ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 1, с. 89-95
_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^
ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК: 669.141.2:539.4.015
СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УРАЛЬСКОГО СВАРОЧНОГО ЖЕЛЕЗА
© 2004 г. Д. П. Родионов, В. М. Счастливцев, Ю. И. Филиппов
Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 07.07.2003 г.
Рассмотрены особенности структуры и измерены некоторые механические свойства образцов сварочного (кричного) железа, произведенного в ХУШ-Х1Х веках на Уральских заводах. Результаты сопоставлены со свойствами и структурой современного технического железа.
ВВЕДЕНИЕ
Тема статьи связана с 300-летием уральской металлургии, которое широко праздновалось в 2001-2002 годах. Статья посвящена светлой памяти профессора Ивана Николаевича Богачева, столетие со дня рождения которого будет отмечаться в 2004 г. И.Н. Богачев более пятидесяти лет преподавал в Уральском политехническом институте и воспитал целую плеяду металловедов-термистов, успешно работающих на предприятиях страны. Ему было не чуждо и изучение истории возникновения металлургии на Урале. Свои взгляды на этапы создания качественной стали он отразил в книге "Секрет булата", опубликованной в 1957 г. [1].
Уральская металлургия зародилась на рубеже XVII и XVIII вв. Первый железоделательный завод кустарного типа был построен на реке Ница в 1630 г. Но становление настоящей металлургической промышленности, принесшей Уралу всемирную славу, связано со строительством и пуском в декабре 1701 г. двух мощных чугуноплавильных и железоделательных заводов - Каменского и Невьянского. Восемнадцатое столетие - это время расцвета уральской металлургии. К 1800 г Россия по производству черного металла вышла на первое место в мире, обогнав Англию и Швецию. Урал давал около 80% всего российского железа, стали и чугуна [2]. Развитие металлургической промышленности привело к постоянному совершенствованию технологии металлургического производства. Уральский металл отличало высокое качество; первопричиной этого были отменные железные руды, древесный уголь и высочайшая квалификация мастеровых.
Уральские заводы производили чугун, сварочное железо и сварочную сталь [3, 4]. Процесс производства металла был двухстадийным: получение чугуна и его передел в железо и сталь. Основным металлургическим продуктом Уральских заводов
было сварочное железо. Способы его производства сводились к переделу чугуна в кричном горне или в пудлинговой печи. В результате переработки получали железо в виде губчатой массы, которая легко сваривалась при дальнейшей ковке.
В настоящей работе рассматривается структура и механические свойства сварочного железа, хотя под этим термином часто фигурирует в литературе и сварочная сталь с содержанием углерода до 0.5%. Этот факт объясняется тем, что структура сварочного железа крайне неоднородна по содержанию углерода в макроскопических объемах полуфабриката или изделия. В качестве примера на рис. 1 представлена макроструктура двух кованых изделий из "сварочного металла", по определению Бабошина [5]. Светлые участки содержат углерода менее 0.1 вес. %, тёмные -больше. Чем больше углерода в объеме металла, тем темнее травится структура.
Henry Howe [6], с учетом особенностей металлургической технологии, относил к сварочному железу металл, содержащий до 0.3% С и до 2% металлургического шлака, состоящего из оксиси-лицидов железа. На наш взгляд, это наиболее правильное определение сварочного железа.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящей работе анализировали химический состав, структуру и механические свойства ряда образцов сварочного железа, произведенного Уральскими заводами с начала XVIII до середины XIX в. (табл. 1). Наибольший интерес вызывают те предметы, место происхождения и возраст которых может быть установлен достаточно точно.
Прежде всего это гвоздь из Екатеринбургской плотины на реке Исеть (образец № 1 в табл. 1). Плотина была построена в августе 1723 года, в ее строительстве участвовали рабочие Невьянского
Рис. 1. Микроструктура изделий из сварочного железа (натуральная величина), поперечное сечение [4]: а - ось; б - упряжной крюк.
завода, в частности, плотинный мастер Леонтий Степанович Злобин, поэтому, вероятнее всего,
плотинный гвоздь был привезен оттуда.1 Следующими образцами являются: элемент металлической конструкции (клин) Невьянской наклонной башни (годы строительства 1721-1732, образец № 2) и фрагмент звена оконной решетки из церкви Покрова Пресвятой Богородицы города Верхотурье, построенной в 1744-1753 гг. (образец № 3). Фрагмент металлической балки из фундамента Спасо-Преображенского собора города Невьян-ска (образец № 4) относится к началу XIX в. Строительство собора было завершено в середине XIX в., но, естественно, постройка начиналась с фундамента. Если металл образцов №№ 2 и 4 несомненно произведен в Невьянске, то оконная решетка (образец № 3) могла быть изготовлена и из металла, произведенного на заводе в Верхней Туре, который работал с 1737 года и расположен всего в ста километрах от Верхотурья на той же самой реке. Повышенное содержания никеля в образце № 3 косвенно свидетельствует об ином происхождении этого металла, чем металла в образцах №№ 1, 2 и 4, который с очень большой степенью вероятности был произведен в Невьянске.
1 Гвоздь находился в теле плотины, поэтому указанная дата наиболее вероятна. Сливная часть плотины, так называемый "вешняк", ремонтировался в 1743 и 1772 гг.[13].
Кроме этих образцов исследовали структуру металла старинных гвоздей из старых построек городов Екатеринбурга (образцы №№ 5-7) и Ста-роуткинска (образец № 8). Эти предметы датируются началом и серединой XIX в.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты спектрального анализа образцов металла представлены в табл. 1 (№№ 1-8). Основой всех образцов является железо высокой чистоты, примеси основных металлов: Сг, Мп, Б1, N1, Си, Т1 составляют сотые доли процента, количество примесей тяжелых металлов: Мо, N5, V составляет сотые и даже тысячные доли процента. Сварочное железо очень часто содержит повышенное количество фосфора (см. табл.1), поскольку металлургический передел не обеспечивал глубокую дефосфоризацию металла. Количество фосфора в железе в существенной степени зависит от качества железных руд. Для сравнения в табл.1 приведен химический состав современного мартеновского армко-железа (№ 11), где содержание фосфора составляет 0.025 вес. %, что соответствует содержанию этого элемента в современных материалах.
В табл.1 приведены также данные по химическому составу железных изделий, относящихся к VIII-XIII вв. (< 9), найденные в раскопках на территории Европейской части России [7]. Эти изделия произведены из кричного железа, полученного сыродутным способом, т.е. прямым восстановлением из железных руд. Приведенные данные показывают крайние значения химического состава по различным элементам для 54 железных предметов. Если рассматривать наиболее часто повторяющиеся значения содержания отдельных химических элементов, то можно заметить, что эти изделия также являются чистым железом с содержанием основных элементов в количестве от 0.01 до 0.1% при достаточно высоком содержании фосфора (от 0.05 до 0.15%).
Двухстадийный передел, которым пользовались Уральские заводы с самого начала XVIII и до конца XIX в., постоянно совершенствовался, особенно это относится к пудлингованию как наиболее прогрессивному способу производства сварочного железа. Так,в [8] приводятся данные по химическому составу уральского пудлингового железа конца XIX в. (см. табл.1, № 10). В нем удалось радикально снизить содержание фосфора и серы до сотых и тысячных долей процента. В той же работе [8] приводятся данные о химическом составе пудлингового железа английских (содержание Р < 0.18%, Б < 0.14%) и бельгийских (содержание Р < 0.3%, Б < 0.2%) заводов, в которых содержание фосфора и серы было намного больше,
Таблица 1. Результаты спектрального и количественного химического анализа, мае. %
№ Наименование образца С Cr Mn Si Ni P Cu Ti
1 Плотинный гвоздь, Екатеринбург, первая четверть XVIII в. - <0.01 <0.01 ~0.01 ~0.01 0.18 <0.01 <0.01
2 Клин из арматуры башни, Невьянск, первая треть XVIII в. — <0.01 <0.01 ~0.01 ~0.01 0.05 <0.01 <0.01
3 Звено из оконной решетки церкви Покрова Пресвятой Богородицы, Верхотурье, середина XVIII в. ~0.01 ~0.01 ~0.4 ~0.2 0.067 <0.01 <0.01
4 Балка из фундамента Спасо-Преображенского собора, Невьянск, середина XIX в. - <0.01 <0.01 ~0.01 ~0.01 0.05 <0.01 <0.01
5 Гвоздь, Екатеринбург, начало XIX в. — ~0.05 ~0.01 ~0.01 ~0.01 0.09 <0.01 <0.01
6 Гвоздь, Екатеринбург, начало XIX в. — <0.01 ~0.01 ~0.01 ~0.01 0.07 <0.01 <0.01
7 Кровельный гвоздь, Екатеринбург, середина XIX в. - ~0.05 ~0.01 ~0.01 ~0.01 0.14 <0.01 <0.01
8 Гвоздь, Староуткинск, середина XIX в. — ~0.01 <0.01 ~0.1 ~0.01 0.13 <0.01 <0.01
9 Железные и стальные изделия VIII-XIII вв. — <0.01 0.01— 0.01— 0.01— 0.02— 0.01— 0.01—
из раскопок в Европейской части России [6], 0.17 0.25 0.32 1.0 0.1 0.1
54 наименования
10 Уральское пудлинговое железо [7], конец XIX в. До 0.25 ~0.08 ~0.14 0.08 — 0.0045S 0.01P — —
11 Современное техническое железо (армко-железо) мартеновского производства 0.03 ~0.10 ~0.19 0.21 0.20 0.025 0.022 0.03
чем в уральском железе. Такое различие связано в первую очередь с качеством железной руды.
Данные о микроструктуре сварочного железа и стали в литературе весьма ограничены. В старых изданиях [3, 6] приводят одну и ту же микроструктуру, опубликованную Henry Sorby в 1897 г. в Journal Iron & Steel Institute. В первом отечественном металлографическом исследовании [4] Рже-шотарский публикует микроструктуру пудлингового сварочного железа и ряда сварочных сталей с содержанием углерода до 0.75%.
Микроструктура образцов кричного железа, произведенных в разное время в XVIII и XIX вв. на Уральских заводах, приведена на рис. 2-4. Для сравнения на рис. 5 приведена ферритная структура технического (армко) железа, произведенного мартеновским способом в настоящее время. Как отмечалось выше неодноро
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.