Наталья Коршевер - Работы по металлу
Нагрев до более высоких температур в горне приводит к тому, что материал начинает плавиться, вследствие чего большое количество углерода и других газов проникает в его нижние слои. Там происходит активное окисление, которое в кузнечном деле называется пережогом. Связь между зернами нарушается, и металл навсегда теряет пластичность.
Нагревание сплавов следует производить в строго ограниченном температурном промежутке, который определяется свойствами материала. Он обозначается буквами Тн и Тк – температура начала и конца ковки.
При приближении к Тк у металла устанавливается мелкозернистая структура, которая обеспечивает высокую пластичность, поэтому при нагревании его стремятся доводить до этой температуры. Такой режим позволяет дольше ковать изделие. Но, с другой стороны, при долгом повышении температуры с поверхности начинает выгорать углерод. Деталь после этого будет очень трудно закалить. Поэтому режим следует выбирать заранее, с учетом поставленной задачи.
Интервал, в котором можно проводить ковку, у разных марок стали различный. Самый широкий (до 500 °C) имеют малоуглеродистые сорта стали, что позволяет обрабатывать их в течение длительного промежутка времени без дополнительного нагрева. Чем выше содержание углерода, тем этот промежуток меньше.
Другие металлы, например алюминий, имеют более низкий температурный интервал обработки. Для сплава ВД17 он составляет 400–470 °C.
Во время ковки металл постепенно остывает и с трудом поддается деформации. Поэтому останавливать процесс надо уже при достижении температуры, которая на 20–30 °C выше Тк.
Табл. 5 содержит информацию о температурных интервалах некоторых марок стали.
Таблица 5. Температурные интервалы ковкиОпределение времени нагрева зависит от многих факторов. Не рекомендуется брать заготовки слишком большого диаметра, так как на полное прогревание требуется слишком много времени, за которое образуется большой слой окалины. В то же время, если слишком поспешить, то внутренние слои не приобретут достаточной пластичности и могут потрескаться.
Скорость нагрева зависит также от сечения заготовки. Быстрее нагреваются круглые детали, медленнее – квадратные. У изделий большего сечения разница почти отсутствует. Нагрев в горне, заправленном древесным углем, круглой заготовки диаметром 10–20 мм происходит за 2–4 минуты, а квадратной – за 3–5 минут.
Если размеры больше 30 мм, то время увеличивается до 8–15 минут, а у заготовок диаметром до 50 мм нагрев занимает до 25 минут.
Поскольку каменный уголь дает меньшее количество тепла, то нагревать на нем деталь придется немного дольше. Для того, чтобы получить гарантированно ровный прогрев, поковки рекомендуется выдерживать в огне в течение срока, больше требуемого на 25 %.
ОтжигОчень часто для выполнения художественных изделий требуется пластичная поделочная сталь, а под рукой оказалась только инструментальная. Как поступить в таком случае? Ковкость металла можно повысить, проведя отжиг.
Как известно, содержащая меньшее количество углерода сталь более пластична.
При отжиге сталь более высокой марки нагревается в горне при температуре 650–720 °C, что соответствует темно-красному цвету каления, в течение 2–3 часов.
Регулировать режим ковки можно интенсивностью поддува. Периодически уровень накала надо проверять, охлаждение и перегрев одинаково нежелательны.
По прошествии нужного времени горн выключают и заготовке дают постепенно остыть. Чем медленнее будет происходить этот процесс, тем пластичнее станет металл. Если отжиг проводится на древесном угле, то можно закопать заготовку в золу и оставить в таком виде на несколько часов.
ОкалинаПри нагревании стальных изделий на поверхности образуется слой оксидов железа, называемый в кузнечном деле окалиной. Пластичность металла после ее появления заметно снижается.
С повышением температуры окисление становится более интенсивным, особенно после 900 °C. Образование окалины гораздо сильнее при избытке воздуха, наличие которого определяется по коротким прозрачным языкам пламени. Ее верхний слой, называемый шубой, частично предохраняет металл от дальнейшего окисления.
Параллельно происходит выделение углерода из верхних слоев материала, вследствие чего металл становится менее прочным и хуже закаливается.
У заготовок большого размера часть газа из внутренних слоев переходит во внешние, и металл немного восстанавливает свою пластичность.
В условиях кузницы полностью защитить поковку от образования окалины невозможно. Для уменьшения этого процесса применяют скоростной нагрев, однако делать это можно не во всех случаях.
Следует также отметить, что образование окалины происходит не только во время нагревания, но и в течение ковки. Поэтому при переносе надо следить за тем, чтобы слой «шубы» не осыпался.
Обрабатывая металл на наковальне, окалину удаляют только с тех частей, которые подвергаются деформации. У заготовок из малоуглеродистых сталей нагар легко удаляется ударами ручника.
Перед тем как положить заготовку в горн, на нее наносят специальные обмазки. Они не только защищают металл, но и являются хорошим смазывающим материалом, снижающим время нагрева и увеличивающим пластичность металла.
Простой способ защиты от окалины мелких изделий из инструментальной стали, например чеканов, напильников и т. п., – нагревать их внутри герметично закрытой трубы.
Дефекты нагреваПри недогреве, который появляется при неправильно выбранном тепловом режиме или плохой поддувке, разные части заготовки во время ковки деформируются неодинаково. Это вызывает перекос и образование трещин.
Если прокаливается только часть заготовки, необходимо следить за тем, чтобы весь подлежащий обработке участок был одного цвета. В противном случае поковка требуемой формы не получится.
Важно следить за режимом поддува: он должен быть равномерным и давать необходимую для того или иного процесса температуру.
Часто при неправильном нагреве на поверхности металла возникают трещины. Работы с поделочной сталью, как правило, обходятся без них, поскольку данные сорта обладают широким температурным интервалом ковки.
Глубокие поперечные трещины появляются вследствие слишком быстрого нагрева заготовки, когда внутренние слои остаются еще холодными. Наиболее часто трещины образуются на поверхности, они возникают из-за того, что металл остыл до температуры, которая ниже Тк. Если при ударах молотом заготовка раскалывается на несколько частей, то это свидетельствует о пережоге стали.
Начинающему мастеру следует особенно тщательно следить за соблюдением температурного режима ковки и нагрева. Рекомендуется до начала серьезной работы потренироваться на черновых заготовках, то есть не имеющих еще правильной формы.
ВытяжкаВытяжка или протяжка – увеличение длины заготовки за счет поперечного сечения. Чаще всего возникает необходимость отковать из куска металла прут или полосу определенного сечения. Для этого надо взять раскаленную заготовку и положить ее на наковальню. Удерживая поковку клещами, наносят по всей длине удары узким бойком молота. Бить надо быстро и часто, за один нагрев отковывая как можно больший участок. Затем заготовку вновь нагревают, поворачивают на 90° и повторяют операцию.
Для того чтобы поковка не раздавалась в ширину и вытягивалась в нужном направлении, применяют желобчатые (седлообразные) наковальни и шпераки, а также ручьи кузнечной плиты-формы. Если нужна круглая заготовка или заготовка с гранями, применяют обжимки (рис. 144).
Рис. 144. Использование обжимки при вытяжке.
Они не только вытянут заготовку в длину, но и выгладят ее, придав нужное сечение. Поворачивая заготовку вокруг продольной оси (для получении граней – на определенный угол), надо ударять кувалдой по обжимке и постепенно передвигать заготовку вперед. Если необходимо получить всю поковку или отдельный участок в виде пластины (например, при ковке лепестков, листьев в растительном орнаменте), заготовку или ее часть расплющивают (разгоняют). При этом площадь увеличивается за счет уменьшения толщины.
Расплющивать можно кувалдой или ручником на наковальне. Если необходимо раздать металл быстрее, надо воспользоваться раскаткой с полукруглыми рабочими поверхностями. Сила удара в таком случае будет сосредоточена на небольшом участке, и металл раздастся равномерно во все стороны.
Вытяжка с переходамиЧаще всего, чтобы выполнить протяжку с большим перепадом размеров, ее проводят в несколько этапов, в промежутке выполняя кантовку. Такая последовательность операций называется переходом. Наиболее удобная последовательность переходов: несколько протяжек с последующей кантовкой на 90°, затем на 45° и закругление с помощью обжимок, раскаток и других специальных инструментов.
