Vysvetlenie kovania kovov: Aké kovy, typy ocele a ako to funguje

Kovové kovanie je proces tvarovania kovu pomocou tlakovej sily - prostredníctvom kladiva, lisovania alebo valcovania - zvyčajne pri zahrievaní kovu, aby bol tvárnejší. Takmer každý kov, ktorý sa dá zohriať bez toho, aby sa stal príliš krehkým, sa dá technicky kovať, ale v praxi v priemyselnom kovaní dominujú uhlíková oceľ, legovaná oceľ, hliník, titán a zliatiny medi, pretože ponúkajú najlepšiu kombináciu spracovateľnosti a zlepšenia mechanických vlastností, ktoré kovanie poskytuje.

Aké kovy sa dajú kovať a prečo niektoré kujú lepšie ako iné

Kujnosť kovu závisí od jeho ťažnosti pri teplote kovania a od toho, ako jeho štruktúra zrna reaguje na deformáciu. Ocele s plošne centrovanou kubickou (FCC) kryštálovou štruktúrou sa pri vysokej teplote deformujú rovnomernejšie pri stlačení, čo je súčasťou toho, prečo je oceľ najčastejšie kovaným kovom v priemyselnom prostredí.

Kovy s vysokým obsahom uhlíka nad zhruba 0,6 % , rovnako ako liatina, sú vo všeobecnosti považované za nevhodných kandidátov na kovanie, pretože im chýba dostatočná ťažnosť aj pri zvýšených teplotách a majú tendenciu praskať skôr ako deformovať sa pod tlakom kladiva alebo lisu.

Ako kujete oceľ: Vysvetlenie základného procesu

Kovanie ocele sa riadi postupnosťou, ktorá sa od tradičného kováčstva v podstate nezmenila, aj keď rozsah a vybavenie sa v priemyselnom prostredí dramaticky vyvinuli.

1. Kúrenie: Oceľ sa zahrieva v kovárni – tradične vykurovanej uhlím alebo koksom, teraz často plynom alebo indukčne – na svoju kovaciu teplotu, zvyčajne medzi 1 100 °C a 1 250 °C (2 000 °F až 2 300 °F) pre väčšinu uhlíkových ocelí, rozpoznateľné podľa jasnej oranžovej až žltej farby.
2. Deformácia: Prítlačná sila sa aplikuje pomocou kladiva, lisovania alebo valcovania na tvarovanie zahriatej ocele - môže to byť otvorená forma (tvarovanie voľného tvaru) alebo uzavretá forma (vtláčanie kovu do tvarovanej dutiny).
3. Opätovný ohrev podľa potreby: Oceľ sa po vybratí z kováčskej dielne rýchlo ochladzuje a keď klesne pod teplotný rozsah kovania, pred pokračovaním sa musí vrátiť do zdroja tepla – príliš studená oceľ riskuje skôr praskanie ako deformáciu.
4. Normalizácia alebo žíhanie: Po tvarovaní sa výkovok často ohrieva na kontrolovanú teplotu a pomaly sa ochladzuje, aby sa uvoľnilo vnútorné napätie vznikajúce počas kovania a zjemnila sa štruktúra zŕn.
5. Dokončenie: Prebytočný materiál (zápustka, pri zápustkovom kovaní) sa orezáva a dielec môže prejsť dodatočným tepelným spracovaním, opracovaním alebo povrchovou úpravou v závislosti od konečnej aplikácie.

Typy procesov kovania kovov

Priemyselné kovanie sa vo všeobecnosti kategorizuje podľa teploty a použitej konfigurácie zápustky a výber medzi týmito metódami závisí od zložitosti dielu, objemu výroby a požadovaných mechanických vlastností.

• Kovanie za tepla: Vykonáva sa pri teplote vyššej ako je teplota rekryštalizácie kovu, čo umožňuje výraznú zmenu tvaru s relatívne nízkou silou a znižuje riziko praskania – najbežnejšia metóda pre oceľ.
• Kovanie za studena: Vyrába sa pri izbovej teplote alebo blízko nej, vyrába diely s užšími rozmerovými toleranciami a hladšou povrchovou úpravou, ale vyžadujú si výrazne vyššie sily a obmedzujú možné množstvo deformácie bez praskania.
• Kovanie za tepla: Stredná úroveň vykonávaná pri stredných teplotách, vyrovnávajúca požiadavky na nižšiu silu pri kovaní za tepla s niektorými výhodami presnosti kovania za studena.
• Voľné kovanie: Kov je tvarovaný medzi plochými alebo jednoduchými formami, ktoré ho úplne neuzatvárajú, čo umožňuje, aby kov tiekol okrem miest, kde sa s ním matrice dotýkajú - používa sa pre veľké, jednoduché tvary, ako sú hriadele a disky.
• Kovanie v uzavretej zápustke (vtlačenie): Kov je vtlačený do dutiny matrice, ktorá ho úplne uzavrie, čím sa získajú zložitejšie tvary s užšími toleranciami - používané pre veľkoobjemové diely, ako sú automobilové komponenty.
• Zápustkové kovanie: Špecifická metóda kovania založená na kladive, pri ktorej sa na obrobok umiestnený v zápustke alebo na zápustke padá ťažké závažie, bežne spojené s tradičnými priemyselnými operáciami kovania.

Čo je kovaná oceľ a ako obsah uhlíka ovplyvňuje výsledok

"Kovaná oceľ" označuje oceľ, ktorá bola tvarovaná skôr kovaním ako odlievaním (nalievaním roztaveného kovu do formy) alebo obrábaním (odrezávaním materiálu z pevného bloku). Proces kovania stláča a vyrovnáva vnútornú štruktúru zŕn ocele pozdĺž smeru deformácie, čo vo všeobecnosti vedie k zlepšeniu pevnosti, húževnatosti a odolnosti proti únave v porovnaní s odliatkom rovnakého zloženia – to je dôvod, prečo sú kované komponenty často špecifikované pre diely vystavené vysokému namáhaniu alebo nárazom, ako sú kľukové hriadele, ozubené kolesá a konštrukčné armatúry.

Obsah uhlíka je primárnym faktorom, ktorý rozlišuje rôzne druhy ocele na kovanie a určuje kompromis medzi pevnosťou, tvrdosťou a ťažnosťou po kovaní:

Vyšší obsah uhlíka umožňuje kovanému dielu dosiahnuť vyššiu tvrdosť následným tepelným spracovaním, ale tiež zužuje teplotné okno, v rámci ktorého môže byť oceľ bezpečne kovaná bez praskania – preto sú ocele s vysokým obsahom uhlíka kované s prísnejšou kontrolou teploty a častejším ohrevom.

Čo používajú kováči: Nástroje a vybavenie na ručné kovanie

Zatiaľ čo priemyselné kovanie sa spolieha na hydraulické lisy a mechanické kladivá, základné nástroje používané kováčmi na ručné kovanie zostávajú do značnej miery v súlade s tradičnou praxou, prispôsobenou veľkosti vykonávanej práce.

• Forge: Zdroj tepla – tradične kováčska dielňa na uhlie alebo koks, s propánovými a indukčnými kováčskymi dielňami, ktoré sú v súčasnosti bežné – používaný na privedenie ocele na kovaciu teplotu
• Nákova: Ťažký oceľový blok poskytujúci stabilný, pevný povrch na kladivo, s rôznymi vlastnosťami (roh, odolný otvor, pritchel otvor) používanými pre rôzne techniky tvarovania
• Kladivá: Rad závaží a tvarov kladív pre rôzne úlohy – krížové kladivá na ťahanie kovu, guľôčkové kladivá a zaokrúhľovacie kladivá na textúrovanie a tvarovanie
• Kliešte: Používa sa na bezpečné držanie horúcich obrobkov s rôznymi tvarmi čeľustí navrhnutých pre guľatý materiál, plochý materiál alebo špecifické geometrie dielov
• Dláta a dierovače: Používa sa, kým je kov horúci na rezanie, prepichovanie alebo vytváranie dekoratívnej textúry
• Kaliaca nádrž: Nádoba s vodou, olejom alebo iným kalom používaným na rýchle ochladenie ocele na kalenie, pričom výber kalenia ovplyvňuje výslednú tvrdosť a riziko prasknutia

Pre ručné aj priemyselné kovanie je farba tradičným indikátorom teploty – jasná žlto-oranžová farba vo všeobecnosti zodpovedá optimálnemu rozsahu kovania pre väčšinu uhlíkových ocelí, zatiaľ čo matná červená farba znamená, že oceľ vychladla pod bezpečný pracovný rozsah a hrozí jej prasknutie pri údere.