Загадка булатного узора - Юрий Гуревич

В проблемной лаборатории Донецкого политехнического института некоторое время назад появился удивительный нож. Для того чтобы заточить его лезвие, понадобился алмазный круг, обычный наждак не брал. После рубки ножом толстых гвоздей на его поверхности не оставалось даже царапины. Но самое удивительное, что этот нож, так же как и булат, был сделан не из легированной стали, а из простого сплава железо — углерод.

Впрочем, сплав был не такой уже простой, он содержал 3,5 % углерода. По составу это был чугун… Несмотря на это, сплав отлично ковался и прокатывался. Резцы и фрезы из него неплохо обрабатывали сталь и не уступали по прочности инструменту из легированной инструментальной стали. Как тут не вспомнить легендарные рельсы из Катав-Ивановска, которые так помогли уральцам в тяжелые времена Отечественной войны!

Только теперь свойства чудо-ножа можно легко научно объяснить. Нож был приготовлен из сплава, специально очищенного от вредных примесей и мельчайших частиц неметаллических включений. А в этих условиях карбидам железа выпадать трудно.

Электронно-микроскопический и масс-спектрографический анализы показали, что углерод в сплаве находится в необычном аморфном состоянии, при котором он, увеличивая прочность и твердость металла, не делает его хрупким. Предвидение П. П. Аносова о различном состоянии углерода в железе и влиянии этого состояния на качество стали научно подтвердилось.

Уже не раз подчеркивалось: П. П. Аносов был уверен, что своими высокими свойствами булат обязан чистоте исходных материалов — железу и графиту. Читатель, очевидно, помнит, что при получении железа кричным или пудлинговым процессом значительная часть поверхности металла, так же как и при получении чугуна в доменной печи, контактировала с жидким шлаком. Шлак, как губка, впитывал и растворял вредные примеси и неметаллические включения, обеспечивая тем самым высокую чистоту пудлинговой стали.

Как уже отмечалось, современную сталь получают многоступенчатым процессом. Простейший из них — это доменная печь, а затем сталеплавильный агрегат, мартен, электропечь или кислородный конвертер. Готовую сталь разливают в слитки. Такая схема получения стали высокопроизводительна, но она часто не обеспечивает необходимую чистоту металла по вредным примесям. Что касается неметаллических включений, то мало того, что их трудно удалить во время плавки, они еще в значительных количествах попадают в сталь из материалов сталеплавильных агрегатов и ковша. Поэтому в наши дни чистота стали еще более актуальна, чем в аносовские времена.

Как же металлурги решают эту проблему? А все так же: пытаются использовать для очистки стали от ненужных компонентов ее взаимодействие с жидким шлаком.

Сначала такие процессы организовывались непосредственно в сталеплавильных агрегатах путем так называемого диффузионного раскисления. Его сущность состоит в продолжительном рафинировании металла в печи под восстановительным шлаком. В период рафинирования жидкая сталь взаимодействует со шлаком, в результате чего он отбирает у нее кислород и серу. Оказалось, что скорости этого процесса очень малы из-за относительно небольшой поверхности соприкосновения рафинирующего шлака с металлом.

Исчерпав возможности улучшения качества стали в сталеплавильных агрегатах, ученые и инженеры предложили внепечной способ ее очистки от вредных примесей. Еще в 1925 году советский инженер А. С. Точинский успешно рафинировал сталь жидкими синтетическими шлаками после слива ее из печи в ковш. Первые опыты по такой обработке стали в СССР были проведены в 1928 году, но не получили распространения из-за того, что предложенные в то время синтетические шлаки не обеспечивали должной десульфурации стали. Позднее опыты были продолжены во Франции, где Р. Перрен более успешно решил поставленную задачу.

Наиболее эффективного рафинирования металла жидкими синтетическими шлаками достигли ученые С. Г. Воинов, А. Г. Шалимов, Л. Ф. Косой, Е. С. Калинников в 1958–1962 годах. Суть предложенного ими способа заключается в следующем. В ковш вначале заливают необходимое количество синтетического шлака требуемого состава, а затем на этот шлак по возможности с большей высоты мощной струёй выпускают металл из сталеплавильного агрегата. Жидкий синтетический шлак разбрызгивается, и его капли «прилипают» к металлу. В результате этого поверхность соприкосновения металла и шлака неизмеримо возрастает, что и приводит к быстрому удалению из стали серы и неметаллических включений.

Промышленный опыт применения новой технологии рафинирования металлов подтвердил его эффективность для малолегированных сталей, выплавляемых в мартеновских печах или кислородных конвертерах. Однако, как оказалось, поверхность взаимодействия жидкой стали со шлаком и в этом случае недостаточно велика. По этой и другим причинам требуемого качества некоторых легированных сталей получить не удалось.

И тогда в Институте электросварки им. Е. О. Патона группой исследователей (Б. И. Медовар, Ю. В. Латаш, Б. Н. Максимович) под руководством академика Б. Е. Патона был разработан оригинальный способ получения высококачественной стали с помощью того же жидкого шлака. Новый процесс получил название электрошлакового переплава. В его основу был положен электрошлаковый процесс плавления расходуемых электродов в сочетании с принудительным формированием слитка в металлическом (медном) водоохлаждаемом кристаллизаторе (изложнице).

Созданная установка оказалась удивительно простой. По тонкой многометровой колонке движется держатель с расходуемым электродом, сделанным из выплавляемой марки стали. Электрод медленно опускается в медный кристаллизатор с расплавленным в нем синтетическим шлаком специально подобранного состава. В начале плавки после подачи электрического тока между кристаллизатором и электродом образуется дуга, горящая под слоем твердого сыпучего флюса. Флюс, расплавляясь, образует электропроводный жидкий шлак, который полностью шунтирует дугу. Начинается бездуговой процесс, получивший название электрошлакового. Выделяемое тепло медленно плавит стальной электрод, и капли жидкого металла, проходя через толщу шлака, попадают в кристаллизатор, где постепенно наращивается стальной слиток. Благодаря тому что каждая капля жидкого металла проходит через шлак, поверхность взаимодействия стали со шлаком огромная, и это обеспечивает достаточно полную очистку стали от ненужных компонентов.

Так вот, в Донецком политехническом институте использовали установку электрошлакового переплава для получения сплава железа с углеродом. Для этой цели стальной расходуемый электрод заменили графитовым, а в синтетический шлак порциями подавали металлизованные железные окатыши (комки руды, содержащие металлическое железо и его окислы). Окислы железа восстанавливались, железо плавилось, насыщалось углеродом, очищалось шлаком от вредных примесей и неметаллических включений и стекало в кристаллизатор. Так древний одностадийный способ получения незагрязненного вредными примесями высокоуглеродистого сплава был осуществлен на современной научно-технической основе.

Однородность или неоднородность?

Как мы уже выяснили, в начале XIX века существовали два совершенно противоположных подхода к природе стали, обеспечивающих ее высокое качество. Ле-Шателье и Карстен, известные западноевропейские металлурги, полагали, что хороший металл должен обладать однородной структурой: «Чем красивее структура, тем она хуже с точки зрения практики». П. П. Аносов считал, что чем неоднороднее металл, чем более подчеркивается неоднородность рисунком, тем выше свойства стали.

Современная наука подтвердила правомерность обоих этих взглядов. Каждый из способов был использован для получения высокопрочных материалов.

В последние годы с большим успехом развивается совершенно новое направление производства «однородных» сплавов — получение так называемых аморфных металлов. Жидкий сплав охлаждают с огромной скоростью, благодаря чему он переходит в твердое состояние, минуя кристаллическую фазу. Свойства таких «стеклообразных» металлов очень высокие. Так, например, прочность аморфного сплава железо — углерод — фосфор в 10 раз больше обычного (кристаллического). Кроме того, подобно железу, падавшему на Землю из космического пространства, аморфные сплавы обладают высокой стойкостью против атмосферной коррозии.

И все-таки слоистая структура булата и способы ее получения лежат в основе технологии производства материалов, также превосходящих по прочности обычные «однородные» стали. Для того чтобы понять природу упрочнения слоистых материалов, давайте мысленно проделаем такой эксперимент. Возьмем кусок картона я попробуем его разорвать. После этого наклеим на картон обычную бумагу и вновь испытаем его прочность на разрыв. Как, по-вашему, она увеличилась? Ответ настолько ясен, что вопрос, вероятно, вызовет улыбку читателя.