Броненосец 1855 г. Часть 3. БРОНЯ КРЕПКА и броненосцы наши быстры

Постараюсь быть краток и лаконичен, без растекания мысью по древу.

В России на 1850-й год производства стали нет совсем, а кричного и пудлингового железа мало, относительно реальных потребностей и общемирового производства. При этом по большей части наличное производство находится где-то в районе Урала, то есть далеко от основных мест потребления, что в совокупности с отсутствием железных дорог делает крайне проблематичной своевременную доставку изделий.

Но есть один вариант, который в каментах мною уже неоднократно озвучивался, и он мог бы позволить «обогнать врагов на кривой козе». Это ковкий чугун.

Сейчас есть 4 основных вида чугуна – серый, белый, ковкий и высокопрочный с шаровидным графитом. 

Последний (по результатам многих размышлений) на 1850-й год не светит совсем – там для преобразования углерода в круглые зерна графита нужен магний (который еще не умеют получать в значимых объемах) и в технологическом плане огромная проблема с введением легкогорючего магния в расплавленный чугун (он просто сгорает, если сыпать в расплавленный чугун, а если заливать чугун сверху, то испаряется(sic!), поднимается вверх и опять сгорает), а главное, что сама эта технология еще не открыта (случится где-то в 1930-х). 

Серый чугун широко используется в различных отраслях техники, строительства, быту и т.п. С ним так-то никаких проблем, кроме того, что он просто хрупкий. Белый чугун еще хуже по прочностным свойствам и производится в основном для переделки в пудлинговое железо. Друг от друга он отличаются только условиями твердения – при быстром охлаждении получается белый, при спокойном, сравнительно медленном – серый. Вернее, отличаются они структурой и кристаллическим составом – в белом чугуне углерод в основном связан в карбид железа, а в сером – находится в свободном состоянии в виде плоских чешуек графита.

А вот ковкий чугун уже изобрели – где-то в 1820-х годах, а спустя десяток лет освоили его производство в Европе и Америке. Особенность его во внутренней структуре – тот самый графит, что и в сером, в ковком чугуне сконцентрирован в виде округлых хлопьев или трехмерных снежинок (в высокопрочном он совсем округлый). А весь остальной объем занимает так называемая матрица из низкоуглеродистого железа, по составу очень близкая к пудлинговому железу. Такая структура сильно влияет на физико-механические свойства изделий – резко увеличивается прочность, приближаясь к таковым у низших марок стали. Это обусловлено тем, что хлопьевидные зерна графита намного меньше способствуют разрушению структуры металла под нагрузкой, чем тонкие плоские включения в сером чугуне с острыми краями, которые становятся местами начала образования трещин.

Тут бы написать всякого разного про твердость, предел текучести, временное сопротивление нагрузкам и ударную вязкость, но главная суть в том, что именно последний параметр самый важный для брони. А он у ковкого чугуна очень близок характеристикам дешевых конструкционных сталей – около 50 кг*/м2 (что бы эти цифры не значили в реальности).

Ковкий чугун получается прокаливанием белого чугуна при высоких температурах по особому графику – сначала разогрев до 1000 гр.С, потом охлаждение до 700 и выдерживание на протяжении нескольких суток. В ходе этого происходит перекристаллизация и модификация графита из карбида с свободный графит в виде тех самых хлопьев.

Тут мы сталкиваемся с первой удачей! Существовало 2 разные технологии модификации белого чугуна в ковкий – европейская и американская. Отличия были в том, что в Европе заготовки прокаливали уложенными на железную руду, а в Америке – на песке. Так вот, не расписывая нюансы происходящих при этом процессов, можно сразу сказать, что более качественным по прочностным свойства в итоге оказались именно американский способ. И вот тут-то кроется удача – с САСШ и тамошними гражданами у России на тот период вполне дружественные отношения, то есть имеется возможность получить доступ к технологии. То есть можно быстро найти в штатах грамотного «инженера-технолога», доставить его в Россию и получить полноценную технологию за приемлемые деньги.

Все бы хорошо, но есть проблема – изделия из ковкого чугуна не могут быть толще 50-60 мм, а для адекватной брони необходимо более 100 мм. Причина в том, что если пытаться такое сделать, то внешние слои по 20-25 мм станут ковким чугуном, а сердцевина – хрупким серым чугуном и в целом броневая плита будет хреновой. А дело тут в следующем – ковкий чугун получается из белого, а тот, в свою очередь, образуется при быстром охлаждении расплавленного чугуна. Но охлаждение и застывание начинается с наружных слоев, поэтому при большой толщине детали поверхностные слои застынут раньше, а внутренние позже и в центральной части скорость остывания будет соответствовать условиям образования серого чугуна, который не превращается в ковкий при вышеописанном процессе термической обработки.

Казалось бы, проблема неразрешимая, но…

Реально существует технология армирования чугуна стальными прутами и иными профилями. Она мало распространена (у нас же сейчас есть сталь с куда лучшими характеристиками и изделия из нее дешевле), но таки упоминается в профильной литературе. Суть примерно такая же, как армирование бетона и там действуют все те же законы, расчеты и методики, что для железобетонных конструкций, естественно с учетом специфики чугуна.

Итак, если в центральную часть формы, в которой будет заливаться броневая плита, заложить сетку из стальной арматуры, то в итоге изделие получит внутреннее армирование наименее прочной части, то есть упрочнение именно там, где это наиболее необходимо.

Но есть и еще один важный момент, и это вторая удача! Броневую плиту необходимо как-то крепить к корпусу корабля. Если делать в ней сквозные отверстия для болтов/заклепок или глухие для шпилек, то они значительно ослабят плиту и станут центрами разрушения. Но если с рединой части плиты вывести концы арматурной сетки (из сравнительно толстых прутов – 12-15 мм) наружу из тыльной стороны плиты, то на них можно нарезать резьбу и использовать как встроенные в плиту анкера, через которые она будет непосредственно крепиться к корпусу!

Но это еще не все, и это удача третья! Теплопроводность стали в районе 1200-1400 градусов вдвое больше, чем у чугуна на границе его плавления. А это значит, что стальная сетка с выпусками при застывании чугуна будет работать на передачу тепла из центральной части наружу, ускоряя тем самым охлаждение ядра – а ведь как раз это и необходимо для образования белого чугуна по всему объему толстой плиты! В реальном литейном деле такие извлекаемые в последствии стальные закладные детали называются холодильниками и тоже описаны в профильной литературе. То есть именно за счет наличия в центральной части изделия стальной сетки, отводящей наружу тепло, можно эту центральную часть охлаждать быстрее и получить там белый чугун, который в последующем очень продолжительном процессе прокаливания модифицируется в ковкий чугун ПО ВСЕЙ СВОЕЙ ТОЛЩИНЕ.

Дополнительным полезным свойством чугуна и броневых высокопрочных чугунных плит на его основе является то, что плотность чугуна заметно меньше стали – приблизительно на 7%, то есть при равной прочности плита размерами 2х1 м при толщине 100 мм будет весить на 100 кг/6 пудов меньше. Например, для ковкого чугуна КЧ35-10 по имеющимся данным плотность составляет 7,3 т/м3 против плотности обычной конструкционной стали 7,85 т/м3. При толщине 5 дюймов (127 мм) по массе это будет почти равно плите из пудлиногового железа толщиной 4,5 дюйма (114 мм), но есть сильные подозрения, что практическая прочность армированной суперчугунной плиты будет ВЫШЕ.

Вместе с тем, необходимо ясно понимать, что в целом эта технология ТУПИКОВАЯ, энергоемкая, сложная и по свойствам существенно уступающая перспективной специализированной стальной броне, которая будет изготавливаться литьем и прокаткой настоящей стали после изобретения мартеновского и бессемеровского процесса. Однако в условиях военного времени (Крымской войны), когда требуется срочное и эффективное решение – это по совокупности наилучший реально доступный способ создания корабельной брони высокого уровня прочности.

PS. На вопрос «где взять качественную сталь для армирования» ответ простой – именно в это время Обухов отработал технология получение тигельной стали. Там с одного тигля выходит до 40 кг продукта, так что в небольших объемах можно получать качественную углеродистую сталь, а прокат и протягивание ее в арматуру – уже дело техники…