Московские кузнецы были первыми мастерами, начавшими изготовлять часы. Из древней русской летописи мы узнаем о строительстве первых в Московской Руси башенных часов: «…а наречется сей часник часомерье», и далее: «В лето 6912 (1404 г.)… князь Василий замыслил часник и поставил его на своем дворе». Смастерил часы ученый сербский монах Лазарь с мыса Афона, и были они установлены на одной из башен белокаменного Кремля. Башенные часы с боем и колокольной музыкой получили особенно широкое распространение в XVI и XVII вв. (рис. 1.0.8). Они ставились в больших монастырях, в городах. В конце XVI в. в Московском Кремле были установлены часы на трех башнях: Спасской, Тайницкой и Троицкой, а в начале XVII в. – на Никольской. В первой половине XVII в. в Москве под руководством английского механика Галовея велись работы по устройству новых больших часов на Спасской башне Кремля. Эти часы с движущимся циферблатом и со сложным устройством для колокольной музыки (куранты) получили большую известность. Чуть позднее мастер Оружейной палаты Петр Высоцкий установил башенные часы и в Коломенском над новыми каменными воротами. Эти часы имели сложный механизм для перемещения циферблата и молотковый привод на восемь «перечастных» колоколов.
Рис. 1.0.8. Первая московская часозвонница.
Следует отметить, что при создании часовых механизмов требовалась высокая точность в изготовлении большого количества сложных деталей и подгонке их друг к другу. Все детали механизма часов делали квалифицированные кузнецы. Вначале отковывали различные по размерам колеса и шестерни, валы и оси, из толстых кованых полос собирали раму. После этого отковывали большое число звеньев цепей, и начиналась кропотливая работа по сборке и отладке часов. Работы усложнялись тем, что размеры некоторых деталей доходили до 5 м и более, а масса их достигала десятков и сотен килограммов. И на таких колесах и шестернях необходимо было отковать строго определенное число зубьев с высокой точностью «по шагу». Таким образом, техника часового дела уже с XV в. потребовала теоретических знаний в области математики и астрономии, без которых нельзя было ни строить часы, ни регулировать их ход.
В конце XVIII – начале XIX вв. для Москвы был характерен не только рост крупных «металлических» предприятий, требовавших большого количества железа, чугуна, стали для производства различных изделий и конструкций, проволоки, гвоздей, рельс и т. д., но и рост числа кузниц. Городские кузницы делились на общественные и домовые. Общественные должны были пристраиваться одна к другой, образуя Кузнечный ряд. Домовые кузницы обычно размещались на отдельных участках и были деревянными, каменными или комбинированными, одноэтажными или двухэтажными. На первом этаже размещались сами кузницы, на втором – жилые помещения.
Общественные кузницы в Кузнечном ряду имели значительно меньшее помещение, и работы велись в основном «в одну руку», т. е. без помощников-молотобойцев. Эти кузницы специализировались на определенных работах: в одних изготовляли замки, в других – подковы, гвозди, различные болты и скобы, в третьих – кровати, ограды и другие крупные изделия. Однако со временем мелкое кузнечное производство начинает вытесняться специализированными заводами и фабриками. В 1863 г. машиностроительные, гвоздильные и проволочные заводы получают право на беспошлинный ввоз железа из-за границы. Начинается рост крупных промышленных предприятий, и к началу XX в. Москва становится крупным промышленным центром России с развитым капиталистическим производством.
Глава 1О 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.