Секреты древности

Сплавы железа известны человечеству с глубокой древности – археологи находят железные украшения в захоронениях и стоянках, датируемых началом бронзового века. Любопытно, что чистое железо стало добываться и использоваться гораздо позже, а первые железные изделия были изготовлены человеком из материала, по современной классификации относящегося к легированным сталям – из метеоритного железа. Около 5,7% метеоритов, падающих на Землю, являются железными и состоят преимущественно из железо-никелевого сплава, содержащего до 8,5% никеля. Вероятно, древним людям приходила в голову мысль о применении небесного металла в более прагматичных целях, чем украшения, но он был слишком редким.

Около 1500 г. до н.э. в Малой Азии был открыт секрет получения более жаркого пламени, чем то, которое применялось для выплавки меди и бронзы – выяснилось, что если продувать воздух через руду, смешанную с древесным углём, то температура значительно увеличивается. Технология применения кузнечных мехов позволила выплавить железо и положила начало гонке вооружений. Чистое железо – не слишком твёрдый металл, но в процессе обработки поверхность металла впитывает в себя углерод, и образуется сталь. Древние орудия имели только тонкий поверхностный стальной слой, но этого хватало, чтобы железные стрелы и мечи оказывались прочнее и острее бронзовых.

У Айзека Азимова в его «Истории химии» читаем: «Располагавшие железным оружием дорийцы вторглись в 1100 г. до н.э. на Балканский полуостров и разгромили микенских греков. Микенские греки были более высокоцивилизованным народом, но ещё не имели стали и были вооружены бронзовым оружием. Часть греков проникла в Ханаан и принесла с собой железное оружие. Это были те самые филистимляне, о которых так много говорится в Ветхом Завете. И пока евреи не получили железного оружия (а это случилось при царе Сауле), они были, по существу, беспомощны. Ассирийская армия была первой армией, полностью оснащённой железным оружием хорошего качества. Благодаря такому превосходству в вооружении ассирийцы покорили многие соседние народы и к 900 г. до н.э. основали могущественное государство».

Вплоть до Нового времени основным материалом для изготовления оружия и орудий труда оставались железные сплавы, получавшиеся за счёт случайных примесей – железная руда редко встречается в природе в чистом виде. Исключением можно считать разве что знаменитую дамасскую сталь, особенностью которой является практически полное отсутствие легирующих элементов – технология её обработки была направлена на выжигание всех примесей, за счёт чего металл приобретал уникальные по тем временам свойства, но за это приходилось платить уязвимостью к коррозии.

За сотни лет способ обработки железа в Европе так же не претерпел существенных изменений, лишь к XIV в. появляется способ выплавки чугуна и так называемый кричный передел – процесс рафинирования чугуна, т.е. избавления его от излишних примесей углерода и заодно кремния с марганцем в целях получения ковкого кричного железа. Но к XVIII веку потребность в металле резко увеличивается, поэтому приходится искать способы массового производства сталей, одновременно изучая и изменяя их свойства.

Клинки, сделанные из знаменитой дамасской стали.

Рецепты Нового времени

Первым шагом на пути к промышленному производству сталей стало пудлингование, пришедшее на смену кричному переделу. Новая технология характеризовалась более высокой производительностью и, кроме того, позволяла заменить дорогой и дефицитный древесный уголь каменным углём или другими видами топлива. Впервые отражательную печь для получения ковкого железа использовали в 1766 г. англичане – братья Т. и Д. Кранедж, применив в качестве топлива каменный уголь. В 1784 г. способ был усовершенствован Г. Кортом, сыгравшим большую роль в практическом распространении пудлингования.

Только в середине XIX в. был разработан способ, который обеспечивал массовое производство литой стали. Большая заслуга в этом принадлежит английскому металлургу Генри Бессемеру (1813-1898). Работая над созданием артиллерийского снаряда, который вращался бы в полёте и двигался по точно заданной траектории, Бессемер столкнулся с необходимостью использовать более прочную сталь, чем производившаяся в то время. Речь идёт об орудии с нарезным стволом, в стенках канала ствола которого имеются спиральные канавки. Особо прочная сталь требовалась, так как ствол должен был выдерживать высокие давления, необходимые для вжимания выступов снаряда в эти канавки. Производство высококачественной стали в те времена обходилось весьма дорого, поэтому для орудия нового типа требовался новый подход к выплавке стали.

Бессемер искал такой способ производства стали, который позволил бы получать сталь непосредственно из чугуна, минуя дорогостоящую стадию получения сварочного железа, обычную для тогдашнего производства. Чтобы удалить избыточный углерод из чугуна, он пропускал через расплавленный металл струю воздуха. Металл при этом не охлаждался и не затвердевал; наоборот, в результате реакции углерода с кислородом выделялось тепло, и температура расплава повышалась. Прекращая в соответствующий момент подачу воздуха, Бессемер смог получить сталь. В 1856 г. Бессемер опубликовал сообщение об изобретённом им конвертере. Первые попытки повторить опыты Бессемера оказались неудачными, поскольку получить сталь таким методом можно было только из руды, не содержащей фосфора. Но как только это удалось преодолеть, производство стали резко удешевилось.

Когда главный технологический барьер был взят, встал вопрос о расширении свойств сталей за счёт легирующих добавок. Первым удачным опытом целенаправленного легирования считается изобретение Мюшеттом стали, в составе которой было 1,85% углерода, 9% вольфрама и 2,5% марганца. Промышленное производство стали Мюшетта началось в 1871 году. Главным образом его легированная сталь шла на изготовление резцов для металлообрабатывающих станков. Кроме того, данная сталь позднее стала прообразом современной линейки быстрорежущих сталей.

Английский металлург Роберт Эббот Гадфильд (1858-1940) изучал влияние на свойства стали добавок других металлов. Тогда уже было известно, что добавка марганца делает сталь хрупкой, но Гадфильд решил ввести в сталь марганца больше, чем обычно добавляли другие металлурги. Когда содержание марганца достигло 12%, хрупкость материала уменьшилась. Более того, выяснилось, что если такую сталь нагреть до 1000°С, а затем охладить в воде, то она станет намного твёрже, чем исходный металл. Гадфильд запатентовал марганцевую сталь в 1882 г., и с этого момента началось массовое производство легированных сталей.

На Всемирной выставке 1900 года специалисты впервые услышали о быстрорежущей стали Фредерика Винслоу Тейлора. Фредерик Тейлор и его друг, химик по образованию, Монсель Уайт работали на сталеплавильных заводах фирмы «Бетлехем Стил» в Филадельфии (США). Тейлер и Уайт пришли к мысли легировать вольфрамовую сталь хромом. Новая сталь содержала не менее 18% вольфрама и 4% хрома. Раскалённый докрасна резец из этой стали не терял стойкости при обработке заготовки из другой стали. Скорость резания была в четыре раза больше обычной. Так было заложено основание для развития инструментальной стали.

К 1919 г. американский изобретатель Элвуд Хэйнес (1857-1925) запатентовал нержавеющую сталь, содержащую в качестве добавок хром и никель. В 1916 г. японский металлург Котаро Хонда (1870-1954) обнаружил, что магниты, изготовленные из вольфрамовой стали, к которой добавлен кобальт, отличаются большей мощностью, чем магниты из обычной стали. Это открытие проложило путь к разработке сильных магнитных сплавов с заданными свойствами.

«Кутубова колонна» – одно из главных достопримечательностей Дели: за 1600 лет своего существования она практически избежала коррозии. Гиды рассказывают, что для создания памятника использовалась нержавеющая сталь, однако сделанный анализ показал, что колонна не содержит легирующих элементов, приводящих к повышенной коррозионной стойкости, и на 100 % (точнее, на 99,722 %) состоит из железа. Результатом открытия стала попавшая на несколько лет в учебники по металлургии гипотеза о высокой атмосферной стойкости чистого железа. Секрет исключительной стойкости колонны не раскрыт до сих пор, но из пары десятков различных версий более-менее правдоподобно выглядят три:

1. Возможно, что несколько десятков лет после отливки колонна пролежала в близлежащих горах, где повышен уровень радиации. Под её воздействием верхний слой металла мог превратиться в аморфное железо, стойкое к коррозии.

2. Атмосферостойкие стали, изобретённые в 1930-х годах в США, обладают своими особенностями за счёт высокого содержания в них фосфора – до 0,15 % фосфора. В делийской колонне фосфор тоже есть – его здесь 0,11-0,18 %. 

3. Атмосфера в Дели неагрессивна из-за своей сухости. Даже в период муссонов влажность делийского воздуха превышает критическое для начала коррозии значение (70 %) только в утренние часы. Даже нестойкий цинк окисляется здесь очень незначительно. Куски колонны, увезённые в другие регионы, начинают ржаветь очень быстро.

Сегодня и завтра в цифрах

ХХ век принёс новые способы получения легированных сталей, в частности электродуговую плавку и развитие порошковой металлургии. Но в целом чёрная металлургия не сильно изменилась за последние полтора века – до сих пор применяются конвертерные и мартеновские технологии, запущенные ещё в середине-конце позапрошлого столетия.

Металлы в XXI веке остаются основными конструкционными материалами, так как по своим свойствам, экономичности производства и потребления не имеют себе равных в большинстве сфер применения. Около трети всех производимых чёрных металлов применяются в машиностроении, приблизительно четверть уходит в строительство. Изготовленная с использованием чёрных и цветных металлов доля продукции в настоящее время составляет 72-74% валового национального продукта государств. Из общей массы ежегодно потребляемых металлов более 90% приходится на сталь. Объём перевозок продукции чёрной металлургии является важнейшим опережающим индикатором состояния экономики, что было зафиксировано и подтверждено на практике во время кризиса 2008 года.

Последние годы в связи с различными кризисными явлениями потребление сталей колеблется, намечаются тенденции снижения спроса на чёрные металлы. В настоящее время избыточные производственные мощности в мировой чёрной металлургии оцениваются до 600 млн тонн. Однако на ближайшие годы прогнозы аналитиков более оптимистичны. По оценкам WSA (World Steel Association), в 2013 году видимое потребление стали в мировом масштабе увеличится на 3,1% до 1,475 млрд тонн по сравнению с ростом на 2% в прошлом году. В 2014 году, по их прогнозам, глобальный спрос на металл увеличится еще на 3,3% и достигнет 1,523 млрд тонн. Ганс Юрген Керкоф, глава экономического комитета WSA, говорит, что потребление стали в глобальном масштабе за прошедшие полгода оказалось меньше, чем прогнозировалось, за исключением только одной страны – Китая. По сегодняшним оценкам, спрос на стальную продукцию в КНР по итогам 2013 года прибавит 6%.

В нашей стране на рынке стали также ожидается улучшение ситуации. Регион СНГ даже удостоился от WSA более благоприятных прогнозов по сравнению с Европой. В России увеличению потребления металла способствует рост активности в секторе строительства коммерческой недвижимости, а также принятый российским правительством пакет стимулирующих мер по развитию национальной автомобильной промышленности. По прогнозам аналитиков WSA, в 2013 году спрос на сталь в России увеличится на 3,8% до 43,6 млн тонн, а в 2014 году – на 4,6% до 45,6 млн тонн.