فولاد ووتز چیست؟ خواص و کاربردهای مدرن (3)

مراحل ساخت فولاد ووتز

در زیر، یک راهنمای گام به گام و واضح برای استفاده در کارگاه ارائه شده است. فرآیند ساخت فولاد ووتز همانطور که توسط آهنگران مدرن بازسازی شده و در باستان شناسی و کپی های آزمایشگاهی مستند شده است.

چرا این موضوع امروز اهمیت دارد؟

در حال تولید مثل ووتز سنتی ترکیبی از فلزکاری و صبر است. اگر منحنی خنک‌کننده یا مقدار عناصر کمیاب را از دست بدهید، یا یک تیغه ساده و بی‌مشخصه یا یک تیغه خرد شده خواهید داشت. با هر قدم محکم بردارید و همان فولاد درخشانی را در دست دارید که جنگجویان از ایران تا شام مسلح می‌کردند - پیوندی زنده بین علم باستان و هنر چاقوسازی مدرن.

تست PMI Wootz:

ظرف مخصوص ذوب فلز بار دستور العمل و شار

حرارت دادن ووتزِ در حال کار، مدت‌ها قبل از روشن شدن کوره آغاز می‌شود - این کار با ترازوی یک تکنسین و تعدادی قراضه که با دقت انتخاب شده‌اند، شروع می‌شود. در زیر ترکیبی که اکثر آهنگران مدرن پس از مطالعه تجزیه و تحلیل شمش‌های عتیقه و نمونه‌های مشابه ورهوون-پندری استفاده می‌کنند، آمده است.

بسته بندی گلدان

اسمیت‌ها بار الکتریکی - آهن، زغال، آهن، ادویه - را لایه لایه می‌کنند و در نهایت به روان‌ساز و ویفر زغال می‌رسانند. کوبیدن سبک، حفره‌ها را از بین می‌برد اما از پودر شدن زغال که می‌تواند شناور شود و حوضچه سرباره را تنگ کند، جلوگیری می‌کند. در نهایت، یک درپوش سفالی، بوته را آب‌بندی می‌کند؛ بسیاری از مکان‌های تاریخی، خمیر سفالی اضافی را نشان می‌دهند که دور درب ریخته شده است، که نشان می‌دهد ذوب‌کنندگان به یک دیگ بدون اکسیژن اهمیت می‌دادند. [آکادمی ملی مهندسی هند]

کاری که شار واقعاً انجام می‌دهد

در دمای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد، شیشه به صورت مایع در می‌آید و به رنگ آبی یاقوتی در می‌آید. روی فلز شناور می‌ماند و:

• تفاله سیلیس و آلومینا را به دام می‌اندازداین اکسیدهای سبک به جای اینکه در شمش منجمد شوند، به داخل شیشه بالا می‌روند.
• مذاب را از هوا محافظت می‌کند- هیچ رسوب جدیدی تشکیل نمی‌شود، بنابراین کربن در محلول باقی می‌ماند.
• سیلیس را به سرباره اضافه می‌کند- کاهش چگالی آن به طوری که وقتی بوته با ضربه باز می‌شود، به راحتی از آن جدا شود.

اسمیت‌ها شیشه‌های بطری شفاف یا سبز را ترجیح می‌دهند؛ خرده‌های قهوه‌ای حاوی اکسید آهن هستند که می‌توانند فولاد را گل‌آلود کنند. برخی وقتی می‌خواهند فلاکس با نقطه ذوب بالاتر داشته باشند که در طول سرد شدن آهسته دست‌نخورده باقی بماند، به کوارتز آسیاب‌شده روی می‌آورند. [bladesmithsforum.com]

آن چند گرم کربن، مقدار کمی V/Mo و کمی شیشه را اضافه کنید، و کوره بقیه کار را انجام می‌دهد: یک درس فیزیک دوازده ساعته که با یک گوی به اندازه کف دست که با آب شبح‌وارِ آب‌پاشی شده‌ای که هر کلکسیونری آرزوی دیدنش را دارد، به پایان می‌رسد. فولاد دمشقی ووتز.

کنترل منحنی دمای ذوب و سرمایش

محدوده ذوب. مدل‌های ترمودینامیکی و شبیه‌سازی‌های مدرن بر این باورند که بوته‌ی مهر و موم شده باید به ... برسد. 1200 - 1300 ° C (حدود ۲۲۰۰ تا ۲۴۰۰ درجه فارنهایت) به اندازه کافی طولانی است تا بار آهن-کربن کاملاً مایع شود. بسیاری از آهنگران کوره پروپان یا زغال چوب را به کار می‌اندازند ≈ ۱۵۹۰ درجه سانتیگراد / ۲۹۰۰ درجه فارنهایت به مدت 20 تا 30 دقیقه، سپس به مدت یک تا دو ساعت در منطقه 1300 درجه سانتیگراد نگه دارید تا حباب زدن متوقف شود و یک کلاهک سرباره شیشه‌ای تشکیل شود. این خیساندن باعث می‌شود کربن به طور یکنواخت پخش شود و وانادیوم یا مولیبدن قبل از شروع خنک شدن در محلول جامد باشند.

چرا باید سرعتِ هیجان خیلی کم باشد؟ «آب‌پاشی» افسانه‌ای تنها در صورتی ظاهر می‌شود که ورق‌های سمنتیت زمان کافی برای رشد نازک و منظم داشته باشند. آزمایش‌های آزمایشگاهی ورهوون نشان می‌دهد که اگر شمش خیلی سریع از دمای ۹۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد سرد شود، نوارهای کاربیدی ناپدید می‌شوند. ۱ تا ۳ درجه سانتیگراد در دقیقه در آن بازه زمانی ایده‌آل است. سرعت‌های بالاتر، کربن را در یک توده همگن به دام می‌اندازند؛ سرعت‌های پایین‌تر از حدود ۱۲ ساعت، کاربیدهای درشت و بلوکی را به وجود می‌آورند که زیر چکش ترک می‌خورند.

ترفندهای کاربردی برای کار با کوره

• دفن خاکستر. پس از ذوب، آهنگران دهانه‌ی کوره را می‌بندند، خاکستر چوب را روی درب کوره می‌ریزند و اجازه می‌دهند کل توده‌ی زغال یک شب - اغلب ۸ تا ۱۲ ساعت - از حالت لیکوئیدوس به دمای اتاق برسد.
• نمودارهای رمپ. برخی از آنها از یک پروب ترموکوپل استفاده می‌کنند: هدف، کاهش دما تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد در ساعت اول، ۸۰۰ درجه سانتیگراد تا ساعت چهارم و سپس خزیدن در محدوده ۷۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد است که در آن صفحات سمنتیت ضخیم می‌شوند.
• بدون پیش نویس های ناگهانی. باز کردن کوره قبل از ۴۰۰ درجه سانتیگراد می‌تواند به شمش شوک وارد کند و باعث ترک‌های شعاعی «عنکبوتی» شود. بوته را تا زمانی که به اندازه‌ای گرم شود که نتوان به آن دست زد، در کوره بگذارید.

نتیجه. اگر آن منحنی را دنبال کنید، یک گوی که با روبان‌های سیمانی موازی و محکم تزیین شده است، باز می‌شود - بوم خام برای طرح‌های آبکاری شده‌ی اصیل. با عجله به سمت خنک شدن بروید، یا یک توده‌ی بی‌شکل یا یک کلوچه‌ی خرد شده بیرون می‌آید. تنظیم صحیح دما، نیمه‌ی آرامِ رسیدن به حقیقت است. فولاد دمشقی ووتزچکش کاری بعداً انجام می‌شود.

شمشیر آهنگری، آنیل کردن، و الگو وحی

۱ ▸ تثبیت حرارت اولیه
به محض اینکه دمای محفظه به دمای اتاق رسید و پوسته‌های سطحی آن پاک شد، آهنگر با احتیاط آن را به دمای اتاق می‌رساند. 780 - 830 ° C- فقط در زیر Acm—برای جلوگیری از حل شدن صفحات سمنتیت تازه تشکیل شده. شمش را به صورت عمودی روی یک سطح کوچک و نرم قرار می‌دهند و با ضربات سبک به آن ضربه می‌زنند و آن را به شکل یک میله کوتاه «ورز می‌دهند». حرارت قرمز کدر، قاعده کار است؛ زرد کاهی از قبل خیلی داغ است. هرگونه آهنگری بالاتر از ≈ ۹۰۰ درجه سانتیگراد، آبیاری‌ای را که ۱۲ ساعت برای رشد آن صرف کرده‌اید، پاک می‌کند.

۲ ▸ چرخه‌های کشش در دمای پایین
پس از هر ضربه چکش، شمش در هوا تا دمای تقریبی ۴۰۰ درجه سانتیگراد خنک می‌شود، سپس دوباره تا همان پنجره زیر Acm گرم می‌شود. دو یا سه چرخه از این چرخه‌ها، شمش را به یک بیلت قابل استفاده تبدیل می‌کند و همزمان صفحات سمنتیت را به نوارهای بلند و موازی تبدیل می‌کند. از کوئنچ سریع اکیداً اجتناب می‌شود - شوک حرارتی به علاوه یک شبکه کاربیدی پیوسته برابر با ترک‌های عنکبوتی است.

۳ ▸ نرمال‌سازی
وقتی شمش به ابعاد تقریبی ۱۵ × ۳۵ × ۱۵۰ میلی‌متر رسید، نرمال‌سازی آغاز می‌شود:

1. حرارت دادن به 830 ° C (نارنجی کدر)، به ازای هر میلی‌متر ضخامت، یک دقیقه صبر کنید.
2. تا دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد در هوا خنک شود.
3. دو بار دیگر تکرار کنید و در هر بار عبور، دمای بالا را 20 درجه سانتیگراد کاهش دهید.

این امر تنش‌های آهنگری را کاهش داده و ماتریس پرلیت را بدون ذوب کردن ساختار نواری، اصلاح می‌کند.

۴ ▸ آنیل برای ماشینکاری
خیس خوردن نهایی در 700 ° C به مدت یک ساعت، و به دنبال آن خنک شدن در کوره تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد، هرگونه پرلیت سرگردان را کروی می‌کند و سختی را تا ± ۲۲ HRC کاهش می‌دهد - به اندازه کافی نرم برای اره نواری کردن شانه‌های زبانه و پخ‌های سنگ‌زنی خشن.

۵ ▸ آهنگری تیغه و جداسازی قطعات
شمش آنیل شده دوباره گرم می‌شود (هنوز زیر ۸۳۰ درجه سانتیگراد) و به شکل چاقو یا شمشیر آهنگری می‌شود. گرمادهی‌های کوتاه، برس‌کاری مکرر و سطوح چکش ملایم، نواربندی را حفظ می‌کنند. پس از آهنگری، تیغه تا درجه ۲۲۰ سنگ‌زنی می‌شود و در حدود ۱ میلی‌متر از ضخامت نهایی باقی می‌ماند - یک بار سنگ‌زنی بیش از حد و طرح برای همیشه نازک می‌شود.

۶ ▸ عملیات حرارتی
بیشتر آهنگران از دمای ۷۸۰ درجه سانتیگراد با هوا خنک می‌شوند و سپس حدود ۲۵۰ درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شوند و به دمای ... می‌رسند. ۵۵ تا ۶۰ راکول آر سی- به اندازه کافی سخت که بتواند گاز گرفتن را تحمل کند، اما نه آنقدر شکننده که شبکه سیمانی آن تراشه‌ها را بترکاند.

۷ ▸ پرداخت و حکاکی: کشف بزرگ

از آنجا که نوارهای سمنتیت به تمام ضخامت تیغه نفوذ می‌کنند، شکل آبکاری شده ... همیشه بازگشت پس از اتمام مجدد - یک ویژگی بارز فولاد دمشقی (ووتز) واقعینظم دقیق دما در هر مرحله آهنگری و عملیات حرارتی، چیزی است که آن امواج شبح‌وار را از مرحله بوته تا لبه برش، سالم نگه می‌دارد.

افسانهای عملکرد: چرا ووتز تیغه ایستاد خارج

مسافران قرون وسطی قسم می‌خوردند که دمشق شمشیر می‌توانست دستمال ابریشمی معلق در هوا را ببرد، سپس کلاهخود آهنی را بدون از دست دادن قدرتش بشکافد. اغراق به کنار، ریخته‌گری شده در کوره فولاد ووتز واقعاً از اکثر آهن‌های براق زمان خود بهتر عمل کرد - و حتی در کنار بسیاری از آلیاژهای قرن بیستم جایگاه خود را حفظ کرده است. دلیلش این است:

• لبه میکرو "اره". لبه تیغه هزاران صفحه سیمانی ۰.۵ میکرومتری را قطع می‌کند. آزمایش‌های سایش CATRA روی یک چاقوی Wootz در حد موزه انجام می‌شود. ۷۵۰ ضربه TCC، بهتر از فولاد کربنی ساده 1086 و تنها یک قدم عقب‌تر از فولاد ابزار پرکروم 52100، که تأیید می‌کند دنده‌های کاربیدی، عمر برش قابل اندازه‌گیری را افزایش می‌دهند. 
• سختی جامد بدون نیاز به کوئنچ. حتی در شرایط آهنگری شده، میانگین‌های ووتز 55-60 HRC به لطف ماتریس کربنی ۱.۴ درصدی‌اش - سطحی که اروپایی‌ها در سال ۱۵۰۰ میلادی تنها با سرد کردن خطرناک با آب می‌توانستند به آن برسند. آزمایش‌های شارپی آزمایشگاهی، انرژی ضربه را حدود ۵ تا ۸ ژول تخمین زده‌اند، که برای تحمل ضربات میدان نبرد کافی است، اما همچنان از اکثر شمشیرهای آهنی سخت‌تر است. [آکادمی]
• پرخاشگری لبه، افسانه‌های مربوط به پرداخت لبه را شکست می‌دهد. میکروسکوپ مدرن نشان می‌دهد که لبه‌های ووتز تیزتر نیستند در ابتدا از زمین خوب 1095، اما آنها احساس تیزتر و طولانی‌تر، زیرا نوارهای سمنتیت کندتر از فریت فرسایش می‌یابند و دندانه‌های ریز را حفظ می‌کنند. 
• تاب‌آوری از یک هسته دو فاز. در زیر نوارهای سخت، یک شبکه نرم‌تر پرلیت/فریت، ضربه را جذب می‌کند. روایت‌های دوره‌ای از شمشیرهای شمشیری که «مانند کمان» بدون شکستن خم می‌شوند، احتمالاً از این ساختار دوتایی ناشی می‌شوند، نه معجون‌های انعطاف‌پذیری افسانه‌ای.
• قوام برتر. از آنجا که کربن در یک مذاب مهر و موم شده پخش می‌شود، شمش‌های ووتز با شیمی تقریباً یکنواختی تولید می‌شدند - بدون درزهای سرد، درزهای سرباره یا نقاط نرمی که تیغه‌های جوش داده شده را آزار می‌دادند. یک زره‌ساز ایرانی قرن چهاردهم می‌توانست تا لبه مو سنگ‌زنی کند و مطمئن باشد که در اواسط شارژ خرد نمی‌شود.

آیا ووتز از تمام سوپرفولادهای مدرن پیشی گرفت؟ خیر. آلیاژهای وانادیوم متالورژی پودر، آن را در نمودارهای استاندارد سایش پشت سر می‌گذارند. اما در مقایسه با هر چیزی که در میدان نبرد قرون وسطی سهیم بوده، درست است که دمشق ووتز سه ویژگی نادر را ارائه می‌داد: سختی بالا بدون نیاز به کوئنچ، دندانه‌های کاربیدی خود تیز شونده، و شکل‌پذیری کافی برای عبور از یک تیغه سخت. این کیمیاگری - نیمی متالورژی، نیمی عرفان - توضیح می‌دهد که چرا بازرگانان زمانی برای یک تیغه براق شمش می‌پرداختند و چرا مجموعه‌داران هنوز هم به دنبال آبکاری هستند.

اندازه گیری سختی و لبه-نگهداری داده ها

*CATRA TCC = کل میلی‌مترهای برش مقوای سیلیکای ۵٪ در ۶۰ حرکت؛ اعداد بالاتر = طول عمر بیشتر برش.

کلیدی گرفتن

• سقف سختی: ووتز باستانی در محدوده ۵۵ تا ۵۸ HRC قرار دارد زیرا سخت‌کاری کوئنچ رایج نبوده است؛ سازندگان مدرن می‌توانند آن را از ۶۰ HRC عبور دهند، اما چقرمگی به سرعت کاهش می‌یابد.
• حفظ لبه: سیمانیت نواری به ووتز اجازه می‌دهد تا برش را تا 52100 امروزی ادامه دهد، اما دمشق کربن ساده (1084/15N20) می‌تواند پس از عبور لایه‌ها از لبه به صورت نردبانی یا پیچشی، آن را لبه‌دار کند.
• بده بستان چقرمگی: شبکه پیوسته کاربید در ووتز، اعداد شارپی آن را در مقایسه با دمشق نیکل‌دار به نصف کاهش می‌دهد و همین امر توضیح می‌دهد که چرا آهنگران هنوز هم ورقه‌های 15N20 را برای چاقوهای سنگین ترجیح می‌دهند.

این ارقام، افسانه‌ها را در متن قرار می‌دهند: ووتز واقعاً طول بیشتری نسبت به اکثر فولادهای قدیمی زمان خود برش می‌داد، اما یک فولاد دمشقی یا مونواستیل کم‌آلیاژ مدرن و خوش‌ساخت اکنون می‌تواند با عملکرد اندازه‌گیری‌شده‌ی آن برابری کند یا از آن پیشی بگیرد.