Кузнечное дело. Материалы. характеристика ковочных сталей

Главное, что должно отличать материалы, то есть металлы, используемые для создания изделий в технике художественной ковки, это — пластичность, способность к ковкости. 

Глава 2. Материалы. характеристика ковочных сталей

Главное, что должно отличать материалы, то есть металлы, используемые для создания изделий в технике художественной ковки, это — пластичность, способность к ковкости.

По этим параметрам наиболее применимы из черных металлов для ковки стали с минимальным количеством углерода (до 0,25 %) и вредных примесей, например, хрома и молибдена (примеси серы и фосфора крайне нежелательны), а также конструкционные стали с содержанием углерода от 0,2 до 0,6 % (табл. 1). В инструментальных сталях этот показатель еще выше: от 0,6 до 1,35 %. С увеличением содержания углерода сталь становится все менее пластичной и податливой к сварке.

Таблица 1. Цвета маркировки сталей

Группа Цвет краски
Сталь обычная Красный и зеленый
Ст1,Ст1кп Белый и черный
Ст2, Ст2кп Желтый
СтЗ, СтЗкп, СтЗ, СтЗкп, СтЗ Красный
Ст4, Ст4кп, Ст4, Ст4кп, Ст4 Черный
Ст5, Ст5 Зеленый
Сталь углеродистая качественная
08, 10, 15,20 Белый
25, 30, 35, 40 Белый и желтый
45, 50, 55, 60 Белый и коричневый
Сталь легированная конструкционная
Хромистая Зеленый и желтый
Хромо-молибденовая Зеленый и фиолетовый
Хромованадиевая Зеленый и черный

Касаясь образцом стали вращающегося наждачного круга, мастер получает пучок искр и сопоставляет их цвет с маркировочным эталоном.

Степень пригодности к закалке устанавливается путем нагрева до 900°С и опусканием в воду. Малоуглеродистая сталь легко пилится напильником.

Температура Цвет
550-580 Темно-коричневый
580-650 Коричнево-красный
650-730 Темно-красный
730-770 Темно-вишнево-красный
770-800 Вишнево-красный
800-830 Светло-вишнево-красный
830-900 Светло-красный
900-1050 Оранжевый
1050-1150 Темно-желтый
1150-1250 Светло-желтый
1250-1300 Ярко-желтый

Таблица 3. Маркировочные эталоны

Группа стали Цвет и характеристика пучка искр
Низкоуглеродистая нелегированная (углерода до 0,15%) Короткий темно-желтый пучок искр, принимающих форму полосок и становящихся более светлыми в зоне сгорания; мало звездообразных разветвлений
Среднеуглеродистая нелегированная (углерода 0,15-1,0%) При повышении содержания углерода образуется более плотный и светлый желтый пучок искр с многочисленными звездочками и ответвлениями лучей
Высокоуглеродистая нелегированная (углерода свыше 1,0%) Очень плотный желтый пучок искр с многочисленными звездочками. При увеличении содержания углерода уменьшается яркость и укорачивается пучок искр
Нелегированная с повышенным содержанием марганца Широкий плотный ярко-желтый пучок искр; внешняя зона линий искр особенно яркая. Многочисленные разветвления лучей
Марганцовистая (марганца 12%) Преобладание зонтообразных искр
Конструкционная (марганца до 5%) Яркие желтые линии искр в виде язычков, расщепленные на конце; увеличение яркости в зоне сгорания. При повышении содержания углерода на концах искр появляются звездочки
Хромистая с низким содержанием углерода и высоким содержанием хрома Короткий темно-красный пучок искр без звездочек, слаборазветвленный, искры прилипают к поверхности шлифовального круга
Никелевая высоколегированная При содержании никеля до 35% красно-желтая окраска пучка. При более высоком его содержании (около 47%) яркость искр значительно ослабевает
Хромоникелевая Желто-красные искры с более яркими полосами в зоне сгорания. При повышенном содержании хрома и никеля пучок искр более темный
Вольфрамовая Красные короткие искры; линии искр отчетливо изгибаются книзу. Разветвление звездочек углерода отсутствует. Чем выше содержание вольфрама, тем слабее образование искр
Молибденовая Ярко-желтые искры в виде язычков. При низком содержании кремния язычки видны перед звездочками углерода; при повышенном содержании — за звездочками углерода

ТЕХНОЛОГИЯ ХУДОЖЕСТВЕННОЙ КОВКИ

Термическая обработка металлов

Любой материал, применяемый в ковке, имеет свои свойства и характеристики. Они соответствуют его внутреннему строению и химическому составу. Если характеристики необходимо изменить, то этого можно достигнуть путем термической обработки. В современной металлургии для каждого вида материала разработаны таблицы с указанием необходимой обработки.

В практике художественной ковки для подобной обработки не имеется оборудования, а во многих случаях неизвестен даже химический состав обрабатываемого материала.

При художественной ковке металлические материалы делят на ковкую сталь. Для изготовления декоративных замков, щитов, петель, листьев и цветов требуется материал очень пластичный и мягкий. В этом случае поможет отжиг. Обрабатываемый материал нагревают при температуре 650-720 °С в течение 2-3 ч. В условиях, когда нет электрической печи, нагрев производят в горне, используя древесный уголь, под который понемногу вдувают воздух. Охлаждать материал следует как можно медленнее. При использовании электрической печи материал охлаждают вместе с печью после ее выключения. Если отжиг производят на древесном угле, то наилучшей средой является просеиваемая зола. Золу подогревают в горне, в нее закапывают отжигаемую заготовку и оставляют остывать. После такой обработки материал становится очень тягучим и из него можно получать самые сложные формы. Если требуется размягчить медь, то поступают наоборот. Медь нагревают до 500-600 "С и быстро охлаждают в воде. Материал получается при этом очень тягучим.

Мастер художественной ковки поставлен обычно в такие условия, что большую часть инструментов ему приходится делать самому. В этом деле не обойтись без закалки — самого обычного способа обработки стали. Основная цель такой обработки — получить сталь с наивысшей твердостью. Закалка состоит в медленном и равномерном нагреве стали до температуры закалки и в быстром охлаждении. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы предотвратить изменения в металле, происходящие при медленном охлаждении, те. выделение фермента и превращение аустенита в пермит. Весь аустенит при закалке превращается в мартенсит, который после цементита является самым твердым и хрупким компонентом. Способ охлаждения зависит прежде всего от марки стали.

Используемые охлаждающие среды имеют различную охлаждающую способность. Наибольшую скорость охлаждения обеспечивает холодная вода, более умеренную — масло, а самую умеренную — воздух. Охлаждающую способность воды можно увеличить присадкой поваренной соли либо соляной кислоты (приблизительно 1:10), а уменьшить — нагревом или подмешиванием известняковых веществ. При движении охлаждающей среды увеличивается ее охлаждающее действие. Углеродистые стали охлаждают в воде, легированные — в масле, а высоколегированные — в потоке воздуха. У инструмента, используемого в художественной ковке или слесарном деле, закаливают, как правило, только рабочую часть, которая непосредственно служит для обработки изделия.

Как уже было отмечено, закалка характеризуется превращением аустенита в твердый и очень хрупкий мартенсит. При слабом нагреве мартенсит переходит в другие структурные составляющие — бейнит, троостит или сорбит, которые, хотя и не так тверды, как мартенсит, ной нехрупки. Закаленный инструмент в таком состоянии называют отпущенным. Инструмент, нагреваемый под закалку, охлаждают не весь, а только его рабочую часть. После охлаждения инструмент вынимают из охлаждающей жидкости и зачищают на камне. На очищенном месте наблюдают цвет металла, изменяющийся за счеттепло-ты от еще нагретой части инструмента (см. таблицу). Когда появится необходимый цвет, закаленную часть инструмента опять опускают в охлаждающую жидкость и дают охладиться всему инструменту.

Таблица 4. Шкала температур и цвета стали при закалке и отпуске, разработанная чешскими мастерами ковки

Температура, °С Цвет нагретой стали
405 Красный, едва видный в темноте
480 Светло-красный, видный в полумраке
530 Темно-красный, видный на свету
535 Красный, видный при солнечном свете
576 Красный, цвета темной вишни
580 Красный, цвета среднеспелой вишни
746 Вишнево-красный
800 Красный, цвета спелой вишни
843 Светло-красный
900 Красный (средней яркости)
940 Ярко-кровавый
1000 Лимонно-желтый
1080 Светло-желтый
1209 Желто-белый
1400 Ярко-белый
1660 Ослепительно, бело-голубой
  Цвет стали при отпуске
220 Яркий, соломенно-желтый
230 Соломенно-желтый средней яркости
240 Соломенно-желтый
245 Темно-соломенно-желтый
250 Темно-желтый
255 Желто-бурый
260 Буро-желтый
265 Красно-бурый
276 Пурпурный
282 Ярко-пурпурный
287 Ярко-голубой (слегка)
293 Ярко-голубой (полностью)
305 Глянцево-голубой
315 Темно-голубой

 

не создадут того неповторимого штриха, нанесенного резцом на изделие, не повторят воплощенной в оригинальную отливку задумки художника-литейщика, не сделаюттаким выверенным и исполненным неповторимого шарма ковочный рисунок ажурной решетки или металлической скульптуры.

Способы деформирования ковкого металла

Основной способ, с помощью которого достигается деформация ковких или пластичных металлов, это ковка. Ковка бывает ручной и машинной. Нас интересует именно первый способ. Ударами ручника или кувалды достигается желаемая форма заготовки в холодном или разогретом состоянии (в зависимости от ее толщины). Различают свободную и штампованную ковку. Первая осуществляется произвольными ударами молота на усмотрение ковщика. Вторая — ударами по штампу, вдавливанием в заготовленную форму мягкого металла ударами кувалды.

Художественная ковка в основном производится вручную. Нужная форма придается заготовке последовательным механическим воздействием на нее ударными инструментами.

Ручная ковка требует от ковщика не только художественного вкуса, сноровки и кропотливой работы, но и определенных физических данных и выносливости. Поскольку ручник не так уж тяжел, придется нанести в процессе изготовления кованного изделия несчетное количество ударов. А чтобы 8-10-килограммовой кувалдой махать — нужно иметь недюжинную силу. Раньше кузнецы работали в паре — старший (основной) мастер и подручный (молотобоец): старший ручником указывал помощнику место удара кувалдой, направлял весь процесс ковки. В индивидуальной кузнице приходится все ковочные процессы выполнять одному, то есть быть универсалом, как, впрочем, и в других видах художественной обработки металла.

Поскольку многие ковочные операции приходится выполнять с разогретым металлом, очень важно правильно осуществлять его нагрев, который производится в условиях мастерской горелкой или в горне — в зависимости от величины детали и температурных качеств материала. Наиболее благоприятный температурный интервал ковки — в пределах 800-900°С.

Воздух, необходимый для процесса горения топлива, в горн подается электровентилятором. Огонь в горне необходимо поддерживать ровным, не допускать высокого пламени, поливая, если нужно, водой, чтобы сбить длинные языки пламени в горне и чтобы самый сильный жар концентрировался внутри шахты горна — в горновом гнезде. Золу выгребают кочергой, не раскалывая. Уголь подкладывают не сверху, а по краям. Заготовку помещают под верхний слой углей — там наибольший жар (в нижней части гнезда жар слабее из-за потока поступающего воздуха). Нагрев металла осуществляют медленно, чтобы он прогрелся равномерно и достаточно, но не перегревался, особенно это касается инструментальной стали, перегрев которой чреват трещинами в заготовке и разрушением при ковке.

Если все-таки перегрев какой-то части случится, то ее нужно отрубить. При оптимальном для ковки температурном режиме (800-900 °С) максимально возрастает пластичность стали и в 20 раз снижается ее прочность.

Протяжка нагретой заготовки в личной мастерской осуществляется на кромке наковальни под углом 40-45° ударами ручника по противоположной грани заготовки, После протяжки заготовку выравнивают с учетом заданных размеров, а неровности устраняют гладилкой.

Округление граней заготовки. Заготовку квадратного или прямоугольного сечения кладут ребром на зеркало наковальни и перековывают в восьмигранник. Затем ударами молота скругляют и его грани, азавершают процесс с помощью вырезных молотка и обжимки, которая ставится в отверстие лица наковальни. Режим ковки горячий.

Оформление уступов. На остром ребре наковальни разогретой поковке кувалдой и подкладным молотом придают иное сечение. Уступы бывают одно— и двусторонние.

Рис. 15. Протяжка: 1 — на ребре; 2 - скругленным молотком

 

Высадка — операция, в результате которой из тонкой заготовки получают более объемную в определенной части (в середине, на конце) за счет утолщения сферической формы.

Рис. 16. Ковка уступов на наковальне

Если высаживаемая часть должна стать более объемной, заготовку холодным концом ставят на наковальню, а удары кувалдой наносят с обратного нагретого конца. Если высаживаемая часть нужна тоньше, а значит, и длиннее, на наковальню ставят горячую часть и бьют по холодной.

Слишком длинную (тонкую) высадку производят на пятке наковальни; клещи, которыми удерживают заготовку, опирают на зеркало наковальни.

Чтобы добиться высадки в средней части заготовки, нагревают (горелкой) только середину прутка (стержня). С помощью высадки изготавливают крепежные костыли: заготовка должна быть квадратной, поэтому заготовки цилиндрической формы получают именно квадратный профиль; не прокованной оставляют только часть, из которой выковывают головку костыля на гвоздильной плите.

Осадка — увеличение поперечного сечения поковки за счет ее укорочения. Эта операция применяется при изготовлении инструмента (например, ударного, фасонного) и создании элементов декора с переменным поперечным сечением. Нагретую заготовку, удерживая щипцами, ставят на наковальню вертикально и осаживают.

Если осадить нужно не всю заготовку, т.е. по всей длине равномерно, а какую-то ее часть, то разогревают именно эту часть и работают таким же образом. Эта операция именуется высадкой.

Поковки значительной длины и массы осаживают без ударного инструмента. При искажении формы утолщения заготовку проковывают и операцию повторяют.

Просечка и продевание. При изготовлении решеток, ворот, калиток используют операцию продевания прутков одного в другой. Чтобы ее осуществить, в прутьях нужно сделать просечки. Режим — горячий. Зубило для просекания прута должно быть круглого сечения, длинное и острое. Получив отверстие, зубило замачивают для охлаждения. Прутья квадратного сечения просекают квадратной же оправкой с направляющей рукояткой для ее удержания. Полученные отверстия доводят соответствующими оправками до размера сечения продеваемого прута. Комбинации различны: круглые в квадратные, квадратные — в круглые и т.д.

Рубка. Инструменты: зубила, подсечки, кувалда, клещи. Для рубки холодного металла — заточка под углом 60°; горячего — 80°. В процессе рубки холодного металла в нем возникает структурное напряжение, в результате чего в заготовке могут появиться трещины. Чтобы избежать этого, ее предварительно отжигают. При рубке горячей поковки зубило время от времени нужно охлаждать, причем желательно в масляной эмульсии, которая обволакивает лезвие зубила и препятствует его пригару к горячему металлу. Рубка производится по предварительной разметке керном по холодной заготовке. Прорубив на 2/3, поковку переворачивают (разруб должен совпадать с краем наковальни) и перерубывают полностью. Эту операцию можно осуществить и на подсечке, и в комбинации зубило-подсечка.

При рубке на подсечке нужно быть предельно внимательным, чтобы при очередном ударе молотка по заготовке не произошло полной разрубки, поскольку есть опасность повредить боек ручника и острие подсечки.

Рис. 17. Последовательность просечки для продевания
Рис. 18. Разрубка: 1 — на наковальне; 2 — в тисках

Рубку листовой заготовки до 3 мм производят в холодном режиме, более толстой — в горячем.

Вырубку отверстий нестандартных форм осуществляют фасонными зубилами в горячем режиме.

Различают и некоторые разновидности рубки:

  1. заготовку надрубывают, вытягивают, закручивают, изгибают в узор;
  2. разделяют поковку по оси;
  3. отделяют металл по наружному контуру. Пробивка. Инструменты: пробойники (бородки), зубила, оправки.

Раскаленное место поковки устанавливается против отверстия наковальни и пробивается бородком в несколько приемов. Бородком металл выдавливается с обратной стороны заготовки. Не вынимая пробойника, поковку перемешают на зеркало наковальни и продолжают наносить удары до тех пор, пока не обозначатся контуры будущего отверстия в виде темного пятна. Затем поковку переворачивают и вновь переносят на отверстие в наковальне, где встречной пробивкой завершают операцию. Образуется отверстие, называемое выдрой. Это отверстие обрабатывается оправкой с целью придания правильной и аккуратной формы. Для увеличения отверстия деталь проковывают на роге наковальни. Зубила, применяемые для прорубки отверстий в разрезе, имеют форму конусов, соединенных основаниями.

От массивности зубила и угла заточки его рабочей части зависит внешний вид вырубленной детали. Зубила с толстым лезвием иногда вызывают деформацию поковки. Поэтому, когда металл недорублен менее, чем наЗ мм, завершить рубку стоит зубилом с тонким лезвием.

Вытяжка. Инструменты: кувалда, ручник, клещи, обжимки, шпераки, разгонки, гладилки, наставки, оправки, правильная плита.

Вытяжка производится с целью удлинения заготовки, изменения ее длины за счет уменьшения поперечного сечения. Например, из толстой поковки в горячем режиме кувалдой отковывается полоса. Сначала ковка производится с одной стороны раскаленной поковки, затем с другой. Завершается ковка ручником. Неровности устраняются гладилкой. Вытяжку малоразмерной заготовки производят ручником на углу наковальни, повторяя операцию до получения заданного размера.

Заготовку круглого сечения вытягивают, придавая ей квадратное сечение, после чего грани сбивают на восьмигранник и окончательно формируют пруток до круглого сечения в обжимках, а затем проходят гладилкой. Такую же операцию осуществляют и при необходимости получения прутка с разными формами сечения и толщины.

Операция разгонки производится с целью увеличения площади поковки или ее фрагмента, благодаря ее утончению. Расплющивают заготовку ручником, а ее часть наставкой. Применяются и специальные кузнечные инструменты — разгонки.

Для вытягивания пустотелых поковок используют конусные справки и шпераки — в зависимости от. диаметра. Операции производятся соответственно с обжимками или свободной ковкой.

К вытяжке относится еще одна операция — раздача неразъемных колец. В зависимости от диаметра ее производят ручником на роге наковальни, на шпераке или оправке, которые закрепляют в отверстии наковальни или в тисках.

При раздаче колец увеличивается их внешний и внутренний диаметр, но уменьшается поперечное сечение, т.е. кольца становятся шире, но тоньше.

Итак, ковочная операция вытяжка имеет три основные разновидности: собственно вытягивание (удлинение), разгонка (увеличение) и раздача (расширение), и сопряжена с привлечением множества основных и вспомогательных кузнечных инструментов.

Практически без этой ключевой операции в ковке не обойтись при создании самых разных видов художественных изделий из металла.

Гибка. Эта операция позволяет придать заготовке или ее части изогнутую под различными углами форму. Режим процесса — холодный или горячий в зависимости от толщины и профиля поковки. Гибка производится на наковальне, в тисках и других фиксирующих деталь приспособлениях. В месте изгиба происходит утончение поперечного сечения детали. Чтобы этого избежать, в месте изгиба производят предварительную высадку. Изгиб для декора наоборот производится с подсеканием металла. При необходимости получения нескольких или многих одинаковых изогнутых фрагментов изделия используют гибочную плиту.

Различают гибку на угол и гибку по радиусу. Первая осуществляется на острой кромке наковальни, вторая — на ее круглом роге; радиус гибки регулируется изменением расстояния от вершины рога.

Скрутка (торсировка). Инструменты: вороток, тиски, трубки, клещи.

При этой операции части заготовки проворачиваются по оси относительно друг друга. Стержни толщиной до 15 мм скручивают в холодном режиме, но перед скруткой поковку отжигают.

Рис. 19. Скручивание (торсировка) на «холодную»: 1 - тиски; 2 — труба; 3 — заготовка; 4 — вороток

 

Выполняется эта операция следующим образом: производится разметка (в каком именно месте произвести скручивание), затем один конец прутка, стержня фиксируют в тисках, а другой закрепляют на воротке и проворачивают нужное число раз. Для фиксации линейных контуров скручиваемый пруток вставляют в трубу соответствующего диаметра и длины.

Толстые стержни скручивают в горячем режиме. При нагреве части закрутки при поворотах воротка с холодной стороны заготовки получается завиток горячего края стержня, зажатого в тисках, который постепенно раскручивается и сходит на нет. Комбинациями таких приемов получают оригинальные детали. Скрутку можно произвести и во встречном направлении.

Особенно красивы скрученные стрежни, у которых перед торсировкой вдоль всех граней выдавлены глубокие канавки. Эффектны и скрученные плоские прутки.

Волюты-спирали — распространенные декоративно-художественные элементы кованных изделий, а именно — ионических колонн, спиралей, решеток и т.д. Ковка волюты производится свободным способом, и ее правильность и красота зависят от мастерства ковщика-художника. Если спиральных элементов, например, в перилах или ограде, требуется много, используют шаблоны, изготовленные по эталонному образцу и дающие равноразмерные детали. А волюты именно куются. Размер заготовки (ее длину) легко определить, применив свитую проволоку по фигуре будущей волюты. Распрямив мерку, получают длину поковки под волюту, отрубают такой длины поковку, нагревают с одного конца и делают ее законцовку. На роге или ребре наковальни оформляют основной, наиболее крутой завиток волюты. Затем нагревают ее по длине и с помощью спиральной оправки куют спираль. Окончания волют можно украсить орнаментом.

Рис. 20. Торсированный прут

По форме волюты бывают односторонними, двусторонними, с обратной закруткой, с разветвлением от прутка,

Пересечение внахлест применяется при оковке тяжелыхде-ревянных дверей, калиток, ворот. Пересекающиеся внахлест кованные пояса укладываются на деревянной поверхности так, чтобы оба плотно к ней прилегали, лежали в одной плоскости. Необходимый прогиб пояса в горячем режиме выполняется на подкладном штампе. Пересечение внахлест применяется и в решетках из круглых прутков. Для этого используют штамп-оправку с полукруглыми вырезами в верхней и нижней частях. Нагреваются оба пересекающиеся прутки; нижний укладывают перпендикулярно нижнему вырезу оправки, а верхний — перпендикулярно нижнему прутку над нижним вырезом, накладывают верхнюю половину оправки и сильными ударами получают пересечение внахлест.

Рассекание — получение элементов изделия, выходящих из одной металлической поковки. Под рассекаемый металл подкладывают толстый лист для предохранения от порчи зубил и наковальни при рассекании заготовки. Элементы определенного рисунка отгибают, оттягивают один от другого, чтобы их можно было проковывать, скруглять и доводить каждый в отдельности. Отсекание ответвления от разогретого прутка производят зубилом по предварительной разметке поковки. Если требуется скругление рассеченных ветвей, то поковку рассекают до начала радиуса закругления, рассеченные ветви разводят, укладывают на круглую поверхность рога наковальни и кувалдой отгибают ветвь, а ударами по ее концу получают заданный рисунок по размеру закругления. Если от поковки нужно отсечь ветвь значительно тоньше основы, то отсекание (рубку) производят в тисках в вертикальном положении поковки (ее как бы обтесывают, получая металлические стружки, которые в основании не отсечены от стержня).

Выглажка. Инструменты: гладилки (плоские и специальные).

Цель операции — отделка фрагментов и в целом изделия художественной ковки. Производится после завершения всех формообразующих операций. Перед выглаживанием изделие нагревается до темно-вишневого цвета. Более сильный нагрев может привести к деформации кованного изделия. Выглаживание производится обычными плоскими гладилками, а выпуклости или вогнутости ликвидируются специальными гладилками. Выглажка производится путем перемещения по поверхности металла гладилки и сопровождается нанесением ударов ручника по ней. Декоративные элементы кованного изделия выглаж-ке не подвергаются — они могут утратить тот неповторимый шарм, созданный художником по металлу.

Создание сайта – Создание сайтов - Черкасов Антон
Copyright © 2019 «ARTSMITH»