Объяснение ковки металла: какие металлы, типы стали и как это работает

Ковка металла — это процесс формирования металла с использованием сжимающей силы — посредством ковки, прессования или прокатки — обычно при нагревании металла, чтобы сделать его более податливым. Практически любой металл, который можно нагреть, не становясь при этом слишком хрупким, технически можно выковать, но на практике в промышленной ковке доминируют углеродистая сталь, легированная сталь, алюминий, титан и медные сплавы, поскольку они предлагают наилучшее сочетание обрабатываемости и улучшений механических свойств, обеспечиваемых ковкой.

Какие металлы можно ковать и почему некоторые куются лучше, чем другие

Ковка металла зависит от его пластичности при температуре ковки и от того, как его зернистая структура реагирует на деформацию. Стали с гранецентрированной кубической (FCC) кристаллической структурой при высокой температуре деформируются более равномерно при сжатии, что является одной из причин, почему сталь является наиболее часто ковываемым металлом в промышленных условиях.

Металлы с высоким содержанием углерода выше примерно 0,6% , как и чугун, обычно считаются плохими кандидатами для ковки, поскольку им не хватает достаточной пластичности даже при повышенных температурах и они склонны к растрескиванию, а не к деформации под действием молота или пресса.

Как ковать сталь: объяснение основного процесса

Ковка стали следует последовательности, которая принципиально не изменилась со времен традиционного кузнечного дела, даже несмотря на то, что масштабы и оборудование в промышленных условиях значительно изменились.

1. Отопление: Сталь нагревают в кузнице — традиционно с угольным или коксовым нагревом, теперь часто с газовым или индукционным нагревом — до температуры ковки, обычно между 1100°С и 1250°С (от 2000°F до 2300°F) для большинства углеродистых сталей, узнаваемый по яркому цвету от оранжевого до желтого.
2. Деформация: Сжимающая сила применяется посредством удара молотком, прессования или прокатки для придания формы нагретой стали — это может быть открытая матрица (формование произвольной формы) или закрытая матрица (задавливание металла в формованную полость).
3. Разогрев по мере необходимости: Сталь быстро остывает после того, как ее вынимают из кузницы, и, когда ее температура падает ниже диапазона температур ковки, ее необходимо вернуть к источнику тепла, прежде чем продолжить работу — слишком холодная сталь рискует растрескаться, а не деформироваться.
4. Нормализация или отжиг: После формования поковку часто повторно нагревают до контролируемой температуры и медленно охлаждают, чтобы снять внутренние напряжения, возникающие во время ковки, и улучшить зернистую структуру.
5. Отделка: Излишек материала (заготовка при ковке в штампах) обрезается, и деталь может подвергаться дополнительной термообработке, механической обработке или чистовой обработке поверхности в зависимости от конечного применения.

Типы процессов ковки металлов

Промышленная ковка обычно классифицируется по температуре и используемой конфигурации матрицы, и выбор между этими методами зависит от сложности детали, объема производства и требуемых механических свойств.

• Горячая ковка: Выполняется при температуре выше температуры рекристаллизации металла, что позволяет значительно изменить форму при относительно небольшом усилии и снизить риск растрескивания — наиболее распространенный метод для стали.
• Холодная ковка: Выполняется при комнатной температуре или близкой к ней, что позволяет получить детали с более жесткими размерными допусками и более гладкой поверхностью, но требует значительно более высоких усилий и ограничивает возможную деформацию без образования трещин.
• Теплая ковка: Золотая середина, работающая при промежуточных температурах, уравновешивающая меньшие требования к усилию горячей ковки с некоторыми преимуществами точности холодной ковки.
• Ковка в открытом штампе: Металл формируется с помощью плоских или простых матриц, которые не полностью закрывают его, позволяя металлу течь, за исключением тех мест, где матрицы соприкасаются с ним — используется для больших и простых форм, таких как валы и диски.
• Ковка в закрытом штампе (оттискном штампе): Металл вдавливается в полость штампа, которая полностью его закрывает, создавая более сложные формы с более жесткими допусками, которые используются для крупносерийных деталей, таких как автомобильные компоненты.
• Падение ковки: Особый метод ковки с использованием молотка, при котором на заготовку, расположенную в матрице или на ней, сбрасывается тяжелый вес, обычно связанный с традиционными операциями промышленной ковки.

Что такое кованая сталь и как содержание углерода влияет на результат

«Кованая сталь» относится к стали, которой придали форму посредством ковки, а не литья (заливки расплавленного металла в форму) или механической обработки (отрезания материала от твердого блока). Процесс ковки сжимает и выравнивает внутреннюю зернистую структуру стали вдоль направления деформации, что обычно приводит к повышению прочности, ударной вязкости и усталостной прочности по сравнению с литыми деталями того же состава. Именно поэтому кованые компоненты часто используются для деталей, подверженных высоким нагрузкам или ударам, таких как коленчатые валы, шестерни и конструкционные детали.

Содержание углерода является основным фактором, отличающим различные марки ковочной стали, и определяет компромисс между прочностью, твердостью и пластичностью после ковки:

Более высокое содержание углерода позволяет кованой детали достичь большей твердости за счет последующей термообработки, но оно также сужает температурный диапазон, в котором сталь можно безопасно ковать без растрескивания — именно поэтому высокоуглеродистые стали куют с более жестким контролем температуры и более частым повторным нагревом.

Чем пользуются кузнецы: инструменты и оборудование для ручной ковки

В то время как промышленная ковка опирается на гидравлические прессы и механические молотки, основные инструменты, используемые кузнецами для ручной ковки, в значительной степени соответствуют традиционной практике и масштабируются в соответствии с размером выполняемой работы.

• Кузница: Источник тепла — традиционно угольная или коксовая кузница, сейчас распространены пропановые и индукционные горны — используемый для доведения стали до температуры ковки.
• Наковальня: Тяжелый стальной блок, обеспечивающий стабильную и жесткую поверхность, по которой можно ударять молотком, с различными элементами (рожком, прочным отверстием, отверстием для прорези), используемыми для различных методов обработки.
• Молотки: Широкий выбор молотков по весу и форме торцевой части для различных задач — молотки с крестообразным бойком для вытягивания металла, молотки с шариковым бойком и скругленными молотками для текстурирования и придания формы.
• Щипцы: Используется для надежного удержания горячих заготовок с губками различной формы, предназначенными для круглых, плоских заготовок или деталей определенной геометрии.
• Зубила и пробойники: Используется, пока металл горячий, для резки, прокалывания или создания декоративной текстуры.
• Закалочный бак: Емкость с водой, маслом или другой закалочной жидкостью, используемая для быстрого охлаждения стали перед закалкой, при этом выбор закалочной жидкости влияет на конечную твердость и риск растрескивания.

Как для ручной, так и для промышленной ковки цвет является традиционным индикатором температуры: яркий желто-оранжевый цвет обычно соответствует оптимальному диапазону ковки для большинства углеродистых сталей, а тускло-красный цвет указывает на то, что сталь остыла ниже безопасного рабочего диапазона и существует риск растрескивания при ударе.