"Загадка булатного узора" - читать интересную книгу автора (Гуревич Юрий Григорьевич)

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 °C. 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 °C 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 °C (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 °C. 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 °C 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 °C. 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 70 °C 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 °C. При таком отпуске нельзя получить высокой упругости. Отпуск же при 300 °C 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 °C, 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, коричнево-красный — 265, темно-желтый — 220 °C.

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 °C 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 охладить сталь после нагрева под закалку, тем она тверже и износоустойчивей. В. Шекспир так описывает меч Отелло:

Температура воды и растворимые в ней соли оказывают большое влияние на скорость охлаждения. Поэтому в древности пользовались для закалки родниковой водой, водой из минеральных источников, росой и так далее. Температуру воды и место ее отбора держали в строгом секрете. Сохранилась легенда о том, как один подмастерье захотел узнать, при каком жаре идет закалка. Когда мастер опустил в воду раскаленный клинок, тот сунул в сосуд палец. Рука подмастерья, проявившего излишнее любопытство, была отрублена ретивым мастером.

О том, какое значение имела температура воды и растворимые в ней соли, свидетельствует случай, который произошел уже в наши дни. На заводе вдруг пошел повальный брак по механическим свойствам деталей после термообработки. Причину установили не сразу; оказалось, что кто-то в закалочной воде помыл руки с мылом…

В древности искали и умели находить среды, в которых сталь охлаждается быстрее, чем в простой воде. Вот как Теофил описывает закалку стали, которая режет «стекло и мягкие камни»: «Берут трехлетнего барана, привязывают его и в течение трех дней его не кормят. На четвертый день его кормят только папоротником. Спустя два дня такой кормежки его ставят на следующую ночь в бочонок с пробитыми снизу дырами. Под эти дыры ставят сосуд, в который собирается моча барана. Собранная таким образом за две-три ночи в достаточном количестве моча барана изымается, и в указанной моче закаливают инструмент».

Когда кузнецы научились получать стали с большим содержанием углерода, они обнаружили, что клинки, закаленные в холодной воде, легко ломаются от удара. Поэтому в Персии, например, начали закаливать холодное оружие в мокром холсте. Известен также метод закалки, при котором клинок до термической обработки обмазывался для тепловой изоляции толстым слоем особой глины с разными примесями. Состав удалялся только с лезвия, подлежащего закалке в воде. Образовавшейся при этом демаркационной линии в каждой мастерской придавали своеобразный оригинальный рисунок, по которому можно отличить мастера, изготовившего холодное оружие.

Древние кузнецы знали и способы предохранения металла от окисления в период нагрева под закалку. Кузнец брал бычьи рога, сжигал их на огне, в полученный пепел примешивал соли и посыпал этой смесью изделия, шепча заклинание. После этого изделия нагревались и закаливались в воде или сале. Если не говорить о заклинании, то все это, как ясно теперь, являлось необходимым условием безокислительного нагрева стали.

Чтобы обеспечить необходимые свойства лезвию и обуху, закаленные клинки нужно было уметь отпускать при разных температурах. Делалось это путем нагрева клинка над раскаленными углями. Так при отпуске сабельного клинка различные его части отпускались следующим образом: у ручки клинок нагревали до зеленого цвета, у конца — до синего, в середине — до фиолетового, а лезвие — до желтого.

Применялась в древности и химико-термическая обработка стали. Цементацию стали делали так. Изделия смазывали свиным салом, обматывали ремешками, нарезанными из козлиной кожи, обвязывали льняными нитками, покрывали слоем влажной глины, сушили и помещали в горн. Поверхность стали науглероживалась, становилась твердой после закалки в воде, в то время как сердцевина оставалась вязкой, пластичной.

Кто не читал о варварском способе закалки стали в теле человека? В Древней Сирии, повествует легенда, клинок нагревали до цвета вечерней зари и шесть раз вонзали в ягодицы молодого раба. Известны приемы подобной закалки стали охлаждением в теле свиньи, барана или теленка. Был ли смысл в этом страшном ритуале? Оказывается, как это ни крамольно звучит, был. Он связан с химико-термической обработкой стали, которая называется цианированием.

Под цианированием понимают процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом. По сравнению с цементированным цианированный слой обладает более высоким сопротивлением износу, немалой твердостью, хорошей устойчивостью против атмосферной коррозии.

Твердое цианирование — процесс, аналогичный цементации. Он состоит во взаимодействии стали при нагреве с цианистыми солями. Основным компонентом солей является группа (СN), которая снабжает поверхность стали углеродом и азотом одновременно. Таким образом, цианирование — это совмещенный процесс цементации и азотирования. Для цианирования применяют чаще всего желтую кровяную соль К4Fе(CN)6 (. Если посыпать такой солью поверхность детали и нагреть ее до температуры 500–600 °C, то в результате диффузии углерода и азота в тонкий поверхностный слой детали произойдет цианирование.

Но почему желтую соль К4Fе(СN)6 называют кровяной? Оказывается, потому что ее длительное время получали сплавлением обугленной животной крови с поташом и железом. Не исключено, что древние воины после битвы обмывали свои клинки водой и сушили на кострах. На клинках оставалась кровь, а в озерной воде часто бывает много растворенного поташа (К2СО3). Так, совершенно случайно в древности осуществляли цианирование стали. Между тем воины замечали, что после применения в сражениях поверхность их клинков становится твердой, износостойкой. Это и могло послужить основой «кровавого способа» термообработки холодного оружия.

После ковки и термической обработки клинки обтачивались на точильных камнях, шлифовались и полировались. Эта работа включала ряд технологических операций и тоже требовала навыков, опыта и знания целого ряда ремесленных секретов.

Черновая шлифовка осуществлялась обычно на небольшом широком камне. Клинок заворачивался в предохраняющую ткань, обнажался только участок который подвергался шлифовке. Затем ткань передвигалась, и шлифовался следующий участок. Чистовая шлифовка делалась мелкозернистыми камнями различных сортов: корундом, наждаком, песчаником и другими. Доводка производилась на 4–8 камнях, а лучших клинков — на 15. Сохранилась миниатюра XII века, изображающая процесс изготовления мечей. Точило укреплено на деревянной колоде, наполненной водой. Подмастерье крутит ручку точила, а мастер шлифует клинок.

После обработки на камне клинки шлифовались различными тканями. В Индии нередко мастер заканчивал полировку пальцами своей руки. Советский филолог Н. Р. Гусева, прожившая несколько лет в Индии, так описывает процесс полировки изделий, который согласно преданиям был в ходу у древних индийцев: «Полировка осуществлялась при помощи трех компонентов: песка, наждака и пальца. Так вот, пальцем день за днем, с утра до ночи, месяц за месяцем, год за годом, поколение за поколением. И получали идеальную гладкую поверхность…».

Необыкновенное умение и титанический труд требовались, чтобы изготовить булатный клинок. Один клинок делался не часы, не дни, не месяцы, а годы…

Теперь совершенно ясно, что секрет булата был не один — их было несколько. Первая группа секретов относится к особенностям технологии получения слитка булатной стали с присущей ему неравновесной структурой, физической и химической неоднородностью. Эти секреты теперь расшифрованы, получен булатный слиток.

Вторая группа секретов относится к искусству ковки и получению булатных узоров. Многие приемы ковки булата сегодня осмыслены и познаны, воспроизведены почти все известные булатные узоры. Но тут еще последнее слово не сказано, работы в этой области продолжаются.

Третья группа секретов касается чистоты исходных материалов, обеспечивавшей особый химический и фазовый состав углеродистой стали, вырабатываемой в древности. Эти секреты современная наука также постепенно раскрывает.

Четвертая группа секретов включает термическую и химико-термическую обработку стали. Многовековой опыт металлообрабатывающего ремесла позволил оружейникам найти оптимальные режимы термомеханической обработки, цементации, закалки и отпуска стали, которые они держали в секрете. За время, прошедшее с тех пор, термическая обработка стали превратилась в стройную науку. Пользуясь современными теоретическими и экспериментальными методами анализа, можно раскрыть многие секреты, касающиеся термообработки древнего булата.

Наконец, пятая группа секретов касается отделки булатного оружия. Здесь следует решительно признать: воспроизведение методов шлифовки и полировки древних клинков — дело для нас чрезвычайно трудное. Поэтому пока еще никому не удалось достичь легендарной упругости булатных клинков.

Исходя из секретов производства булатной стали сегодня можно достаточно убедительно ответить на вопрос: что такое булат? Но ответ этот будет не прост.

Булат — это углеродистая заэвтектоидная сталь. Булат не только углеродистая сталь, булат — сталь сверхуглеродистая, близкая по составу к чугуну. Булат не только сверхуглеродистая сталь, булат — сталь особо чистая, без посторонних примесей. И наконец, булат — высокоуглеродистая сталь, обладающая неравновесной структурой, с ярко выраженной макро- и микронеоднородностью. Булат — слоистая сталь. Очень твердые слои с высоким содержанием углерода чередуются в булате со слоями, мало насыщенными углеродом и поэтому пластичными. В процессе ковки все слои переплетаются, образуя характерный естественный рисунок. Булат — узорчатая сталь. Структура булата после применения специальных методов ковки, термомеханической обработки и отделки обеспечивает ему необычайно высокие механические свойства. Булат — сталь, обладающая одновременно высокой твердостью, прочностью, вязкостью и упругостью. Чередование мягких и очень твердых участков на лезвии клинка превращает его в микропилу и обеспечивает самозатачиваемость. Булат — сталь, обеспечивающая необычайную остроту лезвия клинка и его самозатачиваемость. Таким образом, в понятие «булат» вкладывается целый ряд характерных особенностей этой замечательной стали.