Основы кузнечного дела

Кузница. Это место, где мастер выполняет все кузнечные работы. Оптимально, когда кузница представляет собой отдельное просторное помещение, на 10-15 метров удаленное от жилища. Но если такого помещения нет, то для начала можно устроить крытый навес во дворе и оснастить его самыми необходимыми приспособлениями.

Самые необходимые приспособления включают в себя кузнечный горн, наковальню, стол для выполнения кузнечных работ, слесарный верстак, подставка или стеллаж для кузнечного и слесарного инструмента, равно как и сам кузнечный и слесарный инструмент, бак с холодной водой. Пригодиться в кузнице могут точило, сварочный аппарат, давильные прессы.

Основа оснащения кузницы - горн. По сути дела, горн - это простейшая печь для нагрева кузнечных заготовок и прогрева поковок в процессе работы. Топливом для гона является каменный или древесный уголь. В отличие от обычной печи горн имеет открытую топку и принудительную подачу воздуха, осуществляемую при помощи разных приспособлений.

В старинных кузницах устанавливали монументальные сооружения - стационарные горны. Вначале ставили деревянный сруб высотой по пояс и плотно набивали его горелой землей, песком, битым мелким камнем или глиной. В середине сруба делали углубление (горнило) и сбоку подводили к нему толстую чугунную или медную трубу (фурму). Другой конец фурмы соединяли с мехами (рис.81). Воздух из мехов подавался через фурму в горнило к горящим в нем углям. Этот процесс и есть дутье. Чем сильнее поток воздуха, тем выше становилась температура в горниле. Выкладывали классические кузнечные горны и из кирпича.

Если у вас есть возможность, постройте горн. Он прослужит очень долго. Конечно современный горн, даже если он построен по принципу классического, будет выглядеть немного иначе.

Горн в кузнице устанавливают по центру стены, противоположной входу. Постамент стола выполняется так же, как у классического горна. Это может быть и деревянный сруб, и кирпичный постамент, заполненный изнутри песком, глиной и пр. Оптимальная высота стола - 70-80 см., а размеры сторон достигают 1,5-2 метров и даже больше, если стол устанавливается с расчетом на изготовление крупных изделий вроде оград. Поверхность стола горна выкладывают из огнеупорного кирпича, железобетона, пиленого камня. В центре стола располагают очаг или так называемое горновое гнездо. Оно может иметь круглую или квадратную форму размером 20х20 или 40х40 см при глубине 10-15 см. В это отверстие вставляется фурма. Она представляет собой толстостенный резервуар, сверху накрытый подовой доской. Сбоку к фурме приваривают патрубок - отрезок трубы из тугоплавкой стали. Противоположный конец патрубка соединяют с нагнетающим устройством (вентилятором, нагнетающим гнездом пылесоса, компрессора или мехами). Воздух от нагнетающего устройства через патрубок подводится в корпус фурмы, а затем через подовую доску попадает в зону горения. От конфигурации отверстий подовой доски зависит вид пламени. Так, равномерно расположенные круглые отверстия дают цилиндрическое факельное пламя, а щелевые отверстия (в том числе и обычная печная колосниковая решетка) - узкое и удлиненное пламя.

Разжигают кузнечный горн следующим образом. В горнило на подовую доску насыпают тонкий слой угля, сверху кладут слой стружек и мелких древесных щепок, смоченных керосином. Сверху укладывают немного сухих дров. На горящие дрова насыпают еще один слой угля и начинают дутье. Как только угль раскалится докрасна, можно начинать нагрев заготовок. Периодически уголь сбрызгивают водой, чтобы сверху образовалась корочка, удерживающая внутри горящей массы высокую температуру. Зола от перегоревших дров и угля просыпается в фурму. Периодически фурму очищают от золы. Для этого дно фурмы оснащают так называемой донной крышкой.

Постамент кузнечного стола можно собрать из стальных уголков, соединив их сваркой или болтами так, чтобы верхние уголки для плоскости стола были развернуты ребрами вверх. В образовавшуюся раму укладывают толстый железный лист с отверстием для фурмы. Остальное пространство стола закладывают кирпичом или другим материалом, как и в первом случае.

Для нагрева заготовок можно использовать и паяльную лампу. Ее устанавливают в заранее приготовленную ямку, а рядом складывают небольшую печь из огнеупорного кирпича. Можно соорудить конструкцию, в которой паяльная лампа будет располагаться под печью, давая кузнецу больше свободы в перемещениях. Для этого кирпичи ставят на торец, укладывают на них колосниковую решетку, а на нее устанавливают в виде печи четыре кирпича. В это углубление засыпают уголь. Паяльную лампу с помощью патрубка подводят под колосниковую решетку. Заготовки в этом случае закладывают в щель между кирпичами. Использовать такую печь можно лишь для заготовок небольшого размера .

Над горном надо обязательно сделать горновой кожух. Это обычная вытяжка для отвода образующихся во время работы вредных газов. Размеры нижнего входного отверстия кожуха соответствуют размерам кузнечного стола. Укрепляют вытяжку на высоте 50-60 см от рабочей поверхности стола. Вообще, чем ниже установлена вытяжка, тем эффективней она работает. Если в соответствии с вашим ростом можно понизить уровень входного отверстия вытяжки, сделайте это. Лучший вариант горнового кожуха - закрепленная металлической рамой вытяжка, выполненная из огнеупорного кирпича. Можно сделать кожух из листового железа толщиной 0,5-1,5 мм. Главный недостаток металлических кожухов - быстрое прогорание (окисление под воздействием высокой температуры и газов с последующим разрушением).

Оптимальный вариант - устройство кузницы в отдельном помещении. Как уже говорилось, горн устанавливают в центре стены, противоположной входу. Наковальню размещают на расстоянии 1-2 метра от горна, чтобы ее конический рог находился слева от кузнеца, стоящего спиной к горну. Вокруг наковальни должно быть достаточно пространства для свободных перемещений кузнеца и, при необходимости, работы молотобойца. Между наковальней и горном располагают бочку с водой для охлаждения поковок и инструмента. Вода пригодится и в момент пожарной опасности. Чтобы вода в бочке была постоянно холодной, ее на 2/3 зарывают в землю. Рядом с наковальней должен быть столик для кузнечного инструмента. Чтобы он занимал меньше места, его можно сделать двухъярусным - на верхней плоскости размещают инструмент, которым пользуются часто, на нижней полке менее ходовой. У соседней стены размещают кузнечные тиски, на которых производят высадку, гибку, скручивание. Рядом с тисками - слесарный верстак. В углах располагают ящики с углем, дровами, песком.

Материалы. Основной материал, который используют в своем деле кузнецы - сталь. Общеизвестно, что сталь - это сплав железа с углеродом. По доле углерода в сплаве стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25% углерода), среднеуглеродистые (0,25-0,6%) и высокоуглеродистые (0,6-2%). Повышение содержания углерода в стали увеличивает ее твердость и закаливаемость, но снижает пластичность и ковкость. Для улучшения физико-механических свойств сталей в них вводят различные добавки. Это могут быть никель, мышьяк, медь, фосфор, сера и др. Причем содержание добавок в сплаве четко контролируется, ведь при превышении некоторого порога вместо улучшения качества можно получить обратный эффект. Особенно важно не допустить превышения содержания в сплаве серы и фосфора. Чем меньше в стали этих примесей, тем выше ее качество.

В зависимости от химического состава стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые в свою очередь подразделяются на стали обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и стали специального назначения. Благодаря своей пластичности, для кузнечных работ хорошо подходят стали обычного качества с содержанием углерода от 0,1 до 0,3%. Эти стали хорошо свариваются, легко режутся. Маркировки таких сталей Ст0, Ст1, Ст2. В принципе, вполне удовлетворительно и качество сталей Ст3-Ст6. Чаще всего они встречаются в виде проволоки, прутков, полос и листов. Наиболее доступным источником нужной стали является металлолом. При этом имейте в виду, что из стали Ст0 чаще всего изготовляют строительную арматуру, из стали Ст1 - сварочные конструкции, из стали Ст2 и Ст3 - железнодорожные костыли, болты, гайки, гвозди.

Название "углеродистые качественные стали" подразумевает пониженное содержание вредных примесей и, как следствие, повышение качества и улучшение механических свойств. Лучше всего для ковки подходят качественные стали марок Ст10 и Ст15 (0,10 и 0,15% углерода соответственно).

Из углеродистых инструментальных сталей изготавливают различные инструменты. Маркировка этих сталей начинается с буквы "У", после которой цифрами проставляют содержание углерода в десятых долях процента. Например, стали марки У9 содержит 0,9% углерода. Инструментальную сталь также можно использовать в изделиях, материалом для которых послужит какой-нибудь пришедший в негодность инструмент.

Легированные стали в обязательном порядке содержат добавки, нацеленные на придание стали тех или иных качеств. Например, уже упоминавшийся никель придает стали прочность и твердость, повышает устойчивость к коррозии. Вольфрам и ванадий увеличивают жаропрочность и притормаживают образование окалины при нагреве стали до высоких температур. Кремний придает упругость. Легированные стали, в зависимости от приобретенных в результате легирования свойств, применяются в конструкциях, которые должны выдерживать серьезные физико-механические или физико-химические нагрузки. Изготавливают из них и разнообразные инструменты. Из цветных металлов в кузнечном деле используют в основном медь и ее сплавы (латунь, бронзу), а также алюминий и его сплавы.

Хорошо, если в руки попадают заводские материалы с проставленной маркировкой. А если работать придется с металлом, переработанным из металлолома? Как определить его марку? Все, что вам потребуется, - это точильный круг. Дело в том, что мелкая металлическая стружка, образующаяся при обработке металла на точильном круге, дает сноп искр, совершенно уникальный для каждого металла (сплава). По характерным особенностям искр и определяют, с каким металлом имеют дело. Поскольку внешний вид меди, латуни, бронзы, алюминия и его сплавов узнаваем достаточно легко, затруднения может вызвать лишь определение марки стали.

Низкоуглеродистая сталь, содержащая приблизительно 0,1-0,2% углерода, выбрасывает из-под точильного круга искры, расходящиеся веером в виде слегка изогнутых черточек желто-соломенного цвета с утолщением в середине и на конце. С повышением содержания углерода, основной рисунок искр остается прежним, но вокруг веера возникает все больше ярких звездочек. Например, сноп искр стали с содержанием углерода 0,5% имеет вид такого же веера из слегка изогнутых черточек, но в районе среднего утолщения от снопа отделяется небольшое количество искорок, которые сверкают отдельными звездочками. Высокоуглеродистая сталь, в том числе и инструментальная, дает искры с обильными звездочками.

В таблице, помещенной ниже, сведены характеристики искр и звездочек наиболее употребляемых в кузнечном деле марок стали.

Цвета искр углеродистых сталей меняются в гамме оттенков соломенно-желтого и светло-желтого. У хромистой стали искры длинные. От основной ветки в разных направлениях отлетают короткие тонкие веточки искр со звездочками на конце. Цвет искр хромистой стали оранжево-красный. Искры вольфрамовой стали прерывистые, с небольшими утолщениями на конце.

Определение марки стали по искре

Главным элементом каждой кузницы является горн, в котором накаляют материал так, что его твердость во много раз снижается и уступает место пластичности. Кузнецу остается только вылепить из податливого материала нужный предмет.

В зависимости от химического состава каждый материал имеет свою ковочную температуру, вернее интервал температур. Верхней границей этого интервала является температура, до которой нагревают заготовку в горне перед ковкой. Затем приступают непосредственно к ковке и продолжают работать с накаленной заготовкой до тех пор, пока она не остынет до температуры нижней границы интервала ковочной температуры. В этом интервале температур пластичность металла достаточно высока, следовательно, металл легче обрабатывается и, что тоже важно, от механических воздействий кузнечных инструментов не страдает внутренняя структура металла.

Очень важно уметь правильно определить температуру нагрева заготовки перед началом обработки. Не забывайте, что перегретый металл значительно теряет в пластичности. А сильный перегрев может привести к пережогу металла. Пережженный металл при ковке просто разрушается. Если же начать ковать заготовку, нагретую до температуры ниже ковочной, на ней будут образовываться трещины.

Еще с древности кузнецы научились определять температуру поковок (заготовок) по цвету. Понаблюдайте за нагреваемым металлом. По мере нагревания он одевается в разные краски. Вначале, сменяя друг друга, проходят цвета побежалости. Вслед за последним цветом побежалости появляется первый цвет каления. При дальнейшем нагревании один за другим проходят все цвета каления. При максимальных температурах цвет каления белый с оттенками различной яркости.

Ниже в таблицах приведены температуры, соответствующие различным цветам побежалости и каления стали.

Цвета побежалости и соответствующие температуры для стали

Цвета каления и соответствующие температуры для стали

Заготовку из стали Ст1 вынимают из горна и начинают ковать при температуре 1300° (здесь и далее температура указывается по шкале Цельсия), то есть на пороге белого каления. Прекращают ее ковать, когда температура упадет до 800° . За пределами этого температурного интервала сталь значительно менее пластична, сопротивляется деформации и может разрушиться. Лучший период для ковки стали Ст2 - от 1200° -850° , для У7, У8, У9 - от 1150° -800° . Стали У10, У12, У13 куют в интервале 1130° -870° .

Инструменты. Наковальня - основное опорное приспособление. Верхняя горизонтальная плоскость называется наличником или лицом. Наличник наковальни должен быть закален и хорошо отшлифован. На нем выполняют все основные кузнечные работы. Боковые грани наковальни выполнены под углом 90° к наличнику. Ребра этих граней должны быть довольно острыми, без сколов. На ребрах производят раздачу и гибку материала. Важным элементом наковальни является рог. Встречаются безрогие и однорогие наковальни, но наиболее универсальна двурогая наковальня с коническим рогом и хвостом. Конический рог предназначен для радиусной гибки прутков, полос. На нем же раскатывают и сваривают заготовки в форме колец, выковывают спирали и выполняют многие другие операции. Хвост, расположенный напротив от рога, имеет форму пирамиды. Его используют для гибки и правки замкнутых прямоугольных заготовок.

На наличнике в районе рога сделано круглое отверстие диаметром 15-25 мм для пробивки отверстий в заготовках. У хвоста на наличнике находится квадратное отверстие размером 35х35 мм. В него устанавливают различный подкладной инструмент, облегчающий раздачу, рубку, формовку заготовок.

Для крепления наковальни к подставке на ее нижней плоскости имеются лапы. Подставкой (стулом) для стационарной наковальни может служить массивный пень лиственных пород диаметром 60-70 см и такой же высотой. С помощью скоб наковальню прикрепляют к подставке.

Неустойчиво стоящая подставка затруднит работу на наковальне. По советам мастеров, лучше вкопать ее в землю на глубину не менее 0,5 метров и хорошо утрамбовать землю вокруг подставки. Если вам не удалось подобрать подходящий пень, замените его деревянной или металлической бочкой, туго набитой песком или землей. Сверху положите толстый деревянный брус и нему прикрепите наковальню. Для начальных ознакомительных работ наковальню вам может заменить кусок рельса или толстая металлическая плита.

Ударный инструмент. Главный инструмент в кузне - ударный. Это молотки-ручники (далее ручники), боевые молоты и кувалды.

Ручник - основной инструмент кузнеца. Им мастер кует небольшие изделия и руководит работой молотобойца, если работа идет в паре. Ручником кузнец показывает молотобойцу, в какие места надо наносить удары молотом или кувалдой. В зависимости от обрабатываемой заготовки применяются ручники массой от 0,2 до 5 кг.

Боевые молоты - тяжелые молотки массой 10-12 кг. Рабочей частью молота является головка. Нижняя рабочая поверхность головки называется боем или бойком, верхняя - задком. Задки бывают клиновидными односторонними, двусторонними продольными, двусторонними поперечными. Клиновидным задком разгоняют раскаленный металл вдоль или поперек оси заготовки. Двусторонние продольные и поперечные задки облегчают рубку металла.

Кувалда - тяжелый молот массой до 15 кг - используется при тяжелых кузнечных работах, требующих нанесения сильных ударов. Бойники кувалды имеют плоскую форму.

Рукоятки ударных инструментов выполняют из прочных лиственных пород деревьев (березы, бука, граба, ясеня). Старые мастера предпочитали рукоятки из рябины. Длина рукоятки ручника может достигать длины 60 см. Длина рукоятки молота, в зависимости от его веса и роста молотобойца, достигает 90 см. Очень важно, чтобы рукоятки были гладкими, не имели трещин и заусенцев. В противном случае, можно серьезно поранить руку. Особое внимание следует обратить на крепление рукоятки с головкой. Отверстие в головке, предназначенное для рукоятки называется всадом. После того, как рукоятка вставлена, ее расклинивают (вбивают клин). Самыми надежными считаются металлические заершенные клинья. Вбивать их надо на глубину, равную 2/3 ширины головки молота или кувалды под небольшим углом к оси рукоятки.

Рассмотрим технику ударов подробней. Локтевые (или легкие) удары наносят движением рук от локтя. Предплечье в этом ударе не участвует. Плечевые (или средние) удары наносят движением рук от плеча. Верхняя точка траектории движения молота находится над головой молотобойца на высоте вытянутых рук. При навесных (или сильных) ударах молот описывает в воздухе полный круг (через низ, над спиной, над головой, нанесение удара). Навесные удары наносят при ковке заготовок большой массы или при кузнечной сварке крупных деталей.

Значительно упрощают работу, а часто и расширяют круг возможностей кузнеца различные подкладные инструменты. В зависимости от того, устанавливается ли подкладной инструмент на наковальню (в квадратное отверстие возле хвоста) или под молот (то есть над верхней поверхностью обрабатываемой заготовки), подкладной инструмент делят на нижняк и верхняк. Знакомство с этим инструментом начнем с приспособлений, которые кладут под молот.

Кузнечные зубила используют кузнецы во многих операциях. Они различаются по разным признакам. Во-первых, их подразделяют на зубила для рубки нагретых и холодных заготовок. Зубила для рубки холодных заготовок более массивны, угол заточки их ножа 60° . Для рубки горячих заготовок используют зубила с более тонким ножом. Угол заточки такого ножа - 30° . Различают зубила и в зависимости от формы ножа. Зубила с прямым ножом используются как для поперечной, так и для продольной рубки. Нож зубила для поперечной рубки расположен параллельно оси рукоятки, нож зубила для продольной рубки - перпендикулярно оси рукоятки. Прямые ножи делают с односторонней и двусторонней заточкой. Зубилами с односторонней заточкой получают разрез со строго перпендикулярным торцом. Разрезы с наклонными торцами выполняют зубилами с двусторонней заточкой. Иногда нож зубила оставляют притупленным. Такие зубила используют при украшении поверхности изделия орнаментом.

Для вырубки из листов металла фигурных элементов используют зубила с определенной кривизной ножа в горизонтальной плоскости. Если фигурное украшение вырезают из металлического бруска или другой объемной заготовки, пользуются фасонными зубилами с двойной кривизной ножа.

Пробойники предназначены для пробивки отверстий и различных углублений в нетолстых заготовках. Рабочая часть пробойника называется бородкой. Бородки могут иметь круглую, овальную, квадратную, прямоугольную или фасонную форму. Выбор пробойника зависит от того, какую форму надо придать отверстию или углублению. В тех же целях, но для объемных заготовок используют прошивни или специальные пуасоны. Пуасоны отличаются от пробойников тем, что не имеют рукояток и удерживаются клещами.

Гладилки. После ковки поверхность изделия далеко не идеально гладкая. Для ее выравнивания применяют гладилки. При выравнивании больших плоскостей удобнее пользоваться плоскими гладилками с рабочей поверхностью 10х10 см. Для небольших плоских поверхностей достаточно плоской гладилки с рабочей поверхностью 5х5 см. Для выравнивания радиусных поверхностей используют гладилки с цилиндрической рабочей поверхностью.

Раскатки. Главная роль раскаток - ускорение раздачи (удлинения) раскаленного металла вдоль и поперек оси заготовок. Кроме того, их используют для выбивания на заготовках цилиндрических пазов. Можно применять раскатки и для нанесения узора.

Подкладной инструмент устанавливается в квадратное отверстие на наличнике наковальни. Для этого он снабжен хвостовиком квадратной формы, который легко устанавливается в отверстие.

Подсечки. В одном из методов рубки заготовок используются подсечки. Угол заточки лезвия подсечки 60° . Заготовку накладывают на лезвие подсечки и, ударяя по ней ручником, отрубают необходимую часть.

Конусные оправки и вилки. Для расширения отверстий в заготовке и раздачи колец используют конусные оправки и вилки при выполнении гибочных операций. У опытного мастера со временем собирается целый арсенал различных оправок, которые упрощают ковку уклонов, кузнечную сварку, гибку сложных профилей. Для начала они вам не потребуются. С накоплением опыта вы определите, какие именно вам нужны, и изготовите их сами. Вообще, не надо пугаться представительного набора инструментов. Далеко не все из них потребуются вам с первых же минут работы в роли кузнеца. Чтобы освоить основные приемы кузнечного дела, нужен вполне ограниченный перечень инструментов.

Еще одна группа - парный подкладной инструмент. Парным он называется потому, что включает в себя нижний инструмент, который, как и обычный нижняк, вставляется в квадратное отверстие на наличнике наковальни, и верхний инструмент, который располагают сверху заготовки и держат за рукоятку (как обычный верхняк). В эту группу входят обжимки и подбойки.

Обжимки и подбойки помогают придать уже откованной заготовке правильную цилиндрическую, прямоугольную или многогранную форму. Заготовку располагают между ними. Подбойки используют для продольной и поперечной раздачи металла.

Гвоздильная плита нужна, чтобы изготавливать гвозди, болты и клепки для соединения деталей изделий. Эта плита представляет собой брус со специальными отверстиями разных размеров. Не забывайте, что соединения, выполненные с помощью болтов и заклепок, сделанных из того же металла, что и основное изделие, выглядят гораздо аккуратней.

Плита-форма может стать хорошей помощницей кузнецу. Стальная плита-форма по четырем боковым граням которой имеются углубления различной конфигурации и размеров. На торцевых поверхностям плиты делают сквозные отверстия стандартных форм (круглые, квадратные, треугольные и другие) и фасонные отверстия. Длина боковых граней плиты может достигать 40 см, толщина плиты - 15-20 см. Отверстия на торцевых поверхностях используют для пробивки отверстий такой же формы в обрабатываемых заготовках. Плиту подкладывают под заготовку, которую обрабатывают пробойниками или пуасонами. Углубления на боковых гранях плиты используются для ковки разнообразных фигурных элементов и с успехом заменяют целый набор подкладных штампов.

Клещи. Кузнецы имеют дело с раскаленным металлом. При обработке раскаленную заготовку нужно удерживать в определенном положении. Если для работы каким-либо инструментом, достаточно одной руки, заготовку можно удерживать другой рукой с помощью клещей. Чтобы клещи плотно облегали изделия различной конфигурации, их губкам придают различные формы. Например, держать заготовку цилиндрической формы удобнее клещами с губками в виде полуколец. По форме губок клещи делятся на продольные, поперечные, продольно-поперечные и специальные. Если размер губок клещей оказывается несколько больше размера заготовки, применяют такую хитрость. Губки клещей нагревают в горне, захватывают ими заготовку и обжимают губки по форме заготовки ударами ручника. Кузнечные клещи должны быть легкими, с длинными пружинящими рукоятками. Для надежного удержания заготовок во время работы мастера стягивают рукоятки клещей специальным зажимным кольцом (шпандырем).

Тиски. Для работы с инструментом обе руки кузнеца должны быть высвобождены, поэтому для зажима раскаленных заготовок используют стуловые тиски. Крепят такие тиски массивными болтами или шурупами к основной опоре слесарного верстака. Слесарный верстак необходим в любой кузне, так как для доведения кованого изделия до завершенного вида над ним нередко приходится поработать слесарным инструментом. С основными слесарными инструментами вы постепенно познакомились в процессе изучения первой главы. Добавить можно только точило. Просверливать отверстия для соединения толстых, твердых кованых заготовок лучше всего не вручную, а на сверлильном станке. Удобнее всего расположить тиски так, чтобы расстояние между полом и верхним уровнем губок равнялось 90-100 см.

Вспомогательный инвентарь. В процессе работы нередко приходится производить различные замеры. Для этого хорошо заранее запастись стальными линейками (длиной 25, 50, 100 см), штангенциркулем и угольниками.

Для ухода за горном кузницы потребуется лопата, кочерга, метелка для очистки горна от угольной и шлаковой пыли, какой-нибудь ручной пульверизатор для сбрызгивания угля при спекании купола над очагом, щипцы для угля, ломик для пробивания спекшегося угля (если топливом вашего горна будет уголь). В обязательном порядке в кузнице, помимо емкости с водой, размещается и ящик с сухим песком.