Порошковая металлургия в гараже.

Всё началось с того, что я размышлял о булате - что есть булат по составу, это сверх чистое по примесям железо и углерод. Где взять чистое железо для булата, пришла мысль использовать порошковое железо. В качестве источника углерода взять порошок древесного угля. Подумалось, что ведь порошок и так варится (кузнечной сваркой) и туда можно добавить древесный уголь. При температуре сварки произойдёт сильная цементация. Идея есть - нужно проверять, возможность так же имеется.

Древесный уголь истолок в ступке и добавил в железо из расчёта 3%, кстати в итоге получилось 1,2-1,3С. Подготовил профильную трубу, куда это всё и поместил.

Всё это дело сварил и протянул в квадрат 20 на 20 мм. Нужно отметить, что варилось так, как будто внутри трубы вязкая жидкость или как будто не сварилось, но после охлаждения и нового нагрева начало коваться как обычный метал, можно сравнить с у7. На фото проверка на искру, больше всего похоже на у12б, может искра ещё короче и пушистее.

На срезе была (при травлении) хорошо видна цементитная сетка. Всё бы хорошо, но оказалось, что не весь древесный уголь перешел в метал - это проявилось в виде точек на срезе. Можно конечно было попробовать сделать клинок, но на режущую кромку наверняка бы вышли несколько точек, которые бы испортили всё изделие. Что бы не выкидывать результаты работы, решил поварить из неё дамаск, сам на себя, до исчезновения точек на срезе. При второй сварки точек уже не было, поэтому сварил три раза и получил 32 слоя, хотя при травлении клинка на вид 1500 и более слоёв.

Нужно отметить, что метал очень тяжело обрабатывался механически, сильно садил абразив, примерно на уровне рапидов. Но при ручном шлифовании (я уже приготовился изрядно помучатся) - шлифовалось очень легко, на уровне у7.

Закалка прошла без эксцессов, после закалки и после отпуска 240 градусов, хорошо пилил бутылку. Единственное клинок немного повело и при выправлении (с нагревом до 180 градусов) - ни как не хотел выравниваться, я уже думал сломаю - но с очень большими усилиями выровнял - в общем он сильно пружинил даже с нагревом.

Не хотел травится не в хлорном железе - не азотной кислоте, крайне мало шлама. Протравил в соляном растворе и тоже травилось плохо.

Фото клинка после тестов и переточки.

Пришло время тестов. Остроту взял очень хорошую (это мой личный критерий). Порезал, по стругал, порубил дерево, порезал войлок не тупится, рез агрессивный. Волну по режущей кромке пускает (я свёл очень сильно для возможности провести максимум разрушительных тестов). Попробовал перерезать латунную проволоку 2мм перекатыванием - появилось несколько маленьких заминов (не критичных). По стругал гвоздь и тут появились замины (не выкрашивания, а именно микро изгибы режущей кромки), постучал по гвоздю - тоже самое. Ну думаю, ведь проверял после закалки - стекло пилит. Беру бутылку и этими заминами опять пилю стекло. Так как сделал запас режущей кромки, а ломать кончик не хотелось, решил сломать немного рк. Загнал в дубовый брусок в уголок клинок и попробовал выломать - ну и выломал, правда при таком тонком сведении ни какой полезной информации не получил, зато увидел зерно - оно правильное.

Это всё ввело меня в ступор и решил отправит клинок на микроскоп к Fritz в институт Патона. Пояснения к фото эксперта.

Обух возле рикасо увеличение 100

Структура содержит хорошо различимую сплошную цементитную сетку, а также дефекты типа надрывов, расположенных в виде цепочек.

Обух возле рикасо увеличение 200

Обух возле рикасо увеличение 1000

При высоком увеличении можно идентифицировать структуру как высокоуглеродистую, заэвтектоидную.

Матрица состоит из эвтектоида 0,8% углерода, в которой расположены крупные вытянутые иглы цементита.

Размер карбидов в эвтектоиде - около 1 микрона, размер цементитных игл - от 14 до 110 микрон.

Обух возле острия увеличение 100

Структура на участке обуха вблизи острия иная: так при увеличении 100 видно структуру высокоуглеродистой стали с достаточно однородным распределением карбидной фазы, в структуре имеются дефекты типа пор и надрывов, расположенных послойно цепочками. Вблизи надрывов наблюдаются локальное обезуглероживание (светлые пятна).

Обух возле острия увеличение 400

Обух возле увеличение 1000

При высоком увеличении можно идентифицировать структуру как высокоуглеродистую, заэвтектоидную. Матрица состоит из эвтектоида 0,8% углерода, в которой расположены избыточные карбиды, представляющие собой по дробленный цементит. Размер карбидов в эвтектоиде - около 1 микрона, размер избыточных карбидов - от 5 до 10 микрон. Измеренная твёрдость вблизи РК: 810...825HV или 61HRC. Исходя из структуры содержание углерода в исследуемом металле находится на уровне: С=1,2...1,3%.

Провёл второй эксперимент. Порошок железа пересыпал древесным углём и провёл цементацию 5 часов при 800 градусах.

потом отсеял и сварил, опять появились (на срезе) точки непроваров, опять сварил саму на себя три раза - 36 слоёв.

Результаты тестов точно такие. Единственное отличие в том, что появилась линия зонной закалки.

После сварки порошка.

Перед сваркой дамаска.

Исследование второго образца из института Патона.

Коментарии эксперта:

Замеренная твёрдость: кромка 59 HRC, обух 40 HRC.

Структура клинка исследована со стороны РК, наблюдается слабо выраженная слоистость, которая связана с особенностями изготовления стали, хотя в целом структура достаточно однородна и назвать данный метал слоистым композитом нельзя (см. рис.1).

Рисунок1 - Структура металла клинка, увеличение 200

В металле присутствуют шлаковые включения, а также включения серы, что хорошо заметно при большем увеличении (см. рис. 2).

Рисунок 2 - Включения серы и шлаковые включения в металле клинка, увеличение 400

При высоком увеличении можно идентифицировать структуру металла как троостит, избыточных карбидов мало - количество углерода 0,8...0,9% (см. рис. 3).

Рисунок 3 - Трооститная "матрица" и крупное шлаковое включение, увеличение 1000

Также присутствуют вытянутые вдоль направления деформации включения серы, негативно влияющие на механические свойства металла (см. рис. 4)

Рисунок 4 - включение серы, увеличение 1000

Выводы:

1. Количество углерода находится на уровне эвтектоида - 0,8...0,9%.

2. Металл загрязнён шлаковыми и сернистыми включениями.

3. Клинок имеет место быть, однако его свойства не будут выдающимися.

Мои выводы общие:

Углерода во втором эксперименте мало, а подымать температуру до 1100-1150 градусов при цементации экономически не целесообразно. Наличие серы плохо, но в первом эксперименте из того же сырья её не наблюдается (она или сгорела или вошла в состав цементита).

Во втором опыте после первой сварки наблюдались такие же точки непроваров. То-есть попытка избавится от них с помощью промежуточной цементацией не верна. То-есть все проблемы, которые пытался решить с помощью промежуточной цементации не решены и добавились новые.

Если продолжать движение в этом направлении - то нужно: вымыть из древесного угля с помощью соляной кислоты кальций и лучше измельчать древесный уголь и варить как в первом эксперименте, может с большей выдержкой перед сваркой.

Я не утверждаю, что так нужно делать или, что я сделал какой то супер метал. Просто пришла мысль и решил её проверить, а там будет видно. Может эта информация кому то принесёт пользу.

Мир Вашему дому.

С уважением Дмитрий