Полевой (походный) горн — переносное или наспех сложенное очаговое устройство для нагрева металла до ковочных температур (750–1250 °C). Его отличие от стационарного кузнечного горна — малый вес, разборность и возможность собрать из подручных материалов: кирпича, глины, камня, отрезка трубы и любых мехов или вентилятора. Горн должен давать устойчивый очаг нужной температуры, концентрировать жар в рабочей зоне и позволять регулировать дутьё.
Требования к горну: рабочая зона (горновое гнездо) диаметром 200–300 мм и глубиной 100–150 мм; подвод воздуха через фурму снизу или сбоку; футеровка, выдерживающая длительный нагрев; возможность уборки шлака и золы. Чем меньше объём зоны горения, тем меньше расход топлива — уголь должен гореть только там, где лежит заготовка.
Простейший полевой горн делают из ящика (или углубления в земле), обмазанного слоем глины 30–50 мм, с чугунной или стальной фурмой — трубой диаметром 25–40 мм, заглублённой в поддувало. Дутьё — ручные кузнечные мехи, ножной или ручной вентилятор, велосипедный насос-мехи. Для нагрева заготовки сечением 20–30 мм достаточно производительности 0,5–1,0 м³/мин при напоре 150–250 мм водяного столба.
Рабочее пространство горна выкладывают огнеупорными материалами. Лучший вариант — шамотный (огнеупорный) кирпич на шамотной глине; в полевых условиях его заменяют смесью глины и песка 1:1 с добавкой до 1/3 шамота (толчёного старого огнеупорного кирпича), а при его отсутствии — чистой жирной глиной с крупным песком и рубленой соломой или волосом для связки и против растрескивания.
Футеровку наносят слоями по 10–15 мм с просушкой каждого слоя, затем медленно прокаливают, постепенно поднимая температуру. Резкий нагрев сырой обмазки даёт трещины и отслоение. Глиняная обмазка должна полностью высохнуть (несколько суток) до первой полноценной топки — иначе пар разорвёт покрытие.
Фурму (сопло) защищают от прогорания: она должна входить в зону горения с заглублением 50–100 мм и иметь небольшой уклон вниз, чтобы шлак и зола не затекали внутрь. Чугунная фурма долговечнее стальной, но хрупка; стальную обмазывают глиной со стороны очага. Отверстие фурмы периодически прочищают кочергой.
Основное топливо — древесный уголь. Он горит чисто, почти без серы (не портит металл), легко разжигается и даёт ровный жар до 1200–1300 °C. Лучший уголь — из берёзы, дуба, бука; хвойный горит быстрее и искрит. Расход древесного угля ≈1 кг на 1 кг нагреваемого железа. Уголь должен быть крупным (куски 30–50 мм), мелкую крошку отсеивают — она спекается и душит горение.
Каменный уголь и кокс дают более высокую температуру и дольше держат жар, но требуют сильного дутья, содержат серу (ухудшающую свариваемость и качество стали) и спекаются в корку, которую приходится пробивать. Кокс применяют для ответственных работ и кузнечной сварки. В полевых условиях каменный уголь перед использованием полезно коксовать обжигом в костре без доступа воздуха.
Дрова годятся только для грубого нагрева и как растопка: они дают много пламени и мало жара, быстро сгорают. Практичная схема — разжечь горн щепой и мелкими дровами, а рабочее топливо держать углём. Заготовку кладут в слой горящего угля, присыпая свежим углём сверху так, чтобы жар охватывал её равномерно.
Наковальня — главный опорный инструмент. Основные части: лицо (рабочая полированная площадка), рог (конический выступ для гибки и колец), хвост (квадратный конец с отверстием для подкладного инструмента) и отверстие под пробойники. Масса стационарной наковальни 60–150 кг; для походной мастерской достаточно 20–40 кг, а при крайней нужде наковальню заменяют куском рельса, тяжёлой чугунной плитой или обрезком двутавра, заделанным в пень.
Наковальню ставят на чурбак (дубовый или берёзовый пень) диаметром 400–500 мм, врытый в землю или скреплённый обручами. Высоту подбирают по руке: лицо наковальни должно находиться на уровне костяшек пальцев опущенной вниз руки кузнеца. Слишком высокая наковальня утомляет и снижает силу удара, низкая — заставляет горбиться.
Наковальню крепят к чурбаку скобами или цепью, чтобы она не «пела» и не прыгала; под основание подкладывают войлок или листовую резину, гасящую звон. Лицо наковальни держат сухим и чистым, без забоин: каждый удар молотком по закалённому лицу оставляет выбоину, отпечатывающуюся на изделии. Наковальню не нагревают — это отпускает её закалённую поверхность.
Ручник — основной молоток кузнеца массой 0,8–1,5 кг на рукоятке 300–350 мм. Им кузнец показывает подручному место удара, нанося лёгкие удары по наковальне или заготовке. Рукоятку делают из ясеня, берёзы, рябины, слегка овального сечения, расклиненную в проушине деревянным или стальным клином.
Кувалда (боёк) массой 4–8 кг на рукоятке 700–900 мм — инструмент подручного для тяжёлой протяжки и осадки. Удары кувалдой наносят всей плоскостью бойка, без перекоса, ритмично, в такт указаниям кузнеца. Боёк и ручник должны быть слегка выпуклыми — плоский боёк оставляет на металле полукруглые забоины.
Подбойки, гладилки, обжимки и пробойники ставят на заготовку, а бьют по ним ручником или кувалдой. Весь ударный инструмент должен иметь исправные, плотно насаженные рукоятки без трещин и сколов; расшатанный молоток — прямая причина травмы и порчи поковки. Перед работой рукоятку замачивают на ночь в воде для разбухания древесины в проушине.
Клещи — второй по важности инструмент. Их подбирают по форме заготовки: плоские губки для полосы и листа, полукруглые для прутка, трубные для круглого проката, для осей и поковок с квадратным сечением. Губки должны плотно охватывать металл без люфта, иначе заготовка выскальзывает. Длина клещей 300–500 мм; для надёжности на рукоятки надевают стяжное кольцо (шплинт).
Подкладной инструмент: гладилки (для выравнивания поверхности), обжимки (для придания круглого или фасонного сечения), подбойки (для углов и переходов), пробойники-бородки (для отверстий), кузнечные зубила, оправки и рожки (для гибки и высадки), шпераки — маленькие наковаленки, вставляемые в отверстие наковальни. Нижники (подсечки) вставляют в квадратное отверстие наковальни.
Стуловые тиски с губками 100–150 мм крепят на отдельном чурбаке, заделывая ножку в землю. В них выполняют скручивание, опиловку, загибку мелких деталей, а также холодную правку. Тиски должны быть массивными: лёгкие слесарные тиски не выдерживают ударов кувалдой и ломаются. Клещи, пробойники и оправки держат у горна на отдельной подставке, чтобы горячий инструмент не обжигал руки.
Правильный нагрев — половина успеха ковки. Заготовку кладут в зону горения и прогревают равномерно, периодически поворачивая. Температуру определяют по цвету каления, который в полутьме виден точнее, чем на ярком свету. Шкала цветов: тёмно-красный 550–650 °C — металл ещё не куётся; вишнёво-красный 700–800 °C — начало ковки мягкой стали; светло-красный 850–950 °C; оранжевый 950–1000 °C; жёлтый 1000–1100 °C — рабочая температура ковки большинства сталей; светло-жёлтый до белого 1200–1300 °C — температура кузнечной сварки.
Сталь нельзя перегревать и пережигать. Перегрев (свыше 1100–1150 °C у большинства углеродистых сталей) даёт крупное зерно и хрупкость; пережог (выше 1200–1250 °C, с искрением и плавлением кромок) необратимо разрушает металл — такая заготовка рассыпается под молотом и идёт только в лом. Недогретую сталь ковать нельзя: она трескается.
Диапазон ковки углеродистой стали — примерно 800–1100 °C; малоуглеродистое железо и мягкая сталь куются от 900 °C. Ковку прекращают, когда металл остывает до вишнёвого цвета (~750–800 °C), и снова греют. Число нагревов зависит от сложности поковки и сечения; крупные детали требуют 3–6 нагревов.
В полевых условиях термопары нет, поэтому температуру оценивают по косвенным признакам. Цвет каления — основной ориентир; его читают в тени или в сумерках. Второй надёжный приём — магнит: обычная углеродистая сталь теряет магнитные свойства при нагреве около 770 °C (точка Кюри). Момент, когда магнит перестаёт притягивать заготовку, — точный ориентир нижней границы закалки и начала ковки.
Третий приём — плавление эталонов: поваренная соль плавится при 801 °C, алюминиевая проволока — при 660 °C, кусочек меди — при 1083 °C. Положив на заготовку крупинку соли, по её расплавлению судят о достижении ~800 °C. Эти приёмы особенно важны при закалке, где ошибка в 30–50 °C уже заметно меняет твёрдость.
Для стали разных марок температуру закалки подбирают по содержанию углерода: чем его больше, тем ниже температура нагрева под закалку. Низкоуглеродистую сталь (до 0,3 % C) практически не закаливают; конструкционную (0,4–0,6 % C) греют под закалку до 780–820 °C; инструментальную (0,8–1,2 % C) — до 760–800 °C.
Осадка — увеличение поперечного сечения за счёт уменьшения длины. Применяют при высадке головок болтов и заклёпок, утолщении концов. Нагретый конец ставят торцом на наковальню и бьют по свободному торцу вдоль оси. При длине осаживаемой части более двух диаметров металл изгибается — тогда его осаживают короткими участками. Осадку ведут при высокой температуре (1000–1100 °C), так как она требует больших усилий.
Вытяжка (протяжка) — уменьшение сечения с увеличением длины. Это самая частая операция. Заготовку кладут поперёк рога или ребра наковальни и бьют, подавая металл на себя и поворачивая на 90° после каждого прохода, чтобы сечение оставалось равномерным. Плоский боёк и наковальня протягивают быстрее, но оставляют заусенцы; для гладкой протяжки используют гладилку.
Правило протяжки: переход от толстого сечения к тонкому делают плавным, с уклоном, а не резкой ступенью — ступенька даёт концентрацию напряжений и трещину. Ковку прекращают до остывания металла ниже ковочного цвета. После протяжки заготовку выравнивают лёгкими ударами гладилкой по горячему металлу.
Гибку выполняют на роге наковальни, на оправках или в приспособлениях, предварительно нагрев место изгиба до 900–1000 °C. Криволинейные детали (крюки, кольца, скобы) гнут по шаблону; угол загиба делают на 2–5° больше нужного — при остывании металл немного распрямляется. Холодную гибку допускают только для тонкого прутка (до 6–8 мм).
Рубку горячего металла ведут кузнечным зубилом, установленным на заготовке, ударяя ручником. Толстые заготовки рубят с двух сторон на подсечке (нижнике), вставленном в отверстие наковальни, и переламывают или дорубают. Рубку не доводят до конца, если нужна чистая кромка — оставшуюся перемычку 1–2 мм срубают лёгкими ударами.
Отверстия пробивают пробойником с горячего металла: пробивают примерно на 2/3 толщины с одной стороны, затем переворачивают заготовку и выбивают выдавленную пробку с другой — так отверстие получается без рваных краёв и с характерным утолщением вокруг. Пробивку ведут на подкладке с отверстием. Скручивание выполняют в тисках: конец заготовки зажимают, другой поворачивают ключом или воротком на нужный угол.
Кузнечная сварка — соединение двух кусков стали проковкой в нагретом до белого каления состоянии, без присадки. Металл нагревают до 1200–1300 °C, когда поверхность начинает «потеть» и покрываться искрами. Свариваемые поверхности должны быть чистыми, без окалины и шлака; перед сваркой их посыпают флюсом — мелким кварцевым песком или бурой, которые растворяют окалину и защищают место соединения.
Порядок сварки: оба конца доводят до сварочного жара, быстро вынимают, смахивают окалину, посыпают флюсом, накладывают друг на друга и сразу проковывают быстрыми частыми ударами, начиная от середины к краям, чтобы выдавить шлак и окалину из стыка. Сварку повторяют с новым нагревом до полного соединения. Перегретый или пережжённый металл не сваривается.
Свариваются только низкоуглеродистые и малоуглеродистые стали (до 0,25–0,35 % C); высокоуглеродистая и легированная сталь кузнечной сварке поддаётся плохо. Кузнечной сваркой в полевых условиях восстанавливают цепи, сваривают кольца, бандажи, звенья, наваривают стальные лезвия на железные основы топоров и лопат.
Закалка — термическая операция, придающая стали твёрдость и износостойкость. Сталь нагревают до температуры аустенитного превращения (для углеродистых — 760–830 °C, ориентир — переход через точку потери магнетизма плюс 30–50 °C) и быстро охлаждают. Скорость охлаждения должна превышать критическую, иначе получится не закалка, а мягкая структура.
Охлаждающие среды: вода (резкое охлаждение, применяют для простых углеродистых сталей; добавка 5–10 % поваренной соли или нашатыря ускоряет охлаждение и даёт более равномерную закалку), масло (машинное, трансформаторное, в крайнем случае растительное — охлаждает мягче, снижает коробление и трещины, применяют для ответственных и легированных деталей), а также струя воды или рассола для местной закалки.
Техника закалки: деталь опускают в среду вертикально и интенсивно перемещают, не вынимая до остывания. Тонкие и длинные детали (ножи, зубила, свёрла) опускают остриём вниз; плоские — ребром, чтобы уменьшить коробление. Закалённая сталь очень хрупка и требует немедленного отпуска. Признак правильной закалки — светлый напильник скользит по поверхности, не снимая стружку.
Отпуск — нагрев закалённой детали до умеренной температуры (150–650 °C) с последующим охлаждением. Он снимает внутренние напряжения и снижает хрупкость, превращая закалку в рабочее сочетание твёрдости и вязкости. Без отпуска закалённый инструмент скалывается и ломается при первом же ударе.
Температуру отпуска определяют по цветам побежалости — тонкой окисной плёнке, возникающей на чистой поверхности при нагреве: светло-соломенный 220 °C, соломенно-жёлтый 230 °C, тёмно-жёлтый 240 °C, коричневый 255 °C, пурпурный 270 °C, фиолетовый 285 °C, васильковый 295 °C, светло-синий 315 °C, серый 330 °C. Зачищенную до блеска деталь медленно греют и ловят нужный цвет, после чего охлаждают.
Назначение температур отпуска: 150–200 °C — режущий и мерительный инструмент (напильники, свёрла, метчики); 200–300 °C (соломенные и пурпурные цвета) — ножи, зубила, топоры, молотки; 250–350 °C (фиолетовый, синий) — пружины, рессоры; 400–650 °C — валы, шатуны и ответственные детали, работающие на изгиб. Охлаждение после отпуска — на воздухе или в воде (для отпускной хрупкости у ряда сталей применяют быстрое охлаждение).
Отжиг — нагрев стали до 750–900 °C с последующим очень медленным охлаждением вместе с горном (печью). Он снимает наклёп после холодной ковки, устраняет внутренние напряжения и делает сталь мягкой, удобной для обработки напильником, сверления и повторной ковки. Отжиг применяют, когда закалённую или наклёпанную деталь нужно перековать.
Нормализация — нагрев до тех же температур с охлаждением на спокойном воздухе. Она выравнивает структуру и измельчает зерно после перегрева при ковке, повышая прочность и вязкость. Нормализацию проводят перед закалкой ответственных деталей, чтобы устранить последствия неравномерного нагрева и грубой структуры.
Практическое правило цикла термообработки: отжиг (для мягкости и снятия напряжений) → ковка или механическая обработка → нормализация (выравнивание) → закалка (твёрдость) → отпуск (вязкость). Пропуск нормализации перед закалкой крупнозернистой стали часто даёт трещины и коробление.
Ножи, топоры, стамески и косы куют из углеродистой стали 0,6–0,8 % C. Лезвие оттягивают (вытягивают) на конус толщиной у режущей кромки 0,5–1,0 мм, не допуская пережога. Для топора и лопаты практичнее наварить стальную полосу на мягкую железную основу кузнечной сваркой — тогда инструмент сочетает вязкий обух и твёрдое лезвие.
Закалка режущего инструмента: нагрев до вишнёво-красного/светло-красного (780–820 °C), быстрое охлаждение в воде или масле, затем немедленный отпуск. Ножи и топоры отпускают до соломенно-жёлтого (230–240 °C), зубила и пробойники — до пурпурного (270–280 °C). Закалённое лезвие проверяют напильником: он должен скользить по кромке, не врезаясь.
Типичные дефекты: недогрев под закалку (деталь остаётся мягкой), перегрев (крупное зерно, хрупкость), закалка без отпуска (сколы и трещины), неравномерный нагрев (коробление). Отпуск делают сразу после закалки, пока деталь тёплая; задержка на несколько минут уже может дать трещину от внутренних напряжений.
Кованый гвоздь выковывают из прутка: нагретый конец осаживают в головку на гвоздильне (пластине с отверстиями), затем протягивают стержень на конус и отрубают на подсечке. Кованый гвоздь прочнее проволочного — его волокна идут вдоль стержня, а не перерезаны, и он не колет древесину. Для крепления досок, кровли, лодок и щитов кованые гвозди незаменимы.
Скобы и крюки гнут из полосы или прутка сечением 6–12 мм на роге наковальни и на оправках. Концы скоб расплющивают и пробивают под гвозди или заостряют для забивания в дерево. Крюки для котлов, вёдер и подвески снаряжения делают с отогнутым под прямым углом хвостом и заострённым концом; крупные — с пробитым отверстием под крепёж.
Дверные петли, пробои, засовы и накладки куют из полосы 3–6 мм: петлю сворачивают вокруг оправки, штырь осаживают с головкой, засов протягивают с бородкой. Все крепёжные изделия лучше не закаливать, а оставить в нормализованном состоянии — вязкими, чтобы они гнулись, а не ломались.
Топор: из полосы мягкой стали выковывают проушину (вокруг оправки), а на тело наваривают кузнечной сваркой стальное лезвие из инструментальной стали. После сварки лезвие оттягивают, обрубают по форме, затачивают и закаливают с отпуском до соломенного цвета. Проушину расковывают по топорищу; посадка должна быть плотной, с клином.
Лопата: изношенное лезвие ремонтируют наваркой стальной полосы по кромке или перековкой — нагретый край оттягивают, восстанавливая утраченную длину. Кромку закаливают на длине 20–30 мм и отпускают до синего (315 °C), чтобы лезвие держало заточку, но не выкрашивалось о камни.
Коса и серп: лезвие не закаливают всухую, а отбивают (наклёпывают) на бабке молотком, вытягивая режущую кромку, затем правят оселком. При ремонте сломанную косу сваривают кузнечной сваркой или наваривают новое лезвие. Зубья пил разводят и затачивают; поломанный зуб пилы в полевых условиях заменяют впайкой или наклёпкой нового.
Цепь восстанавливают кузнечной сваркой разорванных звеньев: концы звена нагревают до сварочного жара, накладывают внахлёст и проковывают. Новые звенья куют из прутка, сгибая вокруг оправки, сваривая стык и калибруя звено в обжимке. Сварное звено по прочности не уступает цельному, если стык прокован на всю толщину.
Кольца (для сбруи, подъёма грузов, такелажа) гнут из прутка на оправке, концы сваривают кузнечной сваркой или соединяют накладкой с заклёпками. Сварные кольца прочнее гнутых внахлёст. Для ответственных колец сварку усиливают обваркой и проковкой стыка до полного исчезновения следа соединения.
Заклёпки куют из мягкой стали: стержень с головкой, хвостовик расклёпывают на месте. Болты с коваными головками делают осадкой конца в гвоздильне; под гайку нарезают резьбу вручную плашкой. Все разъёмные соединения, работающие на срез, предпочтительнее ставить на кованых, а не на проволочных или литых деталях.
Погнутые валы, оси, рычаги и лемеха правят в горячем состоянии при 600–800 °C, когда сталь пластична и не даёт трещин. Правку ведут на наковальне или в приспособлениях, нанося удары по выпуклой стороне; сильные изгибы исправляют постепенно, с промежуточными нагревами. Холодная правка допустима только для тонкого и мягкого металла, иначе возможен излом.
Изношенные и выкрошенные места наваривают: поверхность зачищают, нагревают до сварочного жара, накладывают кусок стали нужного профиля и приваривают кузнечной сваркой, после чего проковывают и обрабатывают до нужного размера. Наплавкой восстанавливают изношенные зубья, кромки лемехов, цапфы, рабочие поверхности.
Трещины в деталях разделывают (расшивают) зубилом до чистого металла, нагревают и заваривают кузнечной сваркой или наплавкой. Мелкие трещины в чугунных деталях в полевых условиях заделывают заваркой с медной или латунной присадкой, но чугун кузнечной сварке практически не поддаётся и при нагреве выше 600 °C теряет прочность.
Заточку режущего инструмента ведут на точиле (наждачном круге) с охлаждением водой, не допуская перегрева кромки, который отпускает закалку и даёт синие цвета побежалости. Угол заточки выбирают по назначению: нож — 20–30°, топор — 25–35°, зубило — 45–60°, коса — 30–40°. Заточку заканчивают на мелком бруске.
Перегретую при заточке кромку (посиневшую) обязательно перезакаливают: снимают отпущенный слой, греют и закаливают заново. Доводку лезвия после заточки делают оселком или ремнём с пастой, снимая заусенец; правильно доведённое лезвие режет без зазубрин и не «садится» после первых движений.
Полевое точило — наждачный круг на оси с ручным или ножным приводом; при его отсутствии используют плоский напильник и брусок. Крупные зазубрины и выкрошенные кромки сначала оттягивают ковкой, а затем затачивают. Тупой инструмент требует вдвое больших усилий и опаснее острого — он соскальзывает и рвёт материал.
Походную кузницу располагают под навесом, в защищённом от ветра и дождя месте, на утрамбованной земляной или каменной площадке. Горн ставят с подветренной стороны, наковальню и тиски — рядом, чтобы кузнец работал, поворачиваясь от горна к наковальне, а не перенося горячий металл через всю площадку. Вокруг не должно быть сухой травы, стружки и горючих материалов.
Минимальный набор походной кузницы: горн с фурмой и дутьём, наковальня на пне, ручник и кувалда, 2–3 пары клещей, зубило, пробойник, гладилка, подсечка, тиски, точило, ведро с водой, запас угля, флюс (песок или бура), кочерга и совок. Весь инструмент раскладывают по местам и возвращают после каждой операции.
Запас металла: полосы, прутки разных сечений, старые напильники, рессоры, оси, обрезки рельсов — всё идёт в дело как исходное сырьё. Рессорная и напильничная сталь — лучший материал для ножей, зубил и пружин. Металл хранят сухим, рассортированным по профилям и назначению; ржавые заготовки перед ковкой очищают от окалины и ржавчины.
Кузнец работает в защитных очках (закрытых), кожаных или брезентовых рукавицах и фартуке; одежда — плотная, без синтетики, обувь — кожаная. Окалина, отлетающая при ковке, — главная причина ожогов и травм глаз; ковать голыми руками и с открытым лицом запрещено.
Правила: не ковать перегретый или пережжённый металл (искрит и рассыпается); не класть мокрый или холодный инструмент на горячий металл (брызги и пар); не бить молотком по закалённому лицу наковальни; не оставлять раскалённые заготовки без присмотра; рукоятки инструмента держать сухими и плотно насаженными.
Пожарная безопасность: у горна держат ведро воды и ящик с песком; уголь и золу убирают после работы, тлеющий шлак заливают водой. При работе в помещении обеспечивают вытяжку дыма. После окончания ковки горн гасят, инструмент очищают от окалины и убирают; наковальню и стальной инструмент слегка смазывают от ржавчины.