В этой статье я немного расскажу о нержавеющей стали и о том, что и как из неё можно сделать.
А так же почему кованые изделия из нержавеющей стали такая редкость.
Сначала пара слов о том, что такое нержавеющая сталь и почему она не ржавеет.
Нержавеющая сталь — это легированная сталь с высоким содержанием хрома от 10,5% и выше, различные марки нержавеющей стали содержат также кремний, азот, титан, алюминий, селен, серу, медь, никель, ниобий и молибден. Именно хром делает нержавеющую сталь нержавеющей, поскольку хром создает на поверхности нержавеющего сплава оксидную пленку, которая и препятствует коррозионным процессам. Другие легирующие элементы, такие как титан, молибден, ниобий, кобальт и др., позволяют создавать различные марки нержавеющей стали, отличающиеся друг от друга своими свойствами, а соответственно и назначением.
Нержавеющие сплавы отличаются от обычной конструкционной стали, помимо высокой коррозионной стойкости ещё и повышенной прочностью и жесткостью, что является не только несомненным плюсом при их эксплуатации, но и существенно усложняет процесс работы с такими сплавами. В частности из-за узкого интервала ковочных температур крайне осложняется процесс ковки таких сплавов. Высокое содержание легирующих элементов существенно повышает жесткость и снижает пластичность металла, что существенно затрудняет процессы дифовки и гибки. Всё это приводит к тому, что с нержавеющей сталью намного сложнее работать, чем с обычной конструкционной сталью.
В силу выше перечисленных причин, нержавеющая сталь довольно редко используется как материал для каких-либо творческих работ требующих высокой пластики. Поэтому в основном это прямолинейные изделия, имеющие в лучшем случае дуги, загнутые по фиксированному радиусу. Как правило, это различные ёмкости, стойки, ограждения и мебель с простыми аскетичными линиями как на фото ниже.
Однако несмотря на сложность обработки, из нержавеющей стали всё-таки можно создавать вещи не ограничиваясь исключительно простыми и лаконичными линиями.
Ковка отлично позволяет раскрыть пластику даже такого сложного в обработке металла как нержавеющая сталь.
Разогретый до ковочной температуры металл становится пластичен и под ударами молота может принимать различные формы, ограниченные только фантазией мастера, ну и законами физики разумеется )).
Ковка даёт возможность изготавливать изделия со сложным профилем, позволяет органично менять сечение заготовки, перетекая с круга в квадрат и обратно, плавно утоньшать заготовку чтобы завить её в изящную спираль или придать ей любую иную форму в соответствии с художественным замыслом автора.
Все изделия и детали изображенные на последующих фото разработаны и изготовлены в моей мастерской
/На фото кованые элементы опоры питьевого фонтана из нержавеющей стали «Солнечные часы»/
/На фото кованые элементы лозы для питьевого фонтана из нержавеющей стали «Каскад»/
/На фото кованые листья и детали для питьевого фонтана из нержавеющей стали «Модерн»/
Помимо ковки используется также и дифовка.
Дифовка это ключевая операция при работе с листовой сталью, выполняется в основном без нагрева с периодическим отжигом и нормализацией. Благодаря дифовке листовым заготовкам придаётся объём. Разгоняя молотком металл заготовки в нужном направлении, ей можно придать форму чаши, лепестка цветка или лебединого крыла, в соответствии с замыслом автора.
/На фото лебедь из нержавеющей стали к питьевому фонтану «Лебеди»/
/На фото чаша из нержавеющей стали к питьевому фонтану «Модерн»/
/На фото питьевой фонтан из нержавеющей стали «Лебеди»/
Сборка
Откованные детали и элементы будущего изделия собираются в единое целое при помощи TIG сварки.
TIG сварка (Tungsten Inert Gas) – это ручная дуговая сварка металла неплавящимся электродом (вольфрам) в среде инертных газов (аргон).
Непосредственно сам процесс сборки изделия это в основном слесарные и сварочные операции.
/На фото процесс сборки дракона из нержавеющей стали европейского типа/
/На фото процесс сборки дракона из нержавеющей стали азиатского типа/
Финишная отделка.
В основном известны два вида финишной отделки нержавеющей стали. Это полировка и матирование. Но эти два варианта не единственные возможные, так же можно использовать цвета побежалости и патинирование. Думаю что такое полировка, матирование и патинирование в принципе понятно, а вот про цвета побежалости следует пару слов сказать.
При нагреве поверхность металла начинает окислятся, вследствие чего на ней появляется тонкая оксидная плёнка. Цвет этой плёнки зависит от её толщины. Этот цвет и называется цветом побежалости. Цвета побежалости у нержавеющей стали следующие: при температуре 300°C – светло соломенный, 400°C – соломенный, 500°C – красно коричневый, 600°C – фиолетово синий, 700°C – синий, свыше 700°C – при остывании серый.
/На фото полированный питьевой фонтан из нержавеющей стали «Модерн»/
/На фото матированный питьевой фонтан из нержавеющей стали «Лилия»/
/На фото крылья дракона покрыты цветами побежалости, а тело медной патиной/
/На фото комбинированное покрытие китайского дракона, цвета побежалости с патиной/
А теперь ещё немного букв о том почему же кованые изделия из нержавеющей стали довольно редко встречаются. И основная причина отнюдь не в том что нержавеющая сталь стоит несколько дороже обычной конструкционной стали, а в сложности работы с этим материалом.
В начале статьи я указал основные недостатки нержавеющей стали, осложняющие работу с ней. Я не буду сильно углубляться в эту тему, а пройду по поверхности задев только два основных аспекта, но они дадут общее представление о проблематике (сложности) процесса.
Но сначала несколько слов о том что же такое ковка.
Энциклопедический словарь Брокгауза даёт такое определение: «Ковка Кованием или К. называется такая механическая обработка, посредством которой тягучий металл в нагретом состоянии уплотняется, сращивается, или получает желаемую форму. Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — 1890-1907.»
Википедия же даёт несколько иное, более обобщенное определение: «Ко́вка — как правило, высокотемпературная обработка давлением различных металлов, нагретых до ковочной температуры.»
Я же предпочитаю ещё более лаконичное определение: «Ковка – это пластическая деформация металла в нагретом состоянии»
Хотя не следует забывать что в кузнечном ремесле существуют операции выполняемые без нагрева.
Именно ковка позволяет создавать изящные и пластичные изделия из нержавеющей стали, но это довольно сложный процесс и одну из основных причин осложняющих его я уже упоминал ранее, это узкий интервал ковочных температур для нержавеющей стали.
Свободная пластическая деформация металла без разрушения его структуры возможна только при нагреве металла до ковочной температуры. Эта температура имеет верхнюю и нижнюю границы. Например у металлов с низким содержанием углерода типа конструкционных сталей температура ковки начинается от 1250оС и заканчивается на 600оС, следовательно интервал ковочной температуры от верхней до нижней границы составляет 650оС. Это значит что пока металл остывает от верхней границы до нижней границы его можно спокойно подвергать различным пластическим деформациям.
Но чем больше металл содержит углерода и других легирующих элементов, тем уже становится интервал ковочной температуры. А поскольку нержавеющая сталь является высоколегированной сталью, то её интервал ковочной температуры составляет всего 250оС.
-А что же случится, если выйти за пределы этого интервала?
-Поковка будет безнадёжно испорчена.
Все металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение, то есть состоят из отдельных плотно сросшихся друг с другом зёрен, между которыми располагаются в виде тонких прослоек не металлические вкрапления различных оксидов, карбидов и других соединений. Размеры зерна составляют 0,01-0,2мм и оно тоже имеет кристаллическое строение. При ковке деформация металла происходит вследствие скольжения зёрен относительно друг друга, потому что прочность зёрен выше чем связь между ними. Чем сильнее нагрета сталь, тем больше она стремится кристаллизироваться, из-за чего уменьшается связь между её кристаллами (зёрнами) и они могут разъединяться даже от одного удара молота. Вследствие чего если превысить верхнюю границу интервала ковочных температур конкретной стали, заготовка может получить надрыв, трещины, а иногда и просто разваливается на куски или обламывается под своим весом.
Если же продолжить попытки пластической деформации металла после того как температура заготовки опустится ниже нижней границы ковочной температуры, то сталь просто не будет подаваться деформации, а если приложить к ней избыточное усилие, то структура стали так же может быть нарушена разрывами и трещинами.
Но мало того что интервал ковочных температур у нержавеющей стали более чем в два раза меньше чем у обычных низколегированных сталей, так ещё и количество нагревов для высоколегированной стали желательно свести к минимуму. Поскольку при нагреве свыше 600°С сталь и её легирующие элементы вступают в реакцию с атмосферными газами, а именно кислородом и его соединениями. При этом происходит взаимодействие окружающих нагреваемую сталь газов с железом, углеродом и легирующими элементами, которое приводит к окислению и обезуглероживанию её поверхности, что вызывает образование окалины и негативно сказывается на качестве стали.
Таким образом, нержавеющие стали в процессе ковки требуют быстрой и чёткой работы, а так же не прощают допущенных ошибок.
/Фото кованых деталей и элементов из нержавеющей стали/
Одна из ключевых операций при работе с листовым металлом это дифовка. Дифовка позволяет формировать из листового металла различные объёмный формы. В основном дифовка выполняется на холодную, без нагрева, поэтому для дифовки желательно использовать относительно мягкие металлы и сплавы, а мы помним что нержавеющие стали отличаются повышенной жесткостью.
Базовый приём дифовки выглядит так: на наковальню укладывается листовая заготовка, по этой заготовке наносится удар молотком со сферическим бойком. В точке удара лист становится чуть тоньше, а излишки металла раздвигаются в стороны, что приводит к деформации листовой заготовки, она слегка выгибается. Деформации от одного такого удара крайне незначительны, поэтому необходимо нанести десятки и сотни четких и точных ударов, разгоняя металл в нужные стороны и придавая ему задуманную форму.
В процессе дифовки меняется структура металла, формируется нагартовка (наклёп). При холодной пластической деформации величина которой превышает предел текучести металла, в его внутренней структуре возникают напряжения, в частности искажается конфигурация кристаллической решетки, а пространственное положение кристаллов, которые ориентированы беспорядочно, упорядочивается. Это приводит к тому что оси кристаллов в которых они обладают максимальной прочностью, располагаются вдоль направления деформирования. Вследствие чего повышается твердость и прочность металла, а его пластичность снижается. И чтобы деформировать такой металл повторно, необходимо приложить значительно большие усилия, в результате которых велик риск разрушения структуры металла (образование трещин и разрывов). А поскольку нержавеющие стали отличаются повышенной прочностью и жесткостью, то после совсем не продолжительной дифовки, возникает нагартовка, которая делает практически не возможным дальнейшую пластическую деформацию заготовки.
(Кстати, существует ошибочное мнение что нагартовка (наклёп), приводит к уплотнению металла. Однако плотность металла – это физическая величина которая зависит исключительно от массы составляющих вещество атомов и средних межатомных расстояний)
Но естественно существует способ нейтрализации нагартовки, это отжиг и нормализация. Отжиг это нагрев заготовки до температуры примерно на 100°C превышающей температуру рекристаллизации металла, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение. Вследствие процесса рекристаллизации происходит улучшение микроструктуры и однородности металла, снятие внутренних напряжений и, как следствие, снижение твёрдости и улучшение пластичности металла.
После чего заготовку снова подвергают дифовке и цикл повторяется. О негативном влиянии высоких температур я уже упоминал выше, поэтому количество циклов желательно свести к минимуму.
Но не стоит забывать что дифовка ключевая, но далеко не единственная операция позволяющая придать объём листовой заготовке. Существует большое количество различных кузнечных операций позволяющих не только разгонять, но и вытягивать, загибать, сворачивать, высаживать листовые заготовки придавая им различные формы и объём. Для чего используется большой арсенал специального инструмента и приспособлений, как то различные желобильни, шпераки, ручники с головками различных форм и радиусов.
Таким образом не смотря на сложности в работе, нержавеющая сталь всё таки позволяет создавать различные изделия с не простой пластикой.
В этой статье я лишь слегка коснулся темы работы с нержавеющей сталью в кузнице и только в общих чертах обозначил возможности и сложности этой работы. Но думаю, я всё-таки дал достаточно информации, чтобы у незнакомого с ковкой человека возникло примерное понимание этих процессов.
Спасибо что дочитали до конца, надеюсь получилось интересно и познавательно ))