В кузнечном ремесле приходится иметь дело с различными сплавами, цветными металлами, со сталями разных марок. Для нагрева до ковочной температуры одинаковых по размерам заготовок, но разных типов металла требуется сжечь разное количество топлива.

Теплопроводность металла - это скорость нагрева заготовки по сечению. Чем меньше теплопроводность металла, тем больше опасность образования трещин при нагреве. Например, теплопроводность сталей, особенно легированных, в пять раз меньше теплопроводности меди и алюминия. С теплоемкостью связан расход топлива для нагрева заготовки до нужной температуры. Наибольшую теплоемкость имеет стать при температуре 800-1100°С. Значит чем выше теплоемкость металла, тем больше расходуется топлива. Для кузнечных работ применяются ковкие и пластичные металлы и сплавы. Из черных металлов этими качествами обладают некоторые стали - сплав железа с углеродом. В зависимости от количества содержания углерода стали различаются как низкоуглеродистые (до 0,25% углерода), средние (0,25-0,6%) и высокоуглеродистые (0,6-2%). Увеличение содержания углерода увеличивает твердость стали, но уменьшает ковкость и теплопроводность. По своему строению сталь представляет из себя тело, образованное из кристаллических зерен, связанных между собой силой межкристаллического сцепления. В сплав стали обязательными компонентами являются железо, углерод, кремний, сера, марганец, фосфор. При содержании углерода до 0,1% сталь мягкая, хорошо куется, сваривается кузнечным способом, не принимая закалки. Такую сталь в практике называют железом. Сталь, которая отвечает 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 хорошо куется при надлежащем нагреве, хорошо закаливается, но плохо сваривается.

При содержании углерода от 0,6 до 1,35% сталь считается высокоуглеродистой (инструментальной). Куется довольно трудно, требует очень умелого проведения нагрева и самой ковки при определенных температурах.

Таблица 1. Температуры начала и конца ковки углеродистых сталей

Марка стали	Т°С ковки		Марка стали	Т°С ковки
	Начало	Конец		Начало	Конец
Ст1	1300	900	У7, У8	1150	800
Ст2	1250	850	У9
Ст3	1200	850	У10, У12	1130	870

Чугун - это сталь, содержащая до 2% углерода, он хрупкий, не поддающийся ковке сплав.

Другие примеси, кроме углерода, также влияют на качество металла. Так сера и фосфор - вредные примеси.

При содержании серы более 0,04% сталь становится красноломкой, т.е. при нагреве до красного каления металл разрушается под ударами молота, а фосфор (более 0,05%) делает сталь хрупкой в холодном состоянии. Никель повышает прочность стали, а хром - твердость и износостойкость, но зато теплопроводность стали снижается, марганец уменьшает вредное влияние серы и увеличивает твердость, прочность, снижает теплопроводность. Кремний повышает прочность и упругость, но снижает вязкость и свариваемость. Для маркировки легированных сталей, применяемых в основном для изготовления кузнечного инструмента, работающих при ударных и высокотемпературных режимах приняты специальные обозначения наиболее распространенных легирующих элементов: С - кремний, Г - марганец, Н - никель, Т - титан, X - хром, Ю - алюминий, А - пониженное содержание серы и фосфора. Например, марка 18ХГТ - сталь содержит до 0,18% углерода, до 1% хрома, марганца, титана. 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. Такие стали обозначают буквой У. Следующая за ней цифра обозначает процентное содержание углерода. Например, сталь У9 - сталь инструментальная 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 ковкостью отличаются алюминиевые сплавы.

Рис. 1. Рекристаллизация стали: 1 - молот; 2 - наковальня; 3 - состояние кристаллов до ковки: 4 - кристаллы, подвергающиеся ковке; 5 - кристаллы после ковки

Все металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение, то есть состоят из отдельных прочно сросшихся друг с другом зерен, между которыми располагаются в виде тонких прослоек неметаллические вкрапления различных оксидов, карбидов и других соединений. Размеры зерна составляют 0,01-0,2 мм и оно тоже имеет кристаллическое строение.

Что же происходит в металле во время ударов молота?

При ковке деформация происходит вследствие скольжения зерен относительно друг друга, потому что прочность зерен больше, чем связь между ними. В результате ковки зерна металла вытягиваются в направлении течения металла и это ведет к образованию мелкозернистой структуры (рис. 29).

Вместе с ними вытягиваются и неметаллические вкрапления, которые придают металлу волокнистое строение. Это можно видеть невооруженным глазом. Прочностные качества металла зависят от температуры конца ковки: чем выше температуре металла в момент окончания деформации, тем лучше механические свойства металла (зерно крупнее).

Изменения, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении, можно определить по диаграмме состояния, которая представляет собой графическое отображение фазового состава и структуры сплавов в условиях равновесия в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Эта диаграмма имеет важное значение для обоснованного выбора тепловых режимов всех видов горячей обработки стали. По оси ординат - температура сплава, по оси абсцисс - содержание углерода. На диаграмме отмечены критические точки, при температуре которых происходят структурные превращения. При рассмотрении диаграммы заметим, что изменения в структуре происходят выше линии РS, так как феррит переходит в аустенит, а это значит улучшается ковкость, пластичность металла. Между линиями GS и PS присутствую зерна феррита. Ниже линии РS аустенит переходит в феррит, т.е. металл имеет высокую степень пластичности, но небольшую твердость и прочность. Между линиями АЕ и GS располагается зона благоприятных температур и структуры металла для ковки.

При температуре нагрева 1500°С, т.е. выше линии АС, сталь пребывает в жидком состоянии.

Кузнец должен уметь выбрать сталь, которая по своим качествам будет соответствовать задуманному изделию.

Завод поставщик прокатанную заготовку маркирует клеймом и окрашивает краской, согласно установленному цвету для каждой марки стали. В табл. 2 приведены установленные цвета для сталей, употребляемых для художественной ковки.

Таблица 2. Цвета для сталей, употребляемых для художественной ковки

Марки стали	Клеймо окраски	Марки стали	Клеймо окраски
Ст1	белый	У7	синий+красный
Ст2	желтый	У8	синий+желтый
Ст3	красный	У9	синий +розовый
Ст4	черный	У10	синий+черный
Ст5	зеленый	У12	синий+зеленый
Ст6	синий

При расходовании стали в первую очередь отрубают неокрашенный конец, конец с клеймом расходуется в последнюю очередь. Но часто кузнецу приходится иметь дело с уже побывавшем в обработке металлом или заготовки утеряли клеймо. Как определить марку стали? Оказывается, есть способы определения марки металла в условиях своей мастерской.

Рис. 2. Определение стали по искре

Различные стали имеют характерные им искры. При касании образца с вращающимся наждачным камнем происходит искрение. В мастерской необходимо иметь набор образцов различных марок стали с клеймами, который может служить эталоном при определении марки стали по искре. Этот способ дает возможность определить количество углерода в стали до 0,2% и есть ли в ней вольфрам и хром. Искры хорошо видны на черном фоне, который рекомендуется подкладывать под пучок искр. Расположить образец относительно вращающегося диска при испытании надо так, чтобы пучок искр был длиной примерно 30 см перпендикулярно линии зрения.

Глаза необходимо защитить очками.

Длина искры зависит от силы надавливания на вращающийся диск и, стало быть, добиться одинаковой длины искры можно, определив степень и равномерность надавливания и ее сохранять во время испытаний. Неравномерное давление образца на круг может дать искаженный результат. При образовании искры следует внимательно наблюдать за длиной искры, ее количеством, окраской и характером звездочек (рис. 2).

1. Если содержание углерода около 0,12%, то искра оставляет след прямой линии, имеющей светлое и темно-красное утолщения. Пучок длинный и светлый.
2. Если содержание углерода 0,5%, пучок короче, также светлый, но от первого утолщения начинают отделяться звездочки.
3. Инструментальная сталь с содержанием 1% углерода дает короткий и широкий веер красноватых искр, а от первого утолщения отделяется сноп искр.
4. Характерным для марганцовых сталей является образование звездочек на концах первого утолщения. Вид пучка зависит от содержания углерода.
5. Хромистая сталь дает длинный веер искр, иногда красноватый с разрывом и с отделяющимися звездочками - это очень характерно.
6. Вольфрамовая сталь дает прерывистую темно-красную искру со светлым утолщением на конце.
7. Хромвольфрамовая сталь средней твердости дает двойную искру: красную толстую и длинную и темно-красную тонкую и короткую.
8. Быстрорежущая сталь имеет такие же 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.

Марка стали	Цвет искры	Форма искры и звездочек
Ст2, Ст3	Светло-желтый	Разветвлений искр мало, нити тонкие
Ст4		Разветвлений мало, нити гуще, чем у Ст2
Сталь 10		Разветвлений мало, нити острые, немного звездочек
Стали 15, 20		Разветвлений и звездочек больше, чем у стали 10
Стали 20, 30		Разветвлений и звездочек больше, чем у сталей 15, 20
У8, У10		Разветвлений и звездочек много, концы нитей тонкие
У12		Звездочки мелкие, густые
Стали 40, 45N		Сильное разветвление, звездочки круглые, концы нитей острые

Известно, что не всякая сталь закаливается. Это тоже способ определения марки 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.

Т°С	Цвет каления	Т°С	Цвет каления
400	очень темно-красный	900	красный
500	темно-красный	950	ярко-красный
550	темно-вишневый	1000	лимонно-желтый
600	средне-вишневый	1100	светло-желтый
750	вишнево-красный	1200	желто-белый
800	светло-вишневый	1400	ярко-белый
850	светло-красный	1600	ослепительно бело-голубой

Просмотров: 178153 · Комментарии · Версия для печати

заготовки заготовок ковки ковкие металл металла металлами металлов металлы нагрева нагреве низкоуглеродистые работ сталей стали сталями стать топлива углерода углеродом