Профессиональный металлург о булатной стали: это металлургический брак!
Отдам проблеме должное — на самом деле вопрос о булате очень не простой даже для нынешних металлургов, поскольку издавна существует всеобщее убеждение, что достоинством булата являются узоры на его поверхности, а не то, за что он действительно ценился в те далёкие времена, когда его начали изготавливать. Поэтому я расскажу о булате то, что вы вряд ли от кого-то иного услышите. А я в свое время услышал это от преподавателя термообработки – практика, обладавшего большим объёмом таких знаний о стали, сведений о которых я больше никогда не встречал в книгах и статьях. Скажем, как термической обработкой увеличить линейные размеры уже готовой детали (её объём). Он много рассказал нам, будущим металлургам, и о том, что такое булат, как его получить, и зачем он нужен. Рассказал просто так – «для общего развития», а точнее – чтобы привить интерес к металлургии.
В Интернете я видел ролики и фотоподборки от любителей-кузнецов, которые ковали «булат» из совершенно разных сортов стали и изготавливали из этого «булата» ножи, довольно красивые. Я перед этими кузнецами снимаю шляпу – они заимели себе толковое хобби, развивающее ум, и эту их работу можно только приветствовать. Но они совершенно не представляют себе ни что такое булат или дамасская сталь, ни какое требование вообще должно быть к стали, идущей на режущий инструмент или оружие типа ножей, сабель или мечей. И когда начинают рассуждать, что булатом можно рубить железо, остаётся только пожать плечами – вы полагаете, что наши предки изготавливали ножи и сабли, чтобы рубить ими железо? А если не для этого, то кому это было необходимо, чтобы нож рубил гвозди, а сабля оставляла зазубрины на вражеской сабле? Разве в бой идут для того, чтобы оставить противнику зазубрины на саблях?
Немножко о железе и об истории получения железа и изделий из него, чтобы вы поняли проблемы перед тогдашними металлургами.
Железом у металлургов считается металл, в котором практически нет никаких иных добавок, особенно самой обыденной — углерода. Если в металле более 2% углерода, то тогда этот металл называют чугуном. Металл с содержанием углерода где-то от 0,1 до 2% — это сталь. В стали могут быть и другие химические элементы, и если в стали собственно железа становится меньше 50%, то этот металл называют сплавом.
Теория вопроса. Железная руда – то из чего получают собственно железо, — это окисел железа, это соединение атомов железа с атомами кислорода. Стало быть, чтобы получить железо, необходимо эти атомы кислорода от железа оторвать. В древности и в подавляющих случаях сегодня делается это так. Кусочки окислов (руды) смешиваются с углеродом (тогда с древесным углём, сегодня чаще всего с каменноугольным коксом), и эта смесь нагревается. Сегодня способов нагрева много, но тогда нагрев осуществлялся за счёт сжигания дров, в лучшем случае – древесного угля. При достижении нужной температуры сродство углерода к кислороду становится выше, чем сродство железа к кислороду, и углерод отрывает от железа кислород, образуя угарный газ или двуокись углерода, которые улетают в атмосферу – удаляются из зоны реакции. Железо остаётся свободным – в металлическом виде.
Напомню, что наши общие предки начали металлургию не с железа, а со сплавов меди – с бронзы. Но медные сплавы легкоплавки – они переходят в жидкое состояние при температурах не на много выше 1000 градусов имени товарища Цельсия. Поэтому годилась вот такая технология.
Из огнеупорной глины, выдерживающей нагрев свыше 1600 градусов, изготавливали тигли – глиняные сосуды, внутренним диаметром где-то около 120 мм и высотой 1200 мм с крышкой. В тигли засыпали шихту – то, из чего собрались получить бронзу. Тигли ставили в печь, вокруг них грузили дрова, их разжигали и поддерживали высокую интенсивность горения топлива дутьём – вдували в печь мехами воздух. И в этих тиглях легко получалась жидкая бронза.
Когда начали получать первое железо, то пошли по отработанной на бронзе технологии, но не тут-то было – температура плавления железа 1539 градусов, поэтому для получения и железа в тиглях нужны были героические усилия. По этой причине Европа при получении железа на долгое время отказалась от тигля, правда, Индия и Ближний Восток и при производстве железа держались за тигли очень долго, хотя и несли огромные расходы. В начале XIX века на килограмм получаемой в тигле стали расходовалось около 9 килограмм древесного угля, и можно представить, как жгли лес в древности, чтобы получить кусок железа, из которого можно было бы сделать топор. Не мудрено, что первое железо стоило дороже серебра, и тайна его получения хранилась очень бережно.
Уверенности нет, но в Европе, скорее всего, получение железа сразу же велось в специфических печах – домницах. Это что-то вроде глиняной бочки с толстыми стенками, но не очень большой по диаметру и высоте. По сути это был горн с бортами. В домницу грузилась железная руда и древесный уголь – окислы железа и углерод. (Напомню, что тогдашние металлурги ничего про окислы, про углерод и прочее не знали, всё делалось путём проб и ошибок). Сбоку к домнице, как и к горну, подводилось воздушное дутье. Организованная подача большого количества кислорода, содержащегося в воздухе, увеличивала единовременное выделение относительно большого количества тепла от горения угля, и руда сильнее нагревалась. Однако, из-за малого размера домницы, руда нагревалась достаточно, чтобы произошло восстановление железа – чтобы углерод отобрал кислород у окисла железа, но недостаточно, чтобы железо расплавилось, и даже для того, чтобы углерод смог раствориться в образовавшемся чистом железе. Получалась крица. Представьте поролоновую губку, пропитанную водой, так вот, и в домнице получалось нечто подобное: скелет из железа, а в порах не вода, а капельки легкоплавкого шлака — вот это крица.
Готовую крицу клещами вынимали из домницы, клали на наковальню и начинали гупать по ней молотами, сплющивая крицу во всех направлениях. Из-за этого сплющивания капельки шлака вылетали из пор, а железные стенки пустот крицы соединялись и сваривались в единый кусок железа. (Кстати, настоящим символом кузнеца надо считать не молот, которым орудовал специальный рабочий – молотобоец, а фартук из толстой кожи, чтобы предохранить кузнецов от разлетающихся капелек расплавленного шлака).
При таком способе его получения, железо практически не имело никаких иных примесей, поэтому было очень тугоплавким (напомню — 1539 градусов Цельсия) и по своим свойствам очень мягким. Нож из такого железа наточить легко, кусок мяса он отрежет, но после этого его снова надо точить. Причём, такое железо невозможно сделать твёрдым путём закалки. Поэтому в те далёкие времена и получалось так, что железо уже научились получать, а мечи и ножи ценились бронзовые, поскольку бронза была намного тверже железа и не так быстро тупилась.
Правда, научились и как-то помогать этой беде, придумав способ, известный металлургам и крестьянам – по научному этот способ называется «наклёп». Нужно без нагрева, в холодном состоянии сплющить острие лезвия, а от этого зерна железа (и любого металла кроме свинца) в острие измельчатся, и эта сплющенная часть острия станет твёрдой. (Крестьяне для этого отбивают косы перед косьбой на специальной маленькой наковаленке). Был такой фильм «Ярославна, королева Франции», в нём есть секундный эпизод, который, пожалуй, кроме крестьян мало, кто понял. Актёр Караченцов, игравший телохранителя Анны, на одном камне другим камнем отбивает острие своего меча. Повторю, кричное (чистое) железо — мягкое, и это было проблемой в те времена, когда наиболее дешёвым способом ничего иного, кроме такого железа, получать не могли.
Однако увеличение производительности требовало увеличивать размер домниц, и металлурги их увеличивали, увеличивали и доувеличивались до размеров маленьких доменных печей – до таких размеров, когда в центре очага температура повысилась до величины, при которой углерод угля начал активно растворяться в ещё твёрдом железе. И тут пошёл встречный процесс – при растворении углерода в железе температура плавления такого сплава начинает падать, и при 4% углерода она падает до 1150 градусов. Кузнец, понимаешь, хотел крицу получить, и вот он в домнице шлак после плавки разгребает, а в домнице лужа жидкого металла. Дал кузнец металлу остыть, бросает на наковальню и пробует ковать – а фиг вам! Металл разлетается на мелкие кусочки!
У нас в России небольшие слитки этого металла – чугуна, – идущие на передел, называют, как и свиней – чушками, а англичане чугун прямо зовут пиг-айрон – свинское железо. Древних металлургов можно было понять — кузнец руду добыл, деревья свалил, уголь из них выжег, плавку провёл, а в результате получил чёрт знает что! Но очень твёрдое! Ну, очень! В результате, в те времена чугун просто выбрасывали как производственный брак.
Про болезненного ребёнка говорят, что у него, если и не понос, так золотуха, вот и у металлургов до XVIII века — до изобретения и массового внедрения пудлингования — были или золотуха мягкого железа, или понос твёрдого, но хрупкого чугуна. Со временем научились получать высокое содержание углерода на поверхности железного изделия – цементировать железо (для этого его в нагретом состоянии выдерживали в контакте с мелким углём), но получать нужное равномерное содержание углерода в объёме металла, не могли. Железо, и чугун научились использовать без остатка, но, разумеется, перед металлургами стоял и стоял вопрос, как в одном куске металла соединить и пластичность железа, и твёрдость чугуна? Ответ как бы напрашивался – смешайте их! Кто додумался первым до такого смешения – Европа или Индия — сказать трудно. Кстати, в древнем мире лучшими металлургами Европы были кельты, а одно из кельтских племён вошло в ту смесь народов, которая потом стала славянами, причём, произошло это вливание кельтов в будущих славян в богатых рудами горах Чехии. Поэтому не удивительно, что славяне (поляне), переселившиеся на Днепр, платили местным хазарам дань не только мёдом и холстами, а и булатными мечами (харалужными) и, соответственно, и сами ими при необходимости орудовали: «Яръ туре Всеволодѣ! стоиши на борони, прыщеши на вои стрѣлами, гремлеши о шеломы мечи харалужными».
О технологии производства булата славянами сведений не осталось, но по арабским источникам можно судить, что технология у тех же полян была очень заморочливой и дорогой – свариванием пучка проволоки. Представьте, нужно было получить крицу, проковать её, выбив шлак, порубить её на куски, кускам придать форму прутов, прутья протягивать (волочить) поочерёдно через всё меньшие и меньшее отверстия, превращая их в проволоку. Затем проволоку выдержать в горне без дутья, чтобы поверхность проволочек насытилась углеродом, затем этот пучок ковать, сваривая ковкой эти проволочки в единый кусок металла, а уж из него отковывая клинок меча или ножа. (Кстати, в Интернете видел фото, как некоторые современные кузнецы получают «булат» кузнечным свариванием куска стального троса).
От помянутого преподавателя помню технологию получения булата в России: бралась полоса науглероженного железа, нагревалась, складывалась пополам, сваривалась ковкой и ковкой же оттягивалась до прежних размеров, затем снова нагревалась, снова складывалась, и снова сваривалась и оттягивалась, и снова нагревалась. И так 24 раза. А потом уже из того, что осталось от этой полосы (при каждом нагреве железо угорает) ковали лезвие булатной сабли.
А по технологии Индии и Ближнего Востока в их тиглях происходило следующее. В тигли грузили руду и уголь, грели снаружи очень сильно и долго, восстановленные частички железа науглероживались, становились жидким чугуном и стекали вниз, по пути на дно тигля часть капелек чугуна при контакте с рудой теряла углерод, температура плавления этих капелек повышалась, и капельки становились густыми. В результате на дне тигля образовывалась в среднем сталь (железо с углеродом), но сталь очень неоднородная по составу углерода в отдельных частях. То есть, в образовавшемся в низу тигля слитке этой стали (2-3 кг) какие-то части имели много углерода, другие – мало, и всё это было смешано ещё в тигле, а потом еще смешивалось при ковке этого слитка в полосы клинков.
Что объединяет все эти восточные и европейские технологии получения булата? Хотя они и различались, но если взять куски булата полученные в Европе и полученные в Индии, то они будут представлять из себя сплавленную (Индия) или сваренную кузнечным способом (Европа) механическую смесь железа с разным содержанием углерода. Сегодня сказали бы – смесь разных марок стали. Какие-то части такого куска будут очень твёрдыми, а какие-то очень мягкими. А вместе они придадут небольшому изделию, вроде клинка меча, вполне приемлемые свойства. Скажем, упругую гибкость всего клинка, при высокой твёрдости острия его лезвия. Но это не всё. Есть и бонус — если клинок из булата отполировать, то из-за разных светоотражающих способностей железа с разным содержанием углерода, на поверхности стали уже будет виден некий рисунок. А если протравить отполированную поверхность кислотой, которая в зависимости от содержания углерода растворит железо на разную глубину, то этот рисунок проявится ещё явственнее. То есть, рисунок булата является следствием НЕОДНОРОДНОСТИ химических и механических свойств отдельных частей того куска стали, из которого сделано изделие.
Возьмите два куска пластилина разного цвета, скажем, чёрного и красного, хорошо смешайте их в руках, а потом раскатайте его в заготовку для клинка. И вы увидите на поверхности этой пластилиновой полосы узор булата.
Так вот, расскажу вам секрет – начиная со второй половины XIX века профессиональные металлурги тратят огромные усилия, чтобы НЕ ПОЛУЧАТЬ булатную сталь – не получать неоднородность слитков своей стали. Продукция профессиональных металлургов должна иметь исключительную однородность в каждом микрообъёме стального слитка. Только это гарантирует заданные механические и любые иные свойства стали. Во времена моего студенчества электромагнитное перемешивание жидкой стали в печах только начиналось, и на тех печах, на которых пришлось на практике поработать и мне, перед выпуском стали подручные сталевара через загрузочное окно стальными шуровками мешали и мешали озеро жидкой стали в ванне печи, добиваясь, чтобы химсостав первого слитка этой плавки не сильно отличался от химсостава последнего.
Задаю себе вопрос, а если бы надо было получать булат в промышленных объёмах, то есть в миллионах тонн, то как его получить? Не вижу проблем. Есть такая технология разливки стали – непрерывная, — по этой технологии жидкую сталь из ковша сливают в кристаллизатор машины непрерывной разливки стали, а в кристаллизаторе сталь застывает очень быстро – за секунды. Вот если в этот кристаллизатор вливать одновременно и малоуглеродистую жидкую сталь и чугун, то полученный металл не успеет усредниться по углероду, и при прокатке слитков после такой разливки на листы или полосы, будут получены листы и полосы булатной стали.
Понимаете, если бы сегодня в булате был хоть малейший практический смысл, то китайские металлурги уже давно бы завалили весь мир булатными ножами. Однако, если вы поняли, о чём я написал, то должны понять и то, что по взглядам сегодняшней металлургии, булат – это жуткий брак.
Да, конечно, можно поностальгировать по старине и сварить борщ в древнем глиняном горшке. Можно! Получится! Но ведь гораздо удобнее варить его в стальной или алюминиевой кастрюле. Так и с булатом. Металлурги уже лет 150 имеют в запасе для всех изделий из стали сорта стали, намного превосходящие булатную сталь по любым эксплуатационным свойствам. Скажем, уже лет 150 лучшие бритвы мира производят не в Индии или Дамаске, а в немецком Золингене или британском Шеффилде, но это бритвы и ножи не из булата.
Далее, ножи ведь нужны не только для того, чтобы любоваться рисунком поверхности их клинка, ножами ещё и работают. Опять воспоминания юности. Приятель после школы начал работать на мясокомбинате и очень удивил меня рассказом о том, что обвальщики мяса (срезающие его с костей), во-первых, работают в кольчугах, чтобы ненароком не проткнуть себя, если нож соскользнёт с кости, во-вторых, у них в качестве ножа для обвалки очень ценится немецкий штык.
Вот мы как раз и подошли к разговору о том, что ценится в ноже, и что изначально ценилось в булате. Наш известный металлург начала XIX века П.П. Аносов, сообщая о булатах его собственного изготовления, написал и о том, что именно изначально ценилось в булатной стали: «Здесь скажу только, что известия, сообщенные нам путешественниками о достоинстве некоторых азиатских булатов, отнюдь не столь преувеличены, как многим из новейших металлургов до сего времени казалось; ибо после того, что мною сказано о различии булатов от стали, каждому будет понятно и различие в достоинстве их. Итак, если коленчатым или сетчатым булатом с крупными узорами и золотистым отливом перерезывают легко на воздухе газовый платок, то тут ничего нет преувеличенного; моими булатами я мог делать то же самое. Но острота изделий из английской литой стали для произведения подобной пробы недостаточна. Самое большое, чего я мог достигать клинком из английской литой стали, состоит в нарезании шелковой материи». Способность перерезать в воздухе платок из легчайшей материи – газа, – падающий на лезвие клинка, это и есть тест на качество булатной стали. Булатное острие можно было заточить до состояния, до которого острие из других металлов довести не удавалось. Вот в этом и было преимущество булатной стали – ввиду его превосходной остроты, даже слабосильный боец мог нанести противнику такую рану, какую бронзовым или железным мечом мог нанести только физически очень сильный боец. Вот за это булатное оружие ценилось, а не за рисунок на клинке.
И в булате, как и в любой иной стали для ручного режущего инструмента, ценилась не способность булата рубить гвозди, а способность ЗАТАЧИВАТЬСЯ до исключительной остроты. Изделия из булата, повторю, ценились за легкость нанесения противнику глубоких ран, если речь шла о мечах и саблях. Ценились за способность долго не тупиться, а при затуплении легко восстанавливать остроту даже не заточкой, а только правкой.
Но уже с конца позапрошлого века металлурги разработали и сорта, и термообработку (и до сих пор их совершенствуют) сталей, которые по своему качеству намного превосходят булат. Булат стал не нужен не просто из-за непомерной дороговизны, но и из-за худших эксплуатационных свойств.
Значит ли это, что булат сегодня не нужен вообще?
Как это?? Ведь булат красив! И покупается булатный нож не для того, чтобы колбасу резать, а потому, что мужчин, пока они не потеряли мужских качеств, всегда будет тянуть к оружию.
А к красивому оружию – особенно!
