Рекомендуемые методы, оборудование и режимы для различных материалов

Перечисленные выше методы пластической обработки за небольшим исключением выполняются на различных кузнечно-прессовых машинах, которые можно подразделить на пять видов:

Молоты имеют различную мощность, которую указывают в виде массы падающих частей. МПЧ составляет от 50 кг до 25 т. В зависимости от назначении энергия удара молота развивается либо сжатым воздухом, либо паровоздушной смесью. Молоты – наиболее часто применяемое оборудование для художественной ковки.

Гидравлические прессы имеют различную конструкцию и назначение. Однако главной особенностью является применение гидропривода, что объясняет относительную тихоходность пресса. Применяются прессы усилием от 10 до 250 тыс.тонн.

Кривошипные машины – механические прессы, распространенный тип кузнечных машин, применяемый, как правило, для различных штамповочных операций. Используются прессы усилием от 6,3 тонн до 6,3 тыс.тонн.

Машины ротационного типа – ковочные машины для ротационной ковки труб, стволов и прутков. Применяются для высокопроизводительного обжатия с достаточно большими степенями деформации.

Импульсные машины – наиболее распространены электроимпульсные.

Алюминиевые сплавы. Алюминий – самый распространенный металл. Его запасы в 2 раза превышают запасы железа. Al впервые был получен в чистом виде в 1825 году. Технический алюминий (АЛ1 и АЛ) имеет высокую пластичность. Плотность Al ~ 2,7 г/см³. Он может деформироваться холодной и горячей ковкой всеми перечисленными выше методами. При этом изменение скорости деформации не вызывает значительного повышения пластичности.

Мягкие алюминиевые сплавы АВ, Амц, АМг1, АМг2, АД31, АД33 и др. (σ_в ≤ 300 МПа, δ = 10 – 20%) и средней прочности Д1, АК2, АК4, АК6, ВД17, АМг6 и др. (σ_в = 300 - 450 МПа, δ ≤ 12%) имеют хорошую пластичность. Они обрабатываются горячей ковкой и штамповкой на молотах, гидравлических прессах, на плоских бойках в открытых и полузакрытых штампах.

Алюминиевые сплавы высокой прочности В93, В95, В96, АК3, ВАД23 и др. (σ_в > 450 МПа, δ ≤ 5%) имеют пониженную пластичность. Эти сплавы обрабатывают ковкой и горячей штамповкой преимущественно на гидравлических и кривошипных прессах. Необходимо применять закрытые и полузакрытые методы деформации.

Основными легирующими элементами Al сплавов является Cu, Mg, Si, Mn, Ni, Zn, Cr, Ti и др. Как правило, с повышением легирования пластичность Al сплавов уменьшается. К числу вредных примесей относятся Fe, Si, Na, Ca и другие.

Хрупкие алюминиевые сплавы типа системы Ве – Al и «САП» должны обрабатываться методами прессования и штамповки с противодавлением с применением пластичных оболочек.

Магниевые сплавы. Сплавы магний – марганец с небольшими добавками церия (МА1, МА8) обладают высокой пластичностью.

Сплавы с различным содержанием алюминия и добавками цинка и марганца (МА2, МА2-1, МА3, МА5) имеют пониженный запас пластичности. Пластичность этих сплавов понижается с увеличением содержания алюминия. Наибольшей пластичностью в горячем состоянии обладает сплав МА2, который удовлетворительно подвергается горячей ковке практически всеми методами. Однако скорость деформации не должна быть высокой.

Сплавы магния с цирконием (ВМ65-1 и др.) – малопластичны, обрабатываются методами 1 и 2 группы.

Титановые сплавы. Технический титан (ВТ1) при осадке в холодном состоянии не разрушается до деформации 50 %. При повышении температуры пластичность повышается, и он может деформироваться до 90 %. Титановые сплавы при холодной свободной ковке допускают ограниченные деформации. Для трудно деформируемых титановых сплавов применяются методы 1 и 2 группы. Нагрев титана и титановых сплавов рекомендуется в печах с нейтральной или безокислительной атмосферой. Наиболее подходящей средой является аргон. В случаях, когда нагревают в воздушных печах, сплавы покрывают эмалями.

Медные сплавы. Cu – мягкий и тягучий металл – легко обрабатывается большинством методов ОД. Плотность – 8,94; температура плавления – 1083, температура кипения – 2305.

Сплавы меди с цинком называют латунями. Все остальные сплавы на медной основе – бронзы.

Латуни простые (двойные) – Л96 (Cu – 95-97% + Zn + 0,2% примесей) , Л90, …Л68 …, Л 59. Латуни многокомпонентные (специальные) – ЛА 85-0,5; ЛА 77-2, ЛАЖ 60-1-1 (58 …61 % Cu, 0,75 – 1,5 % - Al, 0,75 % - Fe).

Бронзы – Бр А5, Бр А7, Бр АЖН, Бр Н1-3, Бр АЖ9-4 (2-4% Fe + 8-10% Al –остальное Cu + 0,15% примеси).

Примечание. Приведены лишь некоторые примеры наиболее распространенных марок латуней и бронз.

Медные сплавы имеют узкий интервал температур ковки, сравнительно невысокий запас пластичности при свободной ковке. Медные сплавы деформируют преимущественно прессованием в контейнерах. для повышения пластичности подогревают до 300 – 500^оС.

Стали и сплавы. Сталь получают из передельного чугуна путем его переплавки. Во время переплавки выгорает часть вредных примесей.

Пример химического состава:

В целом следует выделить три вида чугуна: серый – литейный, передельный (или белый), и специальный. Разновидностью белого является ковкий чугун. Его получают путем термообработки белого чугуна. Он более вязкий, поэтому может подвергаться правке и чеканке, но не куется.

Стали и сплавы имеют очень широкий диапазон свойств. Могут подвергаться обработке в холодном и горячем состоянии всеми перечисленными методами. Процесс ковки в холодном состоянии будет более длительным, т.к. металл придется неоднократно отжигать. Однако мелкие и листовые детали обрабатывают холодной ковкой, т.к., во-первых, они быстро остывают, во-вторых, происходит значительная потеря металла за счет окалины.

Для изготовления художественных изделий используют различные сорта стали. В зависимости от химического состава стали делят на углеродистые и легированные. В зависимости от области применения – на конструкционные, инструментальные и специальные. Качество стали зависит от количества вредных примесей, какими, в первую очередь, являются сера и фосфор.

Сталь обычного качества, содержащая 0,1 ~ 0,5 % углерода (0,06 % S, 0,07 % Р), называют углеродистой сталью обыкновенного качества (ГОСТ 380-71. Выпускают трех групп: А, Б, В. Сталь группы А поставляют по механическим свойствам, А в маркировке не указывают; Б – по химическому составу; В - по механическим свойствам и химическому составу). Она мягкая, углерода до 0,03 %, легко поддается обработке режущими инструментами, хорошо сваривается. При маркировке таких сталей ставятся буквы «Ст», а затем – цифрами от 0 до 7 указывают номер стали.

С металлургических предприятий сталь поступает в виде прутков, полос, проволоки и листов, которые маркируют и частично окрашивают в условные цвета: Ст1 – белый, Ст2 – желтый, ст№ - красный, Ст4 – черный, Ст5 – зеленый, Ст6 – синий. Стали марок Ст0, Ст1 и Ст2 – один из лучших материалов для художественной ковки.

Примечание: Сортовой прокат: квадратная заготовка (ГОСТ 4693-77) с закругленным радиусом 7 – 35 мм, углами со стороной квадрата ; сталь горячекатаная круглая (ГОСТ 2590-71) и квадратная (ГОСТ 2591-71) с диаметром или стороной квадрата при обычной точности при повышенной точности. В отдельных случаях используют различные виды профильного сортового проката.

Для точной штамповки в качестве заготовок используют калиброванные (подвергнутые волочению) стальные прутки (ГОСТ 7417-75) диаметром 3 – 100 мм.

Применяют также бесшовные трубы, полосовые и прессованные заготовки. Последние – в виде прутков диаметром 3 – 250 мм или фасонных профилей.

Качественная углеродистая сталь (ГОСТ 1050-74) отличается от обыкновенной меньшим содержанием вредных примесей. Поэтому механические свойства ее гораздо выше. Сталь маркируют цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента. Для художественной ковки лучшей из качественных конструкционных сталей является сталь марок 10 и 15 (обозначают 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г).

Углеродистая инструментальная сталь используется для изготовления различных инструментов. В маркировке впереди ставят букву «У», рядом с цифрой указывают содержание углерода в десятых долях процента. Если в конце марки стоит буква «А», то сталь высококачественная, содержит минимальное количество вредных примесей. Некоторые углеродистые стали имеют повышенное содержание марганца, который увеличивает их износостойкость. В этих случаях после цифры, указывающей на процентное содержание углерода, ставят букву «Г» (например, У8ГА).

Кроме углеродистых инструментальных существуют легированные инструментальные стали, например, марок ШХ15, … Р6МS, … Р12 …Р18.

Примечание: Р – быстрорежущая, Я – кислотоупорная, Ж – жароупорная, Е – электротехническая, ШХ – шарикоподшипниковая.

Пример:

ШХ15 – С – 0,94%; Мп – 0,38 %; Si – 0,26 %; Cr – 1,6 %; S – 0,016 %; Р – 0,015 %.

Кроме легированных инструментальных существуют легированные конструкционные стали, которые подразделяются на среднелегированные и высоколегированные стали и сплавы. Многие легированные стали обладают высокой прочностью и пластичностью, вследствие чего могут быть использованы при изготовлении художественных изделий.

Легированная конструкционная сталь (ГОСТ 4543-71) обладает более высокими механическими свойствами. Стали маркируют буквами и цифрами, означающими химический состав: две цифры в начале марки указывают содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, стоящие после каждой буквы, указывают примерное процентное содержание того или иного легирующего элемента. Если содержание легирующего элемента меньше или равно 1 %, то цифра не указывается. Буква «А» в конце марки означает, что сталь высококачественная, т.е. содержит пониженное количество серы и фосфора. Например, сталь 12Х2Н4М содержит ~ 0,12% С, ~ 2% Cr, ~ 4% Ni, ~ 1% Mo.

Примечание: Х – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, М – молибден, В – вольфрам, Т – титан, Ф – ванадий, Ю – алюминий, Д – медь, Б – ниобий, Р – бор, К – кобальт.

Никель увеличивает коррозионную стойкость, твердость и прочность. Хром придает стали твердость и прочность. Молибден придает жаропрочность и вязкость. Вольфрам и ванадий повышают жаропрочность и уменьшают образование окалины. Кремний делает сталь упругой и твердой.

Из легированных сталей для производства художественных изделий наибольший интерес представляют нержавеющие стали (С ~ 0,14 … 0,23 %, Са – 10 … 23 %; Ni – 4 … 10 %).

Пример: Сталь 12Х13 коррозионно-стойкая, сваривается, имеет повышенную прочность, пластичность и ударную вязкость.

Сталь 95Х18 (ЭИ 229) (т.н. «медицинская» сталь) С = 0,9 … 1,0 %; Si £ 0,8 %; Мп £ 0,8 %; Cr ~ 17 … 19 %; S £ 0,025 %; Р £ 0,03 %.

Они деформируются в горячем состоянии (при температуре 950 … 1130^оС) с малыми степенями деформаций. После деформации медленное охлаждение.