Рецепт есть, булата нет

На рабочем столе Владимира Ильича Ленина, в его кабинете в Кремле лежит нож для разрезания бумаг — это подарок златоустовских рабочих, сделанный Ленину в 1921 году. Стальной клинок ножа украшен тонким чернением и эмалевым орнаментом. Ручка черного де­рева—отличной ручной работы. На лезвии ножа изо­бражены корпуса оружейной фабрики и вытравлена надпись: «Товарищу Ленину. Златоустовская оружейная фабрика». Окантовка рисунка и надпись выполнены золотом.

Ленин хорошо знал златоустовскую сталь и ценил ее высокое качество. Он очень любил свой охотничий «бу­лат», клинок которого был изготовлен еще в конце XIX века. Этот нож в деревянных ножнах, с рисунком на лезвии, изображающим два ружья, охотничью сумку и оленьи рога, был преподнесен ему в апреле 1920 года, в честь его пятидесятилетия рабочими Златоуста.

Умели ли в Златоусте делать булат в конце XIX века? Однозначно ответить на этот вопрос трудно. Целе­сообразнее внимательно проанализировать некоторые исторические факты.

Незаменимым помощником П. П. Аносова при изго­товлении булатных слитков был выдающийся стальных дел мастер Николай Иванович Швецов. Он был родом из крепостных, потомственных «варовщиков» (сталева­ров). Его дед Макар Швецов варил железо на якорной фабрике Боткинского завода. Отец Николая Ивановича был куплен екатеринбургским начальством и привезен в Златоуст. За проявленное усердие в работе Николай Иванович получил «вольную», которая освобождала его семью от «телесного наказания за провины». Н. И. Швецов грамоте обучен не был, но лучше его никто не мог «прочитать» родословную любой стали. Осмотрев кусок металла, он мог определить, как выплавлена сталь, как откована, равномерно ли нагрета под ковку, правильно ли закалена. По излому стали и размеру ее зерен он безошибочно предсказывал ее свойства.

После того как П. П. Аносов в 1847 году стал том­ским гражданским губернатором, начальником Алтай­ских горных заводов и уехал из Златоуста, Н. И. Шве­цов продолжал плавить булат. Он был человеком скрыт­ным и приемы изготовления узорчатой стали держал при себе. Четверо его сыновей работали на Златоустов­ском заводе, но секреты производства булата он дове­рил только старшему — Павлу.

Павел Николаевич Швецов с семи лет уже ходил с отцом на завод. После окончания горнозаводской шко­лы он освоил профессии слесаря, токаря по сверлению ружейных стволов и машиниста воздуходувной машины. Лишь в 1880 году он стал сталелитейным мастером и проработал на этой должности почти 45 лет. Высокого роста, худой и седой, в очках и фартуке, он напоминал колдуна, когда смешивал различные порошки при со­ставлении шихты для варки стали. Павел Николаевич был человеком строгого и молчаливого нрава, он ни­когда никому не объяснял, что и зачем делает. Он сам плавил сталь, сам изготовлял из нее клинки и различ­ный инструмент, сам определял их структуру и качество.

В 50-х годах прошлого века производство булатной стали на Златоустовском заводе резко сократилось, ее готовили только по специальным заказам. Это, возмож­но, было связано с тем, что в это время горный инженер П. М. Обухов организовал широкое производство ти­гельной стали для отливки пушечных стволов. Есть так­же сведения, что вплоть до 1875 года отдельные заготовки булата, сделанного ещё во времена П. П. Аносова, хранились на заводском складе и употреблялись только для такого инструмента, которому нужна была очень высокая твердость и стойкость.

П. Г. Бояршинов, который с 1902 года работал на заводе рядом с П. Н. Швецовым, рассказывал о таком случае. В 1905 году, возвращаясь с русско-японской вой­ны, в Златоусте остановился какой-то высокий чин, Офицер обратился к управителю завода с просьбой сделать ему такую шашку, которая бы рубила все су­ществующие в заграничных армиях клинки, оставаясь целой и невредимой. Офицер объяснил: он поспорил с ехавшими с ним в поезде иностранными военными, утверждая, что шашки, изготовленные златоустовскими мастерами, имеют значительно более высокое качество, чем лучшие заграничные. Управитель завода и приехавший офицер уговорили П. Н. Швецова заняться этим заказом. П. Г. Бояршинов и мастер К. К. Моисеев по­могали своему учителю отливать слиточки булата.

В печи Сименса на 28 тиглей булат готовили только в одном тигле, который ставили в самое горячее место печи. В тигель с булатом загружали не более 8 кг ших­ты, в то время как в тигли с обыкновенной сталью за­кладывали 30—32 кг металла. После окончания плавки сталь медленно охлаждали. Полученный слиточек в ви­де хлебца медленно подогревали до красного каления, надрубали зубилом и раскалывали под молотом попо­лам. С половинок снимали внешнюю корку, подогре­вали на горне и клали разрезанной плоскостью на наковальню. Ковали заготовку на полосу сечением 25Х40 мм, из которой специальными приемами делался клинок. Нагрев под закалку и отпуск осуществляли в ваннах с расплавленным свинцом. Для травления клин­ка применяли пивной уксус в смеси со слабой соляной кислотой.

Подобным образом в конце 1905 года Швецов отлил много слиточков булата разного состава, делал из них клинки, но качество их ему пока не нравилось. Таким образом, у П. Н. Швецова булат получался не всегда.

«Прихожу я однажды на работу,— вспоминал П. Г. Бояршинов,— а Павел Николаевич вынимает из шкафа грубо отполированный клинок и говорит: «Вот это на­конец-то то, что надо. Наши шашки рубит. А раз наши рубит, то обязательно будет рубить и заграничные»,

Сдал П. Н. Швецов клинок на оружейную фабрику, сде­лали там из него шашку, отполировали, красиво отде­лали, поставили марку завода и послали тому самому офицеру. А через некоторое время управителю завода пришло письмо, в котором сообщалось, что пари офицер выиграл, а мастера за выполнение заказа благодарит и награждает вместе с помощниками деньгами.

В Златоустовском музее можно увидеть поковку булата, приготовленную П. И. Швецовым. Сохранились также образцы его клинков с ярко выраженным волни­стым рисунком (фото 4). Но самое важное, что в этом музее хранится записная книжка П. Н. Швецова, в ко­торой он отмечал составы шихты и результаты опытных плавок. Начало записей относится к 1883 году. Из них можно заключить, что автор готовил в тиглях не только булат, но и сплавы с кремнием, молибденом, ванадием, титаном и изучал их свойства. Интересно, что в этих же тиглях из руд и сырых материалов приготовлялись фер­росплавы.

Еще в 1884 году П. Н. Швецов сплавлял железо с хромом и получал высокохромистую нержавеющую сталь. Он плавил также быстрорежущую инструмен­тальную сталь, которую называл «самозакалкой». В 1903 году завод заключил договор с австрийской фир­мой «Бр. Беллер» на поставку инструментальной стали марки «рапид». Особые пункты договора охраняли исключительное право фирмы на рецепты приготовления этой стали и на сбыт ее в России и за границей в тече­ние последующих 10 лет. В короткий срок в Златоусте было освоено производство стали «рапид», но при этом выяснилось, что «самозакалка» Швецова ей не уступа­ет. Договор с фирмой был досрочно расторгнут, на за­воде начали плавить швецовскую инструментальную сталь, которая долгое время была известна под назва­нием «рапид-самокалка».

В записной книжке Швецова часто упоминается «Ломъ булата» или «булат». Помечено, что свойства булата достигались при плавке шихты, состоящей из 1,5 фунта кричного железа, 0,25 фунта зеркального чу­гуна, 1,5 золотников синеродистого калия и 0,5 золотни­ков марганцовистого чугуна. В 1906 году П. Н. Швецов продал рецепты приготовления булата дирекции Злато­устовского завода. Рецепты были, а булата — не было. После 1905 года в Златоусте никто делать булата уже не умел. Секрет его получения вновь оказался безвозвратно потерянным...

Чем же объяснить, что еще при жизни П. Н. Швецова перестали плавить узорчатую сталь? Ответ на этот вопрос сравнительно прост. Дело в том, что в начале XX века изобретают и начинают широко применять ле­гированные стали. Физико-механические свойства таких сталей гораздо выше не только углеродистых, но и бу­латных. Нет ничего удивительного, что ещё француз Беотье и другие западные металлурги принимали за булат хромистую сталь.

Старожилы Златоуста любят рассказывать такой случай. В 20-е годы кавалерийские сабли и шашки де­лались уже из стали, содержащей примерно 3% хрома. Однажды на завод попал известный военный кавале­рист и, увидев булатные сабли, поинтересовался, на­сколько лучше они современных. Ему разрешили «руба­нуть» современной шашкой по булатной и... на булатной сабле осталась зазубрина! Хром, молибден, вольфрам и другие легирующие элементы так повышают твердость и прочность стали после закалки, что булату с ней тя­гаться не под силу. Вот почему легированные марки стали, получаемые тигельным процессом, часто прини­мали за булат. Так, например, мастер К. К. Моисеев утверждал, что ему приходилось лично в 1920—1925 го­дах плавить «булат» следующего состава (в%): углерод—1,55—1,44; хром—0,7—0,8; марганец—1,52—1,64;

вольфрам — 0,69—0,86. Конечно, свойства этой легиро­ванной стали не уступали булату!

Таким образом, в начале XX века легированные ста­ли позволяли получать холодное оружие и инструмент очень высокого качества. Необходимость приготовления булата полностью отпала.

Узорчатая сталь? Сколько угодно!

В XIX веке последователи Аносова, известные русские металлурги П. М. Обухов, А. С. Лавров, Н. В. Калакуц­кий развивали его идеи о получении совершенной стали, искали научные обоснования металлургических процес­сов. Так, например, А. С. Лавров изучал строение сталь­ного слитка, впервые применил алюминий для удаления кислорода из стали, выдвинул идею подогрева верхней части слитка термитными смесями для того, чтобы уменьшить его усадку и увеличить выход годного ме­талла. Совместно с Н. В. Калакуцким он открыл и объяснил ликвацию стали — неравномерное распреде­ление примесей в объеме слитка. Работы Аносова и его последователей продолжил выдающийся ученый-метал­лург Д. К. Чернов, обобщения и открытия которого в начале XX века завершили формирование металлургии как пауки.

В 1878 году Д. К. Чернов описал характер затверде­вания (кристаллизации) стали и показал особенности перехода ее из жидкого в твердое состояние. Он разра­ботал схему образования кристаллов в жидком металле, исходя из того, что они состоят из дендритов — древо­видных образований. Чернов собрал большую коллек­цию кристаллов, которые были извлечены из стальных слитков. Некоторые из них достигали размеров 3—5 мм.

Однажды полковник А. Г. Берсенев, служивший при­емщиком на металлургическом заводе, нашел в груде стального лома на шихтовом дворе огромный кристалл. В собрании Чернова это был самый крупный дендрит — он весил почти 3,5 кг и имел длину около 40 см. Вскоре он стал широко известен как «кристалл Чернова».

Величину дендритов Д. К. Чернов связывал с усло­виями охлаждения стали: «Если расплавленную в тигле сталь вы будете при охлаждении приводить постоянно в сильное сотрясение, достаточное для того, чтобы все ча­стицы ее приходили в движение, тогда слиток будет иметь чрезвычайно мелкие кристаллы,— писал Д. К. Чернов,— если же эту сталь оставить без всякого сотря­сения и дать массе спокойно и медленно охлаждаться, тогда у вас эта же сталь получится в крупных, хорошо развитых кристаллах».

Склонность стали к кристаллизации, форма кристал­лов и их взаимное расположение зависят не только от условий кристаллизации, но и от химического состава стали, степени ее загрязнения вредными примесями. Чем меньше примесей в стали, тем легче получить при кристаллизации ее крупные кристаллы. Исходя из этого, Д. К. Чернов считал, что первоначальная крупная кристаллическая структура является первоосновой булатного узора. Это утверждение как будто совпадало с рекомендациями П. П. Аносова, который писал, что «для получения совершенного булата» необходимы особой чистоты материалы, «сильный жар во время плавки», «медленное охлаждение тигля» и «наименьшее нагрева­ние при ковке».

По указанию Д. К. Чернова его сотрудники не раз пробовали плавить булат. Они брали железо, чистое по фосфору и сере, сплавляли его с серебристым графитом в присутствии окалины и флюса, сильно нагревали и медленно охлаждали в огнеупорных тиглях. Поверх­ность слитков шлифовали, полировали и травили кисло­той. И действительно, слитки имели ярко выраженные древовидные узоры. Елочки со стройными стволами и строго симметричными ветвями отбрасывали серебри­стые тени и были очень красивы. Слитки разрезали, вновь шлифовали, полировали, травили, и узоры повто­рялись, они были присущи всему объему металла.

Остался, казалось бы, пустяк: известными приемами ковки сплести стволы и ветви узора так, чтобы получить рисунок, характерный для булатов. Но как раз это не получалось. Д. К. Чернов твердо установил, что нагрев стали под ковку до обычных температур (800—1100°С) невозвратимо уничтожает дендритные узоры...

Для того чтобы сохранить узоры, необходимо ковать сталь при достаточно низкой температуре, считал Д. К. Чернов. Если это соблюдено, то нарушения кристалли­ческого строения не происходит, в «сплетения» кристал­лов должны изменить свой вид так или иначе, более или менее в зависимости от направления и степени вытяги­вания при обработке. Поэтому, выковав пластинку и вытравив кислотой ее шлифованную поверхность, полу­чают узор иного вида, с красивыми линиями или вроде фибр дерева, например дуба. Однако найти температуру ковки, при которой бы сохранялись узоры, не удава­лось. И Чернов долго считал, что искусство древних кузнецов основывалось на знании секретов пластической деформации стали при «наименьшем нагревании».

Позднее Чернов объяснял свойства булата не толь­ко «сплетением» кристаллов, но и ликвацией углерода. Когда булатный слиток остывает, то первой начина­ет кристаллизоваться более тугоплавкая малоуглероди­стая сталь. Между дендритами этой стали располагают­ся возникающие позже кристаллики менее тугоплавкой высокоуглеродистой стали. Поэтому и получается слож­ное переплетение твердых и пластичных кристаллов. Описанное явление сегодня широко известно как ден­дритная, или внутрикристаллическая, ликвация углерода.

Дендритная ликвация углерода и легирующих элемен­тов оказывает значительное влияние на свойства леги­рованных сталей после горячей деформации. Этому яв­лению, открытому Д. К. Черновым, уже в наше время посвящено немало научных работ.

Ученик Чернова Н. Т. Беляев, понимая невозмож­ность превратить в булатный узор дендритную структу­ру литого металла путем низкотемпературной деформа­ции, несколько иначе излагает взгляды своего учителя на происхождение булатного узора. Он обращает вни­мание на то обстоятельство, что при медленном охлаж­дении стали ветви дендритов «состоят из последователь­ного ряда концентрических оболочек попеременно ме­няющегося состава, что и влечет за собой появление в вытравленном рисунке булата концентрических очерта­ний и часто замкнутых фигур». Другими словами, Н. Т. Беляев утверждает, что благодаря дендритной ликва­ции углерода булатный узор появляется в слитке еще до того, как его подвергают ковке. Поскольку в данном случае выявление дендритной структуры связано с уча­стками, обогащенными или обедненными углеродом, оно должно происходить и после высокотемпературной де­формации металла.

Экспериментальной проверкой этой теории булатно­го узора занялся другой ученик Д. К. Чернова — Н. И. Беляев. Он проковал в пластины два одинаковых куска стали, содержащей 1,35% углерода, и подверг их дли­тельному отжигу. После этого один кусок ковался при температуре 65°, а другой—при 1000°С. Оба шлифа были протравлены на дендритную структуру. При вы­сокотемпературной ковке дендритная структура выявля­лась после закалки образцов. Это дало основание Н. И. Беляеву связать булатный узор с дендритной ликва­цией углерода и подтвердить теорию своего учителя.

В одном Д. К. Чернов и Н. И. Беляев были совер­шенно правы: они открыли секрет так называемого «ли­того булата» Аносова. Дело в том, что в трудах П. П. Аносова есть описание способа производства стали, ко­торая изготовлялась в тиглях путем переплава предва­рительно науглероженного железа и отливалась в фор­мы. Литая сталь подвергалась длительному отжигу без доступа воздуха в специальных тщательно закупорен­ных ящиках. Аносов скрупулезно исследовал режимы отжига и установил, что правильно отожженная сталь имела чистую поверхность без следов окалины, хорошую вязкость и крупнозернистое строение. На поверхности стали были видны узоры. Аносов писал: «Отожженная сталь, как имеющая узоры, подобно булатным, должна нести и одинаковые с ней названия. Для отличия от на­стоящего булата я называю ее литым булатом».

Таким образом, узоры, получающиеся после длитель­ного отжига металла, безусловно связанные с дендрит­ной ликвацией углерода, Аносов не считал «настоящи­ми булатными». К аналогичным выводам пришел впос­ледствии и Н. И. Беляев: «Будучи далек от мысли воспроизвести лучший коленчатый узор индийских масте­ров, я тем не менее даю образы того, как, видоизменяя ковку, можно видоизменять узор, делая его более кра­сивым и более совершенным в механическом смысле». Итак, настоящих булатных узоров и Н. И. Беляеву вос­произвести не удалось.

Подчеркнем: работы Д. К. Чернова, Н. Т. Беляева и Н. И. Беляева по кристаллизации стали и дендритной ликвации примесей заложили основу современной тео­рии кристаллизации и показали ее роль в обеспечении качества стали. Позднее мы увидим, что на основе ис­следований булата были разработаны и другие важные положения металлургии.

Теперь хорошо известно, что дендритная структура наиболее хорошо выявляется в сталях, имеющих значи­тельное содержание углерода (более 0,8%,) или легиру­ющих элементов. В литом металле она проявляется сравнительно легко, в деформированном — только про­должительным травлением специальными реактивами. Между тем имеется много свидетельств тому, что булат­ные узоры выявляются весьма слабыми травителями, в том числе и такими, как соки растений и плодов. Даже чистая вода в присутствии воздуха в течение несколь­ких минут выявляла булатный узор. Поэтому легкость проявления узора всегда считалась отличительным при­знаком булата. Мы уже знаем, что в лучших булатах узоры вообще выявлялись непосредственно после поли­ровки.

Надо отдать должное Д. К. Чернову, он первым строго научно объяснил природу булата и связал ее со свойствами этой удивительной стали. Он считал, что при затвердевании сталь распадается на два различных сое­динения железа с углеродом, которые «играют очень важную роль при назначении такой стали на клинки: при закалке более твердое вещество сильно закаливает­ся, а другое вещество остается слабо закаленным, но так как оба вещества в тонких слоях и фибрах тесно перевиты одно с другим, то получается материал, обла­дающий одновременно и большей твердостью, и большей вязкостью. Таким образом, оказывается, что булат не­сравнимо выше лучших сортов стали, приготовленной иными способами».