На протяжении всего стального века металлурги стремились не только улучшить функциональные свойства этого материала, но и расширить область его применения. В настоящее время все многочисленные марки сталей принято делить на две основные группы: конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальных сталей является быстрорежущая сталь.
Основным приемом, которым до настоящего времени пользуются металлурги для получения сталей специального назначения, являете я легирование[46]. В результате целенаправленного поиска список компонентов, входящих в состав легированных сталей, значительно расширился.
Как свидетельствуют результаты исторических и археологических исследований, во времена Пелопонесских войн гоплиты Спарты одерживали победы над своими врагами благодаря более высокому качеству вооружения. Было установлено, что спартанские мечи обладали повышенной прочностью и упругостью из-за содержания в них некоторого количества марганца. В 1816 г. немецкие металлурги заметили, что добавление некоторого количества марганца приводит к увеличению твердости сталей без заметного снижения их пластичности и упругости.
Однако в начале XIX в. мастерам не удалось получить однородного материала, а результаты экспериментальных плавок не были воспроизводимыми{538}. Английский металлург Р.А. Гадфильд занимался поиском такого состава сталей, который делал бы их пригодными для литья и одновременно обладающими более высокой твердостью и упругостью, чем обычные углеродистые сорта. Изучая влияние добавок других металлов на свойства стали, он решил увеличить содержание марганца до 12%. Сталь с таким содержанием Mn сохраняла свою пластичность, а после быстрой закалки от 1000 °C значительно превосходила исходный металл по твердости. В 1882 г. Р.А. Гадфильд запатентовал состав марганцевой стали, и с этого момента началось триумфальное шествие легированных сталей (см. цв. иллюстрации к главе 8). Среди историков техники существует устоявшееся мнение, что сталь Гадфильда явилась первой легированной сталью массового производства{539}.
Более поздние исследования показали, что даже небольшие доли примеси серы существенно препятствуют качественной прокатке сталей. Сплавление железных руд с марганцем привело к заметному снижению содержания таких нежелательных компонентов, как сера, фосфор и кислород. Отливки из стали Гадфильда редко подвергаются дополнительной обработке, так как она плохо поддается резанию из-за наклепа поверхности. Из нее изготовляют траки гусениц танков, тракторов, машин, щеки дробилок, рельсовые крестовины, стрелочные переводы, работающие в условиях ударных нагрузок и истирания{540}. Применение сталей Гадфильда для изготовления траков танковых гусениц впервые было освоено британской фирмой «Виккерс» в конце 20-х годов прошлого столетия. Использование этого металла позволило практически в десять раз увеличить ресурс гусениц танков с 500 км пробега (рекорд периода Первой мировой войны) до 4800 км. В СССР выплавку стали Гадфильда освоили к 1936 г.
Добавляя хром, молибден, ванадий, вольфрам и ниобий, металлурги получили широкий спектр легированных сталей, обладающих самыми различными свойствами. Одним из наиболее значимых открытий в области черной металлургии в самом начале XX в. явилось изобретение нержавеющей стали[47]. C древнейших времен сохранилось несколько артефактов, изготовленных из сплавов на основе железа, которые практически не подверглись коррозии несмотря на их почтенный возраст. Наиболее известной среди этих памятников древней металлургии является железная колонна, находящаяся на территории комплекса исторических памятников Кутб-Минар[48] в Дели (см. цв. иллюстрации к главе 8). Эта колонна высотой 7 метров и массой 6 тонн была воздвигнута в начале V в. н.э. по велению индийского царя Кумарагупта I. До настоящего времени этот памятник мастерства древних металлургов представляет собой большую загадку для историков. На колонне осталась надпись, посвященная Вишну и царю Чандрагупте II (375-413 гг. н.э.). Считается, что если стать к колонне спиной и охватить ее сзади руками, это принесет счастье. За 1600 лет своего существования колонна практически не подверглась коррозии. Причина такой поразительной коррозионной устойчивости этого творения человеческих рук до сих пор является предметом нескончаемых споров среди специалистов{541}. Согласно одной из гипотез, колонна изготовлена из метеоритного железа. По другим представлениям, в колонне использовался особый сплав, изобретенный индийскими металлургами. В этом сплаве содержится большое количество фосфора. Под действием атмосферных условий поверхность колонны покрылась достаточно толстым слоем нерастворимых фосфатов железа, которые предохраняют ее от дальнейшего разрушения.
В эпоху промышленной революции первые попытки получить нержавеющую сталь предпринял французский горный инженер и металлург Пьер Бертье. В 1821 г. он установил, что сплавы на основе железа и хрома обладают повышенной коррозионной устойчивостью, и предложил использовать их для изготовления столовой посуды. В первой половине XIX столетия в черной металлургии еще не существовало технологий, с помощью которых было бы возможным получить сталь с низким содержанием углерода и высокой концентрацией хрома. Такие перспективы открылись лишь во второй половине столетия. В 90-х гг. XIX века немецкий химик Ганс Гольдшмидт был озадачен проблемой получения чистых металлов. Он стремился найти такой способ их восстановления, который не приводил бы к загрязнению углеродом. Поставленную задачу удалось решить благодаря появлению метода производства сравнительно дешевого алюминия (см. т. 2, глава 8, п. 8.2.4). Г. Гольдшмидт запатентовал способ получения чистых тугоплавких металлов посредством их восстановления металлическим алюминием{542}. Такая металлургическая технология получила название алюминотермии. C помощью данного метода немецкий химик получил возможность производить химически чистый хром без примеси углерода в достаточно больших количествах.
Между 1904 и 1911 гг. несколько исследователей, в частности, французский металлург Леон Жилет, получили сорта сталей, которые с полным основанием можно рассматривать как нержавеющие. В 1908 г. на верфи компании Фридриха Крупа была спущена на воду 366-тонная крейсерская яхта «Германия», корпус которой был создан из стали с большим содержанием хрома и никеля. 17 октября 1912 г. крупповские инженеры Бенно Штраус и Эдуард Маурер запатентовали состав нержавеющей стали на основе аустенита.
Элвуд Хейнес (1857-1925)
В 1912 г. американский изобретатель Элвуд Хэйнес подал заявку на получение патента США, в которой описывался состав и способ получения нержавеющей мартенситной стали. Этот сплав, содержащий добавки хрома и никеля, оказался устойчивым к коррозии на воздухе, в воде, а также в некоторых агрессивных средах{543}. Заявка американского инженера ожидала положительного решения целых семь лет. Практически одновременно английский ученый Гарри Бреарли из исследовательской лаборатории в Шеффилде работал над созданием коррозионно-устойчивой стали, пригодной для производства оружейных стволов. Ему посчастливилось разгадать состав такого материала на основе мартенсита. Два года спустя об открытии английского ученого сообщила в своей статье американская газета «Нью-Йорк Таймс». Позднее английский и американский изобретатели предложили свои патенты группе инвесторов, которые организовали в г. Питтсбурге (Пенсильвания, США) компанию American Stainless Steel Corporation. Новый материал уверенно завоевывал мировые рынки: например, к началу Великой депрессии уровень производства и продажи нержавеющей стали в США достиг 25 тысяч тонн в год.
Уникальные физико-химические свойства нержавеющих сталей открыли дорогу для их применения в самых различных сферах человеческой деятельности. Известные к настоящему времени 150 марок нержавеющих сталей используются, главным образом, как конструкционные; материалы при строительстве высотных зданий, в автомобильной и аэрокосмической промышленности, при изготовлении кухонной посуды и хирургических инструментов, цистерн и других емкостей для хранения и транспортировки агрессивных жидкостей, при создании частей и узлов сложных промышленных агрегатов, а также приборов бытовой техники. Значительная доля таких сплавов, наряду с вороненой сталью[49], идет на изготовление различных типов огнестрельного оружия.
Анонс об изобретении нержавеющей стали. Газета «Нью-Йорк Таймс», 1915 г.
Еще один важный в практическом смысле класс легированных сталей образуют сплавы с хорошими магнитными свойствами. Впервые такой сплав на основе железа получил в 1916 г. японский металлург Komapo Хонда. Добавлением к вольфрамовой стали определенного количества кобальта японский инженер добился улучшения магнитных свойств примерно в три раза. Магнитные стали используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах и в других случаях, где необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции.
Еще одной серьезной инновацией в области черной металлургии следует считать применение электродуговых печей для выплавки легированных сталей. Впервые возможность использования дуги для плавления металлов была показана в 1803 г. русским ученым В.В. Петровым (см. т. 2, глава 1, п. 1.5.5). C помощью такой дуги профессор физики Петербургской медико-хирургической академии не только расплавлял металлы, но и восстанавливал их из оксидов, нагревая в присутствии углеродсодержащих восстановителей. Кроме того, ему удалось освоить технологию сваривания металлов в электрической дуге.
Первую попытку создания электротермической печи предпринял французский инженер Ж. Пишон в 1853 г. Спустя четверть века патент на использование электрической печи дугового типа в черной металлургии получил известный инженер и изобретатель Вильгельм Сименс. Однако в промышленном производстве черных металлов электрические печи стали применять лишь в самом конце XIX в. В 1899 г. французский инженер Поль Эру (см. т. 2, гл. 8, п. 8.2.4) построил первую дуговую сталеплавильную печь (ДСП) прямого действия. В это время новый метод не получил большого распространения в связи с высокой стоимостью электроэнергии.
Во время Второй мировой войны электродуговые печи стали использовать для получения легированных высококачественных сталей: устойчивых к коррозии, инструментальных (в том числе, быстрорежущих), конструкционных, электротехнических, жаропрочных, — а также сплавов на никелевой основе. Электросталь, предназначенная для дальнейшего передела, была крайне необходима для изготовления некоторых деталей огнестрельного оружия и боеприпасов. Основным продуктом ДСП в то время явились высокопрочные стали с большой вязкостью и большим относительным удлинением (литые и кованые легированные стали), которые применяли для производства танковой брони.
Основными достоинствами ДСП специалисты признают возможность нагрева металла до высоких температур за счет электрической дуги, обновляемую атмосферу в печи, меньший угар легирующих элементов, точную регулировку температуры{544}.