Tváření kovů za tepla

Tváření kovů je základní metoda zpracování materiálu, která umožňuje měnit jeho tvar působením vnějších sil, aniž by došlo k porušení jeho celistvosti. Materiály schopné takové změny nazýváme plastické. Tento proces je klíčový v mnoha průmyslových odvětvích a dělí se primárně na tváření za tepla a za studena. V tomto článku se podrobně zaměříme na tváření kovů za tepla, jeho principy, metody a praktické aplikace, což je nezbytné pro každého studenta technických oborů a skvělá příprava na maturitu tváření kovů.

Rychlé shrnutí: Tváření kovů za tepla

Tváření kovů za tepla je zpracovatelská metoda, která využívá vysoké teploty k dosažení větší tvárnosti materiálu. Snižuje se jeho tvrdost a pevnost, ale zvyšuje plasticita, což umožňuje snadnou deformaci bez praskání. Mezi hlavní metody patří kování (volné, zápustkové, ruční, strojní) a válcování (plechů, tyčí, trubek). Klíčové je tváření v austenitickém stavu pro optimální mechanické vlastnosti. Pochopení těchto procesů je zásadní pro studium metalurgie a strojírenství.

Co je to Tváření Kovů Za Tepla?

Tváření je metoda zpracování, při níž dochází ke změně tvaru materiálu působením menších sil, aniž by byla porušena jeho celistvost. Materiál, který je schopný měnit svůj tvar, se nazývá plastický.

Při tváření dochází k namáhání a deformaci materiálu dle zatížení. Rozeznáváme dva typy deformace:

• Pružná deformace: Materiál mění svůj tvar při působení síly, ale po jejím ukončení se vrací do původního stavu (oblast Hookova zákona).
• Trvalá deformace: Vzniká, je-li materiál namáhán nad mez kluzu, kde zůstane trvale deformován. Tváření využívá právě tuto trvalou deformaci.

Tváření za tepla probíhá buď působením klidných sil, nebo rázy. Ohřevem na konkrétní teplotu se zmenšuje tvrdost a pevnost materiálu, ale zásadně se zlepší jeho tvárnost.

Cílem je tvářet na co nejmenší počet ohřátí, protože vznikají opaly a odpadávají okuje. Za tepla tváříme zejména válcováním nebo kováním.

Proč tvářet v austenitickém stavu?

Kovy se tváří v austenitickém stavu, protože je dobře tvárný při vysokých teplotách (kolem 900℃). V tomto stavu se materiál snadno deformuje bez praskání a klade malý odpor proti tváření. Austenit je stabilní nad teplotou 727℃, nad křivkou A₃.

Při nižších teplotách může docházet k přeměně na ferit nebo perlit, což by zhoršilo tvárnost. Austenitický stav umožňuje rekrystalizační procesy, které zjemňují zrno a zlepšují mechanické vlastnosti po chlazení.

Teploty a ohřev

Materiály zahříváme na teplotu 250-300℃ pod solidem. Spodní teplotou kování je u podeutektoidních ocelí teplota nad A₃ o 30-50℃, u nadeutektoidních ocelí je to teplota nad A₁ o 30-50℃.

K ohřevu se používají různé typy pecí:

• Hlubinné
• Kontinuální
• Elektrické
• Karusové
• Muflové

Kování: Hlavní Metoda Tváření Za Tepla

Kování je jedna z klíčových metod tváření za tepla. Rozděluje se na volné a zápustkové, a také na ruční a strojní kování.

Ruční kování

Provádí se ručně na kovadlině, obvykle v kovárně. Využívá se pro menší výkovky za použití jednoduchých nástrojů, jako jsou kladiva.

• Volné ruční kování: Tvaruje se pomocí kladiva a kovadliny, zcela bez forem. Působící síla je kolmá na výkovek. Výsledný povrch je velmi nepřesný a nerovnoměrný. Vyrábí se tak například háky, klíny nebo podkovy.
• Zápustkové ruční kování: Používá jednoduché formy (zápustky). Je vhodné pro menší série stejných výkovků, kde se tolik nedbá na výslednou přesnost.

Strojní kování

Provádí se pomocí strojů, jako jsou lisy nebo buchary. Umožňuje přesnější tvary, výrobu větších výkovků a sériovou výrobu.

• Volné strojní kování: Podobné jako ruční volné kování, ale za použití strojů pro větší sílu a přesnost.
• Zápustkové strojní kování: Určeno pro sériovou výrobu, materiál je tvářen v uzavřené zápustce.
• Válcovací kování: Materiál je proháněn dvěma válci, čímž se vyrábí pruty, tyče a plechy.

Kovací stroje a nástroje

Mezi hlavní kovací stroje patří:

• Buchary: Jejich hlavními částmi jsou stojan, buchar a šabota. Tváří pomocí rázů. Rázy neprokovají materiál v celém průřezu a vlivem rázů odpadávají okuje.
• Lisy: Působí klidnou, zvyšující se silou a prokovou celým průřezem materiálu. Okuje zalisují.

Mezi základní kovářské nástroje patří:

• Kovadlo: Používá babku k upevnění. Působí na materiál rázy a neproková ho v celém průřezu. Vlivem rázů zde odpadávají okuje. Rozděluje se na horní a spodní a upíná se pomocí rybinové části. Pracovní části bývají kalené a s možností natáčet je o 35-45°, což umožňuje kovat v příčném i podélném směru.
• Odsazovací podložky: Slouží k vytváření záseků různých tvarů.
• Průbojníky: Používají se k prorážení otvorů.
• Kleště, sekáče: Další pomocné nástroje.

Detaily Kování v Zápustce: Přesnost a Výkon

Kování v zápustce je proces tváření ohřátého materiálu v dutině zápustky. Tvar dutiny se shoduje s požadovaným tvarem výkovku.

Zápustka je nástroj pro kování přesnějších výkovků, který má horní a dolní díl. Rozměry dutiny jsou zvětšeny o hodnotu smrštění materiálu po jeho vychladnutí.

Výhody a nevýhody zápustkového kování

Výhody:

• Přesnější tvar a lepší jakost povrchu.
• Vysoký stupeň prokování a dobrý průběh vláken.
• Vysoká výkonnost a jednoduchá obsluha.

Nevýhody:

• Omezené rozměry a hmotnost výkovků, dané rozměry a silou tvářecího stroje.

Postup kování v zápustce

1. Polotovar musí mít větší objem než dutina zápustky, aby mohlo dojít k jejímu plnému vyplnění.
2. Materiál musí být zahřátý na tvářecí teplotu.
3. Zahřátý materiál se vloží do zápustkové dutiny a působí se na něj tvářecí silou.
4. Vlivem síly se materiál deformuje a vyplňuje zápustku. U lisu proběhne vyplnění během jednoho zdvihu, u bucharu během více úderů.
5. Přebytečný materiál je vytlačen do zvláštní dutiny a vytváří tzv. výronek, který se dodatečně odstraňuje odstřiháváním.

Rozdělení zápustků

Zápustky se dělí podle několika kritérií:

Dle kovacího stroje:

• Na bucharech: Vhodné pro prokování plochých výkovků menších hmotností. Částice se pohybují rychleji proti beranu a snadněji vyplňují dutiny.
• Na lisech: Pro výkovky s velkými hmotnostmi a větších průřezů. Částice se pohybují rychleji ve směru beranu.

Dle dutiny:

• Otevřená dutina zápustky: Kovají se polotovary s větším objemem než je objem zápustky.
• Uzavřená dutina zápustky: Nemá dutinu pro výkovek (materiál je zcela uzavřen). Používá se pro přesnější výkovky a pro sériovou výrobu.

Dle operace:

• Předkovací: Pro složitější výkovky, předchází dokončovací operaci.
• Dokončovací: Pro složitější výkovky, které byly předtím předkovány.
• Postupová: Používá se, když není možné vykovat celý výkovek najednou.
• Kalibrovací: Pro výkovky s odstřiženým výronkem, zajišťuje větší přesnost.
• Ostřihovací: K oddělení výronku od výkovku.

Klíčové Kovářské Operace a Nástroje

Kromě samotného kování zahrnuje tváření za tepla řadu specifických operací:

• Protahování: Zvětšuje délku a zmenšuje tloušťku nebo průřez materiálu. Využívá se pro výrobu tyčí, hřídelí, čepů.
• Rozkování: Jedná se o hrubé zvětšení délky a zmenšení průřezu celého kusu. Často se provádí jako první operace.
• Zpěchování (utlačování): Zkracování a zesilování materiálu, například při kování hlav šroubů, nýtů nebo hřídelí.
• Rozšiřování: Zvětšování šířky výkovku údery ze shora, typické pro výrobu lopatek a ploch.
• Ohrnování: Tvarování okrajů výkovku směrem ven nebo dovnitř, například při tvarování okrajů disků nebo přírub.
• Ohýbání: Změna tvaru ohnutím kolem čelistí nebo trnu. Pro výrobu háků, závěsů.
• Dělení: Usekávání nebo přetínání materiálu pomocí sekáče nebo nože. Pro oddělení přebytečného materiálu po kování.
• Probíjení: Výroba otvorů pomocí průbojníku, nejčastěji při výrobě závěsných prvků nebo ok.

Kovadlina: Základ kovářské dílny

Kovadlina je základní nástroj používaný při kování, sloužící jako pevná opěrná plocha. Je vyrobena z houževnaté kalené oceli, aby odolávala rázům a vysokým teplotám.

Její hlavní části jsou:

• Plocha: Tvrdá, hladká, aby se materiál nedeformoval.
• Roh: Zakulacená část, pro výrobu ohybů, oblouků a zakulacení hran.
• Hrot: Pro kování kroužků, háků a jiných tvarů s otvory.
• Děrovací otvor: K děrování materiálu.
• Tělo: Masivní část mezi základnou a pracovní plochou.
• Základna: Zajišťuje stabilní postavení kovadliny.

Válcování a Vytlačování: Další Důležité Procesy Za Tepla

Válcování je proces, při kterém se ocelové ingoty prohřejí v hlubinných pecích na tvářecí teplotu a poté se tváří na předvalky. Z těch se následně vyrobí konečné výrobky, jako jsou plechy, tyče nebo trubky.

Rozdělení válcování dle uložení os válců

• Podélné: Materiál je ve směru podélném.
• Příčné: Materiál je ve směru radiálním.
• Kosé: Materiál je mezi dvěma válci s mimoběžnými osami.

Válcování plechů

Provádí se pomocí podélného způsobu. Používají se válcové stoly s hladkými válci, mezi které se vtahuje materiál, který se stlačuje a prodlužuje. Nejdříve se válcuje jedním směrem a poté se materiál o 90° otočí a válcuje se znovu. Tím se dosahuje stejné tloušťky a rovnoměrné struktury. Válcovou trať tvoří válcové stolice uspořádané za sebou, které se dle počtu válců dělí na dua, tria nebo univerzály.

Válcování tyčí

Provádí se pomocí příčného způsobu. Využívají se kalibrované válce, které se k sobě přibližují. Poslední kalibr mívá finální tvar tyče. Válcováním se vyrábí průřezy kruhové, čtvercové, šestihranné, tyče tvaru I, T a kolejnice.

Válcování trubek

Provádí se kosým zpracováním. Trubky mohou být vyráběny za tepla i za studena (např. bezešvé nebo švové). Bezešvé trubky se používají tam, kde by pevnost švových trubek nestačila. Vyrábí se dvěma hlavními způsoby:

• Mannesmannův způsob: Pomocí kosého válcování vzniká ve středu vývalku tlakové pnutí, které porušuje celistvost materiálu a tvoří dutinu. Pomocí hladícího trnu se uhlazuje vnitřní průměr trubky. Vhodné pro krátké tenkostěnné trubky.
• Stiefelův způsob: Založen na stejném principu jako Mannesmannův, ale pracovní válce mají tvar kotoučů. Používá se pro trubky menších průměrů.

Vytlačování

Vytlačování je tlakový tvářecí proces, při kterém se plná tyč protlačuje tvářecím nástrojem. Materiál bývá tažen nebo protlačován skrze matrici pomocí trnu, který uvnitř vytváří dutinu. U některých metod vytlačování trubek dochází k plastické deformaci za nízkých teplot, což umožňuje velmi dobré rozměry a mechanické vlastnosti trubek.

Druhy vytlačování zahrnují:

• Přímé: Píst tlačí materiál ve směru pohybu přes matrici. Vyžaduje větší síly kvůli vysokému tření a je vhodné pro delší trubky.
• Nepřímé: Matrice se pohybuje vůči stojícímu polotovaru. Vyžaduje nižší sílu kvůli výrazně silnějšímu tření a umožňuje výrobu velmi přesných trubek s rovnoměrnou tloušťkou.
• Radiální: Méně časté, vytváří dutinu pomocí válců a následného protahování za tepla.

FAQ - Nejčastější Dotazy Studentů k Tváření Kovů Za Tepla

Co je to tváření kovů?

Tváření kovů je metoda zpracování materiálu, při které se mění jeho tvar působením vnějších sil, aniž by došlo k porušení jeho celistvosti. Materiál se přitom deformuje plasticky, tedy trvale mění svůj tvar. Cílem je získat požadovaný konečný tvar výrobku.

Proč se kovy tváří za tepla a ne za studena?

Tváření za tepla se provádí proto, že ohřevem na vysokou teplotu se výrazně snižuje tvrdost a pevnost materiálu a naopak se zvyšuje jeho tvárnost (plasticita). To umožňuje snadnější a rozsáhlejší deformaci bez praskání. Navíc při vysokých teplotách probíhají rekrystalizační procesy, které zjemňují zrno a zlepšují mechanické vlastnosti po ochlazení.

Jaké jsou hlavní metody tváření za tepla?

Hlavními metodami tváření kovů za tepla jsou kování a válcování. Kování se dále dělí na ruční a strojní, a na volné a zápustkové. Válcování se používá pro výrobu plechů, tyčí a trubek a rozlišuje se podle uspořádání válců (podélné, příčné, kosé).

Jaký je rozdíl mezi volným a zápustkovým kováním?

Volné kování tvaruje materiál bez použití forem, obvykle pomocí kladiva a kovadliny, nebo s použitím strojů. Vytváří méně přesné a nerovnoměrné povrchy. Zápustkové kování probíhá v dutině zápustky, která má tvar konečného výkovku. Umožňuje výrobu přesnějších tvarů, lepší jakost povrchu a je vhodné pro sériovou výrobu.

Co je to austenitický stav a proč je důležitý pro tváření za tepla?

Austenitický stav je stabilní fáze železa a jeho slitin, která se vyskytuje při teplotách nad 727℃ (pro oceli nad křivkou A₃). Je důležitý pro tváření za tepla, protože v tomto stavu je materiál velmi tvárný, snadno se deformuje bez praskání a klade malý odpor proti tváření. Navíc zde dochází k rekrystalizaci, která zlepšuje výsledné mechanické vlastnosti materiálu.