От каких параметров зависит твердость стали

В прошлые века люди верили, что клинок из дамасской стали делает воина непобедимым. Литой булат часто упоминают в мифах и легендах. Из материала изготавливают оружие «под старину», кухонную утварь, украшения.

Если рассматривать применение, металлы относят к группе оружейных сплавов. Одновременно, материалы входят в категорию композитов: изделия демонстрирует свойства стали и чугуна.

Русское слово «булат» — производное от иностранных определений: «пулат» и «фулад», то есть, литая сталь. Впоследствии термином обозначали очищенное железо, переплавленное в сталь. Способ до сих пор востребован. На Руси булат называли «красным», то есть, красивым.

Слово «дамаск» популярно в странах Запада. В переводе с арабского языка «дамаст» означает волнистый или струящийся орнамент. Вплоть до XIX века дамаском именовали литые стали. В XXI-XXI веках определение изменили на «сварочные узорчатые» сплавы.

Что такое «литой булат» и «дамасская сталь»?

Первые железоуглеродистые материалы плавили в тиглях. Металл помещали в рабочую зону печи — коническую емкость из огнеупорного материала.  Технологию изобрели в странах Востока. До сих пор Персия и Индия — основные поставщики слитков (wootz) из изделий из дамасской стали и булата.

В середине XIX века русский металлург П. П. Аносов разработал процесс пудлингового производства. Чугун перемешивали со железосодержащими шлаками и расплавляли в плазменной печи. Этим способом получали малоуглеродистое железо. Технологию применяли в России и Европе. Ученый П. П. Аносов написал книгу «О булатах», в которой прослеживает зависимость узора от микроструктуры сплава.

В XXI веке булат получают несколькими способами. В зависимости от особенностей технологического процесса, используют обозначения:

• «дендритная сталь»;
• «вутц»;
• «ликвационный», «литой», «сварочный», «узорчатый» булат.

Булат и дамаск легко отличить от других видов стали. Поверхность металла украшает узор, который свидетельствует о неоднородности структуры. Чтобы получить рисунок, заготовку медленно охлаждают. В верхнем слое образуются ферритовые зерна, ниже — матрицы карбида.

В зависимости от особенностей изготовления, узор проявляется после полировки или травления. Фон рисунка — черный или серый. Узор — хаотично или упорядоченно расположенные светлые линии: прямые или волнистые.

Классический (древний) способ получение булата — нагрев сырья в горне и медленное охлаждение. Твердость металла зависит от структуры, а не химических составляющих (как у современных сплавов). Теперешние способы изготовления материала — введение легирующих добавок, сочетание разных марок сталей.

Дамаск — разновидность булата. Материалы отличаются технологией изготовления. Второе название сплава — сварной булат. Чтобы получить дамаск, подбирают пакет разных сталей. Сборную конструкцию сваривают, неоднократно складывают, снова подвергают ковке.

Современные марки булата делают из 16-64 слоев. Известны случаи, когда в результате складывания получали заготовку из 400 пластов.

Степень неоднородности структуры дамаска и булата зависит от факторов:

• состава сырья;
• технологии плавки;
• режима охлаждения;
• последующей обработки.

Характеристики ферритов, карбидов и других элементов структуры отличаются. Зерна с разным содержанием углерода неодинаково реагируют на действие абразивного инструмента и химических веществ (кислот).

Литой булат используют для изготовления режущих инструментов. Когда кромку затачивают, удаляют наслоения феррита. Под мягкими волокнами находятся твердые матрицы. Если рассматривать только что заточенную кромку, видны зубья — зерна карбида.

Литой булат и изделия из металла нельзя подвергать закалке. При термообработке изменяется структура:

• образуется аустенитные кристаллы;
• исчезает твердая матрица;
• орнамент становится менее заметным.

По сравнению с дамасской сталью, булата отличается хаотичностью расположения светлых линий. Причина явления — кристаллическая решетка раньше начинает формироваться. Как следствие, рисунок состоит из беспорядочных светлых линий.

Современное производство булата и дамаска

Потребительские свойства железоуглеродистых сталей зависят от технологии, состава, и структуры материала. Основные компоненты булата — железо и углерод. Чтобы получить металл заданной структуры, ограничивают количество улучшающих добавок.

Пока не существует точных критериев отнесения к одному из трех классов легирования. В разных стандартах указаны неодинаковые значения массовой доли вводимых металлов.

Лучший булат изготавливают из сплавов с содержанием добавочных компонентов — не более 2,5-5,0%. Когда в производство запускают среднелегированный сплав (2,5-5,0%), получают сталь низкого качества. Составы с добавками в объеме 5-10% для производства булата не используют.

Различают четыре технологии изготовления узорчатой стали:

• Древняя технология. Процесс включает плавление руды с измельченным графитом. В печь загружают железорудное сырье с вхождением «Fe» более 85%. Количество вредных примесей (в основном, серы) ограничено.

По сравнению с другими технологиями, это менее трудозатратный и простой способ. Недостаток метода — дефицит качественной руды.

• Расплавление металла в печи с углем. Когда осадочную породу нагревают, выделяются соединения с углеродом. При взаимодействии железа и угля образуется сталь. Недостаток технологии — большой процент вредных примесей. Существует высокий риск получить сталь низкого качества.

В XXI веке первый и второй способ практически не используют.

• Литой булат. Способ простой, дешевый и предсказуемый, по этим причинам, наиболее распространенный. Железосодержащую руду длительное время обжигают в печи без доступа воздуха.

Минус технологии — зависимость от квалификации мастера. Если время рассчитано неправильно, получают металл с повышенным количеством углерода: хрупкий, с пониженной ковкостью.

• Качественный булат изготавливают расплавлением чистого железа и углерода в безвоздушной среде. В результате образуется сталь без вредных примесей и оксидов.

Недостаток метода — высокая стоимость процесса. 

Свойства булата и дамаска

Идея получения композитных сплавов заключается в попытке объединить в одном материале несовместимые характеристики: гибкость (вязкость) и твердость:

• Как углеродистая сталь обычного качества, изделия обладают ковкостью и пластичностью.
• Если рассматривать состав, булат ближе к чугуну. Благодаря увеличенному количеству углерода, металл обладает повышенной жесткостью и прочностью. Твердость сплавов сопоставима с высоколегированными сталями.

Материалы отличаются технологичностью. Конструкции из булата хорошо свариваются между собой и с традиционными железоуглеродистыми материалами. Основной способ обработки — ковка.

Недостатки сплава по сравнению с современными марками стали:

• сложный технологический процесс плавки;
• качество зависит от квалификации мастера;
• высокая стоимость изготовления изделий.

В XX-XXI веках появилось много материалов, которые не уступают (или превосходят) характеристики композитных материалов.

Сейчас булатные стали производят под заказ. Основные потребители — мастерские по изготовлению декора, ювелирных изделий, сувениров на заказ. Поверхность предметов покрывают благородными металлами (золотом, серебром) и драгоценными камнями.

Оружие «под старину» покупают коллекционеры и любители исторических реконструкций (баталий).

От каких компонентов зависит твердость сталей?

Прочность металла определяется технологией изготовления, основным составом и добавками. Массовая доля «C» в железоуглеродистом сплаве: 0,03%-2,14%. Если пропорция нарушена, металл теряет ковкость.

Основные компонента сталей обыкновенного качества «C» и «Fe». К категории специальных сплавов относят материалы с добавками. Химические элементы вводят для усиления отдельных свойств или придания металлу новых характеристик.

Химические элементы, которые повышают твердость сплава, представлены в таблице.

Изучение состава материала помогает избежать ошибок при покупке.