Какой металл больше подходит для ковки?

Художественная ковка не теряет своей актуальности уже многие столетия. Этим методом можно создать самые настоящие шедевры искусства, которые будут не только красивы, но также практичны (например, можно создать изящную решетку на окна для защиты от грабителей). Однако часто перед покупкой люди задаются вопросом: из какого металла изделие будет лучше? Однозначно ответить вопрос невозможно, т.к. у каждого металла есть свои особенности, подходящие для определенного изделия. Поэтому в нашей статье мы разберем основные виды материала для ковки, а также формового литья.

Чугун

Вид и марка металла определяется содержание углерода (его должно быть не менее 2,14%), а также рядом других компонентов в составе. Различают чугун:

• Белый

В сплаве углерод содержится в цементите. Белый чугун обладает хорошими показателями прочности и износостойкости, однако на станках его обрабатывать сложно. В свою очередь этот вид разделяется на три подгруппы: чугун доэвтектический, эвтектический и заэвтектический. Большего всего углерода содержится в последнем.

• Серый

Возможна отливка с помощью форм, созданных литьем из стали. Сплав не переносит ударов, однако он нашел широкое применение в машиностроении. Из него изготавливают изделия, на которые практически не оказывается механическое воздействие – подшипниковые чашки, колесные клиноременные передачи и пр.

• Ковкий

Получают из белого чугуна, а углерод в сплаве содержится в виде хлопьев. Для получения заготовки сырье нагревают и выдерживают при заданной температуре определенное время – этот процесс получил название “томление”.

• Высокопрочный

Углерод в структуре сосредоточен в форме шаров. Для получения нужной формы в сырье на производстве вводят магний. За счет высокой прочности этот материал напоминает углеродистую сталь. Из чугуна создают коленвалы, поршни, элементы тормозной системы.

Непосредственного для художественной ковки чаще используют ковкий чугун. Поговорим о нем подробнее.

Для его получения необходимы белые отливки. Углерод в их структуре находится в составе цементите (по-другому – карбид железа). При отжиге заготовки при температуре около 970°C из железа с гранецентрированной решеткой (аустентита) и карбида железа высвобождается графит. После чего графит кристаллизуется в хлопья, а после окончательно формируются в чугуне при температуре 720-760°C.

Термический отжиг выполняют в два этапа:

1. Нагрев. Заготовку разогревают до температуры в 1000°C, а затем выдерживают до окончания распада связей аустенита и цементита: первый остается, а второй замещается графитом.
2. Охлаждение. Заготовку постепенно охлаждают до 760°C, в процессе чего из аустенита выделяется вторичный карбид железа, входящий в состав перлита. Дальнейшее охлаждение приводит к распаду перлита на графит и феррит.

Отлить чугун можно по разным технологиям, в зависимости от которых металл классифицируется на:

• Перлитный – в составе перлит и графит в виде хлопьев.
• Ферритный – хлопьевидный феррит и графит.
• Ферритно-перлитный – включает феррит, перлит и графитовых хлопьев.

Пудлинговый чугун – мягкий при нагревании и устойчивый к коррозии. Этот материал больше всего подходит для ковки горячим методом.

Древесноугольный чугун тоже становится мягким и податливым после обжига. Он хорошо подходит для ковки холодным методом, т.к. трещины при работе не образуются. Материал часто используют для создания декоративных металлических изделий.

Кроме углерода, на технические характеристики ковкого чугуна также влияет марганец и хром, а их структура напрямую отображает свойства. Например, перлитная отливка отличается твердостью, но вот твердость ниже, чем у ферритного варианта. Включения графита в форме хлопьев придают изделиям пластичности и одновременно с тем высокую прочность. Именно поэтому такие чугуны называют “ковкими”.

К основным характерным свойствам ковких чугунов можно отнести:

• стабильности свойств по всей толщине металла,
• отсутствие внутренних напряжений,
• механические и физические показатели сравнимы с показателями серого чугуна и стали,
• высокая износостойкость, текучесть,
• высокая плотность и прочность (заготовок толщиной чуть меньше сантиметра способна выдержать давление 40 атм при испытаниях!),
• способность поглощать вибрации даже при циклических нагрузках,
• высокая устойчивость к коррозии.

За счет этих особенностей материал используют для создания элементов водо- и газопроводных систем. 

Важно: из-за динамических нагрузок при низких температурах металл может обрести хрупкость.

У каждого чугуна, согласно ГОСТу, есть своя маркировка. В ГОСТе указано 11 марок ковкого чугуна, 7 – перлитного и 4 – ферритного. Кроме типа чугуна маркировка также отображает предел прочности и относительное удлинение (в процентах).

Сталь

Все стали можно назвать углеродистыми, т.к. в составе каждого всегда есть углерод. В зависимости от содержания этого элемента стали разделяют на виды – конструкционные и инструментальные, которые, в свою очередь, делятся на подгруппы. Кроме того, стали бывают легированными, мягкими, атмосферостойкими и нержавеющими. Разберем каждую разновидность.

Сначала разберемся с характеристиками углеродистой стали (С не более 2,14%) и отсутствием легирующих элементов. В структуре такого металла допускается небольшое количество примесей, марганца, кремния и магния. Такой материал отличается твердостью, прочностью, невысокой пластичностью и вязкостью, поэтому его широко используют в металлургической промышленности.

В зависимости от областей применения углеродистая сталь разделяется на конструкционную и инструментальную. Из второй создаются высокопрочные инструменты, которые могут выполнять практически все работы, в том числе по резке металла. Первая подходит для строительства различных зданий. Чтобы сталь была ковкой и пластичной, в ее составе должно быть не более 0,1% углерода. Кроме того, она подходит для сваривания кузнечным методом. А вот сплавы с содержанием углерода 0,1-0,3% подходит для художественной ковки. Материал с более высоким показателями углеродности требуют особых навыков работы при нагреве.

В состав легированной стали, кроме основных элементов, также входит молибден, хром, вольфрам, никель, кобальт, алюминий, а также марганец и кремний. Режим нагрева таких металлов для ковки зависит от их теплопроводности, которая ниже, чем у углеродистых аналогов. Легированные стали менее пластичны и более склонны к трещинообразованию. Помимо того, они быстрее перегреваются и поджигаются.

При нагреве легированной стали нужно следовать одной их технологий:

• металл укладывают в холодную печь и нагревают вместе;
• сначала слиток прогревают в печи на низких температурах, а затем перекладывают в другую с высокими показателями;
• двухкамерные печи используют для термического воздействия (одна из них используется исключительно для нагрева).
• обработка в методической печи, где металл передвигается от холодного “цеха” к горячему, что обеспечивает постепенный прогрев.

Сам нагрев должен пройти в три этапа:

1. Сталь нагревается до температуры 550-600 градусов по Цельсию.
2. Достигается температура ковки.
3. Сталь для ковки выдерживается при стабильной температуре для выравнивания нагрева по всей толщине.

В результате легированная сталь может быть низко-, средне и высоколегированной, что влияет на температуру ковки.

Наибольшей популярностью в кузнечном деле пользуется мягкая сталь, представляющая собой сплав железа с углеродом. Впервые такой материал был получен во второй половине 19 века в период проведения экспериментов по производству ковкого железа массовым способом. Чтобы получить мягкую сталь, металлолом плавили вместе с чугуном для удаления шлаков и лишнего углерода. 

Основное преимущество материала – высокая прочность, однако он больше подвержен коррозии, чем альтернативные варианты. Чтобы сталь могла широко применяться в различных отраслях, ее предварительно покрывают слоем цинка.

Атмосферостойкая сталь, называющаяся еще кортеновской, применяется в агрессивных средах либо для наружной работы без окраски. Используется для строительства стальных мостов, морских контейнеров, в качестве фасадных элементов. Ржаво-коричневая патина, которая образуется со временем, считается эстетическим покрытием. Поскольку материал подвержен щелевой коррозии, то в последнее время он пользуется особым спросом. Но в кузнечном ремесле он не нашел широкого признания.

А вот нержавеющая, наоборот, заслужила большую любовь. На предприятиях сталь куется по специальной технологии. Сам материал отличается по составу от обычной углеродистой, поэтому перед обработкой в печи выставляется индивидуальный термический режим. Чтобы технология не была нарушена, за температурой нужен постоянный контроль, но на более позднем этапе процесс можно ускорить.

На предприятиях применяют преимущественно горячую ковку, а при холодной изделие нужной формы и размеров не получится.

В процессе литья стали получают материал с различным химическим составом. легковесное литье можно легко прогреть для ковки целиком или отдельную часть заготовки, поэтому литье чаще используют для изготовления клинков. При детальном рассмотрении готового изделия видна эстетическая завихрения и раздробленная структура поверхности. При этому чем медленнее проводится ковка, тем выше качество изделия. Аккуратное воздействие при не слишком высоких температурах приводит до красивой контрастности узоров.

Чистое железо практически не содержит углерод: оно состоит из полу расплава массы железа и небольшого количества волокнистого шлака, который в согнутому виде напоминает древесину. Ковкое железо эластичное, прочное, устойчиво к коррозии и легко сваривается. По функциональной нагрузке этот материал напоминает низкоуглеродистую сталь. Именно благодаря шлаку железо поддается ковке до особой волокнистой структуры.

Цветные металлы

В ковке также используют цветные металлы, в составе которых практически нет железа. Такие материалы используют преимущественно для создания необычных декоративных изделий. Наибольшей популярностью пользуется:

• Бронза (с включениями кремния) – материал нельзя, чтобы цвет изменился с желтого на оранжевый. Подготовленный сплав достаточно жесткий и трудно поддается ковке, однако изделия из него получаются поистине великолепные.
• Медь – обладает широкими границами ковочных температур, поэтому с ней легко работать. Металл пластичный, хорошо штампуется, гнется и поддается другим операциям. Медь, которая не нуждается в отжиге, предварительно разогревается докрасна.
• Алюминий – заготовку нагревают в электропечах дольше стали. непосредственно перед ковкой инструменты также требует прогрева до температуры в 250 градусов по Цельсию. В качестве сырья можно использовать чушки, слитки, лом.
• Латунь – для тонкостенных декоративных элементов и конструкций. Металлический материал не ржавеет, отличается прочностью, но сложно гнется. Чтобы латунь была податливее, в нее добавляют медь.
• Серебро – подходит для ковки изысканных изделий, столовых приборов, а также украшений. Для работы с серебром используют специальные инструменты, а перед обработкой его сильно разогреваются.

Важно: у каждого материала своя ковочная температура, например, латунь штампуется при температуре от 730 до 750 градусов, а вот алюминий – от 399 до 510°C. Помните, что у цветмета высокая проводимость, поэтому они нагреваются перед ковкой не углем, а газом.

Литье металла: особенности процесса

Особое внимание стоит уделить такому процессу, как литье металла – альтернатива художественной ковки. Литье предусматривает заполнение формы сырьем, находящимся в жидком агрегатном состоянии. После остывания, изделие можно извлечь из формы. 

Сегодня распространены два варианта литья: в песчаные формы и прецизионные. Самым дешевым, массовым и доступным считается первый вариант. Суть методов заключается в следующем: модель засыпают песчаной смесью, которая заполняет свободное место между ним и двумя открытыми ящиками. Полости и отверстия в детали создаются посредством песчаных стержней, расположенных в форме. Насыпанная в ящики смесь встряхивается, в результате чего уплотняется. Полости, которые образовались, заливаются расплавленным металлом через специальные литники. Отливка извлекается после разбивания формы вслед за затвердеванием жидкого металла.

Второй вариант – прецизионный – является усовершенствованным способом восковой формовки, придуманной в Италии. По ходу его выполнения создаются гипсовые модель и форма, из воска моделируются изделие и литники, создается формовочная емкость. Затем воск модели и литников вытапливается, расплавленный металл заливается в форму и выбивается. В завершение отливка отделывается.

Конечно, ручная ковка позволяет создать настоящие и неповторимые шедевры, однако они требуют больших вложений. Формовка литье позволяет сэкономить и получить красивое и надежное изделие для любых целей.