<<
>>

Булаты XX столетия

Итак, А. П. Виноградов впервые разглядел в булатном узоре физическую неоднородность стали. He может быть сомнений в том, что П. П. Аносов добивался крайней неоднородности слитка за счет недораспла- вившихся частиц низкоуглеродистого железа.

С позиций современной науки такую структуру можно назвать неравновесной. А как же в древности получали неравновесную структуру стали?

П. П. Аносов был прав, предполагая, что древние мастера изготовляли булат в специальных горнах, позволяющих совмещать процессы восстановления руды, науглероживания железа и его сплавления. Частицы восстановленной железной губки, по всей вероятности, науглероживались с поверхности окисью углерода и превращались в высокоуглеродистую сталь, а может быть, даже в чугун. Вместе с тем сердцевина частиц сохранялась железной, недоуглероженной. Поскольку температура горна лежала между точками плавления железа и высокоуглеро диетой стали (чугуна), то стальная оболочка частиц плавилась, а железо (низкоуглеродистая сталь) - нет Во время плавки все частицы соединялись в одно целое, образуя по- лурасплавившийся слиток, макроструктура которого напоминала пирог с изюмом: зерна мягкого железа в окружении высокоуглеродистой стали.

«Неравновесная» теория булатного узора объясняет также, почему после П. П. Аносова практически никто не мог получить лучшие сорта булата. «Сильный» жар во время плавки, им рекомендуемый, стал своего рода психологическим барьером, который не смогли перешагнуть его последователи. Все дело в том, что «сильный жар» в отражательной печи Сименса, в которой впоследствии плавили тигельную сталь, соответствовал температуре 1500—1530Х; у Аносова же он не достигал этих температур. Таким образом, исследователи, повторявшие опыты Аносова, расплавляли шихту при таких температурах, которые не могли обеспечить неоднородность: чугун и железо полностью расплавлялись, и это приводило к получению обычной (гомогенной) углеродистой стали.

Что касается медленного охлаждения слитка, то здесь было заложено рациональное зерно. Этот фактор, с одной стороны, благоприятствовал достижению нужной неоднородности, а с другой — создавал условия для дальнейшей диффузии углерода, что, в свою очередь, способствовало формированию зоны постепенного изменения концентрации этого элемента при переходе слоев высокоуглеродистого металла в слои низкоуглеродистого. Такое строение обеспечивало уменьшение напряжений при деформации и нагреве стали и исключало появление в металле разрывов и трещин.

Кстати, теперь ясно, что сущность структуры литого булата и дамаска (сварочного булата) фактически одна и та же. И все-таки свойства литого булата с Дамаском несравнимы. У литого булата они должны были

быть значительно выше. Это легко объяснить прежде всего тем, что содержание углерода в литом булате могло быть больше одного процента, а в сварочном -0,6-0,8%. Кроме того, в Дамаске микроструктура представляет собой чередование ферритных и перлитных (или перлитных с небольшим содержанием вторичного цементита) участков, а в литом булате можно достичь чередования перлитных и пер- лито-цементитных участков с достаточно большим содержанием цементита. После закалки перлит превращается в мартенсит.

Следует подчеркнуть, что и у худших сортов литого булата микроструктура тоже может представлять собой чередование ферритных и перлитных участков, но литой булат обладает более высокими свойствами, потому что в его структуре волокна перлита могут включать значительное количество структурно свободного вторичного цементита (размеры частиц цементита от 2 до 25 мкм).

Почему же А. П. Виноградов, блестяще разгадавший секрет получения литой узорчатой стали, не сумел экспериментально воспроизвести аносовские плавки и получить высокоуглеродистый булат? По всей вероятности, он не имел тигельной печи. А в другом агрегате создать условия для науглероживания железа до чугуна и остановить плавку в нужный момент не так-то просто. Для этого требуется искусство мастера.

Недаром даже соратник изобретателя русского булата Н. П. Швецов не мог повторить полностью результаты Аносова.

В свете «неравновесной» теории булата выбранная нами для эксперимента тигельная индукционная сталеплавильная печь оказалась самым удачным агрегатом для получения булатной стали. В такой печи можно поддержать температуру сплава на любом необходимом уровне и плавить нужную массу металла.

Было решено приготовить на техническом железе и графите синтетический чугун, содержащий как можно менее вредных примесей. Предполагалось чугун расплавлять в тигле индукционной печи и погружать в него кусочки малоуглеродистого железа. Температура в печи должна была поддерживаться на уровне 1460°С, чтобы железо не плавилось, а лишь растворялось в жидком чугуне.

Наши первые эксперименты полностью подтвердили теорию А. П. Виноградова и окончательно установили, что при искусственно созданной неоднородности в жидкой или полужидкой стали можно получить слиток высокоуглеродистого сплава с включениями частиц малоуглеродистого железа. Появление булатного узора после деформации такого слитка и получение отличительных свойств, приписываемых булатам, теперь сомнений не вызывало. Надо было только хорошо отработать все детали технологии плавки. Пришлось провести немало опытов, отлить десятки слитков, чтобы научиться управлять процессом, задавать и выдерживать требуемый химический состав стали.

Краткие особенности технологии производства булата в индукционной сталеплавильной печи оказались следующими. В печь загружается железо или малоуглеродистая сталь в количестве 12 — 24 кг, плавится и подогревается до температуры 1650°С. После подогрева расплав раскисляется кремнием и алюминием. Затем металл науглероживается графитом, в результате чего получается синтетический чугун с содержанием углерода 3,0-4,0%. Когда чугун готов, в расплав вводится мелкодробленая обезжиренная стружка малоуглеродистой стали или мягкого железа в кусочках размером не более 10 —15 мм. Каждый кусочек должен быть сухим, чистым, без ржавчины, цветов побежалости, каких-либо следов окисления.

Количество стружки составляет 50 — 70% от мас-

сы чугуна — в зависимости от требуемого состава стали.

Стружка вводится постепенно, порциями. Перед присадкой каждой порции стружки в жидкую ванну температура металла не должна превышать 1480— 1500°С. Необходимая степень оплавления стружки определяется с помощью стального прутка диаметром 15 — 20 мм. Таким прутком, после дачи каждой порции стружки, металл перемешивается до тех пор, пока можно ощущать удары твердых кусочков стружки, движущихся в ванне под действием электромагнитных потоков, о пруток. Таким образом, при приобретении навыка можно определять примерные размеры твердых включений малоуглеродистой стали в жидкой ванне.

По мере оплавления каждой порции стружки металл приобретает полужидкое или кашицеобразное состояние. В связи с этим перед присадкой следующей порции стружки он должен быстро подогреваться до необходимой температуры. После присадки последней порции стружки расплав, если это необходимо, нагревается до получения достаточной для разливки жидкоподвижности и раскисляется алюминием. Степень подогрева должна быть такой, чтобы в расплаве фиксировалась неоднородность — наличие недорасплавлен- ных мелких стальных частиц. Благодаря тому, что эти частицы под действием электромагнитного поля взвешены во всем объеме жидкой ванны, готовую сталь можно выливать из тигля индукционной печи в форму.

Приготовленные нами булаты либо выливались в графитовые формы, либо оставлялись остывать в печи. В том и другом случае слиток медленно остывал в течение нескольких часов. Если полученный сплав выливался в графитовую форму, то необходимо было применять повышенный расход стружки. В этом случае получались булатные слитки с высокоуглеродистой матрицей, в которую вкраплены частицы мягкого железа (рис. 18). Оплавившиеся частицы мягкого железа успевали науглероживаться в период плавки только с поверхности. Поэтому они сохраняли небольшое содержание углерода в сердцевине (0,03 — 0,05%), в то время как среднее содержание углерода в матрице составляло 1,4-1,6%.

Рис. 18. Макроструктура слитка булата с ферритными прослойками

Рис. 18. Макроструктура слитка булата с ферритными прослойками

Если же сплав до конца плавки поддерживался в кашицеобразном состоянии и застывал непосредственно в печи, применялся низкий расход стружки. Науглероживание частиц железа в этом случае происходило в большей степени. Концентрация углерода в преобладающем большинстве включений достигала 0,8-1,0%, а содержание углерода в матрице оставалось на прежнем уровне (1,5%). Интересно, что поверхность включений также науглероживалась более сильно (рис. 19). Средний химический состав наших булатов был следующий:

Элемент %

Углерод 1,0-1,6 Марганец Следы Никель Следы Кремний 0,12-018 Хром 0,08-0,36 Фосфор 0,025-0,030 Сера 0,040-0,045

Рис. 19. Макроструктура слитка булата с углеродистыми прослойками

Рис. 19. Макроструктура слитка булата с углеродистыми прослойками

Слиткам, полученным по первому способу, дали название булатов с ферритными прослойками, а по второму — булатов с углеродистыми прослойками. Струйчатые узоры на изделиях можно было получать только из слитков булата с ферритными прослойками.

Позднее мы научились изготовлять легированные булаты. В частности, для подчеркивания узора в сталь иногда вводили кремний и фосфор, которые повышают устойчивость феррита при ее термической обработке [32]. Недаром многими исследователями было замечено, что хорошие сорта литого булата содержат до 0,18% фосфора [33].

Вводя в сплав никель и хром, можно получить нержавеющие булаты. Впрочем это уже не булаты, а легированные узорчатые стали, поскольку булат- это железо и углерод и не более того...

После того как мы убедились, что найденный способ получения слитков булатной стали повторим как в части технологического процесса, так и в части макроструктуры слитка, была сделана заявка на изобретение.

Вскоре Государственный комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР выдал нам авторское свидетельство на «Способ изготовления слитков булатной стали» [34].

Булатный слиток получен, но можно ли утверждать, что он похож на тот самый «пулад», который изготовляли наши далекие предки? По-видимому, можно, и вот почему.

He так давно в Хайдарабаде (Индия) было издано сочинение Аль-Бируни «Книга собрания (очерков) о познании драгоценных камней» [35]. В главе «О железе» автор сообщает несколько способов получения тигельной стали в Средней Азии, Иране и Индии, относящихся к IX —XI векам. «Сталь по своему составу,— пишет Аль-Бируни,— бывает двух сортов: первый, когда в тигле плавится нармохан (кричное железо) и «вода» (чугун) его одинаковым плавлением, и они оба в нем соединяются так, что не отличимы один от другого. И такая сталь пригодна для напильников и им подобных... Второй сорт получается, когда в тигле указанные вещества плавятся неодинаково и между ними не происходит совершенного смешения. Отдельные частицы их располагаются вперемешку, но при этом каждая из них видна по особому оттенку. Называется это фаранд.

В мечах, которые их (два оттенка) соединяют, он высоко ценится».

Итак, нелегкие многолетние поиски металлургов успешно завершены. Одна из древних технологий получения булата была воспроизведена на новой основе в современном сталеплавильном агрегате...

<< | >>
Источник: Гуревич Ю.Г. . Булат. Структура, свойства и секреты изготовления: Монография. 2006

Еще по теме Булаты XX столетия:

  1. ГЛАВА III ПРИСОЕДИНЕНИЕ КАЗАХСТАНА К РОССИИ И ВОЗНИКНОВЕНИЕ ДВУХ ТЕЧЕНИЙ КАЗАХСКОЙ ОБЩЕСТВЕННОЙ МЫСЛИ (СЕРЕДИНА XIX В.)
  2. ГЛАВА IV МИРОВОЗЗРЕНИЕ ЧОКАНА ВАЛИХАНОВА
  3. МНОГООБРАЗИЕ СВОБОДЫ В ПОЭЗИИ ПУШКИНА
  4.    Великий князь Симеон Бекбулатович
  5. [ИЗ ПЕРЕПИСКИ]
  6. Начало правления Романовых
  7. ВВЕДЕНИЕ
  8. ВОЛШЕБНЫЕ РЕЛЬСЫ
  9. Дамасская сталь и грузинский булат
  10. Японский булат и колонна в Дели
  11. Что же такое булат?