Для чего куют металлы | ТМ 1938-04

Инж. А. ФЕДОРОВ

Приходилось ли вам наблюдать работу кузнечнопрессового цеха на каком-нибудь крупном машиностроительном заводе? Такой цех представляет собой громадное сооружение, оборудованное самыми разнообразными машинами, которые приводятся в действие паром, сжатым воздухом или электричеством. По обеим сторонам пролетов цеха расположены нагревательные печи, мощные молоты и прессы. На массивных подкрановых балках движутся мостовые краны, которые могут поднимать на своих крюках слитки металла весом в десятки тонн. В современном кузнечном цехе производятся самые разнообразные изделия, начиная от поковок весом всего в несколько граммов и кончая тяжелыми коленчатыми валами и цельнотянутыми барабанами для котлов высокого давления, поковки которых весят до 150 т.

Вот один из рабочих с помощью больших клещей вынимает из печи раскаленный цилиндрический кусок стали и подает его к большой кузнечной машине — молоту. Машинист нажимает рукоятку, и массивная подвижная часть молота — «баба» — вместе с укрепленным на ней стальным бойком приходит в движение. Она падает на раскаленную заготовку, затем снова поднимается, чтобы в следующий момент опять нанести удар по металлу.

Несмотря на свою кажущуюся громоздкость (у иных молотов вес «бабы» достигает 12—15 г), молот — довольно послушная, точная и легко управляемая машина. Старые кузнецы любят похвастать, что они могут так отрегулировать свой тяжелый молот, что этот гигант, способный расплющить большой кусок нагретой стали, сможет расколоть орех, не затронув ядрышка, или закрыть крышку карманных часов, не повредив их механизма. В этих рассказах большая доля правды. Действительно, опытный машинист может добиться от своего молота ударов любой силы, начиная от самых слабых, «проглаживающих», и кончая полноценными, мощными ударами, быстро деформирующими слиток металла.

Вы видите, как в промежутках между ударами кузнец ловко поворачивает поковку и подкладывает нужные приспособления. Через несколько минут цилиндрический кусок металла превращается в буферную тарелку, которую вы не раз видели на паровозах и вагонах.

Совсем по иному принципу производится деформация металла под прессом, который действует не быстрым ударом, а с помощью медленного и плавного сжатия. Современные прессы достигают громадных размеров и могут развивать колоссальные усилия. На Уралмашзаводе работает пресс, развивающий усилия в 10 тыс. т. На одном из машиностроительных заводов устанавливается еще больший пресс, который будет обжимать поковку с силой в 15 тыс. т. Прессы имеют ряд преимуществ перед молотами. Развивая громадные давления, они работают бесшумно и не вызывают вредных для здания сотрясений. Именно на прессах изготовляются самые крупные поковки весом в десятки тонн.

На первый взгляд может показаться, что назначение кузнечных машин только в том, чтобы придать куску металла необходимую форму. Но ведь можно получить стальные изделия любого внешнего вида, не прибегая к сложным операциям ковки. Достаточно просто произвести отливку расплавленного металла в соответствующую форму. Следовательно, изменение внешней формы стальной заготовки не единственная и не самая главная задача ковочного производства.

Для чего же тогда куют металлы?

Прежде чем ответить на этот вопрос, покинем на время кузницу и перейдем в расположенный рядом сталелитейный цех, чтобы увидеть, как получаются стальные слитки — этот исходный материал будущих кованых изделий.

Раздается удар в колокол. Сейчас начнется выпуск стали.

Из мартеновской печи в поставленный под ее желоб ковш устремляется сверкающая струя расплавленного металла. Вскоре ковш до краев наполняется жидкой сталью. Мостовой кран бережно подает его к установленным в ряд изложницам — большим чугунным сосудам с толстыми стенками. Затем следует разливка и наступает период остывания и затвердевания жидкой стали, разлитой по изложницам. Процесс этот довольно интересный, а главное — он имеет прямое отношение к качеству будущих поковок.

Слои расплавленной стали, непосредственно соприкасающиеся с холодными стенками изложницы, остывают довольно быстро. Поэтому, когда у стенок изложницы образовалась уже корка затвердевшего металла, внутренняя часть слитка остается еще жидкой. При затвердевании сталь уменьшается в объеме. Но размеры слитка уже определены твердой стальной коркой, возникшей в первый момент остывания. Оставшегося жидкого металла не хватает для заполнения внутренней части слитка, поэтому в той части слитка, которая отвердевает в последнюю очередь, получается так называемая усадочная раковина, т. е. пустота.

Стальной слиток является сплавом различных химических элементов. Обычная сталь, например, состоит из соединений железа, углерода, кремния, марганца, а также из неизбежных вредных примесей серы и фосфора. Специальные сорта стали содержат, кроме указанных элементов, еще другие примеси — хром, никель, вольфрам, молибден и пр. Эти добавки придают стали особые свойства, делая ее, смотря по надобности, более твердой, нержавеющей, кислотоупорной или, наконец, жароупорной, т. е. способной сохранять свою твердость при весьма высоких температурах.

Вещества, входящие в состав стали, имеют различную температуру плавления и отвердевания. Чистое железо становится твердым уже при температуре 1528° Ц, в то время как соединения того же железа с серой или другими элементами имеют более низкую температуру затвердевания. Слои металла, затвердевшие в первую очередь, состоят из наиболее тугоплавких элементов — железа и углерода. Вредные примеси серы и фосфора, затвердевающие в последнюю очередь, оттесняются к середине слитка и сосредотачиваются главным образом около усадочной раковины.

Верхняя часть изложницы снабжается утепленной надставкой, а иногда даже специально подогревается. Это приводит к тому, что «головка» слитка остывает последней и наибольшее количество вредных примесей, а также усадочная раковина располагаются именно в ней. В процессе дальнейшей обработки эта часть, составляющая до 30—35% веса всего слитка, отрезается как негодная для производства изделий. Но и оставшаяся, лучшая часть слитка химически неоднородна. Металл наружных слоев, имеющих меньше вредных примесей, будет обладать лучшими механическими качествами по сравнению с металлом внутренней части слитка. Поэтому при ковке особо ответственных изделий, например орудийных стволов, не ограничиваются удалением верхней части слитка, а высверливают еще его сердцевину и только после этого производят ковку.

Стальной слиток состоит из большого количества различных по величине кристаллов. В верхней части слитка образуется усадочная раковина.

Стальной слиток — кристаллическое тело. Он состоит из большого количества различных по величине кристаллов, образование которых начинается в момент затвердевания стали. Наружный слой слитка — его корка — состоит из мелких кристалликов, не успевших вырасти, так как сталь в этом месте затвердела быстро. После образования корки затвердевание металла замедляется, так как корка предохраняет его от быстрого остывания, и поэтому последующие кристаллы имеют уже большую величину. Вначале образуются скелеты кристаллов в виде осей, от которых во все стороны отходят перпендикулярные ветви. Скелет кристалла состоит из чистого железа и углерода, а в пространстве между осью и ветвями скелета скопляются и затвердевают различные примеси, в том числе сера и фосфор. Кристалл затвердевшей стали по своему виду напоминает ветвистое дерево и поэтому называется дендритным (от греческого слова «dendron» — дерево) или елочным кристаллом.

*

Теперь, познакомившись с процессом получения стали, мы можем вернуться в кузницу, чтобы изучить, какие внутренние изменения претерпевает сталь во время ковки.

Сталь поступает в кузницу либо в виде тяжелых слитков, если она предназначена для изготовления больших изделий, либо в виде прокатанной заготовки, идущей для производства мелких кованых деталей для автомобилей, тракторов, станков и т. п. В последнем случае стальной слиток обжимают на прокатном стане и превращают в сортовой материал различного профиля, т. е. круглого, квадратного, уголкового или иного поперечного сечения.

Здесь изображен процесс ковки вагонной оси. На железнодорожных платформах в кузницу поступают стальные заготовки —  массивные куски металла четырехгранного сечения. С помощью мостового крана производится разгрузка платформы. Болванки складываются в штабель. Затем, одна за другой, болванки вталкиваются в методическую печь с помощью специального толкателя. С другого конца печи рабочие вынимают уже раскаленные заготовки и подают их под молот. Откованные оси подвергаются тщательному осмотру, правке под гидравлическим правильным прессом, т. е. выравниванию от возможных искривлений. После этого пневматическими зубилами вырубаются плены и другие внешние дефекты поковки. Затем откованные изделия с помощью крана снова грузятся на вагонетку и отправляются в механический цех для обточки на токарных станках.

Перед ковкой сталь нагревается в специальных кузнечных печах. Нагретый металл становится более пластичным, т. е. легче изменяет свою форму при обработке на кузнечных машинах. Простая машиноподелочная сталь греется в печи до 1200—1250° Ц. При такой температуре стальной кусок приобретает светло-жёлтый цвет.

При нагреве зерна стали растут, и тем больше, чем выше температура. Если температура металла превысила допускаемый предел, то зерна достигают чрезмерной величины. В промежутки между зернами проникает кислород из воздуха и быстро окисляет поверхность зерен, образуя тонкую пленку окислов, разделяющую зерна. Связь между зернами нарушается. Вот почему нельзя нагревать сталь выше определенной температуры. При ударе молотом такой металл обычно разлетается на мелкие куски. Произошел, как говорят, пережог стали. Пережженный материал не может идти в дело, его отправляют в переплавку.

Нагретый стальной слиток подается под пресс или молот и подвергается обжатию. При этом большие древообразные кристаллы слитка раздробляются. В результате дальнейшего обжатия металла под прессом или молотом кристаллы и их осколки вытягиваются в длинные волокна. Сталь становится волокнистой, и чем сильнее деформирован слиток, чем значительнее уменьшено его сечение при ковке, тем меньшую толщину имеют волокна стали. Все это обеспечивает более высокие механические качества кованых изделий по сравнению с литыми.

В результате обжатия металла под прессом или молотом кристаллы вытягиваются. Сталь становится волокнистой. Чем сильнее деформирован слиток, тем резче заметна эта волокнистость. На левом снимке показана литая, не деформированная сталь. 

На правом снимке — сильно обжатая сталь.

*

Существует множество сложных и хитроумных приборов для определения механических свойств стали. Небольшие кусочки металла — пробы — подвергаются действию растяжения, сжатия и ударов, испытываются на твердость, на излом, на кручение. Результаты этих испытаний отмечаются приборами с большой точностью.

Если вырезать несколько одинаковых по размерам проб из отлитого, некованого, слитка, то все они, независимо от направления вырезки, будут иметь примерно одинаковые механические показатели. Совсем другое получается у проб из прокованной стали. Такая сталь по своей волокнистости в известной степени напоминает древесину. Известно, что связь между волокнами дерева не слишком велика. При ударе топором в торец вдоль волокон деревянное полено легко раскалывается, в то время как в поперечном направлении оно обладает большей прочностью.

В результате ковки металл приобретает неоднородность механических свойств в различных направлениях в зависимости от расположения волокон. В одном направлении эти свойства резко улучшаются, в другом — часто становятся несколько хуже, чем у литой стали.

Каждая деталь машины испытывает обыкновенно какую-нибудь одну главную нагрузку — растяжение, сжатие, изгиб, кручение и пр. Эта нагрузка обычно действует в каком-то определенном направлении. Задача машиностроителя состоит в том, чтобы учитывать будущую нагрузку изделия и отковывать его таким образом, чтобы обеспечить наилучшие механические свойства именно в этом главном направлении.

Правильное расположение волокон обеспечивает большую прочность стальных деталей. На снимке — разрез шестерни для коробки скоростей автомобиля, изготовленной методом ковки.

На некоторых наших заводах еще не отказались от старого способа производства коленчатых валов. Заготовка вала в этом случае отковывается в виде массивной пластины, а затем лишний материал между коленами вырезается. При этом волокна металла в отдельных частях поковки перерезаются, что значительно понижает в этих местах прочность коленчатого вала. Но ответственные дизельные, а также автомобильные и авиационные коленчатые валы изготовляются так, что волокна металла выгибаются по контуру вала. Это обеспечивает изделию большую прочность.

Верхний рисунок показывает коленчатый вал, изготовленный по старому способу. В отдельных частях поковки (щека вала) волокна оказываются перерезанными. Коленчатый вал, изображенный на нижнем рисунке, отличается более высокой прочностью, так как волокна металла изогнуты по контуру вала.

В заключение познакомимся с изготовлением небольшой стальной шестерни. Такую шестерню, вообще говоря, можно изготовить тремя способами.

Первый способ. Отрезать от круглой прокатанной заготовки диск соответствующей толщины и, не подвергая его ковке, обработать на токарном и зуборезном станках. Прокатанная заготовка уже имеет волокнистое строение в результате большого обжатия слитка в прокатном стане. Зубья этой шестерни воспринимая нагрузку при работе, будут легко скалываться, так как имеют поперечное направление волокон.

Второй способ. Можно положить кусок прокатанной заготовки под молот так, чтобы волокна имели горизонтальное направление, и, сплющив ее, получить диск. Зубья шестерни, вырезанной из такого диска, будут неодинаковы по прочности. Там, где волокна окажутся направленными вдоль зуба, по радиусу шестерни, зубья будут наиболее крепкими, в другой же части шестерни они будут легко ломаться.

И, наконец, третий способ. Заготовку для шестерни производят методом осадки. Отрезанный кусок прокатанного металла ставят на наковальню молота, как говорят, «на попа», и производят один или несколько ударов в торец. При осадке получается выгибание волокон наружу. Вырезанная из такой заготовки шестерня будет обладать большой прочностью, так как все ее зубья имеют радиальное направление волокон.

Три способа изготовления шестерни из прокатанной заготовки. В третьем случае благодаря осадке волокна металла располагаются радиально. Каждый зуб такой шестерни обладает высокой прочностью.