Ковка нержавеющей стали

Благодаря своим структурным качествам нержавеющая сталь – не самый благоприятный материал для ковки. Сложность процесса заключается в том, что структура состоит из зерен железа с углеродом, пространство между которыми заполнено хромом и другими компонентами. Температура плавления элементов значительно отличается, поэтому вся структура деформируется при ковке неравномерно. Самым простым материалом для ковки является мягкое низкоуглеродистое железо. Мы рассмотрим особенности ковки нержавеющей стали и расскажем, какие марки требуют особых режимов. 

Немного о нержавеющей стали

Нержавеющая сталь – это легированный сплав, в состав которого входят железо, хром (10,5% и выше) и никель. Различные марки нержавейки содержат металлы – кремний, молибден, титан, медь, алюминий, ниобий, селен, серу, фосфор и неметаллы – углерод, азот. Благодаря хрому сталь становится нержавеющей. Именно этот элемент создает на поверхности сплава оксидную пленку, которая и защищает металл от коррозийных процессов. 

Но хром и никель также создают трудности при деформировании сплава. Углеродистые зерна железа имеют более высокую прочность и другую температуру пластичности. Поэтому при нагреве и изменении размеров формы металла происходит смещение зерен относительно друг друга в среде более пластичного металла (хрома). Диапазон допустимых температур, при которых деформирование не вызовет критических разрушений внутри структуры, значительно ниже, чем у черного железа. Например, ковка низкоуглеродистых сталей допускается при температуре от 1250 до 600 градусов. Соответственно, интервал между этими температурами составляет 650 градусов. А ковку высокоуглеродистых нержавеющих сплавов начинают при температуре 1150 градусов и заканчивают при 900 градусов. Получается, что температурный диапазон будет 250 градусов. Если болванка недостаточно масивна, то остывание происходит за минуты. При неправильном температурном режиме в теле заготовки возникают внутренние продольные трещины, которые изменяют прочностные характеристики изделия. 

Еще одной проблемой ковки нержавеющей стали является изменение ее физико-химических свойств после экстремального нагрева. Обычно после такой операции возможно снижение коррозионной стойкости и формирование другой внутренней структуры. 

Поковка нержавеющей стали без предварительного нагрева

В металлургии эта операция называется дифовкой. Процесс заключается в формировании объемных деталей из листов нержавеющей стали на холодную. Таким образом изготавливают сферические элементы для компрессоров, посуду, декоративные изделия, большую часть экранов и аксессуаров бытовых приборов. 
Наиболее подходящие марки для дифовки – это низкоуглеродистые аустенитные сплавы AISI 302, AISI 304, AISI 305, AISI 316, AISI 321.

Процесс в промышленных масштабах заключается в том, что лист или ленту помещают под штамп, где одновременно с вырубкой происходит пластическая деформация. При этом лист частично сжимается и частично растягивается. В местах, где происходят геометрические изменения, меняется внутренняя структура. Если деформация не критична, то этим можно пренебречь, так как это не приводит к серьезным изменениям свойств изделия. Если требуется восстановление структуры, то применяют последующую термическую обработку, обычно отжиг и нормализацию. Подобные процессы используют при деформации полнотелых деталей, например, прутков для создания заклепок или проволоки для формирования гвоздей. Во всех случаях в местах значительной деформации образуются внутренние трещины, которые не влияют на эксплуатационные характеристики. 

Во время дифовки на материале образовывается нагартовка (наклеп), при этом увеличиваются прочностные характеристики и уменьшается предел текучести. Именно нагартовка не позволяет в дальнейшем проводить деформацию изделия. Однако возможна нейтрализация нагартовки путем нагрева полуфабриката до температуры, которая на 100 градусов превышает температуру рекристаллизации нержавейки. После заготовку выдерживают при этой температуре и медленно остужают. Благодаря этому снимаются внутренние напряжения, что ведет к снижению твердости и увеличению пластичности заготовки. Далее циклы дифовки опять повторяются, но их количество стоит минимизировать, так как частое воздействие отжигом приводит к изменению химического состава материала за счет окисления атмосферным кислородом.

В ручной дифовке кузнецы стараются применять только листы нержавеющей стали, так как с ними легче и удобнее работать. 

Процесс осуществляется так:

• На чугунную или стальную наковальню кладут лист металла.
• Молотком со стальным бойком сферической формы ударяют в то место, где материал должен стать тоньше. Удар разгоняет лишний металла в разные стороны, при этом лист начинает изгибаться в нужном направлении. 
• Кузнец может нанести несколько десятков или сотен точечных ударов, чтобы получить задуманную форму детали.
• Таким способом производится не только изменение геометрии листа, но и утоньшение кромок, просечки и нанесение декоративных узоров.

Для вытягивания, сворачивания или загиба листа по определенным параметрам применяют также различные инструменты, такие как чугунные желобильни, металлические шпераки (маленькие наковальни), плоскогубцы, ручные пробойники и прочее. 

Окончательный этап – это сборка из кованных деталей дуговой ручной сваркой. Она применяется в среде инертных газов, обычно аргона, неплавящимся специальным электродом, сделанным из вольфрама. Возможно применение стандартных электродов по нержавейке.   

Ковка нержавеющей стали с нагревом

Внутренняя структура нержавейки не позволяет ковать нержавеющие заготовки так же, как заготовки из обычной углеродистой стали. Необходимо уделять особое внимание температурному режиму. Нужно постепенно изменять температуру, чтобы избежать дефектов в структуре материала во время ковки и последующего охлаждения. 

Технология выглядит следующим образом:

1. Круг, пруток, лист, квадрат или шестигранник закладывают в холодную печь и вместе с ней производят медленный нагрев до температуры 850 градусов. 
2. Второй этап нагрева ускорен до предельно допустимой величины. Например, для аустенитных сталей – это 1100 градусов, а для высоколегированных марок – 1150 градусов. 
3. Далее производится деформация металла физическим воздействием. При этом осуществляют контроль температуры заготовки на постоянной основе. С целью предотвращения остывания длинномерных заготовок используют металлический кожух с асбестовой прокладкой. 
4. Если изделие не сформировано до нужного формата, то требуется вторичный нагрев. 
5. Раскаленная заготовка может приобрести окалину. Поверхность очищают проковкой при минимальных нагрузках.
6. При деформации детали происходит смещение поверхности вдоль наковальни и молота. При этом на плоскости появляются задиры и другие дефекты. Изъяны устраняют применением смазывающих составов. Как средство для улучшения скольжения используют толченое стекло или смесь стекольной пыли с жидким стеклом. 

Если для черных металлов ковкой улучшают структуру материала и добиваются необходимых физических свойств, то при работе с нержавейкой не получается улучшить характеристики. Основная задача технологов – это сохранение заданных свойств материала. 

Последующие операции после ковки 

Любое физическое воздействие на нержавеющую сталь деформирует поверхность и изменяет внутреннюю структуру материала. Если это не критично для последующей эксплуатации, то этим можно пренебречь. Но в большинстве случаев требуется доработка деталей. 

Шлифовка

Несовершенство штампов и эффект нагартовки при деформации нержавейки приводят к появлению неровностей на поверхности изделия. Для придания товарного вида применяют абразивное шлифование. 

Уровень обработки поверхности абразивами можно разделить на три группы:

• Матовая. Поверхность имеет бархатистую структуру без заусенец и ощущаемых неровностей, но при этом у изделия нет эффекта отражения.
• Глянцевая. Изделие блестит, но не зеркалит. 
• Зеркальная. Уровень обработки такой, что позволяет видеть отражение. 

В зависимости от требуемого уровня поверхности применяют абразивные материалы с разной зернистостью. Плоскости с небольшой кривизной хорошо обрабатываются вращающимися или вибрационными инструментами. Сложный рельеф на изделии шлифуют пескоструйными аппаратами. 

Патинирование

В декоративных целях для изменения цвета поверхности применяют патинирование. В зависимости от используемого состава на изделии могут появиться разные цвета от черного до желтого. Часть из получившихся покрытий имеет антикоррозийные качества. Для дополнительного проявления рельефа применяют метод частичной шлифовки изделия после нанесения патины. 

Одним из способов изменения окраса поверхности является фиксация цветов побежалости. Цвет, который появляется, зависит от температуры и времени воздействия. Такая пленка не достаточно устойчивая и требует покрытия защитным слоем для сохранения эффекта. 

Для нержавеющей стали распространенных марок существует примерная таблица цветов побежалости:

• Соломенный цвет получают при температуре от 300 до 400 градусов.
• Кирпичный – 550 градусов.
• Фиолетовый и синий – от 500 до 600 градусов.
• Серый – свыше 700 градусов. 

Ковка нержавеющей стали – очень распространенный прием при обработке металла. Метод экономически выгоден, так как при работе с материалом минимизируются отходы. Технологические процессы хорошо поддаются автоматизации. Энергозатратность при ковке относительно невысокая. Большую часть из ассортимента выпускаемой продукции возможно выполнить, применяя штампы, прессы и другое кузнечное оборудование. Нержавеющая сталь также привлекательна для ручной кузнечной обработки, так как изделие не подвержено коррозии и надолго сохраняет первоначальный внешний вид.