Художественная ковка металла

При содержании углерода до 0,1% сталь мягкая, хорошо куется, сваривается  кузнечным способом, не принимая закалки. Такую сталь в практике называют железом. Сталь, которая отвечает всем требованиям художественной ковки, содержит от 0,1 до 0,3% углерода и до 1% других примесей. Такая сталь называется поделочной. Сталь средней твердости  содержит углерода от 0,08 до 0,85%. Она  хорошо куется при надлежащем нагреве, хорошо закаливается, но плохо сваривается. При содержании углерода от 0,6 до 1,35% сталь считается высокоуглеродистой (инструментальной). Куется довольно трудно, требует очень умелого проведения нагрева и самой ковки при  определенных температурах.

Чугун - это сталь, содержащая до 2% углерода, он хрупкий, не поддающийся  ковке сплав. Другие примеси, кроме  углерода, также влияют на качество металла. Так сера и фосфор - вредные  примеси.

При содержании серы более 0,04% сталь становится красноломкой, т.е. при нагреве до красного каления  металл разрушается под ударами  молота, а фосфор (более 0,05%) делает сталь  хрупкой в холодном состоянии. Никель повышает прочность стали, а хром - твердость и износостойкость, но зато теплопроводность стали снижается, марганец уменьшает вредное влияние  серы и увеличивает твердость, прочность, снижает теплопроводность. Кремний повышает прочность и упругость, но снижает вязкость и свариваемость.

В кузнечном деле используются и цветные металлы: медь, алюминий, магний, титан и их сплавы. Хорошей  ковкостью отличаются алюминиевые  сплавы.

Все металлы и сплавы имеют  поликристаллическое строение, то есть состоят из отдельных прочно сросшихся  друг с другом зерен, между которыми располагаются в виде тонких прослоек неметаллические вкрапления различных  оксидов, карбидов и других соединений. Размеры зерна составляют 0,01-0,2 мм и оно тоже имеет кристаллическое  строение.

Что же происходит в металле  во время ударов молота? При ковке  деформация происходит вследствие скольжения зерен относительно друг друга, потому что прочность зерен больше, чем  связь между ними. В результате ковки зерна металла вытягиваются в направлении течения металла  и это ведет к образованию  мелкозернистой структуры (рис. 3). Вместе с ними вытягиваются и неметаллические вкрапления, которые придают металлу волокнистое строение. Это можно видеть невооруженным глазом. Прочностные качества металла зависят от температуры конца ковки: чем выше температуре металла в момент окончания деформации, тем лучше механические свойства металла [2].

Рис. 3     Рекристаллизация стали: 1 - молот;  2 - наковальня; 3 - состояние кристаллов  до ковки:  4 - кристаллы, подвергающиеся  ковке;  5 - кристаллы после ковки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Краткое описание процесса художественной ковки

 

Процесс производства кованых  изделий из металла, в независимости  от того, будет ли это кованые  решетки, лестницы, кованые скамейки или, к примеру, кованый стол, начинается с создания эскиза будущего изделия. Сначала рисуются первые зарисовки, на основании которых в процессе работы изготовляется эскиз будущего изделия художественной ковки.

Далее по эскизу созданному художником, делается трафарет. После  того как трафарет готов, по нему изготовляются  заготовки будущих изделий.

 Начинается непосредственно кузнечная работа, заготовка кладется в печь, где она нагреваются и раскаляется. Однако, если деталь имеет малые размеры или листовая, работы над ней проводятся методом холодной ковки.

После того как заготовка  достаточно нагрета, ее вынимают и начинают выковывать. Основные инструменты, которыми пользуется кузнечный мастер при  создании кованого изделия это: зубило, клещи, различные пробойники, молоток, кувалда и конечно наковальня.

Все операции, производимые при художественной ковке, подразделяются на гибку, скручивание, рассекание, вытяжку  и т.п.

После того как изделие  изготовлено, его дополнительно  обрабатывают в зависимости от механических требований к изделию (закалка, нормализация, цементация и тп). Стачивают острые кромки, придают большее изящество, отверстия распиливают. После этого все отдельные детали скрепляются между собой так, чтобы в итоге получился готовый продукт, будь то кованая решетка или кованая лестница. Готовое изделие окрашивается, после чего оно высыхает.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Современные методы и технологии в обработке металла

 

Основной способ, с помощью которого достигается деформация ковких или  пластичных металлов, это ковка. Ковка  бывает ручной и машинной. Художественная ковка в основном производится вручную. Нужная форма придается заготовке последовательным механическим воздействием на нее ударными инструментами. 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.

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. 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 (рис. 4).

Рис. 4  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. 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 — операция по увеличению 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.

 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. 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 (рис. 5).

Рис. 5   Разрубка:   1 — на наковальне;   2 — в тисках

 

 

 

 

 

 

 

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.

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. 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.

Вытяжка. 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.