Глава 1
О металле, инструменте и оборудовании

При ковке изделий кузнецам приходится иметь дело со сталями различных марок, цветными металлами и сплавами, которые различаются по физическим, механическим и технологическим свойствам (более подробно познакомиться со свойствами металлов и сплавов можно в Приложениях А и Б). При нагреве одни заготовки нагреваются быстрее, а другие медленнее. Кроме того, для нагрева до ковочной температуры одинаковых по размерам заготовок из разных материалов требуется сжечь разное количество топлива. Это связано с теплопроводностью металла, которая характеризуется скоростью нагрева заготовки по сечению. Чем меньше теплопроводность металла, тем больше опасность появления трещин в заготовке при нагреве.

К технологическим свойствам металла относят ковкость, усадку, свариваемость и закаливаемость.

Ковкость характеризует способность металла деформироваться под действием удара, а усадка – уменьшение размеров заготовки в процессе охлаждения. Стальные заготовки при охлаждении с ковочной до нормальной температуры уменьшаются в размерах на 1,2–1,3 %. Например, поковка длиной 500 мм после охлаждения до цеховой температуры будет иметь длину 495 мм. Если усадку металла не учесть, то получится брак поковки по размерам.

Под свариваемостью понимают способность металлов в нагретом состоянии под действием удара образовывать сварные соединения. Лучше всего свариваются стали с малым содержанием углерода и вредных примесей и плохо – легированные стали, алюминий и его сплавы.

Закаливаемость характеризует способность металлов приобретать в результате закалки высокую твердость. Хорошо закаливаются стали с содержанием углерода 0,4–0,7 %.

Наиболее широко в кузнечных работах используется сталь – сплав железа с углеродом.

Кроме углерода в сталях содержатся кремний, марганец, сера, фосфор и некоторые другие элементы. Причем сера и фосфор – вредные примеси: при содержании серы более 0,045 % сталь становится красноломкой, т. е. при нагреве до красного каления заготовка разрушается под ударами молота, а при содержании фосфора более 0,05 % сталь становится хрупкой в холодном состоянии.

В зависимости от количества углерода стали разделяют на низкоуглеродистые (до 0,25 % углерода), среднеуглеродистые (0,25–0,6 %) и высокоуглеродистые (0,6–2 %). Повышение содержания углерода увеличивает твердость и закаливаемость стали, но снижает теплопроводность и ковкость.

Легированные стали в кузнечном деле применяются в основном для изготовления инструмента, работающего при ударных нагрузках и высоких температурах. Никель повышает прочность детали, а хром еще и твердость и износостойкость. Марганец увеличивает твердость, прочность, сопротивление истиранию и удару, уменьшает вредное влияние серы, снижает теплопроводность. Кремний повышает прочность и упругость, но снижает вязкость и свариваемость. Для маркировки сталей приняты следующие обозначения наиболее распространенных легирующих элементов: X – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, Т – титан, Ю – алюминий. Буквой А обозначается пониженное содержание серы и фосфора.

Например, марка 40Х означает, что сталь содержит до 0,4 % углерода и до 1 % хрома; 18ХГТ – сталь содержит до 0,18 % углерода, до 1 % хрома и до 1 % титана; 20ХГА – сталь содержит 0,2 % углерода, до 1 % хрома, до 0,9 % марганца.

Инструментальные углеродистые стали содержат 0,6–1,3 % углерода, 0,15–0,6 % марганца, 0,15–0,35 % кремния, 0,03–0,35 % серы и фосфора. Эти стали маркируют буквой У, за которой следует цифра, обозначающая процентное содержание углерода. Например, сталь У9 – сталь инструментальная с содержанием углерода 0,9 %. В практике марку сталей определяют по искре (см. Приложение, табл. 1).

Из цветных металлов в кузнечном деле используют медь, алюминий, магний, титан и их сплавы. К деформируемым латуням (сплав меди с цинком) относятся Л90, Л80, Л68, Л62 и другие (цифры обозначают содержание меди в процентах); к оловянистым бронзам (сплав меди с оловом) – БрОЦ4–3 (4 % олова, 3 % цинка). Кроме того, хорошей ковкостью отличаются алюминиевые сплавы.

Внутреннее строение металлов. Чтобы лучше чувствовать металл, представлять себе, почему он куется, необходимо мысленно проникнуть внутрь металла, изучить его строение. Все металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение, т. е. состоят из отдельных прочно сросшихся друг с другом зерен, между которыми располагаются в виде тонких прослоек неметаллические включения различных оксидов, карбидов и других соединений. Зерно, в свою очередь, также имеет кристаллическое строение, а его размеры составляют 0,01–0,1 мм.

При ковке деформация происходит главным образом вследствие скольжения зерен относительно друг друга, так как связь между ними слабее, чем прочность самих зерен.

В результате ковки зерна вытягиваются в направлении течения металла, что ведет к образованию мелкозернистой строчечной структуры. Одновременно вытягиваются неметаллические включения, которые придают деформированному металлу волокнистое строение, что можно наблюдать невооруженным глазом. Размеры зерна, а следовательно, и прочностные свойства металла зависят от температуры конца ковки. Чем выше температура металла в момент окончания деформирования, тем крупнее зерно и тем хуже механические свойства металла. Поэтому деформировать металл следует при такой температуре, чтобы измельченные в процессе деформирования зерна под действием высокой температуры не выросли до недопустимых размеров.

Топливо. Для нагрева заготовок кузнецы используют различные виды топлива: твердое, жидкое и газообразное (см. Приложение, табл. 2). В небольших кузницах наиболее широко применяется твердое топливо: дрова, торф, древесный и каменный уголь, кокс.

Древесный уголь был основным видом топлива вплоть до середины XVIII в., а в настоящее время его производят очень мало. Однако если необходим нагрев заготовок небольших размеров, то лучше всего сделать это все же на древесном угле, который должен быть хорошо выжжен, быть плотным, твердым, сгорать не слишком быстро, иметь блестящий излом и звонкость. Масса 1 м³ хорошего дубового и букового угля в рыхлой насыпке – 330 кг, березового – 215 кг, соснового – 200 кг, елового – 130 кг.

Кокс наиболее широко применяется в кузнечных цехах для нагрева заготовок, так как имеет относительно низкий процент содержания серы и фосфора и высокую теплотворную способность.

Каменный уголь используется в том случае, когда необходимо нагревать заготовки до высокой температуры. Уголь хорошего качества при горении дает короткое пламя и хорошо спекается. Плотность угля составляет 1,3 т/м³, а масса 1 м³ в рыхлой насыпке – 750–800 кг. Уголь должен быть черного с блеском цвета размером с грецкий орех. Кузнецы называют такой уголь «орешек».

Жидкое топливо – это нефть, продукты ее перегонки (бензин, керосин и т. п.) и остаточные масла.

Наиболее широко в кузнечном деле применяются мазуты, которые относительно дешевы и имеют высокую теплотворную способность.

Газообразное топливо (природный газ) все шире начинают использовать в кузнечных горнах, так как оно относительно дешево, имеет высокую теплотворную способность, легко смешивается с воздухом, полностью сгорает и, самое главное, в продуктах сгорания отсутствует ядовитый оксид углерода.

Для тех кузнецов и любителей кузнечного дела, кто любит работать на древесном угле, рассмотрим способы получения его в «домашних» условиях.

Получение древесного угля «в траншеях». Выкапываем траншею длиной 1,5–2 м и глубиной примерно 0,5 м, на дно насыпаем слой мелких щепок и стружки и сверху плотно укладываем поленья. Затем траншею закрываем железными листами, а сверху насыпаем песок и землю. С одного конца траншеи оставляем окно, через которое поджигаем щепки, а с другого – окно для выхода дыма. После того как дрова разгорятся, окна прикрываем, чтобы горение шло без доступа воздуха.

Украинский кузнец Богдан Попов, который изучает старинные традиции древнего кузнечества, получает древесный уголь, сжигая дрова в железной бочке при ограниченном поступлении воздуха.

Следует иметь в виду, что для нагрева стальных заготовок лучше использовать древесный уголь из твердых пород дерева: дуба, клена, бука, березы.

Нагрев заготовок. Это важная и ответственная операция, от которой зависят качество деталей, производительность труда, стойкость инструмента.

Кузнецу необходимо помнить, что в процессе нагрева изменяются структура металла, его свойства и состояние поверхностных слоев. В результате нагрева повышается активность взаимодействия металла с атмосферой и на поверхности заготовки образуется слой окалины, толщина которой зависит от температуры и времени нагрева, химического состава металла и окружающей среды.

Наиболее интенсивно окисляются стали при температуре выше 900 °C. Так, при температуре 1000 °C скорость окисления увеличивается в 2 раза, а при 1200 °C – уже в 5 раз.

Окалина, образующаяся на поверхности легированных сталей, плотная и имеет малую толщину, благодаря чему она не растрескивается при ковке и защищает металл от дальнейшего окисления. Хромоникелевые стали при нагреве практически не окисляются и поэтому называются жаростойкими.

При нагреве углеродистых сталей происходит выгорание углерода с поверхностного слоя на глубину до 2–4 мм, что ведет к обезуглероживанию и снижению прочности и твердости стали и к ухудшению закаливаемости. Обезуглероживание особенно неблагоприятно влияет на качество поковок небольших размеров, подвергаемых последующей закалке.

Известно, что прогрев заготовок по сечению происходит вследствие теплопередачи от наружных слоев к внутренним. Под действием высокой температуры наружные слои расширяются больше внутренних, и между ними возникают температурные напряжения, которые могут привести к образованию трещин и дальнейшему разрушению металла. Заготовки из углеродистых конструкционных сталей с размерами сечения до 100 мм не боятся быстрого нагрева, и поэтому их можно закладывать холодными в печь с температурой до 1300 °C.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали имеют низкую теплопроводность, и во избежание образования трещин заготовки необходимо нагревать медленно.

Ковать заготовку можно только тогда, когда она равномерно прогреется по всему сечению.

Следует сказать, что для каждой марки стали имеется свой температурный интервал ковки, т. е. определены температуры начала ковки Т_н и конца Т_к (см. Приложение табл. 3). Нагрев металла выше температуры Т_н приводит к пережогу, в результате чего происходит ускоренная диффузия кислорода внутрь металла и из-за нарушения связей между зернами металл при ковке разрушается. Пережог – неисправимый брак.

Известно, что при перегреве увеличивается размер зерен, металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Кроме того, поковки с крупнозернистой структурой имеют низкие механические свойства. При необходимости перегрев можно исправить термической обработкой, но это требует дополнительного времени и расхода энергии. Ковка заготовок ниже температуры Т_к приводит к образованию трещин. В связи с этим кузнецу необходимо пользоваться указанной выше таблицей и ковать металл в соответствующем температурном интервале.

Чтобы поковки имели более высокие механические свойства, необходимо стремиться заканчивать ковку при температуре на 20–30 °C выше допустимой температуры конца ковки. В этом случае в металле успеет произойти рекристаллизация, и структура останется мелкозернистой.

Низкоуглеродистые стали имеют более широкий температурный интервал ковки, чем высокоуглеродистые и легированные. Следовательно, при ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется несколько меньшее число нагревов, чем при ковке аналогичного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали, так как температурный интервал больше и кузнец успевает выполнить большее число операций без дополнительного нагрева.

Таким образом, при нагреве заготовок необходимо следить за температурой начала и конца ковки, потому что при увеличении времени нагрева слой окалины растет, а при быстром нагреве появляется опасность растрескивания металла. Из кузнечной практики известно, что нагрев заготовки диаметром 10–20 мм на древесном угле до ковочной температуры осуществляется за 3–4 мин, а заготовки диаметром 40–50 мм – уже за 15–25 мин. Температуру нагрева заготовок в промышленных условиях определяют при помощи специальных приборов, а в небольших кузницах – по цвету каления (см. Приложение табл. 4).

Горны и печи. Наши далекие предки для нагрева кусков самородного металла использовали костры, а для поднятия температуры дули в костер через трубки или применяли кузнечные мехи. Часто такие костры устраивали на склонах гор у русел рек: установлено, что там все время дует ветер и раздувает огонь очага. Эти костры впоследствии стали называть «волчьими ямами».

По мере совершенствования кузнечных мехов отпадает необходимость строить «нагревательные устройства» на горах, и их начинают размещать недалеко от жилищ. От дождя и снега очаг защищают навесом, а для подачи воздуха устанавливают мехи. В дальнейшем для удобства работы очаг горна (горновое гнездо) поднимают на некоторую высоту от земли. В таком виде горн просуществовал вплоть до настоящего времени.