Для изготовления поковок в качестве исходного материала применяются
углеродистые и легированные конструкционные и инструментальные стали.
Кроме того, применяются и стали с особыми физическими свойствами.
В кузнечные цехи сталь поступает в виде слитков или прокатанных
заготовок (сортового материала). Слитки используются для изготовления
крупных поковок преимущественно под ковочными прессами, а прокатанные
заготовки — для более мелких поковок.
Качество исходного материала предопределяет качество поковки. Чтобы
знать качество исходного материала, кузнец обязан хорошо представлять
себе строение и структуру металла, его пороки и причины их
возникновения.
Строение слитка. Сталь, выплавленную в печи, выливают в ковш, а затем в
металлические формы, которые называются изложницами. В изложницах сталь
обычно затвердевает при температуре около 1500°С (в зависимости от
марки). После того, как слитки станут твердыми, их извлекают из изложниц
и отправляют на прокатку или на ковку.
Если слиток разрезать в продольном направлении, поверхность разреза
прострогать, затем прошлифовать и протравить специальным реактивом, то
получим макрошлиф слитка. На этом макрошлифе даже простым глазом можно
легко увидеть, что строение слитка по высоте и по сечению неодинаковое.
Теория строения слитка была впервые разработана великим русским
металлургом — ученым Д. К. Черновым (1878 г.).
В верхней части слитка расположена так называемая усадочная раковина.
Под усадочной раковиной находится усадочная рыхлость.
Усадочная раковина (пустота) образуется вследствие того, что верхние
слои металла быстро охлаждаются и образуют твердую корку. Внутренние
слои остаются более продолжительное время жидкими и по мере остывания
сокращаются в объеме; верхняя же твердая корка не может опускаться вниз
по мере усадки металла, поэтому под поверхностной коркой, т. е. в
верхней части слитка, образуется пустота (усадочная раковина).
Усадочная рыхлость является как бы продолжением усадочной раковины;
металл в месте усадочной рыхлости содержит очень много пор.
Если произвести химическое исследование состава стали слитка в разных
местах по его сечению, то обнаружится, что содержание углерода, фосфора,
серы и других примесей будет различно, а именно: ближе к центру слитка
примесей будет больше, чем в наружных слоях слитка; в верхних же частях
слитка больше, чем в нижних. Это явление называется ликвацией
(сегрегацией). Ликвация примесей объясняется тем, что не весь слиток
застывает сразу: прежде застывают более чистые, а следовательно, и более
тугоплавкие частицы металла; частицы металла, содержащие больше
примесей, а также остатки шлаковых включений, затвердевающие при более
низкой температуре, оттесняются в центр и вверх слитка и застывают в
последнюю очередь и, таким образом, скопляются под усадочной раковиной.
Следовательно, металл слитка, находящийся ближе к поверхности, всегда
чище, чем металл в центре слитка.
При застывании стали из нее выделяются газы, которые, не успев вовремя
выйти, остаются в загустевшей массе металла и образуют так называемые
газовые пузыри. При прокатке или проковке слитка газовые пузыри часто
завариваются, но незаверенные остаются в слитке. При ковке-прокатке
слитка незаверенные пузыри образуют трещины или волосовины, которые
ослабляют прочность изделий, а иногда вызывают и брак.
Шлаковые включения в момент застывания стали застревают в ней, а при
ковке или прокатке вытягиваются в виде нитей по направлению вытяжки,
либо раздробляются на более мелкие частички. Шлаковые включения служат
причиной образования мелких трещинок, волосовин и нередко приводят к
браку изделий.
Плены получаются на поверхности слитка при заливке стали в изложницу.
Жидкий металл, ударяясь о дно изложницы, разбрызгивается. Брызги в виде
больших и малых капель прилипают к стенкам и застывают. Поверхность их
окисляется.
Расплавленная сталь при дальнейшей заливке полностью не сваривается с
затвердевшими каплями, которые остаются на поверхности, образуя плены.
Трещины образуются в процессе застывания металла и возникновения в нем
внутренних напряжений. Неглубокие поверхностные трещины вырубаются. При
обнаружении же глубоких трещин слиток бракуется.
В слитках различают три части: верхнюю прибыльную часть, среднюю — тело
слитка и нижнюю — поддонную часть. Прибыльную и поддонную части слитка
при ковке отрубают, потому что металл в нижней и верхней частях слитка
недоброкачественный. Обычно вес удаляемой верхней части слитка
составляет 20—25%, а нижней части 5—10% веса слитка.
На поковку используется только средняя часть слитка, так как только эта
часть считается пригодной: средняя часть составляет 60—68%: общего веса
слитка. Но и эта средняя, пригодная, часть слитка также может иметь
поверхностные недостатки, которые должны быть удалены до начала ковки. К
таким недостаткам относятся плены, трещины, заливы, посторонние тела
(песок, шлак и т. д.). Если их не удалить, то при ковке они будут
закованы в изделие, что понизит его качество, либо повлечет за собой
брак поковки.