звук булата

В.В.Кузнецов.

Выплавление булата

 

Послесловие

 
  Тайн булата не существует. Никаких. Если кто-то знает хоть одну, пусть напишет, только не такую: чем пахнет булат, если его кашемировой шалью натереть. Остались спекуляции на несуществующих тайнах. Поэтому, если в первом предложении в статье рассказывается, что Индия – родина булатов и слонов, а потом доказывается, что в булате есть чёрные дыры, которые гоняются друг за другом со скоростью слонов, то лучше стряхнуть лапшу с ушей и отложить эту статью в сторону, ценной информации в ней нет. Тот кто в моей статье найдёт несуразицу, нелепицу, незнание каких-то законов и докажет это – получит слиток лучшего в мире булата, легированного, или простого, на выбор.
  Поскольку все мы недоверчивы, всё и всегда надо в руки взять, чтобы убедиться, то я постараюсь дать каждому плавиленщику булата образцы для сравнения.
  Я привёл список сталей по качеству, к этому списку необходимы два дополнения. Так сейчас, большинство способов производства  сталей не существует, просто изжили себя. За рубежом, например, кроме электростали более ничего нет.
  Хотя сварная сталь (дамаск) стоит в самом низу, это показывает только то, что он всегда хуже той стали, из которой он сделан. Так что, если дамаск очень качественно сварить из булата (С=3%), чего никто не делал, то он может сравняться с электросталью.

Не утихают споры о происхождении вутца, хотя говорить здесь не о чем: вутц - это отливка и тому есть убедительное и неопровержимое доказательство - его структура. В любом слитке из тигля есть верхняя корка грязного пористого металла, есть сегрегация и ликвация, а в вутце всё это отсутствует. Собственно вутец и создавался для того, чтобы от всего этого избавиться. А дело было так: индусы научились булат разливать по формам. Для этого надо было решить небольшую техническую проблемму: как избежать контакта расплавленного металла с воздухом. Надо было лить под слоем шлака в нагретую форму, в которой находится жир. Есть полностью литые кутары ( ковка исключена), есть литые карды и булавы. Вутец тоже отливка и она решала сразу несколько проблем. Экономически не выгодно варить маленькое количество булата, поэтому варили сразу, скажем, два литра, 16 кг. Когда булат был сварен, то сливали один-два кг. верхнего грязного металла для следующей переплавки, потом в 10- 12 форм выливался отборный первак, а грязь со дна выливалась отдельно. Решалась первая задача: деление большой массы на мелкие, удобные для обработки. Вторая задача: избавление от грязного металла. Третья задача: избавление от ликваций и сегрегаций, т.е. в пределах одного слитка булат обладал равномерной структурой и одинаковым содержанием углерода. Многих удивляет форма вутца - лепёшка, неудобная для ковки. Это неудобство вынужденное, важнее было получить качественный булат, а уж потом мы его как-нибудь раскуём! Разлить абсолютно поровну под слоем шлака невозможно, поэтому слитки были разными по толщине. Более толстые осаживали, т.е. все их равняли по толщине, а диаметры становились разными. Часто на поверхность лепёшки наносились косые и прямые сетки ударами молота, достаточно было глубины 1мм. Потом следовал отжиг. Стенки небольшой конусной ямы в земле выстилались слитками, на дне ямы разводился костёр из хвороста и этот костёр непрерывно заваливался новыми порциями, чтобы пламя не бушевало, а тлело. Отжиг длился неделю. Аустенит разлагался на феррит и цементит и высокоуглеродистая сталь превращалась в булат. Там, где были насечки, кристаллы были крупнее - это создавало рисунок на готовом изделии. Отсюда вывод: если мы хотим получить рисунок идентичный старинному, то надо полностью повторить технологию, а иначе это будет попытка приготовления торта "Наполеон", но без слоёв и с кипящим маслом. Именно поэтому я не озадачиваюсь получением рисунка, аналогичного индийскому - это невозможно, поскольку требуется та же технология. 

Начинающие плавильщики булата, да и более опытные, твёрдо убеждены, что вся проблема получения булата – наличие хорошего тигля. «Был бы тигель, чтоб 3.000° держал – остальное чепуха!» Так заявлять – это всё равно, что воскликнуть: «Дайте мне скальпель поострее и я вам сделаю операцию на сердце. Прямо здесь на скамеечке, в теньке».
Даже наличие искомого тигля не отменяет знание металлургии. Когда читаешь, что плавильщик в качестве флюса использовал стекло и кирпич, то результат предсказать можно заранее, поскольку оба эти компонента даже в принципе не являются металлургическим шлаком.
Хороший тигель необходим, кто спорит, но это всего лишь первая маленькая ступенька. Производство тигельной стали всегда упиралось в проблему получения качественных тиглей. На каждом комбинате был цех, где их делали и секретов при создании хорошего тигля не меньше, чем в лаке Страдивари.
Главная проблема получения булата, как сверхуглеродистой стали, заявлена у меня в начале статьи – это чистота металла.
Немного истории. Буквально все публикации о булате за последние 150 лет утверждают: «Производство булата прекратилось, когда была выработана линза сверхчистой руды». Не будем сейчас выяснять правы ли авторы насчёт месторождения, а зададим вопрос: «Почему разговор идёт о сверхчистой руде?» Дело в том, что переплавляя руду из любого известного человечеству месторождения без очистки от вредных примесей, мы получим в результате сталь с содержанием С=0,8% - 1,2%. За этим пределом сталь будет нековкой, либо изделие не будет обладать достаточной прочностью. Поэтому производство стали сейчас разбито на два цикла. Первое: получение чистого железа, второе – его науглероживание. Железо получают двумя способами: очищая шихту шлаками, либо прямым восстановлением из руды.(железо ПВ). Углерод при очистке является такой же вредной примесью и тоже удаляется  до уровня в 0,03%  - 0,05%. Очень чистое железо, полученное первым способом, можно науглеродить до уровня 1,8% - 1,9% и эта сталь будет ковкой. (Если в этой стали есть хром – то до уровня в 2,3%, но я рассматриваю случай чистого Fe). Железо ПВ науглероживается до уровня в 3,5%, давая ковкий чугун. В очень примитивной, упрощённой форме я изложил азбучные, но непреложные истины, обойти которые не удастся никому.
Отсюда простые выводы. Выплавить булат можно либо из железа ПВ, либо, взяв очень чистую электросталь в два цикла: очистить, потом науглеродить. Любые мистические добавки грязной руды и столь же грязного демидовского железа привносят только грязь. Вот поэтому-то и пишут уже 150 лет о таинственном месторождении, которым владели индусы. Авторы этих публикаций считают, что у индусов было достаточно ума, чтобы сварить булат, но явно не хватало сообразительности додуматься до очистки железа. Логика странная, несомненно. Как раз в тигле выплавить высокоуглеродистую сталь не представляется особо трудной задачей.

Древний металл явно очищен, подогнан под стандарт по некоторым пунктам. Есть элементы, которые сильно уменьшают вязкость металла и уже чётко определён уровень их присутствия в нём. Так, если вы хотите выплавить булат с уровнем 2,5% - 3% С, ковкий и прочный, то в нём должно быть Si = 0,1%; Mn = 0,08%; В = 0,025%. Эти цифры я добыл сам с бою в сотнях опытов, эти же цифры может подтвердить пан Назаренко по адресу www.bulatnvr.ur. Василь Романович с 1987 г. выплавляет ковкий чугун при С=3,5%. Анализы персидских булатов тоже эти цифры подтверждают, правда, персы ещё строже: Si=0,05%; Mn=0,06%; В=0,02%.
Кремний в ножевой стали улучшает режущие параметры, ну, а в булате – он злейший враг, т.к. он стимулирует выделение свободного углерода.
Сейчас логика и производителя, и потребителя проста и прямолинейна: раз сталь переплавлена в тигле и обладает узором – значит это булат, имеющий суперсвойства, которые никто уже не проверяет.
В этом утверждении ошибка уже в начале. Можно сталь переплавить в тигле, загрязнить её, обезуглеродить и превратить в шлак. Абсолютно вся сталь обладает узором, я ранее показал много фотографий этих узоров, можно продолжить это ревю. Вот рисунки на стали 5 Х 7, 8 Х6. Эти стали дают большое разнообразие рисунков в зависимости от способов ковки. Правда, я никогда не говорил, что это «ёжико-волновая» булатная сталь, поскольку рисунок на стали никаких свойств ей не добавляет, только красивость.

         

Так что ни тигель, ни узоры ещё ничего не доказывают. Даже промежуточные результаты – твёрдость и уровень углерода не всегда гарантируют прочность и высокие режущие свойства, если металл остался грязным.
Итог.
Сталь относительно равномерна по структуре, а булат нет, и этот нюанс обуславливает всё различие в свойствах.
Итак, булат:

1. Не закаливается.
2. Гнётся за пределом упругости.
3. Обладает повышенной коррозийностойкостью.
4. Не режет, если С меньше 1,8%.

Теперь чуть подробнее.

1. Булатная матрица – это сталь с содержанием углерода 0,3% - 0,4%. Если закаливать 800° - 850° в воде, масле, то матрица, а соответственно весь булат показывает 30 - 45 ед HRC. Вопрос: а зачем это вообще делалось? Карбиды как были, так и остались – эта закалка ничего им не прибавила, режущие свойства не возросли. Оказывается, только для упругости. Твёрдость 20 - 24 ед HRC – это сырая Ст.3, упругостью не обладает. Это свойство булата – не закаливаться выше 45 ед HRC, самое определяющее. Можно даже сказать: булат – это сверхуглеродистая сталь, которую невозможно закалить. Соответственно, если слиток раскован и закаливается – это сталь, а не булат.
2. Все механические свойства булата обуславливаются его матрицей – Ст.3 – Ст.45. Такую сталь можно закалить до большой твёрдости: нагрев 950° - 960° и в ледяную воду (см.учебники и справочники), но при таком нагреве произойдёт разложение цементита; поэтому слабый нагрев, небольшая закалка, повышенная прочность. Клинок за пределом упругости деформируется, а не ломается. Сильно деформированный клинок можно выпрямить, нагревая его до невысоких температур, или даже на холодную – изменений в структуре не происходит, снижения механических свойств тоже.
3. Коррозийностойкость булата обусловлена его чистотой и плотностью, а иногда и слабым легированием. Булат не ржавеет хлопьями, а лишь патинируется, как легированные электростали.
4. Если сварить булат, в котором С = 0,8%, то 0,3% останется в матрице, а 0,5% выделится в виде цементита по границам зёрен. После протравки лишь кое-где видны блёстки, но именно этот цементит и режет. Ощущение такое, что взяли в руки пилу и пытаетесь перепилить фанеру поперёк, а она застревает между зубьями пилы.

Мысленно осадите эту поверхность ковкой, сожмите её и всё равно цементит на кромке будет попадаться не чаще, чем телеграфные столбы вдоль дороги.

 

Булат начинает прилично резать когда в нём 1,8%С. Появляется лёгкость реза, обусловленная микропилой, износостойкость, сравнимая  со сталью в диапазоне 0,8%-1,2%С. ( Для забывчивых напоминаю, что прочность булата на 30%-35% выше, в этом и есть его преимущество. Кроме того для длинномера важнее лёгкость реза, а то, что зубцы редкие – не так важно, поскольку велика скорость протяжки). Отсюда следует, что высокое содержание углерода в булате – это насущная необходимость. В стали всегда проблемы с прочностью, а в булате – с резом. Задачу упрочнения стального изделия можно решить зонной закалкой, либо дамаском – трёхслойкой, либо наваркой по лезвию, и меньшей кровью добиться тех же результатов, что и в булате.
Согласен, что эта новость ошеломляющая для всех, кто вырос на легендах, но всё это следует из структуры булата и подтверждается тестами. Надо помнить, что это сказано именно о булате, т.е. стали, которая после закалки гнётся.
Итак, булат состоит из двух компонентов – сталь 3 и цементит (С=6,67%). Если этой дифференциации нет, то это – сталь, т.е. однородная масса металла. Что сейчас всех вводит в заблуждение? Это наличие двух структур, одна из них – это функция слитка, вторая – соотношение цементита и матрицы, т.е. именно булатная структура. В первом случае можно взять железо (С=0,03%), бронзу, алюминий или сталь С=1,8%, расплавить, остудить и после глубокой протравки мы увидим , коленчатый узор, но этот узор зависит от скорости остывания металла в слитке, к булату никакого отношения не имеет. В конечном итоге мы так и получим железо, бронзу или сталь.
Если сталь высокоуглеродистая, то содержание углерода в зёрнах снижается очень медленно. Только 3 часа плавки гарантированно дают 0,3%С в зёрнах, а если прервать процесс, то можно получить частично выделенный цементит и матрицу с 0,9%С и это опять же будет сталь, поскольку она будет закаливаться. Менее 0,3%С получить нельзя, поскольку процесс идёт равномерно в обе стороны: выделение – разложение цементита.
Время варки булата зависит от массы слитка, но не от уровня С. Если булат сварен и его матрица содержит 0,3%С - 0,4%С, то его твёрдость не превышает 24 ед.HRC, если твёрдость больше, то соответственно в матрице больше углерода. Все структуры наблюдаются на не раскованном слитке, поскольку после ковки и протравки может стать доминирующей структура слитка, а не булата.

Исследование булата началось 250 лет назад, выяснили многое, но зашли в тупик, посчитав железные дендриты основой булата, а на самом деле он отличается от стали композитностью. На мой взгляд, исследование затянулось и пора поставить точку. Получение композитности – это и есть получение булата, а добиваются этого простым путем – варкой шихты. Итак, получение булата основано на свойствах железа. В диапазоне температур 911° - 1392° молекула железа имеет форму К12, это гамма-железо и растворимость углерода в нём 6,66(6)%. При температуре 1430° гамма-железа не существует, оно перестроилось в альфа-железо с формой молекулы К8 и растворимостью углерода 0,002%. Поэтому в тигле, при отсутствии растворённого кислорода, не образуется угарный газ и закись железа, а идёт образование цементита и получается композит: низкоуглеродистая матрица и дендриты цементита. При высоких температурах варки идёт измельчение цементита и булат будет ковким сразу после остывания без дополнительной термообработки. Таким образом разница между сталью и булатом находится на малекуляреом уровне. Механизм получения булата ясен, исследования завершены, поскольку даже если ещё 250 лет пройдёт, то ничего нового не прибавится. Вот и вся правда о булате, которую вы так хотели узнать, но боялись спросить.

Поскольку меня читают не металловеды, я хочу графически показать разницу в структурах стали и булата ( упрощённо, без перлитно – ледебуритных смесей ).

Дендриты железа; кристаллы, выросшие от неровностей дна тигля; недорасплавы любых сочетаний; различие в хим. составах шихт – все это никакого отношения к теме не имеет. Важно только выделение цементита, его дисперсность и равномерность распределения в матрице для определения: булат это или нет и какого он качества.

 

 

Условные обозначения:

 

Молекула железа (альфа-железо),
кубик из 8-ми атомов Fe, не закаливается

 

                     

Молекула стали,
кубик из 8-ми атомов железа + атом углерода закаливается до 64 ед. HRC

 

 

Аустенит (гамма-железо с растворенным в нем углеродом), кубик из 12 атомов Fe + С до 2,14% не закаливается

 

 

Цементит, пирамидка из 3-х атомов Fe + атом С, твердость до 70 ед. HRC, не закаливается, начинает разлагаться на железо и графит при температуре 738? С

 

 

Железо

Молекула из 8 атомов Fe, кубик.
Не закаливается

 

 

 

 

Сталь (например, У-8, С=0,8%)

Молекула из 8 атомов Fe + атом С (для У-8 – в каждом кубике), закаливается до 64 ед. HRC

 

 

 

 

Булат (например, черный, С=1,2% + 0,4% в матрице)

Молекула из 8 атомов Fe. На стыках – молекулы цементита Fe3С.
Не закаливается

 

 

 

 

Чугун будет состоять из молекул аустенита. Высокоуглеродистая сталь тоже будет содержать аустенит.

Серый чугун

Аустенит + графит

После отжига не раскуется из-за графита.

Заэвтектоидная сталь

Сталь разбавлена аустенитом, твердость и ковкость ее уменьшаются с увеличением уровня углерода.

От уровня 0,8%С до 2,14%С идет плавное превращение стали в чугун.

Серый булат

Расковывается после отжига и разложения цементита. Не закаливается.

 

© 2005-2007 Виктор Кузнецов. All rights reserved.