Если деталь из полированной стали нагревать в закрытом контейнере в смеси из древесного и костного угля и потом вывалить содержимое в закалочную ванну, то возникновение или отсутствие цветов зависит от нескольких факторов. Если воздух входит в контакт с горячей сталью до погружения в воду, получится уродливая чешуя окалины на поверхности. Это происходит, если содержимое контейнера высыпается со слишком большой высоты от поверхности воды и защитная оболочка угарного газа и других газов улетучивается и, таким образом, происходит быстрое неконтролируемое окисление. Если содержимое высыпается вплотную к поверхности воды, окраска стали происходит случайно и неравномерно. После нескольких опытов было установлено, что неравномерная окраска происходит от того, что карбюризационная смесь не сразу смывалась водой в закалочной ванне. Эти опыты показывают, что цвета возникают в процессе закалки и только на тех участках стали, где остатки карбюризатора находятся в сравнительно близком контакте с поверхностью стали. В течении закалки вода в закалочной ванне, контактируя с с горячей сталью, нагревается и испаряется и вазимодействует с фосфатом кальция, который является основным компонентом костного угля. Фосфат кальция вступает в химическую реакцию с растворенным в воде кислородом обобразует окрашенный слой на стали.

Для исследования окрашенных слоев, которые возникают при этом процессе, несколько небольших образцов мягкой холоднокатанной стали были подвергнутые первичному отжигу и полировке и затем цветной калке при различных условиях. Эти образцы были подвергнуты спектроскопическому исследованию для выявления атомов элементов, присутствующих в цветных слоях. Топография и морфология слоев была исследована только при помощи электронного микроскопа. Эти образцы были подвергнуты цветной калке с различными смесями: от 100% костного угля до 10% костного угля + 90% древесного. Для сопоставления были подготовлены образцы с цветами побежалости при помощи кислородной горелки. Результаты исследования образцов показали, что высокий процент атомов элементов тонкой пленки, которую составляет цветная калка, это железо и кислород, показывающие, что эти слои состоят в основном из окиси железа. Кальций и фосфор составляют не более 1%. Это не было большой неожиданностью, так как костный уголь содержит около 80% фосфата кальция, который легко растворяется в горячей воде, нагревающейся около закаливаемой детали. Оксид железа, конечно, то же самое вещество, что присутствует и в цветах побежалости.

Цвета побежалости под микроскопом
Самым неожиданным и интересным оказалось исследование образцов под микроскопом при увеличении от 3000 до 5000 крат. Образец с цветами побежалости (фотография слева) был покрыт относительно однородным тонким слоем оксида, который повторял микроскопические контуры стальной поверхности, получившиеся при пролировке с время от времени возникающими открытыми участками, на которых слой оксида отслоился. Образцы с цветной калкой (фотография справа) имели поверхностные слои с ярко выраженными особенностями структуры. Эти образцы показывали довольно толстые слои, состоящие из множества гранул различной формы. Эти гранулы состояли, преимущественно, из оксида железа и размер частиц составлял от 0,5 до 20 мкм. Более высокая концентрация костного угля в составе карбюризатора приводила к увеличению размеров гранул.

Цветная калка по микроскопом
Эти исследования дали какой-то ключ к раскрытию характера образования цветной калки. Цвета побежалости возникают как оптический эффект, связанный с отражением и интерференцией на тонкой оксидной пленке, как спектральные тона, сходные с оттенками разводов нефти на поверхности воды. Тонкая пленка, в этом случае, является сплошным, тонким слоем оксида железа на поверхности полированной стали. Оттенки изменяются при изменении угла зрения относительно поверхности.

При цветной калке оттенки не изменяются при изменении угла зрения, за исключением тех случаев, когда цветная калка произведена при малом проценте костного угля в карбюризаторе. Эти цвета так же возникают, преимущественно, как результат отражения и интерференции на тонкой пленке оксида железа, непосредственно покрывающего стальную поверхность. Слои состоящие из гранул оксида железа влияют на свойства наблюдаемых цветов. Отражения света от внутренних и внешних граней этих гранул и от поверхности стали создавают интерференцию и изменяет цвет отраженного света. Крупинки, вероятно, действуют как линзы и призмы, которые разлагают отраженный свет на составляющие вне зависимости от угла зрения. Возможно, что малые количества кальция и фосфора, входящие в состав гранул, могли также окрашивать их. Большие частицы, которые возникают при высоком проценте костного угля в смеси, объясняют также матовую поверхность после цветной калки.

В результате химических реакций, которые происходят на поверхности стали во время закалки, возникают гранулы оксида железа неправильной формы, что есть основная причина появления различных оттенков цветной калки. В этих реакциях участвует фосфат кальция как основной компонент костного угля. Это, конечно, причина того, что настоящие оттенки цветной калки возникают только тогда, когда костный уголь остается в сравнительно близком контакте со стальной поверхностью в процессе закалки. Опыты, в которых пытались получить цветную калку при использовании только древесного угля, закончились неудачей. Очень слабые и невыразительные цвета при этом способе, вероятно, возникают при окислении стальной поверхности кислородом, растворенным в закалочной воде.

Прибавление небольшого количества костного угля к древесному создает условия для возникновения цветной калки. Это также важный признак того, что использование только древесного угля как карбюризатора и использованной до того при закалке с костным углем воды, в которой растворен фосфат кальция, приводит к получению правильной цветной калки, хотя не очень красивой. Цвета, возникающие при небольшом проценте костного угля, очень слабые, не матовые, и зависят от угла зрения. Этот результат почти одинаков с цветами побежалости.

Химический процесс, в результате которого возникает цветная калка, точно неизвестен. Верно то, что горячая вода и пар, возникающие при контакте с поверхностью нагретой стали, могут взаимодействовать и растворять фосфат кальция из костного угля, который остается в относительной близости к поверхности стали. Кислород, растворенный в воде, может также играть свою роль в этой реакции. Один очень вероятный ход реакции - это образование фосфида железа, когда ионы фосфора присутствуют в растворе фосфата кальция и входят в контакт с поверхностью горячей стали. Фосфид железа реагирует непосредственно с водой с формированием оксидов железа, нерастворимых в воде, которые оседают на поверхности железа в виде гранул. При этой реакции образуется фосфиновый газ в небольшом количестве, который очень быстро разлагается в воде на другие химические компоненты. Это превращение очень удачно, так как этот газ крайне токсичен и, в качестве предосторожности, при процессе закалки всегда должна быть хорошая вентиляция.


Также были проведены эксперименты на маленьких стальных образцах с чистым трикальция фосфатом в виде порошка, заменившего костный уголь в карбюризаторе и растворенного в воде. В результате обоих опытов получилась качественная цветная калка. Эти результаты добавили дополнительную ясность в понимание химического процесса, происходящего при цветной калке. Это также показывает то, что степень охлаждения при закалке и эффект гранулированной структуры в костном и древесном угле в охлаждении играют решающую роль в возникновении цветной калки.

Интересны для рассмотрения механические свойства стали с цветной калкой. Изучение двустволок, имевших оригинальную цветную калку, показало, что все твердые стальные поверхности не режутся напильником из-за своей твердости, напильник скользит. Стандартная проверка твердости по Роквеллу показала высокую твердость, но только на поверхностной части металла. Сходные результаты были получены при исследовании образцов, полученных в наших опытах. Только образцы, полученные при содержании костного угля более 50% имеют твердость большую, чем современная холоднокатанная сталь. Образцы, выполненные при 100% содержанием костного угля и 2-х часах карбюризации при 715 град. Цельсия и закаленные в поперечном сечении, были исследованы под металлургическим микроскопом. Поверхностный отвержденный слой был толщиной 0,05 мм и находился в фазе мартенсита. Так как большая часть костного угля идет на образование угарного газа и, таким образом, влияет на количество углерода, внедрившегося в сталь, более тонкий слой поверхностного отверждения получается при меньшем проценте костного угля в смеси при одинаковых условиях нагрева и закалки.

Эти результаты показывают, что большинство деталей ранних ружей с цветной калкой были, вероятно, очень поверхностно отверждены при сравнительно низком проценте костного угля и, возможно, карбюризация происходила при температуре ниже необходимой. Эксперименты показывают, что для того, чтобы получить оттенки цветной калки максимально близкие к старинным, необходимо перед закалкой охладить контейнер на 100 град. Цельсия. Несмотря на то, что при этом не возникает оптимальной цементации, прочный высокоуглеродистый слой приобретает твердость напильника и очень привлекательные цвета. Красота оттенков, в значительной степени, предпочтительнее, чем достижение оптимальной твердости.

В результате проведенных опытов было установлено, что на получение цветной калки влияют следующие факторы:

наличие в карбюризаторе костного угля,
температура закалки,
высота от поверхности воды при вываливании содержимого контейнера в закалочную ванну,
температура и содержание кислорода в закалочной ванне,
скорость смывания карбюризатора с поверхности изделия водой в закалочной ванне.
Температура и продолжительность карбюризации влияют только на механические свойства поверхности изделия.