Реферат: Ковка металлов
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ШУЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ
КУРСОВАЯ РАБОТА
ТЕМА: «ХУДОЖЕСТВЕННАЯ КОВКАМЕТАЛЛОВ».
ВЫПОЛНИЛ: СТУДЕНТ 4к. 4гр.
МТФ-ФТО КОЧЕТКОВ А.Ю.
НАУЧНЫЙ РУКОВВОДИТЕЛЬ:
____________________________
____________________________
ШУЯ 2004.
План.
Из историихудожественной ковки металла.
Металл,используемый для ковки.
Инструментыи приспособления.
Термическаяобработка стали и цветных металлов.
Химико-термическаяобработка стали.
Техникабезопасности при кузнечных работах.
Из истории художественной ковкиметалла.
Издревле русские кузнецы (с VI-VIII веков н.э.) владели всеми приемамисвободной ковки, кузнечной сварки, горновой пайки меди, умели производитьтермическую обработку изделий.
При том уровне техники от мастера требовалось много умения, навыка,опыта в обращении с металлом. Различить, например, сорта стали можно былотолько по цвету и характеру искры или излому, а степень нагрева при ковке, закалкеи сварке — по цвету раскаленного металла (каленого) на глаз; о температуреотпуска стали мастер судил по цветам побежалости и т.д.
Интересно, что древнерусские кузнецы с большим искусством производилине только украшения к костюмам — пряжки, перстни, застежки, браслеты, подвески,ожерелья, оплечья или украшения конской сбруи, но и петли на ларцы и сундуки,оковки для них, дверные замки, мечи, шлемы, кольчуги, боевые топоры,всевозможную бытовую утварь и великое множество других железных кованых изделий.
Приемы свободной ковки, известные с древних времен, сохранились и донаших дней. Кузнечная сварка была в основе изготовления холодного оружия измногослойной стали. Ее еще называют сварочным булатом. Больших успехов добилисьмастера из Дамаска. Дамасской сталью стала называться многослойная сварочнаясталь.
Во времена могущества Киевской Руси кузнецы принимают активное участиев строительстве Новгородских, Киевских и Псковских величественных соборов.Мастера кузнечного дела куют не только пояса для стягивания стен, сводов, арок,но и высокохудожественные решетки для окон, парадные ворота, двери с накладнымицветами, витыми ручками-стукалами, устанавливают на вершинах куполов соборов«расцветшие» узорчатые кресты.
В XVII в. многие кузнечные мастера переходят на изготовление больших ималых оград для дворцово-парковых ансамблей. Старые русские кузнецы не толькообладали знаниями технологии ковки в совершенстве, но и славились высокимхудожественным вкусом.
Решетки и ограды, созданные ими, замечательно смотрелись на любом фоне,были выразительны в архитектурном окружении, в близком рассмотрении и нарасстоянии. Их красота заключалась в соответствии художественных элементов и ихритмичности. Облик старых московских улиц и переулков просто неповторим.
Оригинальность объясняется присутствием легких кованых кружев набалконах домов, на оградах парков, скверов, церквей. Мастера классицизмавеликие архитекторы и зодчие Бова, Жилярди, Баженов, Казаков любилииспользовать кованый металл при проектировании и создании архитектурныхансамблей.
Весьма оригинальны ограды, выполненные в стиле русского барокко,который был популярен во второй половине XVIII в. Игривый кованый узор,выполненный с использованием растительных мотивов, контрастирует с мощнымикаменными столбами. Симметричный рисунок, составленный из сердцевидных изгибовстеблей, называемых мастерами «червонками», характерен для русскогодекоративного искусства XVII-XIX вв. С.-Петербург — северная столица России — всегда славился своими решетками мостов и набережных, парков и дворцов. РешеткаЛетнего сада со стороны Невы признана лучшей из декоративных оград в мире.Авторами этого удивительно гармоничного, легкого металлического кружева изкопий, лепных розеток и вытянутых прямоугольников являются русские архитекторыФельтен и Егоров. Выкована эта решетка, кстати сказать, тульскими мастерами.
В конце XIX — начале XX в. в Москве, С.-Петербурге, Одессе и другихгородах наибольшее число решеток и оград выполнено в стиле модерн. Асимметриякованых извивающихся стеблей создает какой-то текучий орнамент из сливающихся ипереплетающихся диковинных растений. Зачастую рисунок с решеток органическипереходит на стену дома и далее в камне или гипсе развивается по фасаду,заканчивающийся мощными волками на карнизе дома или парапете крыши.
С развитием прокатного и кузнечно-штампованного производств постепеннов архитектуре все реже стал примениться декоративный кованый металл. Егозаменяют сварные конструкции из прокатных профилей круглого, квадратного ипрямоугольного сечения.
Художественная ковка стала упрощаться, все меньше осталось настоящихмастеров, умеющих отковать ограду, реставрировать или починить стариннуюрешетку.
Поэтомувозрождение этого вида ремесла имеет огромное значение для современногодекоративно-прикладного искусства.
Металл, используемый для ковки.
В кузнечном ремесле приходится иметь дело с различными сплавами,цветными металлами, со сталями разных марок. Для нагрева до ковочнойтемпературы одинаковых по размерам заготовок, но разных типов металла требуетсясжечь разное количество топлива.
Теплопроводность металла — это скорость нагрева заготовки по сечению.Чем меньше теплопроводность металла, тем больше опасность образования трещинпри нагреве. Например, теплопроводность сталей, особенно легированных, в пятьраз меньше теплопроводности меди и алюминия. С теплоемкостью связан расходтоплива для нагрева заготовки до нужной температуры. Наибольшую теплоемкостьимеет стать при температуре 800-1100°С. Значит чем выше теплоемкость металла,тем больше расходуется топлива. Для кузнечных работ применяются ковкие ипластичные металлы и сплавы. Из черных металлов этими качествами обладаютнекоторые стали — сплав железа с углеродом. В зависимости от количествасодержания углерода стали различаются как низкоуглеродистые (до 0,25%углерода), средние (0,25-0,6%) и высокоуглеродистые (0,6-2%). Увеличениесодержания углерода увеличивает твердость стали, но уменьшает ковкость итеплопроводность. По своему строению сталь представляет из себя тело,образованное из кристаллических зерен, связанных между собой силоймежкристаллического сцепления. В сплав стали обязательными компонентамиявляются железо, углерод, кремний, сера, марганец, фосфор. При содержанииуглерода до 0,1% сталь мягкая, хорошо куется, сваривается кузнечным способом,не принимая закалки. Такую сталь в практике называют железом. Сталь, котораяотвечает всем требованиям художественной ковки, содержит от 0,1 до 0,3%углерода и до 1% других примесей. Такая сталь называется поделочной.
Сталь средней твердости содержит углерода от 0,08 до 0,85%. Она хорошокуется при надлежащем нагреве, хорошо закаливается, но плохо сваривается.
При содержании углерода от 0,6 до 1,35% стальсчитается высокоуглеродистой (инструментальной). Куется довольно трудно,требует очень умелого проведения нагрева и самой ковки при определенныхтемпературах.
Таблица 1
Температуры начала и конца ковки углеродистых сталей
Чугун — это сталь, содержащая до 2% углерода, он хрупкий, неподдающийся ковке сплав.
Другие примеси, кроме углерода, также влияют на качество металла. Таксера и фосфор — вредные примеси.
При содержании серы более 0,04% сталь становится красноломкой, т.е. принагреве до красного каления металл разрушается под ударами молота, а фосфор(более 0,05%) делает сталь хрупкой в холодном состоянии. Никель повышаетпрочность стали, а хром — твердость и износостойкость, но зато теплопроводностьстали снижается, марганец уменьшает вредное влияние серы и увеличиваеттвердость, прочность, снижает теплопроводность. Кремний повышает прочность иупругость, но снижает вязкость и свариваемость. Для маркировки легированныхсталей, применяемых в основном для изготовления кузнечного инструмента,работающих при ударных и высокотемпературных режимах приняты специальныеобозначения наиболее распространенных легирующих элементов: С — кремний, Г — марганец, Н — никель, Т — титан, X — хром, Ю — алюминий, А — пониженноесодержание серы и фосфора. Например, марка 18ХГТ — сталь содержит до 0,18%углерода, до 1% хрома, марганца, титана. Инструментальные углеродистые сталисодержат 0,6-1,3% углерода, 0,15-0,6% марганца, 0,15-0,35% кремния, 0,03-0,35%серы и фосфора. Такие стали обозначают буквой У. Следующая за ней цифраобозначает процентное содержание углерода. Например, сталь У9 — стальинструментальная с содержанием углерода 0,9%.
В кузнечном деле используются и цветные металлы: медь, алюминий,магний, титан и их сплавы: латуни (сплав меди с цинком) марок Л90, Л80, Л68,Л62 и др. (цифры обозначают содержание меди в процентах); оловянистые бронзы(сплав меди с оловом) — БрЦ4-3 (4% олова и 3% цинка) и др. Хорошей ковкостьюотличаются алюминиевые сплавы.
/>Все металлы и сплавы имеют поликристаллическоестроение, то есть состоят из отдельных прочно сросшихся друг с другом зерен,между которыми располагаются в виде тонких прослоек неметаллические вкрапленияразличных оксидов, карбидов и других соединений. Размеры зерна составляют0,01-0,2 мм и оно тоже имеет кристаллическое строение.
Что же происходит в металле во время ударов молота?
При ковке деформация происходит вследствие скольжения зеренотносительно друг друга, потому что прочность зерен больше, чем связь междуними. В результате ковки зерна металла вытягиваются в направлении теченияметалла и это ведет к образованию мелкозернистой структуры (рис. 29).
Рис. 29. Рекристаллизация стали: 1- молот; 2 — наковальня; 3 — состояние кристаллов до ковки: 4 — кристаллы,подвергающиеся ковке; 5 — кристаллы после ковки
/>Вместе с ними вытягиваются и неметаллическиевкрапления, которые придают металлу волокнистое строение. Это можно видетьневооруженным глазом. Прочностные качества металла зависят от температуры концаковки: чем выше температуре металла в момент окончания деформации, тем лучшемеханические свойства металла (зерно крупнее).
Изменения, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении, можноопределить по диаграмме состояния (рис. 30), которая представляет собойграфическое отображение фазового состава и структуры сплавов в условияхравновесия в зависимости от температуры и концентрации компонентов.
Рис. 30. Диаграмма«железо-углерод»Эта диаграмма имеет важное значение для обоснованного выбора тепловыхрежимов всех видов горячей обработки стали. По оси ординат — температурасплава, по оси абсцисс — содержание углерода. На диаграмме отмечены критическиеточки, при температуре которых происходят структурные превращения. Прирассмотрении диаграммы заметим, что изменения в структуре происходят выше линииРS, так как феррит переходит в аустенит, а это значит улучшается ковкость,пластичность металла. Между линиями GS и PS присутствую зерна феррита. Нижелинии РS аустенит переходит в феррит, т.е. металл имеет высокую степеньпластичности, но небольшую твердость и прочность. Между линиями АЕ и GSрасполагается зона благоприятных температур и структуры металла для ковки.
При температуре нагрева 1500°С, т.е. выше линии АС, сталь пребывает вжидком состоянии.
Кузнец должен уметь выбрать сталь, которая по своим качествам будетсоответствовать задуманному изделию.
Завод поставщик прокатанную заготовку маркирует клеймом и окрашиваеткраской, согласно установленному цвету для каждой марки стали. В табл. 2 приведеныустановленные цвета для сталей, употребляемых для художественной ковки.
Таблица 2
Цвета для сталей, употребляемых для художественной ковки
При расходовании стали в первую очередь отрубают неокрашенный конец,конец с клеймом расходуется в последнюю очередь. Но часто кузнецу приходитсяиметь дело с уже побывавшем в обработке металлом или заготовки утеряли клеймо.Как определить марку стали? Оказывается, есть способы определения марки металлав условиях своей мастерской.
/>Различные стали имеют характерные им искры. Прикасании образца с вращающимся наждачным камнем происходит искрение. Вмастерской необходимо иметь набор образцов различных марок стали с клеймами,который может служить эталоном при определении марки стали по искре. Этотспособ дает возможность определить количество углерода в стали до 0,2% и естьли в ней вольфрам и хром. Искры хорошо видны на черном фоне, которыйрекомендуется подкладывать под пучок искр. Расположить образец относительновращающегося диска при испытании надо так, чтобы пучок искр был длиной примерно30 см перпендикулярно линии зрения.
Глаза необходимо защитить очками.
Длина искры зависит от силы надавливания на вращающийся диск и, сталобыть, добиться одинаковой длины искры можно, определив степень и равномерностьнадавливания и ее сохранять во время испытаний. Неравномерное давление образцана круг может дать искаженный результат. При образовании искры следуетвнимательно наблюдать за длиной искры, ее количеством, окраской и характеромзвездочек (рис. 31).
Рис. 31. Определение стали поискре
1) Если содержание углерода около0,12%, то искра оставляет след прямой линии, имеющей светлое и темно-красноеутолщения. Пучок длинный и светлый.
2) Если содержание углерода 0,5%,пучок короче, также светлый, но от первого утолщения начинают отделятьсязвездочки.
3) Инструментальная сталь ссодержанием 1% углерода дает короткий и широкий веер красноватых искр, а отпервого утолщения отделяется сноп искр.
4) Характерным для марганцовыхсталей является образование звездочек на концах первого утолщения. Вид пучка зависитот содержания углерода.
5) Хромистая сталь дает длинныйвеер искр, иногда красноватый с разрывом и с отделяющимися звездочками — этоочень характерно.
6) Вольфрамовая сталь даетпрерывистую темно-красную искру со светлым утолщением на конце.
7) Хромвольфрамовая сталь среднейтвердости дает двойную искру: красную толстую и длинную и темно-красную тонкуюи короткую.
8) Быстрорежущая сталь имеет такиеже искры как у хромвольфрамовой стали, но с разрывом.
В качестве дополнения данной темы прошу ознакомиться с табл. 3.
Таблица 3
Таблица определения марок сталей по искре
Известно, что не всякая сталь закаливается. Это тоже способ определениямарки стали. Необходимо нагреть кусок стали докрасна и быстро охладить в воде.Если это малоуглеродистая сталь, она не закалится и легко поддается напильнику.
Таблица 4
Таблица температур нагрева стали и соответствующие цвета
Инструменты и приспособления.
Инструменты, которыми приходится пользоваться кузнецу, делятся посвоему назначению на опорные, ударные, зажимные, подкладные, захватывающие,мерительные и вспомогательные.
Опорные инструменты: основные наковальни, небольшие наковальни длямелких изделий и шпераки.
Подкладныеинструменты.
Подкладной инструмент делится на три группы:
I. Инструмент, который устанавливают под молот или ручник;
II. Инструмент, устанавливаемый на наковальню;
III. Парный инструмент.
/>Рис. 35. Подкладныеинструменты: 1 — раскатка; 2 — гладилка с цилиндрической поверхностью; 3 — гладилка с квадратной поверхностью; 4 — гладилка с односторонней прямоугольнойповерхностью; 5 — гладилка с увеличенной поверхностью; 6- пробойник; 7 — фасонное зубило; 8 — зубило для продольной рубки; 9 — зубило для поперечнойрубки; 10- конический прошивень; 11- цилиндрический прошивень; 12 — следрабочих поверхностей гладилок 3, 4, 5.
К подкладному инструменту относится массивная плита из стали размером300x400 мм и высотой 150- 200 мм, по четырем боковым граням которой имеютсяуглубления разнообразной формы и высоты: полукруглые, треугольные и т.д. Этаплита применяется при ковке различных фасонных элементов вместо подкладныхштампов. На торцевых поверхностях этой плиты имеются сквозные круглые,квадратные и фасонные отверстия различных размеров, которые служат для пробивкиразнообразных отверстий на изделиях. В больших кузницах, где изготавливаютсадовые ограды, балконные решетки и другие крупные изделия, должна бытьстальная или чугунная большая плита — правило — толщиной 50-200 мм и в плане1,5x3 м с ровной, гладкой поверхностью. Она устанавливается на специальныхметаллических козлах в центре кузницы. В этой плите должны быть сквозныеотверстия для установки штырей, болтов и других различных приспособлений дляфасонной гибки профилей, сборки конструкций и других технологических операций.
Весь подкладной инструмент I группы должен иметь рукоятки из дерева илитолстой проволоки. Заметим, что рукоятки подкладного инструмента забивают вовсад головки и не расклинивают, чтобы вибрация и удары через рукоятку непередавались на руку кузнеца. Проволочную рукоятку закручивают вокруг головки вгорячем состоянии.
Зубило кузнечное — для рубки заготовок в горячем или холодномсостоянии. Головка зубила состоит из трех частей: выпуклой поверхности, покоторой наносятся удары молотом; средней части с отверстием — всадом дляустановки рукоятки; ножа — основной части, которая прорубает металл. Дляхолодной рубки угол заточки составляет 60-70°, для горячей — 15-30°.Изготавливают зубило из высокоуглеродистых сталей У7, У8, легированных 6ХС илисталей 45; 50. Форма ножа зубила может быть прямой, имеющей кривизну вгоризонтальной плоскости или в двух плоскостях. Зубило с прямым ножомиспользуют для поперечной рубки и продольной. Нож зубила для поперечной рубкирасположен параллельно, а нож зубила для продольной рубки — перпендикулярно коси рукоятки.
Односторонняя заточка зубила делается в том случае, когда требуетсяполучить изделие с прямым торцом, т.е. без уклона, если допускается уклон илинужно дать фаску, то применяется зубило с двусторонней заточкой. Зубила срадиусным ножом применяются для вырезки из листового металла различныхкриволинейных элементов типа цветов, листьев и т.п. Зубила с фасонным боемприменяются для вырубки из изогнутых заготовок криволинейных контуров. Взависимости от размеров изделий и вырубаемых рисунков необходимо подбиратьнужное по размеру зубило. Рисунок орнамента на поковку наносится зубилом спритупленной режущей кромкой. При работе зубилом под заготовку подкладывают прокладкуиз железного или медного листа, что предохраняет лицевую часть наковальни отповреждения, а лезвие ножа от затупления. Отрубать заготовки можно нанезакаленной площадке наковальни, т.е. около конического рога. Следует помнить,что первые и последние удары по зубилу наносят слабые. Первые — чтобы зубилоплавно врезалось в заготовку, а последние — чтобы отрубаемая часть не отлетелаи не поранила кого-либо.
Пробойники используются для пробивки отверстий, углублений в поковках илистовых заготовках. Пробойник состоит из трех частей. Удар наносится поверхней части пробойника — головке; средняя часть пробойника с отверстием — всадом для рукоятки, рабочая часть называется бородкой. Сами бородки делаютсяконусными, что облегчает их выход из формы при изготовлении и позволяетполучать отверстия различного диаметра или размера в зависимости от глубиныпробоя в металл.
Пробойники изготавливают из стали 40, 45, У7, 6ХС с твердостью рабочейчасти 45-50 HRC на длине 30 мм и твердостью верхней части головки 30-40 HRC.
Для пробивки отверстий в толстых кованых изделиях применяют прошивки испециальные пуансоны, которые, в отличие от пробойников, не имеют рукояток, аудерживаются клещами. В головках молотков и кувалд отверстия имеют овальнуюформу, имеют двустороннюю конусность, которая образуется при пробивке отверстийс помощью овально-конических прошивней. Вначале отверстие продавливают с однойстороны заготовки, а затем переворачивают на 180° и прошивают отверстие сдругой стороны. Подобным образом прошивают овальные цилиндрические отверстия вголовках подкладного инструмента — пробойниках, гладилках, раскатках и др.
Из кузнечного опыта известно, что для обеспечения извлечения прошивняиз пробиваемого отверстия в предварительно помеченное углубление насыпают немногомелкого угля и возникающие при прошибе газы как бы выталкивают инструмент.
Гладилки предназначены для выравнивания шероховатостей на поверхностипоковки после обработки ее молотом. Гладилки имеют плоские и полукруглуюрабочую поверхность различных форм и размеров. Большие плоскости выравниваютгладилкой с квадратной рабочей поверхностью размером 100х100 мм, а длянебольших площадей берут гладилки размером 50x50 мм или с прямоугольнойповерхностью. Гладилки с цилиндрической поверхностью применяют при выглаживаниигантелей и радиусных поверхностей, подбирая соответствующий размер. Материалгладилок сталь 40, 45, 50. Твердость поверхности 40-50 HRC, а твердость верхнейчасти головки 30-40 HRC.
Раскатки (надавки) предназначены для ускорения раздавливания металлавдоль или поперек оси, а также для выбивания цилиндрических пазов назаготовках.
Подкладной инструмент II группы (рис. 36) имеет хвостовик квадратногосечения, который вставляется в соответствующее гнездо наковальни.
Рис.36. Подкладной инструментвторой группы: 3, 4, 5- специальный инструмент; 2- конус; 6- вилка; 7- подсечка
Подсечки используют для рубки заготовок или отрубки ее частей с помощьюручников. Кузнец заготовку накладывает на нож подсечки и, ударяя по нейручником, отрубает необходимую часть, но не до конца, чтобы не испортить лезвиеподсечки. Поэтому проводят глубокую подрубку заготовки, а окончательноразделяют части заготовки на краю наковальни легким ударом ручника. Материалподсечки сталь 50 с твердостью рабочей поверхности 50-55 HRC. Лезвиезатачивается под углом 60°.
Конусные оправки предназначены для расширения отверстия в поковке,раздаче колец и выполнения гибочных операций.
Вилки предназначены для гибки и завивки заготовок.
/>Оправки — для ковки уклонов, гибки и кузнечной сваркизвеньев цепи.
Парный подкладной инструмент III группы (рис. 37).
Рис. 37. Подкладной инструменттретьей группы: а — обжимки: 1 — шестигранные; 2 — цилиндрические; 3 — квадратные; 4 — подбойка; б — гвоздильни; в — кузнечные формы
Предназначен для повышения производительности труда кузнецов иулучшения форм поковок. Инструмент состоит из нижняка (нижнего инструмента),который хвостовиком квадратного сечения вставляется в квадратное отверстиенаковальни, и верхняка (верхней части инструмента), имеющего рукоятку длядержания.
К этой группе относятся парные обжимки, для придания предварительнооткованной заготовке правильной цилиндрической, прямоугольной или многограннойформы, и подбойки, предназначенные для расплющивания (раздачи) металла какпродольного, так и поперечного. Для работы используются подбойки различныхрадиусов рабочей части от 8 до 30 мм. Специальные художественные работывыполняются с помощью обжимок — штампов сложных форм рельефов. Материалобжимок, подбоек и штампов стали 45, 50, У7. Твердость рабочих частей 45-50HRC, а верхней ударяемой части — 30-40 HRC.
Гвоздильня со шляпочными молотками предназначена для высадки головокразличной величины и формы гвоздей, болтов и заклепок. Сама гвоздильняпредставляет собой отдельную форму с рукояткой или специальную плиту сотверстиями. Для придания головке гвоздя, болта или заклепки нужной формы(сферы, призмы, шестигранника и т.д.) применяют шляпочные молотки. Гвоздильниизготовляют ковкой из сталей 45, У7, У7А и термообрабатывают на твердость 45-50HRC.
/>Захватывающие инструменты (рис. 38).
Рис. 38. Виды кузнечных клещей: 1- рукоятка; 2 — зажимное кольцо (шпандырь); 3 — заклепка; 4 — губки; 5 — заготовка; 6 — продольно-цилиндрические; 7 — продольно-прямоугольные; 8 — поперечно-прямоугольные; 9 — угольные; 10 — кольцевые; 11 — для топоров; 12 — тавровые; 13 — для захвата цилиндра изнутри; 14 — прутково-поперечные
К этому классу относятся различного вида клещи. Они предназначаются длявынимания нагретых заготовок из горна и удерживания их во время ковки. Клещисостоят из двух клещевин, соединенных заклепкой; головная часть клещей сгубками предназначена для захвата заготовки, задняя часть является рукояткой.По форме губок клещи делятся на продольные, поперечные, продольно-поперечные испециальные. Кузнечные клещи должны быть по возможности легкими с пружинящимирукоятками, а для надежности во время работы рукоятки клещей стягиваютсяспециальным кольцом — шпандырем. Длина кузнечных клещей составляет 300-1500 мм,материал — сталь 15, 20, 25. Заготовка должна быть плотно захваченной клещами.Но если этого не происходит, необходимо подогнать губки по форме. Для этогогубки клещей нагревают в горне, зажав ими заготовку, и обжимают их ударамиручника или молота. Клещи, хорошо подогнанные, значительно повышаютпроизводительность труда и снижают травматизм.
Зажимные инструменты (рис. 39) предназначены для зажима нагретых ихолодных заготовок перед гибкой, осадкой, высадкой и другими операциями.
Рис. 39. Стуловые тиски: 1 — неподвижная губка; 2 — крепежная планка; 3 — нижний стержень; 4 — шарнир; 5 — рукоятка; 6 — пружина; 7 — подвижная губка.
/>Это — различные струбцины, стуловые тиски.Крепятся тиски мощными шурупами, болтами или заклепками к основной опореслесарного верстака или на отдельном стуле — пне, надежно закрепленном к полу.Верхний уровень губок находится на высоте 900-100 мм от пола. Для увеличенияжесткости крепления нижний стержень крепится к стулу или стойке. Губки стуловыхтисков отливаются из сталей 35Л, 45Л или отковываются из сталей 20, 25.
Контрольно-измерительные инструменты (рис. 40) необходимы для измерениязаготовок и поковок как в процессе ковки, так и после окончания обработки иохлаждения.
Рис.40.Контрольно-измерительныеинструменты: I- />штангенциркуль: 1, 2 — малые губки для измерениявнутренних размеров; 3 — стопорный винт; 4 — подвижная рамка; 5 — глубиномер; 6- нониусная шкала; 7- подвижная губка; 8 — неподвижная губка; II — циркули: 9,10- нутромеры; 11 — кронциркули
Универсальный мерительный инструмент — стальная линейка для измерениялинейных размеров. Применяются различные линейки 250, 500, 1000 мм; стальнойметаллический метр применяется для тех же целей, что и линейка, но длякомпактности он состоит из отдельных звеньев, соединенных шарнирно. Точностьизмерения такой линейкой и метром составляет 0,5 мм.
Штангенциркуль предназначен для линейных замеров, как наружных, так ивнутренних, и измерения диаметров заготовок и поковок с помощью малых губок ииспользования глубиномера 5. Точность измерения штангенциркулем составляет 0,1мм. Десятые доли миллиметра определяются с помощью шкалы нониуса 6.
Угломеры и угольники предназначены для измерения угловых размеров.Широко используются в кузнечном деле угольники с постоянными углами 30, 60,90°.
Кронциркули и нутромеры служат для измерения наружного и внутреннегорасстояния.
Двурогая наковальня.
/>Современные наковальни изготовляют из стали 45Лметодом литья. Наиболее удобна и универсальна в работе двурогая наковальня(рис. 32).
Рис. 32. Наковальня двурогая: 1-лицо наковальни; 2- квадратное отверстие; 3- хвост; 4- скобы; 5-подставка; 6 — лапы; 7 — конический рог; 8 — незакаленная площадка; 9 — круглые отверстия
Верхняя горизонтальная плоскость 1 называется лицом, или наличником, наней выполняются все основные кузнечные работы. Поверхность лицатермообрабатывается до твердости 45-50 HRC и шлифуется. Боковые гранинаковальни должны образовывать с лицевой поверхностью угол 90°, а ребро должнобыть довольно острым и не иметь сколов и заминов. На ребре проводят гибку изделий,раздачу материала, а также другие вспомогательные операции.
Конический рог 7 предназначен для гибки полос и прутков, а такжераскатки и сварки кольцевых заготовок. В некоторых типах наковален имеетсяпромежуточная прямоугольная площадка 8 между рогом и лицом, которая не закаленаи предназначена для рубки на ней заготовок.
С противоположной стороны от рога расположен хвост 3, представляющийсобой консольную прямоугольную пирамиду, он предназначен для гибки и правкизамкнутых прямоугольных заготовок. В хвосте имеется квадратное отверстие 2размером 35x35 мм, которое используется для установки подкладного инструмента(нижняков) и других приспособлений. Около конического рога располагаетсякруглое отверстие Д15 мм. В некоторых типах наковален делаются два круглыхотверстия разных диаметров. Снизу у наковальни имеются лапы 6, за которые онакрепится специальными скобами 4 к чурбану — стулу 5 или металлическийподставке. В качестве стула обычно используют массивный деревянный чурбан илипень от дуба, клена или березы диаметром 500-600 мм. Можно набирать стул и изотдельных частей, стягивая их железными обручами. Когда нет возможностиподобрать необходимый чурбан, то можно использовать металлическую илидеревянную бочку, внутрь которой набивают песок, глину, землю, хорошоутрамбовывают, а сверху кладут деревянную прокладку и на нее устанавливаютнаковальню.
Большое внимание следует уделить установке стула, он должен стоятьвертикально и не вибрировать во время работы. Стул закапывают на глубину неменее 0,5 м, а землю вокруг него хорошо утрамбовывают. Верхний торец стуламожно закрыть кровельным железом, что предохранит его от обгорания припопадании окалины или горячих обрубков заготовки. Высота стула зависит от ростакузнеца и составляет 600-700 мм от уровня пола, а точнее — должна доходить докончиков слегка согнутых пальцев стоящего кузнеца.
При легком ударе по хорошей наковальне раздается высокий, чистый звук,а молоток при ударе отскакивает от нее со звоном.
Наковальни-шпераки.
Для мелких работ кузнецы применяют наковальни небольших размеров имассы или специальные наковальни-шпераки (рис. 33), которые устанавливаютчетырехгранным хвостовиком в квадратное отверстие основной наковальни.Некоторые шпераки имеют удлиненную вертикальную стойку и вбиваются заостреннымконцом в деревянный чурбан или землю. Изготовляют шпераки />методом ковки из углеродистой стали 45-50 с последующей закалкойрабочей поверхности до твердости 40-47 HRC.
Рис. 33. Шпераки: 1 — вставляемыйв наковальню (низкий); 2 — вставляемые в землю (высокий)
Ударный инструмент.
/>К ударным инструментам относятся молотки:ручники, боевые молоты и кувалды. Ручник — основной инструмент кузнеца, спомощью его он кует небольшие изделия. Кузнеца, работающего без помощников,называли «одноруким», кующим в одну руку. Ручники имеют массу 0,5-2кг, но бывают и до 4-5 кг (рис. 34).
Рис. 34. Ручники и молоты: 1 — ручник с продольным задком; 2 — ручник с поперечным задком; 3 — ручник сшаровидным задком; 4 — молот с односторонним клиновидным задком; 5 — молот споперечным двусторонним задком; 6 — молот с продольным двусторонним задком; 7 — кувалда; 8 — клин заершенный
Для управления процессом ковки при работе с молотобойцами кузнецыприменяли ручники с легкой головкой, шарообразной формой задка. Для ковки изделийкузнецы применяют ручники с тяжелой головкой с клиновидным продольным ипоперечным задком. Эта форма довольно универсальна, так как кроме работы бойкомкузнецы работают и задком — разгоняя металл. Головки ручников выковывают изуглеродистых и легированных сталей (стали 45, 50, 40Х), бой и задок термическиобрабатывают до твердости 48-52 HRC. Рукоятки делают из тонкослойных породдерева: граба, кизила, клена, березы, ясеня, рябины длиной 350-600 мм. Рукояткадолжна быть без трещин и заусенцев, удобно лежать в руке.
Боевые молотки — тяжелые двуручные молоты массой 10-12 кг. Головкибоевых молотков бывают трех типов: с односторонним задком, с двустороннимпродольным и поперечным задком. Бой молотка предназначен для основной ковки, аверхний клиновидный задок для разгона металла вдоль и поперек заготовки.Головка молота куется из стали 45, 50, 40Х, У7, твердость боя и задка 48-52 HRCна глубину 20-30 мм. Рукоятка молота изготовляется из тех же пород дерева, чтои ручника, длина рукоятки подбирается в зависимости от роста молотобойца имассы головки молота и равна 70-95 см.
Работа кузнеца с молотобойцами (одним или двумя) проводится при ковкекрупных изделий и называют кузнеца «двуруким» или«трехруким».
Кувалда — тяжелый молот до 16 кг с плоскими бойками применяется притяжелых кузнечных работах, где требуется большая ударная сила. Ударные инструментыдолжны быть максимально надежны. Особое внимание уделяется креплению рукоятки сголовкой. Отверстие в головке молота — всад, куда вставляется рукоятка, должныбыть эллипсовидной формы и иметь уклон от середины к боковым граням 1:10. Этообеспечивает надежное ее крепление после забивки клина и облегчает насаживаниеголовки на рукоятку. Практика показала, что самые надежные — металлические«заершенные» клинья, которые входят на глубину, равную 2/3 шириныголовки молота; забивать клин следует наклонно к вертикальной оси. Этопозволяет распирать древесину в двух плоскостях.
Удары боевыми молотами подразделяются на три вида: локтевые или легкие,плечевые или средние, навесные — сильные, когда молот описывает в воздухеполный круг. Такими сильными навесными ударами молотобойцы работают при ковкебольшой массы металла и кузнечной сварке массивных частей.
Горны.
Сталь куют в нагретом состоянии; только разогретый металл становитсяпластичным и легко поддается деформации. Существует определенный интервал температурначала и конца ковки для каждого сорта стали (см. табл. 1).
В среднем этот интервал составляет 1100-1300°С для начала ковки и800-900°С для конца ковки. Чем больше в стали углерода, тем ниже температураначала ковки.
Для нагрева металла можно пользоваться различными нагревательнымиустройствами. Самым древним и простейшим из них является кузнечный горн. Горныподразделяются на переносные и стационарные, открытого и закрытого типа — взависимости от конструкции.
Простейшие горны.
Для ручной ковки наиболее приемлемы горны открытого типа, позволяющиенагревать и короткие и длинные поковки в любой их части (в том числе исредней). Они просты в обслуживании и удобны в работе, быстро нагреваются. Дляразжигания холодного горна горновое гнездо очищают от золы и шлака, продуваютфурму, насыпают небольшой слой угля, оставляя отверстия фурмы свободными, затемзажигают древесную стружку или тряпки смоченные керосином, сверху засыпаютвторой слой угля и дают слабое дутье. Когда уголь разгорится, добавляют ещеугля и постепенно увеличивают дутье. В горне, благодаря спеканию угля,образуется твердая корка, под которой развивается высокая температура.Заготовку или ее конец зарывают в горячие угли и засыпают свежим углем.Спекшийся свод из твердой корки должен быть всегда целым; для этого необходимовремя от времени подгребать свежий уголь от краев к центру горнового гнезда ислегка обрызгивать его водой. Если под коркой полость становится слишкомбольшой, корку ломают, подгребают свежий уголь, и вскоре образуется новый свод.Заготовку периодически поворачивают, а также регулируют подачу воздуха,поддерживая слегка коптящее и нейтральное пламя. При высоком дутье (избытоквоздуха) пламя становится острым, вызывающим местный перегрев и оплавлениекромок металла; и к тому же кислород избыточного воздуха вступает в соединениес металлом и образует окислы железа, т.е. окалину.
Окалина вредна, так как она приводит к потерям металла (угар); крометого, понижается качество заготовки и затрудняется дальнейшая ее обработкарезанием. Заготовку нагревать надо возможно быстрее, так как чем дольше поковканаходится в горне, тем более возможен ее перегрев, т.е. чрезмерный рост зерен,который ухудшает механические свойства заготовки. Более длительный нагревзаготовки может привести к пережогу, т.е. оплавлению границ зерен и потересвязи между ними. Такая заготовка разбивается при ударе на части.
На рис. 43 показаны очень простые конструкции горна.
/>Рис. 43.Простейшие горны: 1, 6 — кирпич; 2 — заготовка; 3 — уголь; 4 — решетка колосниковая;5 — патрубок; 7 — паяльная лампа
Горн можно сделать прямо на земле, используя паяльную лампу, пылесосили ручной вентилятор. Устройство такого горна: поставить три кирпича на торец,на них кладется колосниковая решетка, а на нее устанавливается печурка изчетырех кирпичей, в которую засыпается уголь. Паяльная лампа с патрубкомрасполагается снизу. Горн разжигают и можно нагревать заготовку.
Существует еще более простая конструкция горна. Сначала надо вырытьнебольшую ямку и в нее поставить паяльную лампу. Рядом складывают печурку изогнеупорного кирпича. В щель между кирпичами закладывают некрупные заготовки.Установив вентилятор с ручным приводом в ямке, а колосниковую решетку выставивна уровне земли, можно прогревать металл и ковать небольшие изделия.
Переносные горны.
/>Легкий переносной горн с использованием бытовогопылесоса показан на рис. 44.
Рис. 44. Переносной горн и фурма(вверху): 1 — постамент; 2 — фурма; 3 — зольник; 4 — шланг; 5 — пылесос; 6-колосниковая решетка; 7- корпус фурмы; 8 — патрубок; 9 — донная крышка; 10 — запирающая планка
Из уголков сварен постамент горна, стол горна выложен огнеупорнымкирпичом. На верхние горизонтальные уголки кладется фурма. На высоте 15 см отоснования к зольнику приваривается патрубок с внутренним диаметром 30 мм, вкоторый вставляется конец шланга пылесоса. Необходимо иметь в виду, что шлангдолжен быть вставлен в верхнее гнездо пылесоса, работающее на выброс воздуха изпылесоса, а нижнюю чашку пылесоса (под пылесборником) снимают и в таком видепылесос устанавливают на подставку.
В деревенских кузницах соплом часто служит старая чугунная втулка дляколес. Для долговечности такого горна края фурмы рекомендуется замазать глинойс песком.
Вообще, переносной горн — это цельнометаллическая или сборно-разборная />конструкция, приспособленная для нагрева заготовкинебольшого размера в условиях строительных площадок, в альплагерях, за городом.Переносной горн состоит из цельносваренной металлической рамы, на верху которойкрепится стол с очагом и вентилятором для нагнетания воздуха. Вентиляторприводится в движение с помощью ножной педали через кривошипный механизм,маховик и ременную передачу.
На рис. 45 показаны американские переносные горны. Закрытый горн имеетручной привод на вентилятор через мультипликатор, что значительно повышаетчастоту вращения крыльчатки. Конструкция горна имеет небольшую наковальню итиски. Ручка имеет двойное назначение. Этот горн с электрическим приводом.
Рис. 45. Американские переносныегорны: I — с ручным приводом вентилятора: 1 — рукоятка; II — с электрическимприводом: 2 — электрический привод; 3 — зонт, перемещающийся по вертикали.
Стационарные горны.
Для размещения очага и разогреваемых заготовок необходим постамент илиего еще называют стол-лежанка. Это основа стационарного горна. Постамент обычноустанавливают в середине задней стены кузницы и его высота зависит от ростакузнеца. Для удобства переноса заготовки из горна на наковальню и обратновысота постамента должны быть примерно 700-800 мм, а площадь горизонтальнойповерхности стола обычно равна 1x1,5 или 1,5x2 м.
Постамент горна должен быть литым, сварным или выкладываться изкирпича, пиленого камня или железобетона в виде ящика, стенки которого сложеныиз бревен, досок, кирпича или камня, а внутренность заполняется битым мелкимкамнем, песком, глиной или горелой землей. Горизонтальная верхняя часть столадолжна быть выложена чугунными плитами или огнеупорным кирпичом. Горновоегнездо (очаг) может располагаться как в центре, так и у задней или боковой стенкигорна. Очаг обычно выкладывают огнеупорным кирпичом и />обмазывают огнеупорной глиной, т.к. горн — это место где развиваетсянаиболее высокая температура. Размеры очага в плане определяются размераминагреваемых заготовок. Центральный очаг может иметь в плане круглую иликвадратную форму размером 200x200 или 400x400 мм и глубиной 100-150 мм.
Через фурму подается воздух. Что же представляет из себя фурма?
Рассмотрим конструктивный вариант фурмы нижнего дутья (рис. 46).
Рис. 46. Фурма со сменнымиколосниковыми решетками: 1 — корпус фурмы; 2 — заслонка; 3 — патрубок; 4 — донная крышка; 5 — груз; 6 — колосниковая решетка; 7 — заслонка (общий вид); 8- уголь; 9 — виды колосниковых решеток
Воздух от вентилятора подводится через патрубок и попадает в корпус фурмы,а через чугунную колосниковую решетку в очаг горения. С помощью заслонкирегулируется количество подаваемого воздуха в канале подводящего патрубка.Донная крышка открывается для очистки корпуса фурмы от золы и других отходовгорения. В исходном положении крышка прижата к днищу корпуса грузом. Следуетприменять колосниковые решетки разной конфигурации. Разнообразная формаотверстий необходима для создания пламени различного вида. Равномернорасположенные круглые отверстия формируют факельное, а щелевые — узкое иудлиненное пламя. Располагая фурму горизонтально слева или сзади следуетпредохранять стенку горна от прогорания. Чтобы не выгорала фурма, ее следуетохлаждать изнутри проточной холодной водой. Внутренний диаметр фурмы чаще всегосоставляет 25-30 мм.
Для сбора и отвода дыма и газа над стационарным горном устанавливаетсязонт, который может быть кирпичным, железным. Размер нижнего входного отверстиязонта зависит от размера стола горна. Для нормального улавливания отходовгорения зонт устанавливается на высоте 400-600 мм. Точнее высота определяетсяна месте в зависимости от силы дутья, высоты и размеров вытяжной трубы и др.Иногда зонты оснащаются опускающимися крыльями. Металлический зонт можетдовольно быстро прогореть, а процесс ремонта довольно сложен и трудоемок. Болеедолговечен и надежен кирпичный зонт, но он получается слишком тяжелым итребуется особая жестко заделанная конструкция его крепления. Даже бываетнеобходимо укрепить углы стойками (подпорками).
В некоторых кузницах устанавливаются горны с двумя очагами и тогда дляболее />/>качественнойвытяжки необходимо делать две вытяжки или общий зонт разделить перегородкой. Втаких горнах предусматривают, кроме того, индивидуальное регулирование подачивоздуха.
Конструкция открытого стационарного горна показана на рис. 47.
Рис. 47. Стационарный горноткрытого типа: 1 — внутренняя труба; 2 — наружная труба; 3 — зонт; 4 — уголь;5 — колосниковая решетка; 6 — горновая чаша; 7 — фурма; 8 — крышка; 9 — подставка; 10 — труба подвода воздуха; 11 — воздухозаслонка
Он более совершенен. На сварной металлический каркас (подставке)крепятся горновая чаша, колосниковая решетка, а также фурма. Струя воздухаподается в очаг горна по трубе и регулируется воздухозаслонкой. На чугуннуюколосниковую решетку накладывается уголь, а дым и копоть удаляются через зонт идве трубы. При прохождении дыма через наружную трубу внутренняя нагревается иэто улучшает тягу. На дне зольника накапливается зола и шлак, которые удаляютсячерез отверстие при открытии крышки.
Открытые горны при кузнечных работах широко применяются, хотя ихкоэффициент полезного действия очень низкий и составляет всего 2-5%. Известно,что для нагрева 1 кг металла до ковочной температуры требуется 1 кг каменногоугля. К тому же в результате непосредственного соприкосновения металла скаменным углем происходит насыщение поверхности нагреваемого металла серой, чтоухудшает механические свойства кованых изделий. Поэтому мастера начинаютзакладывать заготовки в горн, когда уголь хорошо разгорится и сера выгорит.Чтобы увеличить коэффициент полезного действия открытого горна кузнецыустраивают над очагом куполообразную шапку из запекшегося угля, в которуюзакладывают заготовку. Под такой защитной коркой заготовка нагревается быстрееи меньше окисляется.
Крупные заготовки лучше нагревать в шахтных горнах. Шахтный горнустанавливается в середине кузницы. Высота горна 0,6 м, площадь стола 1 м2,глубина шахты 0,5 м с сечением у основания 300x300 мм, а вверху 150х 150 мм.Подводка воздуха находится на расстоянии 400 />мм отверха горна. Дно шахты представляет из себя чугунную заслонку, которую можновыдвигать для очистки горна от золы и шлака. Задвинув заслонку на место на неенасыпают тонкий слой золы для предохранения ее от нагревания.
Стационарный горн закрытого типа показан на рис. 48.
Рис. 48. Стационарный горнзакрытого типа: 1 — зонт; 2 — камера; 3 — топочный люк; 4 — смотровое окно; 5-труба; 6 — металлическая коробка; 7- подставка; 8 — колосниковая решетка; 9 — кирпичная кладка; 10 — трубка; 11 — рабочее окно; 12 — дымоход
Камера горна выложена огнеупорным кирпичом, установлена наметаллической подставке. Через топочный люк засыпается уголь на колосниковуючугунную решетку. Для шуровки топлива в топочном люке есть смотровое окно.Воздух от вентилятора по трубе подается в металлическую коробку и далее черезотверстия в колосниковой решетке попадает в горновой очаг. Через дымоход и зонтуходят продукты сгорания. Не полностью сгоревший угарный газ сжигаетсявследствие дополнительной подачи воздуха через трубу. Через рабочее окнопроизводится загрузка и выгрузка заготовок.
Стационарный горн шахтного типа (работающий на мазуте) изображен нарис. 49.
Рис. 49. Горн шахтного типа: 1 — нагревательная камера; 2 — труба; 3 — топочная камера; 4 — окно для поджога смеси; 5 — воронка для мазута; 6 — патрубок (подача воздуха); 7 — сопло; 8 — нижнее отверстие; 9 — основноеотверстие; 10 — заслонка; 11 — зонт
Это нагревательное устройство состоит из камеры нагрева и топочнойкамеры, облицованных изнутри кирпичом. Воздух подается в камеру нагрева попатрубку, через коническое сопло с двумя отверстиями. Горн работает на жидкомтопливе — мазуте, которое подается сверху через воронку. Мазут стекает по соплук отверстию, струей воздуха подхватывается, распыляется и сгорает. Поджигаютжидкий мазут в смеси с воздухом через специальное окно, введя в него запал(горящий факел). Увеличивая подачу воздуха и топлива добиваются нужного режимагорения.
Кузнечные меха.
/>Меха изображены на рис. 50.
Рис. 50. Меха: 1 — голова; 2 — сопло; 3 — рукоятка; 4 — коромысло; 5 — стенка горна; 6 — стойка; 7 — тяга; 8,12- грузы; 9, 11, 15 — доски; 10 — кожаная гармошка; 13, 14 — клапаны Голова- основная часть мехов. К ней прикреплены три клиновидные доски: верхняя инижняя шарнирно, а средняя — жестко. Нижняя и средняя доски имеют клапаны длязабора воздуха, это куски кожи, прибитые одной стороной к доскам, перекрывающиекруглое отверстие в нижней и средней доске. Сверху над кожей прибит ремешок,ограничивающий подъем клапана. Кожаная гармошка соединяет верхнюю и нижнююподвижные доски со средней неподвижной. Гармошка состоит как правило из трехотделенных складок, каждая из которых соединяется с внутренним деревяннымкаркасом, по форме совпадающим с периметром досок. Кожа прибивается к каркасу черезтонкие ремешки, чтобы гвоздь не прорвал кожу.
Голова жестко крепится к стене горна, при этом сопло плотно входит вфурму. С помощью цапф осуществляется второе жесткое крепление мехов. Работаетмехами либо сам кузнец или его помощник. Клинчатые меха дают спокойное дутье изаготовки нагреваются равномерно. Если надо увеличить подачу воздуха на верхнююдоску, кладут груз, а к нижней подвешивают груз. Размеры горна и проводимыеработы диктуют габариты мехов. Они могут быть метровые, полутораметровые и двухметровые.Известно, что на изготовление одного меха шло от одной до трех воловьих шкур. Ивсе было бы замечательно, если бы эти меха не были бы так громоздки, не такбыстро изнашивались из-за перегрева. К тому же довольно низкаяпроизводительность и трудоемкость процесса качания сделали кузнечные мехаэкспонатами этнографических музеев.
На вооружение кузнецам взамен мехов приходят механические вентиляторы сручным или ножным приводом.
В современных кузницах применяют мощные вентиляторы, турбины сэлектроприводом. Недостатки этих устройств — это повышенная вибрация, шум.
Топливо для горнов.
Топливо для нагрева заготовок используют в нескольких видах: твердое — дрова, древесный уголь, кокс и уголь, жидкое — нефть и его производные(керосин, уайт-спирт, бензин), газообразное — природный газ.
Термическая обработка стали и цветных металлов.
Отжиг — нагревание стального изделия до температуры 700-900°С (взависимости от марки стали) и охлаждение вместе с печью. Отжиг применяют приизготовлении из одного законченного изделия другое или в случае неудачнойзакалки.
Если закаливать неотожженное изделие, в нем могут возникнуть трещины,структура металла станет неоднородной, качество изделия резко ухудшается.
Мелкие детали отжигают, нагревая на массивных стальных плитах илиуглях, которые предварительно раскаляют. После детали медленно остывают вместес нагревателем. Иногда изделие нагревают ацетиленовой горелкой, которуюпостепенно отводят от изделия, делая процесс охлаждения медленным. Этот методхорош для отжига небольших стальных изделий.
Нормализация — нагрев стали до температуры 900°С с последующимохлаждением в нормальных условиях (на воздухе) для улучшения внутреннеймикроструктуры стали и повышения механических свойств и для подготовки ее кпоследующей термической обработке.
Закалка — придание стальному изделию высокой прочности и твердости. Ноот закалки сталь становится более хрупкой. Этот недостаток устраняется впроцессе отпуска стали. При закалке металл нагревают до высокой температуры, азатем быстро охлаждают в специальных охлаждающих средах (воде, масле и т.п.).Из одной и той же заготовки можно получить различные структуры и свойства, взависимости от режима закалки изделия. Для достижения наилучших результатовстальные изделия постепенно нагревают до температуры 750-850°С. Затемразогретое изделие быстро охлаждают до температуры примерно 400°С. Охлаждениедолжно происходить не меньше чем на 150°С в секунду, то есть охлаждение должнопроизойти всего в 2-3 секунды. Скорость дальнейшего охлаждения до нормальнойтемпературы может быть любой, так как структура, полученная при закалке,достаточно устойчива и скорость дальнейшего охлаждения на нее не оказываетвлияния. Охлаждающей средой чаще всего бывает вода или трансформаторное масло.В воде металл остывает с большей скоростью, чем в масле: температура воды 18°С- за секунду металл остывает на 600°С, а в масле всего на 150°С. Для повышениязакаливающей способности в воду иногда добавляют до 10% поваренной соли или10-12% серной кислоты, например при закалке плашек или метчиков. Более высокийнагрев и чрезмерно быстрое охлаждение водой приводит к нежелательнымрезультатам — деформации стали и появлению в ней излишнего качества — напряжений. Для закалки инструментов из углеродистой стали применяют закалочныепечи с температурой нагрева до 900°С, а для инструментов из легированных ибыстрорежущих сталей — до 1325°С. Печи для закалки изделий бывают: камерные илипламенные, в которых изделие нагревают открытым пламенем; муфельные — нагревающие за счет сопротивления электрических обмоток; печи-ванны — представляющие собой тигли, наполненные расплавами солей, к примеру хлористымбарием. В ваннах закалочное нагревание производить удобнее, т.к. температурасодержащегося в ней расплава всегда постоянна и закаливаемое изделие не можетнагреться выше этой температуры. К тому же известно, что нагрев в жидкостнойсреде происходит быстрее, чем в воздушной.
Таблица 5
Таблица состава закалочных ванн
В малогабаритных мастерских для закалочного нагрева лучше пользоватьсямуфельными электрическими печами, например МП-8. В холодную муфельную печьпомещают изделие или деталь и затем включают для медленного нагрева дотребуемой температуры. При таком способе нагрева возникающее в изделиинапряжение минимально.
Отпуск смягчает негативные явления при закалке, повышает вязкость иуменьшает хрупкость изделия. Еще отпуск устраняет большую часть внутреннихнапряжений, возникающих при закалке. Для определения температуры при отпускеизделия пользуются таблицей цветов побежалости. Тонкая пленка окислов железа,придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого досерого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделиенагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температурыокисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаковопроявляются как на сырой, так и на закаленной стали.
Таблица 6
Таблица температуры нагрева стали и соответствующие цвета
При закалке многих инструментов, например молотков, чеканов, резцов идругих, требуется, чтобы закаленной была только рабочая часть, а сам инструментоставался бы сырым, незакаленным. В этом случае инструмент нагревают немноговыше рабочего конца до требуемой температуры, после чего опускают в воду толькорабочую часть. Вынув инструмент из воды, быстро зачищают шкуркой или трением оземлю его рабочую часть. Оставшееся в неохлажденной части тепло подниметтемпературу охлаждаемого конца и появится на нем нужный цвет побежалости, послеэтого инструмент окончательно охлаждают.
Таблица7
Таблица определения температуры нагрева по цветам побежалости
Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла,деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скоростьнагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либомеханическим способом, либо химическим (травлением).
Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделияобезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненноймеханической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление иобезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т.е. чем больше нагрев, тембыстрее идут процессы.
Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалкуприменить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г,графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят наизделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. Послезакалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупрежденияобразования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытиебурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водныйраствор или порошок буры.
Углеродистые стали при закалке лучше охлаждать сначала в воде дотемпературы 400-35°С, а затем в масле. Это предотвращает возникновениевнутреннего напряжения. Во время охлаждения изделие рекомендуется быстроперемещать сверху вниз.
Тонкостенные длинные детали (например, ножи) для охлаждения опускают вводу или масло строго вертикально, в противном случае они могут сильнодеформироваться.
Зубила целесообразно закалить в мокром песке, который увлажняютраствором соли.
Тонкие сверла закаливают в сургуче. Для этого разогретый досветло-красного цвета конец сверла погружают в сургуч и оставляют там дополного охлаждения.
Химико-термическая обработка стали.
Благодаря такой обработке меняется не только структура металла, но ихимический состав его верхнего слоя и деталь может иметь вязкую сердцевину,выдерживающую ударные нагрузки, высокую твердость и износность. Из существующихспособов химико-термической обработки стали в условиях небольшой мастерскойможно выполнять только цементацию. Цементация — это науглероживание поверхностистали. Этому процессу подвергают чаще всего изделия из малоуглеродистых сталей,содержащих не более 0,2% углерода и некоторых легированных сталей. Детали,предназначенные для цементации, сначала очищают. Поверхности не подлежащиенауглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементнымиобмазками.
1-ый состав простейшей обмазки: огнеупорная глина с добавлением 10%асбестового порошка, вода. Смесь разводят до консистенции густой сметаны инаносят на нужные участки поверхности изделия. После высыхания обмазки можнопроизводить дальнейшую цементацию изделия.
2-ой состав применяемой обмазки: каолин — 25%, тальк — 50%: вода — 25%.Разводят эту смесь жидким стеклом или силикатным клеем.
Цементацию делают после полного высыхания обмазки.
Вещества, которые входят в состав обмазки, называют карбюризаторами.Они бывают твердые, жидкие и газообразные.
В условиях домашней небольшой мастерской удобнее осуществлятьцементацию с помощью пасты. Это цементация в твердом карбюризаторе. В составпасты входят: сажа — 55%, кальцинированная сода — 30%, щавелевокислый натрий — 15%, вода для образования сметанообразной массы. Пасту наносят на нужныеучастки изделия, дают высохнуть. Затем изделие помещают в печь, выдерживая притемпературе 900-920°С в течение 2-2,5 часов. При использовании такой пастыцементация обеспечивает толщину науглероженного слоя 0,7-0,8 мм.
Жидкостная цементация также возможна в небольшой мастерской при наличиипечи-ванной, в которой и происходит науглероживание инструментов и другихизделий. В состав жидкости входят: сода — 75-85%, 10-15% хлористого натрия,6-10% карбида кремния. Печь-ванну наполняют этим составом и погружают изделиеили инструмент. Процесс протекает при температуре 850-860°С в течение 1,5-2часов; толщина науглероженного слоя достигает при этом 0,3-0,4 мм.
Газовую цементацию производят в смеси раскаленных газов, содержащихметан, окись углерода в специальных камерах при температуре 900-950°С и тольков производственных условиях. После цементации детали охлаждают вместе с печью,затем закаляют при 760-780°С е окончательным охлаждением в масле.
Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности еепроведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимознать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства ихарактеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла своздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалинызависит от температуры и продолжительности нагрева, химического составаметалла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, принагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.
Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практическине окисляются. Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины,который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается приковке. Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в2-4 мм.
Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшаетсязакаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеровс последующей закалкой.
Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстронагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь,где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные ивысокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.
При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и егопластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме«железо-углерод», где определены температуры для начала и концаковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термическойобработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металладо еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушениесвязей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке. Пережог — неисправимый брак. Если заготовку ковать нагрев до температуры ниже Тн, то этоприведет к образованию трещин. При температуре на 20-30°С выше температуры Тк вметалле происходит раскристаллизация и структура остается мелкозернистой. Наэтом этапе надо заканчивать ковку.
При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше числонагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой илилегированной стали.
Итак. При нагревеметалла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температуройконца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а приинтенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что надревесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочнойтемпературы за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25минут, отслеживая цвет каления.
Техника безопасности при кузнечных работах.
· Работы с раскаленным металлом относятся к разряду работповышенной опасности. Большое значение должно быть уделено качеству ручного исъемного инструмента, одежде и средствам защиты.
· Одежда кузнеца: куртка из плотной хлопчатобумажной ткани сдлинными рукавами, застегивающимися манжетами, нижняя часть куртки должнаперекрывать верхнюю часть брюк, которые также сшиты из прочной ткани; брюки всвою очередь должны быть такой длины, чтобы закрывать верх ботинок; ботинкилучше иметь на толстой кожаной подошве. Рукавицы рекомендуется иметь избрезента, а некоторые должны иметь асбестовые накладки. Фартук — также изтолстого брезента, асбестовой ткани или кожи должен прикрывать грудь и бытьдлиной ниже колен. На фартуке может быть сделан один карман на груди или справау пояса.
· Кузнец должен иметь головной убор из фетра, ткани или налобнаяповязка. Головной убор предохраняет волосы от загрязнения и перегрева.
· Перед началом работы в кузнице необходимо убедиться в исправностимолота, ручника, установки наковальни, горна и воздуховодов. При нормальнойустановке наковальни се рабочая поверхность должна находиться над уровнем полана высоте 650-800 мм. То есть кузнец, стоя на полу, мог касаться сжатым в кулакпальцами поверхности наковальни. Между наковальней и горном должно быть неменее 1,5м. При проверке наковальни «на удар» звук должен бытьчистым, звонким, без дребезжания. Это свидетельствует об отсутствии трещин. Доначала работы установить защитные экраны: для предохранения окружения отпоражения отлетающей окалиной или частицами металла, а также от вредноготеплового воздействия.
· Разрешается работать только проверенным на исправность инструментом,расположенным на рабочем месте с максимальным удобством, не допуская ничеголишнего.
· Пол должен быть ровным и сухим. В кузнице должна быть емкость спеском для засыпки скользких мест.
· В бачке для охлаждения металла должна быть чистая вода и емкостьс машинным маслом.
· Во время работы следует пользоваться защитной маской или очками снебьющимся стеклом, а при работе с нагретыми до белого каления поковками — очками со светофильтрами.
· Нельзя смотреть не защищенными глазами на яркий свет (пламя). Этоможет привести к ослаблению или потере зрения.
· При работе нельзя отвлекаться и разговаривать.
· При ковке заготовки необходимо следить за температурным режимом.
· Ковка перегретого или охлажденного ниже нормы металлазапрещается, так как это может быть причиной несчастного случая.
· Поковку надо брать клещами, губки должны плотно обхватывать ее, арукоятки клещей должны не смыкаться, а пружинить.
· Ручки инструмента при ударах надо держать только сбоку от себя, ане перед собой.
· Молотобоец должен стоять вполоборота к кузнецу, а не напротив.Команды для молотобойца следует подавать четко и громко: «наложи»,«бей сильно», «бей раз», «бей до команды»,«стой» и показывать молотком место удара. Наносить удары можно толькопо листу ковки.
· Исключаются холостые удары по наковальне.
· Окончание ковки производят по команде «стой», а неснятием поковки с наковальни.
· При рубке металла зубило ставить только строго вертикально. Рубкупроизводят только по краю наковальни, делая первый и последний удары слабыми.Отрубленный конец поковки следует направлять от себя и в безопасную сторону.
· Удары кувалдой наносить прямо, всем бойком.
· По окончании работы отключают воздуходувное устройство и приводятпомещение в порядок.