Изучение технологии изготовления мечей из дамасской стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОМОННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА»

Институт ракетно-космической техники

Кафедра обработки металлов давлением

Контрольная работа по дисциплине: «Технологические процессы получения изделий»

На тему: «Изучение технологии изготовления мечей из дамасской стали»

Выполнил:

студент гр. 4203

Звягинцев Г.А.

Проверил:

доц. Каф. ОМД Нестеренко Е.С.

Самара 2017



Оглавление

Введение

1. Описание изделия

2. Технологический процесс изготовления

2.1 Традиционный процесс

2.2 Современный процесс

3. Оборудование для производства

3.1. Оборудование древних мастеров

3.2 Оборудование современных мастеров

Заключение

Список источников



Введение

История дамаска -- это история войны, торговли, технического прогресса, вековых исследований щедро сдобренная мифами и ошибочными суждениями. Дамасская сталь это материал используемый для изготовления знаменитых дамасских клинков известных своей твердостью и остротой и способных при этом изгибаться на 90 градусов распрямляясь обратно как пружина без каких либо последствий для высоких качеств клинка.

Такие качества всегда высоко ценились в клинках как в античные времена, так и сегодня. Как приятное дополнение к этому клинки обладают декоративным узором на поверхности, который служил своего рода знаком качества. Широко распространенная легенда гласит, что европейские крестоносцы впервые познакомились с дамасской сталью на Ближнем востоке, где исламские солдаты использовали фантастические дамасские сабли. Крестоносцы принесли истории об этих удивительных клинках обратно в Европу.

Технология изготовления дамасской стали не только интересная историческая и археологическая проблема -- исследования этой области оказали огромное влияние на современную науку. Этот материал неизвестный для большинства, тем не менее так или иначе коснулся каждого рожденного в ХХ веке и будет оказывать влияние на род людской в обозримом будущем. Без ранних исследований дамасской стали не существовало бы автомобилей, поездов, самолетов, небоскребов.



1. Описание изделия

Считается, что исинный секрет изготовления мечей из дамасской стали был утерян. На сегодняшний день можно выделить четыре основных типа клинков или сталей которые принято называть дамасскими -- сварные, инкрустированные, травленые и тигельные.

Появление названия «дамасская сталь» часто приписывается крестоносцам. Несмотря на то, что это мнение довольно распространено, тем не менее не существует ни одного подтверждение тому, что крестоносцы когда-либо использовали этот термин ни в одном литературном источнике. Более того не существует ни одного археологического подтверждения тому, что хотя бы одно такое лезвие когда-либо было произведено в Дамаске. Существуют более правдоподобные объяснения появлению словосочетания «дамасский меч». Исламские авторы обычно именовали мечи по рисунку на поверхности, расположению мастерской или имени мастера оружейника. Альтернативные причины именования некоторых мечей показывают, что даже в раннеисламский период источники имен для мечей были не очевидны. Существуют три правдоподобные гипотезы возникновения фразы «дамасский меч». Вода по-арабски называется «дамас» и дамасские клинки часто описываются, как имеющие водообразный рисунок на поверхности. Другой вариант -- некоторые исламские авторы утверждают, что некоторые мечи, называемые «дамасцины», были произведены и окованы в Дамаске. Однако другие ссылаются на кузнеца-оружейника по имени Дамаскуй, который делал мечи из литой стали.

Ко времени крестовых походов о дамасских клинках и доспехах ходили легенды. Эти клинки обладали исключительной прочностью на сжатие, т.е. были достаточно твердыми, чтобы сохранять остроту лезвия, и в то же время металл был очень вязким, так что в схватках клинок не ломался.

Одной из причин такой популярности дамасской стали является то что стали, с содержанием углерода от 1 до 2,1%, редко находят промышленное применение, так как считаются слишком хрупкими. Однако в дамасских клинках содержание углерода составляет 1,5-2%. Тем не менее высокая вязкость дамасской стали является неоспоримым фактом. Можно предположить, что первоначальная хрупкость, вызванная высоким содержанием углерода в стали, устранялась соответствующей обработкой.

Дамасская сталь имеет огромное разнообразие характерных поверхностных узоров, на рисунках представленных ниже можно посмотреть некоторые из них.

Попытки повторить узор были не вполне удачны в Европе в ХІХ веке. Русский ученый Аносов успешно добился этого в Западной Сибири. Однако детали его исследований остаются практически неизвестными за пределами России. Аносов был в курсе исследований Фарадея и послал ему клинок собственного изготовления. Этот клинок теперь храниться в Музее Фарадея в Лондоне.

Разгадать секрет дамасской стали стремились некоторые видные европейские ученые, в их числе Майкл Фарадей, сам сын кузнеца. В 1819 г. (до изобретения им электродвигателя и электрогенератора) Фарадей исследовал образцы дамасской стали и пришел к выводу, что ее исключительные свойства объясняются присутствием небольших количеств кремния и алюминия. Хотя этот вывод оказался ошибочным, статья Фарадея вдохновила Жана Робера Бреана, пробирного инспектора Парижского монетного двора, провести серию экспериментов, в которых он вводил в сталь различные элементы. Именно Бреан впервые, в 1821 г., высказал догадку, существенную для понимания металлургической природы дамасской стали: ее необычная прочность, вязкость и вид должны быть обусловлены высоким содержанием углерода. Он установил, что структура дамасской стали имеет светлые участки "науглероженной стали" на темном фоне, который он называл просто "сталью". Однако обосновать свою теорию он так и не смог. Только на исходе XIX в., когда ряд исследователей изучили фазовые превращения, происходящие в стали, и установили их зависимость от температуры и содержания углерода, были созданы предпосылки для полного научного объяснения структуры дамасской стали. Но даже и теперь, когда фазовая диаграмма железо-углерод хорошо изучена, процесс изготовления дамасской стали считается по американскому праву открытием и может быть запатентован.



2. Технологический процесс изготовления

Как уже было ранее отмечено, считается что исинный секрет изготовления мечей из дамасской стали был утерян. Однако рынок предоставляет нам большое множество изделий в том числе и мечей произведенных из стали называемой дамасской. Можно разделить методы изготовления булата (русское название дамасской стали) на три вида:

1. Традиционные - построенные на анализе исторических данных и догадок ученых;

2. Современные - основанные на достижениях научного прогресса;

3. Потомственные - основаны на семейных «рецептах» передающихся династиями кузнецов из поколения в поколение.

Третий, наиболее спорный из них рассматриваться не будет. С одной стороны среди таких кузнецов нередки случаи мошенничества, зачастую узор дамасской стали получают нанесением рисунка на дешевые виды сталей. С другой стороны помимо недобросовестных людей встречаются мастера, которые создают удивительные шедевры кузнечного мастерства с уникальными свойствами материалов, и вполне возможно что кто то из них и правда владеет той самой техникой ковки дамасских клинков. В любом случае рассмотреть технологические процессы данного вида не представляется возможным так как они держатся в секрете мастерами.

2.1 Традиционный процесс

В общем виде технологическая цепь производства дамасских клинков представляет из себя:

1. Создание заготовки (вуца);

2. Ковка при температуре от 650 до 850 °С;

3. Термообработка - закалка;

4. «Контроль узора».

Для понятия процесса необходимо детально разобрать каждый его шаг.

Заготовка

Сталь для клинков изготовлялась в Индии и была там известна под названием "вуц". Индия вела широкую торговлю стальными слитками, которые имели размер хоккейной шайбы. Как и в других сталеплавильных процессах, приготовление вуца предусматривало удаление кислорода из окиси железа (железной руды); при добавлении углерода железо упрочняется и превращается в сталь. Источником углерода был древесный уголь, древесина или листва. Обычно железная руда и древесный уголь смешивались и нагревались в каменном горне примерно до 1200°С. Кислород, удалялся из руды вследствие реакций с углеродом древесного угля. В зависимости от количества угля в смеси полученный продукт мог быть либо сварочным железом (с очень низким содержанием углерода), либо чугуном (содержащим свыше 4% углерода). Индийские сталевары изготавливали вуц, добавляя углерод к сварочному железу или удаляя углерод из чугуна. Процесс получения вуца из сварочного железа легче поддается научному истолкованию, чем тот, в котором вуц получали из чугуна. Небольшие куски металла смешивали с древесным углем и помещали в закрытый глиняный тигель диаметром около 8 см и высотой 15 см. Тигель нагревали примерно до 1200°С. При этой температуре сварочное железо еще остается твердым, но его кристаллы уже имеют гранецентрированную кубическую структуру, так что атомы углерода могут внедряться в решетку между атомами железа. Углерод медленно диффундирует в железо, образуя сплав, ныне известный как аустенит. Добавка углерода снижала температуру плавления металла. Вследствие этого, как только содержание углерода на поверхности кусков сварочного железа достигало примерно 2%, они покрывались тонким слоем жидкого белого чугуна. Появление расплава определялось по хлюпающему звуку при встряхивании тигля; это означало, что значительное количество углерода уже растворилось в железе. С этого момента тигель очень медленно охлаждали, иногда в течение нескольких дней. Медленное охлаждение обеспечивало равномерное распределение углерода в стали, с концентрацией 1,5-2%. Когда температура металла становится ниже 1000°С, часть углерода выпадает из раствора и образует сетку карбида железа (Fe3C), или цементита, вокруг зерен аустенита. Так как при медленном охлаждении аустенитные зерна вырастают до крупных размеров, цементитная сетка получается грубой.

Фазовая диаграмма железо-углерод (см. Рисунок 1) является основой для понимания свойств и принципов изготовления дамасских клинков. При нагреве сварочного железа и древесного угля до 1200°С в тигле железо переходит в гранецентрированный аустенит (1). Углерод древесного угля может далее растворяться в железе, понижая его температуру плавления. Как только содержание углерода в поверхностном слое превысит 2%, на поверхности железных частиц появляется слой расплавленного чугуна (2). При медленном охлаждении углерод может диффундировать через металл, образуя сталь со средним содержанием углерода 1,5-2% (3). При падении температуры ниже примерно 1000°С углерод выделяется из раствора по границам зерен в виде сетки цементита (4). Белые линиив узоре дамасской стали являются следами этой сетки. При температуре ниже 727°С происходит превращение гранецентрированного аустенита с образованием чередующихся слоев цементита и низкоуглеродистого объемно-центрированного феррита (5).

Ковка

Сетчатая структура цементита способствует хрупкости, открывает пути для распространения трещин. Однако металл в дамасских клинках был не хрупким, а, наоборот, очень вязким. Эту вязкость дамасская сталь приобретала только после ковки, т.е. после разрушения сетки цементита.

Рисунок 1 - Диаграмма железо-углерод

Ковка клинков из дамасской стали, вероятно, производилась при относительно низкой температуре. Средневековые кузнецы не могли точно измерять температуру в горне и поэтому руководствовались цветом каления металла. Сталь, нагретая в горне, может менять свой цвет от белого (1200°С) к оранжевому (900°С) и далее к другим тонам. Можно предположить, что дамасскую сталь ковали в диапазоне температур от 850°С (вишневый цвет) до 650°С (кроваво-красный цвет), так как при более высоких температурах происходило бы вторичное растворение цементита в аустените. Если же ковка слитка велась при температуре ниже 850°С, непрерывная цементитная сетка разбивалась на отдельные сферические частицы карбида. Эти частицы еще производили упрочняющий эффект в металле, но последний утрачивал свою хрупкость вследствие разрушения цементитной сетки. Анализ поверхности дамасских клинков показывает, что они подвергались интенсивной ковке; толщина заготовки при ковке клинка, вероятно, уменьшалась в 3-8 раз.

Одной из возможных причин того, что европейским кузнецам не удавалось изготовить дамасские клинки даже из индийского вуца, может быть то, что они привыкли иметь дело с низкоуглеродистыми сталями, имеющими более высокую температуру плавления. Вероятно, они пытались ковать индийскую сталь при белом калении, когда металл частично расплавлен.

Закалка

Дамасские клинки после ковки обычно закаливали термообработкой. Термическая закалка стали осуществляется путем нагрева выше 727°С (температуры превращения объемноцентрированного феррита в гранецентрированный аустенит) и быстрого охлаждения (собственно закалки) в воде или другой среде. Если созданы условия для медленного охлаждения, как при изготовлении вуца, сверхвысокоуглеродистая сталь переходит из аустенитной фазы в перлит, структура которого состоит из чередующихся слоев мягкого бедного углеродом феррита и богатого углеродом цементита. Если же сталь подвергается закалке, то превращение аустенита в перлит подавляется. Получающиеся кристаллы железа являются объемноцентрированными, но имеют не кубическую, а вытянутую тетрагональную форму. Такая структура называется мартенситом. В ней имеются свободные места для атомов углерода, и поэтому она может быть твердой.

По историческим свидетельствам у средневековых кузнецов было много различных рецептов для закалки дамасских клинков, причем они часто придавали важное значение таким деталям, которые современному инженеру представляются фантастическими. Например, некоторые мастера утверждали, что клинки нужно закаливать в моче рыжеволосого мальчика или трехлетней козы, которую три дня кормили только папоротником. Одно из наиболее подробных описаний процедуры закалки дамасской стали (булата) было найдено в храме Балгала в Малой Азии: "Булат нужно нагревать до тех пор, пока он не потеряет блеск и станет как восходящее солнце в пустыне, после чего остудить его до цвета королевского пурпура и затем вонзить в тело могучего раба... Сила раба перейдет в клинок и придаст прочность металлу".

Эту "инструкцию" можно расшифровать следующим образом. Клинок нагревали до высокой температуры, предположительно выше 1000°С (температура "восходящего в пустыне солнца"), затем охлаждали на воздухе примерно до 800°С (до цвета королевского пурпура) и, наконец, погружали в теплую (37°С) полужидкую среду наподобие рассола.

Контроль узора

Для средневековых мастеров "дамасский" узор, без сомнения, служил формой контроля качества. Наличие узора было и признаком высокого содержания углерода в металле, т.е. высокой прочности, и признаком хорошо прокованной структуры, т.е. высокой вязкости.

2.2 Современный процесс

В качестве современного процесса будет рассматриваться так называемый сварочный - как наиболее простой и распространенный.

В общем виде технологическая цепь производства дамасских клинков сварочным способом представляет из себя:

1. Набор пакета сталей;

2. Сварка пакета сталей;

3. Ковка;

4. Скручивание;

5. Окончательная ковка;

6. Резка;

7. Шлифовка;

8. Закалка;

9. Шлифовка - очистка;

10. Травление.

Рассмотрим по пунктам.

Набор пакета сталей

Нет четкого регламента, как в выборе сталей, так и в количестве полос заготовок, которые необходимо сложить друг на друга, это зависит от необходимых на выходе характеристик стали. Главное чтобы стали были с отличным друг от друга содержанием углерода, т.е. не меньше двух разных типов сталей. Заготовки накладываются одна на другую, чередуя разные виды сталей.

Сварка пакета

Для удобства дальнейшей работы пластины свариваются между собой.

Ковка

После того, как, как была подготовлена заготовка из пакета сталей, её необходимо раскалить до ярко-красного цвета (температура 650-850°С), затем начинается процесс ковки. Процесс ковки повторяется трижды, толщина выкованной полосы при первых двух этапах не имеет чёткой регламентации, а при третьем финальном она делается максимально приближенной к толщине обуха конечного изделия, во избежание лишнего расхода металла и удлинения процесса обработки. Далее заготовке придаётся прямоугольная форма для следующего технологического процесса.

Скручивание

Раскалённая заготовка, закручивается по спирали, на такое количество оборотов, которого удаётся достичь, до того, как металл застынет - в результате чего форма заготовки меняется с прямоугольной на цилиндрическую. От количества скруток зависит текстура рисунка на клинке.

Окончательная ковка

Цилиндрическая заготовка полученная в процессе скручивания вновь подвергается ковке. В процессе окончательной ковки заготовка посыпается «бурой» (порошкообразное вещество) для вытягивания шлака и окалины, что позволяет избежать появления свищей и непроваров. Получается полоса металла, из которой будут изготавливаться непосредственно клинки.

Резка

Полученная полоса остывшего металла обрезается по шаблону для придания формы конечного клинка.

Шлифовка

Производится шлифовка до «зеркального блеска».

Закалка

Клинок закаливается в термопечи при определённой температуре (зависит от выбранных сталей заготовки).

Шлифовка-очистка

Шлифованием с клинка убираются окалины.

Травление

Узор который и делает дамаск - дамаском, проявляется при воздействии на клинок азотной кислоты.

После проведения вышеперечисленных пунктов остается только приделать к клинку рукоять. Ввиду огромного множества вариантов рукоятей меча, процессы их изготовления рассматриваться не будут.



3. Оборудование для производства

В этом пункте будет рассмотрено возможно используемое оборудование в традиционном процессе, а так же оборудование используемое в современных кузнях для создания оружия из дамасской стали.

3.1 Оборудование древних мастеров

Как уже было ранее сказано, есть множество теорий технологии изготовления дамасской стали в прошлом. Представленное ниже оборудование не более чем результат развития одной из теорий.

1. Кузнечный горн. Сделан из камня. В нем Железная руда и древесный уголь смешивались и нагревались примерно до 1200°С, с последующим восстановлением железа.

2. Наковальня.

3. Кузнечный молот. Использовался для ковки.

4. Глиняный тигель. В нем куски железа науглероживали, нагревая их вместе с древесным углем.

5. Емкость с жидкостью. Необходима для закалки клинка.

Наглядно применение оборудования можно рассмотреть на Рисунке 2.

Рисунок 2 - Изготовление булатного клинка

3.2 Оборудование современных мастеров

Сейчас есть множество способов изготовления дамасской стали, требуется уникальное оборудование для каждого.

В данной работе будет рассмотрен один из вариантов применяемого оборудования для производства «сварного» дамаска.

1. Инверторный аппарат ручной электродуговой сварки например - ММА Интерскол ИСА-200/9.4. Питание сеть 220В. Необходим для сваривания пакета сталей заготовки.

2. Клещи кузнечные. Используются для манипуляций над раскаленным металлом.

3. Горн кузнечный. GOR-1. Горн с горелкой в комплекте два шланга для газа и воздуха. Работает на пропан-бутане и предназначен для разогрева металлических заготовок. Необходим компрессор.

4. Гидравлический штамповочный молот серии МА с ЧПУ. Подходит для любых видов ковок с точной объёмной штамповкой и ковкой с многочисленными впадинами. Он может развивать высокую скорость и долго поддерживать производительность, осуществляет любые виды штамповки с высокой производительностью и быстрой обработкой, а также улучшать качество штамповочного процесса.

5. Тиски кузнечные стуловые.

6. Инструмент продольного скручивания M3-TR.

7. Ленточношлифовальный станок JET JBSM-75M 50001891М. позволяет быстро и аккуратно шлифовать поверхность размером 75х500 мм за один проход.

8. Камерная печь электрическая ПКЭ-10. Используетсяьдля закалки клинка.

9. Вертикальный полуавтоматический лентопильный станок с фиксированным столом КОСКО МСК-800TF (производство Россия).

Используется для отрезания лишнего металла от заготовки.



Заключение

Пускай сейчас холодное оружие, и в частности мечи из дамасской стали востребованы лишь в малому кругу лиц, сама дамасская сталь представляет из себя уникальный материал, воскрешение, изучение и использование которого в последующем может продвинуть промышленность вперед. Ведь современные качественные легированные стали превосходят дамасскую сталь по всем показателям: прочности, упругости, режущим свойствам, но добиться таких выдающихся свойств в одном образце не удается и сейчас. дамасский сталь булат ковка



Список источников

1. Хорев В.Н. «Оружие из дамаска и булата», Феникс, 2004 г., 91 с.

2. О.Д. Шерби, Дж. Уодсворт «Дамасская сталь», Станфордский университет, компания Локхид.

3. Марьянко Александр «Современная дамасская сталь», Статья опубликована в журнале «Прорез» № 1, 2001.

4. http://taynikrus.ru/oruzhie/damasskaya-stal/, Дамасская сталь.

Размещено на Allbest.ru

...