Аннотация: Было опубликовано в "5 Охот" лет десятть назад. Тема сегодняшней статьи - изготовление литой булатной стали.
Мы продолжаем публикацию цикла статей кузнеца-клиночника Дмитрий Ипполитова о технологии ковки узорчатых композитных сталей. Тема сегодняшней статьи - изготовление литой булатной стали.
Данная статья является своеобразным продолжением темы, начатой в статье "Дамасская сталь с нуля", поэтому рекомендуется с ней ознакомиться. В вышеупомянутой статье перечислены основные инструменты, необходимые для изготовления узорчатых сталей, а также описано общее устройство кузницы, даны начальные знания о кузнечной обработке металла. В настоящей статье мы попытаемся пойти дальше и научиться изготавливать литую булатную сталь, что является уже "высшим пилотажем" кузнечного дела.
Литой булат и по сей день окружен огромным количеством мифов и легенд, поэтому для начала попытаемся разобраться, что же он представляет собой в действительности. Согласно общепринятой современной классификации, булат - это композит на основе соединения железа с углеродом, обладающий резкой физико-химической неоднородностью (и характерным узором вследствие нее), полученный путем расплавления всей массы металла, предназначенного для производства булата, или ее части. Как и дамасская сталь, тоже являющаяся композитом, но полученным методом кузнечной сварки, булат характеризуется более высокими по сравнению с однородной сталью характеристиками, а именно сочетанием высокой твердости и вязкости и возможностью образования микропилы, повышающей режущие свойства.
Из определения видно, что булат может быть получен как при полном, так и при частичном расплавлении составляющих, следовательно, возможно получить два вида булата, которые, как будет видно в дальнейшем, кардинально отличаются между собой. Булат, получаемый из равномерно-жидкого расплава, называется ликвационным, так как в основе технологии лежит процесс дендритной ликвации углерода при кристаллизации расплава. Поскольку данная статья посвящена, в первую очередь, описанию технологии изготовления булата для начинающих, здесь я не буду подробно описывать все металлургические процессы, сопутствующие превращению стали в булат. Вкратце процесс дендритной ликвации выглядит следующим образом. При медленной (это обязательное условие) кристаллизации стального расплава молекулы карбида железа выстраиваются в нитевидные кристаллы (дендриты), пронизывающие весь объем будущего слитка, причем чем медленнее охлаждение, тем разветвленнее получаются дендриты. В ходе дальнейшей кристаллизации на поверхность дендритов начинает осаждаться цементит - самое высокоуглеродистое соединение железа с углеродом (и, соответственно, самое твердое). Процесс кристаллизации дендритов и осаждение цементита обезуглероживает металл, окружающий дендриты, и после полной кристаллизации в слитке обнаруживается резкая неоднородность: сверхтвердые дендриты, покрытые цементитной "броней", окружены мягкой матрицей. Более подробно уяснить для себя суть процессов, лежащих в основе булатной технологии, можно при помощи учебных пособий по современной металлургии.
Булат, получаемый с использованием технологии второго типа, называется двухфазным. Данный способ построен на том факте, что чем больше углерода в стали, тем ниже температура плавления этой стали. Соответственно, самую низкую температуру плавления среди соединений железа с углеродом имеет чугун (1250-1150 С в зависимости от содержания углерода), а самую высокую - чистое железо (1539 С). Суть технологии заключается в том, чтобы нагреть смесь железа или малоуглеродистой стали с чугуном до расплавления последнего и выдержать, не перегревая, чтобы чугун частично науглеродил малоуглеродистые включения. Получаемый таким методом металл также характеризуется высокой степенью неоднородности.
Итак, кратко рассмотрев теоретические основы производства булата, перейдем к практике. Поскольку вся работа будет основываться на расплавлении стали, необходимо решить вопрос о соответствующем нагревательном устройстве. Идеальным устройством, безусловно, будет являться электрическая печь сопротивления с рабочей температурой не менее 1400 С. У такой печи только два недостатка - высокая стоимость и большой расход потребления электроэнергии. Тем не менее, если у кого-либо из читателей есть возможность использования электропечи, то лучшего нагревательного устройства для плавки булата не найти. Хотелось бы предостеречь от использования для этих целей печей, построенных на индукционном принципе работы, поскольку в них булатная сталь, как правило, не получается вследствие потери неоднородности расплава, происходящей из-за перемешивания жидкого металла индукционными токами высокой частоты.
Для тех же, у кого нет возможности работать с электропечью, тоже далеко не все потеряно. Во-первых, плавка булата может быть успешно проведена и на кузнечном горне, лишь бы он был большого размера (в горн должно помещаться 3-4 ведра топлива). Горн для плавки булата лучше модернизировать. Я рекомендую для этой цели обложить огневую чашу горна шамотным кирпичом по всему периметру, высотой в два кирпича. Необязательно фиксировать кирпич на раствор, можно укладывать его просто один на другой перед плавкой и убирать, когда планируется использовать горн для ковки. Обкладка кирпичом позволяет поднять температуру внутри горна и облегчить задачу медленного охлаждения слитка. Специально для плавки можно самостоятельно соорудить некое подобие шахтной плавильной печи, лучше всего сделать это в земляной яме на открытом воздухе. Для этого дно ямы цилиндрической формы (глубиной около 60 см., диаметром около 40 см.) выкладывается шамотным кирпичом на шамотной глине, тем же кирпичом облицовываются и стенки. В стену примерно на середине высоты вмуровывается труба для подачи воздуха. Из шамотного кирпича, уложенного в металлическую оправу, сваренную наподобие ящика, изготовляется крышка. Устройство для подачи воздуха в такую печь должно быть достаточно мощным. В качестве топлива при плавке булата лучше всего использовать кокс.
Кроме вопроса о нагревательном устройстве необходимо решить проблему плавильных тиглей. Для плавки стали идеальны алундовые или корундовые тигли, достать их можно, если хорошо поискать. Можно аккуратно выдолбить или выточить на токарном станке небольшой тигель из шамотного кирпича, оставив толщину стенок 5-6 мм. Возможно слепить тигель нужного объема из смеси шамотной крошки и шамотной глины, но по этому вопросу я рекомендую изучить специальную литературу или проконсультироваться у специалиста. Лично я предпочитаю все-таки использовать огнеупорные тигли фабричного производства. Объем тигля для начала не должен быть большим, лучше всего, если он будет в пределах 200-300 мл.
Итак, когда все необходимое оборудование подготовлено, можно приступить непосредственно к процессу. Мы начнем с изготовления булата ликвационного типа (кстати сказать, именно этот тип булата сегодня позиционируется как "настоящий булат").
Химический состав булата может быть самым разнообразным, общих требований здесь два - значительное содержание углерода (порядка 1,5% для начала будет достаточно, хотя содержание углерода в булате может достигать и 3%), и наличие таких легирующих составляющих, как хром или ванадий. Легирующие компоненты нужны для облегчения карбидообразования в расплаве, их процентный состав может варьироваться от нескольких десятых долей процента до нескольких процентов. В этом смысле перед экспериментатором лежит практически бесконечное число вариантов, поскольку любые изменения в химическом составе булата будете влечь за собой изменения в свойствах (в том числе и в узоре) готового металла. Для начала я рекомендую выплавить булат из шихты приблизительно такого состава: 1/3 чугуна (рекомендуется использовать качественный чугун, например, от автомобильных цилиндров), 2/3 стали ШХ15 (шарикоподшипниковая, годятся и шарики, и обоймы). Желательно добавить примерно примерно 1/10 массовую часть стали, содержащей ванадий (например, от гаечного ключа с пометкой "Хром-Ванадий"). Булат такого состава богат легирующими элементами и углеродом, то есть удовлетворяет всем необходимым требованиям. Еще раз отметим, что с весовыми долями компонентов можно экспериментировать, помня простое правило - булат может быть получен практически из любой стали. Все составляющие шихты рекомендуется измельчить на части размером примерно 5х5 мм., или даже меньше, особенно при использовании горна в качестве нагревателя. Во-первых, это уменьшит риск непроплавления отдельных частей, во-вторых, при таком размере частиц тигель может быть набит максимально плотно. После заполнения тигля шихтой на нее укладывается слой битого бутылочного стекла. Стекло служит в качестве флюса, защищая сталь от окисления и вбирая в себя шлаки.
Когда тигель набит, он помещается в хорошо разгоревшийся горн так, чтобы края тигля были вровень со слоем углей. Учтите, что в процессе плавки тигель будет погружаться вглубь горна по мере выгорания углей, его необходимо поднимать клещами, а потом добавлять свежее топливо. При этом важно, чтобы тигель не опрокинулся и расплавленная сталь не вылилась. Нагрев следует вести при максимальной интенсивности дутья, чтобы сам тигель и топливо вокруг него были ярко-белыми. На полное расплавление обычно уходит до двух часов времени. Периодически следует аккуратно покачивать тигель в печи кочергой, следя за поверхностью расплава. Когда содержимое тигля при покачивании будет выглядеть абсолютно жидким, без всяких признаков вязкости (как вода), плавку можно считать состоявшейся. Теперь предстоит не менее важная часть процесса - охлаждение. Для получения булата оно должно быть максимально возможно медленным. Электропечь позволяет осуществить строгую изотермическую выдержку (идеальным является охлаждение со скоростью 1 С в минуту), при плавке в горне приходится полагаться на интуицию. Прежде всего, печь нужно загрузить значительным количеством топлива (порядка 2-х ведер для горна, для шахтной печи - доверху), предварительно подняв тигель вровень со старым, уже горящим топливом. Пусть вас не пугает то, что тигель окажется под слоем угля - от контакта с холодным топливом верхний слой расплавленного стекла в тигле станет вязким и не допустит попадания топлива в расплав. После этого дутье уменьшается до минимума (но не выключается совсем), а горн или печь накрывается сверху крышкой (или просто закладывается шамотным кирпичом). Подобные условия вполне пригодны для дендритной кристаллизации. При слабом дутье масса топлива вместе с тиглем будет медленно, но все же остывать, и через некоторое время (порядка 4-5 часов), когда топливо уже практически сгорит и превратится в шлак, слиток достигнет температуры около 800 С. После этого медленное охлаждение теряет свое значение, поскольку расплав уже полностью кристаллизовался и дендритная ликвация произошла. Тигель извлекается из горна и охлаждается на воздухе до комнатной температуры. После этого слиток необходимо извлечь из тигля, обычно для этого тигель приходится раскалывать молотком. Внимательно осмотрите слиток - он должен быть плотным, без усадочной раковины. Если плавки и дендритная ликвация прошли успешно, по все поверхности слитка можно рассмотреть довольно крупную кристаллическую фактуру - это первый признак того, что вы на верном пути. Сейчас самое время для того, чтобы прерваться и отдохнуть, потому что вам предстоит самая сложная и важная операция на пути к получению булата - ковка.
Ковка булата, как уже было сказано выше, представляет собой довольно трудоемкий процесс, недаром среди кузнецов-оружейников бытует поговорка "Кто ковал - того и булат". Все свойства, присущие булатной стали, приобретаются большей частью во время ковки. Здесь есть одно простое и непреложное правило - ковка должна быть медленной. Перед ковкой выплавленный слиток рекомендуется отжечь. В принципе, можно ковать и не отожженный слиток, но при этом весьма велика вероятность его растрескивания, которое может произойти в любой момент ковки и свести на нет все предыдущие усилия. Отжиг булата производится в течение нескольких часов (но не менее часа) при температуре около 1000 С (оранжевое свечение). Перегрев слитка до лимонного или, тем более, белого цвета влечет за собой потерю узора, так как карбидные нити растворяются и металл становится однородным. Как писал П. П. Аносов, "потеря узора при ковке составляет вину кузнеца". Слиток, подвергнутый отжигу, охлаждается до комнатной температуры, после чего начинается собственно ковка.
Поскольку булатный слиток крайне неудобно удерживать клещами, я рекомендую приварить (лучше всего аргонной сваркой, поскольку металл высокоуглеродистый) к нижней части слитка (она обычно самая "проблемная", поэтому ее не жалко будет потом отрезать или пустить на хвостовик будущего клинка) металлический прут длиной около полуметра, за который можно будет удерживать слиток под молотом рукой. После этого слиток помещается в горящий горн и начинается операция, называемая термоциклированием. Суть ее в том, что слиток нагревается до ковочной температуры (для булата - 900-920 С - ярко-алое, но без оттенка желтизны свечение), потом охлаждается на воздухе до 650-700 С (свечение темно-красное, едва-едва заметное), после чего операция повторяется. Перед началом ковки рекомендуется сделать 20-30 циклов. Термоциклирование продолжается и в процессе ковки, то есть ковка начинается с верхней температуры, а на нижней заканчивается, и слиток возвращается в горн для подогрева. Всего на расковку слитка до состояния клинка требуется 100-150 термических циклов. От их количества и точного соблюдения температур зависит качество и узор металла. Учтите, что в течение первых 40-50 циклов ковки булат деформируется очень тяжело, то есть, практически не куется. Потом, когда внутренние напряжения между кристаллами будут преодолены, картина меняется на прямо противоположную - слиток начинает коваться, как пластилин.
Есть несколько тонкостей, которые необходимо соблюдать при ковке булата. Во-первых, ковка должна быть по возможности непрерывной - булат не любит полного охлаждения в процессе деформации. Во-вторых, в начале ковки не рекомендуется менять направление деформации во время одного цикла. В-третьих, булат не выносит протяжки на цилиндр - поковка должна быть постоянно квадратного или прямоугольного сечения, то есть удары нужно наносить только в двух перпендикулярных плоскостях. Деформация за один цикл ковки должна составлять 1-2 миллиметра. При ручной ковке у вас больше и не получится, а если вы куете на гидравлическом молоте, необходимо сдерживаться и ковать медленно, регулируя ход молота педалью так, чтобы он наносил слабые частые удары. Следует также следить за появлением трещин на поверхности слитка. Эта неприятность практически неизбежна, и риск ее тем выше, чем больше углерода в вашем металле. Важно заметить трещину в самом начале ее образования и выбрать ее на электроточиле, после чего ковку можно продолжить.
Когда слиток доведен до квадратного сечения, можно приступать к операциям, влекущим за собой усложнение узора. Для этого поковку нужно деформировать участками, чтобы кристаллы интенсивно перемешивались и переплетались между собой. Вариантов того, как это сделать, достаточно много. Самый простой - так называемая ковка "винтом". Суть этого метода в том, что заготовка подается под боек участками по 1-2 см от себя с проворотом на 90 после каждого удара. После этого все четыре грани проглаживаются и процесс повторяется. Более сложный метод - "косая ковка". Поверхность граней для этого набивается крест-накрест тупым зубилом или узким бойком обычного молотка, после чего опять-таки следует простая плоская ковка для сглаживания неровностей. Можно также скрутить заготовку вдоль продольной оси, как при изготовлении крученого дамаска, или насверлить поверхность на небольшую глубину с последующим проглаживанием. Все эти методы позволяют улучшить не только узор, но и качество металла. Как правило, после обычной ковки, когда слиток сначала проковывается до квадратного сечения, а потом расковывается в пластину, получается полосатый узор, а при ковке молотком с закругленным бойком - волнистый. Ковка "винтом" позволяет получить сетчатый узор, а косая ковка - коленчатый, когда на местах пересечения надрубов прямые пряди линий булатного узора образуют своеобразные гроздья. В любом случае, как и при изготовлении дамасской стали, различные виды деформации булата оставляют широкое поле для экспериментов.
Следует отметить, что при изготовлении булатного клинка недостаточно просто протянуть слиток на пластину, из которой потом выточить клинок. Крайне рекомендуется спуски будущего клинка тоже оттягивать путем ковки, чтобы металл лезвия уплотнялся а сверхпрочные карбиды концентрировались на режущей кромке. После ковки необходимо сошлифовать со всей поверхности клинка слой толщиной около полмиллиметра - этот слой обезуглерожен в процессе ковки и не обладает в полной мере булатными свойствами. Закалка производится в масле с нагрева до 850-900 С, то есть с той же температуры, при которой вы начинали ковку. Рекомендуется применение зонной закалки, когда закаливается только лезвие, а обух остается "сырым". Отпуск клинка можно производить в обычной духовке при температуре около 300 С, когда на клинке образуется побежалость соломенно-желтого цвета. Правильно изготовленный и термообработанный клинок из булата рекомендованного мной в первой части статьи состава должен с хрустом резать стекло сразу после закалки и слегка царапать после отпуска, обладая при этом значительной долей упругости. Травление для проявления узора производится в растворе хлорного железа в несколько этапов по 5-10 секунд с промежуточной промывкой и протиркой легким полирующим средством (например, пастой ГОИ самой мелкой зернистости).
Такова технология производства классического ликвационного булата. Как уже было отмечено ранее, существует также другая группа технологий, позволяющих получать литую неоднородную сталь, которую принято называть "двухфазным булатом" или "фарандом" (именно так назвал подобную сталь арабский историк 10 века Аль Бируни). Технология получения двухфазного булата построена на разнице температур плавления сталей с различным содержанием углерода. Суть метода такова: в расплавленный чугун или высокоуглеродистую легированную сталь добавляют мелко измельченное чистое железо в таком количестве, чтобы его частицы (раскаленные, но все еще твердые из-за более высокой температуры плавления) заполнили весь объем тигля, а пространство между ними было заполнено высокоуглеродистым расплавом. После некоторой выдержки, при которой углерод из расплава частично диффундирует в железо, полученный металл проковывают. Сложность данного метода заключается в том, чтобы не перегреть металл, что может повлечь за собой расплавление железа и гомогенизацию слитка.
Я приведу здесь примерную технологию изготовления булата данного типа, поскольку вариантов здесь великое множество. Безусловно, при наличии электропечи задача существенно упрощается, поскольку имеется возможность выставить постоянную температуру нагрева, чуть выше точки плавления чугуна и значительно ниже температуры плавления железа. На открытом огне дело обстоит несколько сложнее. Во-первых, нужно точно рассчитать весовые доли чугуна и железа, исходя не только из желаемого количества углерода, но и из геометрии. Как правило, оптимальным является соотношение 2 части железа на 1 часть чугуна. Чугун лучше использовать максимально высокоуглеродистый и, следовательно, максимально легкоплавкий. Сначала в тигле расплавляется весь чугун, покрытый тонким слоем флюса в виде битого стекла. Когда металл будет полностью жидким, дутье нагревательного устройства уменьшается, но так, чтобы расплав не начал застывать. После этого в тигель мелкими порциями загружается железо, лучше всего в виде самых мелких гвоздей (во-первых, железо в гвоздях качественное, во-вторых, такой размер и форма является идеально подходящими). После добавления в тигель каждой порции (для этой цели придется изготовить некое подобие ложки на длинной ручке) гвозди, еще холодные и плавающие на поверхности расплава, утрамбовываются в расплавленный чугун кочергой или просто изогнутым под прямым углом железным прутом, делается перерыв в 1-2 минуты, чтобы расплав восстановил свою температуру и. следовательно, жидкотекучесть, и добавляется следующая порция. После того, как все железо "ушло" в тигель, я рекомендую произвести замедленное охлаждение, правда, более быстрое, чем при изготовлении ликвационного булата. Достаточно будет просто засыпать тигель сверху слоем топлива, дать ему разгореться при слабом дутье, выключить подачу воздуха и дать тиглю остыть вместе с печью до комнатной температуры. Дальнейшая обработка полученного металла аналогична ковке ликвационного булата, только понижается температура отжига (до 900 С), и исключается термоциклирование до ковки. Перегрев данного сорта булата выше красного цвета каления крайне нежелателен, так как высокоуглеродистые чугунные прослойки при температуре более 1000 С начинают размягчаться, а потом расплавляются, вследствие чего слиток буквально "распадается на составные части". При температуре до 900 С этот металл очень хорошо куется, а после закалки выдает весьма приличную твердость.
Итак, в данной статье были приведены некоторые технологии изготовления булатной стали. Я хочу еще раз подчеркнуть, что эти технологии являются базовыми. Зная основные принципы производства булата, мастер может без конца их совершенствовать. Надеюсь, этот путь увлечет читателей, и тем, кто захочет испробовать сказанное здесь на деле, остается лишь пожелать удачи.
P.S. Дмитрий, если Вам не нравится выкладка здесь этого текста - напишите мне, уберу.