Загадка булатного узора - [22]
В настоящее время известно, что железо никогда не бывает чистым, оно всегда содержит примеси. Фосфор и сера относятся к вредным примесям, так как вызывают хрупкость металла. Техническим железом называют сплав железа и углерода, который содержит 99,8–99,9 %, железа, 0,1–0,2 % примесей и до 0,02 % углерода. Сплавы железа с большим количеством углерода называют сталью или чугуном. Чугун — сплав, содержащий более 2 % углерода, сталь — менее 2 %. Если в стали 0,6–1,2 % углерода, ее называют высокоуглеродистой, при содержания 0,25–0,6 % углерода — среднеуглеродистой, а если углерода меньше 0,25 % — низкоуглеродистой.
Как же из сварочного железа в прошлом получал углеродистую сталь? Археологические находки говоря о том, что уже в глубокой древности был известен способ цементации (науглероживания) железа. Для получения высокой твердости и прочности углеродистую сталь необходимо закалить. Древние знали и это.
В средние века секреты многих способов цементаци железа были утеряны, но в XVII веке они вновь начина ют широко применяться. Один из первых патентов в мире был выдан английским королем Яковом в 1617 год лондонским ремесленникам Вильяму Эллиоту и Матис Мейсею — на изобретенный ими способ переработки железа при помощи цементации.
В Древней Руси наряду с железом часто применяли углеродистую сталь. Наибольшее распространение получили способы изготовления ее в кузнечном горне. В обычный кузнечный горн клали железную крицу, засыпали ее древесным углем и нагревали. Начиная с температур 700–900 °C, углерод диффундировал (проникал) в железо. Кузнец вынимал крицу и быстро охлаждал ее в воде или снеге. Сталистая поверхность крицы охрупчивалась и при ударах молота отделялась. Подобную операцию проделывали до тех пор, пока вся криц; не превращалась в стальные пластины. Полученные пластины отжигали и сваривали между собой.
На Руси было также хорошо известно науглероживание (цементация) всей массы железного изделия. Для этого изделие вместе с карбюризатором (древесным углем) закладывали в огнеупорный сосуд, сделанный из глины или кирпичных плиток, нагревали в горне до высокой температуры и выдерживали длительное время Таким образом получали углеродистые стали, содержащие не более чем 0,4–08 % углерода.
С увеличением содержания углерода в стали повышается ее твердость, износоустойчивость и прочность. Лучшие клинки из сварочного булата изготовлялись из стальных полос, содержащих 0,6–0,8 % углерода, в то время как индийский вутц или литой булат содержал от 1,6 до 2,0 %, углерода. Нет сомнений, что по сравнению с сыродутным железом и среднеуглеродистой сталью булат имел фантастическую по тем временам прочность и износоустойчивость.
Со временем сыродутный процесс получения железа совершенствовался. Горн представлял собой уже каменную камеру квадратного сечения со стороной примерно 1,2–2,0 м и высотой 1 м. Камеру заполняли глиной и формировали рабочее пространство грушевидной формы с отверстием в верхней, более узкой части. Железо и древесный уголь в такой горн загружались слоями. В передней стенке горна делалось отверстие для его разогрева дровами, выпуска шлака и выгрузки готовой крицы. Воздух нагнетали через огнеупорную трубку (сопло) более мощными мехами. В таком горне температура процесса была поднята до 1000–1100 °C, и это позволяло получать крицы массой 20–25 кг. Существенными недостатками сыродутного процесса была низкая производительность и небольшая степень извлечения железа из руды — всего 50 %. Поэтому в дальнейшем стремились повысить производительность посредством увеличения площади поперечного сечения горна и особенно его высоты. Это стало возможным после изобретения гидравлического колеса, которое увеличило мощность мехов, позволило вдувать в горн большее количество воздуха под более высоким давлением. Теперь температура процесса повысилась до 1250–1350" С, и воздух стал проникать через более высокий столб шихты. Но главное, значительно изменились температурные условия по высоте горна: в верхнюю часть горна попадало меньше воздуха, и его температура понизилась, а в нижней его части температура была значительно выше. Поэтому в нижней части горна руда восстанавливалась быстрее. Шлака здесь еще было мало, и восстановленное железо поглощало углерод. Последнее привело к тому, что в сыродутных печах вместе с тестообразной крицей и жидким шлаком начали получать еще очень жидкий металл со странными свойствами: он был хрупкий и не поддавался ковке. Сегодня все знают, что это мог быть только чугун — сплав железа с 3–4 % углерода, Его температура плавления примерно 1200 °C.
Когда было замечено, что чугун образуется там, где железо долго соприкасается с углем, его начали считать негодным продуктом, получающимся из-за расстроенного хода плавки. Поэтому чугуну дали нелестные названия — «вода», «чугунная свинка», «чушка». В Англии чугун до сих пор называют «свинским железом» («pig iron»).
Вскоре люди научились использовать чугун как хороший литейный материал. Появились чугунные изделия. Потребность в них способствовала созданию специального горна. Было обнаружено, что если сыродутную печь сделать достаточно высокой, загружать в нее слоями железную руду и древесный уголь и обеспечить вдувание большого количества воздуха, то можно получать только жидкий чугун. Печи для получения чугуна имели высокую шахту (средняя часть печи). Они обладали значительно большей производительностью чем сыродутные, и позволяли в большей степени извлекать из руды железо. Изготовление чугуна оказалось более выгодным процессом. Так техника подошла вплотную к доменному производству.