ПОИСК
ССЫЛКИ
БИРЖА ТРУДА

ПАРТНЕРАМ

НАШИ КООРДИНАТЫ
г. Волжский
ул.Логинова 23В, оф. 218

тел. 8 (902) 387-21-95

e-mail: info@ucv.su

Задать нам вопрос
ОПРОСЫ

Что вы делаете чаще всего на этом сайте?

Получаю информацию об обучении персонала
Общаюсь с профессионалами на форуме
Ищу необходимые учебные и справочные материалы
Ищу работу


Главная О компании Наши статьи

Принципы получения булата

к.т.н. О.Г. ИВАНЕНКО

Сто пятьдесят лет тому назад горному инженеру Павлу Петровичу Аносову удалось воспроизвести технологию изготовления булатной стали, которая являлась одним из секретов древнего Востока [1]. Простой химический состав, соответствующий составу простой углеродистой стали, уникальное сочетание высокой твердости и упругости и многочисленные неудачные попытки получения литого булата поддерживают интерес металлургов к технологии изготовления этого материала. Предполагается, например, что булат мог быть получен в результате неполного расплавления малоуглеродистой составляющей шихтовых материалов в расплаве чугуна [2] или в результате термической обработки гомогенной литой углеродистой стали в режиме сверхпластичности [3]. Однако, по ряду причин , эти попытки объяснения секрета булата нельзя признать удовлетворительными.

Не вызывает сомнения, что большинство имеющихся музейных образцов булата получены методами кузнечной сварки [4]. Но, на наш взгляд, отсутствие симметрии и остатки характерной структуры в рисунке некоторых образцов булата, а также имеющиеся литературные данные [1, 5] о технологии получения этого материала показывают, что наряду со сварным булатом, все же имеются образцы булата, полученного в литом состоянии. В частности, описание технологии, разработанной П. П. Аносовым, не только отчетливо указывает на получение им булата в литом состоянии, но и содержит ряд специфических и странных, на первый взгляд, технологических приемов, используемых П. П. Аносовым при выплавке булата, которые позволяют приоткрыть секрет получения этого материала.

Во-первых, при отборе шихтовых материалов для производства булата П. П. Аносов стремился использовать металлический лом, не пораженный ржавчиной; во-вторых, масса загружаемых в тигель материалов была сравнительно небольшой, а слитки имели малую высоту и относительно большую площадь основания (как и "хлебцы" – образцы булата с древнего Востока); в-третьих, из сорока тиглей, устанавливаемых в печь для проведения плавки, только два тигля предназначались для получения булата. Эти тигли устанавливались в зону печи с наибольшей температурой, а булат получался только при образовании в тигле достаточно большого количества шлака; в-четвертых, углерод, по-видимому, стремились вводить в расплав в виде высокоуглеродистых материалов - графита или науглероженных "обсечков", а не путем переплава материалов с известным содержанием углерода; в-пятых, кристаллизация расплава проводилась в тигле без переливания металла в изложницу; в-шестых, ковка слитков булата осуществлялась в широком интервале сравнительно низких температур (начиная с комнатной) с преимущественным вращением заготовки в одну сторону, а перегрев металла был недопустим. И, наконец, следует отметить, что на заключительной стадии экспериментов П. П. Аносов пришел к выводу, что характерный узор и свойства булатной стали можно существенно усилить путем длительного (несколько суток!) безокислительного нагрева металла.

Отмеченные особенности получения литого булата, конечно, не являются случайными, они выработаны в результате кропотливых наблюдений. Существовавший во времена П. П. Аносова сравнительно низкотемпературный кричный процесс получения стали автоматически обеспечивал получение металла со сравнительно низким содержанием примесей, однако, как видно из описания особенностей технологии П. П. Аносова, он все же стремился использовать как ? можно более коррозионностойкие и, следовательно, более чистые по ряду примесей (например, кислород и алюминий) шихтовые материалы. Эти шихтовые материалы П. П. Аносов переплавлял в тиглях, изготовленных на этом же заводе из смеси специально подобранных песка глины и графита. Учитывая, что эти тигли устанавливали в зону печи с наибольшей температурой, можно предположить, что в процессе переплава должно было происходить активное восстановление кремния из футеровки тигля и увеличение его соде ржания в металле. Образование в тигле большого количества шлака[1] и данные химического анализа образцов булата (0,5 Si) [6], подтверждают наличие этого процесса.

Повышенное содержание кремния в металле, несомненно, должно оказывать влияние на поведение углерода в процессе кристаллизации расплава [7]. Хорошо известно [8], что кремний стабилизирует решетку ОЦК железа и, замещая углерод, уменьшает его растворимость (является графитизирующим элементом) в кристаллической решетке железа. Кремний, при отсутствии алюминия, создает характерный крупнозернистый "кудрявый" рисунок структуры металла и повышает ударную вязкость, что проявляется, например, в рессорно-пружинных сталях, легированных кремнием [9]. Причем, влияние кремния на свойства металла зависит от содержания углерода [7] и от того, в какой печи - "кислой" или "основной" была выплавлена сталь [10]. Кроме того, известно [11], что кремний может придавать стали атмосферостойкие свойства. Высокое содержание кремния, при минимальном содержании кислорода и алюминия, создает на поверхности металла плотную защитную пленку черного цвета (черный "грунт"), характерную не только для булата, но и для многих других изделий старых уральских мастеров. Отметим попутно, что сравнительно высокое содержание кремния (видимо при отсутствии алюминия и минимальном содержании кислорода), по нашему мнению, является главной причиной высокой коррозионной стойкости широко известной древней колонны, установленной в Дели. Небольшие примеси фосфора и меди усиливают атмосферостойкие свойства металла, но главную роль играет кремний. К сожалению, эти дешевые атмосферостойкие стали практически не используются в современной промышленности.

На фоне темного грунта настоящий булат содержит светлый узор, который в лучших сортах булата, по замечанию П. П.Аносова, имеет золотистый оттенок. Формирование светлого узора, очевидно, связано со значительным (по сравнению с общим содержанием) содержанием углерода и, возможно, марганца, придающего узору золотистый оттенок. В отличие от кремния, углерод и марганец стабилизируют решетку гамма-железа, расширяя температурный интервал существования ГЦК решетки железа и формируя структурные составляющие, обладающие высокой твердостью и износостойкостью. Благодаря сочетанию различных по составу и свойствам структурных составляющих – вязкой и упругой матрицы, образующей темный грунт и твердой фазы, образующей светлый узор, обеспечиваются уникальные свойства булата, существенно отличающиеся от свойств обычной стали. Совместное присутствие в матрице железа углерода, кремния и марганца, характерное для обычных марок стали, оказывает взаимнонейтрализующее влияние на свойства металла. Структура булата, в отличие от обычной стали, является неравновесной или метастабильной почти во всем диапазоне температур выплавки и обработки, поэтому формирование подобной структуры может быть связано либо с искусственным разделением фаз в предкристаллизационный период плавки, либо с естественной склонностью углерода к ликвации и формированию метастабильных структур. По нашему мнению, формирование подобных неравновесных структур из жидкой фазы может быть осуществлено даже не одним, а двумя путями, например, за счет пространственного разделения материалов, содержащих различные элементы, при их введении в предкристаллизационный период, либо в ? результате протекания процесса разделительной диффузии углерода и кремния, как при кристаллизации, так и в твердой фазе. Известно, что в микрообъемах железоуглеродистых расплавов (сиботаксисах) всегда существует различие в концентрациях железа и углерода. Эксперименты показали, что при предварительном искусственном разделении в смешиваемых фазах элементов, взаимно подавляющих растворимость, даже в расплаве железа можно получить две несмешивающиеся жидкости, но чаще скачкообразное уменьшение растворимости и перераспределение элементов возникает при кристаллизации. Возможно, именно стремясь подавить смешивание и усреднение локальных объемов расплава с различным содержанием углерода и кремния, П. П. Аносов пытался не одновременно, а раздельно вводить в расплав углерод и кремний. На стадии выплавки расплав относительно чистого железа насыщался кремнием за счет восстановления из материала тигля, а затем в предкристаллизационный период, в расплав вводили графит или "обсечки" с высоким содержанием углерода. При введении в расплав на поверхности "обсечков" формировалась твердая рубашка из безуглеродистого металла, а высокоуглеродистая составляющая, растворяя внешнюю рубашку, постепенно смешивалась с кристаллизующимся расплавом. Малый вес металла в тигле способствовал быстрой кристаллизации до завершения полной гомогенизации расплава. В структуре слитка, таким образом, фиксировалась концентрационная конвекция компонентов расплава с различным содержанием углерода и кремния, то есть в структуре металла мог возникнуть характерный рисунок булата, но такая технология не может быть стабильной.

Более вероятно, что формирование структуры булата может происходить при особых условиях кристаллизации расплава. Узкий температурный интервал существования решетки ? - железа допускает изотермическое существование вблизи температуры кристаллизации в микрообъемах расплава кристаллических решеток железа разного типа. Согласно теории жидкого состояния в жидком железе в зависимости от температуры перегрева над линией ликвидуса и микроконцентрации углерода или кремния, в расплаве могут одновременно существовать ГЦК или ОЦК подобные структуры [12,13]. Причем, перестройка кристаллической решетки железа даже при высоких температурах протекает со значительным гистерезисом [13], поэтому уже при кристаллизации наследуются решетки разного типа. Учитывая склонность углерода к разделительной диффузии и сегрегации, можно предположить, что в процессе замедленной кристаллизации в локальных объемах расплава будет происходить формирование фаз с большим различием концентраций углерода и кремния. Отмечается [15], что в метастабильной системе железо – углерод – кремний при содержании углерода 0,7 – 2,0 % и содержании кремния около 1,0 % возможно формирование метастабильной структуры феррит – цементит или феррит – цементит – карбид. Одновременное же присутствие в структуре металла и феррита и цементита – фаз с существенно различающимся содержанием углерода, по существу является основной характеристикой булата и требует только уточнения условий получения этих фаз. Отмеченная особенность технологии П. П. Аносова по проведению кристаллизации в том же тигле, в котором проводилось плавление, без перелива расплава в изложницу, может указывать на стремление искусственно увеличить время кристаллизации раствора с целью обеспечения условий более полного протекания процессов разделительной диффузии углерода и кремния.

Разделительная диффузия углерода и кремния может наблюдаться и вблизи температуры фазового перехода α - γ. Термообработка, используемая П. П. Аносовым для усиления рисунка булатной стали, имеющая длительность несколько суток, не имеет современных аналогов и отчетливо указывает на низкую скорость диффузии углерода, а, следовательно, и на сравнительно низкую температуру. Поэтому, не исключено, что эта термообработка осуществлялась в районе температур трансформации решеток ОЦК – ГЦК, то есть в области их одновременного стабильного существования в локальных объемах сплава, что и обеспечивало завершение медленно текущего процесса разделительной диффузии углерода и кремния.

Изложенные выше соображения могут создать впечатление о чрезвычайной легкости, даже неизбежности получения структуры булата, во всяком случае, в результате специальных экспериментов. И на наш взгляд это, отчасти, так. Историкам металлургии хорошо известно, что когда-то булат получали в Японии, Индии, на Ближнем Востоке, в Грузии, на Руси и в Якутии, но затем, технология изготовления этого материала была повсеместно утрачена. П. П. Аносов сумел создать технологию получения литого булата, однако, несмотря на хорошую методическую основу системы получения и исследования металла и стремления обосновать и раскрыть технологию, вследствие отсутствия металлургической науки, он не мог объяснить механизмы формирования структуры булата. В связи с этим, секрет получения булата был утерян вторично. Последующие попытки воссоздания этой технологии были неудачны по нескольким причинам. Во-первых, по-прежнему отсутствовала теоретическая база, а отдельные эмпирические опыты только подтверждали сложившееся мнение о бесперспективности попыток получения этого материала. Возникло мнение об авантюрности и ненужности работы над этой темой. Во-вторых, простейшие низкотемпературные процессы производства стали в печах с "кислой" футеровкой, были вытеснены более производительными высокотемпературными процессами, в которых наряду с восстановлением железа происходит частичное восстановление других элементов и загрязнение металла кислородом, азотом, серой, алюминием. И, в-третьих, кинетика получения этого литого материала является капризной, так как требует точного соблюдения вида, размеров, времени, концентрации и массы смешиваемых материалов, скорости кристаллизации и охлаждения, знания режимов термообработки и ковки. Однако можно надеяться, что при использовании чистых материалов, печей с контролируемой атмосферой и скоростью охлаждения металла в ближайшее время загадка получения этого литого композиционного материала будет окончательно решена. Отметим также, что понимание принципов получения литой булатной стали откроет, на наш взгляд, возможность получения сравнительно дешевых атмосферостойких сталей, а также разработки и производства нового класса литых композиционных материалов.

  1. Аносов П. П. Собрание сочинений. М.: Изд-во АН СССР, 1954.
  2. Гуревич Ю. Г. Загадка булатного узора. М.: Знание, 1985, 190 с.
  3. Maugh Tomas., A metallurgical tale of iron, Science, 1982, 215, 4529, 153. Открытие секрета дамасской стали при исследовании сверхпластичности материалов. РЖ Металлургия, 1982, 8А3.
  4. Назаренко В. Изучение структуры и свойств булатной стали. Литейное производство, 1986, № 7.
  5. Яковленкова Н. П. Возрожденный булат. Челябинский рабочий, 1984, 24 января.
  6. Прокошкин Д. А. Павел Петрович Аносов. М.: Наука, 1971, 296 с.
  7. Голиков И. Н., Масленков С. Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. М. Металлургия, 1977, 224 с.
  8. Гуляев Б. Б. Физико–химические основы синтеза сплавов. М.: Изд-во ЛГУ, 1980, 192 с.
  9. Ершов Г. С., Поздняк Л. А. Микронеоднородность металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1985, 214 с.
  10. Металлография железа, Том 3. / Под ред. Ф. Н. Тавадзе/ М.: Металлургия, 1972, с. 33.
  11. Шлугер М. А., Ажогин Ф. Ф., Ефимов Е. А. Коррозия и защита металлов. М.: Металлургия, 1981, 216 с.
  12. Вертман А. А., Самарин А. М. Свойства расплавов железа. М.: Наука, 1969, 277 с.
  13. Жидкая сталь / Б. А. Баум, Г. А. Хасин, Г. В. Тягунов и др. / М. Металлургия, 1984, 208 с.
  14. Романов А. М., Шустров А. Ю., Козлов Л. Я. Особенности неравновесной кристаллизации сплавов на основе железа. Сталь, 1988, № 3, с. 28 – 30.
  15. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Справочник. М.: Металлургия, 1986, с. 276.

1991 г.

Locations of visitors to this page
Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru