Работы по металлу - Наталья Коршевер

Сталь и другие металлы состоят из кристаллов вещества, или зерен, которые в процессе перехода из жидкого состояния в твердое хаотически образуются одновременно во многих точках.

Железо при температуре ниже 910 °C имеет кубическую кристаллическую решетку. Но на практике за счет различных неметаллических включений она нарушается. Свойства стали зависят как от характера решетки, так и от самих включений.

В процессе холодной деформации размеры зерен металла уменьшаются, а сами зерна получают одинаковую направленность, вследствие чего верхний слой приобретает большую прочность. Этот слой называется наклепом.

Во время горячей пластической деформации металл восстанавливает обычную кристаллическую решетку и зернистость, а значит, исходную пластичность.

В состав стали, кроме углерода, входят другие добавки. Они оказывают различное влияние на свойства сплавов, которое необходимо учитывать при выборе заготовки для изделия.

Сера и фосфор являются теми примесями, которые появляются в ходе выплавления стали. Они придают деталям хрупкость при красном калении (красноломкость). У металла, выплавленного мартеновским способом, содержание этих элементов ниже. Для нормальной ковкости оно не должно превышать 0,05 %.

Чтобы не увеличивать количество серы в процессе ковки, рекомендуется пользоваться древесным, а не каменным углем, в котором ее меньше.

Марганец снижает вредное воздействие серы, способствует лучшему сопротивлению ударам, делает металл более твердым и прочным. В разных сортах стали его содержание варьируется от 0,5 до 1 %.

Кремний увеличивает упругость стали, но снижает вязкость и свариваемость. Его содержание не должно превышать 0,3 %. Кроме этого, применяются специальные добавки, влияющие на различные свойства стали.

Для ковки лучше всего подходят никелевые сплавы: этот элемент повышает пластичность и вязкость металла. Хорошо поддаются обработке сплавы, легированные ванадием, который снижает величину зерна и тем самым увеличивает ковкость.

Хром и вольфрам придают стали повышенную прочность и твердость, но отрицательно влияют на пластичность. Ковать такие сплавы сложно, нагрев их осуществляется медленно из-за низкой теплопроводности, температурный интервал ковки небольшой.

Для легирующих добавок приняты следующие обозначения: хром – Х, марганец – Г, никель – Н, кремний – С, ванадий – Ф и др. Цифрами маркируют максимально допустимое по условиям выплавки содержание данного элемента; если число не проставлено, значит, содержание добавки меньше 1 %. Таким образом, сталь, содержащая около 0,07 % углерода, до 1 % марганца и не более 3 % никеля, будет обозначаться Ст7ГН3. Буква А в конце записи указывает на высококачественный сплав.

В кузнечном деле редко применяются чистые цветные металлы.

В основном используются четыре группы сплавов: алюминиевые, магниевые, титановые и медные.

В соответствии со своими свойствами эти сплавы делятся на две группы.

К первой относятся высокопластичные сплавы с марганцем и магнием, обозначаемые АМГ. Они обладают прекрасными технологическими свойствами, хорошо куются и свариваются. Их отличает повышенная устойчивость к коррозии.

Сплавы второй группы имеют более широкий спектр добавок, в которые входят медь (Д1, Д16), кремний (АВ), цинк (В93, В96) в различных комбинациях. Эти элементы придают материалам повышенную прочность и ковкость.

Алюминиевые сплавы используются для изготовления деталей, испытывающих повышенные нагрузки. Дополнительную прочность изделиям можно придать холодной ковкой.

В зависимости от основной легирующей добавки они делятся на латуни и бронзы. Первые отличаются большей прочностью и пластичностью за счет добавления цинка. Доля этого металла не должна быть очень высокой, иначе металл будет испытывать слишком сильные перегрузки во время ковки.

В кузнечном деле используются также латуни со специальными легирующими элементами – свинцом, никелем, алюминием и т. д.

В качестве основных добавок для изготовления бронзы применяются олово и алюминий, специальные добавки – такие же, как и у латуни. Эти сплавы отлично куются и чаще всего используются для изготовления художественных произведений, так как дают небольшую усадку и обладают устойчивостью к коррозии.

Иногда для создания прочных поковок с низкой температурой каления берут магниевые и титановые сплавы. Но технологически изготовить из них поковку намного сложнее, чем из стали или бронзы, так как необходимо очень точно соблюдать температурный режим.

Техника ковки

Теперь рассмотрим процесс ковки. Хотя существует и холодная ковка, основные операции кузнец проводит именно с горячим железом. Разогревают его в горне. Это не такое уж простое дело, как может показаться.

Способов и приемов ковки множество, но все их можно свести к нескольким основным операциям. Это осадка и высадка, протяжка или вытяжка, рубка, прошивка или пробивка отверстий, гибка, закручивание, отделка (выглаживание), нанесение рисунка, набивка фактуры и рельефа, кузнечная сварка.

Этот процесс начинается с розжига и топки горна.

Для начального нагрева холодного горна необходимо очистить очаг от золы и шлака, продуть фурму. Затем засыпать в очаг небольшой слой угля, следя за тем, чтобы отверстия фурмы оставались свободными, поверх него – древесную стружку или пропитанную керосином ветошь. Поджечь ветошь или стружку, засыпать сверху второй слой угля и начать слабо поддувать воздух в фурму. Когда уголь разгорится, добавить еще топлива и плавно увеличить подачу воздуха.

Уголь в горне спекается в корку, под которой и развивается необходимая высокая температура. Для разогрева заготовки зарывают ее целиком или нужную часть в горячие угли подальше от фурмы (чтобы между металлом и фурмой постоянно был слой раскаленного угля) и засыпают свежим углем. Корка образует спекшийся свод, который должен всегда быть целым. Время от времени подгребают от краев очага к центру свежий уголь и слегка обрызгивают его водой. Если угли под коркой выгорели и образовалась большая полость, разрушают свод и подгребают свежий уголь; вскоре образуется новая корка. Заготовку периодически поворачивают для равномерного нагрева.

Регулируют поддув так, чтобы пламя было нейтральным, невысоким, слегка коптящим. Избыток воздуха (высокое дутье) вызывает перегрев металла и оплавление кромок. Кроме того, образуется окалина, которая приводит к потерям (угару) металла, снижает качество и затрудняет дальнейшую обработку заготовки. Избыточный или неоправданно долгий разогрев заготовки приводит к пережогу металла, он становится хрупким, при ударе рассыпается на части.

Хорошая ковкость появляется после достижения температурного промежутка, который для каждого металла свой. Нагревать заготовки чаще всего приходится до ковочной температуры, которая для разных видов стали составляет от 1200 до 1250 °C.

Определение степени нагрева осуществляется с помощью специальных приборов – термопаров и пирометров. Но в условиях обычной кузницы проще и вернее определять ее на глаз. На разных степенях каления металлы окрашиваются в разные цвета, которые при остывании меняются в обратном порядке.

При дневном освещении в тени температуры нагрева соответствуют следующим цветам:

– 530–580 °C – темно-коричневый;

– 580–650 °C – красно-коричневый;

– 650–730 °C – темно-красный;

– 730–780 °C – вишневый;

– 780–830 °C – светло-вишневый;

– 830–900 °C – красный;

– 900–1050 °C – светло-красный;

– 1050–1150 °C – соломенно-желтый;

– 1150–1250 °C – лимонно-желтый;

– 1250–1400 °C – ослепительно белый.

Правильный режим нагрева имеет большое значение для качественной последующей обработки. Обязательно нужно учитывать температурный интервал, верно определять время нагрева заготовки, чтобы не допустить пережигания или недокала.

Обычно ковку начинают при 1100° C и заканчивают при 700 °C. Следует помнить о том, что при длительном нагреве углерод стали выгорает прежде всего с поверхности. Если надо закалить изделие после ковки, долго греть заготовку нельзя. Лучше увеличить температуру в очаге горна.

Нижняя граница ковки должна превышать отметку 723 °C, выше которой кристаллическая решетка металла меняет свою структуру на гранецентрированную кубическую. В этом состоянии сталь имеет наибольшую пластичность.

Определение верхней границы ковки зависит от температуры плавления: она должна быть на 100–150 °C ниже последней. При превышении этого предела начинается резкое увеличение размеров зерен металла, что приводит к уменьшению пластических свойств. Такой дефект называется перегревом. Его можно устранить, проведя дополнительную ковку, после которой зернистость уменьшается, и подвергнув металл повторной термической обработке.