Загадка булатного узора

Поиск продолжается

Юрий Иванович Люндовский — коренной житель Златоуста. На плане дома, который в 1837 году перестраивал его дед, мастеровой казенных заводов Григорий Люндовский, стоит подпись самого «управителя Златоустовскими заводами П. Аносова». Подпись скреплена печатью заводской конторы. Печать была сделана из горного хрусталя.

Юрий Иванович начал трудовую деятельность на Златоустовских заводах в 1931 году. Будучи главным металлургом завода, он работал в здании с медной доской у входа: «Центральная заводская лаборатория. Основана в 1836 году П. П. Аносовым». По чугунным ступенькам, по которым не раз ходил изобретатель русского булата, он ежедневно подымался к себе в кабинет.

Со школьной скамьи Люндовский мечтал найти утерянные секреты и выплавить узорчатую сталь. В его семье хранилась железная трость деда — необыкновенно легкая, витая, сделанная из железных полос, заготовленных для производства сварочного булата. Он собрал и хранил все те немногочисленные образцы русского булата, которые можно было найти на заводе.

Ю. И. Люндовский в конце 30-х годов повторил опыты Д. К. Чернова и добился путем замедленного охлаждения слитка получения крупных дендритов в малом объеме металла. Умеренно холодная ковка таких слитков позволяла получать слабо проявляющиеся узоры.

В 20–30-х годах тщательно изучал материалы, относящиеся к производству булата, племянник Павла Николаевича Швецова — Василий Николаевич, который с 1896 года служил мастером фасонно-литейного цеха. Он был высокообразованным человеком, увлекался историей уральских заводов, выплавкой тигельной стали, производством огнеупоров. Сохранились печатные работы В. Н. Швецова, посвященные этим вопросам.

Любопытен такой факт. Николай Швецов, который работал с Аносовым, был безграмотным крепостным крестьянином. Его сын — Павел Швецов окончил начальную горнозаводскую школу, что по тем временам считалось большим везением. Василию Швецову, в 1904 году закончившему Уральское горное училище, Советская власть дала возможность получить экстерном высшее образование — он был инженером-металлургом. А его внук Сергей Швецов, ныне научный работник, готовится к защите кандидатской диссертации.

В 20-е годы металлургия окончательно формируется в самостоятельную науку. В технической литературе появляется много статей, посвященных теоретическому обоснованию технологии производства легированных сталей, их термической обработке. В это время вновь пробуждается интерес к булату, появляются новые данные о его химическом составе, макро- и микроструктуре, делаются многочисленные попытки получить сталь с узорчатой структурой.

Ю. И. Люндовский исследует имеющиеся у него образцы булата, полученного П. Н. Швецовым. Он изучает его микроструктуру, устанавливает, что она характеризуется крупными включениями цементита высокой твердости, подтверждает, что в стали мало серы и других вредных примесей. На заводе еще можно было найти достаточно чистое пудлинговое железо, древесноугольный чугун и серебристый графит. Возлагаются надежды получить узорчатую сталь путем сплавления этих компонентов по режимам, описанным Аносовым. Многочисленные опыты к успеху не приводят. Правда, удалось овладеть приемами ковки булата и повторить их на обычных сталях. Узор почти не проявляется, но свойства изделий, особенно твердость и прочность, ощутимо повысилась.

В журнале «Уральский техник» за 1924 год была напечатана статья В. Н. Швецова «Литой булат». В ней описываются способы получения узорчатой стали. Автор считает, что лучшие узоры получаются при сплавлении железа и чугуна с небольшими добавками… серебра. Большое внимание уделено охлаждению слитка: по окончании плавки тигель, вынутый из печи, рекомендуется ставить в горячую золу, засыпать его ею со всех сторон, за исключением крышки, и оставлять до полного охлаждения. Описываются приемы ковки булата, обеспечивающие, по мнению автора, узор на клинке в виде елочки. Исследования образцов булатных изделий в статье не приводятся.

В 20-е годы в Златоусте стремился получать булат горный инженер П. А. Иванов. В его опытах принимал участие старейший мастер завода К. К. Моисеев. В записках В. Н. Швецова отмечается, что Иванов подгонял состав булата под «швецовский», вводя в шихту соответствующее количество марганца и хрома. В 30-е годы делались многочисленные попытки получить булат на основе работ В. Н. Швецова, П. А. Иванова, К. К. Моисеева. Ни одна из них успехом не завершилась.

В 1949 году Златоуст праздновал 150-летие со дня рождения П. П. Аносова; в городе был заложен ему памятник. Теперь на высоком пьедестале из красноватого полированного гранита, обрамленного литым орнаментом, возвышается бронзовая фигура величайшего русского металлурга.

Тогда, в 1949 году, в связи с знаменательной датой состоялось Всесоюзное совещание металлургов. Участники совещания посетили бывшую оружейную фабрику. В их присутствии испытывались современные шашки и сохранившиеся булатные клинки. Испытание завершилось не в пользу булата… Все же это событие вновь вызвало интерес к легендарной стали. Златоустовские металлурга твердо решили, что наступила пора объяснить свойства булата и расшифровать природу его удивительных узоров.

Как профессор Виноградов прочитал Аносова

Решить вековую загадку булатного узора взялся Игорь Николаевич Голиков — начальник центральной лаборатории Златоустовского металлургического завода. Он создал творческую группу, в которую вошли П. В. Васильев, М. Ф. Лонгинов, Ю. И. Люндовский и автор этих строк. Выплавлять сталь было решено в тигле индукционной высокочастотной печи. Этот современный агрегат достаточно хорошо моделировал тигельный процесс, который П. П. Аносов использовал для получения булата. В первых опытах было решено воспользоваться рекомендациями изобретателя русского булата и как можно точнее повторить его эксперименты.

Нам было понятно, что свойства булата определяются содержанием углерода в стали и его распределением в железе. Поэтому шихта составлялась из содержащего мало вредных примесей мягкого железа (0,03 % углерода) и серебристого графита.

Во время плавки поддерживался «большой жар» — расплав нагревали до 1600–1630 °C. При таких температурах обеспечивалась высокая степень насыщения металла углеродом. Готовую сталь разливали в чугунные формы. Слиток охлаждали очень медленно. Многократно добиваясь крупной кристаллизации и прекрасно выраженной дендритной структуры слитка, мы ни разу не получали булатного узора. Чего-то в нашей технологии явно не хватало, но чего? Для ответа на этот вопрос было решено еще раз внимательно изучить всю имеющуюся литературу о булате. И вот что обнаружилось.

В 1919 году в Днепропетровском горном институте защищалась необычная диссертация: «Мягкий булат и происхождение булатного узора». Соискатель, уже немолодой человек, профессор А. П. Виноградов излагал свою теорию природы узорчатой стали. Материалы диссертации были опубликованы в 1928 году в «Научных записках кафедры металловедения и термической обработки металлов». В связи с тем, что к 50-м годам этот сборник стал библиографической редкостью, труд ученого остался малоизвестным.

А. П. Виноградову особыми приемами деформации стали удалось получить на основе дендритной ликвации углерода волокнистую неоднородность, проявляющуюся в виде узора. Однако узор этот оказался не сопоставимым с булатным, поскольку был выражен очень слабо.

«Следует признать, — писал А. П. Виноградов, — что хотя химическая и структурная неоднородность является неизбежной принадлежностью всякой литой стали, однако булаты резко отличаются особенно ярко выраженной химической и структурной неоднородностью». Отсюда вывод: при производстве булатной стали химическая неоднородность подчеркивалась и фиксировалась принципиально другими приемами. Талантливый ученый впервые замечает «эти приемы» в опубликованных трудах П. П. Аносова.

Внимательно изучая «Журнал опытов по приготовлению литой стали и булатов с краткими замечаниями», А. П. Виноградов обратил внимание на то обстоятельство, что при получении булатов металл часто недорасплавлялся. В примечаниях Аносов так и пишет: «не все расплавлялось» или — «несовершенно расплавилось».

Тщательно анализируя условия проводимых П. П. Аносовым плавок булатной стали, А. П. Виноградов убеждается, что основной их особенностью является науглероживание кусочков (обсечков) железа в тигле. Часть из них, взаимодействуя с графитом и печными газами, очень сильно науглероживалась и превращалась в малоуглеродистый чугун. Чугун, температура плавления которого 1200–1300 °C, плавился и стекал каплями на дно тигля. Таким образом, в нижней части тигля скапливался жидкий чугун, а в его верхней части твердые обсечки мягкого низкоуглеродистого железа, температура плавления которых 1500–1535 °C.

Нагрев металла в условиях тигельной плавки во времена П. П. Аносова осуществлялся до температур не выше 1460–1480 °C, поэтому обсечки мягкого железа, погружаясь в конце концов в жидкий чугун, расплавиться не могли. Они могли лишь в твердом состоянии растворяться в чугуне. Плавка заканчивалась в тот момент, когда частички эти полностью в чугуне еще не растворились. Отсюда легко сделать вывод, что П. П. Аносов достигал большой физической неоднородности непосредственно при плавке стали за счет сохранения в основной массе высокоуглеродистого сплава частиц ненауглероженного и поэтому недорасплавившегося твердого железа.

Интересно, что П. П. Аносов понимал эти особенности технологии плавки булата. Он писал: «Искусство мастера в сем случае состоит в том, чтобы остановить работу в то мгновение, когда последний кусочек обсечков начинает расплавляться…» И далее: «При разбитии медленно охлажденных в печи тиглей сплавки казались как бы не совершенно расплавленными, ибо куски железа в некоторых местах сохранили первоначальную форму». В свете новой теории булатного узора эти замечания приобретают глубокий смысл.

Так как прекращение плавки у П. П. Аносова происходило в тот момент, когда в жидкость погружались твердые частицы железа, то последующее понижение температуры при охлаждении сплава в тигле приводило к кристаллизации высокоуглеродистой стали на имеющихся частицах железа, как на готовых центрах. Охлаждение стали в тигле, в котором она плавилась, как бы фиксировало полученную при плавке неоднородность. Недаром на основании своих опытов П. П. Аносов полагал, что переливание из тигля в изложницу порти г сталь.

Более того, по его наблюдению медленное охлаждение стали в тигле способствовало развитию кристаллизации и образованию узоров. Таким образом, процесс плавки и кристаллизации стали у П. П. Аносова неизбежно обусловливал крайнюю химическую, а следовательно, и структурную неоднородность слитка. Деформация при ковке этой неоднородной структуры и являлась причиной булатного узора.

К сожалению, на перечисленные особенности технологии производства булатной стали не обратил никакого внимания ни один из исследователей работ П. П. Аносова. Не указывал на них также никто из златоустовских мастеров, которые позже плавили булатную сталь. Естественно, что сам П. П. Аносов, не владея современными методами исследования металлов, не мог должным образом оценить степень влияния приведенных выше, на первый взгляд второстепенных, факторов на рисунок булата и его свойства.

После П. П. Аносова производство настоящих булатных клинков на Златоустовском заводе, как уже было отмечено, вскоре прекратилось. Д. К. Чернов объяснял это чрезвычайной сложностью процесса. «Производство узорчатой стали, — писал он, — требует усиленного постоянного наблюдения и преданности делу. В производстве булата очень ясно обнаружилось, какой капризный материал — сталь: малейшее несовершенство в процессе или нечистота материала — и уже сталь получается хуже, с мелким узором». А. П. Виноградов полагал, что причиной прекращения производства булата могло быть несоблюдение основного условия его получения: «прекращать процесс плавления, не дожидаясь полного растворения последних кусочков железа».

Действительно, П. П. Аносов, составив подробное описание приемов приготовления слитков булатной стали, не обратил должного внимания на момент прекращения плавки. Все последующие металлурги, плавившие булат после П. П. Аносова, не могли соблюсти это необходимое условие, обеспечивающее получение узорчатой стали. Поэтому они получали булат эпизодически и, как правило, с очень мелким узором.

Несмотря на то что А. П. Виноградов разработал оригинальную теорию, достаточно убедительно объясняющую природу химической и физической неоднородности булатной стали, его экспериментальные работы были посвящены главным образом вопросу формирования булатных узоров на основании так называемой «полосчатой структуры» низкоуглеродистой стали.

Металлургам давно известно, что после прокатки стали при низких температурах часто получают так называемую «полосчатую структуру», состоящую из участков перлита, чередующихся с видимыми простым глазом полосками чистого железа (феррита). А. П. Виноградов показал, что после низкотемпературной прокатки листовой стали, содержащей 0,30–0,35 % углерода, и продолжительного отжига ее при температуре 800–900 °C с последующим медленным охлаждением в печи полосчатая структура проявляется очень хорошо. Полосчатость в этом случае получается в виде параллельных слоев почти чистого феррита и углеродистой стали с 0,6–0,7 %, углерода. Такая структура стали, по утверждению автора, имитирует «мягкие булаты» Аносова.

Даже при небольшой деформации слоев полосчатой структуры они могут стать волнообразными плоскостями с различной кривизной волн, а главное — могут значительно отклоняться от параллельности к поверхности образца. При достаточной толщине слоев отшлифованные образцы могут давать видимую простым глазом картину разнообразных узоров, характерных для булата. Если такой образец мысленно разрезать плоскостями, параллельными основанию, то они, подобно горизонталям при проектировании холмистой местности на карту, должны образовывать узор. Если слои приближаются к параллельным плоскостям, но не параллельны плоскости шлифа, то получается муаровый рисунок; если же они изгибаются в виде холма или углубления — ониксовидный. Применяя специальные приемы деформации стали — надрубы, разнообразную насечку и осадку, — А. П. Виноградов получал почти все известные рисунки булата.

Несмотря на то что А. П. Виноградов впервые экспериментально показал приемы получения булатного узора и выдвинул убедительно обоснованную теорию, объясняющую природу неоднородности булатной стали, ему не удалось приготовить настоящих булатов на основе высокоуглеродистых сплавов, у которых бы после закалки сохранились узоры. Последнее обстоятельство послужило поводом к критике взглядов А. П. Виноградова.

С целью подтверждения своих предположений А. П. Виноградов провел ряд плавок, в ходе которых путем присадки кусков железа в жидкую ванну пытался создать условия для получения физически неоднородного металла; но результаты этих опытов не были настолько выразительными, чтобы убедить в его правоте. Поэтому видные металлурги считали, что «нерасплавленные кристаллы, очевидно, не являются условием, необходимым для создания неоднородности жидкости», и что теория А. П. Виноградова применима скорее к сварочному булату, чем к литому.

Вутцы XX столетия

Итак, А. П. Виноградов впервые разглядел в булатном узоре физическую неоднородность стали. Не может быть сомнений в том, что П. П. Аносов добивался крайней неоднородности слитка за счет недорасплавившихся частиц низкоуглеродистого железа. С позиций современной науки такую структуру можно назвать неравновесной. А как же в древности получали неравновесную структуру вутца?

П. П. Аносов был прав, предполагая, что древние мастера изготовляли булат в специальных горнах, позволяющих совмещать процессы восстановления руды, науглероживания железа и его сплавления. Частицы восстановленной железной губки, по всей вероятности, науглероживались с поверхности окисью углерода и превращались в высокоуглеродистую сталь, а может быть, даже в чугун. Вместе с тем сердцевина частиц сохранялась железной, ненауглероженной. Поскольку температура горна лежала между точками плавления железа и стали, то стальная оболочка частиц плавилась, и они соединялись в одно целое, образуя полусплавившийся слиток, макроструктура которого напоминала пирог с изюмом: зерна мягкого железа в окружении высокоуглеродистой стали.

Описанный выше способ получения неравновесной структуры слитка не единственный. Известно, что индийцы знали тигельный процесс задолго до европейцев. Они владели также сыродутным процессом приготовления железа, которое содержало не более одной-двух десятых процента углерода. Расплавить такое железо в тиглях они не могли. С другой стороны, они получали чугун, который легко плавился в тиглях, установленных в горн.

Железо — пластичный, упругий и вязкий металл, но недостаточно твердый. Чугун — твердый материал, но совсем не пластичный, хрупкий, его нельзя деформировать. Разве не напрашивается мысль: смешать кусочки чугуна и железа и расплавить их в тигле?

Теперь представим себе, что смесь кусочков чугуна и железа помещена в тигель и нагревается до температуры 1350–1380 °C. В этом случае чугун в начале процесса плавился, а мягкое железо оставалось твердым. По мере нагревания сплава углерод из чугуна диффундировал (перемещался) в железо, чугун становился все более и более тугоплавким и в конце концов вся масса металла затвердевала. Естественно, что готовый сплав и в этом случае получался неоднородным, состоящим из двух фаз: высокоуглеродистой стали, в которую превратился чугун, отдавая углерод, и частиц железа, поверхность которых науглерожена.

Между тем такой способ получения стали имел существенный недостаток: чугун затвердевал быстрее, чем происходила сварка между науглероженными кусочками железа и чугуна, поскольку между ними трудно было обеспечить хороший контакт. В результате сплошность металла после ковки могла нарушаться трещинами. Можно ли этого избежать? Да, можно, если плавить в тигле сначала один чугун, и только после его расплавления добавлять в жидкий сплав мелкие кусочки железа. В этом случае контакт достигается идеальный, и диффузия углерода из чугуна в железо будет идти гораздо быстрее. Возможно, что в древние времена в Индии и других странах Востока таким путем получали знаменитые вутцы.

В Европе значительно позднее пришли фактически к такому же способу получения стали. Так, например, Реомюр еще в 1722 году высказывал идею о возможности превращения мягкого железа в сталь путем погружения его в жидкий чугун. В это время Европа еще не знала ни тигельного процесса, ни отражательных печей. Поэтому эта идея была осуществлена на Западе только в 1840–1860 годах братьями Эмилем и Пьером Мартенами, которые путем сплавления чугуна и лома впервые получили сталь на поду большегрузной отражательной печи. Известно, что температуры, которые достигались в мартеновских печах, позволяли полностью расплавить чугун и железо и получить жидкую сталь. Поэтому Европа перешагнула «булатный период» производства стали, и булат с его высокими свойствами и неповторимыми узорами навсегда остался для нее тайной.

«Неравновесная» теория булатного узора объясняет также, почему после П. П. Аносова практически никто не мог получить лучшие сорта булата. «Сильный» жар во время плавки, им рекомендуемый, стал своего рода психологическим барьером, который не смогли перешагнуть его последователи. Все дело в том, что «сильный жар» в отражательной печи Сименса, в которой впоследствии плавили тигельную сталь, соответствовал температуре 1500–1530 °C; у Аносова же он не достигал этих температур. Таким образом, исследователи, повторявшие опыты Аносова, расплавляли шихту при таких температурах, которые не могли обеспечить неоднородность: чугун и железо полностью расплавлялись, и это приводило к получению обычной (гомогенной) углеродистой стали.

Что касается медленного охлаждения слитка, то здесь было заложено рациональное зерно. Этот фактор, с одной стороны, благоприятствовал достижению нужной неоднородности, а с другой — создавал условия для дальнейшей диффузии углерода, что, в свою очередь, способствовало формированию зоны постепенного изменения концентрации этого элемента при переходе слоев высокоуглеродистого металла в слои низкоуглеродистого. Такое строение обеспечивало уменьшение напряжений при деформации и нагреве стали и исключало появление в металле разрывов и трещин.

Кстати, теперь ясно, что сущность структуры настоящего булата и сварочного булата фактически одна и та же. И все-таки свойства литого булата со сварочным несравнимы. У литого булата они должны были быть значительно выше. Это легко объяснить прежде всего тем, что содержание углерода в литом булате (1,3–2,0 %) больше, чем в сварочном (0,6–0,8 %). Кроме того, в литом булате, как мы теперь знаем, наблюдается более постепенный переход от высокоуглеродистых слоев к низкоуглеродистым. Очевидно, чем менее резок этот переход, тем выше механические свойства булатного клинка.

Почему же А. П. Виноградов, блестяще разгадавший секрет получения литой узорчатой стали, не сумел экспериментально воспроизвести аносовские плавки и получить высокоуглеродистый булат? По всей вероятности, он не имел тигельной печи. А в другом агрегате создать условия для науглероживания железа до чугуна и остановить плавку в нужный момент не так-то просто. Для этого требуется искусство мастера. Недаром даже соратник изобретателя русского булата Н. П. Швецов не мог повторить полностью результаты Аносова.

В свете «неравновесной» теории булата выбранная нами для эксперимента тигельная индукционная сталеплавильная печь оказалась самым удачным агрегатом для получения булатной стали. В такой печи можно поддержать температуру сплава на любом необходимом уровне и плавить нужную массу металла.

Было решено приготовить на техническом железе и графите синтетический чугун, содержащий как можно менее вредных примесей. Предполагалось чугун расплавлять в тигле индукционной печи и погружать в него кусочки малоуглеродистого железа. Температура в печи должна была поддерживаться на уровне 1460 °C, чтобы железо не плавилось, а лишь растворялось в жидком чугуне. Наши первые эксперименты полностью подтвердили теорию А. П. Виноградова и окончательно установили, что при искусственно созданной неоднородности в жидкой или полужидкой стали можно получить слиток высокоуглеродистого сплава с включениями частиц малоуглеродистого железа. Появление булатного узора после деформации такого слитка и получение отличительных свойств, приписываемых булатам, теперь сомнений не вызывало. Надо было только хорошо отработать все детали технологии плавки. Пришлось провести немало опытов, отлить десятки слитков, чтобы научиться управлять процессом, задавать и выдерживать требуемый химический состав стали.

Краткие особенности технологии производства булата в индукционной сталеплавильной печи оказались следующими. В печь загружается железо или малоуглеродистая сталь в количестве 12–24 кг, плавится и подогревается до температуры 1650 °C. После подогрева расплав раскисляется кремнием и алюминием. Затем металл науглероживается графитом, в результате чего получается синтетический чугун с содержанием углерода 3,0–4,0 %. Когда чугун готов, в расплав вводится мелкодробленая обезжиренная стружка малоуглеродистой стали или мягкого железа в кусочках размером не более 10–15 мм. Каждый кусочек должен быть сухим, чистым, без ржавчины, цветов побежалости, каких-либо следов окисления. Количество стружки составляет 50–70 % от массы чугуна — в зависимости от требуемого состава стали.

Стружка вводится постепенно, порциями. Перед присадкой каждой порции стружки в жидкую ванну температура металла не должна превышать 1480–1500 °C. Необходимая степень оплавления стружки определяется с помощью стального прутка диаметром 15–20 мм. Таким прутком, после дачи каждой порции стружки, металл перемешивается до тех пор, пока можно ощущать удары твердых кусочков стружки, движущихся в ванне под действием электромагнитных потоков, о пруток. Таким образом, при приобретении навыка можно определять примерные размеры твердых включений малоуглеродистой стали в жидкой ванне.

По мере оплавления каждой порции стружки металл приобретает полужидкое или кашицеобразное состояние. В связи с этим перед присадкой следующей порции стружки он должен быстро подогреваться до необходимой температуры. После присадки последней порции стружки расплав, если это необходимо, нагревается до получения достаточной для разливки жидкоподвижности и раскисляется алюминием. Степень подогрева должна быть такой, чтобы в расплаве фиксировалась неоднородность — наличие недорасплавленных мелких стальных частиц. Благодаря тому, что эти частицы под действием электромагнитного поля взвешены во всем объеме жидкой ванны, готовую сталь можно выливать из тигля индукционной печи в форму.

Приготовленные нами булаты либо выливались в графитовые формы, либо оставлялись остывать в печи. В том и другом случае слиток медленно остывал в течение нескольких часов. Если полученный сплав выливался в графитовую форму, то необходимо было применять повышенный расход стружки. В этом случае получались булатные слитки с высокоуглеродистой матрицей, в которую вкраплены частицы мягкого железа (фото 5). Оплавившиеся частицы мягкого железа успевали науглероживаться в период плавки только с поверхности. Поэтому они сохраняли небольшое содержание углерода в сердцевине (0,03–0,05 %), в то время как среднее содержание углерода в матрице составляло 1.4–1,6 %.

Если же сплав до конца плавки поддерживался в кашицеобразном состоянии и застывал непосредственно в печи, применялся низкий расход стружки. Науглероживание частиц железа в этом случае происходило в большей степени. Концентрация углерода в преобладающем большинстве включений достигала 0,8–1,0 %, а содержание углерода в матрице оставалось на прежнем уровне (1,5 %). Интересно, что поверхность включений также науглероживалась более сильно (фото 6).

Слиткам, полученным по первому способу, дали название булатов с ферритными прослойками, а по второму — булатов с углеродистыми прослойками. Струйчатые узоры на изделиях можно получать только из слитков булата с ферритными прослойками.

Позднее мы научились изготовлять легированные булаты. В частности, для подчеркивания узора в сталь иногда вводили кремний и фосфора которые повышают устойчивость феррита при ее термической обработке. Вводя в сплав никель и хром, можно получить нержавеющие булаты.

После того как мы убедились, что найденный способ получения слитков булатной стали повторим как в части технологического процесса, так и в части макроструктуры слитка, была сделана заявка на изобретение. Вскоре Государственный комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР выдал нам авторское свидетельство на «Способ изготовления слитков булатной стали».

Булатный слиток получен, но можно ли утверждать, что он похож на тот самый вутц, который изготовляли наши далекие предки? По-видимому, можно, и вот почему.

Не так давно в Хайдарабаде (Индия) было издано сочинение Аль-Бируни «Книга собрания (очерков) о познании драгоценных камней». В главе «О железе» автор сообщает несколько способов получения тигельной стали в Средней Азии, Иране и Индии, относящихся к IX–XI векам. «Сталь по своему составу, — пишет Аль-Бируни, — бывает двух сортов: первый, когда в тигле плавится нармохан (кричное железо) и «вода» (чугун) его одинаковым плавлением, и они оба в нем соединяются так, что не отличимы один от другого. И такая сталь пригодна для напильников и им подобных… Второй сорт получается, когда в тигле указанные вещества плавятся неодинаково и между ними не происходит совершенного смешения. Отдельные частицы их располагаются вперемешку, но при этом каждая из них видна по особому оттенку. Называется это фаранд. В мечах, которые их (два оттенка) соединяют, он высоко ценится».

Итак, нелегкие многолетние поиски, металлургов успешно завершены. Древняя технология получения булата была воспроизведена на новой основе в современном сталеплавильном агрегате…

Булатные узоры

Для получения булатного слитка нужны были опыт и терпение; но еще больше времени и сил требовалось для того, чтобы правильно его проковать и получить изделия высокого качества. Если ограничиться лишь тем, что из куска стали вырезать клинок, то свойства его будут чрезвычайно низкими. Если же проковать вутц на полосу путем его деформации только в одном направлении, то ферритные включения вытянутся и на изделии получится полосчатый прямолинейный узор, характерный для низших сортов булата. В этом случае мягкие ферритные полоски могут оказаться на лезвии клинка и он потеряет свои режущие свойства.

Встречались ли в древности с таким явлением? Да, встречались! Вот что об этом пишет Аль-Бируни: «К мечам, известным под названием ал-кубурийские, относятся как будто те, которые находят в могилах знатных покойников. И слышал я, что если мечи (изготовлены) из металла, который при плавке получил неодинаковое (количество) примесей («зелья»), то на них остаются тонкие нежные канальца (жилки), не впитывающие воду (углерод). Если они попадаются на лезвиях, то (мечи) не способны резать из-за отсутствия твердости. И если их стесать с лезвия, то вреда нет». Недаром турецкие и египетские клинки с «полосатым» узором даже в древности считались булатами самого низкого качества.

А как же следует проковать вутц, чтобы получить из него клинок с высокими свойствами? Люди давно заметили, что дерево вдоль волокон колется легко, а поперек — с трудом. Значит, надо проковать слиток так, чтобы волокна структуры булата «обтекали» контуры изделия. Если это клинок, то волокна должны быть направлены вдоль лезвия. Но и расположение волокон в виде прямых линий не обеспечивает высоких свойств, поэтому необходимо ориентировать волокна в разных направлениях, «перепутать» их, тогда высокие свойства обеспечены.

Сегодня металлурги хорошо знают, что чем больше «сплетать» волокно при ковке, тем более стойкие и прочные изделия можно получить. Достигается это многократной ковкой в разных направлениях, а контролируется современными методами металлографического анализа. В древние же времена только появление на поверхности клинка коленчатого или сетчатого узора указывало мастеру на совершенство приемов ковки. Постичь их было не легко. Опыт и умение приобретались годами, передавались из рода в род и хранились в глубокой тайне.

Из глубины столетий до нас дошел единственный способ ковки, которым в древности получали йеменские мечи с волокнистыми узорами, называемые «фарандом» или «мухаввас» (ткань с переливчатым оттенком). Вутц ковали не в длину, а начиная с одного конца, пока не расплющивали на блюдо. Блюдо разрезали по спирали, и полученные округлые полосы выравнивали. Из них ив" вали мечи.

Возможно, что П. П. Аносов скрывал способы проковки своих клинков. Во всяком случае в работе «О булатах» много внимания уделяется режимам нагрева стали перед горячей деформацией, а ковка описывается предельно кратко: слиток рассекают зубилами на три части, разрубленные части «проковывают в правильные бруски, а потом в полосы». И это все.

П. П. Аносов, безусловно, знал работы Бреана в Мериме, опубликованные в первой четверти XIX века, в которых своеобразие булатных узоров объяснялось только приемами ковки. «Я на опыте убедился, — сообщая Бреан в 1823 году, что волнистые жилки, которые кузнецы называют коленами, являются результатами приема ковки. Если ограничиваться вытяжкой в длину, то жилки будут продольные, если же тянуть одинаково не всех направлениях, то рисунок имеет кристаллический вид; если же видоизменить вытяжку в двух направлениях, то получатся переходы, как в восточных булатах. Не нужно долгих опытов, чтобы достигнуть получения какого угодно узора».

Последнее утверждение неверно, и Мериме в более поздней работе совершенно правильно уточняет: «Что касается причудливости узора, то он является результатом работы молота при вытяжке, требующей много времени и искусства, чем и объясняется высокая цена клинков».

О своем искусстве получения различных видов булатных узоров П. П. Аносов не рассказывает…

В более поздних исследованиях неоднократно подчеркивалось, что получение булатов с коленчатыми и сетчатыми узорами связано с применением сложных, не известных нам приемов ковки. Так, например, Г. А. Кащенко в 30-х годах нашего столетия писал: «Внешним признаком булатной стали является красивый, видимый простым глазом узор. Этот узор представляет собой макроструктуру стали, называемую коленчатой или булатной. Она получалась, по-видимому, путем энергичной и многосторонней ковки, проводимой в особых условиях. При этом металл претерпевал глубокое обжатие в разных направлениях, в силу чего в металле уничтожается слабость, связанная с односторонней волокнистостью… Попытки воспроизвести булатную сталь, делавшиеся еще 100 лет назад и в более позднее время, приводили к успеху, хотя и неполному, так что процесс ковки булата является до сих пор не вполне выясненным…»

Интересно, что на нерешенность этого вопроса даже в 1978 году указывал немецкий металлург М. Захсе.

Между тем советскому металлургу Р. А. Лиждвою удалось раскрыть механизм одного из способов формирования булатного узора. Он изобрел и разработал приемы кузнечной вытяжки с направлением подачи слитка (заготовки) под острым или прямым углом к фронту бойков молота. Этот способ, известный под названием «косая ковка», позволяет сочетать вытяжку металла в двух направлениях с его протяжкой вдоль оси заготовки. Р. А. Лиждвой экспериментально показал, что при протяжке металла вначале под прямым, а затем под острым углом к фронту бойков или с произвольным изменением угла подачи заготовки в пределах 45–90° формируется текстура, соответствующая узору волнистого булата.

Старший реставратор Владимиро-Суздальского музея-заповедника В. И. Басов выплавил тигельным способом высокоуглеродистую сталь с содержанием углерода 1,3–1,9 %. В результате замедленной кристаллизации слитка этой стали была получена высокая степень дендритной ликвации углерода. Проковкой стали путем нанесения крестообразных ударов под углом 45° к оси проковываемой заготовки был получен клинок с узором, очень похожим на сетчатый булат. Правда, в связи с тем что резкой физической неоднородностью сталь, по-видимому, не обладала, узор на клинке проявился не совсем четко.

Макроструктура полученных нами булатных слитков (см. фото 5, 6) гарантировала хорошее проявление узора после ковки. Для получения различных узоров (фото 7) мы использовали круглые бойки и фасонные штампы, а также оригинальный метод горячей деформации, о котором будет рассказано позже.

Применяли ли древние кузнецы фасонные штампы? Да, применяли. Археологические находки свидетельствуют, что при изготовлении сложных поковок в IX—Х веках должны были обязательно участвовать два инструмента: фигурные подкладки и фасонные штампы.

Наши исследования показали, что наиболее удобными для ковки являются круглые слитки диаметром 100–140 мм и длиной 150–240 мм. Перед деформацией их поверхность счищалась абразивами. Если после удаления верхней корки на поверхности слитка обнаруживали дефекты, они также удалялись. Перед ковкой для повышения пластичности металла при деформации слитки отжигали. Нагрев слитков под ковку осуществлял ли очень медленно. Так же, как это делал П. П. Аносов, слитки сажали в камерную печь при температуре 200 °C и в течение 2–3 часов нагревали до 600 °C. Последующий прогрев слитков с 600 до 900–1080 °C осуществляли в течение 2 часов. Промежуточный нагрев металла во время ковки производили так, чтобы слитки в продолжение 20–30 минут нагревались до необходимой температуры.

Ковку нагретых слитков производили легкими ударами на молоте 750 кг. Слиток первый раз проковывали на полосу сечением 50Х50 или круг диаметром 50–60 мм. После расковки подприбыльную часть, длиной до 1/3 длины полученной штанги, удаляли. После вторичного нагрева штангу проковывали на полосу сечением 70Х20 или круг диаметром — 20 мм.

С целью более четкого выявления макроструктуры поковки отжигали по следующему режиму: медленный нагрев до 780–800 °C, выдержка при этой температуре 5–6 часов, охлаждение в печи до 600 °C и последующее охлаждение на воздухе.

В первых экспериментах мы обычными методами ковки вытягивали слиток в полосу. На поковках после шлифовки и травления поверхности слабым раствором соляной кислоты появлялся полосатый узор, характерный для низших сортов булата. На фото 8 показан нож, сделанный из нашего булата типа шам. Светлые полосы на темном фоне — участки малоуглеродистой стали (железа) в объеме высокоуглеродистой основы. Рисунок на этом ноже очень напоминает узор на аносовском кинжале (см. фото 3).

Поскольку светлые полосы обычно вытягивались по волокну вдоль лезвия клинка, на лезвие древние мастера старались выводить высокоуглеродистый участок металла. Такое лезвие после закалки на мартенсит приобретало значительную твердость, но самозатачивающим свойством не обладало. Возможно, что прожилки железа в таком булате обеспечивали клинку только повышенную вязкость.

Для превращения полосатого рисунка в волнистый мы обжимали ребра заготовки круглым прутком, после чего края вырезали. Коленчатый узор получали путем горячего скручивания заготовки и последующего ее обжатия.

По предложению Ю. И. Люндовского, часть заготовок перед горячей деформацией подвергали местному нагреву токами высокой частоты. Пруток диаметром 15–20 мм устанавливали в одновитковый кольцевой индуктор диаметром до 50 мм. Концы бруска фиксировали в зажимах. На расстоянии 20 мм от конца заготовку нагревали токами высокой частоты. Нагреву подвергался участок шириной 15–20 мм. После достижения температуры 1000–1050 °C пруток скручивали в направлении по часовой стрелке на угол 90°. Затем заготовку перемещали вдоль ее оси на 20 мм, нагревали соседний участок и скручивали в направлении против часовой стрелки на такой же угол. Таким же образом производили нагрев и деформацию скручиванием во взаимно противоположных направлениях отдельных участков всей заготовки. После этого заготовку либо обжимали фасонными штампами, либо просто проковывали на толщину 5–8 мм и вырезали пластины, из которых изготовляли клинки и другие изделия.

Клинок, изготовленный этим способом, имел ярко выраженный узор с гроздевидными фигурами, принимающий форму мотков и прядей, выступающих прозрачной сеткой на более темном фоне рисунка. Это был узор типичного кара-табана (черный блестящий) — лучшего индийского булата.

Усвоив найденные приемы ковки булатных слитков и добившись многократной повторяемости булатных узоров на основе ферритных прослоек, мы приступили к изучению узоров, получающихся на булатах с углеродистыми прослойками. Узор на таких булатах выявлялся более глубоким травлением, получался более выпуклым и тонким, но менее выразительным, так как цвет углеродистых прожилок не сильно отличался от цвета высокоуглеродистой матрицы. Кроме того, эти булаты обладали значительно худшей пластичностью, их было тяжелее деформировать, и это затрудняло получение сетчатых и коленчатых узоров.

Волнистый рисунок на клинках, приготовленных П. Н. Швецовым, очень похож на полученный нами рисунок булата с углеродистыми прослойками (фото 9). Аналогичные рисунки нами были получены на топорике и кортиках (фото 10, 11). Металлографическим анализом было подтверждено и сходство их микроструктур. Таким образом, скорее всего П. Н. Швецов высших сортов булата типа табан и хорасан получать не умел.

Сохранились сведения, что П. Н. Швецов при приготовлении булатов «железо предпочитал в виде гвоздей, листов, но при непременном условии — без ржавчины». Это дает основание предполагать, что при приготовлении булатов он пользовался приемами, описанными П. П. Аносовым. Однако температура в печи Сименса, куда ставились тигли во времена П. Н. Швецова, была достаточно высокой, и поэтому кусочки железа могли почти полностью расплавляться и науглероживаться. Все же в этих условиях, по-видимому, можно было добиться некоторой неоднородности стали по углероду; но слитков с включениями из железа (феррита), изготовить уже было невозможно. С другой стороны, если мастер не вынимал тигель со сталью из печи вовремя, у него выходила обычная углеродистая сталь. Вот почему булат у П. Н. Швецова получался не всегда.

В свете вышеизложенного легко объяснить замечание П. П. Аносова о том, что «твердый булат переходит от перегревки прямо в чугун, а мягкий в сталь». Перегрев булатов перед ковкой обеспечивает высокую скорость диффузии углерода, которая может полностью устранить неоднородность булата и «стереть» его узоры.

Когда П. П. Аносов изготовлял булат, он мог исследовать только узор на его поверхности, что современная наука квалифицирует как макроструктуру стали. Как уже отмечалось, более объективными характеристиками свойств стали является ее микроструктура, которая определяет фазовый состав сплава. Н. Т. Беляев изучал микроструктуру закаленного и отпущенного булата. Им приведена единственная в литературе микрофотография структуры аносовского булата, увеличенной в 50 раз. На фоне троостита Н. Т. Беляев наблюдал крупинки структурно-свободного цементита. В связи с этим изучение микроструктуры и фазового состава полученных нами булатов представляло огромный интерес.

На фото 12, а приведена микроструктура отожженного при 850–860 °C булатного клинка. В центре видна зона мягкого и пластичного феррита (содержание углерода 0,03 %), окруженная пластинчатым перлитом (содержание углерода 1,2–1,5 %). По границам зерен перлита наблюдается карбидная сетка.

Неоднородность макроструктуры булатного слитка после периодических нагревов и деформации приводит к резко выраженной микронеоднородности сплава. Это вызвано тем, что в результате ковки дробятся и тесно переплетаются слои металла с различным содержанием углерода, который при нагревах диффундирует из слоя в слой. В результате этого малоуглеродистые зоны металла все более и более насыщаются углеродом.

На фото 12, б видны три совершенно различные зоны в стали. Левая зона соответствует заэвтектоидной стали с содержанием углерода 1,5 %. Она состоит из перлита и сравнительно крупных скоплений сфероидальных карбидов (цементита), выделившихся при медленном охлаждении стали. За ней расположена зона чистого феррита. Третья зона характеризуется пластинчатым перлитом со значительно меньшим выделением, цементита. Сплав этой зоны содержит примерно 1,2 % углерода. Таким образом, замеченные Н. Т. Беляевым выделения структурно-свободного цементита наблюдались и в нашем булате.

Выделение цементита на границе феррита и заэвтектоидной стали объясняется, по-видимому, диффузионным взаимодействием включений железа с высокоуглеродистой матрицей в процессе охлаждения слитка и последующего нагрева стали для пластической деформации. Поэтому наиболее крупные карбиды скапливаются в виде сегрегатов на границе с ферритной зоной. Средний размер карбидов 4–5 микрон, занимаемая ими площадь на шлифе — до 45 %. На границе с ферритом часто наблюдались монолитные карбидные участки (фото 12, в). Такая структура стали должна обеспечивать необыкновенно высокие режущие свойства булата.

Неоднородность по углероду вызывала появление в булате самых разнообразных структур. Так, например, зоны пластинчатого перлита с выделениями карбидов чередовались не только с ферритными, но и с феррито-перлитными, характерными для доэвтсктондных сталей с содержанием 0,25–045 % углерода (фото 12, г).

Булаты с ферритными и углеродистыми прослойками отличались по микронеоднородности только тем, что в последних металл всех зон был более насыщен углеродом и включений феррита было очень мало. Включения цементита в таких булатах выделялись на границе с менее насыщенной углеродом зоной стали.

Таким образом, микроструктура отожженного булата подтверждает ярко выраженную неоднородность его по углероду, которая сопровождается чередованием практически всех возможных структур, характерных для сплавов с углеродом от 0,03 до 1,5 %. Наряду с этим характерной особенностью булата является выделение крупных зерен цементита, группирующихся часто в конгломераты. Особенно важно, что частицы карбидов, как правило, выделяются на границах с мягкими и пластичными структурными составляющими.

Интересно, что аналогичные особенности микроструктуры доаносовских булатов описывает современный исследователь И. С. Гаев. Обнаружив неоднородность распределения цементита в закаленной стали, он показал, что крупнозернистость и неравномерное распределение цементита сохраняются и после отжига при 900 °C. В микроструктуре отожженной стали он наблюдал, так же как и мы, «круглые зерна эвтектического и вторичного цементита, а также цементита пластинчатого перлита, образованного в процессе отжига». При нагреве и ковке часть зерен цементита дробится и растворяется в аустените, а затем снова укрупняется путем выделения и коалесценции. Крупные зерна могут сохраняться при нагреве. И. С. Гаев получил зерна цементита почти такой же величины, как в булате, в образцах стали, изготовленных спеканием смеси порошков чистого железа и сажистого углерода. Этот эксперимент подтверждает наши предположения о том, что на границе железа и высокоуглеродистого сплава создаются благоприятные условия для образования крупных зерен цементита.

Современные исследователи булатной стали И. С. Гаев и И. Н. Богачев считали, что большую неоднородность в распределении углерода можно достичь длительной выдержкой полужидкого металла, не доводя его до расплавления. Другими словами, они поддерживали теорию Д. К. Чернова и Н. Т. Беляева о том, что природа булатного узора связана только с дендритной неоднородностью стали по углероду. На основании приведенных выше сведений можно заключить, что ликвация углерода при кристаллизации булатного слитка — действительно важный фактор, хотя она и не является первопричиной образования узора. Медленное охлаждение двухфазного сплава, с одной стороны, помогает достичь его наибольшей неоднородности, с другой — обеспечивает диффузию углерода из жидких или полужидких масс высокоуглеродистой стали в частицы малоуглеродистого железа. Эти явления приводят к «диффузионной сварке» частиц сплава с различным содержанием углерода и в результате к получению монолитного слитка булата.

Если выплавленную булатную сталь охлаждать быстро, то диффузия углерода происходит значительно в меньшей степени, и благодаря различным коэффициентам объемного сжатия при охлаждении высокоуглеродистой и малоуглеродистой стали возникают сильные напряжения, которые могут привести к трещинам. Поэтому быстро охлажденные слитки при ковке разваливались, и из них не удавалось изготовить какое-либо изделие. Правда, если включений феррита много и они достаточно крупные, то, будучи пластичными, они при ковке могут легко деформироваться и под давлением окружающего металла заваривать разрывы и микротрещины, образующиеся в хрупких высокоуглеродистых зонах.

Из приготовленного нами булата были выкованы клинки разных форм и сечений. Наступило время решать вопрос о режимах их термической обработки — закалке и отпуске.

П. П. Аносов закаливал булаты в зависимости от назначения в сале или воде, причем самые твердые из них — преимущественно в сале, предварительно нагретом почти до температуры кипения. Применение сала, а в наше время — масла в качестве охлаждающей среды при закалке значительно уменьшает возникновение в стали закалочных дефектов, так как эта среда обеспечивает сравнительно небольшую скорость охлаждения в момент превращения аустенита в мартенсит.

Известно, что многие металлурги придавали большое значение режимам закалки булата и даже относили их к основным секретам приготовления булатного оружия.

В дальнейшем читатель убедится, что для такого мнения есть веские основания. В то же время полученная нами слоистая структура булата в отожженном состоянии не давала никаких оснований опасаться того, что булатный узор будет разрушен в результате последующей закалки при любых выбранных режимах нагрева и охлаждения.

Зная микроструктуру отожженной стали и ее химический состав, подобрать оптимальную температуру нагрева под закалку и необходимые скорости охлаждения при современном состоянии науки не так уж трудно. Очевидно, свойства булата будут тем выше, чем тверже и прочнее металл в зонах железоуглеродистого сплава заэвтектоидного состава. Что касается участков железа или малоуглеродистой стали, то они при нагревах и охлаждении под закалку должны сохранять ферритную структуру и обеспечивать пластичность и вязкость булата.

Наибольшую твердость после закалки может обеспечить только мартенситная структура с крупными включениями цементита. Поскольку такие включения карбидов железа уже получены в стали после отжига, следует осуществлять нагрев под закалку до таких температур, чтобы они не растворялись полностью в аустените. С этих позиций нагрев стали надо было бы осуществлять до температур порядка 740–750 °C (см. рис. 2). При достаточной выдержке при таких температурах перлит полностью превратится в аустенит, а карбиды раствориться в аустените не успеют.

Однако предварительными экспериментами было установлено, что нагрев до температур 740–750 °C и последующее быстрое охлаждение булата в масле приводят к образованию смешанной троостито-мартенситной структуры, которая максимальную твердость стали обеспечить не может. Выпадение троостита в данном случае объясняется тем, что имеющиеся карбиды являются готовыми центрами кристаллизации для перлита (троостита) и облегчают его образование даже при высоких скоростях охлаждения стали.

Чтобы увеличить скорость охлаждения, необходимо было поднять температуру нагрева стали. После закалки от температур 850–870 °C сталь имела мартенситную структуру, но появились участки остаточного аустенита и наблюдалось значительное измельчение карбидов. Такая структура также не могла обеспечить необходимую твердость и износостойкость.

Оказалось, что только закалкой от узкого интервала температур 810–830 °C можно получить требуемые структуры и свойства булата.

На фото 13, а показана микроструктура закаленного булата с ферритными прослойками. Слева видна ферритная зона, справа — зона мелкоигольчатого мартенсита с включениями крупных и мелких карбидов, которые группируются у границы структурных зон. Микротвердость мартенситной зоны в 5 раз выше ферритной. Чередование мягких и пластичных ферритных зон с твердыми мартенситными прослойками наблюдается в объеме всего металла (фото 13, б). Примечательно, что и в ферритной зоне встречались крупные включения мартенсита (фото 13, в). Чередование феррито-мартенситных зон с мартенситными показано на фото 13, г. В мартенситных зонах наблюдались мелкие зерна остаточного аустенита.

Аналогичные структуры были выявлены после закалки булата с углеродистыми прослойками. Интересно, что микроструктура этого булата после нормализации от 810 °C и образца кованого булата П. Н. Швецова были очень похожи. В этом мы находим подтверждение того, что П. Н. Швецов умел готовить булат только с углеродистыми прослойками.

После детального изучения свойств закаленного булата сделанные образцы холодного оружия и инструмента было решено подвергнуть следующей термообработке: закалке от 810–830° в воде и масле и низкому отпуску при 180–230 °C. Готовые изделия были отполированы, протравлены уксусной кислотой и промыты дистиллированной водой. Часть изделий хромировалась и никелировалась, при этом узор полностью сохранялся.

В отделе оружия Государственного исторического музея хранится авторское свидетельство на изобретение за № 116334 от 18 февраля 1955 года «Способ изготовления слитков булатной стали», а рядом на стенде — кортик и полированные плитки с причудливыми узорами. Все это создано златоустовскими металлургами И. Н. Голиковым, П. В. Васильевым, Ю. Г. Гуревичем, Н. Ф. Лонгиновым и Ю. И. Люндовским.

На мечах, шпажных клинках, кортиках, топорах и ножах разных форм хорошо просматривались узоры всех сортов булата (См. фото 8, 9, 10, 11, 14). Часть этих изделий экспонировалась на Всесоюзной выставке достижений народного хозяйства СССР в 1956 году. В Златоустовском городском музее демонстрируется также кубок из булатной стали, изготовленный в честь 200-летия города Златоуста.

Клинки из нашего булата рубили гвозди и обладали высокими режущими свойствами. Несмотря на большую твердость, они обладали достаточно высокой вязкостью: при ударах значительной силы поломать их не удавалось. Булатные ножи для рубанка работали без заточки в несколько раз дольше, чем ножи из обычной углеродистой стали.

К сожалению, легендарной упругости булатных клинков достичь не удалось. Хорошо известно, что высокую упругость можно обеспечить тщательной шлифовкой и тонкой полировкой изделий. Так, например, Д. К. Чернов показал, что если хорошо отполировать кристалл поваренной соли, то даже он приобретает упругость. Н. Т. Беляев подчеркивал, что «полировка изделий доводилась П. П. Аносовым до такого совершенства, что готовые изделия, в сущности, являлись шлифами». Условиями для подобной отделки образцов булата мы не располагали.

А вот «харалужные» (цветастые) булаты мы приготовляли успешно. Для этого обычный булат с ферритными или углеродистыми прослойками оксидировался в обычной нагревательной печи при температуре 200–400 °C. В связи с тем что цвет стали при нагревании на воздухе изменяется в зависимости от содержания в ней углерода, нам удавалось получать на фоне золотистой матрицы красивые сиреневые узоры.

В июле 1961 года в Златоусте вновь собрались металлурги со всей страны. Здесь состоялось Всесоюзное совещание прокатчиков. Участникам совещания в качестве сувениров были подарены пластины из узорчатой стали…

Секреты булата

После того как разработана технология получения булатных слитков, показаны приемы получения рисунков различных сортов узорчатой стали и оценены ее свойства, представляет интерес еще раз проанализировать данные, которые накопила история и наука о производстве этой замечательной стали, ее термической обработке и отделке.

Наши разработки теории и производства булата убедительно показали, что булатный узор и необыкновенные свойства этой стали являются следствием не только макро-, но и микронеоднородности металла. Если макронеоднородность зависит от физической неоднородности, обусловленной сохранением в объеме жидкой стальной ванны недорасплавленных частиц с небольшим содержанием углерода, то микронеоднородность возникает вследствие диффузии углерода из слоя в слой при нагревах изделий и тщательного «перемешивания» слоев металла во время пластической деформации.

Таким образом, с одной стороны, правильна расшифровка работ П. П. Аносова профессором А. П. Виноградовым; с другой — Д. К. Чернов, Н. И. Беляев и их последователи совершенно верно указывали на необычную микронеоднородность булата. В связи с этим экспериментально полученные А. П. Виноградовым узоры на образцах низкоуглеродистой стали являются только имитацией булата, поскольку в микроструктуре такой стали не наблюдаются выделения цементита (карбидов).

Очевидно, и наши разработки не могут претендовать на полное воспроизведение свойств булата, качество которого, как уже неоднократно указывалось, зависело от многих факторов: чистоты и состава исходных материалов, способов деформации и термической обработки, отделки, шлифовки и полировки готовых изделий.

В наше время хорошо известно: чистота и свойства железа и стали зависят не только от содержания в них таких вредных примесей, как кислород, сера и фосфор, но и от загрязненности металла неметаллическими включениями, представляющими собой главным образом мельчайшие частицы оксидов тугоплавких элементов. Применяемое нами мягкое железо, например, было получено путем окисления в жидкой стали ненужных примесей и перевода их в шлаковую фазу. Поэтому наше «чистое» по кремнию и марганцу железо обязательно содержало включения оксидов этих элементов.

В древние времена железо получали путем восстановления чистых по сере и фосфору руд древесным углем при температурах 800–1200 °C. При этих температурах кремний, марганец и многие другие элементы не восстанавливались, а их твердые оксиды растворялись в жидком шлаке. Железо в крице, очищенной от шлака, практически не содержало включений оксидов тугоплавких элементов. Таким образом, сыродутный и кричный процессы получения железа обеспечивали высокую чистоту металла не только по сере, фосфору и другим примесям, но и по неметаллическим включениям. Такое железо и приготовленные на его основе сталь и чугун могли обладать необыкновенной пластичностью и высокими механическими свойствами.

Есть еще одна возможная причина высокой пластичности и вязкости булатной стали. Недавно советским металлургом С. М. Барановым зарегистрировано открытие, связанное с «явлениями изменения структуры к свойств стали, обусловленных присутствием моноокиси кремния». Оказывается, наличие окиси кремния в сталях сильно снижает их пластичность и вязкость при низких температурах. Поэтому на заводе им. И. А. Лихачева, например, кузова автомобилей, предназначенных для северных районов, изготовляли из углеродистых сталей, отлитых методом бескремнистого раскисления. Эти стали обладают также повышенной коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. С. М. Баранов считает, что при сыродутном способе получения железа и стали условий для образования моноокиси кремния не существовало, и поэтому булатные стали хорошо ковались при низких температурах, были прочными и пластичными.

Действительно, в большей части клинков из булата обнаружено очень мало кремния, а содержание фосфора высокое (0,8–0,25 %). Мы уже отмечали благоприятное действие фосфора на коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях. С другой стороны, фосфор усиливает междендритную ликвацию углерода при кристаллизации стали и делает феррит более устойчивым. В связи с тем что растворимость фосфора в аустените — гораздо меньше, чем в феррите, при охлаждении стали ниже 1400 °C из пересыщенного фосфором аустенита выделяются не фосфиды, а возникают ферритные участки с более высоким содержанием этого элемента. Такие участки устойчивы при дальнейшем охлаждении стадии они становятся зародышами при образовании феррита при низких температурах. Последнее приводит к тому, что в микроструктуре стали появляется неоднородность в виде светлых полосок или пятен. Такая неоднородность была выявлена нами в прокатанной на лист низкоуглеродистой стали, содержащей 0,11 % фосфора. Таким образом, фосфор мог усиливать микронеоднородность булата.

Если тайны булатных узоров и природы структурной неоднородности булата больше не существует, то в технологии приготовления булатных изделий — их ковке, термообработке и отделке — есть еще много белых пятен.

Многие булаты по содержанию углерода ближе к чугуну, чем к стали, поэтому булат — сталь сверхуглеродистая. Длительное время считали, что ковать чугун и сверхуглеродистые стали нельзя, они хрупкие и рассыпаются под ударами молота. Между тем булат надо было не просто проковать, а проковать так, чтобы сталь приобрела мелкозернистую структуру.

Совершенно прав металлург А. Герчиков, который замечает, что острота и стойкость острия зависят от того, насколько мелки зерна основной твердой фазы стали. Современную сталь для режущего инструмента подвергают специальной ковке, чтобы измельчить зерно. У булата же зерно должно было быть чрезвычайно мелким. Правда, зерно булатной стали мелкое уже в слитке, поскольку твердые частицы включений обеспечивали объемную кристаллизацию жидкой стали и затрудняла рост дендритов. При ковке слитка зерно еще более измельчалось. Теперь мы знаем, что одна из причин мелкозернистости и высокой пластичности сплавов железа с высоким содержанием углерода — их особая чистота. А если ее нет?

В последнее время появились работы, показывающие, что при определенных температурах деформации сверхуглеродистая сталь, содержащая 1,2–2,0 % углерода, может обладать высокой пластичностью и по другим причинам. Главным условием высокой пластичности и даже сверхпластичности является не только дисперсность зерен, но и постоянство их размеров при температуре деформации. Последнее обеспечивается, если в стали образуются очень тонкие частицы цементита (карбидов железа).

Подготовка стали к сверхпластичному состоянию осуществляется сравнительно недавно вновь открытыми методами термомеханической обработки. Сталь нагревают немного выше температуры перлито-аустенитного превращения и выдерживают необходимое время для растворения всех карбидов в аустените. Затем ее непрерывно деформируют, одновременно охлаждая. Это приводит к сильному измельчению аустенита, образованию субзерен и созданию значительного количества рассеянных дислокации. Выпадающие из аустенита по мере его охлаждения тонкие частицы карбидов (цементита) оседают на дислокациях и субзернах.

При температуре 727 °C (см. рис. 2) аустенит начинает превращаться в феррито-цементитную смесь. Дальнейшая непрерывная деформация приводит к образованию сверхтонких зерен феррита с однородным распределением субмикронных частиц цементита. Именно такой материал и обладает сверхпластичностью при 600–650 °C. Так, например, сталь, содержащая 1,6 % углерода, при этих температурах удлиняется перед разрушением более чем на 1000 %. После охлаждения до комнатных температур эта сталь обладала примерно в 2 раза большей прочностью, чем малолегированные инструментальные стали, и не уступала им в пластичности!

Еще выше поднимаются свойства стали после закалки. Мартенсит сверхуглеродистой стали имеет твердость и прочность на излом при сжатии, соизмеримые с карбидом вольфрама — одного из самых прочных и твердых после алмаза материалов. Но карбид вольфрама имеет нулевую пластичность при сжатии, и поэтому разрушается хрупко, в то время как сталь до излома пластически деформируется почти на 10 % и разрушается вязко. Таким образом, высокоуглеродистые заэвтектоидные стали при должной термомеханической обработке могут обладать высокой твердостью, прочностью и достаточно большой вязкостью. Мы уже знаем, что эти качества позволяют затачивать лезвие клинка до необыкновенной остроты.

Высокодисперсные зерна феррита, полученные в результате термомеханической обработки высокоуглеродистых заэвтектоидных сталей, обладают необыкновенно высокой подвижностью атомов на своих границах. При 650–800 °C диффузия атомов железа на поверхность зерна проходит в миллион раз быстрее, чем в его основу. Такие свойства стали должны хорошо обеспечивать ее сварку в процессе ковки. О. Д. Щерби экспериментально показал возможность сравнительно быстрой диффузионной сварки высокоуглеродистой заэвтектоидной стали с мягким железом и низкоуглеродистыми сталями при 800 °C. Им получен слоистый материал, аналогичный сварочному булату (дамасская сталь).

Знаменательно, что не так давно советские ученые А. Бочвар, В. Давыдов и Л. Лушников показали: при определенных условиях обычный чугун также становится сверхпластичным. Оказывается, при определенной температуре и достаточно быстрой деформации опасные изломы и трещины в чугуне не образуются. Зарождавшиеся очаги разрушения быстро «затягиваются». Механизм «затягивания» микротрещин связывают с большой скоростью диффузии, которая достигается лишь тогда, когда зерна металла очень мелкие и имеют круглую форму. Эксперименты с мелкозернистым белым чугуном, содержащим углерода 3,5 %, свидетельствуют, что при 70 °C удлинение образцом достигало 150 %!

Использовали ли древние кузнецы термомеханическую обработку стали для получения ее высоких свойств? Установленные факты позволяют положительно ответить на этот вопрос. Известно, что дамасские оружейники построили между двумя высокими горами мастерскую и вывешивали на сильном ветре раскаленные докрасна после ковки клинки. Подобным образом закаливали сталь и в древней Грузии. Только что откованый горячий клинок кузнец передавал подручному, и тот, мчась верхом на разгоряченном коне, размахивал ям над головой. Эти способы закалки булата непосредственно после ковки в потоке ветра кажутся сегодня романтичными; между тем они как раз и являются своеобразными приемами термомеханической обработки стали.

Совмещение ковки, закалки и отпуска — закономерный прием в технологии производства изделий с мелкозернистой структурой, высокой твердостью и упругостью. Для получения высокой твердости стали ее отпуск после закалки должен быть как можно более низким — при температуре 150 °C. При таком отпуске нельзя получить высокой упругости. Отпуск же при 300 °C обеспечивает высокую упругость, но при этом резко снижается вязкость стали вследствие развития необратимой хрупкости. Более высокая температура отпуска стали повышает вязкость, но снижает упругость.

Благоприятное сочетание всех этих свойств — твердости, упругости и вязкости — может быть получено при определенном температуре отпуска, только после термомеханической обработки, подавляющей хрупкость. Поэтому клинок, закаленный после ковочного нагрева, непосредственно после ковки должен обладать максимально благоприятным сочетанием всех указанных свойств. Похоже на то, что в древности это знали…

Кузнецу мало было владеть достаточно сложными приемами ковки булата, он должен уметь нагреть сталь до строго определенной, оптимальной температуры и прекратить деформацию металла в нужный момент. Как читатель уже убедился, отклонения от заданной температуры отрицательно сказывались на строении стали и могли значительно ухудшить свойства клинка.

Древние кузнецы, конечно, не могли измерять температуру металла, они судили о ней по цветам каления и побежалости на его поверхности при нагреве. Острые глаза кузнецов различали целую гамму цветов нагретой стали. Вот она. Бело-матовый — 1250 °C, светло-желтый — 1200, желтый — 1100, светло-красный — 950, красный — 850, светло-вишневый — 800, вишнево-красный — 750, темно-вишнево-красный — 650, темно-красный — 600, слабосветящийся — 550, серый — 330, светло-синий — 320, темно-синий — 300, фиолетовый — 285, коричнево-красный — 265, темно-желтый — 220 °C.

Древние манускрипты повествуют, что в давние времена мастера перед ковкой и закалкой булата плотно завешивали окна и работали в полной темноте. Как теперь ясно, это отнюдь не таинственный обряд. В темноте натренированному глазу легче проследить гамму цветов раскаленного металла. И все-таки надо иметь большой навык, чтобы не ошибиться во всех этих цветах и оттенках; да и не каждому дано такое зрение. Поэтому мастера постоянно искали более совершенные и простые способы определения температуры.

Особенно точно надо было определять температуру при закалке и отпуске изделий. Изменение температуры нагрева под закалку на 10–20 °C может заметно изменить свойства стали. Еще более важно точно зафиксировать температуру при отпуске. Даже несколько градусов отклонения от необходимой температуры отпуска для стали данного состава приводит к значительному ухудшению ее упругости.

Случай, о котором я сейчас расскажу, произошел не так давно. Приближалось начало осенней охоты, и охотники приводили в порядок свои ружья. Особенно важно восстановить упругость пружины бойка. Для этого пружину следует закалить и, главное, правильно отпустить. Делать это лучше всех умел один старый мастер. И делал, но с одним условием: никто не должен наблюдать за его работой. Заперся как-то этот мастер в термичке после конца рабочей смены, принялся за работу. Но какой-то парень все-таки подсмотрел его секреты. Увидеть увидел, а понять ничего не смог. Нагрел мастер пружину в печи и начал к ней прикладывать какие-то палочки: то одну приложит, то другую. Прикладывал, прикладывал и вдруг резко бросил пружину в воду. После этих манипуляций пружина стала необыкновенно упругой. Не знал этот парень, что «волшебник» пользовался старинным способом определения температуры стали при отпуске по воспламенению различных сортов дерева…

А способ этот применяется в металлургии и поныне. Американский инженер Р. Акофф рассказывает, что совсем недавно, когда на одном из металлургических заводов начали устанавливать термопару для определения температуры футеровки электропечи, старый сталевар спросил: «А зачем вы это делаете, можно же гораздо проще!» Он разжевал табак, плюнул в печь и по времени его воспламенения достаточно точно определил температуру футеровки.

Закалку стали применяли с незапамятных времен. Ее знали мастера Древнего Египта за несколько веков до нашей эры. Знаменитые Лейденские папирусы, найденные в Фивских гробницах, содержат описание способов получения и закалки металлов, относящихся к III веку. Лезвия древнеримских мечей из сварочного булата были закалены на мартенсит. На некоторых клинках мартенситная структура чередовалась с трооститом, причем в отдельных местах выступал феррит. Последнее свидетельствует о небольшом, менее 0,8 %, содержании углерода в сварочном булате. Интересно также, что в средней части клинков закалки не обнаружено.

Мартенсит в структуре лезвий очень древних мечей находят не часто, поэтому вещественных доказательств применения в глубокой древности термообработки не так уж много. Это объясняется тем, что, с одной стороны, большинство найденного холодного оружия подвергалось действию огня, а с другой — за многие сотни лет мартенситная структура стали, полученная закалкой, могла превратиться в перлитные структуры отпуска.

Широко применяли термическую обработку стали в Киевской Руси. Из исследованных Б. А. Колчиным более 200 цельностальных или со стальными лезвиями древнерусских клинков и наконечников стрел термическую обработку сохранило более 90 % изделий.

Древние кузнецы эмпирически владели почти всеми тонкостями технологии закалки и отпуска стали. Они знали, что чем быстрее охладить сталь после нагрева под закалку, тем она тверже и износоустойчивей. В. Шекспир так описывает меч Отелло:

Температура воды и растворимые в ней соли оказывают большое влияние на скорость охлаждения. Поэтому в древности пользовались для закалки родниковой водой, водой из минеральных источников, росой и так далее. Температуру воды и место ее отбора держали в строгом секрете. Сохранилась легенда о том, как один подмастерье захотел узнать, при каком жаре идет закалка. Когда мастер опустил в воду раскаленный клинок, тот сунул в сосуд палец. Рука подмастерья, проявившего излишнее любопытство, была отрублена ретивым мастером.

О том, какое значение имела температура воды и растворимые в ней соли, свидетельствует случай, который произошел уже в наши дни. На заводе вдруг пошел повальный брак по механическим свойствам деталей после термообработки. Причину установили не сразу; оказалось, что кто-то в закалочной воде помыл руки с мылом…

В древности искали и умели находить среды, в которых сталь охлаждается быстрее, чем в простой воде. Вот как Теофил описывает закалку стали, которая режет «стекло и мягкие камни»: «Берут трехлетнего барана, привязывают его и в течение трех дней его не кормят. На четвертый день его кормят только папоротником. Спустя два дня такой кормежки его ставят на следующую ночь в бочонок с пробитыми снизу дырами. Под эти дыры ставят сосуд, в который собирается моча барана. Собранная таким образом за две-три ночи в достаточном количестве моча барана изымается, и в указанной моче закаливают инструмент».

Когда кузнецы научились получать стали с большим содержанием углерода, они обнаружили, что клинки, закаленные в холодной воде, легко ломаются от удара. Поэтому в Персии, например, начали закаливать холодное оружие в мокром холсте. Известен также метод закалки, при котором клинок до термической обработки обмазывался для тепловой изоляции толстым слоем особой глины с разными примесями. Состав удалялся только с лезвия, подлежащего закалке в воде. Образовавшейся при этом демаркационной линии в каждой мастерской придавали своеобразный оригинальный рисунок, по которому можно отличить мастера, изготовившего холодное оружие.

Древние кузнецы знали и способы предохранения металла от окисления в период нагрева под закалку. Кузнец брал бычьи рога, сжигал их на огне, в полученный пепел примешивал соли и посыпал этой смесью изделия, шепча заклинание. После этого изделия нагревались и закаливались в воде или сале. Если не говорить о заклинании, то все это, как ясно теперь, являлось необходимым условием безокислительного нагрева стали.

Чтобы обеспечить необходимые свойства лезвию и обуху, закаленные клинки нужно было уметь отпускать при разных температурах. Делалось это путем нагрева клинка над раскаленными углями. Так при отпуске сабельного клинка различные его части отпускались следующим образом: у ручки клинок нагревали до зеленого цвета, у конца — до синего, в середине — до фиолетового, а лезвие — до желтого.

Применялась в древности и химико-термическая обработка стали. Цементацию стали делали так. Изделия смазывали свиным салом, обматывали ремешками, нарезанными из козлиной кожи, обвязывали льняными нитками, покрывали слоем влажной глины, сушили и помещали в горн. Поверхность стали науглероживалась, становилась твердой после закалки в воде, в то время как сердцевина оставалась вязкой, пластичной.

Кто не читал о варварском способе закалки стали в теле человека? В Древней Сирии, повествует легенда, клинок нагревали до цвета вечерней зари и шесть раз вонзали в ягодицы молодого раба. Известны приемы подобной закалки стали охлаждением в теле свиньи, барана или теленка. Был ли смысл в этом страшном ритуале? Оказывается, как это ни крамольно звучит, был. Он связан с химико-термической обработкой стали, которая называется цианированием.

Под цианированием понимают процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом. По сравнению с цементированным цианированный слой обладает более высоким сопротивлением износу, немалой твердостью, хорошей устойчивостью против атмосферной коррозии.

Твердое цианирование — процесс, аналогичный цементации. Он состоит во взаимодействии стали при нагреве с цианистыми солями. Основным компонентом солей является группа (СN), которая снабжает поверхность стали углеродом и азотом одновременно. Таким образом, цианирование — это совмещенный процесс цементации и азотирования. Для цианирования применяют чаще всего желтую кровяную соль К4Fе(CN)6 (. Если посыпать такой солью поверхность детали и нагреть ее до температуры 500–600 °C, то в результате диффузии углерода и азота в тонкий поверхностный слой детали произойдет цианирование.

Но почему желтую соль К4Fе(СN)6 называют кровяной? Оказывается, потому что ее длительное время получали сплавлением обугленной животной крови с поташом и железом. Не исключено, что древние воины после битвы обмывали свои клинки водой и сушили на кострах. На клинках оставалась кровь, а в озерной воде часто бывает много растворенного поташа (К2СО3). Так, совершенно случайно в древности осуществляли цианирование стали. Между тем воины замечали, что после применения в сражениях поверхность их клинков становится твердой, износостойкой. Это и могло послужить основой «кровавого способа» термообработки холодного оружия.

После ковки и термической обработки клинки обтачивались на точильных камнях, шлифовались и полировались. Эта работа включала ряд технологических операций и тоже требовала навыков, опыта и знания целого ряда ремесленных секретов.

Черновая шлифовка осуществлялась обычно на небольшом широком камне. Клинок заворачивался в предохраняющую ткань, обнажался только участок который подвергался шлифовке. Затем ткань передвигалась, и шлифовался следующий участок. Чистовая шлифовка делалась мелкозернистыми камнями различных сортов: корундом, наждаком, песчаником и другими. Доводка производилась на 4–8 камнях, а лучших клинков — на 15. Сохранилась миниатюра XII века, изображающая процесс изготовления мечей. Точило укреплено на деревянной колоде, наполненной водой. Подмастерье крутит ручку точила, а мастер шлифует клинок.

После обработки на камне клинки шлифовались различными тканями. В Индии нередко мастер заканчивал полировку пальцами своей руки. Советский филолог Н. Р. Гусева, прожившая несколько лет в Индии, так описывает процесс полировки изделий, который согласно преданиям был в ходу у древних индийцев: «Полировка осуществлялась при помощи трех компонентов: песка, наждака и пальца. Так вот, пальцем день за днем, с утра до ночи, месяц за месяцем, год за годом, поколение за поколением. И получали идеальную гладкую поверхность…».

Необыкновенное умение и титанический труд требовались, чтобы изготовить булатный клинок. Один клинок делался не часы, не дни, не месяцы, а годы…

Теперь совершенно ясно, что секрет булата был не один — их было несколько. Первая группа секретов относится к особенностям технологии получения слитка булатной стали с присущей ему неравновесной структурой, физической и химической неоднородностью. Эти секреты теперь расшифрованы, получен булатный слиток.

Вторая группа секретов относится к искусству ковки и получению булатных узоров. Многие приемы ковки булата сегодня осмыслены и познаны, воспроизведены почти все известные булатные узоры. Но тут еще последнее слово не сказано, работы в этой области продолжаются.

Третья группа секретов касается чистоты исходных материалов, обеспечивавшей особый химический и фазовый состав углеродистой стали, вырабатываемой в древности. Эти секреты современная наука также постепенно раскрывает.

Четвертая группа секретов включает термическую и химико-термическую обработку стали. Многовековой опыт металлообрабатывающего ремесла позволил оружейникам найти оптимальные режимы термомеханической обработки, цементации, закалки и отпуска стали, которые они держали в секрете. За время, прошедшее с тех пор, термическая обработка стали превратилась в стройную науку. Пользуясь современными теоретическими и экспериментальными методами анализа, можно раскрыть многие секреты, касающиеся термообработки древнего булата.

Наконец, пятая группа секретов касается отделки булатного оружия. Здесь следует решительно признать: воспроизведение методов шлифовки и полировки древних клинков — дело для нас чрезвычайно трудное. Поэтому пока еще никому не удалось достичь легендарной упругости булатных клинков.

Исходя из секретов производства булатной стали сегодня можно достаточно убедительно ответить на вопрос: что такое булат? Но ответ этот будет не прост.

Булат — это углеродистая заэвтектоидная сталь. Булат не только углеродистая сталь, булат — сталь сверхуглеродистая, близкая по составу к чугуну. Булат не только сверхуглеродистая сталь, булат — сталь особо чистая, без посторонних примесей. И наконец, булат — высокоуглеродистая сталь, обладающая неравновесной структурой, с ярко выраженной макро- и микронеоднородностью. Булат — слоистая сталь. Очень твердые слои с высоким содержанием углерода чередуются в булате со слоями, мало насыщенными углеродом и поэтому пластичными. В процессе ковки все слои переплетаются, образуя характерный естественный рисунок. Булат — узорчатая сталь. Структура булата после применения специальных методов ковки, термомеханической обработки и отделки обеспечивает ему необычайно высокие механические свойства. Булат — сталь, обладающая одновременно высокой твердостью, прочностью, вязкостью и упругостью. Чередование мягких и очень твердых участков на лезвии клинка превращает его в микропилу и обеспечивает самозатачиваемость. Булат — сталь, обеспечивающая необычайную остроту лезвия клинка и его самозатачиваемость. Таким образом, в понятие «булат» вкладывается целый ряд характерных особенностей этой замечательной стали.