О производстве литья

Булатная сталь открытие секрета 

Исследования П.П. Аносова основали новые методы производства высококачественной, «совершенной стали», которая стала известна как булатная сталь.

Во время «поиска секрета изготовления булата» Аносов нашел четыре способа получения высококачественной стали, которая стала известна как булатная сталь. В основном за счет улучшения процесса плавки в тиглях.

  Способ первый

«Сплавление железных руд с графитом, или восстановление и комбинация железа с углеродом», то есть способ прямого восстановления железа из руды.  Аносов считал этот метод подлинным способом получения булата на Востоке. «Древние, — сказал он, — с большей вероятностью атаковали простым способом, чем сложным». Из-за того, что «использование тиглей так же древне, как слава золота; ничто не могло быть ближе древним алхимикам, чем испытание на плавление всех тел, похожих по внешнему виду на металл».

Но этот метод не мог удовлетворить Аносова. Для применения метода требовались самые чистые руды, которые не содержали посторонних примесей, особенно серы. Кроме того, это было экономически невыгодно. «Высокая стоимость делает этот метод недоступным для внедрения в массовом порядке», — отвечает Аносов.

Второй способ

«Плавка железа с использованием углей или предварительное соединение его с углеродом и восстановление с помощью оксида железа» (т.е. переплавка чугуна с окалиной). Этот метод также был непригоден для массового производства стали. Полученный сплав содержал много углерода и с трудом поддавался ковке. По словам Аносова, это произошло из-за того, что другой чугун был недостаточно чистым, его плохо очищали при тигельной плавке.

Открыв второй метод, Аносов инициировал процесс превращения чугуна в сталь, ныне широко известный как процесс переработки лома, намного опередив французских братьев Мартен.

Второй способ также не был использован Аносовым, но затем он оказался необходим известному новатору русской техники инженеру А.А. Износкову, который, используя его, сумел в 1869 году легко и быстро организовать превращение чугуна в сталь в первой мартеновской печи в России, на Сормовском заводе.

Способ №3

Производство литого булата (сталь отливалась в форму) при длительном отжиге без доступа воздуха (в засыпке). Этот метод был использован Аносовым на Златоустовском заводе для получения литого булата, «пригодного для изготовления дешевых изделий».

Суть метода заключалась в том, что стали, приготовленной в тигле, не давали затвердеть в тигле, а разливали в формы. это необходимо для облегчения ковки крупных сплавов и является единственным средством снижения стоимости булата до стоимости стали».

Литая булатная сталь подвергалась длительному отжигу в специальной печи без доступа воздуха и была тщательно запечатана в коробку. Преимущество отожженной стали заключалось в том, что она «удобно поддается ковке, мягче при опиливании, меньше повреждается при закалке и более устойчива после нее».

На отожженной стали были обнаружены узоры: мелкие на мягкой, крупные на твердой. Чем выше качество стали, тем быстрее она приобретает крупнозернистую структуру. «Отожженная сталь, поскольку имеет узоры, похожие на дамасскую, также должна носить то же название, что и она.

При определении технологии отжига Аносов обратил внимание на различный характер изменения свойств стали. Неправильный отжиг, связанный с доступом воздуха к коробке, вызвал обезуглероживание поверхности, характеризующееся «гранулированным налетом на поверхности», который создал «особую белую окантовку по краям бруска». Выгорание прутков («повреждение стали») характеризовалось «удобным их ломанием без затвердевания». Хорошо отожженная сталь имела чистую поверхность без следов окалины, хорошую вязкость и «гладкую крупнозернистую добавку в трещине».

Детали, соответствующие верхней части литого блока, почти никогда не имели крупнозернистой структуры, а следовательно, и узора — узорочья. Это обстоятельство позволило нам сделать вывод, что четкость рисунка связана не только с кристаллической структурой, но и с чистотой стали. Аносов широко применял отжиг не только на литых сталях, но и в качестве предварительной операции, отжигая сталь, поступающую в шихту.

Использование отжига значительно улучшило качество златоустовской стали, поставив ее выше лучшей английской тигельной стали. Кроме того, найденный Аносовым способ получения высококачественной стали был намного проще английского. «Такое улучшение не было достигнуто в Англии путем отжига.

Четвертый способ

«Сплавление железа непосредственно с графитом или соединение его непосредственно с углеродом» — Аносов считал лучшим из всех разработанных им и экономически наиболее выгодным «для получения настоящего булата». Для четвертого метода Аносов разработал полную технологию.

Булатная сталь плавка

В тигель загружали 12 фунтов (около 5 кг железа). Если же необходимо было получить  более  твердый металл,  количество железа уменьшалось   до 10 или 8 фунтов. Железо засыпалось  смесью графита,  железной окалины и флюса. В качестве флюса Аносов  рекомендовал доломит.

После загрузки тигля  его закрывали глиняной крышкой  и пускали дутье для достижения «сильного жара». Дутье регулировалось «ртутным духомером». По истечении трех с половиной часов металл расплавлялся  и покрывался тонким слоем шлака с плавающим  в нем  графитом, всплывающим частично в шлак.

Потери графита составляли на этот промежуток  времени 100 г. После плавки в течении четырех с половиной часов  они повышались до 200 г., а при плавке в  течение  пяти с половиной часов до 400 г. По окончании плавки  оставляли в печи до полного остывания. Затем отбивали крышку тигля, высыпали остатки графита, а  шлак разбивали. Металл извлекался из тигля в форме «сплавка, имеющего вид  хлебца» и при  медленном охлаждении  постепенно затвердевал.

Поверхность застывшего металла получалась либо  ровной, либо с некоторым углублением около середины, « в котором кристаллы булата более видимы и между  собой перепутаны». «Это,- говорил Аносов, — составляет  усадку». Она была сильнее для более твердой стали.  Отсутствие усадки свидетельствовало о том, что «усадочная раковина находится внутри», и показывало, что «такой  булат скорее остывает снаружи, нежели внутри». Подобные слитки не ковались и давали плохой сорт булата.

От длительности плавки зависел характер  рисунка  стали. После плавки в течение трех с половиной часов  металла имел слабые продольные узоры, светлый грунт. После плавки в течение  четырех с половиной часов узоры на металле получались волнистые, средней величины.  Наконец, после плавки в течение  пяти с половиной часов,  при хорошем качестве графита, металл  выходил с   крупными узорами, — сетчатыми, «а иногда и с коленами». Все это  подтверждало  точку зрения Аносова о влиянии углерода на характер  и ясность рисунка.

   «Наибольшее время плавки и медленное охлаждение тигля» служили гарантией качества стали.

Вот два примера шихтовки, взятые из этого журнала (табл. 1 и 2).

Таблица 1

Опыт 178-й

Таблица 2

Опыт 180-й

Ковка стали

Ковка производилась хвостовым молотком весом два с половиной фунта (40 кг). «Сплав был нагрет в печи до светло-красного цвета и помещен под молоток с широким основанием.  Ковка производилась со слабым сжатием при повороте «кругом в одну сторону». Промежуточные заплывы проводились пять-девять раз.

Чем медленнее ковалась сталь, тем лучше было ее качество. После ковки металл подвергался резке. Вырезанные детали снова перековывались под молотом, сначала в бруски, а затем в полосы. Лучший булат, несмотря на его твердость, перековывался из брусков в полосы за два плавления.

При ковке тщательно соблюдалась температура нагрева, «степень нагрева», при которой «рисунок не терялся». Сталь не должна быть перегретой. «Потеря рисунка во время ковки» — это повреждение металла.»

Полоски имели неровности и сколы, были отшлифованы и заклеймены, чтобы обозначить нижнюю часть, которая использовалась для изготовления лезвий. Чистовая ковка проводилась при слабом нагреве не сильнее «ало-красного цвета».

Закалка стали

Операция нагрева и быстрого охлаждения стали называлась закалкой.  Закаленная сталь обладала высокой твердостью, но в то же время была хрупкой, «как стекло».  Чтобы уменьшить хрупкость и «сохранить, по возможности, твердость, приобретенную закалкой», отметил Аносов, «искусство нашло способ нагревать закаленную сталь, но гораздо слабее, чем при закалке».  Далее он писал: «Назначение изделия определяет меру нагрева, а цветы, появляющиеся на металле (цветы пробега), служат знаками для определения самой меры. Нагрев закаленной стали называется отпуском, и его наиболее важными степенями с точки зрения цвета являются: желтый, фиолетовый, синий и зеленый. Желтый означает наименьшую, а зеленый — наибольшую степень закалки, при которой эластичность металла начинает теряться.»

Эти высказывания Аносова показывают, что он совершенно правильно определил понятие закалки и отпуска стали; он также правильно охарактеризовал свойства, которые изменяются при отпуске.

Булаты закалялись, в зависимости от назначения, либо в жире, либо в воде, и «самые твердые из них в основном в жире».

Аносов считал, что «достаточно закалять оружие любого вида в сале, предварительно разогретом почти до температуры кипения, потому что из экспериментов было установлено, что в горячем сале закалка происходит тяжелее, в этом случае сало скорее охлаждает его».

Таким образом, Аносов впервые дал метод закаливания в «горячей среде» и объяснил его действие.

Сталь закалялась путем нагрева кованого клинка «докрасна» с последующим погружением в жир. После охлаждения лезвие вытирали и, для удобства наблюдения за цветом заготовки, очищали на точильном камне, когда отпускали. Отпуск требовал большого искусства, так как нагрев проводился «над углями», и когда лезвие сабли освобождалось, различные части освобождались по-разному: у рукояти – до зеленого, на конце – до синего, в середине — до фиолетового, на месте «удар по лезвию» — на желтый. Освобожденное лезвие распрямляли молотком и охлаждали в воде. Если требовалось более эластичное лезвие, то выпуск всего продукта осуществлялся до синего цвета.

Аносов также указал на возможность воздушного отверждения тонких изделий «в быстрой струе воздуха».

После закалки лезвия были подвергнуты заточке и полировке. И для этой, казалось бы, простой операции, направленной на сохранение твердости. Он указал, в частности, на недопустимость использования сухих точилок, включение которых вызывало нагрев и приводило к потере эластичности; рекомендовал использовать влажные точилки с необходимыми мерами предосторожности.

Впервые в истории металловедения Аносов также описал и правильно объяснил явление прижигания закаленной стали при шлифовании.

Травление стали

«Травление, операция травления была необходима для выявления рисунка и определения качества булата. Разрабатывая методы травления, Аносов показал различное действие отдельных кислот.

Концепция макроструктуры как показателя качества металла, определение макроструктуры методом травления, а также использование микроскопа для изучения макроструктуры в качестве метода исследования были впервые введены и распространены Аносовым.

Аносов также дал четкое описание структуры стали, узоры которой похожи на виноградные гроздья, иногда расположенные рядами, похожими друг на друга.  Правда, он не давал представления о дендритах, но он наблюдал их, и его «виноградные гроздья» дают точное описание дендритных (древовидных) стальных структур.

Представление о макроструктуре и микроструктуре булатной стали дают фотографии начала нашего века, сделанные последователями Аносова (см. фото).

булатная сталь макроструктура

булатная сталь микроструктура

Первый клинок из булатной стали был изготовлен Аносовым в 1837 году. Поэтому неудивительно, что в то время, когда на одном конце России – на Урале – секрет булата был утерян, на другом — в Грузии искусство изготовления булатной стали все еще считалось секретом.

Сам Аносов, который проводил свои эксперименты с булатной сталью с исключительно научной тщательностью и с такой же тщательностью обобщал их, не смог скоро обобщить их результаты. На это у него ушло четыре года. И только в 1841 году, с появлением в печати его работы «О булате», передовая общественность России начала широко говорить о его открытии. «Очерк Аносова «О булате» вызвал всеобщее внимание», — писала газета «Мануфактурные и горные известия» в июле 1841 года.

В октябре того же года журнал Mining Magazine заявил: «Открытие способа приготовления булата, который не уступает по качеству лучшему азиатскому булату, несомненно, относится к самым важным открытиям, обогатившим нашу промышленность за последние годы, и мы обязаны этим трудам Корпуса из горных инженеров, г-н Аносов. Превосходные качества изделий, изготовленных из златоустовского булата, при их необычайной дешевизне свидетельствуют о силе открытия».

Изделия, изготовленные из булатной стали Амосова, отличались высоким качеством.  Изделия, изготовленные из любой известной в то время стали, не могли конкурировать с ней.  Например, «клинок меча, изготовленный из хорошего булата, должным образом заточенный и соответственно закаленный, как выяснилось по моим экспериментам, — говорил сам Аносов, — нельзя сломать или согнуть до такой степени, чтобы он потерял эластичность; при обычном изгибе он выскакивает и сохраняет свой прежний вид; при усилении (например, при сгибании под прямым углом) он не сломается, а при выпрямлении не потеряет своей былой эластичности. Это, без сомнения, предел совершенства в эластичности, которого нет у стали».

Изображение взято из открытого источника яндекс.картинки

Отмечая качества булатной пластины Аносова, Горный журнал свидетельствовал: «Она гнулась без малейших повреждений, издавала чистый и высокий звон. Отполированный и закаленный конец его крошил лучшие английские стамески, в то время как освобожденный конец легко снимал отпечатки и резал чисто и гладко.»

Сталь Златоустовских заводов известна превосходным качеством производимого из нее белого оружия. Я должен отдать должное их булатным кинжалам, которые оказались превосходного качества.»

Источник: «П.П. Аносов  и секрет булата»  И.Н. Богачев.

Прочитали статью, понравилась? Пишите в комментариях свое мнение, делитесь ссылкой на статью с друзьями.