Ближайшие возможные перспективы развития чугуна и стали

УДК 669.16.018.0.17

В.К. Афанасьев

(СибГИУ, г. Новокузнецк)

О ЧУГУНЕ И СТАЛИ ¹

На основании предложенной в [1] водородной платформы ниже рассмотрены ближайшие возможные перспективы развития чугуна и стали.

Чугун и сталь – материалы многовековой истории, обеспечивающие жизнедеятельность человека на Земле. Отличительной особенностью их является то, что они единственные, которые в качестве основного легирующего содержат один из элементов внедрения – углерод. Углерод – это особый элемент, которому металлурги чугуна и стали уделяют незаслуженно мало внимания. Именно поэтому до сих пор не умолкает дискуссия о правомочности различных вариантов основы основ железных сплавов – диаграммы состояния Fe-Fe₃C. Д.И. Менделеев [2] отмечал, что область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т.е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений» [1]. Более того, в статье В.В. Станцо отмечен очень необычный факт об углероде: «Поток космических протонов – ядер атомов водорода, летящих со скоростью, близкой к скорости света, непрерывно бомбардирует планеты. И Землю в том числе. Уже в верхних слоях атмосферы протоны сталкиваются с ядрами азота и кислорода. При таких столкновениях атомы разрушаются, и в результате получаются свободные нейтроны.

___________________________

¹ В порядке обсуждения

Нейтроны в свою очередь взаимодействуют с веществом атмосферы и, конечно, чаще всего с азотом. И тогда происходит одно из чудес, признаваемых наукой: превращение элементов. Азот становится углеродом. Только не простым, а радиоактивным – ¹⁴С. В его атоме на два нейтрона больше, чем в ядре самого распространенного изотопа углерода ¹²С. Радиоуглерод ¹⁴С испытывает распад – испускает электроны и от того опять превращается в азот: . Период полураспада ¹⁴С, т.е. время, за которое распадается половина радиоактивных ядер, - 5570 лет. Цифра весьма привлекательная: возраст человеческой культуры – величина того же порядка» [3].

Следует отметить, что период полураспада обычного ₆С – 5730 лет [4]. Поэтому можно сказать так – элемент углерод вообще или в крайнем случае его определенная часть является результатом синтеза космического водорода и азота нашей атмосферы, т.е. С – это H+N.

В связи с тем, что качество обычного чугуна довольно низкое, металлурги открыли новое направление – стальной передел. «Процесс производства стали сводится в сущности к выжиганию из чугуна примесей, к окислению их кислородом воздуха. То, что делают металлурги, рядовому химику может показаться бессмыслицей: сначала восстанавливают окисел железа, одновременно насыщая металл углеродом, кремнием, марганцем (производство чугуна), а потом стараются выжечь их. Обиднее всего, что химик совершенно прав: металлурги применяют явно нелепый метод. Но другого у них пока нет» [5]. Дело в том, что доменный чугун весьма хрупок из-за выделений, сильно травящихся при приготовлении шлифа. В изломе эти выделения или образования наблюдаются в виде черных участков. А. Ледебур в 1898 году перенимает эстафету от предшественников и называет эти образования графитом [6]. Оптический микроскоп, примененный впервые для изучения структуры металла П.П. Аносовым в 1831 и Г. Сорби в 1850 годах [7], явно не мог идентифицировать эти выделения как графит. Остается одно – металлурги при визуальном изучении изломов чугуна черное и легко мажущееся вещество назвали графитом. До сих пор чугун считается веществом, имеющим врожденное, а не приобретенное свойство – иметь графит, а следовательно, он не может быть высококачественным материалом многоцелевого назначения.

В связи с этим во всей мировой практике для удаления графита в чугун вводят большие количества легирующих элементов (часто десятки процентов). Несмотря на большие затраты по стальному переделу, углеродистая сталь также имеет низкие по современным требованиям свойства, а поэтому ее тоже приходится легировать. Этот факт (легирование чугуна и стали) упорно указывает на недостаточность наших знаний о сущности формирования свойств «двойных» железоуглеродистых сплавов. В этом случае приходится вновь обращаться к диаграмме состояния Fe-Fe₃C. Эпохальное исследование Евгениуша Тыркеля (1969 г.) позволило сделать ему заключение, что «диаграмма состояния Fe-C, несмотря на ее более чем 60-летнее существование и на посвященное ей большое число исследований, установлена еще не совсем точно. Исследования этой диаграммы продолжаются и по-прежнему необходимы» [8]. Можно считать, что все неудачи повышения свойств чугуна и стали без применения дорогостоящего легирования обусловлены игнорированием ведущей роли водорода, азота и кислорода, которые в железных сплавах присутствуют всегда [9]. Более того, следует принять за основную концепцию то, что введение углерода в железо предусматривает только одно – увеличение количества водорода и азота, поскольку он сам состоит из этих элементов [3].