Круглая сталь: история и технология производства

Введение

Тип стали

Крутильная сталь – это сталь, получаемая путем плавления чугуна (литого железа), железа и иногда стали, часто вместе с песком, стеклом, золой и другими флюсами в тигле. В древности сталь и железо было невозможно расплавить с помощью углей или угольных костров, которые не могли обеспечить достаточно высокие температуры. Однако чугун, имеющий более высокое содержание углерода и, следовательно, более низкую температуру плавления, можно было расплавить, и при длительном выдерживании кованого железа или стали в жидком чугуне содержание углерода в чугуне уменьшалось, поскольку он медленно диффундировал в железо, превращая оба металла в сталь. Крутильная сталь этого типа производилась в Южной и Центральной Азии в средневековую эпоху. Обычно это давало очень твердую сталь, но также и неоднородную композитную сталь, состоящую из высокоуглеродистой стали (ранее чугун) и низкоуглеродистой стали (ранее кованое железо). Это часто приводило к замысловатому рисунку при ковке, шлифовке или полировке стали, наиболее известные примеры которого встречаются в стали вутц, использовавшейся в дамасских мечах. Сталь часто содержала значительно больше углерода (обычно в диапазоне от 1,5 до 2,0%) и была более высокого качества (с меньшим количеством примесей) по сравнению с другими методами производства стали того времени благодаря использованию флюсов. Сталь обычно подвергалась минимальной обработке и при относительно низких температурах, чтобы избежать декарбюризации, хрупкого разрушения при горячей ковке или избыточной диффузии углерода; достаточно было лишь обмолота, чтобы придать форму меча. Благодаря содержанию углерода, близкому к содержанию чугуна, обычно не требовалась термическая обработка после формования, кроме воздушного охлаждения для достижения необходимой твердости, полагаясь исключительно на состав. Высокоуглеродистая сталь обеспечивала очень твердую режущую кромку, а низкоуглеродистая сталь способствовала повышению прочности, снижая вероятность сколов, трещин или поломки. В Европе крутильную сталь разработал Бенджамин Хантсман в Англии в XVIII веке. Хантсман использовал кокс вместо угля или древесного угля, достигая температур, достаточных для плавления стали и растворения железа. Процесс Хантсмана отличался от некоторых процессов производства вутц тем, что для плавления и охлаждения стали требовалось больше времени, что давало больше возможностей для диффузии углерода. В процессе Хантсмана в качестве сырья использовались железо и сталь в виде кричного железа, а не прямое преобразование из чугуна, как в процессе пудлинга или более позднем бессемеровском процессе. Возможность полностью расплавить сталь устраняла любые неоднородности в ней, позволяя углероду равномерно растворяться в жидкой стали и устраняя необходимость в обширной кузнечной обработке для достижения того же результата. Кроме того, это позволило отливать сталь, заливая ее в формы. Использование флюсов обеспечивало почти полное удаление примесей из жидкости, которые затем могли просто всплывать на поверхность для удаления. Это позволило получить первую сталь современного качества, обеспечив эффективный способ переработки избытка кованого железа в полезную сталь. Процесс Хантсмана значительно увеличил европейский выпуск качественной стали, пригодной для изготовления ножей, инструментов и машин, что способствовало наступлению промышленной революции.

Crucible steel is steel made by melting pig iron (cast iron), iron, and sometimes steel, often along with sand, glass, ashes, and other fluxes, in a crucible. In ancient times steel and iron were impossible to melt using charcoal or coal fires, which could not produce temperatures high enough. However, pig iron, having a higher carbon content and thus a lower melting point, could be melted, and by soaking wrought iron or steel in the liquid pig iron for a long time, the carbon content of the pig iron could be reduced as it slowly diffused into the iron, turning both into steel. Crucible steel of this type was produced in South and Central Asia during the medieval era. This generally produced a very hard steel, but also a composite steel that was inhomogeneous, consisting of a very high carbon steel (formerly the pig iron) and a lower carbon steel (formerly the wrought iron). This often resulted in an intricate pattern when the steel was forged, filed or polished, with possibly the most well known examples coming from the wootz steel used in Damascus swords. The steel was often much higher in carbon content (typically ranging in the area of 1.5 to 2.0%) and in quality (lacking impurities) in comparison with other methods of steel production of the time because of the use of fluxes. The steel was usually worked very little and at relatively low temperatures to avoid any decarburization, hot short crumbling, or excess diffusion of carbon; just enough hammering to form the shape of a sword. With a carbon content close to that of cast iron, it usually required no heat treatment after shaping other than air cooling to achieve the correct hardness, relying on composition alone. The higher carbon steel provided a very hard edge, but the lower carbon steel helped to increase the toughness, helping to decrease the chance of chipping, cracking, or breaking. In Europe, crucible steel was developed by Benjamin Huntsman in England in the 18th century. Huntsman used coke rather than coal or charcoal, achieving temperatures high enough to melt steel and dissolve iron. Huntsman's process differed from some of the wootz processes in that it used a longer time to melt the steel and to cool it down and thus allowed more time for the diffusion of carbon. Huntsman's process used iron and steel as raw materials, in the form of blister steel, rather than direct conversion from cast iron as in puddling or the later Bessemer process. The ability to fully melt the steel removed any inhomogeneities in the steel, allowing the carbon to dissolve evenly into the liquid steel and negating the prior need for extensive blacksmithing in an attempt to achieve the same result. Similarly, it allowed steel to be cast by pouring into molds. The use of fluxes allowed nearly complete extraction of impurities from the liquid, which could then simply float to the top for removal. This produced the first steel of modern quality, providing a means of efficiently changing excess wrought iron into useful steel. Huntsman's process greatly increased the European output of quality steel suitable for use in items like knives, tools, and machinery, helping to pave the way for the Industrial Revolution.

Методы производства тиглей

Сплавы железа наиболее широко классифицируются по содержанию углерода: чугун содержит 2–4% углеродных примесей, кованое железо окисляет большую часть своего углерода, снижая его содержание до менее чем 0,1%. Гораздо более ценная сталь имеет тонкую промежуточную фракцию углерода, а её материальные свойства варьируются в зависимости от процентного содержания углерода: высокоуглеродистая сталь прочнее, но более хрупкая, чем низкоуглеродистая сталь. Крутильная сталь изолирует исходные материалы от источника тепла, обеспечивая точный контроль карбюризации (повышения) или декарбюризации (снижения содержания углерода). В тигель можно было добавлять флюсы, такие как известняк, для удаления или стимулирования отделения серы, кремния и других примесей, что дополнительно изменяло его материальные качества. Для производства крутильной стали использовались различные методы. Согласно исламским текстам, таким как труды аль-Тарсуси и Абу Райхана Бируни, описаны три метода косвенного производства стали. Средневековый исламский историк Абу Райхан Бируни (ок. 973–1050 гг.) приводит самое раннее упоминание о производстве дамасской стали. Первый и наиболее распространенный традиционный метод – твердофазная карбюризация кованого железа. Это диффузионный процесс, при котором кованое железо упаковывается в тигли или горн с древесным углем, а затем нагревается для стимулирования диффузии углерода в железо и получения стали. Карбюризация лежит в основе процесса производства стали «вуц». Второй метод – декарбюризация чугуна путем удаления углерода из чугуна. Вариации процесса кофьюзии были обнаружены преимущественно в Персии и Центральной Азии, а также в Хайдарабаде (Индия), где он известен как Деканский или Хайдарабадский процесс. Лишь недавно стало очевидно, что такие места в Центральной Азии, как Мерв (Туркменистан) и Ахсикет (Узбекистан), были важными центрами производства крутильной стали. Все находки из Центральной Азии были сделаны в ходе раскопок и датируются VIII–XII веками н.э., в то время как индийские и шри-ланкийские образцы датируются как минимум 300 годом до н.э. Индийская железная руда содержала следы ванадия и других легирующих элементов, что повышало закаливаемость индийской крутильной стали, которая была известна на всем Ближнем Востоке своей способностью долго сохранять остроту. Хотя крутильная сталь чаще ассоциируется с Ближним Востоком в ранние времена, сварные мечи с узором, содержащие высокоуглеродистую сталь и, вероятно, крутильную сталь, были обнаружены в Европе, начиная с III века н.э., особенно в Скандинавии. Мечи с торговой маркой Ulfberht, датируемые периодом в 200 лет с IX по начало XI века, являются яркими примерами этой техники. Многие предполагают, что процесс изготовления этих клинков возник на Ближнем Востоке и впоследствии распространялся во времена Волжского торгового пути. В первые века исламского периода появились научные исследования мечей и стали. Наиболее известными являются труды Джабира ибн Хайяна (VIII век), аль-Кинди (IX век), Аль-Бируни (начало XI века), аль-Тарсуси (конец XII века) и Факхра и Мудаббира (XIII век). В каждом из них содержится гораздо больше информации об индийской и дамасской стали, чем во всей сохранившейся литературе Древней Греции и Рима.

Iron alloys are most broadly divided by their carbon content: cast iron has 2–4% carbon impurities; wrought iron oxidizes away most of its carbon, to less than 0.1%. The much more valuable steel has a delicately intermediate carbon fraction, and its material properties range according to the carbon percentage: high carbon steel is stronger but more brittle than low carbon steel. Crucible steel sequesters the raw input materials from the heat source, allowing precise control of carburization (raising) or decarburization (lowering carbon content). Fluxes, such as limestone, could be added to the crucible to remove or promote sulfur, silicon, and other impurities, further altering its material qualities. Various methods were used to produce crucible steel. According to Islamic texts such as al Tarsusi and Abu Rayhan Biruni, three methods are described for indirect production of steel. The medieval Islamic historian Abu Rayhan Biruni (c. 973–1050) provides the earliest reference of the production of Damascus steel. The first, and the most common, traditional method is solid state carburization of wrought iron. This is a diffusion process in which wrought iron is packed in crucibles or a hearth with charcoal, then heated to promote diffusion of carbon into the iron to produce steel. Carburization is the basis for the wootz process of steel. The second method is the decarburization of cast iron by removing carbon from the cast iron. Variations of co fusion process have been found primarily in Persia and Central Asia but have also been found in Hyderabad, India called Deccani or Hyderabad process. Only recently it has become apparent that places in Central Asia like Merv in Turkmenistan and Akhsiket in Uzbekistan were important centres of production of crucible steel. The Central Asian finds are all from excavations and date from the 8th to 12th centuries CE, while the Indian/Sri Lankan material is as early as 300 BCE. India's iron ore had trace vanadium and other alloying elements leading to increased hardenability in Indian crucible steel which was famous throughout the middle east for its ability to retain an edge. While crucible steel is more attributed to the Middle East in early times, pattern welded swords, incorporating high carbon, and likely crucible steel, have been discovered in Europe, from the 3rd century CE, particularly in Scandinavia. Swords bearing the brand name Ulfberht, and dating to a 200 year period from the 9th century to the early 11th century, are prime examples of the technique. It is speculated by many that the process of making these blades originated in the Middle East and subsequently had been traded during the Volga Trade Route days. In the first centuries of the Islamic period, some scientific studies on swords and steel appeared. The best known of these are by Jabir ibn Hayyan 8th century, al Kindi 9th century, Al Biruni in the early 11th century, al Tarsusi in the late 12th century, and Fakhr i Mudabbir 13th century. Any of these contains far more information about Indian and damascene steels than appears in the entire surviving literature of classical Greece and Rome.

Южная Индия и Шри-Ланка

Существует множество этнографических описаний производства индийской тигельной стали; однако научные исследования остатков производства тигельной стали были опубликованы лишь для четырех регионов: трех в Индии и одного в Шри-Ланке. Индийская/шри-ланкийская тигельная сталь обычно называется wootz, что, как считается, является английским искажением слова ukko (на языке канада) или hookoo (на языке телугу). Европейские источники, начиная с XVII века, упоминают репутацию и производство "вуца" – традиционной тигельной стали, изготавливавшейся специально в некоторых частях южной Индии, в бывших провинциях Голконда, Майсур и Салем. На сегодняшний день масштаб раскопок и наземных исследований недостаточно велик, чтобы связать литературные свидетельства с археометаллургическими данными. Подтвержденные места производства тигельной стали в южной Индии, например, в Конасамудраме и Гатихосахалли, датируются, по крайней мере, поздним средневековьем, XVI веком. Одним из самых ранних известных потенциальных мест, демонстрирующим перспективные предварительные данные, возможно связанные с процессами производства железных тиглей, является Кодуманал, недалеко от Коимбатура в Тамил Наду. Это место датируется периодом между III веком до н.э. и III веком н.э. К XVII веку основным центром производства тигельной стали, по-видимому, был Хайдарабад. Процесс, очевидно, существенно отличался от того, что было зафиксировано в других местах. В процессе производства "вуца" из Хайдарабада или деканского процесса изготовления дамасской стали использовалось смешивание двух различных видов железа: одного с низким содержанием углерода и другого – высокоуглеродистой стали или чугуна. Сталь вуц широко экспортировалась и торговалась по всей древней Европе, Китаю, арабскому миру и особенно прославилась на Ближнем Востоке, где стала известна как дамасская сталь. Недавние археологические исследования показали, что Шри-Ланка также поддерживала инновационные технологии производства железа и стали в древности. Шри-ланкийская система производства тигельной стали была частично независима от различных индийских и ближневосточных систем. Их метод был в некоторой степени похож на метод карбюризации кованого железа. В XII веке земля Серендиб (Шри-Ланка), по-видимому, была основным поставщиком тигельной стали, но с течением времени производство сократилось, и к XIX веку в районе Балангода центрального южного нагорья сохранилась лишь небольшая промышленность. Серия раскопок в Саманалавеве выявила неожиданную и ранее неизвестную технологию литейных площадок, ориентированных на запад, представляющих собой различные виды производства стали. Эти печи использовались для прямого выплавки стали. Они получили название "ориентированные на запад", поскольку располагались на западных склонах холмов, чтобы использовать преобладающий ветер в процессе плавки. Шри-ланкийская печная сталь была известна и торговалась между IX и XI веками и ранее, но, по-видимому, не позднее. Эти места датируются VII–XI веками. Совпадение этой датировки с исламским упоминанием о Сарандибе в IX веке. Раскопки на месте Йодхавева (недалеко от Маннара) (в 2018 году) обнаружили нижнюю половину сферической печи и фрагменты тиглей, использовавшихся для производства тигельной стали на Шри-Ланке в VII–VIII веках н.э. Фрагменты тиглей, обнаруженные на этом месте, были похожи на удлиненные трубчатые тигли Саманалавевы.

There are many ethnographic accounts of Indian crucible steel production; however, scientific investigations of the remains of crucible steel production have only been published for four regions: three in India and one in Sri Lanka. Indian/Sri Lankan crucible steel is commonly referred to as wootz, which is generally agreed to be an English corruption of the word ukko (in the Canarese language) or hookoo (in the Telugu language). European accounts from the 17th century onwards have referred to the repute and manufacture of "wootz", a traditional crucible steel made specially in parts of southern India in the former provinces of Golconda, Mysore and Salem. As yet the scale of excavations and surface surveys is too limited to link the literary accounts to archaeometallurgical evidence. The proven sites of crucible steel production in south India, e. g. at Konasamudram and Gatihosahalli, date from at least the late medieval period, 16th century. One of the earliest known potential sites, which shows some promising preliminary evidence that may be linked to ferrous crucible processes in Kodumanal, near Coimbatore in Tamil Nadu. The site is dated between the third century BCE and the third century CE. By the seventeenth century the main centre of crucible steel production seems to have been in Hyderabad. The process was apparently quite different from that recorded elsewhere. Wootz from Hyderabad or the Decanni process for making watered blades involved a co fusion of two different kinds of iron: one was low in carbon and the other was a high carbon steel or cast iron. Wootz steel was widely exported and traded throughout ancient Europe, China, the Arab world, and became particularly famous in the Middle East, where it became known as Damascus steel. Recent archaeological investigations have suggested that Sri Lanka also supported innovative technologies for iron and steel production in antiquity. The Sri Lankan system of crucible steel making was partially independent of the various Indian and Middle Eastern systems. Their method was something similar to the method of carburization of wrought iron. In the twelfth century the land of Serendib (Sri Lanka) seems to have been the main supplier of crucible steel, but over the centuries production slipped back, and by the nineteenth century just a small industry survived in the Balangoda district of the central southern highlands. A series of excavations at Samanalawewa indicated the unexpected and previously unknown technology of west facing smelting sites, which are different types of steel production. These furnaces were used for direct smelting to steel. These are named "west facing" because they were located on the western sides of hilltops to use the prevailing wind in the smelting process. Sri Lankan furnace steels were known and traded between the 9th and 11th centuries and earlier, but apparently not later. These sites were dated to the 7th–11th centuries. The coincidence of this dating with the 9th century Islamic reference to Sarandib Excavations of the Yodhawewa (near Mannar) site (in 2018) have uncovered a lower half of a bottom spherical furnace and crucible fragments used to make crucible steel in Sri Lanka during the 7th 8th centuries AD. The crucible fragments uncovered at the site were similar to the elongated tube shaped crucibles of Samanalawewa.

Центральная Азия

Центральная Азия имеет богатую историю производства стали в тиглях, начиная с конца 1-го тысячелетия нашей эры. Археологические раскопки в современном Узбекистане и Мерве в Туркменистане предоставляют убедительные доказательства крупномасштабного производства стали в тиглях. Все эти производства относятся, в широком смысле, к одному и тому же периоду раннего Средневековья – с конца VIII или начала IX до конца XII века нашей эры, что совпадает с эпохой ранних крестовых походов. Материальные свидетельства включают в себя огромное количество археологических находок, связанных с выплавкой стали в IX–XII веках нашей эры, в виде сотен тысяч фрагментов тиглей, часто с крупными кусками шлака. Этот процесс, по всей видимости, был характерен и ограничен Ферганской долиной в восточном Узбекистане, поэтому он и получил название Ферганского процесса. Он существовал в этом регионе на протяжении примерно четырех столетий.

Свидетельства производства стали в тиглях были обнаружены в Мерве, Туркменистан, крупном городе на «Шёлковом пути». Исламский ученый аль-Кинди (801–866 гг. н.э.) упоминает, что в IX веке н.э. регион Хорасан, включающий города Нишапур, Мерв, Герат и Балх, являлся центром производства стали. Данные, полученные из металлургической мастерской в Мерве, датируемой IX–началом X века н.э., иллюстрируют метод производства стали в тиглях посредством плавления (кофьюзии), примерно на 1000 лет раньше, чем принципиально отличающийся процесс wootz. Процесс производства стали в тиглях в Мерве можно рассматривать как технологически связанный с тем, что Бронсон (1986, 43) называет «процессом Хайдарабада» – вариантом процесса wootz, названным так по месту его документирования Войси в 1820-х годах.

Ранние современные отчеты

Первые европейские упоминания о кричной стали, по-видимому, относятся не ранее Постсредневекового периода. Европейские эксперименты с «дамасской» сталью восходят как минимум к шестнадцатому веку, но только в 1790-х годах исследователи приступили к работе в лабораториях со сталью, которая, как было известно, была индийской/вуцкой. К тому времени европейцы знали о способности Индии производить кричную сталь благодаря отчетам, привезенным путешественниками, наблюдавшими этот процесс в различных местах южной Индии. Начиная с середины XVII века, европейские путешественники на Индийском субконтиненте писали многочисленные яркие свидетельства о производстве стали там. Среди них – описания Жана-Батиста Тавернье в 1679 году, Фрэнсиса Бьюкенена в 1807 году и Г.В. Войси в 1832 году. XVIII, XIX и начало XX веков ознаменовались периодом повышенного интереса в Европе к пониманию природы и свойств вуцкой стали. Индийский вуц привлек внимание некоторых из самых известных ученых, одним из которых был Майкл Фарадей, завороженный этой сталью. Вероятно, исследования Джорджа Пирсона, представленные в Королевском обществе в 1795 году, оказали наиболее значительное влияние на пробуждение интереса к вуцу среди европейских ученых. Он был первым из них, кто опубликовал свои результаты и, кстати, впервые использовал слово «вуц» в печати. Другой исследователь, Дэвид Мушет, смог сделать вывод, что вуц производится путем плавления. Дэвид Мушет запатентовал свой процесс в 1800 году и представил свой отчет в 1805 году.

История производства в Англии

Бенджамин Хантсман был часовщиком, искавшим лучшую сталь для пружин часов. В Хандсворте, недалеко от Шеффилда, он начал производство стали в 1740 году после многих лет тайных экспериментов. Система Хантсмана использовала печь, работающую на коксе, способную достигать 1600 °C, в которую помещалось до двенадцати глиняных тиглей, каждый из которых мог вместить около 15 кг железа. Когда тигли или "горшки" раскалялись добела, их заряжали кусками пузырчатой стали – сплава железа и углерода, полученного в процессе цементации, – и флюсом для удаления примесей. Через примерно 3 часа горшки извлекали из печи, удаляли шлак с поверхности, а расплавленную сталь заливали в формы для получения слитков. Полное расплавление стали обеспечивало при охлаждении высокооднородную кристаллическую структуру, что придавало металлу повышенную прочность и твердость по сравнению с другими сталями, производимыми в то время. До внедрения технологии Хантсмана Шеффилд производил около 200 тонн стали в год из шведского кованого железа (см. Oregrounds iron). Внедрение технологии Хантсмана радикально изменило ситуацию: спустя сто лет объем производства вырос до более чем 80 000 тонн в год, что составляло почти половину всего европейского производства. Шеффилд превратился из небольшого поселения в один из ведущих промышленных городов Европы. Сталь производилась в специализированных мастерских, называемых «тигельными печами», которые состояли из цеха на уровне земли и подземного подвала. Здания печей различались по размеру и архитектурному стилю, увеличиваясь в размерах к концу XIX века по мере развития технологий, позволявших одновременно «запускать» несколько горшков, используя газ в качестве топлива для нагрева. Каждая мастерская имела ряд стандартных элементов, таких как ряды плавильных отверстий, ямы для подготовки шихты, вентиляционные отверстия в крыше, ряды полок для тиглей и отжиговые печи для подготовки каждого горшка перед запуском. Вспомогательные помещения для взвешивания каждой партии шихты и для изготовления глиняных тиглей либо примыкали к мастерской, либо располагались в подвале комплекса. Сталь, изначально предназначенная для изготовления часовых пружин, впоследствии использовалась в других областях, таких как ножницы, топоры и мечи. В промышленной деревушке Аббейдейл в Шеффилде для публики работает косовая мастерская, основанная во времена Хантсмана и приводимая в действие водяным колесом, использующая тигельную сталь, производимую на месте.

Benjamin Huntsman was a clockmaker in search of a better steel for clock springs. In Handsworth near Sheffield, he began producing steel in 1740 after years of experimenting in secret. Huntsman's system used a coke fired furnace capable of reaching 1,600 °C, into which up to twelve clay crucibles, each capable of holding about 15 kg of iron, were placed. When the crucibles or "pots" were white hot, they were charged with lumps of blister steel, an alloy of iron and carbon produced by the cementation process, and a flux to help remove impurities. The pots were removed after about 3 hours in the furnace, impurities in the form of slag skimmed off, and the molten steel poured into moulds to end up as cast ingots. Complete melting of the steel produced a highly uniform crystal structure upon cooling, which gave the metal increased tensile strength and hardness in comparison with other steels being made at the time. Before the introduction of Huntsman's technique, Sheffield produced about 200 tonnes of steel per year from Swedish wrought iron (see Oregrounds iron). The introduction of Huntsman's technique changed this radically: one hundred years later the amount had risen to over 80,000 tonnes per year, or almost half of Europe's total production. Sheffield developed from a small township into one of Europe's leading industrial cities. The steel was produced in specialised workshops called 'crucible furnaces', which consisted of a workshop at ground level and a subterranean cellar. The furnace buildings varied in size and architectural style, growing in size towards the latter part of the 19th century as technological developments enabled multiple pots to be "fired" at once, using gas as a heating fuel. Each workshop had a series of standard features, such as rows of melting holes, teaming pits, roof vents, rows of shelving for the crucible pots and annealing furnaces to prepare each pot before firing. Ancillary rooms for weighing each charge and for the manufacture of the clay crucibles were either attached to the workshop, or located within the cellar complex. The steel, originally intended for making clock springs, was later used in other applications such as scissors, axes and swords. Sheffield's Abbeydale Industrial Hamlet operates for the public a scythe making works, which dates from Huntsman's times and is powered by a water wheel, using crucible steel made at the site.

Свойства материала

До появления процесса Хантсмана наиболее распространенным методом производства стали было изготовление скребковой стали. В этом методе использовалась блистерная сталь, полученная цементацией, состоящая из сердцевины кованого железа, окруженной оболочкой из высокоуглеродистой стали, обычно содержащей от 1,5 до 2,0% углерода. Для гомогенизации стали её ковали в плоские пластины, которые складывали вместе и обжимной сваркой соединяли. Это давало сталь с чередующимися слоями стали и железа. Полученный слиток затем разковывали в плоский прокат, разрезали на пластины, которые снова складывали и сваривали, утончая и уплотняя слои, и способствуя более равномерному распределению углерода, медленно диффундирующего из высокоуглеродистой стали в низкоуглеродистое железо. Однако, чем больше сталь нагревали и обрабатывали, тем сильнее она декарбуризировалась, причём диффузия углерода наружу происходила значительно быстрее, чем внутрь между слоями. Таким образом, дальнейшие попытки гомогенизировать сталь приводили к слишком низкому содержанию углерода для использования в пружинах, режущих инструментах, мечах или других инструментах. Поэтому сталь, предназначенная для таких изделий, особенно инструментов, по-прежнему производилась преимущественно медленным и трудоемким процессом из кричного железа в небольших количествах и по высокой цене. Этот процесс, хотя и лучше, требовал ручного отделения стали от кованого железа и не позволял добиться полной однородности в твердом состоянии. Процесс Хантсмана стал первым, позволившим получить полностью однородную сталь. В отличие от предыдущих методов производства стали, процесс Хантсмана впервые предусматривал полное расплавление стали, обеспечивая полную диффузию углерода по всему объёму расплава. Использование флюсов также позволяло удалять большинство примесей, производя сталь первого современного качества. Из-за высокой температуры плавления углерода (почти втрое превышающей температуру плавления стали) и его склонности к окислению (сгоранию) при высоких температурах, его обычно нельзя добавлять непосредственно в расплавленную сталь. Однако, добавляя кованое железо или чугун и позволяя им растворяться в расплаве, можно было точно регулировать содержание углерода (подобно азиатским тигельным сталям, но без резких неоднородностей, характерных для них). Другим преимуществом было то, что процесс позволял легировать сталь другими элементами. Хантсман одним из первых начал экспериментировать с добавлением легирующих элементов, таких как марганец, для удаления примесей, таких как кислород, из стали. Позже его процесс использовали многие другие, такие как Роберт Хэдфилд и Роберт Форестер Мушет, для производства первых сплавных сталей, таких как манганистая сталь, быстрорежущая сталь и нержавеющая сталь. Из-за колебаний содержания углерода в блистерной стали, содержание углерода в производимой углеродистой стали могло различаться между тиглями до 0,18%, но в среднем получалась эвтектоидная сталь, содержащая около 0,79% углерода. Благодаря качеству и высокой закаливаемости, сталь быстро стала использоваться для производства инструментальной стали, станков, режущих инструментов и многих других изделий. Поскольку через сталь не продували кислород, она превосходила бессемеровскую сталь как по качеству, так и по закаливаемости, поэтому процесс Хантсмана использовался для производства инструментальной стали до разработки более совершенных методов с использованием электрической дуги в начале 20-го века.

Previous to Huntsman, the most common method of producing steel was the manufacture of shear steel. In this method, blister steel produced by cementation was used, which consisted of a core of wrought iron surrounded by a shell of very high carbon steel, typically ranging from 1.5 to 2.0% carbon. To help homogenize the steel, it was pounded into flat plates, which were stacked and forge welded together. This produced steel with alternating layers of steel and iron. The resulting billet could then be hammered flat, cut into plates, which were stacked and welded again, thinning and compounding the layers, and evening out the carbon more as it slowly diffused out of the high carbon steel into the lower carbon iron. However, the more the steel was heated and worked, the more it tended to decarburize, and this outward diffusion occurs much faster than the inward diffusion between layers. Thus, further attempts to homogenize the steel resulted in a carbon content too low for use in items like springs, cutlery, swords, or tools. Therefore, steel intended for use in such items, especially tools, was still being made primarily by the slow and arduous bloomery process in very small amounts and at high cost, which, albeit better, had to be manually separated from the wrought iron and was still impossible to fully homogenize in the solid state. Huntsman's process was the first to produce a fully homogeneous steel. Unlike previous methods of steel production, the Huntsman process was the first to fully melt the steel, allowing the full diffusion of carbon throughout the liquid. With the use of fluxes it also allowed the removal of most impurities, producing the first steel of modern quality. Due to carbon's high melting point (nearly triple that of steel) and its tendency to oxidize (burn) at high temperatures, it cannot usually be added directly to molten steel. However, by adding wrought iron or pig iron, allowing it to dissolve into the liquid, the carbon content could be carefully regulated (in a way similar to Asian crucible steels but without the stark inhomogeneities indicative of those steels). Another benefit was that it allowed other elements to be alloyed with the steel. Huntsman was one of the first to begin experimenting with the addition of alloying agents like manganese to help remove impurities such as oxygen from the steel. His process was later used by many others, such as Robert Hadfield and Robert Forester Mushet, to produce the first alloy steels like mangalloy, high speed steel, and stainless steel. Due to variations in the carbon content of the blister steel, the carbon steel produced could vary in carbon content between crucibles by as much as 0.18%, but on average produced a eutectoid steel containing ~ 0.79% carbon. Due to the quality and high hardenability of the steel, it was quickly adopted for the manufacture of tool steel, machine tools, cutlery, and many other items. Because no oxygen was blown through the steel, it exceeded Bessemer steel in both quality and hardenability, so Huntsman's process was used for manufacturing tool steel until better methods, utilizing an electric arc, were developed in the early 20th century.

Производство XIX и XX веков

В другом методе, разработанном в США в 1880-х годах, железо и углерод расплавлялись вместе напрямую для производства тигельной стали. На протяжении всего XIX века и до 1920-х годов значительное количество тигельной стали использовалось для производства режущего инструмента, где она называлась инструментальной сталью. Тигельный процесс продолжал применяться для производства специальных сталей, но в настоящее время устарел. Стали схожего качества теперь производятся в электрических дуговых печах. Некоторые области применения инструментальной стали были вытеснены, сначала быстрорежущей сталью, а затем материалами, такими как карбид вольфрама.

Круглосуточная сталь в других местах

Другая разновидность дамасской стали была разработана в 1837 году русским инженером Павлом Аносовым. Его техника делала меньший упор на нагрев и охлаждение, и больший – на процесс закалки, то есть быстрое охлаждение расплавленной стали после формирования в ней нужной кристаллической структуры. Он назвал свою сталь булатом, и секрет её производства погиб вместе с ним. В Соединенных Штатах производство дамасской стали начал Уильям Меткалф.