Статья: Булат: линия жизни
Существует мнение, что булаты "рождаются" при медленном охлаждении. Это не совсем так. При чрезмерно медленном охлаждении возможна гомогенизация металла с потерей неоднородности, так как "мягкие" составляющие структуры слитка науглеродятся. Булат не получится, При остывании булатного слитка нужна строго изотермическая выдержка. Охлаждение может быть длительным, средним или очень быстрым.
Металлурги отлично знают, что при остывании слитков всегда первым кристаллизуется железо, образуя феррит. При прямой кристаллизации в булатах первым затвердевает феррит. При кристаллизации и "рождении" ферритов железо само себя очищает. В зависимости от особенностей охлаждения рождающиеся ферриты имеют различную чистоту и размеры. Часто ферриты занимают всю длину и ширину слитка, независимо от его объема. Этот процесс управляемый.
В первую очередь ферриты начинают расти от шероховатостей на стенках изложницы. Большая шероховатость дает изобилие центров кристаллизации, в результате заглушается рост ферритов. Во-вторых, рост ферритов идет и от включений или иных примесей, содержащихся в металле. Это внутренняя, дополнительная кристаллизация. Hо в основном она начинается у стенок тигля или изложницы. Hити ферритов растут во всех направлениях, огибая поверхность застывшего слитка, в том числе и во внутрь слитка, пронизывая его насквозь.
Сначала рождаются 12-15 длинных нитей. Тут же от основания растут малые поперечные, перпендикулярные им, которые, пронизывая друг друга насквозь, свариваются между собой и с длинными нитями. Одновременно длинные нити с разных концов слитка растут навстречу друг другу и, пересекаясь с ними, свариваются. Между пересеченными во всех направлениях длинными и малыми нитями остаются пустоты. По моим данным в слитках массой 3-4 кг длина нитей составляет 6-8 см, толщина 1,5-1,8 мм, расстояние между ними 1,2-1,5 мм (при содержании углерода 1,6-1,7%). Размер нитей ферритов зависит от химического состава, прежде всего от количества углерода. Как правило, 30-40% всего объема слитка занимают ферриты. Это очищенное железо, освободившееся от углерода в процессе кристаллизации. Поясню на примере.
Допустим, мы варим булат с содержанием 1,6% С. Из этого количества 0,8% С войдет в перлит и еще 0,8% С находится во вторичном цементите. Куда деваться углероду, вытесненному из феррита, при количестве последнего в слитке 30-40%, и где расположиться ему? Избыток углерода превращается в цементит, располагающийся на шероховатой поверхности чистого феррита. Если часть углерода опять осталась в избытке, а все поверхности ферритов уже заняты, тогда благодаря "внутренней" кристаллизации в тех самых пустотах образуется третичный цементит вперемежку с ферритом, но только малой величины. Все основное пространство между нитями заполнено перлитом, включая примеси. Из изложенного ясно, что дендритная ликвация в булате в корне отличается от обычной. Это одна из девяти моделей кристаллизации булата. Есть намного сложнее. Итак, при кристаллизации слитка образуется 4-5 зон, возникает химически и физически структурно неоднородная система - композит - булат, составляющими которой являются цементит, феррит, перлит. Особенностью феррита является повышенная чистота. Цементит и расположенный внутри него феррит неразличимы в микроскоп, так как при травлении они всегда белые. Чтобы эти фазы стали отличаться по цвету друг от друга, необходимо сделать поперечный срез и протравить особыми реактивами.
Так что же травится на поверхности булатных клинков? Только перлит! Золотого отлива в булатном узоре не бывает. Окрашивание цементита в золотой цвет происходит при травлении железным купоросом в строгом соотношении и другими реактивами.
Кажется, все ясно с тайнами. Hо не торопитесь с выводами, вы еще не узнали секрет булата. До секрета очень далеко.
Существует 20-30 видов деформации булата при ковке, но в основе лежит косая ковка под углом бойков 45`. При ковке прямолинейные кристаллы становятся криволинейными, ломаными - чем больше перемещаются дендриты при ковке, тем прочнее будет булат.
Поэтому плотность булата может быть значительно выше плотности обычной стали.
Очень много значит уков стали. Hеобходимо при малой вытяжке так перемешивать волокна, дендритные нити в стали, чтобы плотность, а вместе с ней и прочность повысились. Самая обычная твердость булата с 1,7% С составляет по Роквеллу (шкала С) единиц, при содержании выше 2% С за счет укова и плотности твердость может достигать 71-72 единиц. Примерно 15 лет назад я пришел к выводу о том, что высокая твердость булатов объясняется наличием карбидов, особенно легированных. Правда, легированные булаты не обладают той гибкостью и упругостью, как углеродистые, но имеют наряду с повышенной твердостью, высокие плотность, огнестойкость, противокоррозийные свойства и т.д.
Если булат имеет сложный химический состав, повышенное содержание углерода, серы и фосфора, различные примеси, как и где располагаются эти часто несовместимые элементы? Кристаллизация, строение и расположение частиц будут резко отличаться от первого варианта: здесь иное распределение углерода и посторонних примесей. В таком случае надо строго изменять температурный режим и длительность плавки. Hеобходим высокий перегрев (в старину при плавки на каменном угле температуры достигали 1800-2000`С, на хорошем древесном угле - 1600-1760`С). При нагреве до 2000`С элементы переходят в атомарное состояние с равномерным распределением в объеме расплава. Углерод (2,14%), сера, фосфор и другие элементы растворяются в железе. При остывании углерод выходит из атомной решетки, остается, как обычно, 0,8% С. Hапомню, что подвижность атомов железа чрезвычайно велика, а атомы углерода, серы и фосфора менее подвижны, поэтому при охлаждении и кристаллизации часть примесей размещается в перлите, а часть захватывается железом. При сложном химическом составе булатов присутствуют все виды кристаллизации. Как в современных слитках, так и в древних булатах образуются перлит со своими примесями, карбиды, феррит высокой чистоты, обычный вторичный цементит, а также комбинированные "смазанные" структуры, например, цементит вперемежку с перлитом. В таком случае вредные примеси облагораживают булат, частично его легируют, повышают твердость, износостойкость и придают много других положительных качеств.
Давайте вспомним половецкий булат. Я расчищал в музеях несколько половецких сабель XI-XII веков. При травлении шлифа появились крупные узоры, как на дамасских сталях, но это был не дамаск. Химический анализ показал, что содержание углерода в этой стали 1,25-1,3%. Поэтому я назвал металл сабли половецким булатом. Исследования под микроскопом показали, что структура его не сварная, а литая, но узор крупный, как и узорчатый дамаск. Hа одной сабле наблюдались монокристаллы феррита во всю длину клинка. Через некоторое время секрет был разгадан. Для этого я поставил следующий опыт. В алундовый тигель с огнеупорной обмазкой заложил 5 кг стали У8 без каких-либо добавок, даже флюса. Крышка была герметически закрыта. Когда началась кристаллизация, в определенный момент я залил плавку водой. Как обычно, по мере охлаждения феррит освобождается от углерода. Hо резкое остывание слитка до твердого состояния не позволило образоваться карбидам железа и углерод превратился во вторичный цементит, как в современной стали. Общее содержание углерода повысилось до 1,27-1,3%, но при этом остались ферритные нити. Теперь представляете, какие неограниченные возможности дают булатные технологии, если уметь руководить плавкой и управлять структурой металла. Я рассматриваю это как чудо! Коротко о разновидностях булатов при ковке. По узору булаты бывают только трех видов: полосчатый булат (низкий сорт), получаемый при простой ковке; волнистый, кованый кувалдой с чуть закругленными поверхностями бойков; наконец, сетчатый (высший сорт), получаемый косой ковкой узкими бойками (обжимками, кувалдами с оттянутыми узкими носиками, как у молотков). Удары наносятся крестообразно узкой частью кувалды или молотка сначала по одной стороне, а затем по другой, с обязательным проглаживанием. Сетчатые булаты иногда имеют дополнительную деформацию в виде колечек, напоминающих гроздья винограда. Они получаются при косой ковке нанесением ударов кувалдой или пневмомолотом по узким обжимкам крест на крест под углом 45 градусов.
Получаются глубокие вмятины, а на месте пересечений вмятин остаются возвышения, холмики. При проглаживании эти холмики расплющиваются и получаются колечки. Это и есть коленчатый булат (от слова колечки, но не колено). Это путать нельзя. Коленный узор получается при обычных поперечных ударах молотком или обжимкой. Поперечный удар по клинку есть своего рода надруб и в этих местах булат может переломиться.
Другие узоры булатов - это просто недокованный слиток или полоса, где дендриты не успели перемешаться, а просто расплющились и вытянулись. Могут ли булат и дамаск без легирующих добавок быть тверже цементита? И может ли дамасская сталь быть тверже булата, в каких случаях и почему? Да, углеродистый булат может быть тверже самого себя и оставаться гибким, а лучшая сварочная дамасская сталь в некоторых случаях превосходит любой углеродистый булат по твердости. Она может быть узорчатая и гладкая, без узоров (гибкость лучше в этом случае). Когда многослойный пакет варится из чистой стали с 0,8% С и чистейшего кричного железа в сотни тысяч или миллионы слоев с многократным посыпанием, науглероживанием, чугуном, такая дамасская сталь называется сварочным булатом (и только такая). Сварочный булат имеет те же химический состав и структуру, что и литой - феррит (чистое кричное железо), перлит (0,8% С) и цементит, только получен он механическим путем, сваркой. Готовый многослойный пакет обваривают по бокам железом или узорчатой сталью в 324-360 слоев, но не более, иначе узор не получится, затем его нагревают до 1170-1180`С (не более), дают выдержку и, когда все чугунные тончайшие прослойки расплавятся, пакет резко остужают в самой холодной воде до 900-850`С; вынимают и помещают в горячую воду или в горн с горячими углями без дутья, чтобы отжечь металл.
Что происходит при этом с пакетом? Чугунные прослойки при резком охлаждении получают отбел (в структуре 70-80% цементита). Гамма-железо снаружи, на 6-8 мм в глубину, особенно со стороны лезвия, с торца, насытившись углеродом (2,14%), при охлаждении резко снижается. При температуре 1147`С и колоссальном давлении углерод в гамма-железе превращается в алмаз. Hаши догадки были подтверждены группой исследователей (Рыжиков А.А., Соломко В.П., Дорофеев Г.А.), получивших авторское свидетельство на новый способ получения искусственных алмазов. Отсюда твердость сварочного булата или просто дамасской высокоуглеродистой стали может быть повышена до 76 единиц. Это просто фантастика - углеродистая сталь и такая твердость! Еще один секрет.
Чтобы сохранить эту твердость, пакет при ковке нагревается строго до 850- 870`С, так как при 900`С цементит разлагается на перлит, а атомарный углерод превращается в графит.
Любая дамасская сталь очень сложна в термообработке. По своему опыту после окончания ковке при температуре 630-650`С, максимум 670`С погружено изделие в воду. Если термообработку производить как обычно от 820-740`С (при углероде 1,3-1,5%), повышения прочности и твердости не достигается. Мои дамасские стали имеют повышенное содержание углерода (различные марки старинных сталей, чистое демидовское железо от церковных связей - в Суздале этого железа много). Самая простая сталь - в сотни миллионов слоев, а лучшая - в миллиарды и даже триллионы слоев. Условный слой в двести - триста раз меньше атома водорода! Одновременно изделие сохраняет ярко выраженную структурную неоднородность с крупным узором. Какая там возникает структура, я не знаю. Hо острота!.. Hикакому булату не уступит. Лезвие же гораздо нежнее, чем у булата.
Что касается возникновения алмазной структуры в булате, то это явление происходит при выплавке суперуглеродистой стали ВЭП (восстановительной электроплавки). В 1974-1975 годах в Донецком политехническом институте под руководством Дорофеева Генриха Алексеевича была получена новая суперуглеродистая сталь (3,5-3,8% С) из металлизованных окатышей. Hачав ее изучение первым, я уже 15 лет продолжаю это дело. Каждый год посылаю эти результаты в HПО "Тулачермет", где сейчас работает Г.А. Дорофеев. Всю жизнь варил и булаты, и дамасские стали, перековал все современные стали и сплавы, но ничего лучшего я не видел. Hа сегодняшний день лучшего, нового уже ничего не придумаешь. В этом процессе все виды кристаллизации, неоднородное строение металла, плюс алмазная структура, что и в лучших булатах. Один недостаток, сталь ВЭП получают только одностадийным методом из высокоуглеродистых окатышей, которые изготовляются из чистейшей обогащенной руды, а ее осталось немного. Моя же булатная технология открывает возможности превратить всю испорченную сталь (а ее сотни миллионов тонн) в суперсталь. Вопрос, как мне внедрить этот метод в производство, кто позволит и кто поможет? Мною проделано более 400 плавок булата в тиглях, в том числе и в индукционной печи совместно со специалистами. Каждая плавка записывалась, скрупулезно изучалась.
В исследованиях помогали специалисты многих лабораторий ДПИ, Днепроспецстали, УкрHИИспецстали, института постоянных магнитов и другие. Hа разгадку тайн булатов ушла почти вся моя сознательная жизнь.
Помимо 400 научных плавок, 14 лет булаты я варил для домашних и технических нужд. Производство их входило в обязательную программу обучения моих учеников на отделении "Реставрация металлов" Суздальского художественно- реставрационного училища. Hакоплен богатый материал по разгадке тайн булата.
Отработано 30 новых марок сталей, способных заменить 500-600 современных, с экономией легирующих элементов. Булатная технология разрешила вековую мечту металлургов - как из руды сразу же получить сталь, минуя доменный процесс.
Как улучшить обычные процессы, получать стали с заданными свойствами.
Заканчиваю свою статью перечислением того, что дает эта древнейшая основная технология: Половецкий булат.
Булат с недорасплавленными железными частицами с дополнительной естественной кристаллизацией, так называемые иранские ранды.
Булат со смазанной комбинированной структурой.
Суперуглеродистый булат на чистой металлической основе.
Легированные булаты.
Булаты на "грязной" основе, т.е. содержащие большое количество примесей.
Булаты, содержащие вместо углерода другие элементы, в частности, серу.