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°С. 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°С, 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°С.

Нагрев металла в условиях тигельной плавки во вре­мена П. П. Аносова осуществлялся до температур не выше 1460—1480°С, 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°С 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 частив 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°С. 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°С; 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 ц 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°С, 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°С. 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°С. 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°С и в течение 2—3 часов нагревали до 600°С. По­следующий прогрев слитков с 600 до 900—1080°С 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°С, выдержка при этой температуре 5—6 часов, охлаждение в печи до 600°С 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 1.5—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°С 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°С 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°С. 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 фер-ритную 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°С (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°С 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°С 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°С можно получить требуемые структуры и свойства булата.

На фото 13, а показана микроструктура закаленного булата с ферритными прослойками. Слева видна фер-ритная 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°С 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°С. 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 феррит-ными или углеродистыми прослойками оксидировался в обычной нагревательной печи при температуре 200— 400°С. 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°С. 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°С 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° С (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°С. 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°С 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°С. 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 700 С 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°С. При таком отпуске нельзя полу­чить высокой упругости. Отпуск же при 300°С 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°С, 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, ко-ричнево-красный — 265, темно-желтый — 220°С.

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°С 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