Objašnjenje kovanja metala: koji metali, vrste čelika i kako funkcionira

Kovanje metala je proces oblikovanja metala korištenjem sile pritiska — putem udaranja čekićem, prešanja ili kotrljanja — obično dok se metal zagrijava kako bi postao savitljiviji. Gotovo svaki metal koji se može zagrijati, a da ne postane previše krt, tehnički se može kovati, ali u praksi, ugljični čelik, legirani čelik, aluminij, titan i bakrene legure dominiraju industrijskim kovanjem jer nude najbolju kombinaciju obradivosti i poboljšanja mehaničkih svojstava koja kovanje pruža.

Koji se metali mogu kovati i zašto neki kuju bolje od drugih

Mogućnost kovanja metala ovisi o njegovoj duktilnosti pri temperaturi kovanja i o tome kako njegova zrnasta struktura reagira na deformaciju. Čelici s čelično centriranom kubičnom (FCC) kristalnom strukturom na visokoj temperaturi deformiraju se ravnomjernije pod pritiskom, što je dio razloga zašto je čelik najčešće kovani metal u industrijskim uvjetima.

Metali s visokim udjelom ugljika iznad otprilike 0,6% , kao i lijevano željezo, općenito se smatraju lošim kandidatima za kovanje jer im nedostaje dovoljna duktilnost čak i na povišenim temperaturama i skloni su pucanju, a ne deformaciji pod udarom čekića ili sile pritiska.

Kako kovati čelik: objašnjenje osnovnog procesa

Kovanje čelika slijedi slijed koji se nije bitno promijenio od tradicionalnog kovanja, iako su se mjerilo i oprema dramatično razvili u industrijskim okruženjima.

1. Grijanje: Čelik se zagrijava u kovačnici - tradicionalno na ugljen ili koks, sada često plinom ili indukcijom - do temperature kovanja, obično između 1100°C i 1250°C (2000°F do 2300°F) za većinu ugljičnih čelika, prepoznatljiv po svijetlonarančastoj do žutoj boji.
2. Deformacija: Tlačna sila primjenjuje se udarcem čekićem, prešanjem ili valjanjem za oblikovanje zagrijanog čelika — to može biti otvorena matrica (oblikovanje slobodnog oblika) ili zatvorena matrica (guranje metala u oblikovanu šupljinu).
3. Dogrijavanje po potrebi: Čelik se brzo hladi nakon što se izvadi iz kovačnice, a kako padne ispod temperaturnog raspona kovanja, mora se vratiti izvoru topline prije nastavka — radni čelik koji je previše hladan riskira pucanje, a ne deformaciju.
4. Normaliziranje ili žarenje: Nakon oblikovanja, kovani komad se često ponovno zagrijava na kontroliranu temperaturu i polagano hladi kako bi se smanjila unutarnja naprezanja nastala tijekom kovanja i pročistila struktura zrna.
5. Završna obrada: Višak materijala (flash, u zatvorenom kovanju) se obrezuje, a dio može proći dodatnu toplinsku obradu, strojnu obradu ili završnu obradu površine, ovisno o konačnoj primjeni.

Vrste postupaka kovanja metala

Industrijsko kovanje općenito se kategorizira prema temperaturi i korištenoj konfiguraciji matrice, a izbor između ovih metoda ovisi o složenosti dijela, obujmu proizvodnje i potrebnim mehaničkim svojstvima.

• Vruće kovanje: Izvodi se iznad temperature rekristalizacije metala, dopuštajući značajnu promjenu oblika s relativno malom silom i smanjujući rizik od pucanja — najčešća metoda za čelik.
• Hladno kovanje: Izvodi se na ili blizu sobne temperature, proizvodeći dijelove s užim dimenzijskim tolerancijama i glatkijom završnom obradom, ali zahtijevaju znatno veće sile i ograničavaju količinu moguće deformacije bez pucanja.
• Toplo kovanje: Sredina izvedena na srednjim temperaturama, uravnotežujući niže zahtjeve sile kod vrućeg kovanja s nekim prednostima preciznosti hladnog kovanja.
• Otvoreno kovanje: Metal se oblikuje između ravnih ili jednostavnih matrica koje ga ne zatvaraju u potpunosti, dopuštajući metalu da teče osim na mjestima gdje matrice dolaze u dodir s njim - koristi se za velike, jednostavne oblike poput osovina i diskova.
• Zatvoreno kovanje (utiskivanje): Metal se gura u šupljinu matrice koja ga u potpunosti zatvara, proizvodeći složenije oblike sa strožim tolerancijama — koji se koriste za dijelove velikog volumena kao što su automobilske komponente.
• Kovanje: Specifična metoda kovanja koja se temelji na čekiću, gdje se teška težina baca na izradak smješten u ili na matrici, obično povezana s tradicionalnim industrijskim operacijama kovanja.

Što je kovani čelik i kako sadržaj ugljika utječe na rezultat

"Kovani čelik" odnosi se na čelik koji je oblikovan kovanjem, a ne lijevanjem (lijevanjem rastaljenog metala u kalup) ili strojnom obradom (odsijecanjem materijala od čvrstog bloka). Proces kovanja komprimira i poravnava unutarnju zrnatu strukturu čelika duž smjera deformacije, što općenito rezultira poboljšanom čvrstoćom, žilavošću i otpornošću na zamor u usporedbi s lijevanim dijelom istog sastava — to je razlog zašto se kovane komponente često specificiraju za dijelove koji su podložni velikom naprezanju ili udaru, kao što su radilice, zupčanici i strukturni priključci.

Sadržaj ugljika primarni je faktor koji razlikuje različite vrste čelika za kovanje i određuje kompromis između čvrstoće, tvrdoće i rastezljivosti nakon kovanja:

Veći sadržaj ugljika omogućuje kovanom dijelu da postigne veću tvrdoću naknadnom toplinskom obradom, ali također sužava temperaturni okvir unutar kojeg se čelik može sigurno kovati bez pucanja — zbog čega se čelici s visokim udjelom ugljika kuju uz strožu kontrolu temperature i češće zagrijavanje.

Što koriste kovači: Alati i oprema za ručno kovanje

Dok se industrijsko kovanje oslanja na hidrauličke preše i mehaničke čekiće, osnovni alati koje kovači koriste za ručno kovanje ostaju uglavnom dosljedni tradicionalnoj praksi, prilagođeni veličini posla koji se obavlja.

• Kovačnica: Izvor topline - tradicionalno kovačnica na ugljen ili koks, s propanom i indukcijskim kovačnicama koje su sada uobičajene - koristi se za dovođenje čelika do temperature kovanja
• nakovanj: Teški čelični blok koji pruža stabilnu, krutu površinu za udaranje čekićem, s različitim značajkama (rog, čvrsta rupa, pritchel rupa) koja se koristi za različite tehnike oblikovanja
• Čekići: Raspon utega čekića i oblika lica za različite zadatke — čekići s poprečnim ubodom za izvlačenje metala, čekići s kuglastim i zaobljenim čekićima za teksturiranje i oblikovanje
• Klješta: Koristi se za sigurno držanje vrućih izradaka, s različitim oblicima čeljusti dizajniranim za okrugli kundak, ravan kundak ili specifične geometrije dijelova
• Dlijeta i bušilice: Koristi se dok je metal vruć za rezanje, bušenje ili stvaranje dekorativne teksture
• Spremnik za gašenje: Spremnik s vodom, uljem ili drugim sredstvom za kaljenje koje se koristi za brzo hlađenje čelika za kaljenje, pri čemu izbor sredstva za kaljenje utječe na rezultirajuću tvrdoću i rizik od pucanja

I za ručno i za industrijsko kovanje, boja je tradicionalni pokazatelj temperature — svijetla žuto-narančasta boja općenito odgovara optimalnom rasponu kovanja za većinu ugljičnih čelika, dok mutna crvena boja označava da se čelik ohladio ispod sigurnog radnog raspona i postoji opasnost od pucanja ako se udari.