Исследование особенностей булатной стали

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ БУЛАТНОЙ СТАЛИ

Т.Е. Коршунова; Г.С. Филиппов; Д.А. Маслов, Дальрыбвтуз, Владивосток

Рассмотрены особенности булатной стали и перспективы развития «булатных технологий».

С точки зрения современной науки булатная сталь представляет собой композиционный материал на основе железа с ярко выраженной физико-химической неоднородностью, матрицей которого является «мягкая» фаза - феррит, а наполнителем - твердая фаза - цементит (РвэС), содержащий углерод в количестве от 0,8 до 4,0 %. В современных же сталях максимальное содержание углерода достигает 1,4 % и дальнейшее его повышение невозможно из-за сильного охрупчивания сплавов. Булатная сталь отличается более высокими, по сравнению с традиционными сплавами, характеристиками: сочетанием высоких твердости, прочности, износостойкости, режущих свойств с повышенными вязкостью и пластичностью. Также известны булатные стали легированные хромом, ванадием, молибденом и др. карбидообразующими элементами и за счет этого имеющие более высокие механические свойства, чем углеродистые.

Булатная сталь имеет характерный узор поверхности, обусловленный ее неоднородностью. Изменение ее химического состава или технологии изготовления отражается на рисунке узора, поэтому одним из критериев оценки качества булатной стали является ряд внешних признаков: форма и величина узора, а также цвет основного металла.

По форме узор подразделяется на полосчатый, струйчатый, волнистый, сетчатый и коленчатый. Полосчатый узор состоит из прямых почти параллельных между собой линий. В отличие от полосчатого в струйчатом узоре присутствуют изогнутые линии между линиями параллельными. Основу волнистого узора составляют изогнутые линии. Сетчатый узор образуется короткими прямыми линиями и сплетенными в пряди изогнутыми линиями между ними. Наиболее высокими механическими свойствами обладает сталь с коленчатым узором, который располагается на всю ширину изделия в виде поперечных поясков, непрерывно повторяющихся по всей длине изделия.

Светлый крупный (10-12 мм), средний (4-6 мм) или мелкий (1-2 мм) узор располагается на матовом или блестящем (с красноватым или золотистым отливом) фоне серого, бурого или черного цвета. Чем темнее фон и крупнее и выпуклее на нем узор, тем более высокое качество булата. Таким образом, наилучшими свойствами обладает булат с крупным сетчатым или коленчатым узором белого цвета,

отчетливо выделяющемся на черном фоне с золотистым отливом и издающий при легком ударе чистый и долгий звук. Кроме того, если это изделие в виде клинка, оно должно изгибаться в дугу без остаточной деформации, быть способным рубить стальные прутки диаметром 5-7 мм и разрезать тончайшие сорта шелка.

Родиной булатной стали считается Индия, где ее изготавливали еще около 2500 лет назад. Также известны древние среднеазиатские булаты (Сирия, Аравия) и японские. Сирийская булатная сталь имеет название дамасской. Из Дамаска булат распространился в Персию (Иран) и далее в Турцию, Армению и Грузию. Однако со временем технология производства булата была утрачена.

Воссоздал булатную сталь и разработал научные основы ее производства (обосновал влияние химического состава, структуры и технологии обработки на ее свойства) русский металлург Аносов П.П.

Строение булатной стали неоднородно и обусловлено различными видами ликвации, в основном дендритной, и кардинально отличается от характера ликвации в слитках современных сталей. Кристаллизация булатного слитка зависит от множества факторов: шероховатости стенок тигля, температуры жидкого сплава, скорости его охлаждения, химического состава, степени чистоты и др., но в первую очередь свойства булата зависят от технологии его производства. Известны около десяти способов изготовления булатной стали, но «истинная» булатная сталь получается методом литья, применявшемся в древней Индии и воссозданным Аносовым П.П., при котором в специальные тигли из огнеупорных материалов загружают измельченный чугун и (или) сталь, сверху укладывают флюс для защиты сплава от окисления и помещают в печь для расплавления. Структура булата формируется из жидкого расплава вследствие дендритной ликвации углерода при медленной его кристаллизации в виде нитевидных кристаллов -дендритов карбида железа РеэС, пронизывающих весь объем «мягкой» матрицы. Готовый слиток расковывается и возвращается в печь для подогрева, расковывается вновь и так 100-150 циклов, от количества которых зависит качество сплава и вид узора на его поверхности.

Скорость охлаждения слитка чрезвычайно важна. Она должна быть достаточно медленной, но при чрезмерно медленном охлаждении существует опасность гомогенизации сплава с потерей неоднородности, так как ферритная составляющая может науглеродиться. При остывании слитка, прежде всего у стенок тигля, кристаллизуется железо, образуя феррит с возможно максимальным содержанием углерода всего лишь до 0,2 %. При этом важна низкая шероховатость стенок тигля, так как высокая дает дополнительные центры кристаллизации, которые подавляют образование чистого феррита. Размер нитей феррита зависит от химического состава сплава и прежде всего от количества углерода. Между нитями феррита образуется цементит третичный вперемежку с ферритом и перлитом. Таким образом, при кристаллизации слитка формируется 5-6 структурных зон, т.е. образуется физически и химически неоднородная

система - булат. Затем слиток вынимают из тигля и подвергают ковке, при которой прямолинейные кристаллы становятся криволинейными и ломанными. Чем больше деформируются дендриты, тем выше прочность сплава.

После того как слиток приобретет квадратное сечение, начинают усложнять узор, т.е. улучшать свойства стали. Для этого поковку деформируют участками, что вызывает интенсивное переплетение и перемещение кристаллов между собой. Деформацию поковки осуществляют различными методами (винтовым, косой ковкой и др.), каждый из которых позволяет получить сталь различного качества. После окончания ковки булат подвергают термической обработке -закалке и отпуску.

Другой, достаточно известной, технологией изготовления булата является технология ковочной сварки, суть которой заключается в многократной проковке в разных направлениях пучка стальных прутков разной твердости. Однако сварочный булат несколько уступает по своим свойствам классическому тигельному ликвационному булату. Именно этим способом изготавливали дамасскую сталь. Современный сварочный булат называют «искусственной» булатной сталью.

До настоящего времени булатная сталь используется для изготовления холодного оружия. Однако твердость ее сопоставима с твердостью сталей легированных Т и Со; Т W, Мо и Со, а также твердых порошковых инструментальных сплавов (74-76 НРС), но при этом булатная сталь имеет высокие пластичность и вязкость. Порошковые же твердые инструментальные сплавы отличаются повышенной хрупкостью, что существенно затрудняет их применение.

В 1975 г. Дорофеевым Г.А. с использованием «булатной» технологии была получена сталь с содержанием углерода 3,5-3,8 % из высокоуглеродистых окатышей, но изготавливалась она из руды очень высокой чистоты, которая является редкой и дорогостоящей.

В своих работах Аносов П.П. и Чернов Д.К., а также Басов В. указывают, что сырьем для булата может быть любая сталь и при этом его свойства будут в разы превосходить характеристики сталей, из которых он изготовлен, а технология изготовления булата позволит получить булатную сталь с высокими твердостью, прочностью и пластичностью даже при использовании в качестве сырья сталей низкого качества в виде металлического лома.

Проведенное исследование состояния вопроса о булатной стали дает основание предполагать, что дальнейшее развитие «булатных» технологий, их научное обоснование и установление взаимосвязи технологий со структурой и свойствами стали, позволят получить композиции типа «булат» для изготовления изделий, сочетающих высокие твердость, прочность, износостойкость, режущие свойства, пластичность и вязкость, используя недорогое сырье в виде отходов сталей любых марок, а также стального лома. Представляется

интересным использование «булатных» технологий и в цветной металлургии.

Библиографический список

1. Аносов П.П. О булатах // Горный журнал. 1841. № 2.

2. Гуревич Ю.Г. Загадка булатного узора. М.: Знание, 1985.

3. Ипполитов Д. Дамасская сталь с нуля // 5 охот. 2004. № 6, 7.

4. Назаренко В.Р., Бондаренко Л.И., Янковский В.Ф., Долгинская М.А. О технологии производства булатной стали // Металловедение и термическая обработка металлов. 1989. № 9.

5. Назаренко В.Р. Изучение структуры и свойств булатной стали // Литейное производство. 1986. № 7.