Занимательно о железе

Мезенин Николай Александрович

Булатные клинки ценились очень высоко во все времена. Бируни, сообщая о различных видах индийских мечей, упоминает один из них — маджли, на котором изображались животные, деревья: “Стоимость такого меча равна цене лучшего слона, если же рисунок будет изображать человека, то ценность и стоимость меча еще выше”.

Знакомство европейцев с булатом началось еще в эпоху римского владычества — около 2 тысяч лет назад. Позднее славу булатного оружия разнесли купцы, приобретавшие его в Дамаске и развозившие по многим странам. С начала III века способ ковки дамасских мечей распространился в Западной Европе. Однако спустя 700 лет секрет производства был снова утерян.

В средние века производство булатов было и на Руси. Имеются

документы, подтверждающие, что в Москве существовало производство булатов. Так, в 1616 году оружейный мастер Дмитрий Коновалов выковал зерцало из булата. В ряде документов встречаются записи: “… сабельные полосы, булат синей, московский выков”, “сабля полоса русская с долами на булатное дело”. Однако к концу XVII века это искусство, видимо, пришло в упадок, а потом и вовсе забылось. Здесь уместно будет затронуть вопрос — почему же так легко были утрачены многие секреты древних мастеров?

Академик Л.Ф. Верещагин, отвечая на этот вопрос, приводит пример с загадкой дамасской стали. Как удавалось людям средневековья без нынешней техники и без легирующих добавок получать эту изумительную нержавеющую и необыкновенно прочную сталь? Если производство дамасских клинков было уже когда-то освоено, то почему же люди позабыли его? Академик так ответил на этот вопрос: “То, что случайно найдено путем экспериментов и еще не осмысленно, не понято людьми, принадлежит им только наполовину. Человеку выпала большая удача — он нашел самородок золота. Нашел случайно. Он порадовался увесистой находке,, подержал ее в руках, спрятал под куст в надежде вернуться сюда, а потом сколько ни искал, уже не мог ее найти. Примерно тоже случилось и с дамасской сталью. Случай дал ее в руки человеку, случай и отнял”.

Несмотря на утрату секрета, интерес людей к булатной стали не пропадал. В прошлом веке ученые многих стран пытались разгадать тайну булата. Среди них был и знаменитый английский физик Фарадей, пытавшийся получать булат путем добавки к стали алюминия и платины. Однако тайну булатной стали раскрыл русский металлург Павел Петрович Аносов. После многолетних опытов он в 1833 году изготовил в Златоусте первый булатный клинок. “Полоска булата сгибалась без малейшего повреждения, издавала чистый и высокий звон. Отполированный конец крошил лучшие английские зубила”, — писал Аносов в “Горном журнале”.

Изготовленные на Златоустовской фабрике булатные клинки были золотистого отлива с крупным сетчатым или коленчатым узором, что, по мнению знатоков, было признаком высшего сорта булата. Эти клинки разрубали кости и гвозди, не повреждая лезвия, и вместе с тем легко перерезали в воздухе газовый платок.

Так что же такое булат, над тайной которого так долго и упорно бились многие люди? “Железо и углерод и ничего более, — отвечал Аносов. — Все дело в чистоте исходных материалов, в методе охлаждения, в кристаллизации”.

Да, действительно, булат оказался высокоуглеродистой сталью, полученной в результате естественной кристаллизации. Сущность образования булата заключалась в насыщении сплава большим количеством углерода (около 1,3–1,5%). В условиях медленного охлаждения образовалось и находилось в некотором избытке соединение железа с углеродом — так называемый цементит, который не растворялся, как это бывает в обычной стали, а оставался среди железа во взвешенном состоянии. Прослойки цементита обволакивались медленно остывающим мягким железом. Поэтому при высоком содержании углерода, что придает металлу твердость, булат сохраняет высокую вязкость, упругость. Из-за наличия прослоек хрупкого цементита отковка булата должна производиться крайне осторожно, ударами легкого молота, с многократным нагревом до температуры красного каления, переход за которую ведет к потере булатом своих основных свойств и характерного рисунка. Процесс изготовления булата был очень трудоемким, длительным и требовал высокого искусства.

Работы

Аносова по освоению производства булатной стали оказали большое влияние на дальнейшее развитие металлургии. Ведь в то время мартеновский и конверторный процессы еще не были известны. В Англии, России и других странах литую сталь получали трудоемким длительным и малопроизводительным процессом — путем переплавки цементованных кусков железа в тиглях. Цементация, то есть науглероживание железа, представляла собой еще более длительный процесс, а иногда продолжался несколько дней.

Аносов во время работы над булатом разработал новый способ получения стали, сущность которого “заключается в сплавлении негодных к употреблению железных и стальных обсечков в глиняных горшках при помощи возвышенной температуры воздушных печей”. Если же сплавляли мягкое железо, т.е. металл с низким содержанием углерода, Аносов соединял процесс плавления с процессом науглероживания железа в газовой среде, при этом операция цементации совмещалась с плавлением. Открытие газовой цементации явилось крупным вкладом в практику металлургии и обеспечивало получение литой стали в сравнительно больших однородных массах.

Наладив на Урале производство тигельной стали, Аносов с законной гордостью писал: “В Златоусте литая сталь, получаемая из стальных обсечков и тагильского железа, может не уступать английской литой стали: в этом меня убеждают многие сравнительные опыты”.

Завершая свой рассказ о булате, автор уже предвидит вопрос нетерпеливого читателя: какова судьба булата?

В 60-е годы нашего века производство булатной стали освоили на Златоустовском заводе. Современная техника нашла много способов получения самых разнообразных сплавов с различными свойствами, которыми не обладала булатная сталь. Однако для специалистов и сегодня булат остается примером редкого сочетания двух почти несовместимых свойств — высокой прочности и пластичности. Не угас интерес к восстановлению особенностей технологии производства булатных изделий и выяснения возможности использования ее в современной металлургии.

На основе этих исследований в Советском Союзе была создана кар-бонитридная строительная сталь. Авторы технологии были удостоены Государственной премии СССР. В разработке участвовали ученые УралНИИчермета, ЦНИИчермета им. Бардина и другие.

Древние создатели булата сумели “загнать” карбиды с границ зерен в глубь кристаллов и таким образом сохранить и прочность, и вязкость достаточно высокими. В наших условиях для обеспечения подобных свойств получают сталь с добавкой 0,15% ванадия, который образует в стали стойкие химические соединения с углеродом и азотом — карбиды и нитриды. Затем сталь подвергают нормализации — нагреву с последующим охлаждением на воздухе. Причем режим подобран таким образом, что одна часть карбонитридов при нагреве растворяется в кристаллической решетке железа и после охлаждения остается там в виде мельчайших частиц. Более крупные карбонитриды при нагреве располагаются по границам зерен, сдерживая их рост, но при охлаждении освобождают границы и также уходят внутрь кристалла. В итоге получается сталь с весьма мелкозернистой структурой, а значит высокой прочностью и вязкостью, как у булата.

Уральская марка

Верхотурский воевода Протасьев 23 января 1697 года доложил в Москву, что в горе у берегов реки Тагил найден железный камень-магнит, а по берегам реки Нейвы — железные руды. Образец магнитного железняка направили для пробы в Амстердам. Оттуда получили ответ, что “лучше того железа добротою и мягкостью быть невозможно”. Найденные месторождения послужили рудной базой для первых уральских железоделательных заводов.