіб друку. Він поволі витісняє високий та інші види друку.

Форми офсетного  плоского друку відрізняються від  форм  високого та глибокого друку за двома основними ознаками:

• за  відсутністю  геометричної різниці по  висоті між друкуючими та пробільними елементами;
• за наявністю  принципової різниці фізико-хімічних властивостей поверхні  друкуючих та пробільних елементів.

Друкуючі елементи форми плоского друку мають виражені гідрофобні властивості і водою не змочуються. Пробільні елементи, навпаки, добре змочуються водою і здатні утримувати на своїй поверхні деяку її кількість, вони мають  виражені гідрофільні властивості.

      Для виготовлення форм плоского друку необхідне  створення на поверхні формного матеріалу (формної основи) стійких гідрофобних друкуючих та гідрофільних пробільних елементів. Цього можна досягти різними  способами, але в поліграфії широко використовуються  монометалічні та біметалічні  друкарські форми. Найпоширенішими  формними основами для отримання як моно-, так і біметалічних форм  є пластини із алюмінію ( чи його сплавів) або з вуглецевої чи нержавіючої сталі. Поверхня алюмінієвої чи стальної пластини для виготовлення монометалевих форм залишається без  змін, а при   виготовлення біметалевих форм на неї нарощують шар міді ( на нього в подальшому  утворюється друкуючі елементи), а поверх нього ще шар хрому чи нікелю ( для утворення пробільних елементів).

      Поверхня офсетних формних пластин повинна відповідати таким вимогам: бути дуже твердою та зносостійкою для забезпечення тиражостійкості пробільних елементів форми; мати  певну мікрогеометрію, шорсткість для забезпечення  високої адгезії друкуючих елементів форми; добре змочуватися  копіювальним шаром для забезпечення високої адгезії між шаром та поверхнею пластин. 

Показники міцності металів, що застосовуються як основа офсетних форм 

2.Сталі 

       Сталі є найбільш розповсюдженими матеріалами. Вони мають гарні технологічні властивості. Вироби отримують у результаті обробки тиском і різанням.

       Перевагою є можливість отримувати потрібний  комплекс властивостей, змінюючи склад  і вид обробки. Сталі, підрозділяють  на вуглецеві та  леговані. 

       2.1. Вплив вуглецю  і домішок на  властивості сталей

       Вуглецеві сталі є основними. Їхні властивості  визначаються кількістю вуглецю  і вмістом домішок, що взаємодіють  із залізом і вуглецем.

       Вплив вуглецю.

       Вплив вуглецю на властивості сталей показане на рис. 2 
 

Рис.2. Вплив  вуглецю на властивості сталей 

       При збільшенні вмісту вуглецю в структурі  сталі збільшується кількість цементиту, при одночасному зниженні частки фериту. Зміна співвідношення між складовими приводить до зменшення пластичності, а також до підвищення міцності й твердості. Міцність підвищується до вмісту вуглецю близько 1%, а потім вона зменшується, тому що утворюється груба сітка цементиту вторинного.

       Вуглець впливає на властивості в'язкості. Збільшення вмісту вуглецю підвищує поріг холодноламкості та знижує ударну в'язкість, підвищуються електричний  опір, знижуються магнітна проникність  і щільність магнітної індукції.

       Вуглець впливає і на технологічні властивості. Підвищення вмісту вуглецю погіршує ливарні властивості сталі (використовуються сталі з умістом вуглецю до 0,4 %), оброблюваність тиском і різанням, зварюваність. Варто враховувати, що сталі з низьким умістом вуглецю також погано обробляються різанням. 

       2.2. Вплив домішок.

 У сталях завжди присутні домішки, що поділяються  на такі групи.

 Постійні  домішки: кремній, марганець, сірка, фосфор.

       Марганець і кремній уводяться в процесі  виплавки сталі для розкислення, вони є технологічними домішками.

       Вміст марганцю не перевищує 0,5...0,8%. Марганець підвищує міцність, не знижуючи пластичності, і різко знижує красноламкість сталі, що викликана вмістом сірки. Він сприяє зменшенню вмісту сульфіду заліза FeS, тому що утворює із сіркою з'єднання сульфід марганцю MnS. Частки сульфіду марганцю розташовуються у вигляді окремих включень, що деформуються й виявляються витягнутими уздовж напрямку прокатки.

       Вміст кремнію не перевищує 0,35....0,4%.. Кремній, дегазуючи метал, підвищує щільність злитка. Кремній розчиняється у фериті і підвищує міцність сталі, особливо підвищується границя текучості, σ0,2 . Але спостерігається деяке зниження пластичності, що знижує здатність сталі до видовження.

       Вміст фосфору в сталі 0,025…0,045%. Фосфор, розчиняючись у фериті, спотворює кристалічні ґрати і збільшує межу міцності σв    і межу текучості σm , але знижує пластичність і в'язкість.

       Розташовуючись  поблизу зерен, збільшує температуру  переходу в крихкий стан, викликає холодноламкість, зменшує роботу поширення тріщин. Підвищення вмісту фосфору на кожну 0,01 % підвищує поріг холодноламкості на 20...25^oС.

       Фосфор  має схильність до ліквації, тому в  центрі злитка окремі ділянки мають  різко знижену в'язкість.

       Для деяких сталей можливе збільшення вмісту фосфору до 0,10.…0,15% для поліпшення обробки різанням.

       Сірка зменшується пластичність, зварюваність і корозійну стійкість. Фосфор спотворює кристалічні ґрати.

       Вміст сірки в сталях складає 0,025…0,06%... Сірка – шкідлива домішка, що потрапляє в сталь із чавуна. При взаємодії із залізом утворюється хімічна сполука – сульфід сірки FeS,  що,  у свою чергу, утворює із залізом легкоплавку евтектику з температурою плавлення 988^о. При нагріванні під прокатку або ковку евтектика плавиться, порушуються зв'язки між зернами. При деформації в місцях розташування евтектики виникають надриви і тріщини, заготовка руйнується – явище красноламкості.

       Красноламкість  – підвищення крихкості при високих температурах

       Сірка знижує механічні властивості, особливо ударну в'язкість ан і пластичність (δ і ψ), а так само межу витривалості.

       Сховані домішки - гази (азот, кисень, водень) – попадають у сталь при виплавці.

       Азот  і кисень знаходяться в сталі  у вигляді крихких неметалічних включень: окислів (FeО, SОi₂, Al₂O₃ ) нітридів (Fe₂N), у виді твердого розчину або у вільному стані, розташовуючись в дефектах (раковинах, тріщинах).

       Домішки азот N і кисень О підвищують поріг холодноламкості і знижують опір крихкому руйнуванню. Неметалічні включення (окисли, нітриди), будучи концентраторами напруги, можуть значно понизити межу витривалості й в'язкість.

       Дуже  шкідливим є розчинений у сталі  водень, що робить сталь значно крихкішою. Він призводить до утворення в  катаних заготовках і у поковках флокенів.

       Флокени – тонкі тріщини овальної або округлої форми, що мають у зламі вигляд плям – пластівців сріблистого кольору.

       Метал із флокенами не можна використовувати  в промисловості, при зварюванні утворяться холодні тріщини в  наплавленому й основному металі.

       Якщо  водень знаходиться в поверхневому шарі, то він видаляється в результаті нагрівання до 150…180^oС  або у вакуумі ~10¯²....10¯³мм рт. ст.

       Для видалення схованих домішок зазвичай використовують вакуумну обробку.

       Спеціальні  домішки – спеціально вводяться в сталь для одержання певних властивостей. Домішки називаються легуючими елементами, а сталі, що містять такі домішки - легованими . 

       2.3. Призначення легуючих  елементів.

       Основним  легуючим елементом є хром (0,8...1,2)%. Він підвищує прокалюваність, сприяє одержанню високої і рівномірної твердості сталі. Поріг холодноламкості хромистих сталей - (0…-100)^oС.

       Додаткові легуючі елементи.

       Бор - 0.003%. Збільшує прокалюваність, а також  підвищує поріг холодноламкості  (+20…-60^oС).

       Марганець – збільшує прокалюваність, однак  сприяє росту зерна, і підвищує поріг  холодноламкості до (+40…-60)^oС.

       Титан (~0,1%) уводять для здрібнювання зерна в хромо-марганцевій сталі.

       Введення  молібдену (0,15..0,46)% у хромисті сталі збільшує прокалюваність, знижує поріг холодоламкості до 20…-120^oС. Молібден збільшує статичну й динамічну міцність сталі, усуває схильність до внутрішнього окислювання. Крім того, молібден знижує схильність до відпускної крихкості сталей, що містять нікель.

       Ванадій у кількості (0,1…0,3)% у хромистих сталях подрібнює зерно і підвищує міцність і в'язкість.

       Введення в хромисті сталі нікелю, значно підвищує міцність і прокалюваність, знижує поріг холодноламкості, але при цьому підвищує схильність до відпускної крихкості (цей недолік компенсується введенням у сталь молібдену). Хромонікелеві сталі, мають найкращий комплекс властивостей. Однак нікель є дефіцитним, і застосування таких сталей обмежено.

       Нікель  можна замінити міддю, це не приводить  до зниження в'язкості.

       При легуванні хромо-марганцевих сталей кремнієм одержують сталі, що мають  гарну міцність і в'язкість, добре  зварюються, штампуються й обробляються різанням. Кремній підвищує ударну в'язкість і температурний запас в'язкості.

       Добавка свинцю, кальцію – поліпшує обробку  різанням. Застосування зміцнення термічної  обробки поліпшує комплекс механічних властивостей. 

       2.4. Класифікація сталей

       Сталі класифікуються за багатьма ознаками:

1. За  хімічним складом: вуглецеві та  леговані.

2. За  вмістом вуглецю:

• маловуглецеві,  (вміст вуглецю до 0,25 %);
• средньовуглецеві, (вміст вуглецю 0,3...0,6%);
• високовуглецеві,  (вміст вуглецю вище 0,7 %)

3. За  структурою рівноваги: доевтектоїдні, еквектоїдні, післяектевтоїдні.

4. За  якістю (кількісним показником якості  є вміст шкідливих домішок:  сірки й фосфору):

• 0,04≤S≤0,06%, 0,04≤P≤0.08%– вуглецеві сталі звичайної якості;
• S,Р =0,03…0,004%– якісні сталі;
• S,P≤0,03% – високоякісні сталі.

5. За  способом виплавки:

• у мартенівських печах;
• у кисневих конверторах;
• в електричних печах: електродугових, індукційних і ін.

6. За  призначенням:

• конструкційні – застосовуються для виготовлення деталей машин і механізмів;
• інструментальні – застосовуються для виготовлення різних інструментів;
• спеціальні – сталі з особливими властивостями: електротехнічні, з особливими магнітними властивостями й ін.

3.Маловуглецеві  сталі. Особливості   складу, структури  та властивостей 

       Маловуглецеві сталі (вміст вуглецю  < 0,25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп мають невисоку міцність, але високу пластичність. Для мало вуглецевих  сталей характерні такі значення:

• міцність  σв=330...340 Мпа,
• коефіцієнт текучості σ0,2=200...210 Мпа,
• пластичність δ=27...23%.

       Такі сталі без термічної обробки використовуються для деталей, що слабо навантажуються. Тонколистову холоднокатану маловуглецеву сталь використовують для холодного штампування виробів. Якісні сталі з низьким вмістом вуглецю можна використовувати і для відповідальних зварних конструкцій і для деталей машин, але при зміцненні цементацією.

       Після проведення цементації (насичення поверхневого шару вуглецем), сталь гартують. Як наслідок, у верхньому шарі товщиною 1...1,5мм досягається висока міцність (а отже, підвищ. зносостійкість), в той же час серцевина лишається пластичною з невеликою міцністю.

       Маловуглецеві сталі відносяться до перлітно–феритного класу доевтектоїдної групи. Після  повільного охолодження сталь складається  з двох фаз: фериту (твердий розчин вуглецю в α-залізі) і  цементиту (карбід заліза). Зі зменшенням вмісту вуглецю, лінійно зменшується і вміст цементиту, і збільшується вміст фериту в сталі (рис.3.). 

       в)

       Рис.3.Діаграма стану Fe – Fe3C (а), кількість фазових (б) і структурних (в) складових залежно від вмісту вуглецю.

       Зменшення цементиту понижає дислокацію, тобто  зменшує опір деформації, проте підвищується пластичність і в’язкість.  Отже, чим менший вміст вуглецю в  сталі – тим менша міцність, границя міцності і текучості; підвищується відносне видовження, звуження,  ударна в’язкість і стійкість до тріщин.     

       Рис.4. 

       Особливу  групу складають сплави з вмістом  вуглецю менш 0,02% , їх називають технічне залізо. Мікроструктури сплавів представлені на рис.4. Структура таких сплавів після закінчення кристалізації складається або з зерен фериту (рис.4.а), при змісті вуглецю менш 0,006 %, або з зерен фериту і кристалів цементиту третинного, розташованих по границях зерен фериту (рис.4.б), якщо зміст вуглецю від 0,006 до 0,02 %. 
 
 
 
 
 

   Використана  література: 

1. С.І. Мельничук, С.М. Ярема, “Офсетний друк”, Київ, Укр.НДІСВД “Хагар”, 2000
2. В.И. Шеберстов , “Технология изготовления печатных форм», Москва, «Книга», 1990
3. О.В. Травин, Н.Т. Травина,  «Материаловедение», Москва, «Металлургия», 1989
4. Ю.А Геллер, А.Г. Рахштадт «Материаловедение», . Москва, «Металлургия», 1989
5. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева, «Материаловедение», Москва, «Машиностроение», 1990