Металлы в кузнечном производстве

Металлы, применение в кованых изделиях

Для того чтобы готовое кованое изделие стало не только украшением, но и его защитой, необходимо использовать качественный металл и сплавы.

Для изготовления кованых изделий применяют:

Железо;
Чугун;
Сталь и ее виды;
Алюминий и его сплавы;
Медь и ее сплавы;
Латунь;
Бронзу;
Мельхиор;
Нейзильбер.
Железо

Железо - блестящий серебристо-серый металл. Плотность железа — 7,874 г/куб, см (при 20 °С). Температура плавления — 1539 °С, температура кипения — около 3200 °С. Широкая распространенность железа сочетается с ценными физическими и механическими свойствами.

Свойства железа

Железо пластично и легко поддается механической обработке: резанию, ковке, штамповке, прокатке и т.п. Железо обладает сильным магнетизмом. При нагревании до 769 °С (так называемой "точки Кюри") железо теряет магнитные свойства и остается немагнитным при всех дальнейших превращениях. Изменение температурного режима обработки железа приводит к перестройке его кристаллической структуры, что сопровождается изменением физических характеристик металла.
В условиях высокой влажности железо легко окисляется и покрывается ржавчиной. Одним из наиболее эффективных методов защиты железа от коррозии является воронение — термическая обработка при температуре выше 600°С, в результате которой металл покрывается тонкой окисной пленкой.

Железо, содержащее минимальное количество примесей, обладает высокой коррозийной стойкостью, сравнимой со стойкостью благородных металлов. Однако получение чистого железа затруднено и стоит очень дорого. Поэтому в практической деятельности человека используются всевозможные железные сплавы, среди которых особое место занимают железо-углеродистые металлы: сталь, чугун и ферросплавы. Добавление углерода изменяет свойства железа, как бы делает его другим металлом с иными физическими свойствами, более пригодными для практических целей. Именно стальные или чугунные изделия принято называть "железными”. Железо это основной материал из которого изготавливаем кованые ворота, решетки и заборы.

Чугун

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом (обычно около 4 %). Кроме упомянутых элементов, чугун содержит примеси кремния, марганца, фосфора, серы и др. Для изготовления кованых изделий из чугуна используют только метод литья, так как из-за высокого содержания углерода чугун не поддается ни ковке, ни сварке.

Сталь

Сталь — это сплав железа с углеродом, процент которого не превышает 2 %. В отличие от чугуна, сталь легко поддается пластической деформации, особенно при высоких температурах. Именно данное свойство стали сделало ее самым популярным металлом для ковки. Физические, а значит, и технологические свойства стали, в первую очередь, зависят от процентного содержания образующих ее элементов: углерода и дополнительных примесей, неизбежных в процессе производства. Применительно к углероду, общее правило таково: с повышением процента содержания углерода повышается упругость сплава, но уменьшается его ковкость.

Углеродистая сталь

Сталь, содержащая до 1,7 % углерода, называется углеродистой.
Для ручной ковки больше всего подходит поделочная сталь с низким содержанием углерода (от 0,1 до 0,3 %) и-легирующих добавок (до 1 %). Это мягкий и пластичный металл, который легко куется, хорошо сваривается, без труда режется и поддается химической обработке. Согласно ГОСТУ 380-71 поделочная сталь имеет марки от 0 до 6. В специальной литературе поделочные стали обозначают буквами "Ст".

Чаще всего для кованых изделий используют малоуглеродистую сталь марок СтО, Ст1, Ст2 и СтЗ, которые хорошо гнутся, прекрасно поддаются сварке и не закаливаются. Такая сталь содержит до 0,23 % углерода. Из стали СтО изготавливают строительную арматуру, ограждения и другие конструкции малой прочности. Сталь Ст1 и Ст2 используют для создания сварных конструкций, фланцев, болтов. Сталь СтЗ идет на изготовление железнодорожных костылей, гвоздей, болтов, гаек и прочих метизов.

Среднеуглеродистая (конструкционная), сталь содержит до 0,85 % углерода. Такую сталь отличает хорошая ковкость и закаливаемость, но она плохо поддается сварке. В промышленных условиях из нее изготавливают подавляющее большинство металлических изделий.

Для производства инструментов и частей механизмов, подвергающихся значительному износу, используют высокоуглеродистую, или инструментальную, сталь, содержащую от 0,6 до 1,35 % углерода. Такая сталь с трудом поддается ковке и сварке.

Кроме углеродистой стали, инструменты изготавливают из быстрорежущей стали, которую маркируют буквой "Р", и шарикоподшипниковой стали, обозначающейся буквой "Ш". Быстрорежущая сталь выдерживает большую температуру при высокой скорости резания, поэтому из нее делают сверла по металлу, токарные резцы и фрезы. Шарикоподшипниковая сталь отличается высокой прочностью и низким коэффициентом трения.

Легированная сталь

Углеродистая сталь с добавками хрома, никеля, молибдена, вольфрама и других элементов, называется специальной, или легированной (от немецкого глагола "legieren" — "сплавлять"). Легирующие элементы, так или иначе, влияют на свойства сплава в целом.

Незначительные примеси кремния и марганца не оказывают существенного влияния на качества углеродистой стали. Обычно содержание кремния в стали не превышает 0,3 %, а содержание марганца — 1 %. Большой процент марганца снижает вредное воздействие примеси серы, делая сталь более прочной и твердой. Значительные добавки кремния увеличивают упругость и твердость металла, но снижают его свариваемость и вязкость.

Даже незначительные примеси серы или фосфора резко снижают пластичность металла. Содержание серы более 0,04 % провоцирует красноломкость металла — хрупкость в горячем состоянии, а наличие фосфора более 0,05 % вызывает хладноломкость — хрупкость при низких температурах. Примеси серы и фосфора образуются в процессе выплавки стали.
Примеси хрома и вольфрама увеличивают прочность и износостойкость стали, но одновременно делают ее менее пластичной. Такую сталь сложно ковать, так как она сохраняет твердость при температуре красного каления (около 600 °С). Из-за сниженной теплопроводности сплава нагрев заготовки осуществляется очень медленно.

Добавка ванадия сказывается на поделочной стали положительным образом: значительно увеличивает его ковкость и уменьшает образование окалины.

Примесь никеля повышает прочность стали, делает ее более устойчивой к коррозии. Примесь молибдена придает стали жаропрочность, а также повышает ее вязкость.

Легированные стали обычно используют для изготовления металлообрабатывающих инструментов. Алюминии и его сплавы

Алюминий — легкий металл серебристо-белого цвета.

Плотность алюминия — 2,699 г/куб, см.
Прочность чистого алюминия — 60-80 Мн/м2 (то есть 6-8 кгс/мм2).
Температура плавления — 660,24 °С, температура кипения — около 2500 °С.

Алюминий обладает невысокой прочностью и хрупкостью. Металл очень пластичен: легко протягивается в проволоку и прокатывается в фольгу толщиной около 0,005 мм. Алюминий — прекрасный проводник электричества. Поверхность металла всегда покрыта тончайшим слоем естественной прозрачной пленки, которая мгновенно восстанавливается даже в случае ее повреждения. Окисная пленка защищает металл от воздействия воздуха, воды и некоторых кислот, поэтому изделия из алюминия не подвержены коррозии и не изменяются ни на воздухе, ни в воде. Благодаря пленке алюминий отражает около 90 % падающих на него световых лучей.

Алюминиевые сплавы — сплавы алюминия с добавками других элементов — обладают прочностью, легкостью, устойчивостью к действию атмосферы и воды. Прочность алюминиевых сплавов превышает прочность чистого алюминия в 10 раз, что позволяет создавать из них относительно легкие, но долговечные конструкции.

Алюминиевые сплавы делят на литейные и деформированные. Деформированные сплавы легко поддаются ковке. Обычно их используют для ковки изделий, испытывающих значительные нагрузки. Добавка к алюминию того или иного элемента приводит к изменению его свойств. В зависимости от физических свойств деформированные сплавы алюминия образуют 2 группы: высокопластичные сплавы с магнием и марганцем (маркируют буквами "Амг");
прочные сплавы с цинком ("В"), кремнием ("АВ") и медью ("Д").

Первые отличаются высокой пластичностью и хорошей устойчивостью к коррозии. Они хорошо куются в холодном виде и поддаются сварке. Вторые обладают повышенной прочностью и одновременно ковкостью.

Медь и ее сплавы

Медь — мягкий металл красного цвета. Плотность меди — 8,96 г/куб, см.
Температура плавления — 1083 °С, температура кипения — 2600 °С.

Хоть медь и является мягким металлом, при холодной ковке она уплотняется и становится достаточно твердой. Не поддается закалке. Со временем медные изделия, находящиеся во влажных условиях (при влажности выше 75 %), покрываются зеленоватым налетом — патиной. Патина придает изделиям из меди красивый старинный вид. Сплошная патина, без дефектов, предохраняет металл от дальнейшего разрушения. Естественная пленка редко бывает безукоризненной, без разрывов, поэтому надежнее защищает медное изделие искусственная патина.

Латунь

Латунь — сплав меди с цинком (до 38 %).
Латунь — это прочный, но легко обрабатываемый металл золотисто-желтого цвета. Она меньше, чем медь, окисляется, обладает большей прочностью, но и меньшей пластичностью. Современная промышленность выпускает 7 марок обыкновенной и 18 марок специальной латуни. Обыкновенные латуни используют для изготовления тонкостенных изделий, труб, колес, шестеренок и т.п. Специальные, или легированные, латуни содержат добавки алюминия, свинца; никеля, марганца, железа и прочих элементов. Все специальные латуни отличаются красивым цветом, интенсивным блеском, повышенной прочностью и коррозийной стойкостью.

Латуни с добавкой алюминия (0,4-2,5 %) по внешнему виду похожи на золото. В ювелирном деле применяется латунь с 2,5 % алюминия и 2,5 % цинка, которая по внешнему виду практически не отличается от золота 583-ей пробы.
Для ручной ковки обычно используют марки латуни с высоким содержанием меди: Л62, Л68, Л80, Л90 и др. Цифры в маркировке обозначают процент содержания меди. Так, латунь марки Л90 содержит 90 % меди. Также в кузнечном ремесле используют специальные латуни с легирующими добавками.

Бронза

Бронза — сплав меди с 8-10 % олова.
Оловянная бронза обладает высокой устойчивостью к коррозии и хорошо куется, поэтому ее часто используют для изготовления художественных изделий. Твердость бронзы зависит от процентного содержания олова.

Дефицит и дороговизна олова способствовали вытеснению оловянной бронзы сплавами меди с добавлением других элементов: алюминиевой бронзой (с добавкой 5-10 % алюминия),
свинцовой бронзой,
кремниевой бронзой,
исключительно долговечной бериллиевой бронзой (с добавлением 2 % бериллия).

В медно-никелевых сплавах основной добавкой к меди является никель. Такие сплавы отличаются от латуни и бронзы красивым серебристо-белым цветом. К медно-никелевым сплавам относят мельхиор и нейзильбер, которые используют для изготовления столовых приборов, домашней утвари и художественных изделий.

Мельхиор

Мельхиор - сплав меди с добавкой 5-33 % никеля. Металл устойчив к действию агрессивных сред (включая морскую воду и горячий пар); отличается большой твердостью и в то же время тягучестью и ковкостью. Хорошо обрабатывается в холодном состоянии. Мельхиор широко используют в производстве ювелирных изделий и посуды, которые потом нередко подвергают серебрению.

Нейзильбер

Нейзильбер — сплав меди, никеля (5-35 %) и цинка (13-45 %). Это стойкий к действию влаги, органических кислот и солей металл с красивым серебристым цветом. Отличается высокой твердостью и упругостью. Используют в производстве медицинских инструментов, посуды и, конечно же, ювелирных изделий.