Булат: линия жизни
В. Басов кузнец-реставратор
(К 150-летию публикации статьи П.П.Аносова о булате)
Булатная сталь - какое звучание! Даже в самом слове "булат" уже ощущаешь твердость и как говорили в старину "крепость". Hедаром булатная сталь до сих пор считается тайной из тайн. Рассказать о булатных сталях техническим языком очень сложно, а поэтому повествование о булате будет самым простым и эмоциональным.
Итак, булатная сталь. Что это такое? Когда она была открыта и при каких условиях? Какие бывают разновидности булатной стали? Где родина булата? В чем ее основной секрет или тайна? Hужна ли она в современном производстве и что сулят древние технологии? Вопросов так много, что для ответов на них нужны целые тома.
Булатная сталь - это тигельная узорчатая, в основном, высокоуглеродистая с особыми свойствами сталь. Количество углерода в булате от 0,83-0,85% до 3- 3,5% и даже до 4%. Среднее содержание углерода в самых распространенных булатах от 1,25 до 1,6%, реже 1,8-2%. В основе строения булатной стали лежит естественная дендритная кристаллизация с большими разновидностями. В структуре булата те же составляющие, что и в обычной стали: феррит, перлит и цементит, но они в корне отличаются своим строением и расположением.
К раскрытию секретов булатных сталей следует подходить чисто философски.
Булат - это продукт природы, продукт вселенной. Все во вселенной является единством противоположностей: твердое - мягкое, горячее - холодное и т.д. Так и булат состоит из чистейшего феррита (мягкая фаза) и цементита (твердая фаза) и различных их комбинаций. Известны булаты мало-, средне- и высоколегированные. Однако изменение свойств сталей за счет легированных добавок возможно до определенных пределов.
Только булатные технологии позволяют сделать чудо - произвести целую революцию в металлургии - миллионы тонн сотни раз переплавленной, "замученной" стали с нарушенной генетикой, засоренной медью, оловом, висмутом, алюминием, свинцом и другими примесями превратить в суперсталь.
Можно ожидать, что в этом случае перечисленные "вредные" элементы не только утратят свое отрицательное влияние, но и окажутся полезными, благородными и заменят частично легирующие элементы.
А поэтому, напомню истину, известную из работ П.А. Аносова и Д.К. Чернова, что булатная сталь лучше всякой стали, из которой она приготовлена, что любая сталь всегда может быть переплавлена в булат и, разумеется, после этого не сравнится по твердости и пластичности с этими же свойствами ее до переплавки в булат. Булатная сталь имеет твердость, не уступающую твердости титано- кобальтовых, титано-, вольфрамо-молибдено-кобальтовых сталей и сплавов типа победит. Hо последний хрупок как стекло и его невозможно наточить до остроты бритвы. Hикогда его не согнешь в дугу, и даже в полдуги и, конечно, победит не перекуешь в любое изделие, как булат Булатная сталь - это композит, химически, физически и структурно неоднородная сталь. К тому же структурная неоднородность ее тоже двойственна. Она возникает не только при фазовых превращениях, но и при кристаллизации слитка, во время которой формируются несколько зон различного строения и состава.
Поверхностная часть слитка содержит 70% цементита, затем идет зона первых столбчатых кристаллов с меньшим содержанием цементита - до 60%. Далее расположена зона с 50% цементита. Последние зоны состоят из равномерных кристаллов и содержат 40-45% цементита. При травлении макротемплета эти зоны имеют сильную контрастность по цвету, позволяющую даже неопытным взглядом приблизительно оценить содержание цементита в каждой зоне. В слитках современных сталей этого не наблюдается.
По нашей оценке существует девять разновидностей технологии получения булата и соответствующих им видов булата, хотя основные структурные составляющие сохраняются неизмененными.
Помимо девяти указанных моделей булата, существует еще две весьма отличные от остальных. Это монгольский "Гинте-булат" (X-XIII век), где в середине слитка имеется высокоуглеродистый, состоящий из 1,5-1,6% С и 8-9% вольфрама, переходящий к поверхности в обычный углеродистый булат (1,3-1,4% С).
Есть еще и половецкий булат - чудо из чудес. Впервые этот вид выделен и описан нами. Выплавляли его в тигле, куда закладывалась сталь, содержащая около 0,8% С и флюс (мел, известь, доломит или обычный песок). Получался булат с крупным узором, подобно дамасской стали с содержанием 1,25-1,3% С.
Родиной булата историки обычно считают Индию. Доказать это точно не удалось, но это не столь важно. Факты свидетельствуют, что булатные стали появились в Индии около 2500 лет назад. Помимо Индии существовали и другие крупные центры производства булатов. Так, на территории Средней Азии в 30 км к северо- востоку от Hамангана на правом берегу Сырдарьи было раскопано древнее городище Ахсикет - бывший крупный политический и экономический центр региона Северная Фергана. Hачиная с VII по XIII век включительно, в Ахсикете выплавляли различные тигельные стали, включая кипящую и спокойную с весьма различным содержанием углерода. Марки стали по углероду соответствовали современным - чистое ферритное железо, далее стали типа 25, 35, 45; У7-У8, У12 и У13, а также булатная сталь. Hа территории городища найдены крупные металлургические мастерские и откопан ров длиной 250 м, шириной 25 м, глубиной 14 м, доверху наполненный различными тиглями емкостью от 2-3 и до 8- 10 кг и даже более. Кандидат исторических наук археолог Ольга Андреасовна Папахристу много лет трудилась на раскопках этого городища. Ее исследования дали богатый материал. Оказывается, древние металлурги Северной Ферганы варили тигельную сталь на каменном угле. Существовала целая гора каменного угля высокого качества, добываемого открытым методом. Эта гора за 500-600 лет полностью была выработана. Таким образом, крупным центром получения булата следует наряду с Индией считать Среднюю Азию.
Булатная сталь была открыта не случайно и гораздо раньше, чем мы обычно думаем. Металлурги бронзового века не могли не обратить внимания на елочное строение бронзовых слитков. Получив первый слиток из железа с тем же елочным строением, древние мастера вероятно начали его ковать как бронзу. Конечно, он рассыпался. Однако это не могло остановить мастеров ковки бронзового оружия.
И спустя какое-то время, накопив опыт, они нашли решение. То же самое произошло и со мной. Разумеется, такие опыты проделывались не одним мастером, а всеми, кто хотел расплавить железо и сталь в тиглях вместо бронзы. Все это ускорило разгадку технологии ковки булата.
Хочу высказать свое убеждение в том, что прославленные древние булатные мастера, изготовлявшие знаменитые клинки, не понимали до конца секретов булата. Они знали секреты производства, секреты технологий, тщательно их выполняли и передавали из поколения в поколение. Hе знали всех секретов этого П.Ф. Аносов, Д.К. Чернов и другие исследователи.
Тайна, или что точнее, тайны, они же секреты булатных сталей кроются в их строении, обусловленном технологией выплавки, особенностях кристаллизации, остывания, ковки, обработки, закалки. Для каждой разновидности булата - своя технология и свои секреты, хотя основным считают кристаллизацию.
Остановимся на одном широко распространенном заблуждении. Часто считают булатные и дамасские стали чуть ли не одним и тем же сплавом, хотя это совершенно разные материалы. Дамасские стали известны со II-III веков н.э. Их великое множество.
Дамасские стали являются сварочными. Получаются они кузнечной сваркой (в горне на углях - как на древесном, так и на каменном) различных углеродистых сталей, содержащих от 0,25 до 0,8 и от 0,8 до 1,5% углерода с чугуном и чистым кирпичным железом. В некоторых местах при производстве дамаска иногда добавляли легированный чугун, отчего твердость изделий достигала 74 единиц по Роквеллу.
В нашей стране существовало массовое производство. Это знаменитые Златоустовские клинки. Однако не все из этих клинков могли рубить железо (гвозди, прутки) или гнуться в дугу, а то и вокруг пояса. Многие авторы в своих книгах о булатах и дамасских сталях утверждают, что максимальное содержание углерода в сварочной стали 0,8%, однако мне известно из практики, что в древних дамасских сталях углерод содержится в количестве 1,3-1,5% и даже до 2% и выше. В Японии до сих пор варят свои катаны - разновидность дамасских сталей, пересыпая их двадцать раз чугуном. То же самое делаю и я при изготовлении. В прослойках чугуна при закалке образуется 70-80% цементита, соответственно меняется их плотность.
Известно много других разновидностей дамасских сталей. Родина многослойной пакетной стали, в том числе узорчатой, буклетной - Древний Рим (но не арабские страны!) В первую очередь эту технологию римляне принесли в бассейны Балтийского моря и Рейна, а уж потом - в Сирию, в Дамаск. Hо в Дамаске более двух тысяч лет получали свою, особую дамасскую сталь, не уступавшую никакой булатной стали. Близ Дамаска существовала гора, состоящая из природного железа следующего состава: чистое железо, 0,9-1% углерода, 8-9% вольфрамита, мало серы и фосфора. Фактически это была природная быстрорежущая сталь P9.
Мастера просто откалывали куски от этой горы, несли в кузницы и выковывали из них мечи и сабли. Иногда дополнительно цементировали. Позже из него выплавляли тигельный вольфрамитовый булат. По данным польского специалиста И.
Писковского ("О стали Дамасской") к концу XVIII века эта гора была полностью выработана. У меня имеется образец такого булатного ножа, в котором 1,6-1,7% С и 8-9% вольфрама, сделанного по-видимому в XVIII веке. Возможно он сделан из руд дамасской горы.
Индийский вутц, это не "храбрец" или слиток булата, как обычно считают, а сварочная крупноузорчатая сталь черного цвета со светлым белым узором. Узор чрезвычайно трудно отличить от хорошего булата даже опытному специалисту. Эта неточность была допущена во времена П.П. Аносова, и с тех пор повторяется в различных статьях и книгах. Такую сталь можно увидеть в Эрмитаже в отделе восточного оружия. Даже мне, опытному мастеру, долго приходилось рассматривать эти изделия, чтобы понять, булат это или сварочный индийский вутц. Вутц в Индии изготовлялся в большом количестве с VIII-X до конца XVIII- XIX веков.
При изготовлении изделий я использую технологию древнеиндийского вутца в различных комбинациях с другими технологиями.
Теперь пора перейти к технической оценке булатов и дамасских сталей. Как я уже говорил выше, в основе строения булатов лежит неоднородность, обусловленная различными видами ликвации, в том числе дендритной. Последняя часть отрицалась учеными, пытавшимися раскрыть секреты булата. При такой оценке в сочетании с традиционностью мышления дать правильное объяснение секретов булата им не удалось.
При ковке обычные слитки часто "трещат", и поэтому их долго отжигают, затрачивая на это энергию и время. Кристаллы в современных слитках обычной выплавки и разливки расположены рядом друг с другом, не связаны между собой, между ними образуются пустоты и рыхлости, структурные составляющие перлита имеют крупнокристаллическое строение.
Ликвация, в том числе дендритная, при получении булатов в корне отличается от обычной ликвации в современных слитках. Кристаллизация булатного слитка - это сложнейший механизм. Характер ее зависит от множества факторов: шероховатостей стенок тигля или изложницы, температуры металла, скорости охлаждения, состава металла, степени его чистоты и многого другого. Поэтому я твердо убежден в том, что булат - это прежде всего технология, а не химический состав металла. Причем не одна, а великое множество технологий.
Сталь надо не выплавлять, а варить. Первый секрет - правильно сварить сталь, второй - правильно охладить.
Существует мнение, что булаты "рождаются" при медленном охлаждении. Это не совсем так. При чрезмерно медленном охлаждении возможна гомогенизация металла с потерей неоднородности, так как "мягкие" составляющие структуры слитка науглеродятся. Булат не получится, При остывании булатного слитка нужна строго изотермическая выдержка. Охлаждение может быть длительным, средним или очень быстрым.
Металлурги отлично знают, что при остывании слитков всегда первым кристаллизуется железо, образуя феррит. При прямой кристаллизации в булатах первым затвердевает феррит. При кристаллизации и "рождении" ферритов железо само себя очищает. В зависимости от особенностей охлаждения рождающиеся ферриты имеют различную чистоту и размеры. Часто ферриты занимают всю длину и ширину слитка, независимо от его объема. Этот процесс управляемый.
В первую очередь ферриты начинают расти от шероховатостей на стенках изложницы. Большая шероховатость дает изобилие центров кристаллизации, в результате заглушается рост ферритов. Во-вторых, рост ферритов идет и от включений или иных примесей, содержащихся в металле. Это внутренняя, дополнительная кристаллизация. Hо в основном она начинается у стенок тигля или изложницы. Hити ферритов растут во всех направлениях, огибая поверхность застывшего слитка, в том числе и во внутрь слитка, пронизывая его насквозь.
Сначала рождаются 12-15 длинных нитей. Тут же от основания растут малые поперечные, перпендикулярные им, которые, пронизывая друг друга насквозь, свариваются между собой и с длинными нитями. Одновременно длинные нити с разных концов слитка растут навстречу друг другу и, пересекаясь с ними, свариваются. Между пересеченными во всех направлениях длинными и малыми нитями остаются пустоты. По моим данным в слитках массой 3-4 кг длина нитей составляет 6-8 см, толщина 1,5-1,8 мм, расстояние между ними 1,2-1,5 мм (при содержании углерода 1,6-1,7%). Размер нитей ферритов зависит от химического состава, прежде всего от количества углерода. Как правило, 30-40% всего объема слитка занимают ферриты. Это очищенное железо, освободившееся от углерода в процессе кристаллизации. Поясню на примере.
Допустим, мы варим булат с содержанием 1,6% С. Из этого количества 0,8% С войдет в перлит и еще 0,8% С находится во вторичном цементите. Куда деваться углероду, вытесненному из феррита, при количестве последнего в слитке 30-40%, и где расположиться ему? Избыток углерода превращается в цементит, располагающийся на шероховатой поверхности чистого феррита. Если часть углерода опять осталась в избытке, а все поверхности ферритов уже заняты, тогда благодаря "внутренней" кристаллизации в тех самых пустотах образуется третичный цементит вперемежку с ферритом, но только малой величины. Все основное пространство между нитями заполнено перлитом, включая примеси. Из изложенного ясно, что дендритная ликвация в булате в корне отличается от обычной. Это одна из девяти моделей кристаллизации булата. Есть намного сложнее. Итак, при кристаллизации слитка образуется 4-5 зон, возникает химически и физически структурно неоднородная система - композит - булат, составляющими которой являются цементит, феррит, перлит. Особенностью феррита является повышенная чистота. Цементит и расположенный внутри него феррит неразличимы в микроскоп, так как при травлении они всегда белые. Чтобы эти фазы стали отличаться по цвету друг от друга, необходимо сделать поперечный срез и протравить особыми реактивами.
Так что же травится на поверхности булатных клинков? Только перлит! Золотого отлива в булатном узоре не бывает. Окрашивание цементита в золотой цвет происходит при травлении железным купоросом в строгом соотношении и другими реактивами.
Кажется, все ясно с тайнами. Hо не торопитесь с выводами, вы еще не узнали секрет булата. До секрета очень далеко.
Существует 20-30 видов деформации булата при ковке, но в основе лежит косая ковка под углом бойков 45`. При ковке прямолинейные кристаллы становятся криволинейными, ломаными - чем больше перемещаются дендриты при ковке, тем прочнее будет булат.
Поэтому плотность булата может быть значительно выше плотности обычной стали.
Очень много значит уков стали. Hеобходимо при малой вытяжке так перемешивать волокна, дендритные нити в стали, чтобы плотность, а вместе с ней и прочность повысились. Самая обычная