OPRACOWAŁ mgr Piotr Żyta . OPRACOWAŁ mgr Piotr Żyta WSTĘP DO KOWALSTWA

KUCIE Kucie jest najstarszą metodą kształtowania przedmiotów z metalu za pomocą obróbki plastycznej. Kucie polega na kształtowaniu metalu położonego na kowadle uderzeniami bijaka (młota). Nawet w wykopaliskach z przed kilku tysięcy lat znajdowane są przedmioty wykute z metalu. W starożytności sztuka kowalska stała już na bardzo wysokim poziomie czym świadczą przedmioty z tamtych czasów. Początkowo znane było tylko kucie młotem ręcznym. Późniejszym etapem kształtowania za pomocą kucia było wprowadzenie kucia matrycowego co pozwoliło na uzyskanie powtarzalnych kształtów elementów takich jak wyroby artystyczne, części uzbrojenia, narzędzi i monet. Najstarsze matryce zostały znalezione w Grecji i były wykonane z granitu i z bazaltu. W XIII wieku rozpowszechnił się w Europie młot napędzany kołem wodnym. W XV wieku został zastosowana prasa śrubowa do plastycznego kształtowania wyrobów metalowych (medali, pieczęci itp.) W XVII wieku wprowadzono młot spadowy, a trochę później pierwszy młot parowy. W tym samym okresie węgiel drzewny został zastąpiony węglem kamiennym oraz koksem. Podczas kucia pod młotem, w chwili uderzenia bijaka o metal (jeżeli pominąć straty - energia bijaka zmienia się na pracę odkształcenia plastycznego. Za pomocą młota, przez ponawianie uderzeń powodujących częściowe odkształcenia, uzyskuje się pożądaną zmianę wymiarów i kształtów przedmiotu kutego. Tłumaczy to, w jaki sposób np. niewielkim młotem ręcznym można osiągnąć wartość wiele razy większą od ciężaru bijaka.

KUCIE – PROCES TECHNOLOGICZNY Rodzaj obróbki plastycznej, polegający na odkształcaniu materiału za pomocą uderzeń lub nacisku narzędzi. Narzędzia - czyli matryce lub bijaki umieszczane są na częściach ruchomych narzędzi. Proces ten również może być realizowany w specjalnych przyrządach kuźniczych. W procesie tym nadaje się kutemu materiałowi odpowiedni kształt, strukturę i własności mechaniczne. Materiałem wsadowym jest przedkuwka, natomiast produktem jest odkuwka.

KUCIE NA GORĄCO – PROCES TECHNOLOGICZNY - proces technologiczny , metoda obróbki plastycznej metali na gorąco będącej odmianą kucia . W odróżnieniu od kucia na zimno, w metodzie tej odkształcenie plastyczne osiągane jest w temperaturze wyższej od temperatury rekrystalizacji . W trakcie kucia na gorąco odbywa się kształtowanie materiału wraz ze zmianą własności fizykochemicznych, struktury i gładkości powierzchni.

PROCES KUCIA polega na tym, że nagrzany do stanu plastycznego kawałek stali jest poddawany uderzeniom, wskutek czego materiał przybiera żądany kształt. Kucie jest tym łatwiejsze, im stal jest plastyczniejsza, co zależy od jej składu chemicznego i temperatury. Kucie w temperaturze zbyt niskiej powoduje pękanie, w zbyt wysokiej zaś - przepalanie się materiału. Jedną z zalet kucia jest możliwość uzyskania włóknistej struktury odkuwki, która umożliwia wykonanie przedmiotu o większej wytrzymałości niż innymi metodami, np. za pomocą odlewania lub skrawania.

PROCES KUCIA   Metoda kucia na gorąco wykorzystywana jest przy obróbce ręcznej oraz mechanicznej, zarówno w kuciu swobodnym jak i matrycowym. Zalety : wzmocnienie w procesie kształtowania - usunięte w całości przez rekrystalizację; równomierna mikrostruktura; usunięta pasowość mikrostruktury; wyższa wytrzymałość wzdłuż włókien - kierunek obciążenia zgodny z kierunkiem włókien; Zastosowanie : Kucie na gorąco wykorzystuje się w produkcji elementów, od których jest wymagana wysoka wytrzymałość. Metodę tą wykorzystuje się najczęściej przy produkcji przemysłowej: uchwytów wagonowych, kluczy do kół, Śrub i nakrętek o podwyższonej wytrzymałości, elementów złącz szyn kolejowych, oraz wszelkie elementy wykonywane w ramach kowalstwa artystycznego.

WŁÓKNISTA STRUKTURA ODKUWKI

ELEMENT KOWALSTWA ARTYSTYCZNEGO

WARSZTAT KOWALSKI Kuźnia - budynek przeznaczony do prac kowalskich. Wyposażenie kuźni to m.in. paleniska, kowadła , miejsca do podkuwania koni i inne stanowiska pomocnicze. Obecnie kuźnie tracą na znaczeniu ze względu na zmniejszającą się liczbę koni oraz ze względu na powstawanie nowocześniejszych warsztatów mechanicznych. Kowal - rzemieślnik zajmujący się kowalstwem . Jest to zanikający zawód, który polega na tworzeniu (wykuwaniu) przedmiotów z metalu np. kociołki, podkowy, gwoździe, narzędzia, a także broni białej. Najczęściej spotykane wyroby kowala artystycznego to: - ogrodzenia i płoty posesji - balustrady balkonowe - kraty okienne - bramy i furtki wejściowe - inne ozdoby Kowal pracuje w warsztacie zwanym kuźnią .

KUŹNIA

KUźnia

RODZAJE KUCIA Ze względu na swobodę płynięcia kształtowanego materiału: kucie swobodne kucie półswobodne kucie matrycowe - w którym kształt odkuwki jest odwzorowaniem kształtu wykroju roboczego matrycy kucie matrycowe w matrycach otwartych (powstaje odpad w postaci odcinanej wypływki) kucie matrycowe w matrycach zamkniętych (kucie bezodpadowe) kucie precyzyjne

RODZAJE KUCIA Ze względu na zastosowaną maszynę : ręczne - "kowalskie" (jest to odrębna technologia) na młotach - młotowanie na prasach - prasowanie na kuźniarach na kowarkach

RODZAJE OPERACJI WYKONYWANYCH PODCZAS KUCIA spęczanie wydłużanie wgłębianie przebijanie gięcie skręcanie cięcie

WARUNKI REALIZACJI PROCESU KUCIA (ZALEŻNIE OD TEMPERATURY PROCESU) kucie na gorąco - najczęściej spotykana technologia kucie na zimno - tylko te metale, dla których granica plastyczności jest mała (np. aluminium) kucie na ciepło

MASZYNY I URZĄDZENIA WYKORZYSTYWANE W KUCIU piece nagrzewnice indukcyjne oporowe okrojniki (głównie do usunięcia wypływki)

KUCIE SWOBODNE - polega na kształtowaniu metalu poprzez wywieranie nacisku narzędziami powodującymi jego płynięcie w kilku dowolnych kierunkach. Kucie swobodne stosuje się przy niedużych seriach lub przy wykonywaniu odkuwek ciężkich. Metodą tą można wykonywać odkuwki o dowolnej masie . Maksymalna masa surowca w postaci wlewków na odkuwki kute swobodnie wynosi 500 Mg . Małe odkuwki wykonuje się z wsadu uprzednio walcowanego, duże z wlewków. Kucie swobodne stosuje się w szczególności dla następujących przypadków: przy produkcji jednostkowej, gdzie wykonywanie matryc jest nieopłacalne; przy wykonywaniu odkuwek, których masa i wymiary przekraczają możliwości produkcyjne najcięższych dysponowanych zespołów matrycowych; przy wstępnej obróbce plastycznej wlewków ze stali stopowych lub stopów o specjalnych własnościach na kęsiska i kęsy kute; przy wykonywaniu części zamiennych i do celów remontowych; przy szeroko pojętej regeneracji narzędzi i sprzętu warsztatowego

PRZYKŁAD

KUCIE MATRYCOWE - polega na kształtowaniu wyrobu w matrycy . Dolna część matrycy spoczywa na nieruchomej części młota mechanicznego, zwanej szabotą . Górna część matrycy, umocowana w ruchomej części młota, zwanej bijakiem może podnosić się ku górze. Jeżeli w czasie pracy młota zostanie w obszarze wykroju dolnej części matrycy umieszczony nagrzany materiał, to uderzenie górnej części matrycy spowoduje wypełnienie wykroju matrycy materiałem. Powstaje wówczas produkt zwany odkuwką . Kucie matrycowe ma zastosowanie do wyrobu odkuwek o ciężarze nieprzekraczającym kilkuset kilogramów. Zaletami procesu kucia matrycowego są: niewielki czas wykonania wyrobu, możliwość produkowania odkuwek o skomplikowanych kształtach, możliwość zatrudnienia w produkcji pracowników przyuczonych małe straty materiału wskutek stasowania małych naddatków na obróbkę.

NARZĘDZIA I URZĄDZENIA POMOCNICZE W KUŹNI Podstawowe wyposażenie kuźni do kucia ręcznego składa się z ogniska kowalskiego oraz z narzędzi ręcznych. W kuźniach kowalskich przeznaczonych do kucia ręcznego do nagrzewania metalu stosuje się ognisko kowalskie. Składa się ono z kotliny żeliwnej lub uformowanej z szamotu. W dolnej części kotliny znajduje się otwór w kształcie dyszy przez który dostarczane jest powietrze do kotliny, z boku znajduje się korytko z wodą dla chłodzenia narzędzi.

STANOWISKO ŚLUSARSKIE Na stanowisku ślusarskim powinny znajdować się przedmioty niezbędne do wykonania danej roboty. Przedmioty częściej używane powinny znajdować się bliżej niż przedmioty używane rzadziej. stół ślusarski, musi być stabilny i masywny imadło ślusarskie pilniki do metalu i drewna (różne rodzaje) szlifierka wiertarka ręczna wiertarka stołowa wiertła szlifierka kątowa małe kowadełko

STANOWISKO KOWALSKIE palenisko (ognisko) kowalskie kowadło kowalskie imadło kowalskie jednoręczne młotki o masie do około 2kg dwuręczne młoty o masie od 2 do 15kg kleszcze narzędzia kształtujące - spodki, nadstawki, podcinak, przecinak, gładzik, żłobnik, przebijaki narzędzia pomiarowe przymiary i macki ubranie ochronne, rękawice, okulary lub maska

STANOWISKO HARTOWNICZE palenisko lub piec elektryczny kleszcze wanna hartownicza (wystarczy wiadro a najlepiej podłużna miska) chłodziwa hartownicze (olej hartowniczy, woda, lub inne) ubranie ochronne, rękawice, okulary lub maska

OGNISKO KOWALSKIE Do rozgrzewania kawałków stali przeznaczonych do ręcznego kucia stosuje się ogniska kowalskie, które mogą być stałe lub przenośne, otwarte lub zamknięte oraz jedno lub dwu-kotlinowe. Ognisko przenośne: 1 - stalowa rama, 2 - kotlina żeliwna stanowiąca właściwe ognisko, 3 - wentylator, 4 - pasek napędowy płaski, 5 - pedał napędu nożnego, 6 - koło zamachowe, 7 - dysza regulująca dopływ powietrza.

PALENISKO KOWALSKIE

PALENISKO KOWALSKIE

KUŹNIA WCZORAJ

KUŹNIA DZIŚ

OGNISKO KOWALSKIE Ognisko przenośne jest otwarte. Jego wadą jest niedostateczne wykorzystanie paliwa wskutek znacznego promieniowania w górę, a tym samym znacznej straty ciepła. Wymiary kotliny wahają się w granicach od 200 do 400 mm długości i szerokości oraz od 100 do 150 mm głębokości. Kotlina ma dyszę (dmuchawkę) przez którą doprowadzane jest powietrze. Dysza ma trzpień o ruchu regulowanym drążkiem za pomocą którego reguluje się dopływ powietrza. Dopływ powietrza jest uzależniony od wentylatora, który może mieć napęd nożny lub elektryczny. Jest kilka typów palenisk: Paleniska i piece w płatnerstwie służą do grzania metalu w celu jego obróbki plastycznej (kucia), obróbki cieplnej, zgrzewania. Piece można podzielić według dwóch podstawowych kryteriów: budowy sposobu dostarczenia energii (uzyskania ciepła, paliwa) Według pierwszej grupy możemy podzielić na: piece otwarte (tradycyjne palenisko kowalskie) piece zamknięte (zazwyczaj piece do hartowania) piece częściowo zamknięte (rurowe) Według drugiego kryterium: piece węglowe, koksowe piece elektryczne piece gazowe  

szamot Glinka szamotowa Szamot jest to glinka ogniotrwała poddana spiekaniu i rozdrobniona. Zawiera od 30 do 46% Al 2 O 3 i do 70 do 54% SiO 2 . Jego ogniotrwałość zwykła wynosi 1650 - 1700°C, a pod obciążeniem 1250 - 1500°C. Wytwarza się również cegły i kształtki z glin i łupków ogniotrwałych których głównym składnikiem jest mullit. Jest wiele odmian i gatunków, np. zwykłe i wieloszamotowe, tj. o zwiększonej zawartości szamotu. Są stosowane do temperatury 1500°C. Ich podstawową wadą jest mała odporność na działanie żużli i szkieł. Są stosowane do wymurówki pieców. Cegły szamotowe wytwarza się metodą wyciskania z następnym dotłaczaniem. Mullit jest to związek o wzorze 3Al 2 O 3 . 2SiO 2 , Który powstaje w procesie wypalania minerałów zawierających tlenki glinu i krzemu. Można też uzyskać mullit w procesie wypalania glin kaolinowych z tlenkiem glinu. Mullit jest składnikiem materiałów ogniotrwałych (ceramicznych), decydującym o ich własnościach

PALIWO Paliwo spalane w ognisku kowalskim powinno zawierać jak najmniej siarki, gdyż nagrzewana stal wchłania ją pogarszając swoje własności. Najlepszym paliwem dla kuźni jest węgiel drzewny, gdyż nie zawiera siarki. Ze względu jednak na wysoką cenę jest on używany tylko do zgrzewania stali wyższej jakości. Jego wartość opałowa wynosi  7100 - 8100 kcal / kg. Duże zastosowanie w kowalstwie ma również koks który daje równomierny nagrzew i wysoką temperaturę przy bezdymnym spalaniu. Wartość opałowa 6700 - 7500 kcal / kg. Węgiel kamienny zawiera najwięcej zanieczyszczeń w tym siarkę. Dużo dymu przy spalaniu. Wartość opałowa 5000 - 7200 kcal / kg. Rozpalenie ognia w palenisku - nic prostszego. Tak właśnie myślisz, a może skończyć się totalną zadymą. Zrób to tak: zapal parę kawałków rozpałki do grilla (wygląda jak płyta pilśniowa). Połóż to do kotliny. Wentylator ustawiony na mały nadmuch. Nasyp na to trochę węgla drzewnego, a gdy się rozpali dodaj koksu. Wielkość bryłek koksu najlepiej 1-2cm, jeśli są większe to należy je rozdrobnić młotkiem.

KOWADŁO DWUROŻNE KOWADŁO JEDNOROŻNE KOWADŁA

KOWADŁA

KOWADŁO BEZROŻNE

KOWADŁO W kowadle znajdują się dwa otwory - jeden o przekroju kwadratowym, drugi o przekroju okrągłym. Służą one do wstawiania podcinek i spodków lub do przebijania nad nimi otworów w wykonywanych przedmiotach. Ciężar kowadła waha się w granicach od 30 do 150 kg . Górna część kowadła nazywa się gładzią lub licem. Wymiary gładzi wynoszą ok. 400 x 120 mm . Kowadło ustawia się na wkopanym w ziemię pniu z twardego drewna i przymocowuje do niego hakami albo też na podstawie betonowej. Wysokość kowadła od podłogi do gładzi powinna wynosić 700 - 800 mm .

KOWADEŁKA - NADSTAWKI Do kowadeł zalicza się też małe kowadełka, tzw. nadstawki służące do wykonywania drobnych robót, które wkłada się w otwór kowadła.

KOWADEŁKA - NADSTAWKI

KOWADEŁKA - NADSTAWKI

MATRYCE KOWALSKIE Matrycą kowalską zwaną też dziurownicą jest gruba kwadratowa płyta staliwna z otworami o różnych wymiarach i kształtach z wykrojami na krawędziach. Ciężar takiej płyty wynosi około 120 kg . Dziurownica służy do kształtowania odkuwek profilowych jak również do przebijania otworów. Pewną odmianą matrycy jest gwoździownica, która służy do formowania główek gwoździ i nitów. Po nagrzaniu pręta wkłada się go w odpowiedni otwór i uderzeniami młota spęcza formując główki.

MATRYCE KOWALSKIE - DZIURAWNICA

GWOŹDZIOWNICA

MŁOTY KOWALSKIE Młoty kowalskie - są różnego kształtu i wielkości. Przy kuciu ręcznym stosuje się dwa rodzaje młotków: - jednoręczne o ciężarze od 0,5 - 2 kg , o długości trzonka 300 - 400 mm . Służą one do uderzania jedną ręką, przy wykonywaniu drobnychprzedmiotów, jak również do wskazywania miejsca w które należy uderzyć młotem dwuręcznym.   - młoty dwuręczne ( pobijaki ) o ciężarze 2 - 15 kg o długości trzonka 600 - 700 mm stosuje się do robót grubszych. Młotki i młoty kowalskie wykonuje się ze stali węglowej, przy czym zalecana jest stal N - 00065 ( według PN/M-64091 ). Są one kute, na końcach cieplnie ulepszone i oczyszczone. Młoty jedno i dwuręczne umocowane są na trzonkach za pomocą żelaznych klinów z jednokierunkowymi nacięciami. Długość klina powinna wynosić 2/3 długości otworu.

MŁOTEK KOWALSKI JEDNORĘCZNY

MŁOTEK KOWALSKI DWURĘCZNY

KLESZCZE KOWALSKIE Kleszcze służą do chwytania i wyjmowania przedmiotów z ognia oraz trzymania i obracania odkuwek w czasie kucia. Kleszcze składają się z dwóch ramion połączonych na krzyż za pomocą nitu. Robocza część jest nazywana szczęką, część dłuższa stanowi rękojeść. Kształt szczęki jest uzależniony od odkuwanego przedmiotu. W wypadku braku odpowiednich kleszczy szczęki nagrzewa się do koloru wiśniowo - czerwonego, następnie wkłada w nie odkuwki i uderzeniami młotka dopasowuje je tak aby mocno ujmowały odkuwany materiał.

KLESZCZE KOWALSKIE

IMADŁO KOWALSKIE Typ rozchylny (zawiasowe). Najczęściej spotykane w kuźniach. Ze względu na materiał, z którego jest wykonane jak też na budowę jest w stanie przeżyć większe uderzenia niż standardowe imadła ślusarskie, które są powszechnie dostępne w sklepach.

IMADŁO KOWALSKIE

IMADŁO KOWALSKIKE

Mierzenie temperatur Fragment książki "Zarys kowalstwa i obróbki cieplnej" (autor: Józef Weber, wyd. Księgarnia Techniczna "Przeglądu Technicznego", Warszawa 1939). "Mierzenie temperatur odbywać się może różnymi sposobami. Dawniej, gdy nie było żadnych przyrządów do mierzenia, temperaturę stali określano po kolorach, gdyż w ciemnym otoczeniu wszystkie ciała nagrzane do jednakowej temperatury żarząc się świecą jednym kolorem. Przy zmianie temperatury zmienia się również kolor żarzenia. W ciemności stal zaczyna świecić przy temperaturze około 600st.C, później uzyskuje kolory różne, lecz przy dalszym nagrzewaniu coraz jaśniejsze, aż do oślepiająco białego. Jeżeli zaś nagrzewać gładko obrobiony kawałek stali, to przy temperaturach 200-400st.C na powierzchni stali zjawią się tzw. naloty barwne (lub inaczej barwy nalotowe), które następują po sobie przy określonych temperaturach w ściśle określonej kolejności, co umożliwia odróżnianie temperatur.

Barwy żarzenia stali

BARWY ŻARZENIA STALI

BUDOWA I WŁAŚCIWOŚCI STALI Dawni kowale nie znali rzecz jasna teoretycznych podstaw właściwości stali i żelaza, ale potrafili zastosować w praktyce liczne doświadczenia swoje i swoich poprzedników. Nie wiedzieli, dlaczego należy kuć żelazo tylko wtedy, kiedy świeci ono takim a nie innym kolorem żaru. Nie wiedzieli, czemu należy je ostudzić po osiągnięciu jakiegoś konkretnego koloru w konkretnej cieczy, aby się utwardziło. Nie wiedzieli, czemu dzieje się tak, a nie inaczej. Wiedzieli, że tak należy uczynić, bo tak nauczyło ich doświadczenie, tak robił ich ojciec i dziadek, bo tak robiono "od zawsze", bo tak "jest dobrze". Aby jednak zrozumieć, dlaczego takie recepty mają sens - lub go nie mają - trzeba choć pobieżnie zapoznać się z chemiczną i fizyczną budową stali i podstawami obróbki termicznej. Właściwości stali są przede wszystkim wynikiem zmiany rozpuszczalności węgla w żelazie w różnych temperaturach, oraz powstawania różnych związków żelaza z węglem i zmiany ich sieci krystalicznej, w zależności od zawartości węgla, szybkości chłodzenia i wielu innych czynników. Materiał, jakim dysponował starożytny kowal, był z chemicznego punktu widzenia nie żelazem a stalą, a więc stopem żelaza z węglem, gdyż termin żelazo odnosi się w zasadzie do pierwiastka chemicznego. Jednak potocznie żelazem określa się stop miękki, o małej zawartości węgla, a stalą - stop twardy, wysokowęglowy, dający się dodatkowo utwardzać na drodze hartowania. Termin żelazo stosuje się również wtedy, kiedy stop ten nie przeszedł w procesie otrzymywania przez fazę płynną, lecz co najwyżej osiągnął postać ciastowatą, a więc odnosi się to do żelaza dymarskiego. Stal współczesna ma prawie jednolitą strukturę i skład chemiczny, a jej właściwości zależą głównie od zawartości składników stopowych - podobnie jak w przypadku brązu - oraz od zastosowanej obróbki cieplnej. Stal historyczna, a więc żelazo, ma strukturę wybitnie pasmowatą, włóknistą, o niejednorodnym składzie chemicznym. Jest to wynikiem zgrzewania ze sobą a następnie "mieszania" drobnych kawałków uzyskanego w stanie ciastowatym żelaza o różnym składzie chemicznym.

BUDOWA I WŁAŚCIWOŚCI STALI Bez względu na sposób uzyskania, stal jest stopem żelaza i wielu innych pierwiastków, z których najważniejszym składnikiem (poza samym żelazem, rzecz jasna) jest węgiel. To przede wszystkim od jego procentowej zawartości zależy kowalność, twardość, kruchość i udarność (odporność na uderzenia), a więc cechy najistotniejsze dla materiału z którego ma być wykuta głownia. Stop miedzi z cynkiem czy z cyną może mieć dowolny skład, gdyż te dwa metale mieszają się w dowolnych proporcjach. Natomiast ilość węgla w stali ograniczona jest jego niewielką rozpuszczalnością w żelazie, w dodatku zmieniającą się w zależności od temperatury. Stopy miedzi możemy dodatkowo utwardzać w zasadzie tylko poprzez kucie na zimno, stopy żelaza utwardzać można zarówno podczas kucia na zimno (w niewielkim stopniu), jak i poprzez zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej - hartowanie. W temperaturach czerwonego żaru (800 - 900°C) i wyższych, węgiel stosunkowo łatwo rozpuszcza się w żelazie, dlatego w piecu hutniczym czy kowalskim może nastąpić tzw. nawęglenie stali. W takich temperaturach powstaje roztwór stały węgla w żelazie, zwany AUSTENITEM. Poniżej 727°C (wiśniowy kolor żaru) rozpuszczalność węgla gwałtownie spada (0,02% - 0,008 %), AUSTENIT przestaje istnieć, gdyż nadmiar węgla wytrąca się jako różne formy związku węgla z żelazem (węglik żelaza - CEMENTYT) zawieszonego w prawie czystym żelazie (FERRYT). Istniejące w temperaturach niższych od 727°C kryształy mieszaniny węglika żelaza (CEMENTYTU) i czystego żelaza (FERRYTU) mają większą twardość od czystego żelaza i od roztworu węgla w żelazie (istniejącego w temperaturach wyższych od 727°C AUSTENITU), ale mniejszą plastyczność. Jeśli jednak stal wysokowęglową ogrzejemy do temperatury czerwonego żaru 750 - 800°C (aby rozpuścić węgiel w żelazie - ponownie powstanie AUSTENIT) a następnie ostudzimy wystarczająco szybko, węgiel rozpuszczony w żelazie nie zdąży się wytrącić (nie powstanie węglik żelaza - CEMENTYT) i pozostanie w postaci roztworu przesyconego. Kryształy takiego roztworu stałego, zwanego MARTENZYTEM mają znaczną twardość, tym większą, im więcej węgla zawierają. Tak ogrzana i ostudzona stal nie jest już mieszaniną czystego żelaza i cementytu (FERRYT + CEMENTYT), ale czystego żelaza, niewielkiej ilości cementytu, oraz MARTENZYTU. Została więc wzbogacona o igłokształtne, bardzo twarde kryształy (MARTENZYT). Martenzyt przerasta miękkie kryształy żelaza (FERRYT) zawierającego dodatkowo nieliczne wtrącenia węglika żelaza (CEMENTYT).

SCHEMATYCZNE UJĘCIE PRZEMIAN .

SCHEMATYCZNE UJĘCIE PRZEMIAN

SCHEMATYCZNE UJĘCIE PRZEMIAN

T wardość zahartowanej w ten sposób stali uwarunkowana jest kilkoma czynnikami. Najważniejszymi z nich, są twardości samego MARTENZYTU i jego ilość. Twardość MARTENZYTU jest tym większa, im więcej węgla on zawiera i może ona osiągnąć wielkość rzędu 65-68 HRC przy maksymalnej możliwej dla stali zawartości węgla ~2%. Jednak ze wzrostem zawartości węgla w stali, maleje ilość MARTENZYTU na korzyść innych, bardziej miękkich struktur. Maksymalną twardość stali (będącą wypadkową twardości MARTENZYTU i pozostałych struktur) uzyskujemy przy całkowitej ilości węgla rzędu 0,7-1,0%, a dalszy wzrost zawartości węgla nie przynosi już wzrostu całkowitej twardości stali, a czasem nawet ją obniża. Ilość otrzymanego w wyniku hartowania MARTENZYTU zależy przede wszystkim od szybkości chłodzenia hartowanej stali. W miarę zwiększania tej szybkości, rośnie ilość MARTENZYTU, maleje tym samym ilość CEMENTYTU. Po przekroczeniu pewnej granicznej, charakterystycznej dla każdego gatunku stali szybkości chłodzenia, otrzymujemy praktycznie tylko MARTENZYT. Dalsze zwiększanie szybkości chłodzenia nie przynosi już wzrostu jego ilości, natomiast zwiększa ryzyko pęknięcia, na skutek dużych różnic temperatury warstw zewnętrznych i rdzenia hartowanego przedmiotu, oraz ryzyko jego powichrowania. Graniczna prędkość hartowania jest tym większa, im mniejsza jest zawartość węgla w stali. Wynika z tego reguła, że stale twarde, wysokowęglowe, powinno się studzić wolniej od stali miękkich, niskowęglowych, a więc do ich hartowania stosować olej czy ciepłą wodę, w odróżnieniu od stali nisko i średniowęglowych, które do hartowania wymagają raczej zimnej wody, roztworu soli kuchennej, a nawet wody z lodem.

SZYBKOŚĆ CHŁODZENIA W RÓŻNYCH OŚRODKACH

Twardość MARTENZYTU, będąca cechą pożądaną, wiąże się jednak z bardzo poważną jego wadą - kruchością i małą wytrzymałością na uderzenia. Do tego dochodzi jeszcze jedno niepożądane, związane z hartowaniem zjawisko - występowanie różnych wewnętrznych naprężeń, spowodowanych gwałtownym chłodzeniem. Aby zniwelować naprężenia wewnętrzne, jak i zmniejszyć kruchość stali i zwiększyć jej sprężystość i udarność, stosuje się zabieg zwany ODPUSZCZANIEM. Polega on na ogrzaniu zahartowanego przedmiotu do temperatur rzędu 100-600°C. W zależności od temperatury i czasu wygrzewania, pewna ilość MARTENZYTU przekształca się w CEMENTYT. Dzięki temu znacznie maleje wypadkowa kruchość stali, niestety - choć w mniejszym stopniu - maleje też jej twardość.

WSPÓŁCZESNE STALE WĘGLOWE Współcześnie mamy do czynienia prawie wyłącznie ze stalą, która otrzymywana jest na skalę przemysłową z surówki na drodze jej odwęglania. Cały proces technologiczny przebiega w fazie ciekłej, dzięki czemu można kontrolować jego przebieg oraz skład chemiczny otrzymywanego stopu. Uzyskana w taki sposób stal zawsze zawiera oprócz węgla i inne pierwiastki, które zostały wprowadzone specjalnie w procesie hutniczym w celu modyfikacji jej właściwości, bądź też pozostały jako zanieczyszczenia. Ze względu na zawartość węgla dzieli się stale na:

STALE NISKOWĘGLOWE (poniżej 0,25%C). Odznaczają się one miękkością i plastycznością. Łatwo się je kuje, stosunkowo łatwo się zgrzewają. Kuć można w temperaturze od czerwonego, do żółtego koloru żaru. Chwilowe przegrzanie (biały żar, gwałtowne iskrzenie) w większości przypadków nie pociąga za sobą przepalenia materiału. Hartowanie nie daje większych efektów ze względu na niską zawartość węgla. Pewne utwardzenie można osiągnąć po ogrzaniu do temperatury pomarańczowego żaru i ostudzeniu w zimnej wodzie, solance, wodzie z lodem, moczu (Mnich Teofil - Diversarum Artium Schedula ). W większości przypadków są to stale niższej jakości, a zawartość węgla waha się w dość dużych granicach. W związku z tym, odkuwki ze stali tego samego gatunku, ale pochodzące z różnych wytopów, mogą dawać skrajnie różne wyniki hartowania. Niektóre partie stali nie dają żadnego zauważalnego efektu, inne wyraźnie się utwardzają i można z nich (po dodatkowym przekuciu na zimno samego ostrza) otrzymać zaskakująco ostre, choć stosunkowo miękkie narzędzie. We współczesnym mieczownictwie stale te stosuje się najczęściej na ciągliwe rdzenie do głowni kutych warstwowo, składnik miękki dziweru wieloskładnikowego, oraz na elementy nie wymagające hartowania (jelec, głowica, nity, okucia). Przeważająca większość walcówki dostępnej w składach materiałów budowlanych w postaci prętów okrągłych i kwadratowych (nieżebrowanych !), bednarki, płaskowników i blach, produkowana jest właśnie ze stali niskowęglowej (stal St3, zawartość węgla do 0,22%). Ze stali niskowęglowej produkuje się też pręty zbrojeniowe ze stali żebrowanej, o żeberkach ułożonych "w spiralę". Jest to węglowa stal stopowa wyższej jakości, o symbolu 18G2A. Zawiera ona 0,18% węgla, oraz 1,3% manganu. Stal ta łatwo się zgrzewa w ognisku kowalskim a niektóre partie można nawet zahartować.

STALE ŚREDNIOWĘGLOWE (0,25 - 0,6%C) Stale te zdecydowanie trudniej się kuje, trudniej się też je zgrzewa. Kuć należy w temperaturze czerwonego żaru, do pomarańczowego lub pomarańczowożółtego. Ogrzewanie do temperatury żółtego żaru wymaga uwagi i wyczucia, gdyż łatwo je przegrzać i przepalić, łatwo też je w tak wysokiej temperaturze odwęglić. Ogrzanie do temperatury białego żaru dopuszczalne właściwie tylko przy zgrzewaniu, konieczne jest jednak duże doświadczenie, zwłaszcza w przypadku twardszych gatunków stali (St7; 55; 65; 65G). Z punktu widzenia płatnerstwa, przedział zawartości węgla od 0,25 do 0,6% jest dosyć niefortunny. Co prawda wszystkie stale średniowęglowe hartują się w mniejszym lub większym stopniu, ale do tej grupy należą zarówno gatunki stosunkowo miękkie, o zawartości węgla pozwalającej nie tyle na pełne hartowanie, ile na "podhartowanie", jak i gatunki o bardzo wysokiej twardości. Stale o niższej zawartości węgla stosowane są na rdzenie mieczów warstwowych, płazy, średniej jakości noże i głownie kute z jednego kawałka stali, oraz głownie nawęglane. Gatunki o większej zawartości węgla mają po zahartowaniu i odpuszczeniu twardość rzędu 55-61 HRC. Nadają się głównie na ostrza głowni warstwowych, dziwerowanych, bimetalicznych, oraz głownie hartowane selektywnie lub głownie niehartowane. Stale średniowęglowe wykorzystywane są też na składnik twardy dziweru wieloskładnikowego i na dziwer jednoskładnikowy, lufy i elementy zamka replik broni palnej, narzędzia o podwyższonej udarności (młotki, przebijaki itp.). Z najtwardszych gatunków wykonuje się sprężyny. Ogólnie dostępna jest w tej grupie właściwie tylko stal o symbolu 34GS (0,34%C; ~1,6%Mn). Produkuje się z niej zbrojeniowe pręty żebrowane, o żeberkach ułożonych "w jodełkę". Jest to w gruncie rzeczy bardzo dobra stal na wszelkiego rodzaju ostrza. Zwiększona zawartość manganu i (na szczęście dla płatnerzy) chyba niezbyt rygorystycznie przestrzegana norma składu chemicznego powodują, że można spotkać partie o doskonałej udarności i wysokiej twardości, które to właściwości często okazują się lepsze od analogicznych parametrów stali resorowej. Hartowanie z temperatury czerwonego żaru w oleju (na miękko, rzędu 50 ~ 55 HRC), w wodzie a nawet w solance (Do 58 ~ 60 HRC). Odpuszczanie do koloru barwy nalotowej od słomkowego po granatowy(!!!) i szybkie (!!!) studzenie w wodzie lub oleju. Odpuszczanie na błękitno - nawet szybko ostudzone - wyraźnie zmniejsza jej twardość. Zgrzewalna zarówno z bardziej miękkimi gatunkami, jak i sama ze sobą, choć łatwo się podczas zgrzewania odwęgla.

STALE ŚREDNIOWĘGLOWE (0,25 - 0,6%C) W składach specjalistycznych można też spotkać stal gatunku 45; 55; St5; oraz stal sprężynową (resorową) 50HSA (0,5%C; 1,0%Si; 0,4%Mn;1,1%Cr). Z tej ostatniej stali produkuje się większość mieczów wykonanych zarówno amatorsko, jak i przez zawodowych kowali. Nie powinno się jej hartować "na twardo", gdyż znaczny dodatek krzemu zwiększa co prawda jej sprężystość przy średnich twardościach, ale jednocześnie wyraźnie obniża (przy twardościach rzędu 58 ~ 62 HRC) udarność tej stali , a więc odporność na uderzenia. Poza wyjątkowymi przypadkami nie wolno do jej hartowania używać silnych środków chłodzących (solanka, zimna a nawet ciepła woda), gdyż staje się wybitnie krucha i nieodporna na uderzenia, bardzo łatwo pęka już podczas samego hartowania. Po zahartowaniu w oleju (z temperatury czerwonego, ciemnoczerwonego żaru) i głębokim odpuszczeniu (450-550°C) pozostaje sprężysta i odporna na uderzenia, a stosunkowo miękkie ostrza ładnie się "zbijają". Ciężka w obróbce na gorąco i na zimno, łatwo się przepala podczas kucia. Bardzo trudna do zgrzewania ogniowego, a właściwie prawie się mu nie poddająca.

STALE WYSOKOWĘGLOWE (0,6 - 2,11%C) Najtwardsze gatunki stali mają do 2,11% węgla, ale stosuje się je wyjątkowo, praktycznie tylko na narzędzia wymagające największej twardości, których kruchość i sprężystość nie ma większego znaczenia (stale narzędziowe NC11; NCWV). W większości przypadków twarde gatunki stali konstrukcyjnych i sprężynowych mają poniżej 1%C. Ze względu na dużą zawartość węgla kuje się je bardzo trudno, są mało plastyczne nawet w temperaturach rzędu 1000°C (żółtego żaru), a silniejsze ogrzanie z reguły kończy się gwałtownym przepaleniem i bezpowrotnym zniszczeniem odkuwki. Stosowane na ostrza głowni zgrzewanych najwyższej jakości, na dziwer jednoskładnikowy i jako składnik twardy dziweru wieloskładnikowego, sprężyny, elementy broni palnej (krzesiwa w zamkach skałkowych, orzechy, zęby mechanizmów spustowych). Materiał prawie nie do zdobycia w handlu detalicznym, dlatego najczęściej pozyskiwany z zużytych narzędzi (np. pilniki ~1,2%C). Ponieważ tylko nieliczni producenci oznaczają gatunek stali na swoich wyrobach, taki odzysk jest dość ryzykowny, choć w większości przypadków jedyny możliwy w praktyce. W specjalistycznych hurtowniach spotyka się najczęściej tylko stal sprężynową 65G (o zwiększonej zawartości manganu), oraz gatunki stali narzędziowej stopowej NC6; NC10; NC11.

OBRÓBKA CIEPLNA STALI Przez obróbkę cieplna należy rozumieć procesy, które mają na celu zmianę właściwości użytkowych materiału obrabianego (w naszym przypadku własnością jest twardość a dokładnie zwiększenie twardości, a materiałem jest głównie stal). Należy przy tym pamiętać, że wysoka twardość nie zawsze idzie w parze z użytecznością ponieważ wraz ze wzrostem twardości rośnie kruchość ( tak więc ostrze będzie bardziej kruche ), oczywiście są wyjątki ale one kosztują.

PODSTAWOWE POJĘCIA: nagrzewanie - podnoszenie temperatury, wygrzewanie utrzymanie temperatury na stałym poziomie, grzanie - nagrzewanie z wygrzewaniem podgrzewanie - nagrzewanie do temperatury pośredniej, dogrzewanie - nagrzewanie do temperatury końcowej, chłodzenie - ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury, studzenie - powolne chłodzenie (w piecu, na powietrzu), oziębianie - szybkie chłodzenie (w wodzie, oleju) wymrażanie - chłodzenie i wytrzymanie materiału po niżej 0°C, austenityzowanie - grzanie mające na celu otrzymanie struktury austenitycznej, rozpuszczanie - grzanie mające na celu rozpuszczenie wydzieleń i otrzymanie jednorodnego roztworu stałego.

Do procesów obróbki cieplnej zaliczamy: - wyżarzanie - hartowanie - odpuszczanie

Wyżarzanie Wpólną cechą operacji wyżarzania jest doprowadzenie stopu (w mniejszym lub większym stopniu ) do stanu równowagi termodynamicznej Wyróżniamy następujące odmiany wyżarzania: wyżarzanie ujednoradniające (homogenizujące) - celem jest wyrównanie składu chemicznego przez dyfuzję wyżarzanie normalizujące - celem jest rozdrobnienie ziarna i ujednorodnienie struktury zwłaszcza usunięcie siatki wydzieleń na granicach ziarn wyżarzanie zupełne - celem jest wytworzenie struktury zbliżonej do stanu równowagi, zmniejszenie twardości i naprężeń wewnętrznych oraz zwiększenie ciągliwości. wyżarzanie niezupełne - cel jest analogiczny jak przy wyżarzaniu zupełnym, z tym że w tym przypadku ulega przekrystalizowaniu tylko perlit. wyżarzanie izotermiczne - celem jest zmniejszenie twardości stali (zwykle przed obróbka skrawaniem) wyżarzanie perlityczne - w wyniku perlityzowania uzyskuje się rozdrobnienie ziarna austenitu, a to zwiększa dyspersję martenzytu i poprawia własności. wyżarzanie sferoidyzujące (zwane także zmiękczaniem) - celem jest zmniejszenie twardości i polepszenie skrawalności wyżarzanie rekrystalizujące - celem jest usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie plastyczności stali wyżarzanie odprężające - celem jest zmniejszenie naprężeń wewnętrznych.

Hartowanie W przeciwieństwie do operacji wyżarzania hartowanie, zwłaszcza martenzytyczne, prowadzi do powstania struktury odbiegającej od stanu równowagi termodynamicznej. Celem obróbki jest zwiększenie twardości materiału, skutkiem czego jest obniżenie ciągliwości. Wszystkie rodzaje hartowania muszą być poprzedzone procesem austenityzowania. Wyróżniamy następujące odmiany hartowania: hartowanie zwykłe - celem jest uzyskanie struktury martenzytycznej. Po austenityzowaniu następuje szybkie oziebienie. W przypadku stali węglowych stosuje się zazwyczaj wodę, a dla stali stopowych łagodniejsze środki chłodzące (zwykle olej). hartowanie przerwane - jeśli przy chłodzeniu w wodzie elementy pękają lub paczą się, można stosować oziębianie w dwóch ośrodkach: najpierw w wodzie (do temperatury ciemno - czerwonego żaru), a następnie w oleju. Taka obróbka zmniejsza naprężenia, zachowując wysoka twardość wyrobu. hartowanie stopniowe - jest to hartowanie martenzytyczne. Polega na oziębianiu stali w kąpieli (solnej lub metalowej) o temperaturze wyższej od początku przemiany martenzytycznej i wytrzymaniu, aż do wyrównania temperatur na przekroju elementu, ale nie dopuszczając do rozpoczęcia się przemiany dyfuzyjnej (bainitycznej). Dalsze chłodzenie może następować na powietrzu. Celem obróbki jest zmniejszenie naprężeń wewnętrznych przy zachowaniu wysokiej twardości. hartowanie izotermiczne - celem obróbki jest uzyskanie struktury bainitycznej. Przeprowadzamy ją podobnie jak w przypadku hartowania stopniowego, z tym że czas wytrzymania w kąpieli izotermicznej powiększa się aż zajdzie przemiana bainityczna, po czym dalsze chłodzenie może następować na powietrzu. hartowanie powierzchniowe - jest rodzajem obróbki powierzchniowej polegającej na wytworzeniu struktury martenzytycznej jedynie w cienkiej strefie przypowierzchniowej. W wyniku tego uzyskujemy korzystną kombinację własności: twardą powierzchnię, odporną na ścieranie i zmęczenie oraz ciągliwy rdzeń.

Odpuszczanie Odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanej stali do temperatury niżej od A 1 , wygrzaniu w tej temperaturze i następnym chłodzeniu na powietrzu, w wodzie lub oleju. Odpuszczanie stali ma na celu usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmniejszeniu kruchości materiału. Przy tym zazwyczaj zmniejsza się twardość i wytrzymałość na rozciąganie, natomiast wzrasta wydłużenie i odporność na uderzenia. Po nagrzaniu zahartowanej stali do temperatury odpuszczania następuje rozpad martenzytu polegający na wydzieleniu się węgla w postaci bardzo drobnych kryształków cementytu; ze wzrostem temperatury kryształy te łączą się . W ten sposób w niskich temperaturach odpuszczania tworzy się troostyt a w wyższych - sorbit, różniące się od siebie właśnie wielkością kryształków cementytu. Podwyższanie temperatury do A 1 i następnie powolne chłodzenie powoduje uformowanie się perlitu tzn. powrót stali do stanu istniejącego przed hartowaniem. Szybkość nagrzewania do odpuszczania nie powinna być wielka, ponieważ szybkie nagrzewanie może spowodować pęknięcia zwłaszcza stali o większej zawartości węgla. Temperatura odpuszczania zależy na ogół od celu odpuszczania i od rodzaju stali. Należy odróżnić 3 zakresy temperatur odpuszczania: niski, średni i wysoki.

RODZAJE ODPUSZCZANIA Opuszczanie niskie - ma na celu usunięcie naprężeń hartowniczych przy zachowaniu wysokiej twardości, odbywa się w temperaturze 150 - 250oC. W temperaturach tych są odpuszczane narzędzia i sprawdziany ze stali węglowych i niskostopowych przedmioty nawęglone (po hartowaniu) oraz hartowane powierzchniowo i stopniowo. Temperatury te są zbyt niskie, aby mogły spowodować całkowity rozpad martenzytu; struktura stali po niskim odpuszczaniu składa się z martenzytu odpuszczonego (troostytu). Odpuszczania średnie - stosuje się do uzyskania dużej wytrzymałości i sprężystości przy zmniejszeniu kruchości stali. Wykonuje się je w temp. od 250 do 500oC. W tym zakresie temperatur są odpuszczane sprężyny, narzędzia, pracujące uderzeniowo, matryce oraz te części maszyn, które powinny mieć wysoką twardość przy stosunkowo wysokiej udarności. W wymienionym zakresie temperatur następuje mniej lub więcej posunięty rozpad martenzytu, który w pobliżu temp. 500oC rozpada się się na sorbit. Odpuszczanie wysokie - ma na celu uzyskanie możliwie dużej udarności i ciągliwości przy dostatecznie dużej wytrzymałości na rozciąganie i sprężystości. odpuszczanie stali konstrukcyjnych odbywa się w temperaturze 500 - 600oC. Stal po wysokim odpuszczaniu posiada strukturę sorbityczną. Odpuszczanie stali szybkotnących (np. SW7M, SW18) i wysokostopowych odbywa się w zakresie temperatur od 500 do 600oC i oprócz usunięcia naprężeń hartowniczych ma na celu przemianę austenitu szczątkowego w martenzyt. Przemiana ta jest związana ze wzrostem twardości po odpuszczaniu i ze wzrostem odporności na zużycie. Dlatego też odpowiednio zahartowana stal szybkotnąca nie tylko nie traci twardości po odpuszczaniu, lecz staje się jeszcze twardsza.

CZAS WYGRZEWANIA PRZY ODPUSZCZANIU powinien być możliwie długi. Dla niskiego odpuszczania wynosi co najmniej 2 godziny; dla średniego i wysokiego można przyjąć: 1 godzinę dla przedmiotów drobnych (małe nożyki o nie dużej grubości); 1,5 do 2 godzin dla przedmiotów średniej wielkości (większe noże, maczety o większej grubości, siekiery i toporki) i 2 do 4 godzin dal przedmiotów większych (raczej nie będziemy stosowali).

DOBÓR PARAMETRÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ Jeśli chodzi o wyżarzanie i odpuszczanie sprawa jest prosta parametry obróbki zależą od tego co chcemy uzyskać ( wyjątkiem są stale szybkotnące i wysokostopowe ale to zostało opisane już wcześniej ). Schody zaczynają się podczas hartowania tu oprócz tego co chcemy uzyskać do chodzi skład chemiczny, który jest dla każdej stali inny i inne będą parametry hartowania. Dobór parametrów hartowania opera się na wykresach CTPc ( czas, temperatura, przemiana dla chłodzenia ciągłego) i CTPi (czas, temperatura, przemiana dla przemiany izotermicznej). Skupie się na doborze parametrów przy użyciu wykresów CTPc ponieważ obróbka w taki sposób jest łatwiejsza, natomiast obróbka według parametrów z wykresu CTPi wymaga specjalistycznego sprzętu, który umożliwi utrzymanie stałej temperatury.. Zaczynając od początku po dokonaniu wyboru stali bierzemy wykres CTPc dla niej i określamy szybkość z jaką musimy chłodzić stal w celu uzyskania interesujących nas parametrów (w naszym przypadku są to twardość, kruchość, sprężystość).

Przykład doboru parametrów chłodzenia dla stali