Kovanje

Kovanje je obrada materijala bez odvajanja čestica, kod koje se promjena oblika i dimenzija vrši udarcima čekića ili bata po otkivku, koji je položen na nakovanj. Obrada je češće u toplom stanju, ali može biti i u hladnom stanju. Prema načinu na koji se obavlja preoblikovanje postoji ručno kovanje i strojno kovanje.

Ručno kovanje je postupak preoblikovanja materijala udarcima kovačkog čekića po otkivku. Otkivak se zagrije u kovačkoj vatri do bijelog sjaja. Kovačkim klještima se vadi iz vatre i polaže na nakovanj. Otkivak polako mijenja oblik i dimenzije pod udarcima čekića. Točnost dimenzija, oblika, kvaliteta proizvoda i količina ovise isključivo o preciznosti i iskustvu kovača.

Strojno kovanje je moderniji način kovanja, koji omogućava kovanje od najmanjih otkivaka do izuzetno velikih (do 580 tona). Dimenzije otkivka ovise samo o veličini stroja. Postupak može biti u toplom i hladnom stanju. Za kovanje u toplom stanju, u postupku proizvodnje potrebne su i kovačke peći. Ručno ili strojno kovanje može biti:

• slobodno kovanje ili
• kovanje u ukovnjima (kalupima).

Tehnologija kovanja je jedan od najstarijih i najraširenijih postupaka obrade metala deformiranjem. U sklopu složenog metalurškog procesa dobivanja bakra, odnosno bronce iz malahita, njegovim taljenjem u naročitim pećima, čovjek je usput upoznao i željezo. Malahitu bi se, naime, kao taljivo dodavala i željezna ruda. Osim što bi potpomagala redukciju malahita, ona bi na sebe vezivala raznorazne nepoželjne čestice pijeska koje su bile sastavni dio malahita. Po završetku taljenja obrazovala bi se troska, koju je, nakon što bi se talina ohladila, bilo lako odvojiti od bakra. Ta je troska sadržavala komade željeza, koje je, međutim, bilo vrlo porozno, nalik na spužvu, po čemu je i nazvano spužvasto željezo. Pod udarcima čekića ponovno zagrijanog spužvastog željeza ostatak bi troske otpao, a željezo postalo kompaktnije. Tako bi se dobilo skoro čisto željezo, koje danas nazivamo kovanim željezom. Željezo u čistom stanju, međutim, mekše je od bronce, a k tome u dodiru s vlažnim zrakom brzo oksidira, tj. hrđa. Stoga drevim metalurzima nije ni moglo biti naročito zanimljivo – sve dok nije izumljen način da se dobije tzv. „dobro željezo“. ^[1]

„Dobro željezo“ proizvodilo se ponavljanjem nekoliko ciklusa koji su se sastojali od zagrijavanja komada spužvastog željeza na temperaturu od oko 1200 °C, da bi omekšalo, a zatim udaranja čekićem, da bi se uklonila troska, a željezo sabilo. Zagrijavanje se obavljalo u posebnim pećima na drveni ugljen. Tom je prilikom željezo dolazilo u doticaj s ugljikovim monoksidom, kao produktom nepotpunog izgaranja drvenog uglja. To je pak pogodovalo difuziji ugljika u površinski sloj željeza. Kao rezultat nastajala bi slitina željeza i ugljika (čelik) bitno tvrđa i od bronce, čak i ako bi udio ugljika bio svega 0,5%. Pronađen je, dakle, čelik. Njegova su se mehanička svojstva također mogla poboljšati plastičnom deformacijom. Povrh toga, ljudi su već u ono doba morali primijetiti da se pougljičenjem ograničenim samo na površinski sloj, npr. oštrice mača ili vrška alata, postiže vrlo povoljna kombinacija visoke površinske tvrdoće s dobrom duktilošću (žilavost) unutrašnjosti, jezgre, izratka. Opisana metoda selektivnog pougljičavanja u biti odgovara suvremenom postupku cementiranja. Uloga ugljika u promjeni svojstava željeza, odnosno čelika, onodobnim metalurzima naravno nije bila poznata. Znanje i vještina izrade dobrog oružja ili alata stjecali su se iskustvom. ^[2]

Slobodno kovanje je ona vrsta kovanja kod kojeg se dobivanje željenog oblika obavlja bez korištenja posebnog alata ili pomoću vrlo jednostavnih alata, tako da je tečenje metala u toku deformacijskog postupka slobodno i bez ograničenja, okomito na pravac djelovanja deformacijske sile kovanja. Osnovne vrste slobodnog kovanja su: ^[3]

• sabijanje
• iskivanje i raskivanje
• zasjecanje
• probijanje
• savijanje

Sabijanje je postupak slobodnog kovanja kod kojeg se visina otkivka smanjuje, a povećava baza. Uvjet je da omjer visine h i promjera baze d ne bude veći od 3 ( h <= 3d ), da ne bi došlo do izvijanja. ^[4]

Iskivanje i raskivanje je smanjenje poprečnog presjeka u svrhu promjene duljine ili povećanje promjera i smanjenje debljine stijenke prstena. Slobodno kovanje bez kalupa ili raskivanje prstenova počinje sa najmanjim promjerom i najvećom debljinom stijenke, te se nastavlja do postizanja potrebnog povećanog promjera, sa znatno manjom debljinom stijenke.

Zasjecanje je izrada prizmatičnih utora u otkivku radi daljnjeg lakšeg odvajanja materijala.

Probijanje kod kovanja je izrada rupe bilo kakvog oblika u otkivku.

Savijanje je kod slobodnog kovanja najčešće primjenjeni postupak izrade otkivaka za velikoserijsku i masovnu proizvodnju.

Postupak kovanja u ukovnjima sastoji se u nekoliko koraka. Otkivak se najprije zagrije na potrebnu temperaturu, zatim se postavi u ukovanj. Nakon udaranja bata kovačkog stroja, materijal se preoblikuje prema kalupnoj šupljini. Potrebno je točno odrediti obujam sirovca, kako ne bi došlo do pojave neispunjenja ukovnja. Ako postoji višak materijala, on se „prelije“ u slobodni prostor oko kalupne šupljine i nastaje srh koji se kasnije odvaja, ali osigurava potpuno ispunjenje šupljine ukovnja.

Kovanje u ukovnjima se dijeli na:

• jednofazne ukovnje, gdje se sirovac stavlja u ukovanj, bat udara, te otkivak poprima završni izgled. To se koristi za jednostavnije otkivke, za čiju je izradu dovoljan jedan korak.
• višefazne ukovnje, gdje sirovac mijenja dva ili više ukovnja, kako bi poprimio završni izgled. Otkivci su složeni i zahtjeva se povećana točnost.

U osnovi se strojevi za kovanje dijele na:

• batove
• preše
• vodoravne kovačke preše

Batovi i preše se razlikuju u kinematici alata. Dok batovi udaraju o otkivak ili ukovanj velikom brzinom i mijenjaju oblik udarcima, dotle preše postepeno tlače otkivke (otpreske) ili ukovnje. Koji stroj će se upotrijebiti ovisi o svojstvima materijala, koji se obrađuje. Neki materijali podnose nagle promjene i brze udarce, dok drugi materijali pri takvoj obradi pucaju i nisu za daljnje korištenje. Ti materijali se moraju postepeno preoblikovati i podobni su za obradu prešama.

Prema izvedbi batovi mogu biti:

• mehanički:

• perni bat, polužni bat;
• bat na dasku, lanac ili remen.

• pneumatski:

• jednoradni pneumatski bat;
• dvoradni pneumatski bat;
• protuudarni pneumatski bat.

Prese mogu biti:

• mehaničke:
• tarne (frikcijske)
• koljenaste (ekscentar)
• hidrauličke

U današnje vrijeme pojavljuju se nove kombinacije batova i preša, npr elektro-hidraulički bat, visoko precizne preše itd.

Vanjske sile koje djeluju na neko tijelo mijenjaju dimenzije i oblik tog tijela. Promjena oblika može biti elastična ili plastična tj. promjene se sastoje od povratnih ili elastičnih deformacija i nepovratnih ili plastičnih deformacija. ^[5]

Kod elastične promjene oblika, po prestanku djalovanja vanjske sile, obradak se vraća u prvobitan oblik; u tijelu su se pojavile elastične deformacije, koje nestaju prestankom uzroka deformiranja.

Plastične deformacije uzrokuju promjenu izgleda obratka. Sile su tako velike da prelaze izdržljivost materijala (granica razvlačenja ili granica tečenja materijala) i sirovac se počinje mijenjati. Materijal pod djelovanjem velike sile počinje „teći“ i dolazi do promjene oblika. Promjene oblika i dimenzija povezane su u mikrostrukturi materijala s promjenom kristalnog zrna i kristalnih rešetaka, te zbog toga i promjena mehaničko fizičkih svojstava materijala. Sve te promjene ovise o:

• stupnju deformacije
• brzini deformacije
• temperaturi

Slobodno kovanje na temperaturama bližim gornjoj granici temperaturnog područja kovanja, s manjim stupnjem deformacije, ima kao posljedicu pogrubljenje zrna (kristalna zrna se povećavaju). Zbog toga je poželjno kovanje obaviti s većim stupnjem deformacije, kako bi se dobila sitnija kristalna zrna i bolja mehanička svojstva otkovka.

Ako je šipka ili štap od nekog elastičnog materijala, onda i nju možemo promatrati kao oprugu. Šipka ima duljinu L i poprečni presjek A. Ako šipku razvlačimo s nekom silom F, onda u njoj nastaje naprezanje σ, koje se opire vanjskoj sili. Tada Hookeov zakon možemo pisati u obliku: ^[6]

${\displaystyle \sigma =E\varepsilon }$

ili

${\displaystyle \Delta L={\frac {F}{EA}}L={\frac {\sigma }{E}}L.}$

gdje je: σ – naprezanje u šipki ili štapu (N/mm²), E – Youngov modul elastičnosti (N/mm²), ε – omjer produljenja (stupanj deformacije) šipke ili štapa i njene duljine (bez dimenzije ili ΔL / L), L – duljina štapa, ΔL - produljenje šipke ili štapa (mm), F – sila koja produljuje šipku ili štap (N), A – poprečni presjek šipke ili štapa (mm²) ^[7]

Hookeov zakon vrijedi samo u određenom području nekog materijala, koje se naziva elastično područje. Za čelik je elastično područje sve do granice razvlačenja ili gdje ta granica nije jasno određena, do granice plastičnosti koja je određena onim naprezanjem pri kojem nastaje trajno produljenje od 0,2% prvobitne dužine šipke ili štapa. Ovo naprezanje nosi oznaku σ_0,2. ^[8]

Povećanjem sile naprezanje σ raste, deformacija ε se povećava i rezultat toga je očvršćenje materijala. To se dešava do σ_M, granice vlačne čvrstoće, odnosno to je naprezanje pri maksimalnoj sili. Tada se naglo počinje uzorak materijala produljivati i smanjivati presjek. Maksimalna sila pada, a naprezanje raste dok ne dođe do loma materijala.

Brzina deformacije je važna veličina koja utječe na obradu materijala prilikom plastične deformacije (kovanja). Povećanjem brzine deformacije, kod hladne deformacije, dolazi do očvršćenja materijala. Posljedica toga je povećanje naprezanja kod tečenja materijala, veliki otpor deformiranju, te smanjenje deformabilnosti.

φ = Δε / Δτ = V_al / h

gdje je: φ – brzina deformacije, e - stupanj deformacije, τ - vremenski period, V_al – brzina alata, h – visina (duljina) obratka.

Kovanje čelika uvijek započinje na višoj temperaturi, a završava na nižoj. Zbog tehnoloških razloga poželjna je što veća širina temperaturnog područja kovanja. Kod širokog temperaturnog područja kovanja uvijek je moguće, u određenom vremenu, obaviti više kovačkih operacija. Kod kovanja jednostavnijih oblika manjih masa, unutar šireg temperaturnog područja kovanja, bit će moguće dovršiti oblikovanje i bez dogrijavanja.

Dozvoljeno temperaturno područje kovanja je univerzalna osobina čelika, određenog kemijskog sastava, i nije ovisno o postupku kovanja i kovačkim operacijama. To je temperaturno područje ustanovljeno ispitivanjem pogodnim labaratorijskim postupcima za određivanje najbolje oblikovljivosti kovanjem. Ispitivanja obuhvaćaju ponašanje duktilnosti čelika unutar temperaturnog područja i učinke rekristalizacije. Deformacijski postupak unutar tako određenog (dozvoljenog) temperaturnog područja kovanja će se provoditi s najmanjim radom deformacije, pri čemu će se postići dobra mehanička svojstva otkovka.

Razumno temperaturno područje kovanja se zasniva na dozvoljenom temperaturnom području kovanja, ali nije nužno jednako. Odabire se za svaki slučaj posebno, prema određenim uvjetima u kojima se kovanje obavlja, a ovisi o: udaljenosti peći za zagrijavanje sirovca od kovačkog stroja na kojem se obavlja kovanje, vrsti kovačkog stroja s obzirom na brzinu kovanja, te o načinu prijevoza sirovca od peći do kovačkog stroja. U praksi se teži izjednačiti dozvoljeno i razumno temperaturno područje kovanja.

Podeutektoidni čelik srednjeg sadržaja ugljika kujemo kod 1200 ºC, ako su predviđeni veliki stupnjevi deformacije. Završetak kovanja je kod temperatura između 900 ºC do 1000 ºC. Grubozrnatost nastala zbog visoke temperature početka kovanja uklonit će se po završetku kovanja normalizacijskim žarenjem. Kod nadeutektoidnih čelika temperatura početka kovanja je znatno niža.

• Kovačko zavarivanje