звук булата
В.В.Кузнецов.
Выплавление булата
Примечание первое:
Часто получаю письма следующего содержания : «Выкопал ямку, разжёг костёр, выплавил булат, а он не куётся. Почему?! Ведь я всё сделал, как написано?!».
Даю общий ответ. Не знаю у кого это написано, поскольку я писатель, а не читатель, такого я не писал и не читал, но написано это обманщиком. Булат сварить в ямке нельзя, это очень энергоёмкий процесс. Из тонны словесной шелухи таки можно извлечь хотя бы один бит полезной информации. Если прочитать статью «Путь чёрного лотоса» проф. Таганова, то там есть эта жемчужина. Вот она: «Индусы делали печь для выплавки булата из 12 000 кирпичей» (!!!). Конечно, демагоги пустятся в рассуждения: дескать неизвестен размер кирпичей, может он был в сто раз меньше нашего и т.п. На самом деле некоторые вещи переживают тысячелетия не меняясь, поскольку они удобны и у индусов кирпичи были не хуже наших. Так вот, большая русская печь размерами 1,6м*1,6 м*1,6 м сложена из 2040 кирпичей, а дом площадью 45 квадратных метров - из 10 000 кирпичей. Из 12 000 тысяч можно сделать большую домну. Г-н проф. пишет, что столь громадная печь сооружалась в знак столь же громадного уважения к богу огня. Возможно. Но лучше прислушаемся не к профессору, а к мистеру Оккаму. А старина Оккам сказал следующее: «Нет ничего сущего сверх необходимого». Именно поэтому у собаки нет пятой ноги, а у рыбки- зонтика. Если бы у индусов была хоть малейшая возможность уменьшить эту печь – они сделали бы это не задумываясь, не опасаясь гнева бога огня. Одна эта цифра: 12 000 – убийственна для теории недорасплава, бутона «Чёрного лотоса» и пр. ахиней. Какова мощность и температура, достигаемые в этой печи! Эта печь была с естественной воздушной тягой. Если сделать принудительный наддув и уменьшить объём тигля, то можно уменьшить размеры печи кирпичей до 300. Так печь Аносова – это цилиндр диаметром 50 см, высотой 65 см, три слоя кирпичей, высота трубы 4 м, расход топлива около 10 вёдер соснового угля на каждый килограмм булата.
Не зная прошлого, повторяешь его ошибки, наступая на те же грабли. Совсем недавно, в середине 60-х годов прошлого века, великий кормчий Мао Цзе-дун приказал китайскому народу по выплавке стали перегнать СССР и USA вместе взятые. В каждом крестьянском дворе соорудили вагранку и к концу года выплавили 700 млн тонн стали – больше, чем советские ревизионисты и американские империалисты в сумме. Всё бы хорошо, но маленький нюанс: сталь была настолько плохого качества, что её транспортировка и переплавка с очисткой обошлась бы втрое дороже, чем выплавка из руды, поэтому её не вывозили, а использовали на месте в качестве булыжников для дорог и плотин. Намёк понятен? Ведь шихту нужно расплавить и держать в этом состоянии 2-3 часа, ну какая ямка это выдержит?
Примечание второе:
Сколько углерода должно быть в режущей стали, чтобы она хорошо резала?
Ответ – "чем больше, тем лучше" – абсолютно неверен. Я намеренно сформулировал вопрос некорректно. Углерод присутствует в стали в нескольких соединениях, а для увеличения режущих свойств нам нужен только карбид железа. Есть правило: «Всё хорошо в меру». На самом деле это даже не правило, а закон, то есть он суров и карает ослушников. Попробуйте «недоперепить», то есть выпить меньше, чем хотелось бы, но больше, чем выдерживает организм – последствия плачевны. Вылейте вместо капли духов – флакон, бросьте вместо щепотки соли - столовую ложку и т.п.
Этот закон «знай меру», в металловедении носит название «предельное легирование». Предельное – вовсе не значит, что больше добавить нельзя – можно и сколько угодно, но качество меняется на противоположное. Например, добавка бора до 0,025% увеличивает вязкость стали, а после 0,03% резко охрупчивает её. Добавка углерода до 0,8% увеличивает твёрдость и режущие свойства, а после 0,9% - снижает (эвтектика). Учебник эту ситуацию комментирует так: «При 0,7% С твёрдость мартенсита достигает максимального значения (64 ед. HRC), и при дальнейшем увеличении содержания углерода она не увеличивается. Твёрдость закалённой стали при увеличении С свыше 0,8% снижается из-за резкого возрастания остаточного аустенита». «Металловедение», А.П. Гуляев, 1975 г., стр. 277.
Твёрдость в общем-то одинакова при 0,7%, 0,8%, 0,9% и небольшой прирост качества реза за счёт увеличения износостойкости кромки идёт до 1,2% С. Но это верхний предел содержания углерода в режущих сталях. Стали Д-2, Х12, Х12 МФ (С=1,6% - 2,3%) – штамповочные, высокое содержание С нужно для износостойкости и жаростойкости, а режущие свойства у них хуже, чем у ШХ-15.
В цифрах это выглядит так. Если в стали 0,7%С, то при закалке получаем 100% мартенсит и максимальную твердость. Если 8%С–9%С, то кроме мартенсита в стали будет 2%–3% неразложившегося остаточного аустенита. При 1,2%С это количество аустенита составляет 20% от первоначального. Даже 5% остаточного аустенита ухудшают твердость и прочность металла, поскольку по всем своим свойствам это просто серый чугун. Так что бездумное наращивание уровня углерода ведет к ухудшению прочности и режущих свойств. Об этом можно догадаться не читая металловедения – достаточно посмотреть химический состав ножевых сталей мира. В них С = 1%, и очень редко 1,2%, т.е. сталь идеальна по составу и победить ее можно только в этой же весовой категории. Поэтому смешны надежды плавильщиков на секретное и грозное оружие – чугун. Все равно, что надеяться на успех в газовой атаке с помощью солдатских портянок. Только в первые секунды противник будет деморализован, но потом, оскорбленный неджентльменскими действиями, окажет вдвое более яростное сопротивление. Чугун в первую очередь добавляет грязь, а не углерод. Если нужен углерод, то надо искать чистый, не самородный графит (но не медно-графитовые щетки!). П.П.Аносов забраковал чугун в булате, я – тоже. Булат получается втрое дороже.
Этот карбидно-аустенитный порог можно перешагнуть несколькими способами.
Первый способ – науглероживание. Если сталь имеет 1,5%–1,7%С и получена без расплавления, а прямым восстановлением из руды, как это делают японцы до сих пор, специально для своих мечей, то это чистый цементит. Нельзя достигнуть этого уровня карбидов, добавляя в швы дамаска чугун, мы чугун и получим – дамаск будет хрупким и не режущим. А ведь эти «чугунные» советы дают все «специалисты», не знающие металловедения. В дамаск можно добавлять окислы (опилки из-под наждака), замешанные с углем, графитом и получая в швах не аустенит, а 2% карбидов.
Второй способ – СРM, при котором капли цементита и лигатуры спекаются вместе, давая хорошо режущую сталь, но к сожалению не очень прочную.
Третий способ – булат. Если в стали, к примеру, 2,14%С, то аустенит существует в ней в диапазоне 727° - 1430°, а выше идет разложение аустенита на цементит и феррит, поскольку гамма-железо превращается в альфа-железо, и перестает растворять углерод, поэтому, если правильно подобраны температура и время плавления, точнее – выдержка расплава, то получим композит: капли цементита в железе.
Так что булат – это всего-навсего один из способов увеличения уровня карбидов при отсутствии аустенита. При этом надо помнить, что булат – тигельная сталь, прошедшая очистку флюсом и кристаллизацией, к тому же проросшая железными дендритами, которые еще добавляют процент прочности. Поэтому у хорошо сваренного булата проблем с прочностью нет. А вот режущие свойства булата очень специфичны. Основное то, что он легко режет мягкое и почти не режет твердое, поскольку сам он нетвердый. Здесь мне хотелось бы задержаться, чтобы поставить окончательную точку в разговоре о твердости булата. В любой статье о булате, претендующей на научность, есть фраза: «Булат – композит, поэтому в нем два противоположных свойства: он тверд и гибок одновременно». Эта фраза говорит об отсутствии логики и технического воображения автора, не более того. С таким же успехом он мог бы написать: «Мощность двигателя увеличили вдвое, поэтому вес его уменьшился наполовину».
Булат – композит, но из этого вовсе не вытекает, что он обладает двумя абсолютно противоположными свойствами. Матрица в булате составляет большую часть, поэтому преобладает мягкость. Закаливать ее можно только на упругость, либо не закаливать вовсе – на режущих свойствах булата (по мясу, коже, войлоку) это не скажется. А вот даже небольшой перекал резко уменьшает качество реза: зерна цементита с легкостью начинают выкрашиваться из твердой, невязкой матрицы, а последняя режущими свойствами не обладает сама по себе, она служит только опорой частиц цементита. Все равно, что в алмазном отрезном диске латунную основу заменить на стекло – при первом же соприкосновении с деталью все алмазики выкрошатся, останется стекло, которое тверже латуни, но толку с этого мало. Я приводил уже случай, когда закаленный булат сделал 3 реза, а незакаленный – 72 (по тому же куску войлока и при той же длине РК), сейчас я просто объясняю, почему это происходит. Режущие свойства булата зависят от уровня цементита и больше ни от чего, прочность и упругость – от чистоты металла и его кристаллизации. Если все это есть в слитке, то главное – не загубить ковкой и термообработкой.
Несколько практических советов по серому булату. По своей структуре это белый чугун, у которого вместо пластинчатого графита по границам зерен идут линии цементита. Так вот, в сером булате отжиг нельзя заменить ничем. В процессе отжига чугун в зернах превращается в сорбит, а сплошные линии цементита по границам дробятся и коагулируют в шарики. Булат становится ковким и обладает прекрасными режущими свойствами.
Отожженный булат и не отожженный обладают одной твердостью (если взять слиток, разрубить пополам, половинку отжечь, а вторую – нет), скажем 40 ед. НRС. Распределение цементита абсолютно разное. В неотожженном – цементит крупными кусками и неравномерен, такой булат режет с хрипом и тяжело. Отожженный булат режет очень мягко. Цементит весь одного размера и частицы на одинаковом расстоянии друг от друга. Медленное вдавливание алмазной пирамидки раздвигает частицы цементита, а при ударе они соприкасаются друг с другом, пружинят и дают мгновенную твердость цементита в 70 ед. При всем при том оба булата одинаково прочны. Закон диалектики: количественная разница в размере зерен и их равномерности дают качественную. Так что одинаковый уровень углерода еще ни о чем не говорит, - это промежуточная величина. Мгновенная твердость в булате наступает при уровне углерода в 2,2% и только после отжига 80-150 часов, т.е. при хорошей дисперсности цементита. Абсолютно точная аналогия – это бассейн, заполненный водой и пластмассовыми шарами (с плотностью, равной удельному весу воды), наступить нельзя – провалишься, а попробуйте нырнуть в этот бассейн с 10 м. вышки – размажет по поверхности. Ударную твердость булата вычислить невозможно: зависит она от уровня углерода, степени булатизации и уровня закалки матрицы. Сразу ясно, что максимальной ударной твердостью будет обладать булат с матрицей, имеющей 0,8%С, закаленной до 64 ед. HRC и с панцирем цементита вокруг зерен в 1% - 2%. Ударная твердость такого булата будет стремиться к твердости цементита, т.е. 70 ед. HRC. Ударную твердость проще замерить, чем вычислить. У меня к твердомеру есть комплект пластинок с разной твердостью для проверки прибора.
Вот два примера. Беру образец: сетчатый булат, С = 2%, булатизация полная (т.е. он не закаливается). Замеряю в 12-ти точках его твердость: 42-45 ед. HRC. Потом начинаю им надрубать пластинки. Легко надрубает пластинку в 56 ед. HRC, но сам надрубается пластинкой с 60 ед. HRC. Значит его ударная твердость около 58 ед. HRC. Следующий образец: легированный булат: С = 2,3%; Cr = 8%. 12 замеров дают очень большой разброс – от 58 ед. (4 точки), до 69 ед. (2 точки). Большой разброс замеров обусловлен высоким уровнем углерода и неравномерным его распределением в матрице. Этот булат надрубает пластинку в 63,5 ед. HRC, сам надрубается пластинкой с 65,5 ед. HRC. Его ударная твердость равна 64 ед., а твердость матрицы – 58 ед.
Серый булат точится по-другому, нежели сталь. Самое страшное для него – муссат, который вырывает все зерна цементита, оставляя убранное картофельное поле с мягкой землей и лунками. Почти так же действует грубый алмазный брусок.
Существуют два способа заточки булата: 2-3 движения по любому песчанику возле дороги, или по мягкому бруску. Эти абразивы слегка выбирают основу, зерна цементита начинают торчать в разные стороны и булат очень долго режет, правда с хрипом, но разделать лося – сгодится, тут булат превзойдет сталь. Наточить булат до разрезания газовых платков можно только твердыми камнями, которые берут цементит; но камнями с мелким зерном, чтобы цементит не вырывался. Процесс долгий и не для полевых условий.
Между черной (ржавеющей) сталью и белой (нержавеющей) всегда есть существенная разница в качестве реза. Именно в качестве, поскольку износостойкость нержавейки выше. Эта разница обусловлена формой карбидов и их различием по твердости.
Цементит, т.е. карбид железа имеет форму октаэдра – это две пирамидки, соединенные основаниями. Друг с другом молекулы цементита сцепляются вершинами. Поэтому, если представить себе (с упрощением в миллион раз) идеальное лезвие из черной стали, то кромка этого лезвия будет выглядеть так:
Карбиды внедрения, к примеру вольфрама, имеют форму куба, гексанальную, и сцепляются между собой гранями. Поэтому форма кромки вольфрамистой стали будет выглядеть так:
У простого цементита твердость 70 ед. HRC, у карбида вольфрама – 90 ед. HRC. Но вспарывающий механизм цементита – выше, хотя дерево карбид вольфрама строгать будет дольше. Карбиды хрома, циркония, ванадия имеют 80 ед. HRC и форму баскетбольных мячей, склеенных друг с другом шестиугольными плоскостями, т.е. отличий от карбида вольфрама принципиальных нет. Поэтому чистая черная сталь без лигатуры режет колбасу и помидоры приятнее и цепляется злее, нежели сильно легированные хром-ванадиевые стали. Но тупится быстрее, поскольку мягче, поэтому выбор за вами. Лично я – приверженец нержавеющей стали. Не вижу ничего плохого в том, что нож прочен, отлично режет и к тому же еще и не ржавеет. Ножевые фирмы, в основном, заняты подбором компонентов для достижения лучшего реза. Пока есть определенность только с тремя: углерод = 1%; кремний = 1%; хром = 14%–15%; а вот никель, кобальт, титан, ванадий, молибден и вольфрам встречаются в самых разных пропорциях. Эти металлы в первую очередь влияют на условия термообработки стали, но также и участвуют в работе металла, поскольку чистых карбидов в стали нет. К примеру, нет в легированной стали цементита Fe3C, а есть карбид М3С, в котором могут быть даже металлоиды (Si, Ca). Стали CPM содержат до 3,0% С, но в них нет аустенита, процесс получения их другой, в них содержатся чистые карбиды. Тоже самое и в булатах: долгое плавление и длительные отжиги разлагают аустенит, давая в результате цементит. Поскольку в булатах цементит разобщён матрицей, то при одинаковом содержании углерода в двух образцах – стальном и булатном – стальной будет резать втрое-впятеро дольше по твёрдому материалу. Для одинаковой стойкости режущей кромки в булате должно быть втрое больше углерода, чем в стали. Именно поэтому булат при 0,8% С режет, как сталь 3, при 2,5% С ,как ШХ-15, и, только имея 3,5% С режет, как сталь с 1,2% С.
Несколько оговорок. Первое: обсуждается серый булат, второе – разговор идёт о стойкости кромки, то есть рез по дереву и бумаге, в резе шёлка, мяса, кожи(то есть лёгкость реза) булат лучше, третье – не забывайте, что на излом булат прочнее. Пан Назаренко подтверждает, что если в его металле 3,5% С, то режет он как сталь с 0,9% С.
Все эти знания практические. Надо знать, что если ты замешал в тигле гвозди с чугуном и получил 1,8% С, то это сталь, насыщенная аустенитом, хрупкая и нережущая. Если сварен булат с 1,8% С, то он режет, как 65 Г, то есть в первом случае слишком много углерода, а во втором – слишком мало.
Повторяю снова: у стали проблемы с прочностью, а у булата – с резом и получением самого булата. Строгать дерево лучше всего сталью с добавками Si, Cr, W. Резать шёлк – булатом без лигатуры. Булат-композит, сталь - однородна, более никаких различий между ними нет: железные дендриты, углерод и легирование могут быть одинаковы. Композитность булата достигается долгим вывариванием стали при высоких температурах, когда растворимость графита в железе мала и происходит рост дендритов цементита. Чем выше температура варки булата, тем выше дисперсия цементита, тем выше все механические свойства булата. Булат - это композит, в котором матрица низкоуглеродистая, не дающая закалку при 800° в любой среде. Если полного выделения цементита не произошло, то матрица высокоуглеродистая и эта сталь, она закаливается и может быть твёрдой и хрупкой. Все сорта стали имеют целенаправленные характеристики и делятся на конструкционные, инструментальные, жаропрочные, кислотостойкие и т. п., то и булат специфичен и занимает свою нишу, не обладает универсальностью, не может заменить всё разнообразие сталей.
