<<
>>

Японский булат и колонна в Дели

Японский булат обладал каким-то необыкновенным качеством железа, которое после целого ряда проковок приобретало даже более высокую твердость и прочность, чем дамасская сталь. Мечи и сабли, приготовленные из этого железа, отличались удивительной вязкостью и необыкновенной остротой.

Уже в наше время был сделан химический анализ стали, из которой изготовлено японское оружие XI —XIII веков. И древнее оружие раскрыло свою тайну: в стали были найдены никель и молибден. Сегодня хорошо известно, что сталь, легированная этими элементами, обладает высокой твердостью, прочностью и вязкостью. Никель— один из немногих легирующих элементов, добавка которого в сталь вызывает повышение ее вязкости и твердости одновременно. Bcc другие элементы, увеличивающие твердость и прочность стали, способствуют повышению ее хрупкости.

Естественно, что в сравнении с дамасскими клинками, сделанными из железа и стали, содержащей 0,6-0,8% углерода, японские мечи и сабли казались чудом. Ho значит ли это, что японцы умели в то далекое время делать легированную сталь? Конечно, нет. Что такое легированная сталь, они даже не знали, так же как и не знали, что такое молибден. Металл молибден был открыт значительно позднее, в самом конце XVIII века шведским химиком К. В. Шееле (1742-1786).

По-видимому, дело обстояло так. Японские мастера получали кричное (восстановленное) железо из железистых песков рассыпных месторождений. Эти руды были бедны железом, и содержание вредных примесей в получаемой из них стали было довольно высокое. Ho пески, кроме окислов желе

за, содержали легирующие элементы. Они- то и обеспечивали металлу высокий уровень свойств.

Очевидно, японские мастера случайно заметили: если брать руду в каком-то определенном месте, то сталь, сделанная из нее, обладает особым качеством, а клинки из такой стали получаются крепкими и острыми.

Они и не подозревали, что это явление наблюдалось потому, что в железных рудах, которые они использовали, содержалась окись молибдена — молибденит — и примеси редкоземельных металлов.

Современной наукой установлено, что получить молибден восстановлением его окислов углеродом при температуре 1200еС, как это делалось в древности, практически невозможно. В то же время совместное восстановление окислов железа и молибдена углеродом идет достаточно легко. Этим и объясняется удивительный факт получения в древности молибденовой стали.

Выплавленное из «песков» кричное железо проковывалось в прутья и закапывалось в болотистую землю. Время от времени прутья вынимали и снова зарывали, и так на протяжении 8—10 лет. Насыщенная солями и кислотами болотная вода разъедала пруток и делала его похожим на кусок сыра. Мастера именно к этому и стремились. Ho зачем это им было надо?

Дело в том, что в процессе коррозии пористого железного прутка прежде всего разъедались и выпадали в виде ржавчины частички металла, содержащие вредные примеси. Железо с растворенными в нем легирующими добавками дольше противостояло коррозии и поэтому сохранялось. Кроме того, полученный ноздреватый пруток обладал развитой поверхностью и при последующем науглероживании обеспечивал еще до ковки сложное переплетение углеродистой стали и мягкого железа. Это переплетение еще больше усложнялось в процессе последующей многократной деформации в горячем состоянии.

Раскованный в полосу сплав мастер сгибал, складывал вдвое, расковывал в горячем состоянии и снова складывал, как слоеное тесто. В конечном счете число тончайших слоев в «слоеном пироге» достигало порой нескольких десятков, сотен тысяч и даже миллиона. Мы уже знаем, насколько такая операция упрочняет металл за счет образования колоссального количества клубков дислокаций и громадного увеличения их плотности. Последующая закалка клинков закрепляла высокие свойства, присущие молибденовой стали. Так на заре металлургии в Японии получали природно-легированную сталь, упрочненную пластической деформацией и термомеханической обработкой.

Позже XIII века японские клинки из молибденовой стали не встречаются. По-видимому кончились молибденовые руды и клинки уже не имели прежние свойства.

Помните рельсы из катав ивановской стали? Они также обладали удивительно высокими свойствами. Рельсы, которые выпускались Катав-Ивановским металлургическим заводом в конце XIX начале XX столетия, делались из бессемеровской стали. Самые крупные бессемеровские конвертеры были установлены в то время на Катав-Ивановс- ком металлургическом заводе, здесь же было организовано мощное рельсопрокатное производство.

Сохранились документы, свидетельствующие о том, что рельсы Катав-Ивановского завода обладали необыкновенно высоким качеством. Они экспортировались даже за границу, например, в Англию. Причем завод гарантировал безупречную работу своей продукции в течение многих лет. При выхо

де рельсов из строя, он давал обязательство безвозмездно заменять их и оплачивать убытки. Неизвестно ни одного случая рекламаций на катав-ивановские изделия. Вскоре, однако, железные руды вблизи Катав-Ива- новска были исчерпаны, и в 1934 году в связи с пуском Магнитогорского металлургического комбината производство стали здесь было прекращено.

Сегодня секрет высокого качества катав- ивановских рельсов раскрыт. Дело в том, что катав-ивановский чугун выплавлялся на чистых по вредным примесям высокожелезистых бакальских рудах. К ним добавлялась бедная по железу, местная руда, найденная в небольшом количестве недалеко от города. Была гипотеза, что местная руда кроме железа содержала марганец и хром. Поэтому в Катав-Ивановске так же, как и в Японии, производили природнолегированный марганцем и хромом чугун. Продувая этот чугун в конвертере, получали природнолегированную марганцем и хромом сталь. Сегодня металлургам хорошо известно, что природнолегированная хромомарганцовистая сталь, полученная описанным способом, должна обладать высокими механическими свойствами. Ho содержала ли марганец и хром сталь катав-ивановских рельсов? Нами было доказано, что содержала.

В 1891 году начинает строиться Транссибирская железнодорожная магистраль. В начале нашего века стальная колея достигает города Кургана. Рельсы поставляют многие демидовские заводы, а также катав-ива- новские и южные заводы Бельгийского акционерного общества на Украине (Юзовка, ныне Донецк). Кстати Юз, владелец рельсопрокатного завода, не мог конкурировать с катав-ивановскими рельсами Он купил рельсопрокатное производство в Катав-Ива- новске и закрыл его...

Между тем, в те времена оживляется строительство города Кургана. В качестве строительных материалов годится все, в том числе и куски рельсов, оставшихся от прокладки железнодорожного полотна. И вот, в Кургане, по улице Томина, 64 для сооружения балкона на втором этаже деревянного дома использовались два таких «обломка». Балкона давно нет, а рельсы торчат. На рельсах хорошо сохранялась чеканка, которую можно легко прочитать. На полке одного рельса написано «И. ЖД Демидова НТЗ мца 1896 года». Этот рельс сделан заводом Демидова в Нижнем Тагиле. Надпись на полке другого рельса гласит: «XI мца. 1900 года К.З. Кн. Бълоселъ».

В Петербурге, на углу Невского проспекта и Фонтанки, около Аничкова моста со знаменитыми скульптурами лошалей П. К. Клодта, возвышается бело-красный дворец, выстроенный в стиле позднего барокко. Дворец, построен в середине прошлого столетия и принадлежал богатым князьям Белосельским Белозерским. Каждый раз, когда я бываю в этом городе и смотрю на это роскошное здание, я вспоминаю скромный двухэтажный курганский деревянный дом по улице Томина, 64. Этот дом помог подтвердить разгадку вековой тайны, связанной с производством мало кому в наше время известной катав-ива- новской рельсовой стали.

Дело в том, что князья Белосельские - Белозерские были владельцами Катав-Ива- новского металлургического завода. Сомнений никаких быть не могло, найденный рельс и был тот, который долго разыскивали любители разгадок загадок прошлого... Оставалось только отпилить кусочек и дать на химический анализ.

Ho отпилить не удалось инструмент не брал, пришлось отрезать кислородным резаком. Химический анализ подтвердил, что катав-ивановский рельс

содержит около одного процента марганца и хрома, в то время как демидовский имеет состав обычной рельсовой стали. Так была окончательно разгадана тайна когда-то знаменитого катав-ивановского железа.

Кстати, подобных случаев в истории металлургии и техники встречается немало. Вот один из них, с которым столкнулся автор этой книги. В 1930 году в США появилась атмосферостойкая низкоуглеродистая строительная сталь. Она получила название кор- тен. Незащищенная поверхность этой стали в первый период воздействия окружающей среды окислялась. Однако образующиеся при этом продукты коррозии в виде пленки обладали высокой плотностью и очень крепко сцеплялись с основным металлом. Поэтому дальнейшая коррозия резко замедлялась. Такие свойства стали кор-тен обеспечивали находящиеся в ее составе хром (до 0,2%), никель ( до 0,2%), медь (до 0,2%) и особенно фосфор, содержание которого достигало 0,15%. Содержание углерода в стали-0,08- 0,12% По нашим стандартам сталь кор-тен маркируется-1OXH ДII.

При совместном взаимодействии меди и фосфора, а также хрома с кислородом, углекислым газом и парами воды образуются труднорастворимые соединения, которые входят в состав окисной пленки, обволакивающей сталь. В результате периодического увлажнения и высыхания защитные слои на ее поверхности полностью формируются в течение 1,5 — 3 лет, и после этого разрушение металла от коррозии практически прекращается.

Сталь кор-тен обладала еще двумя интересными особенностями. Если защитный слой повреждался, то с течением времени эти зоны «самозалечивались», вновь защищая поверхность металла от коррозии. Другая особенность атмосферостойкой стали состояла в специфичной «естественной» окраске защитного слоя, сообщающей металлу хорошие декоративные свойства. Защитный коррозийный слой, который иногда называют благородной ржавчиной, с течением времени менял свою окраску от светло-корич- невого, коричневого, коричнево-фиолетово- го до черного и по характеру расцветки напоминал бронзу или медь.

Продолжительность службы строительных конструкций из высокофосфористой атмосферостойкой стали увеличивалась в несколько раз; кроме того, они не нуждались в покраске. Несмотря на значительные преимущества, сталь кор-тен получила небольшое распространение в нашей стране. Дело в том, что эта сталь обладает низкой ударной вязкостью. Ударная вязкость характеризует хрупкое разрушение металла. С понижением температуры она, как правило, падает и вероятность хрупкого разрушения возрастает.

Сталь кор-тен обладала удовлетворительной ударной вязкостью при температуре — 20° С и не обеспечивала необходимых свойств при температуре — 40° С. Соединенные Штаты Америки и Западную Европу такие свойства устраивали. В условиях русской зимы сталь с такими свойствами применять нельзя. На морозе она может растрескаться, а конструкции из нее — разрушиться. История уральских предприятий знает такие случаи, когда стальные балки, привезенные из Западной Европы и установленные летом, зимой трескались, лопались и падали.

Поэтому перед нашими металлургами была поставлена задача создать такую атмосферостойкую сталь, которую можно было бы без риска применять в условиях Сибири и Урала. Эту задачу можно было бы решить достаточно просто путем увеличения в стали кор-тен содержания легирующих элемен

тов, например, хрома. Можно было бы также повысить ударную вязкость при низких температурах, подвергая сталь специальной термической обработке. Ho такие методы значительно увеличивают стоимость стали, ведут к высокому расходу дефицитных легирующих и поэтому мало приемлемы. Самый эффективный путь — создание такой технологии производства, которая обеспечивала бы необходимые свойства стали при прежнем химическом составе. Возможно ли это? Да, возможно. Приведенные данные о японском «булате» и катав-ивановских рельсах подтверждают эту возможность.

Железо и сталь издавна применяются в качестве строительного материала. Фермы мостов и опоры электропередач, железнодорожные вагоны и горное оборудование, конструкции цехов и трубы тепловых электростанций, как и многие другие конструкции, выполняются из строительных марок сталей. После того как в 1778 году был сооружен первый крупный железный мост, стало ясно, что коррозия — самый опасный враг стальных конструкций. По данным ряда ученых, к сегодняшнему дню человек выплавил не менее 20 миллиардов тонн железа и стали, 14 миллиардов тонн этого металла «съедено» ржавчиной и рассеяно в биосфере...

В 1889 году французский инженер А. Эйфель создал проект своей знаменитой башни в Париже, которую должны были соорудить из стальных ферм. Решение о ее строительстве долго не принималось, поскольку многие металлурги предсказывали, что она простоит всего 25 лет, а потом рухнет из-за коррозии стали. Эйфель же гарантировал прочность сооружения только на 40 лет. Как известно, Эйфелева башня в Париже стоит уже больше 100 лет, но это только потому, что фермы ее постоянно покрыты толстым слоем краски. На покраску башни, которая производится раз в несколько лет, уходит 52 тонны краски. Стоимость ее давно превысила стоимость самого сооружения!

Покраска строительных конструкций, работающих в атмосферных условиях,— дорогое удовольствие и отвлекает много малопроизводительного рабочего времени. В то же время известны случаи, когда железные изделия очень долго служили без покраски и не подвергались никакой коррозии. О стальных балках церкви в уральском городе Катав-Ивановске мы уже рассказывали. Широко известны также перила лестниц на набережной реки Фонтанки в Ленинграде. Сделанные в 1776 году из русского сварочного железа, они простояли неокрашенными под открытым небом в условиях влажного климата более 160 лет. Академик А. А. Байков (1870-1946), который исследовал железные детали этих перил, пришел к выводу, что вероятной причиной высокой коррозионной стойкости металла является тонкий поверхностный слой окислов.

Аналогичное сварочное железо найдено в Свердловске. Крыша одного из зданий этого города, выложенная кровельным железом еще во времена Демидова, ни разу не обновлялась, а само железо длительное время почти не подвергалось коррозии. Химическим анализом было установлено, что ленинградские перила содержат повышенное содержание фосфора, а свердловская кровля — фосфора и меди!

Подобное железо находили и в Западной Европе. Так, в стокгольмском соборе Сторкиркан, построенном во второй половине XV века, бронзовое «семисвечье» поддерживает железный стержень. Длина его 3,5 м, поперечное сечение у основания 50X50 мм. Стержень изготовлен из отдельных кусков кричного железа, сваренных горячей ковкой под силикатным шлаком. Ис

следованные образцы железа от этого стержня характеризовались высокой концентрацией фосфора (до 0,074%). В областях с повышенной концентрацией фосфора обнаружена высокая твердость металла.

В этой связи уместно напомнить о знаменитой железной колонне в Дели. Как известно, она создана индийскими металлургами в 415 году нашей эры в честь победы одного из императоров династии Гупта. Ее высота — 7,2 м, диаметр у основания — 420 мм и у вершины — 320 мм. Колонна стоит уже более 1500 лет, и следов коррозии (окисления) на ней не видно. Аналогичная колонна еще больших размеров, построенная в III веке, возвышается в индийском городе Дхар.

Каких только догадок ни делали металлурги, чтобы объяснить необыкновенную ат- мосферостойкость железа, из которого сделаны индийские колонны! Высказывалось предположение, что колонны изготовлены из цельных кусков метеоритного железа. Известно, что оно хорошо сопротивляется коррозии. Ho в метеоритном железе всегда находили никель, а в железе индийских колонн никеля не обнаружили. Тогда предположили, что колонна сделана из чистейшего железа, полученного на особом топливе. Действительно, содержание железа в делийской колонне — 99,72%, дхарской — гораздо меньше, но и она сотни лет не подвергается коррозии.

Высказывалось мнение, что стойкость индийских железных колонн объясняется сухим и чистым воздухом местности, где они установлены. Другие исследователи утверждали, что в атмосфере когда-то было повышенное содержание аммиака, которое в субтропическом климате Индии позволило получить на поверхности колонны защитный слой нитридов железа. Другими словами, колонны якобы азотированы самой природой [8].

Известны и более оригинальные точки зрения: поскольку колонны считались священными, их обливали благовонными маслами, и поэтому они не ржавели. Есть даже предположение, что на колонны испокон веков залезали голые индийские ребятишки, а позднее о них «терлись» туристы. Поэтому колонны постоянно смазывались кожным жиром!

По-видимому, все гораздо проще. В стали делийской колонны содержание углерода 0,1-0,2%, найдено немного меди и повышенное содержание фосфора. В железе делийской колонны его 0,114 — 0,180% [8], а в дхарской еще больше — 0,280%. В обычном сварочном железе фосфора бывает не более 0,05 %, в то время как атмосферостойкая фосфористая сталь кор-тен (читатель уже знает) содержит 0,1% углерода, 0,2% меди и до 0,15 % фосфора. Уж очень близко содержание углерода, меди и фосфора в индийских колоннах к содержанию его в современной атмосферостойкой стали. He этим ли объясняется тот факт, что на поверхности колонн образовались устойчивые окисные пленки, предохраняющие железо от дальнейшей коррозии?

Есть данные, что верхняя, не доступная человеку ^iacTb колонны имела бронзовый оттенок, благодаря чему некоторые наблюдатели принимали даже материал колонны за медный сплав. Другие говорят о синеватокоричневой или синевато-черной пленке окислов, покрывающих верх колонны. Таким образом, и окисные пленки по своему внешнему виду очень напоминают защитную оболочку атмосферостойкой стали кор-тен.

Из приведенных фактов следует: японский булат — не единственная природно-легированная сталь, изготовлявшаяся в прошлом. Индийские и русские металлурги

тоже находили железные руды, из которых получали природно-легированные чугуны и стали. Ho отличаются ли механические свойства природно-легированной стали от современных сталей, легирующие элементы которых вносятся во время плавки путем добавки в жидкий металл необходимого количества твердых ферросплавов? Оказывается, отличаются. Как уже было сказано, свойства природно-легированных сталей гораздо выше.

Ho почему природно-легированные стали обладают высокими свойствами? Металлы — кристаллические вещества, и свойства сплавов зависят от расположения атомов легирующих элементов в их кристаллической решетке. При плавлении металлов и небольших температурах перегрева жидкого сплава в нем сохраняется так называемый «ближний порядок». Это значит, что атомы в микрообъемах вещества расположены один относительно другого определенным образом.

Современное производство легированных сталей основано на расплавлении металла, удалении из него необходимого количества углерода, освобождении от лишнего кислорода, вредных примесей и легировании путем добавки ферросплавов в жидкую ванну. При выплавке стали кор-тен, например, в жидкую ванну добавляют феррохром, никель, медь, феррофосфор и другие ферросплавы.

Однако в связи с тем, что в слабо перегретом жидком сплаве сохраняются устойчивые связи между существующими атомами, атомы легирующих элементов не могут попасть на те места, которые им предназначены природой. Такая закономерность сохраняется и после кристаллизации стали. Поэтому в стали, выплавляемой по современной технологии, как правило, не реализуется полностью весь комплекс физико-механических свойств, которые могли бы обеспечить вводимые в нее легирующие элементы.

Ho вернемся к технологии выплавки атмосферостойкой стали кор-тен. Если бы можно было сделать эту сталь без добавок легирующих элементов в период плавки, как это делалось в прошлом, она обладала бы более высокими свойствами. Ho как это сделать, где найти материалы для выплавки такой стали? Как тут не вспомнить старых русских металлургов, ведь они находили такие материалы! А в наше время?

Оказывается, и в наше время есть такие руды в Халиловском месторождении, около города Орска. Для работы на этих рудах в городе Новотроицке был построен Орско-Ха- лиловский металлургический комбинат. И получают на комбинате природно-легирован- ный чугун, который содержит никель, хром и фосфор.

Получать-то получают, а переделывать в обычную сталь затрудняются. Дело в том, что в обычных марках стали фосфор — вредная примесь, он делает сталь хрупкой, и его надо удалять до сотых долей процента. Удаляют фосфор из расплава путем его окисления и перевода образующихся окислов в шлак. Однако вместе с фосфором окисляется хром, а окислы хрома, переходя в шлак, делают его вязким, неактивным. Это затрудняет плавку стали, удлиняет ее, повышает стоимость стали. А вот атмосферостойкая сталь имеет высокое содержание фосфора, и, следовательно, фосфор из чугуна удалять практически не надо. Значит, при переплаве природно-легированного чугуна сохранится и хром, значит, нет опасности получать вязкие хромистые шлаки. Вот и получается, что халиловский чугун самой природой создан для производства природно-легированной атмосферостойкой стали типа кор-тен.

Эксперименты на Орско-Халиловском металлургическом комбинате привели к по

ложительным результатам — изобретению новой природно-легированной атмосферостойкой стали [9-11]. Новая никельхромо- медистая высокофосфористая природно-легированная сталь с успехом выдержала все физические и механические испытания и обеспечила комплекс необходимых свойств при температуре - 40 0C [12].

Интересно, что повышенное содержание фосфора и меди встречается также во многих образцах древних булатов. В Тульском музее оружия хранится кинжал. Длина его клинка 15 см, а ручки с головой быка — всего 10. Найден он на Куликовом поле; считают, что оружие изготовлено около 1380 года. Небольшие размеры дают основание предполагать, что это женское оружие. Внутри ручки есть пружина, с помощью которой клинок смазывается ядом, вытекающим из специальной железной трубки. Железо трубки сильно корродировано, в то время как лезвие клинка совершенно чистое, без каких- либо следов ржавчины. По-видимому, наши предки, сами того не подозревая, получали природно-легированную фосфором и медью сталь, которая хорошо противостояла коррозии.

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

Еще по теме Японский булат и колонна в Дели:

  1. Японский булат и колонна в Дели