Архангельскіе.РФ - Стаття 09 - РОСІЙСКИЙ БУЛАТ

1. ← Статті РОСІЙСКИЙ БУЛАТ
2. рис.4. залізна кріцаріс 4.1. схема Щерби
3. рис.5.1
4. ріс.5.0. Варіанти невдачі при плавці
5. рис.6.2
6. рис.6.3. Зварений вдвічі злиток
7. рис.6.4
8. рис.8. Клинок з 1.25% вуглецю
9. рис.9. Мікроструктура клинка - шаруваті «хмари» карбідів в сталевий матриці
10. рис.10. Клинок «чавунного» складу з 2.5% вуглецю
11. рис.11. Мікроструктура клинка - рядки великих карбідів

← Статті

РОСІЙСКИЙ БУЛАТ

Російський класик металургії Д.К. Чернов одного разу сказав чеканну фразу - «Найкраща сталь, яка коли-небудь проводилася в кожній із країн є, без сумніву, булат». Що ж таке булат за своєю суттю? Російський класик дослідження булату Павло Петрович Аносов визначав булат як «... сталь, що має мереживну поверхню». З деяким уточненням з ним згоден і дослідник булату початку 20-го століття Микола Іванович Бєляєв - «Булатом називають сталь, неодмінною приналежністю якої є візерунок, видимий неозброєним оком». Дійсно, булатний візерунок помітний неозброєним оком і виділяється у вигляді світлих ліній на сірому або чорному тлі після протруювання вироби будь-якої слабкою кислотою.

Ефект появи візерунка пояснюється різкою структурної та хімічної неоднорідністю металу, в якому ділянки з різним вмістом вуглецю і труяться, і поліруються по-різному. З найдавніших часів саме по візерунку розрізняли сорти булату. Аль-Кінді, арабська знавець зброї, що жив в 9-му столітті, в т.зв. «Лейденської літописі» писав, що дивлячись на мереживну сталь, бачиш її як зовні, так і всередині. Дійсно, по одному лише зовнішнім виглядом візерункового клинка можна визначити і структуру металу, і технологію його виготовлення. А технології ці можуть бути дуже різні ...

У трактаті 12-го століття про зброю, складеним вірменином Аль-Тарсусі спеціально для султанаСаладдіна, про клинкової мереживну сталь йдеться так: «Булат - найпотужніше, найвище з усіх виробів. Склади його бувають надзвичайно різноманітні і обробка змінюється від зміни складу ». Саме це різноманіття складів і методів обробки призвело до того, що довгий час навіть серед фахівців не було єдиної думки, який метал можна називати булатом, а який ні. Такий стан зберігається і досі, що призводить часом до жарким спорах. Сказано, що багатьох суперечок можна було б уникнути, якби вдалося домовитися про терміни, тому я представлю скорочений варіант сучасної класифікації, підбудований під тему мого повідомлення.

Отже. Візерункові клинкові стали в Росії прийнято розрізняти головним чином за способом виробництва і поділяють їх на дві великі групи - дамаски і булат.

До Дамаска відносяться всі види візерункових, композитних сталей, одержувані за допомогою з'єднання пластин, волокон або гранул різного хім.состава тим чи іншим варіантом дифузійної зварювання. До таких варіантів відносяться Горнова ковальське зварювання під шаром флюсу, зварювання в інертному або восстановітельнойсреде, дифузійна зварювання в вакуумі, зварювання вибухом і т.д.

Власне булати за особливостями технології виробництва поділяються на три підгрупи - а іменнона:

1. ліквационноє або дендритні булати, одержувані кристалізацією однорідного розплаву

2. Візерункові стали, різка неоднорідність в яких утворюється внаслідок особливої обробки в твердому стані. Наприклад, шляхом тривалого відпалу, як надходив П.П.Аносов в Златоусті в 19-м столітті, тривалої високотемпературної цементацией, як робила Кеті Харнекер в фірмі Хенкельс в столітті 20-му, або спрямованої комплексної ТМО, що набула поширення останнім часом.

3. І, нарешті, двофазні (тверде-рідке) булат, які з великим підставою можна назвати російськими Булатами. Про яких, власне, і піде мова далі.

Першим на двофазний метод отримання візерункових сталей вказав арабський учений Мухаммед ібн Ахмедабу Рейхан аль-Біруні, який в 10-м столітті писав: «Сталь, вироблена в Гераті, буває двох сортів: перший, коли в тиглі сплавляється м'яке залізо і чавун. Вони обидва з'єднуються так, що не відрізняються один від іншого і така сталь придатна для напилків і їм подібних. Другий сорт виходить, коли в тиглі зазначені речовини плавляться неоднаково і між ними не відбувається досконалого змішання. Окремі частки їх розташовуються упереміш, але при цьому кожна з них видно по особливому відтінку. Називається це Фаранда-візерунок і в мечах він високо цінується ».

Деякі дослідники досить критично ставляться до цього тексту як до доказу саме неповного розплавлення однією зі складових шихти. Мовляв, в давнину металурги не знали суті відбуваються при виплавці сталі процесів і під освітою візерунків в результаті «неповного змішання» чавуну і заліза слід розуміти звичайні ліквационноє процеси.

З цим можна було б і погодитися, але подальші слова Аль-Біруні вносять ясність - «В старовинних мечах, відомих під назвою« аль-кубурійскіе », іноді залишаються тонкі жилки, що не ввібрали чавун. Коли вони трапляються на лезах, то мечі не здатні різати через відсутність твердості. Якщо етіжілкі стесати, то шкоди немає ».

Це, наскільки мені відомо, найраніше з описів двухфазного методу отримання візерунчастої стали, заснованого на недорасплавленіі частини шихти в умовах порівняно низькотемпературної плавки в сиродутний печі. При цьому в рідкому, легкоплавкі чавуні залишаються нерозплавлений тверді частинки заліза або маловуглецевої сталі, які при подальшій розковуванню такого різко неоднорідного злитка і утворюють досить великі і чіткі візерунки. Іноді, як в старовинних навіть для Аль-Біруні аль-кубурійскіх мечах, які сьогодні схильні вважати виробленими в Єменської Куббуріі, візерунки виходять занадто великими через грубу неоднорідності.

Опис схожого по суті методу виробництва клинкової стали можна знайти і в Китаї, де подібний метал вже в 6-му столітті отримували безпосередньо в печі, сплавляючи тонкі залізні прутки і чушкового чавун при порівняно низькій температурі, недостатньою для розплавлення заліза і маловуглецевої сталі. За повідомленням Сунь Лоренцо Інсіньє отриманий грубо неоднорідний великий сплавок розковували, рубали на шматки і повторювали плавку. Особливістю китайського процесу, який застосовувався ще в 17-му столітті, є багаторазове повторення циклу плавка-розковуванню. Мета численних переплавок і проковок досить очевидна - китайці намагалися подрібнити структуру і вирівняти склад металу по перетину поковки, щоб уникнути отримання надмірно грубого, що не ріжучого «аль-кубурійского» леза.

Наступне за часом документальне свідчення про двухфазной плавці належить директору англо-індійської металургійної компанії Сесіль Шверзу, на якого в своїй класичній праці «Про Булат» посилається Микола Тимофійович Бєляєв . Вдалося з'ясувати, що Шверза інакше звуть Сесилем Ріттером фон Шварцем (різне звучання по-англійськи і по-німецьки), а відомості про виплавку булату в Індії він почерпнув із старовинного трактату «Аіні-Акбарі», «Управління Акбара», написаного в 16- м столітті Абуль Фазл ібн Мубараком для шаха Акбара. У другій половині 19-го століття фон Шварц опублікував опис методу виробництва булату, заснованого не так на переділі вторинних продуктів металургії, заліза і чавуну, а на прямому відновленні стали з залізної руди.

За цим методом в тигель разом з деревним вугіллям і осклованих флюсом слід засипати суміш дрібних частинок двох руд - бурого і магнітного залізняку, а саме три частини магнітного залізняку (магнетиту) і дві частини бурого (лимонита). Магнітний залізняк витягували з порожньої породи відразу у вигляді крупинок і лусочок, а бурий залізняк спеціально подрібнювали. Магнітний залізняк здобувався в Кондапуре, а бурий в Міртапаллі у Нирмала, в околицях якого і проходила плавка, яка тривала близько доби.

Зміст і валентність заліза в цих рудах було різним, тому і залізо з частинок відновлювалося з різною швидкістю. В результаті відновився першим метал за час плавки встигав сильно науглеродіться від контакту з деревним вугіллям і розплавитися, перетворившись в чавун, а виділився з більш тугоплавкої руди залишався менш вуглецевих і тому твердим. Майстру необхідно було вчасно припинити плавку і зафіксувати утворилася різко неоднорідну структуру злитка. Якщо продовжувати плавку ще деякий час, то вийде однорідний розплав.

В Англії індійський булат іменували «Вутца» (Wootz) і його злитки привозили з Голконди, як тоді називали області Центральної Індії. Цікаво відзначити, що виплавка металу за описаним Шварцем процесу відбувалася саме в цьому районі. Д-р Скотт, на початку 19-го століття доставив в Англію зразки індійського «Вутца», підкреслював, що «... ця речовина не виносить ні найменшого перегріву за яскраво-червоний колір, тому що частина його починає плавитися і вся маса розділяється, як ніби вона складається з двох металів різного ступеня плавкости. »Що, власне, і було насправді ...

Отже, можна підвести проміжний підсумок. Як було показано, затвердження Аль-Тарсусі про розмаїтості складів булату виявилися вірними і в давнину двофазні методи виробництва візерунчастої стали використовувалися усвідомлено і цілеспрямовано протягом більше тисячі років.

Тепер від стародавнього Сходу треба перейти до сучасним дослідникам двухфазного булату, проте відомо, що наукова стаття подібна жіночої спідниці - вона повинна бути досить довгою, щоб бути пристойною, але не дуже - щоб читачі не втратили інтерес. Тому далі буду з жалем, але рішуче скорочувати мова про дослідників, коротко згадавши лише про основні віхи. І тут, треба це неодмінно відзначити, безсумнівне лідерство належить російським вченим, чому, власне, я і наважився назвати отриманий двофазним методом композит «російським булатом».

По-перше, варто звернути увагу на одну цитату П.П. Аносова з його журналу дослідів від 1833 року, досвід 107, сплавлення навивні заліза і графіту: «При охолодженні тигля метал здавався недосконале розплавленим, бо на сплавляння було видно форми шматків заліза, між якими полягав графіт, але сплавок зручно прокувати. У нижньому кінці виявилися візерунки справжнього «Хорасану» і з нього був витягнутий кованец для клинка. Таким чином, було отримано перший зразок справжнього булату ».

По ряду причин впевнений, що Павло ПетровічАносов не ставив собі усвідомленої мети отримати булат методом саме двухфазной плавки. Думаю, що і в цьому випадку він отримав візерунчастий клинок не з суміші твердої і рідкої фаз, а з однорідного розплаву, що скупчився на дні тигля. Однак відома його загальна рекомендація сталеварів зупиняти плавку в той момент, коли в тиглі почне (тільки почне) розплавлятися останній шматочок заліза в шихті. На початку 20-го століття на ці його слова звернув увагу інший дослідник, професор А.П. Виноградов і зробив свої висновки .

Його дисертація була захищена в 1919 році в Гірничому інституті і називалася «М'який булат і походження булатногоузора». Для стислості не стану коментувати його ідеї про суть булату, а зазначу лише той факт, що він першим з дослідників булату провів кілька цілеспрямованих плавок суміші чавуну і обрізків тонкої залізного дроту, прагнучи саме таким чином отримати різко неоднорідний розплав.

Зі зрозумілих причин (в ті жорсткі роки було не до булату) робота в цьому напрямку не отримала розвитку і була продовжена лише в Златоусті в післявоєнні 50-і роки. У 1955 році колективу під керівництвом Ігоря Миколайовича Голікова було видано авторське свідоцтво на спосіб отримання булату шляхом двухфазной плавки в індукційній печі чавуну і залізної стружки. За цим методом в тиглі спочатку отримували синтетичний чавун, а потім порційно додавали дрібну маловуглецевої стружку, до двох третин обсягу тигля, намагаючись отримати в результаті злиток з фіксованою різкою неоднорідністю. Що їм і вдалося.

рис.1. Злиток булату П.П.Аносова рис.2. Візерунки булату Голікова-Гуревича рис.3. мікроструктура

(сталь і залізо) булату Голікова-Гуревича

Через тридцять років один із співавторів методу професор Юрій Григорович Гуревич видав свою книгу «Загадка булатної візерунка», в якій популярно і дохідливо описав суть Златоустовського методу. Книга дала як найсильніший поштовх популяризації всього булатної справи в Росії, так і привід для тривають до сих порспоров фахівців - чи можна вважати отриманий візерунчастий метал «справжнім» булатом.

Приблизно в ті ж 50-ті роки, в Москві працював з діда-прадіда коваль Олександр Матвійович Зубков. В один час з уральськими дослідниками, але навряд чи знаючи про їх роботі, він займався виплавкою булату тигельна способом. Як шихти він використовував дрібно нарубані шевські цвяхи і деревне вугілля, причому з однаковою шихти усвідомлено отримував або повний розплав з подальшою сповільненою кристалізацією, або щільно спечену залізо-чавунну крицю. Неясно, чи сам він розробив ці методи, або отримав їх у спадок від своїх предків, валдайських ковалів, але факт глибокого розуміння булатних процесів в наявності.

Само собою, результати роботи рядового коваля рядового московського трамвайного депо не отримали широкої популярності, але ось робота російського американця, професора Стенфорда Олега Дмитровича Щерби відома практично всім фахівцям. У 80-і роки він опублікував наочну схему отримання булату, яка однозначно вказувала на Фаранда.

На його думку, в старовину при виробництві булату в якості шихти використовували деревне вугілля і подрібнену залізну крицю - так само, як і в описах Аль-Кінді, але Щерби вказав на обов'язкова умова - температура процесу повинна становити всього 1200 градусів, що досить лише для розплавлення чугуна.Не повністю спеченная сирцевої криця складається з окремих зерен розміром від 1 до 5 міліметрів, поверхня яких в процесі цементації перетворювалася в чавун, який розплавлявся і заповнював проміжки між залишками гранул. Таким чином, виходила свогороду мелкоструктурная залізні чи сталеві губка, просочена чавуном. Що, власне, і було потрібно ...

рис.4. залізна кріцаріс 4.1. схема Щерби

У своїх власних дослідах, початих в середині 80-х років, як плавильного обладнання я застосовував індукційну електропіч, Газополум'яний піч, вакуумну електропіч опору, вугільний горн шахтного типу, звичайний ковальський горн і, нарешті, програмовану електропіч опору. Як шихти при виплавці різних зразків використовував шарикопідшипники, електродний дріт, дрібні цвяхи і руду різних типів в суміші з графітом, деревним вугіллям, ливарним і синтетичним чавуном.

При цьому я діяв, намагаючись реконструювати суть старовинних технологій, виходячи з розуміння злитка булату / Вутца як пористої залізної криці, просоченої чавуном.

рис.5.1

Найбільш успішними в плані моделювання древніх методів були досліди по сплавлению дрібних гранул чистого заліза і синтетичного чавуну з коричневим пляшковим склом і бурою як флюс. Хім.состав заліза - до 0.1% вуглецю, практично без марганцю, плюс перші десяті частки відсотка кремнію. Чавун мав 4,5% вуглецю. Плавки в корундових тиглях відбувалися в електропечі опору при температурі 1250 градусів з витримкою до 30 хвилин з метою кращого спікання залізних частинок з чавуном і їх наскрізного науглероживания до стали - пам'ятаючи про м'яких феритних «жилках» в аль-кубурійскіх мечах.

Злитки з середнім хімскладу від 1,5 до 2.5% вуглецю виходили щільними, без пір і великих шлакових включень, проковувати в квадратний брусок без помітних труднощів. Складнощі іноді починалися при розковуванню в тонку смугу - впливала різка хімічна неоднорідність при порівняно грубої структурі. Зробив очевидний висновок, що груба структура композиту це зло, з яким треба боротися. Історія показує, що до такого ж висновку прийшли і стародавні металурги.

ріс.5.0. Варіанти невдачі при плавці

Звернув особливу увагу, і звертаю вашу, що в декількох історичних повідомленнях згадувалося про продаж булату у вигляді плоских дисків або плит, розрубаних надвоє. ймовірно, злитки розрубували для показу розміру і виду неоднорідності, так би мовити, з метою демонстрації внутрішнього візерунка. Вага древніх злитків, за розрахунками і особистого досвіду становив в середньому 600-800 грамів, тому з його половинки отковать пристойну шаблю вагою близько кілограма було проблематично. Очевидно, що великі клинки, принаймні іноді, кувалися з декількох злитків або їх частин, що з'єднуються ковальським зварюванням. Як приклад можна послатися на булатний клинок із Збройової палати, який в описі 17-го століття значиться як «смуга булат червоний, кована з булатних головень», тобто з декількох округлих злитків. В описі 19-го століття вона ж записана як зварена із залишків булатних смуг. Різниця, очевидно, лише в розумінні слова «головень» - кругла «голова» або недогарок-головешка.

рис.6.2

рис.6.3. Зварений вдвічі злиток

рис.6.4

Загаль, історічніх примеров зварювання булату предостатньо. Так само протягом більш ніж 15 років надходив і я, зварюючи ковальської зварюванням прокувати в товсті пластини частини булатних злитків, домагаючись тим самим подрібнення візерунка і поліпшення металографічного будови високовуглецевого складової.

рис.8. Клинок з 1.25% вуглецю

рис.9. Мікроструктура клинка - шаруваті «хмари» карбідів в сталевий матриці

рис.10. Клинок «чавунного» складу з 2.5% вуглецю

рис.11. Мікроструктура клинка - рядки великих карбідів

Дослідження структури старовинних і сучасних зразків показали, що однією з головних проблем при отриманні якісної клинкової стали методом двухфазной плавки є забезпечення чистоти металу по неметалічних домішок. Дійсно, в умовах високої в'язкості густого, напіврідкого розплаву його очищення від дрібних частинок шлаку та інших механічних домішок шляхом їх спливання в верхню частину зливка утруднено, що може призводити до значного підсумкового забруднення. Якщо не звертати на цей фактор особливу увагу, то питомий об'єм включень може доходити до декількох відсотків, що призводить до помітного зниження пластичності і ударної в'язкості. Ймовірно, саме прагненням знизити вихідне забруднення шихти пояснюється найсуворіша рекомендація Швецова, помічника П.П.Аносова, закладати в тигель лише чисті шматки заліза, навіть без слідів іржі.

Я в цьому напрямку пішов ще далі - найвищі практичні результати в двофазних Булат я отримав в середині 90-х років при сплаву в захисному середовищі дрібних сталевих гранул з механічно зачищеною поверхнею і настільки ж чистих частинок швидкорізальної сталі, по суті - високолегованого чавуну. Отримані злитки я розкував в пластини і зварив пакет з них на вакуумному прокатному стані, подрібнивши структуру і звівши підсумкове забруднення неметалевими домішками до нуля. У певному сенсі, при отриманні стародавнього клинкової матеріалу був використаний один з варіантів сучасної порошкової технології.

Висновок - вивчаючи старовинні технології, з минулого треба брати вогонь, а не попіл.