Из истории развития металлургии

12

Из истории развития металлургии

Свой исторический путь развития многие народы нашей страны прошли так же, как и другие народы планеты, от камня - к бронзе и железу. Наши предки издревле славились высоким мастерством литья. Некоторые из них передавали литейное ремесло своим потомкам, и оно продолжало развиваться из поколения в поколение. В истории есть случаи, когда завоевателями уничтожалась культура целых народов, на века затормаживая ее развитие. Иногда победители и побежденные начинали совместное существование, обогащая свои знания и создавая новые ценности материальной культуры. Дошедшие до нас литые изделия мастеров Урарту, Скифии и других государств, занимавших в древности обширные районы нашей страны, поражают своим совершенством. А единственными законными наследниками древних культур на нашей территории являются ныне живущие на ней народности.

Первое железо, попавшее еще в глубокой древности в руки человека, было, по-видимому, не земного, а космического происхождения: железо входило в состав метеоритов, падавших на нашу планету. Не случайно на некоторых древних языках этот металл именуется "небесным камнем". Того количества железа, которое "падало с неба", было явно недостаточно, и люди начали осваивать технику обнаружения железных руд в земле.

Любопытен способ поиска железных руд, применяемый в древности. Для этой цели использовали специальные "волшебные" лозы - легкие ореховые прутья с развилкой на конце. Рудоискатель, крепко зажимая в руках лозу за рожки, пускался в путь. При этом требовалось строжайше соблюдать поисковую "технологическую инструкцию", которая гарантировала успех лишь в том случае, если пальцы древнего геолога все время были обращены к небу. По-видимому, все неудачи (а их, к сожалению, было гораздо больше, чем удач) тогдашних рудоискателей объяснялись нарушением "технологии" поиска. Если же были соблюдены все необходимые условия, то в тот момент, когда ищущий наступал на железную жилу, лоза тут же опускалась, указывая местонахождение руды.

Уже в те времена многие понимали, сколь примитивны подобные способы. Автор первого труда по металлургии, известный немецкий ученый XVI века Георг Агрикола, писал: "Настоящий горняк, в котором мы хотим видеть основательного и серьезного человека, не станет пользоваться волшебной палочкой, ибо мало-мальски сведущий в природе вещей и рассудительный человек понимает, что эта вилка ему в этом деле никакой пользы не принесет, но что он имеет в своем распоряжении естественные признаки руды, которыми он и должен руководствоваться". Однако, еще много лет спустя, поиски руды, например, на Урале, нередко велись при помощи лозы.

На огромной территории от Волги до Днепра металлические вещи появились в III тысячелетии до н.э., о чем свидетельствуют находки в катакомбных погребениях. Некоторые изделия этого времени, например, булавки, представляют собой сложные отливки, для изготовления которых требовалось довольно развитое ремесло. Из этого можно заключить, что более простые предметы из меди могли изготавливаться и значительно раньше.

Конечно, уровень мастерства древнего "сталеделателя" поначалу был не очень высок, а костровая металлургия давала не железо, а скорее, хрупкий чугун. Позже чугун стали нагревать в горне вместе с куском железной руды, что позволило получить ковкий металл - сталь, вполне пригодную для изготовления нужных человеку предметов быта и оружия. Костровая металлургия сменилась горновой. Много веков существовал сыродутный способ получения железа, когда руда нагревалась в небольших горнах - ямах, вырытых в земле и выложенных обоженной глиной. В дальнейшем появились и наземные печи - домницы, где в качестве топлива использовался древесный уголь. При нагревании с помощью углерода происходило восстановление железа из его окислов, и на дне горна образовывалась крица - раскаленный ком железа, по структуре напоминающий губку. Его проковывали под молотом для уплотнения и выдавливания шлаков. Производительность таких сыродутных горнов была незначительной, а вес железного кома - крицы - редко превышал 20-25 кг. Тем не менее, появление в середине XIV в. доменных печей открыло возможности для значительного увеличения выпуска металла, и тогда остро встал вопрос поиска сырья.

Московское государство начало нуждаться в железе еще в XVII веке. Царь Алексей Михайлович снаряжал экспедицию за экспедицией для поисков новых залежей железной руды. Рудоискатели должны были узнать, "где какая руда объявится", определить, "сколько ее чаять будет, и как лежит, и чаять ли ей быть прочной". Но все попытки оказывались безрезультатны.

В первые же годы своего царствования Петр I издал Указ: "Искать всякому литому и кованому железу умножения, и стараться, чтобы русские люди тем мастерством были изучены, дабы то дело в Московском государстве было прочно". А для тех, кто пытался бы утаить найденные руды, Указом предусматривались "жестокий гнев, неотложное телесное наказание и смертная казнь".

Вскоре с Урала поступило сообщение о том, что у горы Высокой найдены богатые залежи "магнитного камня": "... Среди горы пуповина чистого магнита, а кругом леса темные и горы каменные..." Присланные в Москву образцы руды получили высокую оценку специалистов, и царь приказал немедленно приступить к строительству металлургических заводов. Крупнейший из уральских заводов - Невьянский - Петр передал тульскому мастеру и железозаводчику Никите Демидовичу Антуфьеву (впоследствии принявшему фамилию Демидов), поставив перед ним задачу прекращения ввоза в Россию железа из-за границы. Завод должен был выпускать "пушки, мортиры, фузеи, шпаги, сабли, тесаки, палаши, копья, латы, шишаки, проволоки".

Усилия металлургов петровской эпохи не пропали даром. Выплавка чугуна и производство железа росли в первой четверти XVIII в. стремительными темпами. По данным академика С.Г. Струмилина, металлургическая промышленность России произвела в 1725г.1165 тыс. пудов чугуна, т.е. свыше 19тыс. т. Производительность английских заводов не превышала в это время 17 тыс. т. Таким образом, за четверть века производство черных металлов в России увеличилось почти в восемь раз, и в области черной металлургии наша страна вышла на первое место в мире, оставив позади себя Англию, Францию, Германию и другие страны. Золото было первым металлом, с которым человек познакомился и начал обрабатывать. Самые древние вещи, найденные археологами в Египте, изготовлены 8000 лет назад. В первобытную эпоху использовали самородное серебро и медь, метеоритное железо. Все эти металлы человек обрабатывал только в холодном состоянии при помощи каменного молота.

Однако начало века металлов наступило тогда, когда человек освоил процессы плавки рудного металла, горячей ковки его и литья. (Медь, бронза 6000 лет до н. э). Самым древним предметам из железа 4000 лет. Металлургия возникла самостоятельно в ряде мест земного шара. Так, в странах Малой Азии, Индии и Южной Европы выплавка железа получила широкое распространение около 3000 лет назад. В Европе и странах Дальнего Востока переход к железному веку начался лет на 500 позже. На территории нашей страны в начале первого тысячелетия до н.э. в Закавказье и в Средней Азии. На несколько сот лет позже освоили добычу железа уральские племена. Профессия кузнеца была основной металлургической профессией - он получал железо и превращал его в изделие. Людей поражало, что кузнец делал ценные вещи почти из ничего, из куска какого-то бурого камня. Поэтому многие народы считали кузнеца "вещим человеком", чуть ли не чародеем. У различных первобытных племен Африки кузнецы были самыми уважаемыми людьми. Именно им доверялось воспитание молодого поколения и разрешалось изготовлять деньги. Здесь на кузнеца смотрят как на любимца царей и вождей, и он занимает привилегированное положение жреца.

Интересно отметить, что единственным "рабочим" среди богов различных религий был бог-кузнец. Гефест - у греков, Вулкан - у римлян, Сварог - у славян. Гефест всегда изображался могучим кузнецом с молотком или клещами в руках и в отличие от других олимпийских богов он не проводил время в пирах и праздности, а работал в своей полной чудес кузнице.

Среди фамилий, связанных с профессиональным происхождением, "кузнечные" занимают первое место: Кузнецов - в России, Коваль - на Украине, Смит и Шмидт - в Европе. И это можно объяснить тем, что хороший кузнец является редкостью. Можно сказать и в наше время. Кузнечное ремесло у большинства народов выделилось в особое занятие, обычно наследственное. Недоступные другим навыки и умение кузнеца окружали его профессию ореолом таинственности в глазах суеверных соплеменников.

В Киевской Руси кузнец считался одновременно знахарем, колдуном, который даже может предопределить судьбу, выковать счастье. Страх перед кузнецом отразился в словарном составе языков. В русском, например, слова "коварный" и "ковы" связаны со словами "ковать" и "коваль", а со словом "кузнец" - "козни". Так таинственное и непонятное ремесло кузнеца порождало суеверия и это использовалось в религиозных обрядах - почитание кузнечных инструментов, продукта кузнечного ремесла - железа. Например, подкова и сейчас служит талисманом счастья.

Более полутора тысяч лет назад в Индии была изготовлена железная колонна весом в 6,5 т, высотой 7,3 м, диаметром у основания 41,6 см, у верха 29,5 см, стоящая ныне на одной из площадей индийской столицы. Темная поверхность колонны на высоте человеческого роста блестит. С давних времен стекались к ней толпы богомольцев - считалось, что кто прислонится к ней спиной и обхватит ее руками, тот будет счастлив.

По вопросу о способе изготовления знаменитой колонны, предохранившем железо от окисления и других атмосферных явлений, до сих пор нет единого мнения. Одни считают, что она была отлита, что менее всего вероятно. Другие предполагают, что колонна изготовлена путем сварки отдельных криц массой по 36 кг и последующей их проковки. Встречаются даже высказывания, что она привезена и установлена инопланетянами. Наиболее правдоподобное мнение, что древние металлурги для получения чистого железа растирали губку сварочного железа в порошок и прессовали его. А потом полученный чистый порошок железа нагревали до красного каления и под ударами молота его частицы слипались в одно целое - сейчас это называется методом порошковой металлургии. Установлено, что она изготовлена почти из чистого железа (99,72) и содержит лишь незначительные примеси углерода, серы и фосфора. Этим объясняется ее долговечность и антикоррозийность. Древняя Индия вообще славилась искусством своих металлургов. Так, во многих древних храмах встречаются железные балки длиной до 6 м, а при сооружении египетских пирамид орудия из железа для обработки камня изготовляли в Южной Индии. Главной достопримечательностью купольного мавзолея-мечети в Иране были двери гробницы хана, сделанные из тончайшей индийской стали. Из стали была сделана решетка "толщиной в руку", окружавшая могилу Ольдшайт-хана. Она якобы была изготовлена из одного куска стали, и в Индии над ней трудились более семи лет.

БУЛАТ. Под словом "булат" каждый россиянин привык понимать металл более твердый и острый, нежели обыкновенная сталь... (П.П. Аносов "Горный журнал", 1841 г. т.1). Слава о булатной стали ходит по свету более двух тысячелетий. Первые сведения дошли до нас от участников походов Александра Македонского в Индию - 2300 лет назад. Да, Индия была родиной булата. Отсюда в восточные страны ввозили вутцы - "хлебцы" из стали. Они имели вид плоской лепешки диаметром 12,5 см и толщиной 2,5 см, весом около 900 г. Каждый такой хлебец был разрублен пополам, чтобы покупатель мог рассмотреть строение металла. Но только в руках искусного мастера такая заготовка могла превратиться в настоящий клинок. Мастера Востока тщательно хранили секрет производства булата, передавая его из рода в род, так как булатное оружие очень высоко ценилось на рынках.

Было несколько известных центров по изготовлению булата. Особенно славился этим сирийский город Дамаск. Там уже 1800 лет назад существовала первая крупная мастерская по изготовлению холодного оружия из Индийского металла. Название - дамасская сталь стала позже собирательным понятием булатной стали, изготовлявшейся в разных странах. Опустошительные завоевания Тимура, сопровождавшиеся массовым уводом в плен ремесленников и, в первую очередь оружейников, привели к упадку производства булата, а затем и к потере секрета его изготовления (в ХIV веке).

Булатное оружие стало редкостью и почти было забыто. Однако в Индии, на родине булата, его производство окончательно исчезло лишь после нашествия европейцев, в ХУШ веке. Впрочем, этому способствовал не только упадок национальных ремесел, но также появление промышленных способов литья, совершенствование огнестрельного оружия и прочие следствия технического прогресса. Но все эти новшества нисколько не умалили былого величия булата, и в Европе то и дело пытались восстановить утраченный секрет. Попытки эти продолжаются до сих пор. В прошлом веке ученые многих стран пытались разгадать тайну булата. Среди них был и знаменитый английский физик Майкл Фарадей, пытавшийся получить булат путем добавки к стали алюминия и платины. Однако тайна булатной стали была раскрыта уральским металлургом Павлом Петровичем Аносовым. После многолетних опытов он в 1837 году изготовил в Златоусте первый булатный клинок. "Полоска булата сгибалась без малейшего повреждения, издавала чистый и высокий звон. Отполированный конец крошил лучшие английские зубила" -, писал Аносов в "Горном журнале".

Так что же такое булат, над тайной которого так долго и упорно бились многие люди?"Железо и углерод и ничего более, - отвечал Аносов. - Все дело в чистоте исходных материалов, в методе охлаждения, в кристаллизации".

Сущность образования булата заключалась в насыщении сплава большим количеством углерода (до 2,0). В условиях медленного охлаждения избыточный цементит (Fe3C) не растворялся в железе, как это бывает в стали, а обволакивался медленно стынущим мягким металлом, образуя с ним неразрывную (корректную) связь типа полимерных цепочек.

Первым критерием оценки качества булата являются узоры на поверхности металла. Лучшими свойствами, как установил Аносов, обладают клинки с коленчатым и сетчатым рисунком. Им значительно уступали булаты со структурным волокнистым и особенно полосчатым узором, когда узор состоит преимущественно из прямых, почти параллельных линий. Таким образом, был открыт важнейший закон металловедения - зависимость свойств металла от его кристаллического строения. Грунт булатов и цвет самих узоров означают степень чистоты железа и углерода; чем он темнее и блестящее, а узоры более, тем чище металл. Выяснив важнейшие условия образования булата, Аносов приступил к разработке способов его выплавки.

Одним из исходных материалов являлась железная руда, которая в смеси с графтом переплавлялась в тиглях. При нагревании тигля происходил процесс непосредственного восстановления железа из руды. "Сим способом, - писал Аносов, - можно получить превосходный булат, если первые материалы будут высокого качества". По его мнению, в древности этот способ был наиболее распространенным в силу его простоты.

Высоким качеством отличались руды тагильского месторождения, железо которого было им признано лучшим для получения булата.

С этих позиций становится понятна причина устойчивости против коррозии железного столба в Индии и изготовления качественной стали длё булата - низкое содержание вредных примесей в исходном материале.

В другом способе, который Аносов считал самым совершенным, булат получался через сплавление мягкого железа с графитом.

Характерной особенностью способа являлась выдержка тигля с расплавленным металлом в печи до полного его остывания. На поверхности полученного металла проявлялись узоры, характер которых зависел от продолжительности плавки. Так слабые продольные узоры получались после плавки в течение 3,5 часов, а крупные узоры, сетчатые или коленчатые, после плавки в течение 5,5 часов.

Это явление полностью подтверждало вывод Аносова о том, что характер и величина узоров определяется содержанием углерода в железе.

С большой тщательностью были разработаны режимы ковки и закалки. Металл медленно нагревался до светло-красного цвета. Ковку начинали по тихому ходу молота, и слиток обжимался равномерно со всех сторон до темно-вишневого цвета (850-650 С). Затем изделия точили, полировали и вытравливали соком растений или слабым раствором кислот для более четкого выявления рисунка. Кажется просто? Однако не в каждой плавке получался желаемый результат. Старые мастера считали, что чисто внешние признаки - узор, цвет и звон - вполне определяют качество булата. Ни химического анализа, ни измерений прочности, ни анализа структуры металла тогда разумеется не было, и никто не мог объяснить, почему тем или иным свойствам соответствует определенная форма узора. А если так, то можно было выдать за булатный и какой-нибудь другой клинок, лишь бы он имитировал внешние признаки.

Чем выше ценился настоящий булат, тем больше появлялось подделок. Центром поддельного булата долгое время были Сирия и Египет. В наше время дамасскую сталь называют сварочным булатом, который делали из полос или прутков разного состава. При ковке полосы сваривались между собой, а при травлении на клинке появлялся узор, сходный с булатом. Однако наметанным глазом сварочный булат узнать нетрудно - рисунок в соседних фрагментах повторяется, как на обоях, а линии узора короче и постоянные по толщине.

Впрочем, надо воздать должное дамасской стали: она очень хороша, и ее выделка тоже требовала искусства. Трудно сварить полосы разнородной стали в один цельный кусок: надо очень точно выдерживать температуру ковки, использовать особые флюсы. Производство дамасской стали стало самостоятельным промыслом со своими секретами и традициями, а способ, позволяющий получить узор ковкой и кузнечной сваркой, сейчас зовут дамаскированием.

Русские хорошо знали восточный булат, но не применяли его: на морозе он становился хрупким. Русский сварочный булат - харалкг делали из полос мягкой и твердой стали.

В Японии высокоуглеродистую сталь "юаган" сваривали с мягким железом при ковке. В результате получали режущее оружие с острым краем и мягкой основой.

В западной Европе до ХУ века не знали о существовании другого булата, кроме сварочного. Испанские оружейники заимствовали секреты дамасской стали у арабов и Толедо был одним из центров по изготовлению клинков. В ХV1-ХVIII веках литую сталь делали во многих странах, и любой клинок из приличной стали можно было выдать за булатный, стоило лишь нанести узор. Особенно преуспевали мастеровые из немецкого городка Клингенталя: они наводили узор на клинки кистью и резцом и протравливали рисунок на полированной стали. А иногда узор просто гравировали. Но бурно развивающейся промышленности все больше требовались стали высокого качества. Тогда и вспомнили о настоящем булате. Вслед за Аносовым булатом занимались Д.К. Чернов, А.Л. Бабошин и др. Их их работ следовал вывод, что промышленными способами булат получить невозможно. После революции в Днепропетровском горном институте профессор А.П. Виноградов подробно исследовал историю и технологию булатной стали. Он установил, что узорчатую сталь типа булат можно приготовить плавкой с неполным расплавлением шихты при пониженной температуре.

В 1955 г. "Способ изготовления слитков булатной стали" предложен И.Н. Блиновым (авт. св.116334) добавлением в расплавленный чугун железных опилков. За последние несколько лет основным направлением исследований в области материаловедения в Стенфордском Университете было исследование сверхвысокоуглеродистых сталей от 1,0 до 2,0 С, которые могут быть сверхпластичными от 600 до 800 С, основная идея состоит в пластической обработке сталей таким образом, чтобы матрица состояла из ультрамелких зерен фиритта и цементита. Для этого сталь нагревают до аустенитного интервадла и томят достаточно длительное время для растворения всего карбида. Затем материал при его охлаждении через аустенит-цементитную область непрерывно подвергают деформации. Это приводит к утоньшению зерен аустенита, к образованию субзерен, а также к формированию случайно распределенных дислокаций.

При закалке от температуры несколько выше А1 (727° С) будет образовываться сверхмелкозернистый мартенсит, структура которого не разрешается оптическими методами.

Следовательно, ультрамелкое зерно высокоуглеродистых сталей с равномерным распределением мягкой (ферритной) и твердой фазой (цементит) является главной предпосылкой получения высокой прочности и пластичности высокоуглеродистой стали. Сверхтонкие зерна феррита содержат большую долю границ, которые являются участками с высокой подвижностью атомов, а коэффициент диффузии атомов железа на их границах в миллион раз больше, чем в матрице.

Это положение позволило сваривать прокаткой в твердом состоянии (650 С) пластины сверхвысокоуглеродистой стали с малоуглеродистой сталью. Наличие множества границ зерен приводит к очистке поверхности соединения (служат стоком для атомов примесей) и образованию твердофазной связи путем диффузии атомов через поверхность раздела. Полученный многослойный компонент, изогнутый на 180, не вызывает расслоения, что свидетельствует о прочной металлургической связи в металле. Таким образом, исследовательская работа в Стенфордском Университете привела к разработке сверхвысокоуглеродистой стали (от1,0 до 2,3 С) с субмикронными зернами феррита, содержащими очень мелкие зерна цементита. Эти стали обладают необычными и ценными свойствами:

1. Сверхпластичность при температурах 650-800 С (1500);

2. При комнатной температуре = 1000 ИПа, 10-20;

3. После закалки от 750 С твердость, НРС=80, =430 МПа, 7-10;

4. Слоистые композиты обладают металлургически прочной связью и проявляют сверхпластичность при повышенных температурах. После т. о7 получают прочный вязкий металл. Многие особенности рассмотренных здесь сверхвысокоуглеродистых сталей сходны с особенностями присущими легендарной дамасской стали и древним японским слоистым орудиям. Моного столетий тому назад кузнецы умели работать с сверхвысокоуглеродистой сталью и знали методы термомеханической обработки сходными с приемами, использованными в настоящей работе. Похоже, что как раз об этом случае древние мудрецы говорили: "То что есть, уже было".