Чтение онлайн

Применение каменного угля и первых воздуходувок резко увеличило производительность доменных печей. В 1779 году Абрахам Дерби-младший строит на реке Северн первый в мире мост из литых чугунных деталей. С тех пор чугунные мосты прочно вошли в жизнь.

Все же изобретение Дерби, распространяется медленно. Обожженный каменный уголь содержал много серы, и использовать его в кричном способе производства железа из чугуна было нельзя: металлурги знали, что «сера своим флогистоном может сжечь железо», то есть сделать его хрупким. В 1771 году М. Гитон получает из каменного угля кокс со сравнительно низким содержанием серы и выплавляет на нем чугун с достаточно высокими свойствами. В 1784 году Генри Корт показывает, что для получения из чугуна чистого в отношении примесей серы железа надо организовать процесс так, чтобы чугун не соприкасался с коксом во время плавки.

После долгих поисков разрабатывается процесс пудлингования. Этот процесс позволял получать крупные железные крицы в пламенных (отражательных) печах, отапливаемых коксом. В такой печи пламя отражается от свода и сам кокс с металлом не контактирует. В результате взаимодействия жидкого чугуна с окислительным шлаком и кислородом воздуха на поду отражательной печи получали тестообразное железо или низкоуглеродистую сталь, которую накатывали на ломик и вытаскивали из печи. Этот продукт также называли крицей. Этим и завершился первый значительный подъем в металлургии на рубеже XVIII и XIX веков.

Часовая производительность сыродутного процесса была 0,5–0,6 кг железа, кричного — 50–60, а пудлинговой печи — 140 кг сварочного железа. Производительность пудлинговых печей ограничивалась физическими возможностями обслуживающих их рабочих.

Пудлинговое железо, получаемое в больших количествах, начинает широко применяться для строительства машин, судов, мостов и других строительных сооружений. Но продуктом пудлингового процесса по-прежнему оставалась тестообразная крица. Следовательно, условия для получения литого булата в Европе пока не существовали. И долго бы еще не существовали, если бы в Англии не произошло событие, которое история науки часто забывает отметить должным образом.

В середине XVIII века в городе Шеффилде славился изделиями часовых дел мастер Бенджамин Гентсман. И знал этот часовщик, что для сердца часов — пружины — нужна очень чистая и однородная по составу сталь. Шведская цементованная сталь, получавшаяся науглероживанием сварочного железа, этим требованиям не удовлетворяла (теперь мы знаем, что углерод неравномерно распространялся в ее объеме). И Гентсман понял, что для равномерного распределения «цемента» (углерода) необходимо растворить его в жидком металле. Так часовщик подошел к тигельному процессу производства стали. Он переплавил в глиняном тигле цементованное железо, разлил жидкую сталь в чугунные формы, проковал и получил углеродистую сталь очень высокого качества. Тигельным способом удавалось получать сталь с содержанием углерода 1,0–2,0 %.

В 1740 году Гентсман основал первую сталелитейную фабрику в Атерклифе близ Шеффилда. Этим было положено начало производству литой стали. Несмотря на высокие свойства инструмента, ножей, бритвенных лезвий, часовых пружин и других изделий, Гентсману не удалось продать шеффилдским фабрикантам свое изобретение. Гентсман тщательно хранил секреты производства своей стали; но все-таки шеффилдский железозаводчик Самуэл Уокер сумел их раздобыть. Способы получения литого металла быстро распространяются в Англии, а потом и в Европе. Наибольшего развития тигельный процесс достиг в первой половине XIX век», после того как немецкая фирма Круппа купила патент Гентсмана.

Пудлинговый процесс обеспечил резкое увеличение объема выплавляемой стали, но качество ее оставалось на прежнем уровне, И только тигельный процесс привел к получению стали такого высокого качества, которого промышленность раньше не знала. Он создал условия для разработки потерянных способов выплавки булата и позволил открыть легированные марки стали — эти современные булаты.

Отметим кстати, что недавно наши металлурги изобрели новый высоколегированный прецензионный сплав для часовых пружин, отличающийся повышенной упругостью. Его применение увеличивает точность и продолжительность хода часов после одного завода на 2–3 часа. При создании сплава строго регламентированы физические свойства металла, которые обеспечиваются точностью его химического состава. Новый сплав для пружин часов назвали «булатом».

Может возникнуть вопрос: как же тогда древние индийцы получали литую булатную сталь, если тигельный процесс был открыт так поздно? Верно иногда говорят: новое — это забытое старое. Историки и археологи уже в наши времена доказали, что тигельный процесс люди знали очень давно. Этот древнейший способ получение металлов в жидком состоянии был известен, по-видимому, еще с бронзового века, когда медь и ее сплавы выплавляли в горшках на очагах или простейших горнах. Барельефы в Саккаре свидетельствуют, что у египтян за много сотен лет до нашей эры были плавильные печи. Тигельная плавка железа была известна Аристотелю, который писал, что она использовалась в странах Древнего Востока (Персия, Индия, Сирия) при производстве стали для холодного оружия, высококачественных ножей и инструмента. В средние века тигельная плавка была окончательно забыта. В Европе XVIII века она была открыта еще раз Но в чугунные формы сталь залили впервые. Гентсман получил не только литую сталь, но в первый стальной слиток.

В начале XIX века проблема получения сталей с высокими механическими свойствами становится первостепенной Пудлинговая сталь вследствие низкой прочности не обеспечила надлежащей работы токарных, фрезерных и других станков, что сильно тормозило развитие металлообрабатывающей промышленности. В связи с этим растет интерес к булату, и многие ученые и специалисты ищут способы его производства.

В химико-металлургической литературе начинают появляться исследования, касающиеся вопросов изготовления и свойств стали, ее природы и составных частей» Во второй половине XVIII века Г. О. Бергман открывает присутствие в стали углерода, а К. Б. Карстен (первая половина XIX века) устанавливает, что углерод может существовать в этих сплавах как в виде химического соединения — карбида железа, так и в свободном состоянии — в виде графита. Теперь все знают, что железо, сталь и чугун различаются между собой содержанием углерода и формой его существования.

Однако сущности процесса перехода сплава железо-углерод из одного состояния в другое металлурги еще не понимают. Еще не раскрыта также роль окиси углерода и углекислоты в процессе восстановления железной руды, хотя в 1802 году А. Круйкштейн показывает, что известный ранее тяжелый горючий газ есть окись углерода. В 1806 году Жозеф Луи Пруст открывает закон постоянства состава вещества и устанавливает, что существуют два различных окисла железа: с содержанием кислорода 27 и 48 %.

Между тем ученые и металлурги Западной Европы пытаются разгадать тайну булатных узоров. Одним из первых по поручению Лондонского Королевского общества пытается решить эту задачу известный английский физик XIX века Майкл Фарадей. Будучи сыном кузнеца, Фарадей с детства был знаком с изготовлением стальных и железных изделий, он также неплохо знает методы химического анализа металлов. Из Бомбея привозят индийскую сталь (вутц), и Фарадей находит в ней… алюминий. «Следовательно, — решает Фарадей, — узор булата является результатом примеси к сплаву алюминия!» Для подтверждения этой мысли он приготовил несколько сплавов чугуна с алюминием. Чугун дробился, растирался в порошок, смешивался с чистым алюминием и сплавлялся в закрытом тигле. Полученный сплав содержал 6,4 % алюминия и внешним видом был похож на вутц.

В дальнейшем Фарадей исследует сплавы стали с серебром, платиной и другими элементами и подтверждает способность таких сплавов давать «струистую» структуру, якобы обеспечивающую высокие свойства.

Изделия из фарадеевского «булата» не сохранились, Известно только, что из этой стали была изготовлена партия бритв, которые Фарадей любил раздавать друзьям. В то же время попытка одной из фирм использовать сплавы Фарадея для промышленных целей не увенчалась успехом, поэтому его предположение о природе булатного узора нельзя считать подтвердившимся. Все же Западная Европа, кроме всего, обязана ему и тем, что он в первой четверти XIX века пытался установить разницу между естественным литым булатом и искусственным, сварочным (дамасской сталью).

Теперь хорошо известно, что алюминий встречается в природе только в виде окислов и солей, из которых он очень трудно восстанавливается. Электролитический способ получения алюминия был открыт Чарльсом Холлом в 1886 году. В 1825 году, в то время, когда Фарадей делал свои эксперименты, алюминий стоил в 1500 раз дороже железа и гораздо дороже платины. Повторить опыты Фарадея было не так-то просто, и поэтому они произвели большое впечатление на металлургов и химиков.

Директор Парижского монетного двора Г. Бреан поддерживает мнение Фарадея о том, что булат — сплав железа с какими-то металлическими примесями, подобно тому как бронза — сплав меди с оловом. Он изготовляет сплавы с различными металлами. Его клинок из сплава высокоуглеродистой стали и платины (0,5 %) даже демонстрировался на Парижской промышленной выставке. Кроме узора, никаких других свойств булата Бреану подтвердить не удалось. А сравнивать было с чем. Наполеон во время египетского похода захватил в качестве трофея булатные клинки, поражающие необыкновенной прочностью, упругостью и красотой узоров.