Металлы и человек, стр. 35
Легирующие добавки вводят не только в сталь. Легируют и чугуны — их свойства настолько улучшаются, что они начинают соперничать со сталью и даже вытеснять ее в некоторых случаях.
Мы говорили о черных металлах. Но легируют и цветные металлы. В алюминиевые сплавы добавляют кремний, медь, марганец, никель, хром, кобальт, цинк; в сплавы меди — цинк, олово, свинец, алюминий, марганец, железо, никель, бериллий; магний хорошо соседствует с добавками алюминия и цинка, свинец — олова, сурьмы, цинка.
…Нет, не просят «младшие металлы» у золота его «совершенств». Они дружелюбно соседствуют, словно удваивая прочной дружбой своей силы друг друга. И они давным-давно превзошли все «совершенства» своего «старшего брата» со средневековой гравюры.
В воде и огне закаляясь…
«Как закалялась сталь» назвал свою книгу о судьбах, о воспитании характера пролетарской молодежи, прошедшей сквозь огонь великой революции, удивительной душевной красоты и огромного таланта писатель Николай Островский. Не будь этого закаляющего огня революции, не стал бы Павел Корчагин стойким, как сталь, коммунистом…
Да, сталь для того, чтобы проявить все свои благородные качества, чтобы стать сталью, должна пройти сквозь огонь. Термообработка — обработка теплом — является еще одним из путей улучшения качества металла.
О том, что сталь, нагретая в огне, а затем быстро охлажденная, становится твердой и хрупкой, знали давно. Еще в «Одиссее» Гомера — греческой поэме, создание которой относят к IX–VIII веку до нашей эры, — написано: «…как погружает кузнец раскаленный топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо, крепче железо бывает, в воде и огне закаляясь…»
Знали и о том, что разные методы закалки придают тем или иным сортам разные свойства. Но объяснить это не могли, ибо не представляли себе тех внутренних превращений, которые вершатся в металле при его разогреве и охлаждении.
Мы сможем ответить на этот вопрос, глядя на диаграмму состояния сплавов железо — углерод, о которой говорилось в прошлой главе.
…Седобородый кузнец положил стальной брусок в горн. Подручные взялись за привод мехов. Струи воздуха добела разогрели куски каменного угля. Синий дымок угара поднялся к потолку.
Кузнец внимательно следит за нагревом металла, Он знает, прозевает немного, перегреет металл — и он сгорит. Ничего уже не сделаешь из него, хрупкого, рассыпающегося под ударами молота. Нельзя и недогреть металла — он не примет закалки, лопнет при проковке. Опыт, чутье — не зря в течение многих веков профессия кузнеца приравнивалась к искусству — подсказывают ему нужный момент.
Воспитание характера.
Кузнец не знает, что в нагреваемом куске металла происходят чудесные превращения. При температуре 723 градуса начинается перекристаллизация металла. Она кончается где-то около 800 градусов, выше или ниже в зависимости от содержания углерода. Вновь возникшие кристаллы железа обладают свойством растворять в себе углерод. Металл клинка, нагретый до этой температуры, и является твердым раствором углерода в железе. Эту структуру называют аустенитом. Мы встречались уже с этим словом.
Если теперь медленно охлаждать металл, все пойдет в обратном порядке: при перекристаллизации из кристаллов будет выброшен цементит— химическое соединение углерода с железом, а в них останется минимальное количество углерода, растворенного в новых кристаллах. Но… но кузнец берет желто-белый, словно бы даже просвечивающий, клинок и кладет его на наковальню. Быстро прыгают по металлу легкий молоток кузнеца — он показывает, куда нанести удар, и тяжелая кувалда молотобойца. И вот на наковальне уже лежит узкое лезвие клинка. Кузнец не раздумывает, — некогда. Он хочет все довершить за один нагрев. И подхваченный клещами клинок падает в воду.
Металл при этом охлаждается так быстро, что за то время, пока его температура уменьшается от 800 с чем-то градусов до 723, перекристаллизация произойти не успевает. И аустенитная структура металла попадает в ту температурную зону, в которой она не должна существовать. Но в то же время она не может и превратиться в другую — ведь такое превращение невозможно при температуре ниже 723 градусов.
Так и бывает со многими сталями. Они остаются при нормальной комнатной температуре с той же структурой, какая у них была в горне кузнеца. Такие стали называются аустенитными. К ним относятся многие легированные стали.
У обыкновенных углеродистых сталей при температуре 300–400 градусов все-таки происходит перекристаллизация металла. Но углерод уже не выбрасывается из кристаллов: получается пересыщенный твердый раствор углерода в обычной для комнатной температуры кристаллической решетке железа. Такая структура стали называется мартенситом. Он-то и обладает высокими качествами закаленной стали.
Кузнец достает закаленный металл. Да, это уже не мягкое железо! Оно стало в десять раз тверже, значительно более упруго. Может быть, об этом клинке строки русского поэта:
Так, но и не только так производили закалку древние кузнецы.
Летопись храма Балгала в Малой Азии, написанная примерно в то же время, что и «Одиссея», рекомендует такой способ закалки кинжалов: «Нагреть, пока он не засветится, как восходящее в пустыне солнце, затем охладить его до цвета царского пурпура, погружая в тело мускулистого раба… Сила раба, переходя в кинжал, и придаст металлу твердость».
В аналогичном документе, найденном в Сирии, рецепт звучит несколько по-другому. Кинжал рекомендуют закалять, неоднократно вонзая его в раскаленном виде в мясистые части тела раба эфиопа. Оговорено даже, что раба поставляет заказчик — человек, для которого изготовляют кинжал.
Рассказывают, что древние кузнецы Востока, мастера, делавшие таинственный булат, отковав меч, вручали его всаднику, и тот во весь опор скакал с ним, разрубая встречный ветер бешеными ударами алого клинка.
Охлаждали закаливаемый металл в проточной и стоячей воде, в жидкостях разнообразнейших составов. Да и сегодня закалку производят сотнями различных способов — в растворах и расплавах солей, в маслах, в струе воздуха, в воде, в расплавленных металлах и т. д.
Ныне разгадан древний секрет причудливого булатного узора.
Существует закалка ступенчатая, когда температуру металла быстро снижают до 300–400 градусов, а затем охлаждают медленно. Существует закалка прерывистая, закалка в двух охладителях. Существует закалка до температур, лежащих далеко ниже нуля градусов. Ну, конечно, не какими-то «закалочными» свойствами, в которые верили древние и средневековые кузнецы, объясняется выбор сред для закалки, а их способностью быстрее или медленнее отнимать у металла тепло, обеспечивая более благоприятный именно для этой марки стали режим охлаждения. А закалка при температурах ниже нуля, закалка холодом, производится для тех сталей, у которых превращение аустенита в мартенсит не идет до конца при обычных, комнатных температурах.
Закалке можно подвергать не только стали. Сплавы цветных металлов также изменяют свои свойства в зависимости от той или иной термической обработки.
Древние знали только закалку сталей и сплавов олова и меди — бронз. В начале века знаменитый русский металлург А. А. Байков открыл закалку сплава меди с сурьмой. Затем установили свойство принимать закалку у некоторых сплавов алюминия, магния, меди, свинца, платины, никеля, золота и других цветных металлов.
Закалка возможна в тех случаях, когда сплав претерпевает при повышении температуры какие-то внутренние структурные изменения. Закалка позволяет структурные состояния, обычные при высокой температуре, привести в область низких температур. И, конечно, далеко не всегда это приводит к тем же изменениям свойств сплава, что и при закалке стали. Сплав золота и меди ведет себя, например, совсем не так, как железа с углеродом. При быстром охлаждении золото-медного сплава он приобретает мягкость и пластичность. Наоборот, медленный отжиг сообщает ему твердость и хрупкость. Диаграммы состояний, составленные для многих сплавов, позволяют заранее предвидеть, может ли изменить свойства этого сплава та или иная термообработка.