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 Тн и конца Тк (см. Приложение табл. 3). Нагрев металла выше температуры Тн 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 Тк 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.
Кроме того, кузнецы некоторых народностей, живущих в степных, северных или пустынных районах (цыгане, буряты, алтайцы, ненцы, якуты и др.) разворачивают свою «походную» кузницу прямо на земле. Для организации очага роют ямку, выкладывают ее камнем, ко дну ямки подводят сопло от кузнечного меха, разжигают уголь и нагревают заготовки. Наковальня устанавливается рядом на земле. На таком горне надо работать вдвоем – кузнец кует, а помощник качает мехи. Работу в такой кузнице часто демонстрирует украинский кузнец Богдан Попов на кузнечных фестивалях в Донецке (руководитель проекта – Виктор Бурдюк, заслуженный деятель искусств Украины).
Рис. 1.1.1. Открытый кирпичный горн с задним дутьем: 1 – постамент; 2 – короб с водой; 3 – ниша; 4 – очаг (горновое гнездо); 5 – фурма; 6 – дымоход; 7 – зонт; 8 – фурменная плита.
Широкое развитие кузнечного дела способствовало созданию современных горнов с регулировкой подачи воздуха и отводом дыма и продуктов горения от очага.
Основа стационарного кирпичного горна с задним дутьем – постамент (лежанка, постель, стол), который служит для размещения очага и нагреваемых заготовок. Обычно горн устанавливается по центру задней от входа (основной) стены кузницы. Высота постамента определяется ростом кузнеца исходя из удобства переноса заготовки из горна на наковальню и обратно и принимается равной 700–800 мм, а площадь горизонтальной поверхности «стола» обычно равна 1 × 1,5 или 1,5 × 2 м. Постамент горна может выкладываться из кирпича, пиленого камня или железобетона в виде ящика, заполненного мелким битым камнем, песком, глиной и горелой землей. Верхняя горизонтальная часть стола выравнивается и, если есть возможность, выкладывается огнеупорным кирпичом.
Постамент также может быть литым (рис. 1.1.2), сварным или сборным, а поверхность стола выкладывают огнеупорным кирпичом и окантовывают металлическим уголком.
Рис. 1.1.2. Стационарный горн с литым постаментом: 1 – вытяжная труба; 2 – зонт; 3 – бачок с водой для охлаждения инструмента; 4 – рычаг для регулирования подачи воздуха; 5 – воздухопровод; 6 – заслонки; 7 – конический запорный наконечник; 8 – фурма; 9 – литой стол; 10 – очаг.
Центральное место стола занимает очаг, или горновое гнездо, которое может размещаться как в центре, так и у задней или боковой стенки горна.
В очаге температура достигает максимума, поэтому его стенки обычно выкладывают огнеупорным кирпичом и обмазывают огнеупорной глиной. Размеры гнезда определяются назначением горна и размерами нагреваемых заготовок. Центральное гнездо в плане обычно имеет круглую или квадратную форму размером 200 × 200 или 400 × 400 и глубиной 100–150 мм.