Способы обработки металлов при помощи ковки
Начнем с дефиниций. Ковка – это способ обработки металла с целью его изменить. Это не сварка, хотя металл обрабатывается в основном с помощью высокой температуры.
Ковка – это нагревание металла до его ковочной температуры, чтобы он стал пластичным для придания заготовкам новых форм. У каждого металла свои характеристики, которые включают в себя уровень ковочной температуры.
Алюминий и его сплавы поддаются ковке при температуре 400°С, медь – при 1000°С, а для ковки железа придется подогреть его до 1250°С.
Разновидности обработки
Поковка – это продукты, получаемые в результате ковки, в том числе полуфабрикаты.
Свободная ковка – это альтернатива штамповке: деталь деформируется свободно, без помещения ее в форму штампа. Дополнительно этот способ используется для повышения качества и структуры вещества, тогда это называется проковкой.
После проковки сплав значительно меняется в лучшую сторону, он становится прочнее и более мелкозернистым за счет разрушения крупных кристаллов.
Здесь не обойтись без мощных подъемных кранов и специальных манипуляторов разного калибра. Данный способ обработки – самый экономичный из всех существующих. Если говорить о массовом промышленном производстве, то первое место по популярности у штамповки.
Свободная ковка – удел единичного или мелкосерийного кузнечного производства.
Ковочные операции и инструменты
Вот чем должен запастись уважающий себя мастер кузнечного дела перед работой:
Физика процесса
Рассмотрим подробнее обработку при помощи ковки.
Нагрев заготовки
Первым делом разогревают печь, критерий готовности – темно-красный цвет. Следующий этап – размещение заготовки в раскаленной печи. Заготовка обязательно должна быть горячей, в противном случае вы получите трещины во внутренних слоях сплава.
Температура предварительного подогрева будет вполне достаточна на уровне 300°С: проверить можно по появившемуся дыму и легкому зажиганию масла на поверхности детали.
Когда детали или несколько деталей внутри печи, нагрев постепенно нагнетают до необходимого уровня. Зависимость здесь прямая: чем выше температура, тем мягче и пластичнее деталь. Но и перегревать заготовки категорически нельзя.
Чем выше нагрев стали, чем выше риск образования отдельных кристаллов со слабыми связями, что делает сплав после ковки хрупким, с надрывами и трещинами. Такое нежелательное явление называется перегревом стали.
Для ковки не подходит и недостаточная высокая температура. С недогретыми заготовками практически невозможно работать. Да и в этом случае внутри металла происходят надрывы и трещины.
Важно понимать, что для эффективной и качественной ковки важны две вещи в равной степени: правильный уровень температуры и постепенность нагревания.
Обжим металлической заготовки
Это только кажется, что металл – вещество однородное и плотное. На самом деле внутри можно найти различные пустоты и так называемые раковины. Поэтому заготовку, вынутую из печи нужно немедленно уплотнить: от середины к концам бьют по ней молотком.
Действия, производимые молотом, делятся на два этапа: подготовку и окончательную отделку.
Подготовка
Главное в подготовке – «привести в порядок» сплав заготовки: уплотнить его и придать «в черновую» нужную форму и размеры. Этап подготовки тоже подразделяется на виды с точки зрения формы: цилиндры сплошные или пустотелые, плоские вещи, кольца, вытягивание и т.д.
Способ ковки на этом этапе также может различаться, названия у них такие же смешные.
У подготовки сплошных цилиндров свои правила с четкой последовательностью шагов. Она производится на нижнем бойке наковальни. Заготовку бьют молотком, и после каждых нескольких ударов поворачивают по оси ровно на 1/8 оборота.
В итоге должен образоваться восьмигранник. Его обжимают снова – удары молотком с поворотом на 1/8, после чего формируется уже форма с шестнадцатью гранями. Дальше все проходит по такому же сценарию, чтобы получить цилиндр со значительно уменьшенным диаметром.
Заготовка становится длиннее, металл перемещается по оси. Такая обработка называется вытягиванием.
Во время работы нужно следить за состоянием металла. Если, например, на поверхности обнаружатся трещины, ковку нужно остановить, а трещины вырубить с помощью кузнечного зубила.
Если металлическая деталь для ковки слишком больших размеров, обработку делают в два этапа: сначала обжимают и подготавливают нижнюю часть, затем греют и обрабатывают оставшуюся часть.
Финиш данного этапа –это «отрубка прибыли», которая заключается в удалении верхней «прибыльной» части заготовки из-за содержания в ней пустот.
Для формирования детали в виде кольца кусок заготовки нужно всего ничего: обжать, вытянуть, очистить от окалины, отрубить прибыль и… разрубить на куски. Эти куски хорошенько греем второй раз и занимаемся чудесным делом — формируем из них лепешки.
Отверстия в этих лепешках пробивают с двух сторон, чтобы получились уже реальные кольца. Дальше производится обработка под названием «разводка» в специальной наковальне стойчатого вида.
Одна из самых распространенных форм заготовок – это детали с прямоугольным поперечным сечением. Их ковка проводится по своим правилам. Во-первых, работать нужно на специальных плоских наковальнях. Сначала делают обжим, а затем их сплющивают «наплоско».
Следующий этап – поворот заготовки по оси на 90°С и сплющивание «на ребро». Под ударами и сплющиванием деталь становится длиннее по оси.
Для того, чтобы она не превратилась в тонкую ленту, одновременно производят «раскатку» для расширения размеров, а все образующиеся неровности выглаживаются с помощью молотка. Таким образом куются плиты из брони.
Вариантов заготовок по форме и природе металла огромное количество. Так же много и способов ковки. Нужно уметь выбирать самый оптимальный из них, планировать последовательность операций свободной ковки.
От правильности такого выбора будет зависеть качество ковки и расход ресурсов в виде энергии на неоднократные нагревы и другие расходные материалы.
Окончательная отделка
В результате этапа обработки у заготовки вид совсем нетоварный – это больше похоже на металлический черновик. Она неровная, с грубой поверхностью и не всегда совпадает с нужными размерами. Приведение ее в полный порядок – содержание данного этапа ковки.
Деталь чистят зубилом для удаления трещин и волосовин. Затем проходятся по всей поверхности молотком. Следующий шаг – проверка специальными линейками размеров и неровностей с выправлением любых несоответствий.
Следующее состояние металла заготовки – снижение его тягучести и общее отвердевание. Это чрезвычайно ответственный момент, так как на этом этапе существует риск образования трещин из-за малой подвижности металла как такового и нарушения связей между частицами после ковки.
Чем больше размеры произведенной металлической заготовки, тем сложнее проходит процесс остывания с различными проявлениями внутренних натяжений, которые могут вызвать нежелательную деформацию металла. Чтобы избежать таких неприятностей, деталь после ковки зарывают в горячий мусор.
Главное – успеть, пока она еще красного цвета. Такой способ годится при условии, что деталь не бог весть какая большая и сложная. Если же заготовка сложной конструкции, производят дополнительный отжиг – подогрев до уровня температуры примерно в 700°С с последующим медленным остыванием в печи с замазанными щелями.
В последнее время появились и используются все чаще гидравлические прессы, которые выполняют роль классического кузнечного молота. Они называются жомами или пресс-молотами.
С экономической точки зрения пресс-молот намного выгоднее молота: ковка происходит быстрее в несколько раз. Но и к нему нужно относиться с осторожностью, потому что появляется риск образования на поверхности складок или наплывов.
Одним словом, свободная ковка – это искусство компромисса, нужно знать основные операции ковки, чтобы определить способ, форму и вид применяемых инструментов. Для этого нужны опыт и мастерство. Дело того стоит.
Ковка — что это такое?
Какие образы рисует ваше воображение при слове «ковка»? Это наверняка молот, наковальня и могучие кузнецы, занятые своим тяжелым, почетным ремеслом.
Совершенно справедливо. Помните выражение «куй железо, пока горячо» в известном фильме? Именно высокотемпературная деформация металла под давлением получила название «ковка». Более того, несмотря на существование холодной ковки, горячая обработка металла остается единственным способом создания настоящих шедевров кузнечного ремесла.
Чтобы вы понимали разницу и специфику обоих методов, мы решили рассказать, что такое ковка металла, а начать имеет смысл с исторической справки.
Кузнец — самая почетная профессия
Примерно в 1200 году до н. э. человек научился добывать железо из руд, что послужило началом железного века и развития металлургии.
В кузницу кого попало не пускали, поэтому кузнечное дело было овеяно мифами и легендами, а самих кузнецов почитали и приписывали им сверхъестественные способности.
С тех пор прошло много веков, поэтому не помешает узнать, что такое ковка металла в современном понимании.
Виды ковки
Спрос на кованые изделия чрезвычайно высок, поэтому технологии ковки совершенствуются по сей день. Изделия и заготовки, изготовленные методом ковки, получили название «поковка».
Итак, сегодня существуют три вида ковки металла:
Теперь вы представляете, что такое ковка металла, но обзор будет неполным без упоминания об основных технологиях, с помощью которых происходит обработка стальных заготовок.
Горячая ковка
Прошли столетия, но при горячей обработке металла используются все те же инструменты — кузнечный очаг, наковальня, клещи и молот.
Конечно, они уже не такие примитивные. Например, печи и горны бывают стационарными и переносными, закрытыми и открытыми. Работают они на разных видах топлива, включая газ, дрова и электричество. Главное, что кузнечные печи способны разогревать металл до t + 1200°С.
Ручная ковка — это физически тяжелая работа, поэтому мастера используют надежные наковальни с опорой весом не менее 30 кг, клещи и молоты различной массы.
Технологический процесс заключается в нагревании заготовки, а затем придания ей нужной формы. Поэтому молотом дело не ограничивается и кузнецы используют другие инструменты:
Элементы кованой конструкции соединяются методом электрической сварки, кузнечной сварки (сварка ковкой) или с помощью заклепок. Охлаждаются изделия или в очаге, или в емкости с холодной водой.
Метод горячей ковки — это искусство. Чтобы понять, как из невзрачного металла получаются изысканные лестничные ограждения, воздушные ворота или изящные торшеры, не помешает узнать об основных приемах кузнечного ремесла.
Технологические операции горячей ковки
Ручная работа всегда подразумевает эксклюзивный результат, и кованых изделий это тоже касается. Методом горячей художественной ковки создаются уникальные предметы, за что, собственно, они и ценятся.
Кстати, ключевое отличие методов горячей и холодной ковки заключается в том, что обрабатывать металл без нагревания может каждый по одному мастер-классу. А настоящему кузнечному делу обучаются годами, а потом еще долго совершенствуют свои навыки.
Понять сложно, что такое ковка металла горячим методом, не имея представления о ее основных технологических приемах:
С рубкой, загибом и скручиванием железа все понятно, потому как названия операций говорят сами за себя.
Что такое ковка металла горячим методом вы теперь знаете, остается объяснить популярность технологии. Дело в том, что при деформации горячей стали металл уплотняется, а его прочность повышается. Не говоря уже об эстетической составляющей.
Холодная ковка
Если при художественной ковке ассортимент изделий, создаваемых мастером, ограничивается его фантазией, то холодная ковка — это способ получения добротных, презентабельных, но типовых изделий.
Гибка и прессовка металла производится на станках с шаблонами, такими как «гнутик», «улитка» и т. д. Чем больше форм, тем более разнообразными получатся ограды, перила или решетки на окна. Прутья обрезают болгаркой, а элементы соединяются сварным способом.
Кстати, некоторые эксперты холодный способ обработки металла ковкой не считают, потому как в этом случае металл нагревается только в местах соединений. Кузнецы старой школы с ними совершенно согласны.
Ковка металла что это
Ковка. Определение, общие понятие, описание процесса ковки, исторические факты о ковке.
Ковка. Определение. Общие понятия.
Ковка — это высокотемпературная обработка различных металлов (железо, медь и её сплавы, титан, алюминий и его сплавы), нагретых до ковочной температуры. Для каждого металла существует своя ковочная температура, зависящая от физических (температура плавления, кристаллизация) и химических (наличия легирующих элементов) свойств. Для железа температурный интервал 1250–800 °С, для меди 1000–650 °С, для титана 1600—900 °С, для алюминиевых сплавов 480–400 °С.
Различают:
Изделия и полуфабрикаты, получаемые ковкой, называют «поковка».
При ковке в штампах металл ограничен со всех сторон стенками штампа. При деформации он приобретает форму этой полости.
При свободной ковке (ручной и машинной) металл не ограничен совсем или же ограничен с одной стороны. При ручной ковке непосредственно на металл или на инструмент воздействуют кувалдой или молотом.
Свободную ковку применяют также для улучшения качества и структуры металла. При проковке металл упрочняется, завариваются так называемые несплошности и размельчаются крупные кристаллы, в результате чего структура становится мелкозернистой, приобретает волокнистое строение.
Машинную ковку выполняют на специальном оборудовании — молотах с массой падающих частей от 40 до 5000 кг или гидравлических прессах, развивающих усилия 2–200 МН (200–20000 тс), а также на ковочных машинах. Изготовляют поковки массой 100 т и более. Для манипулирования тяжёлыми заготовками при ковке используют подъёмные краны грузоподъёмностью до 350 т, кантователи и специальные манипуляторы.
Ковка является одним из экономичных способов получения заготовок деталей. В массовом и крупносерийном производствах преимущественное применение имеет ковка в штампах, а в мелкосерийном и единичном — свободная ковка.
При ковке используют набор кузнечного инструмента, с помощью которого заготовкам придают требуемую форму и размеры.
Основные операции ковки
— осадка
— высадка
— протяжка
— обкатка
— раскатка
— прошивка и др.
Ковка железа и стали по технологии конца XIX в
Ковка применяется для разных целей, и из-за этого способы обработки металла могут быть различными:
В зависимости от величины обрабатываемых изделий, ковка разделяется на ручную и на механическую.
Инструменты
— наковальня
— молот
— ручные молоты (небольшие), которыми кузнец, сам один, или с помощью молотобойцев, обрабатывает предмет.
— механические молоты. Важный элемент механического молота – наковальня, или нижний боек, на который кладётся предмет.
— кузнечные клещи, которыми кузнец захватывает нагретый кусок, вынимает его из горна, или печи, подносит под молот, кладёт на наковальню и поворачивает предмет во время ударов молота.
— подъёмные краны по обеим сторонам механического молота. Они служат для посадки болванки в печь, переноса под молот и поворачивания её во время ковки. Вспомогательным прибором при этих манипуляциях служит державка, состоящая из прочного, длинного стержня, имеющего на одном конце 4 лапы, которые захватывают болванку, а на другом — рукоятку, для поддерживания болванки рабочими на весу.
Процесс ковки
Нагрев заготовки
Для изготовления предметов путём ковки берётся отлитая стальная заготовка. Её необходимо сначала нагреть. Для этого вблизи молота устраиваются нагревательные печи или горны. Их размер, форма и количество зависит от производства и размера заготовок. Для мелких изделий применяются обыкновенные кузнечные горны. Для крупных — пользуются сварочными печами, нагреваемыми дровами, или каменным углем, а для нагревания больших заготовок устраивают газовые печи.
Печь сначала разогревают до тёмно-красного каления. Затем в неё помещают горячую заготовку. (В холодных заготовках внутренние слои всегда находятся в более или менее напряжённом состоянии из-за условий, в которых они после отливки затвердевают. Если в горячую печь положить холодную заготовку, то наружные слои, нагреваясь и удлиняясь, вызовут возникновение трещин в малоподатливых внутренних слоях). Такая заготовка должна оставаться горячей после отливки, ей не надо давать остыть ниже тёмно-красного каления и сразу же после извлечения из формы для отливки её следует поместить в печь. Если это не удалось, и заготовка начала остывать, то прежде чем поместить её в печь, её надо зарыть в горячий мусор для более медленного остывания. Если она остынет сильно, то надо её подогреть на полу мастерской. Даже после подогрева на полу в заготовке могут возникнуть внутренние трещины. Чтобы избежать такой порчи заготовки, её надо сначала подогревать только с концов. Тогда нагрев будет идти по направлению оси заготовки, от её концов к середине, и расширение всех концентрических слоев будет равномерней. Предварительный подогрев — достаточно до 300°, что легко узнать по дыму и зажиганию масла, налитого на поверхность заготовки.
Заготовки помещают в печь по одной или несколько, в зависимости от их величины. Вначале нагрев держат небольшой. Затем его постепенно увеличивают и доводят до требуемой степени. Чем сильнее нагрев, тем сталь делается мягче, легче её обрабатывать под молотом и тем успешнее идёт ковка. Однако этим опасно злоупотреблять — чем выше нагрета сталь, тем она больше стремится кристаллизоваться при остывании, из-за чего может уменьшиться связь между отдельными кристаллами (зёрнами), и они могут разъединиться даже от одного или нескольких ударов молота. Таким образом — заготовка при ковке получит надрыв, трещину, а иногда даже отваливается целыми кусками. Это называется перегревом стали. Перегрев стали не следует путать с пережогом стали. Пережог влияет не на кристаллическую структуру металла, а уже на его химический состав, заставляя его изменяться: когда сталь долго находится под воздействием печных газов, сварочного жара, она мало-помалу теряет свой углерод и приближается к железу. Пережжённую сталь невозможно использовать, тогда, как перегретую ещё можно поправить.
Чем твёрже сталь, тем больше она стремится к кристаллизации и тем ниже температура, при которой она кристаллизуется. Поэтому степень нагрева надо сообразовать с твёрдостью стали:
Низкая температура тоже не подходит для ковки. Во-первых, она сильно затрудняет обработку. Во-вторых — при перемещении малоподвижных частиц во время ковки образуются сильные натяжения, которые иногда вызывают внутренние надрывы и трещины. Надо вести нагрев так, чтобы внутренняя часть заготовки успела прогреться надлежащим образом. И хотя наружные слои всегда прогреваются сильнее, но это уравновешивается быстро вследствие их охлаждения во время ковки.
Вообще, для успешной ковки надо принять за необходимое правило, что кроме степени нагрева имеет очень важное значение и равномерность нагрева. Для этого после посадки заготовки в печь, надо температуру поднимать очень медленно, наблюдая, чтобы заготовка нагревалась одинаково со всех сторон.
Время нагрева зависит главным образом от величины заготовки и от жаровой способности печи. На некоторых заводах для нагрева 30-ти тонной заготовки требуется около 30 часов, для 15-ти тонной около 12 часов, для 5-ти тонной около 8 часов.
Обжим заготовки
Подготовка
Обработку стальной заготовки под молотом можно разделить на две части: на подготовку и на окончательную отделку.
Подготовка предназначена для того, чтобы уплотнить заготовку, и придать ей в грубом виде необходимые размеры и формы. Формы и размеры заготовок и способы ковки зависят от вида изделий. Подготовки по виду разделяются: на подготовку сплошных цилиндров, пустотелых цилиндров, колец, подготовку плоских вещей, и т. п. Способы ковки при этом также имеют разные названия.
Окончательная отделка
После подготовки предмет имеет довольно грубую и неровную поверхность, для выравнивания которой оставлен некоторый запас против требуемых размеров. Для этого предмет очищают ещё раз зубилом от всех трещин, волосовин и лёгкими и частыми ударами молотка проходят кругом всю его поверхность. Наконец, окончательно проверяют предмет посредством кронциркулей, линеек, или шаблонов и, если есть необходимость, его выправляют и т. п.
Для придания более чистого и гладкого вида употребляются разного рода гладилки и штампы, а иногда во время ударов молота поливают поверхность водой, вследствие чего приставшая окалина лучше отделяется и изделие выходит чище. Такое выглаживание производится всегда в самом конце, когда изделие уже остыло до буро-красного каления и поэтому носит название холодной ковки или наклепки.
После наклепки замечаются всегда такие же явления, как и при закалке, то есть металл делается твёрже и менее тягуч и образуются внутренние натяжения. Вследствие малой подвижности металла, при сильной наклёпке, нарушается связь между частицами и даже иногда получаются внутренние трещины. Если отполированный разрез сильно наклёпанного бруска подвергнуть действию слабой кислоты, то образовавшийся при этом рисунок прямо показывает на внутреннее изменение металла. Вначале предполагали, что наклёпка увеличивает абсолютную плотность стали однако, дальнейшие опыты показали обратное. Так, например, при волочении проволоки, после первого прохода через волочильную доску, плотность её уменьшилась с 7,839 до 7,836; после второго до 7,791, после третьего до 7,781. При наклёпке меди или серебра получаем результаты совершенно противоположные.
Так как влияние наклёпки аналогично закалке, то, чтобы придать металлу желаемую твёрдость и упругость, очень часто прибегают к наклёпке. При изготовлении таких изделий, как, например резцы, инструменты, клинки и пр., этот способ оказывает большую пользу, но, что касается более крупных изделий, при которых получается только поверхностная наклёпка, вызывающая внутренние натяжения, этот способ, вместо пользы, приносит изделию только вред. Лучшим доказательством служит пример изготовления локомотивных или вагонных осей, у которых шейки отделаны штамповкой. При пробе на изгиб таких осей часто случается, что при ударе груза посередине оси отламывается её конец, как раз в том месте, где была отштампована шейка. Хотя все эти вредные натяжения можно уничтожить, или, по крайней мере, уменьшить отжигом, однако иногда происходит, что во время самой наклёпки не образовались уже трещины, которых отжиг исправить не в состоянии. При изготовлении более сложных поковок, где неизбежно применять штамповку, гораздо лучше совершать это при высоком нагреве, тем более, что сталь в раскалённом состоянии хорошо выдерживает штамповку и отчётливо воспроизводит форму штампы; чтобы воспрепятствовать образованию натяжения, необходимо делать её в несколько приёмов, каждый раз подогревая сталь до надлежащей температуры.
После обработки заготовки под молотом, не прибегая даже к наклёпке, всегда появляются внутренние натяжения, происшедшие вследствие неравномерного остывания концентрических слоев, и вследствие того, что разные части заготовки приходится ковать при разных температурах. Чем больше диаметр откованной заготовки и чем резче переход от одной формы к другой, тем неравномернее происходит остывание, и тем резче будут проявляться внутренние натяжения. Во избежание трещин и искривления откованных изделий, зарывают их после ковки в горячий мусор. Подобное зарывание может принести пользу, когда изделие довольно простой формы и когда она ещё красная. В противном случае надо непременно подвергать изделие отжигу, то есть осторожно его подогреть до температуры около 700°, затем, замазав печь, дать ему медленно остыть до полного охлаждения.
Выше было упомянуто, что назначение ковки, кроме сообщения требуемой формы, заключается ещё в уплотнении металла вследствие пороков, встречаемых внутри заготовки. Газовые пузыри, образующиеся при затвердевании стали, размещаются, главным образом, снаружи. Большинство из этих пузырей, имея сообщение с окружающей атмосферой, окисляется под действием печных газов и покрывается внутри слоем окалины, которая не дозволяет им свариваться при обжимке болванки под молотом, а потому они только сплющиваются в виде прослоек и вытягиваются в виде волосовин. Толщина рыхлого слоя откованного предмета зависит от величины пузырей, глубины их размещения в болванке и от большей или меньшей обработки под молотом. Поэтому всякое откованное изделие, подвергающееся окончательной отделке на токарных или строгательных станках, должно иметь соответствующий запас металла, для удаления рыхлого слоя.
Чтобы получить чистую и гладкую поверхность, достаточно оставить, для удаления рыхлого слоя запас на обточку толщиной в ½» для больших и от ¼» до ⅛» для мелких предметов. Кроме уплотнения пороков в болванке, ковка изменяет и свойства самого металла. Если сравнить изломы кусков стали, взятых от одной и той же болванки до и после её проковки, то они представляют большую разницу. Первый из них крупнокристаллический с блестящими и сильно развитыми плоскостями отдельных зёрен, второй же мелкозернистый, матовый и как бы аморфного сложения. Испытывая на разрыв эти бруски, оказывается, что как упругость и прочное сопротивление, так и удлинение кованого бруска гораздо больше. Так, например, механические испытания бессемеровской стали от одной и той же заготовки имеют следующие результаты:
