| Слитки
"ликвационных" булатов, ровно как и клинки из них, расковывают
при нагреве до невысоких температур, не превышающих 800-850 °С.
Это совершенно обязательное условие, иначе, при более сильном разогреве,
карбидные частицы полностью растворяются и узоры исчезают. Аносов
по этому поводу писал, что "...потеря узоров при ковке булата
составляет вину кузнеца."
Другим условием правильной
ковки является ее постепенность. Аносов прямо указывал, что качество
булата тем выше, чем медленнее ведется ковка. Действительно, аккуратная
ковка при невысоких температурах, требующая многочисленных подогревов.
приводит к повышению контрастности узоров. При нагреве мелкие карбиды
и острые грани карбидов крупных растворяются, а при остывании углерод
вновь выделяется на поверхности крупных частиц в высокоуглеродистом,
прочном волокне "ликвационного" булата. При отковке из
слитка булатного клинка каждый его участок нагревают до 6-8 раз
и первоначально слегка размытый узор приобретает резкость и контрастность.
Методы выплавки слитков таких "ликвационных" булатов
хорошо известны. Общим для всех них является условие замедленного,
длительного остывания слитков, в результате чего и проис-ходит образование
грубокристаллической структуры. Так, посетивший Иран (Персию) штабс-капитан
Масальский в "Горном журнале" за 1841 год так описывает
виденный им в Персии про-цесс выплавки булата: 'В огнеупорный тигель
мастер закладыва-ет измельченную смесь старого, бывшего в употреблении
железа и зеркального чугуна в соотношении 1 часть чугуна на 3 части
железа. Плавка продолжалась 5-6 часов, после чего дутье прекращали
и дожидались, пока печь "затихнет". Затем тигли вскры-вали,
вкладывали в них немного серебра в количестве 4-5 золотников и снова
засыпали печь углем. Все отверстия печи тщательно замазывали и тигель
остывал в тлеющих углях в течение 3-4 дней."
П.П.
Аносов также считал медленное охлаждение тигля необходимым условием
получения высококачественного булата. По его указанию сталеплавильные
тигли оставляли остывать в печи, засыпая их до самой крышки горячей
золой. Необходимость длительной выдержки слитков булата в печи навела
его на мысль подвергнуть "булатному" отжигу болванки обычной
высокоуглеродистой стали. Оказалось, что подвергая ее длительному
отжигу, возможно получить булат. Выдержка при высоких температурных
способствовала укрупнению зерна ме-талла, а первоначальные цементитные
выделения укрупнялись и обо-соблялись. Правда, узоры клинков из
отожженной стали были мелкими, а качество не столь высоким, как
у откованных из изначально узорча-того слитка. Так неутомимый исследователь
разработал третий, дополнительный способ получения литой узорчатой
стали.
Как видно из описаний Масальского, иранцы совмещали
замедленную кристаллизацию слитка с его многодневным отжигом при
краснокалильном жаре. Более того, они не только слитки, но и уже
откованные клинки подвергали подобному отжигу с целью повышения
четкости и контрастности узоров. Во время отжига печи топили сушеным
навозом, что помимо улучшения узоров од-новременно могло способствовать
и насыщению поверхности клинков азотом. По моему мнению, последовательные
искажения перевода первоисточника привели к распространению мнения,
что клинки просто закапывали на неделю в кучу навоза для азотирования
поверхности. Это досадное заблуждение дало повод одному современному
автору пренебрежительно заметить. что после такой обработки их оттуда
можно было и не доставать.
Итак, в средневековье применялись
два основных метода производства литой узорчатой стали и один дополнительный,
а именно: неполное расплавление (с остатками твердой фазы)
замедленная дендритная кристаллизация однородного расплава и длительный
отжиг высокоуглеродистой стали. Впрочем, существовали и комби-нированные
способы, когда расплав чугуна с мелкими включениями железа медленно
кристаллизовался, а затем дополнительно подвергался отжигу. В сочетании
с грамотной ковкой и закалкой это обеспечивало получение булатных
клинков с великолепными узорами.
Выражение "плясать
от печки" имело для восточных кузнецов-оружейников древности
едва ли не буквальный смысл. Применение ими тигельной плавки в низкотемпературных
печах, в которых было возможно расплавить лишь чугун или высокоуглеродистую
сталь, автоматически обеспечивало получение того или иного типа
узорчатой стали. Европейцы выплавляли сталь в конвертерах и мартенах,
в которых получали полностью однородный расплав, а слиток с резко
неоднородной структурой считали одним из видов брака. Готовый слиток
ковали при максимально допустимой температуре, руководствуясь правилом
"куй железо, пока горячо". При такой ковке разрушались
и дендритная структура и цементитная сетка, которые могли бы еще
даже при такой плавке образовать булатные узоры.
Не случайно
именно в Х1Х в. после внедрения высокопроизводительных способов
производства стали, громко заговорили о загадке литого булата и
его утерянных секретах. Таким образом, не утеря технологических
приемов, не упадок, а наоборот, прогресс производства привели к
тому, что булатные клинки стали экзотикой. Однако интерес к ним
вновь возродился, на что есть свои, весьма веские причины.
ИССЛЕДОВАНИЕ
СЕКРЕТОВ ЛИТОГО БУЛАТА. Наиболее полно исследовал методы производства
литых разновидностей узорчато-го металла русский металлург, генерал-майор
корпуса горных инженеров Павел Петрович Аносов, который в 30-х годах
прошлого столетия выплавил на Златоустовском оружейном заводе булат
самого вы-сокого качества и указал основные способы его производства.
При изготовлении по первому предложенному им способу булат
получается непосредственно при восстановлении железной руды путем
сплавления ее в тигле с графитом. Непременным условием считалась
высокая чистота исходных материалов. Действительно, иранцы не использовали
этот метод потому, что их местные руды были сильно загрязнены серой.
Второй способ Аносова — соединение железа с углеродом и дальнейшее
восстановление его закисью железо. Иными словами, в ра-нее выплавленный
чугун нужно было добавить железную окалину (руду), плавить руду
не с графитом, как в первом способе, о с чугуном. Часть содержащегося
в чугуне углерода соединяется с кислородом окалины (руды) и чугун
превращается в высокоуглеродистую сталь. Из руды при этом восстанавливается
железо или малоуглеродистая сталь. Поскольку процесс выравнивания
состава в результате диффузии уг-лерода и перемешивания расплава
не происходит мгновенно, то при определенных режимах плавки и кристаллизации
возможно сохранить в слитке такую неоднородную структуру. Кстати,
Аносов указывал на то, что булат должен затвердевать в тигле, так
как "...разливка по изложницам портит металл". Вероятно,
"порча" происходит вследствие интенсивного перемешивания
расплава при разливке и сравнительно быстрого охлаждения изложниц.
Третий опробованный Аносовым способ представляет собой "...сплавление
железа непосредственно с графитом." В тигель загружали обрезки
железа, графит, флюс и железную окалину. Плавка длилась до 5,5 часов
и в ходе ее обрезки железа сильно науглероживались и частично расплавлялись,
а окалина восстанавливалась до чистого железа.
Четвертый
способ, о котором писал Аносов, нельзя прямо отнести к способам
производства литого булата, поскольку расплавления металла в этом
случае не происходит, а узорчатый металл получался в результате
длительного, многодневного отжига литой высокоуглеродистой стали.
Таким образом, Аносов умел получать все основные виды литого булата,
хотя некоторые исследователи высказывают сомнения в том, что Аносову
действительно удалось раскрыть древние методы выплавки азиатских
булатов. Сравнив описанные ранее традиционные методы с четырьмя
способами Аносова, легко заметить, что это не так.
В лаборатории
Горного института еще в прошлом веке был исследован один из лучших
клинков из аносовского булата. Химический анализ показал, что металл
содержит 1,3% углерода и 0,5% кремния. Проведенное позднее микроскопическое
исследование другого образца показало, что узор в нем образован
волокнистыми скоплениями цементита в троостито-сорбитной матрице.
Вероятно, этот образец был откован из булата, выплавленного по третьему
способу, плавно перетекшему в пятый, когда в результате длительной
выдержки при высокой температуре образовался однород-ный расплав,
долго остывающий в тигле вместе с печью.
Во времена Аносова
булатом называли любую узорчатую сталь, более прочную и острую по
сравнению с обычной, однородной, поэтому высококачественные образцы
стали сравнивали именно с булатом. Так, например, в 1820 году Департамент
горных дел получил сообщение о том, что на Баташевском заводе (ныне
Выксунский) делают "...булат или подражание дамаскинской стали."
Примечательно, что современный исследователь и теоретик булата,
профессор В.А. Щербаков, родом из Выксы, где один из районов города
до сих пор носит название "Булатня", поскольку раньше
в нем жили булатных дел мастера.
В 1827 г. чиновник мастерской
Оружейной палаты Г.И. Реваз, грузинский дворянин, изготовил на Тульском
оружейном заводе несколько образцов булатной стали и сабельных клинков
из нее. Клинки издавали резкий и высокий звон, подобно восточным
булатным, а узор сохранялся даже после переплавки(!) образцов. Реваз
предложил открыть секрет выплавки булата и обучить мастеров, однако
описанный им рецепт изготовления булата из железа, чугуна и руды
вызвал недоверие у металлургов того времени, считавших, что этот
способ "противоречит здравым понятиям первоначальных правил
химии." Решили, что Реваз изготовил свои клинки из подлинного,
старинного индийского вутца. Подробного описания способа не сохранилось,
поэтому сейчас нельзя сделать обоснованный вывод о соответствии
"правилам химии" этой технологии, но набор исходных материалов,
равно как и свидетельство о сохранении узоров после переплавки образцов,
говорит в пользу Реваза.
Безусловно, неоспорим факт, что
в прошлом веке наибольших успехов в производстве булата добился
начальник Златоустовских оружейных заводов П.П.Аносов. Он отмечал,
что, по его мнению, булат — это недоваренная сталь с не полностью
расплавившимися железными частицами. В то же время необходимым условием
полу-чения булата он полагал замедленное охлаждение, способствующее
образованию хорошо различимых узоров. Результаты своей работы и
свое объяснение сути булата он изложил в статье "О булатах",
на которую вот уже 150 лет ссылаются другие исследовате-ли. К сожалению,
объяснений Аносова не поняли даже его совре-менники, которые сочли,
что он либо умышленно не раскрывает сути булата, либо не понимает
ее сам. После смерти Аносова подробности технологии выплавки булата
были постепенно забыты.
Ученик Д.К. Чернова, Н.Т. Беляев,
в 1906 г. написал очень интересную работу "О булатах",
в которой образование узоров в литой стали объяснял дендритной кристаллизацией
сплава и развитой ликвацией углерода. На основании опытов П.П. Аносова
он сделал вывод, что с увеличением содержания углерода характер
узора булата меняется от продольного до сетчатого и коленчатого.
Позднее, в 1923 г. он написал, что старые индусы сначала получают
сталь с первичной структурой, а затем выковывают из нее заготовки
таким образом, чтобы распределение первичных кристаллов имело волнистую
форму. При ковке происходит разрушение длинных игол цементита и
он приобретает округлую форму.
Другой ученик Чернова,
Н.И. Беляев, вслед за своим однофамильцем опубликовал работу, носящую
традиционное название "О булате", в которой писал, что
"...будучи далек от мысли вос-произвести лучший коленчатый
узор индийских мастеров, я тем не менее даю образцы того, как, видоизменяя
ковку, можно видоизменить узор, делая его более красивым и совершенным
в механическом смысле." Беляевы добросовестно развили идеи
своего учителя о причинах возникновения узоров в литой стали, и,
тем самым, внесли фундаментальный вклад в понятие о дендритном,
иначе ликвационном, булате. Справедливости ради надо отметить, что
идею об образовании булатных узоров посредством фасонной ковки стали
с неоднородным распределением углерода высказал еще в 1822 г. директор
парижского монетного двора Бреан.
В 1919 г. профессор
Днепропетровского горного института А.П. Виноградов исследовал узорчатый
металл, полученный низкотемпературной прокаткой среднеуглеродистой
стали с последующим длительным отжигом при температуре 850 "С.
В результате такой обработки получалась "полосчатая структура"
металла, состоящего из видимых невооруженным глазом полос перлита
(0,8 % углерода) и чистого железа. Эта структура неотличимо схожа
с классическим железо-стальным композитом, получаемым с помощью
кузнечной сварки. Интересно отметить схожесть метода с иранским,
при котором откованные едва ли не "в холодную" булатные
клинки отжигались в отапливаемой навозом печи в течение недели.
Применяя различные приемы ковки и скручивания литого композита,
Виноградову удалось получить почти все известные виды булатного
узора. Он полагал, что получил "мягкие" булаты Аносова,
которые, даже имея ясно выраженные узоры, не увеличивали своей твердости
после закалки. Но его разработки остались невостребованными. Современники
профессора высказали мнение, что ему не удалось разгадать древний
секрет производства литого булата, а разработанная им технология
является скорее одним из вариантов получения дамасской стали.
Примерно в то же время Кети Харнекер, сотрудница золингеновской
фирмы "Хенкельс", основываясь на работах Н.Т Беляева,
начала свои исследования литой узорчатой стали. Через несколько
лет ей удалось выплавить узорчатую сталь, имеющую узор в виде паутины,
очень напоминающий узор жгутового, волокнистого Дамаска. Другие
виды узора, хотя и не такие четкие, как в классических образцах,
она получала интенсивной проковкой композита ручным молотом.
Пробовала она получать узоры и на цементованной стали. Очень
чистое железо подвергали цементации в древесном угле при 1100 "С
в течение 12-14 дней, а затем медленно охлаждали. Выделение цементи-та
происходило частично в виде сетки, частично в виде длинных игл,
находящихся в железной (ферритной) или стальной (перлитной) матрице.
Пруты расковывали при максимально низкой температуре, полученные
клинки закаливали и отпускали до фиолетового цвета, т.е. примерно
при 250 "С. Несмотря на высокое (1,5%) содержание углерода,
клинки обладали высокой упругостью и были очень острыми.
Обращает
на себя внимание тот факт, что и в опытах А.П. Виноградова, и в
опытах К. Харнекер, по-видимому, обязательным условием успеха являлась
очень долгая выдержка металла при температурах красного каления.
Вспомним, что в Иране слитки несколько дней выдерживали в горячих
углях. Кроме того, аносовский "четвертый" способ получения
булата прямо предписывал длительный отжиг высокоуглеродистой стали,
в результате которого происходило увеличение степени неоднородности
с выделением скоплений цементита.
В пятидесятых годах
в Златоусте Ю.Г. Гуревич с коллегами выплавил узорчатую сталь, сплавляя
в индукционной печи синтетичес-кий чугун и обрезки малоуглеродистой
стали. Для получения слитка злотоустовские металлурги загружали
в индукционную плавильную печь чистое железо в количестве около
20 кг, расплавляли и науглероживали графитом, получая малокремнистый
синтетический чугун. После подогрева до 1450 "С расплав раскисляли
и постепенно, порциями, засыпали в него мелкодробленую малоуглеродистую
стружку, количество которой составляло до 70% массы чугуна. Степень
оплавления стружки определяли, перемешивая ванну металла стальным
прутком. По мере оплавления каждой порции стружки металл приобретал
кашицеобразное состояние, в связи с чем перед присадкой следующей
порции его быстро подогревали, но не чрезмерно, чтобы фиксировалась
недорасплавленность стружки.
Характерно, что в зависимости
от варианта технологии могли получить два вида композита, в одном
из которых высокоуглеродистая (1,5 % углерода) матрица имела железные
включения, насыщенные углеродом лишь в тонком поверхностном слое.
В другом виде недоваренного, двухфазного булата частицы стружки
науглероживались до стального состояния насквозь при том, что матрица
оставалась высокоуглеродистой. Разнообразные узоры исследователи
получали интенсивной проковкой композита в фасонных обжимках, а
также скручиванием заготовок в разных направлениях.
Ю.Г.
Гуревич подчеркивал, что железные частицы, вводимые в жидкий чугун,
должны быть чистыми, т.е. не ржавыми и без окалины. Он указывал
на то, что сын подручного Аносова, П.Н. Швецов, при выплавке булата
никогда не использовал ржавое железо. Вероятно, это был один из
секретов, усвоенных отцом и переданных старшему сыну. Интересно,
что иранцы поступали точно наоборот и предпочитали хорошо проржавевшее,
долго лежавшее в земле железо. Причины этого предпочтения известны
и заключаются в сильном загрязнении иранского железа серой. При
выдержке в земле наиболее загрязненные серой участки ржавели в первую
оче-редь и таким образом старое, бывшее в употреблении железо очищалось
от вредных примесей. Вспомним, что название "булат - фулад"
в переводе и значит "очищенное железо".
В середине
семидесятых годов кузнец Вячеслав Иванович Басов, родом из древнего
русского города Серпухова, но долгое время работавший в еще более
древнем Суздале, выплавил тигельным способом несколько сортов литой
узорчатой стали - как дендритного, так и двухфазного типа. Некоторые
из них имели ценимый в древности и упоминаемый Аносовым золотистый
отлив. Несколько странно, что десять лет спустя суздальский кузнец
отрицал само существование этого отлива, объясняя золотистый или
красноватый оттенок поверхности булатного клинка лишь окрашивающим
воздействием специальных реактивов. Мои собственные опыты показали
возможность возникновения характерного отлива на клинках из наиболее
высокоуглеродистого булата ден-дритной разновидности. Оружейники,
которым я давал поковки из таких булатов, совершенно самостоятельно
добивались золотистого отлива без использования каких-то необычных
реактивов.
Свои исследования "тайн булата" я
начал с попыток получе-ния литой узорчатой стали традиционным и
простым способом замедленной кристаллизации. Высокоуглеродистый
расплав разогрели до температуры более 1600 "С и заполнили
им керамическую литейную форму в виде цилиндра диаметром около 100
мм и высотой 200 мм. Опоку с формой предварительно подогрели в электропечи
до 1000°С. После разливки опоку немедленно снова поставили в
горячую печь, которую выключили, и металл очень медленно остывал
в течение 15-18 часов. Полученный таким образом слиток имел настолько
грубокристаллическое строение, что после протравливания поперечного
среза центральная его часть имела ярко выраженные узоры коленчатого
типа с величиной фрагментов 3-4 мм. Наружный малоценный слой слитка
обточили на токарном станке, а центральную часть расковали на мощном
молоте при нагреве до классической для литого булата температуре
— 750°С . После закалки и травления клинка в растворе азотной
кислоты проявился крупный и весьма рельефный булатный узор коленчатого
типа. Поскольку фон (грунт) узора был густого черного цвета, а яркий
белый рельеф блестел, то я счел, что получил ста-ринный сорт булата
"кара-табан", т.е. "черный блестящий".
В
последующих опытах изменение режимов выплавки, размеров и формы
слитков дало возможность получить и другие узоры ликвационного булата
- от линейного строчечного до сетчатого. Как и следовало ожидать,
зачастую разнообразие узоров обеспечивалось подбором режимов ковки.
Металл слитка, осаженного на торец, имел гораздо более замысловатые
узоры, чем металл слитка, раскованного вдоль оси. Интересные результаты
дали опыты по сплавлению в тигле чистой железной окалины с порошком
графита, а также плавка чугуна с добавкой, мелких гвоздей и стружки
легированной инструментальной стали. По разным причинам, ни двухфазные,
ни традиционные ликвационные методы в те времена не вызывали у меня
особого интереса, поэтому я надолго увлекся сварочным металлом и
высокотехно-логичными способами производства узорчатого металла.
От самобытных исследователей "тайн булата" вернемся
к ученым-металлургам. В 1 980 г. сотрудник Стенфордского университета
Олег Щерби, потомок русского эмигранта, при исследовании сверхпластичности
высокоуглеродистой (1,5-2,0 %) стали получил металл, зерно которого
было в 200 раз меньше обычного. Когда ему сказали, что он получил
булат, Щерби очень удивился и попросил: "Объясните, ради Бога,
что такое булат?!". Он и понятия не имел о том, что сверхпластичные
стали имеют какое-то отношение к изделиям оружейников средневековья.
Разработанный Олегом Щерби и Джефри Уотсфордом способ заключается
в непрерывной прокатке высокоуглеродистой стали с первоначально
развитой цементитной сеткой в интервале температур от 1120 "С
до 650 "С последующей выдержкой при этой температуре в процессе
обработки. Первоначальная грубая цементитная сетка превращается
в результате такой обработки во множество сверхмелких частиц карбидов,
выделяющихся по границам зерен и препятствующих их росту. Металл
с такой структурой не только становится сверхпластичным при ковке
с умеренным нагревом, но и от-личается высокой вязкостью при обычной,
комнатной температуре.
А.Пендрей и Р. Джоб (США) в 1982 г. изготовили тигельный бу-лат
или, как они сами говорят, 'вутц'. Теперь Пендрей более-менее регулярно
изготовляет на продажу холодное оружие из литой узор-чатой стали
и публикует статьи о 'настоящей* дамасской стали.
В конце восьмидесятых годов советские ученые В.П. Борзунов и
В.А. Щербаков изготовили по оригинальной, по их оценке, техноло-гии
высокоуглеродистую (1,8-2,4 %) узорчатую сталь самого высоко-го
качества. Она обладала всеми достоинствами 'настоящего' бу-лата
- аномальной прочностью, упругостью, высокой плотностью и, что особенно
характерно, необычайно чистым и долгим звоном. Плос-кая пластина
булата толщиной 6 мм, шириной 50 мм и длиной 300мм после единственного
и несильного удара звенела полторы минуты!
Известно, что в старину звон считался одним из главных, опреде-ляющих
параметров качества булатного клинка. Если по свободно висящему
клинку высшего качества несильно ударить, то раздастся чистый, высокий
и необыкновенно долгий звон. Для сравнения можно сказать, что 'просто
хороший' клинок звенит секунд пятнадцать, так же как и железнодорожный
рельс или крестьянская коса. Конкретной технологии, по которой они
получали слитки для производства була-та, ученые пока не раскрывают,
но в опубликованном в 1989 г. сообщении пишут, что"...плоская
лепешка индийского вутца была в те вре-мена единственно правильной
формой представления готового по-лупродукта, несмотря на столь неоптимальную
для ковки форму.
По поводу целесообразности получения
слитка в виде лепешки могу сослаться на опыт Н.И. Беляева, который
получал коленчатый узор булата путем осадки в плоскую лепешку предварительно
прокованных слитков стали с выраженной дендритной структурой. В
результате первичной протяжки металл приобретал волокнистое строение,
а осадкой исследователь добивался спутанности узора из-за взаимоналожения
друг на друга этих волокон.
Мне не известно, читал ли
В.И. Басов труды Н.И. Беляева, но его ученики рассказывали, что
он также отковывал свои клинки из предварительно осаженных на торец
слитков булата. В то же время Басов не стремился скопировать древнюю
технологию, поскольку никогда не выплавлял слитки в виде лепешки,
а древний "вутц" даже считал не литой, а сварочной сталью.
Смысл ухищрений исследователей ясен — расковывать металл не вдоль,
а поперек границ волокно-матрица. На это обязательное условие и
указывали В. Борзунов и В. Щерба-ков, приводя в пример форму лепешки
индийского "вутца".
В самом деле, затвердевание
тонкого и плоского слитка булата начинается с поверхности и зерна-кристаллы
неизбежно образуют столбчатую структуру, которая при расковке диска
сминается с формированием сложного узора. Плоские лепешковидные
слитки булата в некоторых местностях сначала расковывали "на
блюдо", а затем разрубали по спирали, которую в нагретом состоянии
аккуратно распрямляли и окончательно доковывали клинок.
Известно,
что кристаллы растут в направлении, обратном отводу тепла. В древности
кузнецы после плавки оставляли остывать тигель в сыродутной печи,
где он снизу подогревался тлеющими углями, а сверху, со стороны
крышки, охлаждался. Аносов при выплавке булата также оставлял тигли
в камере печи, а его ученики в своей последующей самостоятельной
работе засыпали тигли до самой крышки горячей золой. Во всех этих
случаях фронт кристаллизации перемещался "сверху вниз",
от крышки к днищу. Но, поскольку тепло понемногу отводилось и от
стенок тигля, кристаллы располагались под некоторым углом к его
оси. После проковки слитка, который часто разрубали на несколько
частей, получался сложный узор, образованный спутанными дендритами-волокнами.
В современных литейных установках для направленной кристаллизации
организовано охлаждение нижней части слитка и подогрев верхней,
так что кристаллы растут "снизу вверх". Структура слитка
в итоге представляет собой "пучок" длинных кристаллов,
расположенных параллельно друг другу. Для придания кристаллам-волокнам
поперечного сечения требуемой формы используется металлическая затравка,
которую перед заливкой расплава кладут на дно литейной формы. Затравка,
как правило, имеет круглую форму и рельефную поверхность, на которой
и начинают расти кристаллы. Для формирования крупноволокнистой структуры
слитка используют не только металлические затравки, но и искусственно
созданный рельеф дна самой литейной формы. В одном из источников
указано, что американские ученые одного из университетов для демонстрации
возможностей метода выплавили слиток, разрез которого имел узор
в виде американского флага.
По мере развития науки стало
понятным, что выражение "однородная сталь" по смыслу несколько
напоминает известное выражение "горячий лед". Дело в том,
что все оружейные стали в принципе неоднородны и в исходном состоянии
всегда представляют собой смесь железа и его карбидов. Начало этому
пониманию положил сам Аносов, когда начал первым в мире исследовать
отполированные шлифы под микроскопом. Он писал, что "...узоры
некоторых булатов настолько мелки, что с трудом различаются под
микроскопом." Нужно помнить, что четкой, раз и навсегда заданной
границы между сталью обычной и сталью булатной не существует, так
как они плавно переходят друг в друга, так же плавно изменяя свои
свойства.
"НАСТОЯЩИЙ" БУЛАТ ИЛИ
СТАЛЬ.КОТОРАЯ "КРЕПЧЕ...САМОЙ СЕБЯ"
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что, как следует
из описаний Аль-Бируни, неоднородность высоко ценимого "фаранда"
вполне устраивала восточных оружейников древности. Несмотря на то,
что им была известна полностью расплавленная сталь "1 сорта",
мечи они предпочитали ковать все же из узорчатого металла, а однородную
сталь пускали на напильники. Это объясняется тем, что клинки из
узорчатого металла, полученного литьем или кузнечной сваркой, как
правило превосходили по своим боевым свойствам клинки, откованные
из такой же по химическому составу, но без узорчатой стали. Причина
этого превосходства заключается главным образом в процессах, происходящих
при ковке металла с резко неоднородной композитной структурой.
В наиболее общем виде прочностные характеристики узорчатого
металла определяются по среднему содержанию углерода. Так же, как
и в обычных сталях, прочность и твердость булата возрастает с повышением
содержания углерода и других легирующих элементов. В старину качество
металла определяли по внешнему виду узора на его отполированной
и протравленной поверхности. В узоре, помимо цвета и формы, обращали
внимание и на величину его фрагментов — на толщину и длину линий
и завитков, интервал между этими линиями и т.д. По этим признакам
можно довольно точно определить как химический состав композита,
так и соотношение композитов в общем объеме металла. Ясно, что чем
больший объем занимают прочные, высокоуглеродистые волокна или слои,
тем прочнее и тверже весь композит. И наоборот, чем больше железа
в составе композита, тем мягче и эластичнее он будет.
Определение
химического состава по узору — это самый простой, понятный даже
не знатоку металлообработки и, скажем так, обычный способ определения
качества металла клинков. Обычный потому, что не учитывает особого
влияния вида и степени неодно-родности, т.е. узора, на характер
упрочнения булата, свойства которого далеко не полностью определяются
его хим. составом. Если современной суперстали придать узорчатость
и грамотно обработать, то она превзойдет по прочности...саму себя.
При исследовании узорчатых металлов оказалось, что прочность
нескольких соединенных диффузионной сваркой пластин больше, чем
простая сумма значений прочности каждой из них. Это объясняется
тем, что на стыке слоев стали и железа образуется насыщенная дислокациями
пограничная упрочненная зона с сильно искаженной кристаллической
решеткой металла. Возникает и развивается это дополнительное упрочнение
металла в процессе ковки композита, в результате которой происходит
интенсивная пластическая деформация прочных слоев-волокон и мягких,
менее углеродистых, прослоек.
Пластическая деформация
происходит в результате перемещения дислокации, которые можно представить
как микроскопические трещины. В мягком железе такие псевдотрещины
перемещаются довольно легко, не встречая препятствий. Но дойдя до
границы "сталь-железо", дислокация сталкивается с прочным
слоем, встречая препятствие в виде атомов легирующих элементов,
нерастворенных карбидов, а также множества ранее застрявших у это-го
барьера дислокации. Происходит торможение и, что особенно ценно,
накопление дислокации в пограничном слое, который служит своеобразным
аккумулятором искажений. Рентгеноструктурные исследования показали,
что в "изуродованной" кристаллической решетке металла
узорчатых клинков отсутствуют целые группы атомов, а дислокации
сворачиваются в плотные клубки.
В древности даже самые
знаменитые мастера не имели точных сведений об атомном строении
металла, но опытным путем они безошибочно определяли тесную связь
узоров и прочности. По мнению старых мастеров, обязательным признаком
высших сортов узорчатых сталей являлся сложный, спутанный узор.
Действительно, в низкосортных булатах и дамасках с полосатым узором
дислокации движутся вдоль слоев или волокон, не пересекая их границ
и, следовательно, не накапливаясь в пограничном слое, не давая упрочнения.
В булатах высших сортов значительная часть прочных волокон
располагалась под углом к оси заготовки клинка. Последующей ковкой
при невысоких температурах большие объемы металла растягивались
поперек границ волокно-матрица, что приводило к быстрому формированию
развитого пограничного слоя и эффективному накоплению дислокации.
Таким образом, в зонах металла со сложным узором образовывались
своеобразные "карманы", ловушки искажений - участки с
практически полностью разрушенной клубками дислокации кристаллической
структурой. Видимо, не зря коленчатый тип узора булата носит в науке
название лабиринтной структуры.
Понимающие суть дела мастера
для формирования структуры (узора) лабиринтного типа либо туго закручивают
и проковывают (иногда несколько раз) бруски сварочного Дамаска,
либо насекают поверхность заготовки клинка, перемешивая поверхностные,
самые нагруженные слои. В древности это широко распространен-ное
формирование сложных узоров на сварочном Дамаске преследовало целью
именно задействование механизмов упрочнения, общих для всех неоднородных
металлов, а вовсе не имитацию ценного булата для обмана покупателя,
как иногда пишут.
Наличие дополнительных особо прочных
пограничных слоев хотя и главная, но не единственная причина высоких
свойств узорчатой стали. Резкие границы слоев являются весьма труднопреодолимыми
препятствиями для роста зерна металла, поэтому размер зерна почти
всегда меньше, чем толщина слоя. При наращивании количества слоев
узорчатого металла его зерна как бы перетираются, дробятся между
жерновами в виде стыков слоев. Размер зерна сначала уменьшается
до самого мелкого, встречающегося в обычной стали, а затем, когда
размер зерна станет соизмеримым с толщиной слоя, зерну становится
"тесно" в границах слоя и оно дробится на субзерна с максимальной
величиной около 0,3 мкм. Границы зерен являются искажениями структуры,
поэтому измельчение зерна приводит к резкому росту плотности дислокации
и, следовательно, к дополнительному упрочнению металла. Что особенно
ценно, упрочнение в результате измельчения зерна происходит не только
без снижения вязкости, но даже с ее заметным повышением.
На
вязкость металла благотворно действует и то, что нагрев заготовки
под ковку нужно производить до цвета "сырого мяса", т.е.
до температуры примерно 800 °С, а заканчивать ковку при "вишневом"
цвете заготовки, соответствующем 650 °С. При подогреве частицы
цементита растворяются лишь с поверхности и их острые грани сглаживаются.
В остывающем металле цементит вновь осаждается на оставшихся нерастворенными
карбидах, служащих центрами кристаллизации. После многократных циклов
"подогрев-остывание" частицы цементита укрупняются и приобретают
округлую форму, способствующую повышению вязкости и пластичности
сверхвысокоуглеродистого волокна и всего булата в целом.
При
правильной ковке булата увеличивается химическая неоднородность
его структуры, поскольку скопления дислокации приводят к разрыхлению
атомной структуры металла и в этих разреженных участках скапливается
углерод. Атомы углерода как бы проваливаются в разрыхления кристаллической
решетки железа, накапливаясь в них. Приток углерода к сильно разрыхленным
пограничным слоям вызывает специфический эффект, когда диффузия
направлена из зон с меньшей концентрацией углерода в зоны, изначально
обогащенные им. В высокоуглеродистых волокнах концентрация углерода
в виде скоплений цементита после ковки часто бывает выше, чем в
этих же волокнах исходного литого композита. При этом примыкающая
к волокну тонкая зона матрицы обеднялась углеродом до полного исчезновения
изначально присутствующих в ней выделений избыточных карбидов.
Здесь необходимо сделать некоторое отступление и рассказать
о часто упоминаемом в специальной литературе эксперименте ученых
Донецкого политехнического института, в итоге которого был получен
удивительный металл. Ученые задумали получить сталь непосредственно
из руды, а для этого окатыши чистой руды проплав-ляли в установке
электрошлакового переплава с графитовым электродом. Восстанавливаемый
металл капля за каплей проходил через толстый слой жидкого шлака,
почти полностью очищался от разнообразных примесей и сильно науглероживался.
Полученный металл по химическому составу представлял собой
особо чистый чугун с содержанием углерода 3,5 %. Однако к удивлению
ученых, этот сплав не только поддавался деформации, а отлично ковался
и прокатывался! Кроме того, выяснилось, что аномальная твердость
ножа, изготовленного из нового сплава, не позволяла заточить его
обычными абразивами — пришлось применить алмазный круг. Мне говорили,
что твердость его достигала 80 HRC при вязкости сырой инструментальной
стали. Узоров на металле не было, но сами исследователи сочли, что
получили один из сортов булата. Амери-канцы подобный особо чистый
сплав называют "сорель-металл".
Подробные исследования
показали, что столь высокие свойства объясняются необычным состоянием
углерода в металле. Вследствие высокой чистоты сплава углерод не
выделился в виде карбидов или графита, как это должно быть при подобном
химическом составе, а находился в особой, растворенной форме. Сверхвысокая
концентрация растворенного углерода в холодном металле и позволила
добиться сверх твердости и сверх прочности без снижения пластичности.
Можно предположить, что в такой же аморфной форме находится
углерод и в разрыхленной пограничной зоне прочных волокон булата,
где происходит взаимосвязывание дислокации и растворенных атомов
углерода. Степень его концентрации здесь может превышать среднее
содержание не только в композите в целом, но и в самом сверхуглеродистом
волокне. Прямые аналогии с днепропетровским чудо-сплавом позволяют
сделать вывод, что прочные сверхуглеродистые волокна булата находятся
как бы в броне из еще более прочного и высокоуглеродистого металла,
отличающимся особой твердостью и вязкостью.
Сверхконцентрация
углерода в наиболее деформированных объемах приводит к тому, что
в процессе "маятниковой" ковки с частыми подогревами возникает
и частично стабилизируется практически аморфное строение металла.
Это происходит потому, что при нагреве и охлаждении происходит перестройка
кристаллической решетки гамма-железа в альфа-железо. В момент перестройки
металл имеет некристаллическое, как бы аморфное строение, а сверхконцентрация
углерода и многочисленные дислокационные и иные искажения атомного
строения частично "замораживают" такое его состояние.
В этой связи уместно вспомнить о "металлическом стекле",
получаемом при охлаждении расплавленного металла с квазисверхвысокими
скоростями. При таких скоростях охлаждения кристаллическая решетка
не успевает сформироваться и фиксируется, "замораживается"
хаотичное расположение атомов, отчего такой материал и на-зывают
"металлическим стеклом" или аморфным металлом. Если такое
"стекло" нагреть, то атомы металла приобретают подвижность
и кристаллическое строение восстанавливается, точнее, возникает
вновь. Причем не мгновенно по всему объему, так что на определенном
этапе структура металла представляет собой смесь сверхмелких кристаллов
и аморфного материала — так же, как и в булате.
Интересно
то, что некоторые "металлические стекла" после нагрева
и начала распада имеют крайне высокую твердость, доходящую до 1200
HV, т.е. превосходящую даже твердость цементита (1000 HV). Таким
образом, в результате правильно проведенной ковки и закалки в булатных
клинках высшего качества формируются перенасыщенные углеродом микрообъемы
с практически аморфной структурой металла, в результате чего достигается
твердость и вязкость, превосходящая эти свойства не только обычных
железоуглеродистых сплавов, но также и узорчатых металлов, не содержащих
в своей исходной структуре сверхуглеродистых участков.
В
итоге, после грамотно проведенной ковки, структура литого булата
высшего сорта состоит из мелких округлых частиц цементита, неравномерно
распределенных в матрице, состоящей из ультрамелких равноосных зерен.
Причем и прочное волокно от матрицы, и сами зерна матрицы отделены
друг от друга некристаллическими, полуаморфными участками с очень
высокой плотностью дислокации, что делает структуру металла похожей
на мокрый, пластичный песок, в котором твердые округлые песчинки
разделены тонким слоем воды.
При изгибе клинка зерна металла
как бы скользят, поворачиваются как на шарнирах относительно друг
друга в вязкой среде межpзеренного материала, не искажая дополнительно
его и без того искаженную кристаллическую решетку. Этим во многом
и объясняется очень высокая эластичность булатных клинков, позволяющая
сгибать их дугой. Кроме того, коленчатый узор способствует тому,
что действию нагрузки в первую очередь поддается вязкая матрица,
а упругодеформированное прочное волокно при снятии нагрузки возвращает
клинок в исходное состояние.
П.П. Аносов писал, что "...как
оказалось по моим опытам, правильно откованный и закаленный шпажный
клинок из хорошего булата не может быть ни сломан, ни согнут до
такой степени, чтобы потерял упругость: при обыкновенном гнутье
он выскакивает и сохраняет прежний вид. А при усиленном, например,
наступив на конец ногой и загибая его под прямым углом, он не сломается,
а будучи выправлен, не потеряет прежней упругости; при этом булатный
клинок может быть тверже всякого клинка, приготовленного из стали."
Что же такое "настоящий" булат? Главным признаком,
на мой взгляд, является не химический состав и тем более не способ
производства, а крайняя энергетическая насыщенность атомной структуры
металла. Эта насыщенность проявляется в сверхвысокой плотности дислокации,
приводящей, в свою очередь, к сверх мелкозернистости и наличию объемов
металла с аморфной структурой. Известно, что обычный металл может
накапливать в своей структуре до 10% энергии деформации, остальная
часть рассеивается в виде тепла. Можно утверждать, что в булате
доля поглощаемой энергии выше. И выше намного, поэтому "настоящий"
булат — это особое, высокоэнергетическое состояние металла.
Библиографический список
1. SacheM. Damaszener Stahl. Mythos, Geschichte, Technik. — Dusseldorf.
Stahleisen. 1994.
2. Kapp L. and Yoshindo Yoshihara.The Craft of the Japanese Sword
//Kodansha International. Tokyo. 1987.
3. Kanzan S. The Japanese Sword // Kodansha international. Tokjo.1983.
4. Sherbu 0. D. and Wadsworth Jeffrey. Damascus Steel // Scientific
American 252.1985.
5. Аносов П.П. Собрание сочинений // Изд-во АН СССР. М.:1954.
6. Ангейн А.К. Дамасская сталь в странах бассейна Балтийс-кого
моря // Рига.Зинатне. 1973.
7. Асцвацатурян Э. Оружие народов Кавказа. — М.: Хоббикнига.1995.
8. БеляевН.Т. О булатах // Металлургия.1911.№ 8
9. Гуревич Ю.Г. Загадка булатного узора— М.:3нание. 1985.
10. Терехова Н.Н., Розанова Л. С., ЗавьяловВ.И., Толмачева М.М.
Очерки по истории древней железообработки в Восточной Европе. —
М.: Металлургия. 1997
11. Щербаков В.А., Борзунов В.П. Булатная сталь. — М.:МИСиС.1996
|
