Юрий Гуревич - Загадка булатного узора

Каждый, кто был в механическом цехе, видел огромное количество стружки. Она струится из-под резцов токарных станков, заполняя цехи, а потом и заводской двор. 45–50 % стали при изготовлении из нее изделий традиционными способами уходит в стружку. При изготовлении деталей из порошковых сталей стружке браться неоткуда. Поэтому коэффициент использования металла составляет здесь 90–95 %! Не удивительно, что каждая тысяча тонн деталей из железного порошка в среднем дает в год около 1 миллиона рублей экономии, сберегает 2 тысячи тонн металла, освобождает 190 квалифицированных рабочих и 80 металлорежущих станков. Вот почему в нашей стране предусмотрено в одиннадцатой пятилетке увеличить производство металлического порошка более чем в 3 раза. Несомненно, что в недалеком будущем степень развития порошковой металлургии будет характеризовать металлургический потенциал страны в целом.

Получение конструкционных деталей из порошковых сталей включает следующие операции: получение железных порошков и порошков легирующих металлов, приготовление из них порошковой шихты заданного химического и гранулометрического состава, прессование (формирование) порошковой шихты для получения заготовок (прессовок) заданной формы и размеров и их спекание. После холодного формования механические свойства заготовок очень низкие. Для повышения механической прочности и придания изделиям необходимых физико-химических свойств сформованные заготовки спекают при температуре ниже температуры плавления железа. Спекание производят в среде восстановительного газа (водорода), инертного газа (аргона) или в вакууме.

В начальной стадии спекания между частицами сформованной заготовки существует неметаллический контакт. По мере удаления влаги и восстановления окислов на поверхности частичек порошка контакт из неметаллического превращается в металлический. Последнее приводит к уменьшению размеров заготовок, уменьшению ее пористости и, следовательно, изменению свойств. Особенно резко после спекания повышается прочность изделия.

Но все-таки после спекания из-за остаточной пористости механические характеристики изделий из порошковой стали получаются недостаточно высокими. Поэтому они могут применяться, как правило, только для слабо- и средненагруженных деталей, не претерпевающих во время работы значительных динамических нагрузок.

Для обеспечения необходимой плотности порошковой стали применяется горячая штамповка пористых заготовок. Этот процесс в значительной мере повторяет древний способ получения железных изделий горячей ковкой пористых криц (губчатого железа). Более того, одновременно с горячей деформацией пористых заготовок, так же как и при ковке булатных клинков, часто удается использовать эффекты термомеханической обработки, которые формируют специфичную мелкозернистую структуру стали, обеспечивающую ей высокий комплекс механических свойств. Таким образом, методом горячей штамповки или допрессовки пористых заготовок можно получать конструкционные детали из порошковой стали, не уступающие по своим свойствам выплавленным.

В настоящее время основная масса изделий из порошковой стали приготовляется на основе железных порошков и сажистого углерода. Так же как и булаты, они являются, как заметил П. П. Аносов, сплавом «железа и углерода и ничего более». Применение легированных стальных порошков обеспечивает более высокое качество как спеченных, так и горячештампованных изделий.

Так, например, в Институте проблем материаловедения АН УССР недавно разработана технология получения изделий из высокохромистой порошковой стали, которая очень напоминает один из способов получения булата. Смеси порошков железа, белого чугуна и хромистой стали, содержащей 30 % хрома, формуются двукратным прессованием и спекаются в печи с защитной атмосферой. Сравнительно невысокая температура и кратковременность спекания исключает выравнивание концентрации углеродов и хрома по всему объему металла, формируя этим самым неравновесную структуру типа булата. Эксплуатационные испытания в течение 9000 часов показали, что детали масляного насоса из порошковой хромистой стали с неравновесной структурой (микробулат) при работе в паре с закаленной быстрорежущей сталью обладают в 2–3 раза более высокой износоустойчивостью, чем эти же детали из обычной «равновесной» шарикоподшипниковой стали.

Так мудрость древних, дошедшая до нас с редкими образцами булата, сегодня воплощена в порошковых сталях, в слоистых и композиционных материалах. Материалы эти не только повторяют, но и развивают дальше идеи булата. Так же, как когда-то булат, они обладают необыкновенными свойствами, по сравнению с обычными сталями и сплавами, сочетая такие качества, как пластичность и прочность, твердость и вязкость, долговечность и огнеупорность, износостойкость и жаропрочность. Поэтому наши старые знакомые — композиционные материалы и порошковые стали по праву являются прямыми наследниками булата. Кислотоупорные и жаропрочные булаты, огнеупорные булаты, твердосплавные булаты — самые лучшие современные материалы.

В 1979 году Златоустовский завод им. Ленина отпраздновал свое 225-летие. В честь этого знаменательного события была выпущена памятная медаль. На одной стороне медали изображен памятник Павлу Петровичу Аносову, а на другой — герб завода и города. Медаль штампованная, сделанная из медного порошка. Так порошковая металлургия пришла на родину русского булата!

Бессемеровский процесс — передел жидкого чугуна в сталь без подвода теплоты путем продувки металла воздухом.

Вязкость — свойство металла (сплава) вытягиваться перед разрушением при приложении нагрузки.

Горн — очаг для нагревания руды или металла, снабженный воздушными мехами.

Дислокация — линейное несовершенство строения кристаллической решетки, которое в двух измерениях имеет размеры порядка атомных, а в третьем — больший размер.

Диффузия — тепловое перемещение атомов (ионов) или молекул вещества в направлении выравнивания его концентрации.

Доменная печь, домна — вертикальная шахтная плавильная печь для получения чугуна из железной руды, топлива и флюса.

Железные обсечки — мелкий железный лом, обрезки полос и проволоки.

Закалка — термическая обработка сталей и сплавов, которая состоит в нагреве до определенной температуры с последующим быстрым охлаждением с целью получения структуры, обеспечивающей высокую твердость, износостойкость и прочность.

Инструментальная сталь — высокоуглеродистая и легированная сталь с высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, которая применяется для изготовления режущего, штампового и измерительного инструмента.

Кислородно-конвертерный процесс — пе-редел жидкого чугуна в сталь без подвода теплоты, путем продувки металла технически чистым кислородом.

Конвертер — агрегат для получения стали из расплавленного (жидкого) чугуна.

Конверторное производство — производство стали в конвертерах продувкой жидкого чугуна воздухом или кислородом.

Крица — комок пористого, тестообразного, пропитанного жидким шлаком металла.

Кричное (сварочное) железо — железо, полученное путем восстановления руды или окисления чугуна при температуре 800°–1350 °C.

Кричный горн — очаг для нагревания руды и топлива при получении железа кричным способом.

Кричный передел — процесс рафинирования чугуна в кричном горне с целью получения сварочного железа. Вытеснен появившимися в конце XIX века бессемеровским и мартеновским процессами.

Легированная сталь — сталь, в состав которой для улучшения ее физических и химических свойств введены легирующие элементы (марганец, кремний, никель, хром, молибден, вольфрам и другие).

Ликвация — неоднородность химического состава по объему слитка, отливки или детали. Возникает при кристаллизации (затвердевании) сплава.

Макроструктура — строение металлов и сплавов, видимое невооруженным глазом или при небольших увеличениях (менее 30 раз).

Мартеновское производство — производство стали в мартеновских печах путем окислительной плавки железосодержащих материалов. В конце XIX и начале XX веков было основным сталеплавильным процессом.

Мартеновская печь — пламенная регенеративная подовая печь для переработки чугуна и стального лома в сталь.

Мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе. Игольчатая структура закаленной стали, обеспечивающая ее высокую твердость, износостойкость и прочность.

Меха — аппарат для нагнетания воздуха, применяемый для раздувания огня в горне.

Микроструктура — строение металлов и сплавов, изучаемое при больших увеличениях (более 30 раз).