Узорчатая сталь? Сколько угодно!

Узорчатая сталь? Сколько угодно!

В XIX веке последователи Аносова, известные русские металлурги П. М. Обухов, А. С. Лавров, Н. В. Калакуцкий развивали его идеи о получении совершенной стали, искали научные обоснования металлургических процессов. Так, например, А. С. Лавров изучал строение стального слитка, впервые применил алюминий для удаления кислорода из стали, выдвинул идею подогрева верхней части слитка термитными смесями для того, чтобы уменьшить его усадку и увеличить выход годного металла. Совместно с Н. В. Калакуцким он открыл и объяснил ликвацию стали — неравномерное распределение примесей в объеме слитка. Работы Аносова и его последователей продолжил выдающийся ученый-металлург Д. К. Чернов, обобщения и открытия которого в начале XX века завершили формирование металлургии как пауки.

В 1878 году Д. К. Чернов описал характер затвердевания (кристаллизации) стали и показал особенности перехода ее из жидкого в твердое состояние. Он разработал схему образования кристаллов в жидком металле, исходя из того, что они состоят из дендритов — древовидных образований. Чернов собрал большую коллекцию кристаллов, которые были извлечены из стальных слитков. Некоторые из них достигали размеров 3–5 мм.

Однажды полковник А. Г. Берсенев, служивший приемщиком на металлургическом заводе, нашел в груде стального лома на шихтовом дворе огромный кристалл. В собрании Чернова это был самый крупный дендрит — он весил почти 3,5 кг и имел длину около 40 см. Вскоре он стал широко известен как «кристалл Чернова».

Величину дендритов Д. К. Чернов связывал с условиями охлаждения стали: «Если расплавленную в тигле сталь вы будете при охлаждении приводить постоянно в сильное сотрясение, достаточное для того, чтобы все частицы ее приходили в движение, тогда слиток будет иметь чрезвычайно мелкие кристаллы, — писал Д. К. Чернов, — если же эту сталь оставить без всякого сотрясения и дать массе спокойно и медленно охлаждаться, тогда у вас эта же сталь получится в крупных, хорошо развитых кристаллах».

Склонность стали к кристаллизации, форма кристаллов и их взаимное расположение зависят не только от условий кристаллизации, но и от химического состава стали, степени ее загрязнения вредными примесями. Чем меньше примесей в стали, тем легче получить при кристаллизации ее крупные кристаллы. Исходя из этого, Д. К. Чернов считал, что первоначальная крупная кристаллическая структура является первоосновой булатного узора. Это утверждение как будто совпадало с рекомендациями П. П. Аносова, который писал, что «для получения совершенного булата» необходимы особой чистоты материалы, «сильный жар во время плавки», «медленное охлаждение тигля» и «наименьшее нагревание при ковке».

По указанию Д. К. Чернова его сотрудники не раз пробовали плавить булат. Они брали железо, чистое по фосфору и сере, сплавляли его с серебристым графитом в присутствии окалины и флюса, сильно нагревали и медленно охлаждали в огнеупорных тиглях. Поверхность слитков шлифовали, полировали и травили кислотой. И действительно, слитки имели ярко выраженные древовидные узоры. Елочки со стройными стволами и строго симметричными ветвями отбрасывали серебристые тени и были очень красивы. Слитки разрезали, вновь шлифовали, полировали, травили, и узоры повторялись, они были присущи всему объему металла.

Остался, казалось бы, пустяк: известными приемами ковки сплести стволы и ветви узора так, чтобы получить рисунок, характерный для булатов. Но как раз это не получалось. Д. К. Чернов твердо установил, что нагрев стали под ковку до обычных температур (800–1100 °C) невозвратимо уничтожает дендритные узоры…

Для того чтобы сохранить узоры, необходимо ковать сталь при достаточно низкой температуре, считал Д. К. Чернов. Если это соблюдено, то нарушения кристаллического строения не происходит, в «сплетения» кристаллов должны изменить свой вид так или иначе, более или менее в зависимости от направления и степени вытягивания при обработке. Поэтому, выковав пластинку и вытравив кислотой ее шлифованную поверхность, получают узор иного вида, с красивыми линиями или вроде фибр дерева, например дуба. Однако найти температуру ковки, при которой бы сохранялись узоры, не удавалось. И Чернов долго считал, что искусство древних кузнецов основывалось на знании секретов пластической деформации стали при «наименьшем нагревании».

Позднее Чернов объяснял свойства булата не только «сплетением» кристаллов, но и ликвацией углерода. Когда булатный слиток остывает, то первой начинает кристаллизоваться более тугоплавкая малоуглеродистая сталь. Между дендритами этой стали располагаются возникающие позже кристаллики менее тугоплавкой высокоуглеродистой стали. Поэтому и получается сложное переплетение твердых и пластичных кристаллов. Описанное явление сегодня широко известно как дендритная, или внутрикристаллическая, ликвация углерода.

Дендритная ликвация углерода и легирующих элементов оказывает значительное влияние на свойства легированных сталей после горячей деформации. Этому явлению, открытому Д. К. Черновым, уже в наше время посвящено немало научных работ.

Ученик Чернова Н. Т. Беляев, понимая невозможность превратить в булатный узор дендритную структуру литого металла путем низкотемпературной деформации, несколько иначе излагает взгляды своего учителя на происхождение булатного узора. Он обращает внимание на то обстоятельство, что при медленном охлаждении стали ветви дендритов «состоят из последовательного ряда концентрических оболочек попеременно меняющегося состава, что и влечет за собой появление в вытравленном рисунке булата концентрических очертаний и часто замкнутых фигур». Другими словами, Н. Т. Беляев утверждает, что благодаря дендритной ликвации углерода булатный узор появляется в слитке еще до того, как его подвергают ковке. Поскольку в данном случае выявление дендритной структуры связано с участками, обогащенными или обедненными углеродом, оно должно происходить и после высокотемпературной деформации металла.

Экспериментальной проверкой этой теории булатного узора занялся другой ученик Д. К. Чернова — Н. И. Беляев. Он проковал в пластины два одинаковых куска стали, содержащей 1,35 % углерода, и подверг их длительному отжигу. После этого один кусок ковался при температуре 65°, а другой — при 1000 °C. Оба шлифа были протравлены на дендритную структуру. При высокотемпературной ковке дендритная структура выявлялась после закалки образцов. Это дало основание Н. И. Беляеву связать булатный узор с дендритной ликвацией углерода и подтвердить теорию своего учителя.

В одном Д. К. Чернов и Н. И. Беляев были совершенно правы: они открыли секрет так называемого «литого булата» Аносова. Дело в том, что в трудах П. П. Аносова есть описание способа производства стали, которая изготовлялась в тиглях путем переплава предварительно науглероженного железа и отливалась в формы. Литая сталь подвергалась длительному отжигу без доступа воздуха в специальных тщательно закупоренных ящиках. Аносов скрупулезно исследовал режимы отжига и установил, что правильно отожженная сталь имела чистую поверхность без следов окалины, хорошую вязкость и крупнозернистое строение. На поверхности стали были видны узоры. Аносов писал: «Отожженная сталь, как имеющая узоры, подобно булатным, должна нести и одинаковые с ней названия. Для отличия от настоящего булата я называю ее литым булатом».

Таким образом, узоры, получающиеся после длительного отжига металла, безусловно связанные с дендритной ликвацией углерода, Аносов не считал «настоящими булатными». К аналогичным выводам пришел впоследствии и Н. И. Беляев: «Будучи далек от мысли воспроизвести лучший коленчатый узор индийских мастеров, я тем не менее даю образы того, как, видоизменяя ковку, можно видоизменять узор, делая его более красивым и более совершенным в механическом смысле». Итак, настоящих булатных узоров и Н. И. Беляеву воспроизвести не удалось.

Подчеркнем: работы Д. К. Чернова, Н. Т. Беляева и Н. И. Беляева по кристаллизации стали и дендритной ликвации примесей заложили основу современной теории кристаллизации и показали ее роль в обеспечении качества стали. Позднее мы увидим, что на основе исследований булата были разработаны и другие важные положения металлургии.

Теперь хорошо известно, что дендритная структура наиболее хорошо выявляется в сталях, имеющих значительное содержание углерода (более 0,8 %,) или легирующих элементов. В литом металле она проявляется сравнительно легко, в деформированном — только продолжительным травлением специальными реактивами. Между тем имеется много свидетельств тому, что булатные узоры выявляются весьма слабыми травителями, в том числе и такими, как соки растений и плодов. Даже чистая вода в присутствии воздуха в течение нескольких минут выявляла булатный узор. Поэтому легкость проявления узора всегда считалась отличительным признаком булата. Мы уже знаем, что в лучших булатах узоры вообще выявлялись непосредственно после полировки.

Надо отдать должное Д. К. Чернову, он первым строго научно объяснил природу булата и связал ее со свойствами этой удивительной стали. Он считал, что при затвердевании сталь распадается на два различных соединения железа с углеродом, которые «играют очень важную роль при назначении такой стали на клинки: при закалке более твердое вещество сильно закаливается, а другое вещество остается слабо закаленным, но так как оба вещества в тонких слоях и фибрах тесно перевиты одно с другим, то получается материал, обладающий одновременно и большей твердостью, и большей вязкостью. Таким образом, оказывается, что булат несравнимо выше лучших сортов стали, приготовленной иными способами».