ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2008, том 106, № 2, с. 182-188
_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ _
ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.141.23
СТРУКТУРА ТРЕХ ЗЛАТОУСТОВСКИХ БУЛАТОВ
© 2008 г. В. М. Счастливцев*, В. Ю. Герасимов**, Д. П. Родионов*
*Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
** ООО НПП- "Гест", Златоуст Поступила в редакцию 14.05.98 г.
100-летию со дня рождения академика В.Д. Садовского посвящается
Исследован химический состав, структура и твердость образцов металла, принадлежащего аносов-скому булатному клинку (1841 г.), булатному клинку Обухова (1859 г.) и булатной заготовке из тигельной стали Швецова. Булат Аносова обладает всеми признаками классической булатной стали: это заэвтектоидная, углеродистая сталь, структура булата сформирована из цепочек карбидов на фоне троостита. На поверхности клинка выявлен полосчатый узор. Клинок Обухова не может быть отнесен к классическому булату. На поверхности клинка узор отсутствует, несмотря на то, что использована заэвтектоидная сталь. Структура клинка не соответствует структуре классической булатной стали - это бейнит с многочисленными цементитными частицами. Образец Швецова нельзя считать булатом, поскольку он изготовлен из легированной марганцем и вольфрамом заэвтектоид-ной стали. Узор на поверхности металла сформирован из развитой дендритной структуры слитка при его ковке. Структура такого узора отличается от классического булатного узора, поскольку последний формируется за счет особого расположения множества карбидных частиц на перлитном или другом фоне, полученном при термообработке.
PACS: 81.30.-t, 61.66.-f
ВВЕДЕНИЕ
Златоустовская оружейная фабрика в XIX в. снискала себе мировую известность. Златоустов-ское холодное оружие - боевое, украшенное, зла-тоустовский булат литой и сварочный считались лучшими образцами холодного оружия. Аносов, который руководил фабрикой с 1821 по 1847 гг., проявил себя не только как выдающийся организатор оружейного производства, но и создал технологию получения высококачественной литой (тигельной) стали, а также технологии производства "Русского булата" [1].
Творческое отношение Аносова к разработке новых металлургических процессов было продолжено и нашло развитие в деятельности Обухова, Лаврова, Калуцкого. В XX в. Златоустовский завод стал школой для известных металлургов: Штейнберга, Грум-Гржимайло, Ефремова, Малышева, Трофимова, Погодина-Алексеева, Рюмина, Садовского. В дальнейшем академик Садовский многие годы был лидером Уральской школы металловедения. В августе 2008 г. исполнится 100 лет со дня рождения Садовского. Виссарион Дмитриевич с большим интересом относился к истории создания аносовского булата. В книге "Сталь" [2], вышедшей в свет в 1990 г., одна из глав называется
"Булат", в ней он изложил свои взгляды на формирование структуры в булатных клинках.
Технология получения булата во многом зависела от умения и навыков металлурга. После смерти Аносова секрет получения булата был частично утрачен. В литературе нет конкретных данных о булатах, изготовленных Обуховым. Однако считалось, что мастер Швецов владел секретами изготовления булатных клинков, которые он унаследовал от своего отца, работавшего под началом Аносова.
В настоящей статье авторы исследуют структуру трех булатных образцов: аносовского, обухов-ского и швецовского. Эту работу мы посвящаем нашему учителю, академику Виссариону Дмитриевичу Садовскому.
ОПИСАНИЕ ИССЛЕДОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ БУЛАТА
Для исследования аносовского булатного клинка производства 1841 г. (из частной коллекции) был отрезан небольшой фрагмент от конца клинка, внешний вид которого представлен на рис. 1а. Клеймо на клинке изображено на рис. 16. Два других образца предоставлены Златоустовским городским краеведческим музеем (ЗГКМ). Это
(в)
Рис. 1. Аносовский булатный клинок 1841 г.:
а - внешний вид (уменьшено); б - клеймо (натуральная величина); ]
- булатный узор, х5.
(а)
Рис. 2. Фрагмент булатного клинка Обухова 1859 г.:
а - внешний вид фрагмента клинка (уменьшено); б - клеймо Обухова на обухе клинка (Лит Булат. П. Обухова, Зла-тоустъ, 1859 г.).
фрагмент клинка Павла Обухова (рис. 2а) с клеймом на обухе: "Лит. Булат. П. Обухова Златоустъ 1859 г." (рис. 26), от которого срезан поперечный темплет толщиной 3 мм через все сечение клинка.
Третий образец, предоставленный ЗГКМ, отрезан в поперечном сечении от пластины булата Швецова, на котором вытравлен характерный узор, связанный с исходной дендритной структу-
184
СЧАСТЛИВЦЕВ и др.
Рис. 3. Пластина швецовского булата: а - узор на поверхности пластины, х2; б - узор в поперечном сечении пластины, х5.
рой отливки (рис. 3а, 36). Точно установить время изготовления пластины невозможно, скорее всего, она произведена Швецовым в конце XIX в. [3].
Химический анализ на всех образцах проводили на микроанализаторе 8ирегргоЪе-733 при расфокусировке пучка до 30 мкм, микроанализ делали в 5-8 точках. В образцах булата Обухова и Швецова микроанализ осуществляли как на светло травящихся участках, так и на темных участках структуры. Анализ содержания фосфора в обуховском и щвецовском образцах проводили фотометрическим методом, после растворения стружки из образца. Углерод и серу в образце
Швецова определяли при сжигании стружки методом кулонометрического титрования.
Усредненные данные химического анализа трех исследованных образцов приведены в таблице. Там же приведен единственный, сделанный в 1841 г. при жизни Аносова, химический анализ металла булатного клинка [4]. Микроструктуру булатных образцов исследовали на оптическом микроскопе и сканирующем электронном микроскопе КУАКТА-200. Из-за небольшой величины исследованных образцов металла аносовского и обуховского булатов, количество углерода в стали оценивали косвенным образом. Для этого образцы отжигали в вакуумной печи при нагреве до 1000°С, выдержке 15 мин и последующем охлаждении с печью. Структура отжига позволяет оценить и косвенно судить о количестве углерода в металле клинков [5].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
СТРУКТУРЫ БУЛАТНЫХ ОБРАЗЦОВ
Прежде чем обсуждать результаты структурных исследований образцов булатной стали следует напомнить те структурные признаки, которые характеризуют классическую булатную сталь. Во-первых, - это углеродистая сталь (нелегированная). Во-вторых, - это заэвтектоидная сталь: обычно в булатных клинках содержится от 1.1 до 1.8% С. В-третьих, на поверхности булата при травлении выявляется узор, появление которого связано с низкотемпературной ковкой слитка с развитой дендритной ликвацией, сформировавшейся при замедленной кристаллизации высокоуглеродистой стали. Важно, что в настоящем булате узор сформирован из множества карбидных частиц, образующих светлую узорчатую карбидную сетку, и темного перлитного, трооститного или мартенситного фона. Профессор Шокке [6] одним из первых представил целый ряд прекрасных метал-
Химический состав исследованных образцов
Наименование Средняя концентрация элемента, мас. % Примечания
образца Бе Мп N1 Сг Си Р Б С
Аносовская булатная сабля, обр. 1841 г. Осн. 0.06 0.02 <0.01 <0.01 0.014 — Не оп-редел. Не оп- редел. 1.4-1.5 Углерод определяли по цементитной сетке при отжиге на 1000°С
Фрагмент клинка "Лит. Булат. П. Обухов", 1859 г. (ЗГКМ) Осн. 0.037 0.95 0.045 <0.01 0.06 0.14 Не оп- редел. 1.1-1.2 Углерод определяли по цементитной сетке при отжиге на 1000°С
Булатная кованная пластина мастера Швецова (ЗГКМ) Осн. 0.36 1.15 0.14 0.12 0.06 0.67 0.037 0.011 1.34 Углерод определяли методом сжигания стружки
Булатный клинок Аносова, хим. анализ Илимова, 1841 г. Осн. 0.5 0.03 0.014 1.31 [4]
Рис. 4. Структура булата Аносова (а), х600 и Обухова (б), х600 после отжига на 1000°С, с выдержкой 15 мин и охлаждения с печью.
лографических иллюстраций структуры классических булатных клинков. Мы обращаем внимание на специфические особенности структуры булатного узора в связи с тем, что узор на поверхности металлического образца в доэвтектоидных сталях может быть получен за счет химической (соответственно структурной) неоднородности металлической заготовки, а также особых приемов ковки или других видов деформации. В частности, Обергоффер [7] демонстрирует "дамасский узор", полученный в котельном железе, а профессор Виноградов [8] "булатный узор" создавал на химически неоднородном (полосчатом) металле саперных лопат методом локальной деформации.
БУЛАТНЫЙ КЛИНОК П.П. АНОСОВА
Клинок Аносова, произведенный в 1841 г., внешний вид которого, клеймо и булатный узор, вытравленный на поверхности клинка (рис. 1а-1в), отвечает всем признакам булатной стали. Он изготовлен из чистой углеродистой тигельной стали, о чем свидетельствует химический анализ (см. таблицу). Для сравнения в таблице приведен химический анализ одного из лучших булатных клинков, проведенный Илимовым в 1841 г. [4].
Косвенным методом по структуре отожженной стали - по количеству и форме избыточных карбидов (рис. 4а), удается оценить содержание углерода в металле клинка [5]: это заэвтектоид-ная сталь с содержанием углерода 1.4-1.5%. Узор булата полосчатый, мелкий (рис. 1в), что может свидетельствовать о невысокой художественной ценности этого булатного клинка. Булат с таким узором называется "шам" и относится к недорогим булатам, однако в настоящее время в Сирии он считается редким сортом и высоко ценится [9].
В продольном и поперечном сечении клинка структура сформирована цепочками цементитных частиц на перлитном фоне (рис. 5а, 56). Структура булатного клинка соответствует той, что ранее на-
блюдали ряд исследователей [6, 10-12]. В исследованном клинке, несмотря на высокое содержание углерода, плотность карбидных цепочек мала. При увеличении ~ х13000 удается различить структуру перлитного фона - это троостит (рис. 5в) с толщиной составляющих его пластин менее 0.1 мкм. Если следовать трактату Аносова "О булатах" [1], то такая структура может быть получена при закалке клинка в расплавленном сале от температур нагрева клинка несколько выше 723°С. Средняя микротвердость образца клинка составила Нц = 460-470 кг/мм2, что в первом приближении с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.